联合作战方案仿真实验评估框架研究

李江涛,张 英,张京涛,张 闯

(国防大学联合作战学院,河北 石家庄 050084)

评估分析是联合作战方案仿真实验的重要环节之一,更是整个仿真实验活动的牵引。联合作战方案仿真实验评估框架是对作战方案仿真实验评估活动的一种认识和指导,通常由一些关键要素构成。这些要素之间具有一定的关联关系,反映的是人们对该活动相关知识或规律的内在认知。

本文通过对联合作战方案仿真实验评估框架的研究,来规范联合作战方案评估分析活动,从而进一步从评估分析的视角深化对联合作战方案仿真实验活动的认识,为更加科学有效地组织、实施仿真实验活动和构建开发仿真实验系统提供理论依据和方法。

1 概述

1.1 问题分析

当前,对于作战方案的评估分析多是在仿真实验结束后,运用已有经验和技术方法,对仿真生成的过程和结果数据进行事后分析和处理,挖掘结果数据背后隐藏的作战规律。但是,由于评估分析在仿真实验结束后实施,使得评估分析内容无法与实验环节有效整合,从而难以确保评估分析活动全面与合理，并且由于仿真模型只是对现实作战活动的简化抽象,使得事后分析所依赖的结果数据存在失真、失效和失准等情况,从而无法全面准确地实现方案评估分析的目的和需求。

作战方案评估分析是一项贯穿作战方案仿真实验全过程的连续的实践活动。逻辑起点是军事人员提出的作战方案评估需求,目的是为军事指挥员科学决策提供依据,包含方案数据化、实验设计、建模仿真、数据分析、结果可视化等多个步骤和环节,需要在作战方案仿真实验的设计、准备、组织实施和结果分析等各个阶段中统筹考虑评估分析的具体需求。因此,需要研究设计评估分析框架,使其既能清晰地反映作战方案仿真实验与评估分析两者之间的关联关系,又能对作战方案仿真实验与评估分析的一体化设计和实施提供总体指导和规范。

1.2 评估框架的内涵

联合作战方案仿真实验评估框架,是对联合作战方案仿真实验评估分析要素的组成结构以及工作机制的具体描述。其内涵体现在以下三个方面。

1)评估分析要素既包括对评估分析过程顺利实施具有决定作用的、规程中必须存在的、牵引整个评估分析活动的要素,也包括在具体目标或局部功能实现上,对评估分析过程起辅助和支撑作用的要素。

2)组成结构是评估分析要素之间的相互联系、相互作用的方式或有序组合,反映了评估分析要素如何进行分工、分组和协调合作,以实现对评估分析活动的支撑。

3)工作机制是评估分析要素在评估分析活动中应遵循的工作程序和交互规则,以便实现评估分析各要素的有机联系,保障评估分析活动以一个相辅相成的整体有效运转。

评估框架的构成基础是各个评估分析要素。这些要素在逻辑上和功能上相互关联、相互作用,共同支撑整个评估分析活动;评估框架的核心内容是评估分析要素的组织结构和工作机制,其本质是对评估分析活动内在规律进行抽象和提炼;评估框架的主要功能是指导仿真实验评估分析活动有序组织和开展,使评估分析活动贯穿于仿真实验的全过程。

2 联合作战方案仿真实验评估框架设计

评估框架设计,是运用相关理论指导评估框架构建实践的过程,主要涉及问题分析、基本思路、主要原则、设计方法、组成结构和关键要素等内容。

2.1 基本思路

研究和设计评估框架,首要是研究和认清评估分析活动的本质,主要是厘清三个关键问题:评估分析活动具体涉及哪些相关要素;要素之间如何相互关联和相互作用;这些要素通过相互关联和相互作用形成的整体具有什么样的工作机制。

首先,从评估分析的视角,分析联合作战方案仿真实验评估分析的全过程,研究评估分析各个阶段的划分,以及每个阶段的主要内容,对这些内容进行归纳和总结,形成各阶段的评估分析要素。

其次,抽象和总结评估分析要素在方案评估各阶段的具体作用,明确其相互之间的关联关系和作用机制,对各阶段其他相关工作内容的具体要求,以及为评估分析活动可能提供的具体支撑。

再次,综合分析方案评估各阶段的工作内容和工作流程,研究评估分析要素在方案评估活动中的作用机制和工作流程,形成方案仿真实验评估框架。

最后,从数据角度来看,在方案评估过程中,数据起基础性作用,将各阶段的评估分析要素串联起来,依据仿真实验活动基本流程,建立由各类数据相互衔接形成的数据主线,牵引评估框架的设计,如图1所示。其中,仿真实验活动的起点为评估分析目的数据,它来自于军事需求信息,如作战方案数据等;活动终点是评估分析结果数据,是实验得出的知识和规律。实线为实验流程,虚线为数据流转。

图1 方案仿真实验评估活动中的数据主线

2.2 设计方法

联合作战方案仿真实验评估框架,可视为一个由评估分析要素及其关联关系组合形成的有机系统。评估框架设计属于系统工程的应用范畴。因此,基于系统工程理论和评估分析需求,遵循设计的基本思路,提出“体系—过程—数据”三维结构设计方法,如图2所示。

图2 “体系—过程—数据”三维结构设计方法

1)体系维

其用来表示方案评估分析的内容体系,包括对联合作战方案的静态评估和动态评估两类内容。这两类评估内容分别由一系列的评估项构成,它们之间形成一个有机联系的整体，主要包括战斗部署效果、行动过程效果、协同过程效果、任务完成效果和综合作战效果等。

体系维所含项的关联关系是(如图3所示):多个行动过程效果通过聚合生成协同过程效果;多个协同过程效果通过聚合生成任务完成效果;多项任务完成效果通过聚合生成综合作战效果。战斗部署效果和综合作战效果分别反映联合作战方案中部署方案和行动方案的仿真实验评估效果,支持最终方案综合评估分析结果的生成。

图3 体系维所含评估分析要素关联关系

2)过程维

其用来表示一次完整的方案评估分析活动应包含的工作阶段。它从评估分析的视角将仿真实验过程中每个阶段包含的评估要素进行归纳,并按一定的关联关系和作用机制进行组织,进而形成评估分析活动的具体实施过程，主要包括实验设计、仿真运行、作战数据解析、评估计算和分析、评估分析结果和评估分析报告等。

过程维所含项的关联关系是(如图4所示):实验设计指导和牵引仿真运行;评估计算和分析结果对实验设计、仿真运行、作战数据解析实施反馈控制;实验设计、仿真运行、作战数据解析、评估计算和分析、评估分析结果共同支持评估分析报告生成;仿真运行为作战数据解析提供数据源,支撑其实现作战数据解析;作战数据解析为评估计算和分析提供需求数据,支撑其生成评估分析结果。

图4 过程维所含评估分析要素关联关系

3)数据维

其用来表示方案评估活动中的各类应用数据,它按照方案评估开展的顺序,对各类数据的归纳和总结，主要包括仿真系统初始数据(基础数据、环境条件数据、作战方案数据、模型规则数据)、仿真过程数据、仿真结果数据、评估分析模型需求数据和评估分析结果数据。

数据维所含项的关联关系是(如图5所示):仿真实验开始前,需将仿真系统初始数据加载到仿真实验系统中,用以驱动系统对作战方案进行仿真模拟;通过系统运行,生成大量仿真过程和结果数据;系统将仿真系统初始数据、仿真过程和结果数据提供给作战数据解析器,经过解析生成多种评估分析模型的需求数据;通过相应模型运行,评估分析模型需求数据生成评估分析结果数据。

图5 数据维所含评估分析要素关联关系

2.3 组成结构

通过对“体系—过程—数据”三维结构设计方法中各维度评估分析要素进行归类、细化和衔接,我们设计了联合作战方案仿真实验评估框架,其组成结构如图6所示。

图6 联合作战方案仿真实验评估框架组成结构

评估框架主要包括“六类要素”、“五个节点”、“四种数据”和“两项机制”。

“六类要素”是指实验设计类要素、仿真运行类要素、作战数据解析类要素、评估计算和分析类要素、评估分析结果类要素和评估分析报告。以评估分析活动开展的时间顺序为轴线,框架将评估分析活动划分成六个工作阶段(对应图2所示过程维),每个工作阶段包含相应的评估分析要素。

“五个节点”是指评估指标体系和模型、仿真实验系统、作战数据解析器、因果/相关性追溯分析器和方案综合评估分析结果。它们是每一类要素内部组织结构的关键节点,是评估框架的关键功能项,是认识和理解评估框架的切入点。

“四种数据”是指仿真系统运行初始数据、仿真过程和结果数据、评估分析模型需求数据和评估分析结果数据(对应图2所示数据维),它们产成和应用于评估分析活动的不同阶段。在评估框架中,分别从属于仿真运行、作战数据解析和评估分析结果三类要素。

“两项机制”是指评估框架所具有的工作运行机制和数据流转机制。通过抽象和总结各评估分析要素在方案评估各阶段的具体作用,明确其相互之间的关联关系和作用机制,构成评估框架的两项机制。从工作时序角度看,在评估分析活动的不同阶段,评估框架的各评估分析要素相互作用,构成工作运行机制;从数据支持角度看,评估框架的各评估分析要素通过数据相互衔接,形成数据的闭合回路,构成数据流转机制。

2.4 要素分析

按照评估分析活动工作阶段的划分,评估框架将评估分析要素归纳为六类(如图6所示)。其中,评估分析报告可看作方案评估分析活动的一项“产品”,其他五类要素涵盖了评估分析活动的全过程,共同支持评估分析报告的撰写。

1)实验设计类要素

该类要素为方案仿真实验评估分析活动提供牵引和指导,主要包括评估分析内容、评估分析方法、评估指标体系和模型、敏感因素和实验点、仿真模型和作战方案仿真想定等。评估分析内容(对应图2所示体系维)是评估分析活动的目标和依据;评估分析方法实现对评估分析内容进行计算分析;评估指标体系和模型是该类要素的关键节点,它依据评估分析内容和方法进行构建,用于评判和衡量方案作战效果的标准和度量尺度,制约着敏感因素和实验点的设计、作战方案仿真想定的拟制和仿真模型的构建。

2)仿真运行类要素

该类要素为方案仿真实验评估分析活动提供数据源,主要包括仿真实验系统、仿真系统运行初始数据、仿真过程数据和仿真结果数据。其中,仿真系统运行初始数据包括基础数据、环境条件数据、作战方案数据、模型规则数据等。仿真实验系统是该类要素的关键节点,是实现方案动态仿真、生成实验数据的工具和平台。仿真运行开始前,将仿真系统运行初始数据加载到仿真实验系统中,通过仿真实验系统的自主模拟,生成仿真过程和结果数据。

3)作战数据解析类要素

该类要素为各类评估分析模型运行提供需求数据,主要包括作战数据解析器和解析生成的各类模型需求数据。其中,需求数据分为追溯分析数据、兵力编成数据、力量配置数据、任务区分数据、行动过程结果数据、协同过程结果数据、指令报告数据、实体状态数据、实体交互数据、战场环境数据等。作战数据解析器是该类要素的关键节点,主要对仿真系统运行初始数据及仿真过程和结果数据进行分析和再组织。

4)评估计算和分析类要素

该类要素通过调用作战数据解析器生成的相关数据,驱动各类模型运转,实现方案评估计算和分析,获取各类评估分析结果,主要包括因果/相关性追溯分析器、静态评估计算模型、动态评估计算模型、态势回放模型、数据统计模型等。因果/相关性追溯分析器是该类要素的关键节点,能够对某一敏感指标结果的成因、某一行动或事件的触发因素、某一时刻(空间位置)或某一时间段战场态势生成的原因等进行追溯分析,发现隐藏在数据背后的作战规律,提供更深层的评估分析结果。

5)评估分析结果类要素

该类要素通过对方案仿真实验结果进行综合分析,获取最终表征方案作战效果的量化数据,主要包括追溯分析结果、静态评估结果、动态评估结果、态势回放分析结果、数据统计分析结果和方案综合评估分析结果等。通过对评估计算和分析模型运算结果进行归一化和无量纲化处理,运用赋权聚合计算的综合评估方法,生成方案综合评估分析结果,实现多套方案作战效果优劣的比较。

3 联合作战方案仿真实验评估框架运行机制

机制是指一个工作系统的组织或部分之间相互作用的过程和方式。这种相互作用是通过系统各要素之间的相互关联关系来实现的。评估框架运行机制是指评估框架中各组成要素之间相互关系以及开展评估分析的工作过程,主要包括评估框架的工作流程、数据流转、循环工作特征和并行处理机制等内容。

3.1 工作流程

评估分析活动的工作流程具体反映了评估框架的工作运行机制,依据评估框架的组成结构以及评估分析要素之间的关系,可以概括出其工作流程。主要包括:实验设计、仿真运行、作战数据解析、评估计算和分析、生成评估分析结果、撰写评估分析报告等六个工作环节,如图7所示。每个工作环节都包含了相应的评估分析要素和要素间的结构关系,通过其内在工作关系,可实现外部数据接收、内部数据转换输出,工作环节间前后关联,按一定的运行交互规则相互发生作用。其中,作战数据解析与评估计算和分析是整个工作流程的重点和难点。

图7 联合作战方案仿真实验评估框架工作流程

1)实验设计是评估分析活动的规划和指导。按照方案评估分析的需求和目的,将评估分析目的与作战问题建立映射关系,明确评估分析具体内容,选择合适的方法和工具,按照科学合理的步骤,有计划地展开和实施,这一过程根据现实需要或时间条件等具体情况,可简可繁、可粗可细,主要包括方案仿真实验评估分析的内容、方法、评估指标体系和评估模型、敏感因素和实验点、仿真模型、作战方案仿真想定等。

2)仿真运行是评估分析活动的基础和保证。依据评估指标和数据的要求,设置仿真参数(如仿真时钟、步长、随机数种子、迭代次数等),加载初始数据,运行仿真系统,收集模拟生成的过程和结果数据。若一次模拟所获取数据无法满足要求,则将分析结果反馈给第一步,修正实验设计,重复进行模拟,直至获取满意样本数据。

3)作战数据解析是评估分析活动的“中间纽带”,起着承上启下的数据转换作用。根据评估计算和分析所需数据种类、结构等需求,从仿真数据库中析取目标数据,经过作战数据解析器中行动解析、协同分析、数据统计、地形分析、跟踪过滤等功能模块处理,获取符合评估计算和分析需求的数据。

4)评估计算和分析是整个评估分析活动的核心环节。通过调用解析数据,运行静态和动态评估计算、统计分析、态势生成等模型,生成战斗部署效果、行动过程效果、协同过程效果、任务完成效果、作战体系效果等表征方案综合作战效果的多个量化指标数据,并观察某一时刻或某一时间段内作战实体或编组实体位置、运动轨迹、状态、交互、指令报告等信息,查看战场态势演变情况和作战统计生成的图表结果等,得出定量与定性相结合的评估计算和分析结果。依据方案评估目的,对关键指标偏离标准值的影响因素和某项作战行动/协同效果未达成原因等进行因果/相关性追溯分析,把握问题成因和变化规律。在评估结果未达目的时,分析问题具体原因,可转第一步,修正设计后再重复实验和评估分析过程;可转第二步,调整方案关键指标取值再次仿真,研究方案效果与关键变量取值之间的变化规律;也可转第三步,通过改变数据解析的输入条件,再次解析,生成所需内容数据再次进行评估计算和分析。

5)生成评估分析结果是评估分析活动的提炼和反馈。主要采取定性与定量相结合的方法,由评估分析人员和运筹分析专家等协作,对评估计算和分析得出的结果进行讨论分析,判定各类评估结果对方案综合作战效果的贡献度和影响程度,给出反映方案综合作战效果的最终量化结果。最终结果若未达成目的,可转第一步,修改实验设计,再次进行评估分析,直至获取满意的方案综合作战效果。

6)撰写评估分析报告,是评估分析活动的总结和升华。通常由军事人员、运筹专家、实验技术人员和评估分析人员等共同分析结果的军事含义和适用范围,提出此方案可用于实战的限制条件和改进的意见建议。同时,总结整个评估分析过程,撰写评估分析报告,并将报告提交作战指挥决策者使用。至此,联合作战方案仿真实验评估分析过程全部完成。

3.2 数据流转

评估分析活动本质上是一个不断对各类数据进行调用、创建、处理、分析和更新的过程。通过解决数据有无、消除数据异构性、重组数据用于模型计算分析等问题,实现数据在仿真实验过程中的顺利流转,达成获取数据信息和数据变化规律特征的目的。评估框架的数据流转过程主要包括初始数据设计、仿真数据生成、作战数据解析、评估计算和分析、评估分析结果数据生成和数据反馈控制等六个基本环节。具体如图8所示。

图8 联合作战方案仿真实验评估框架数据流转

1)初始数据设计。依据评估指标和模型以及仿真运行的数据需求,确定评估分析所需初始数据的类型、结构及组织方式,为方案仿真实验评估分析提供基础支撑，主要包括由作战编制编成、武器装备战技术性能等构成的基础数据，通过对联合作战方案数据化生成的作战方案数据和作战环境条件数据，仿真模型所使用的规则数据等。

2)仿真数据生成。依据评估指标和模型的数据需求,加载系统运行所需初始数据,驱动仿真实验系统运行;依据数据采集计划记录仿真过程和结果数据,并存储在相应的目标数据库中。方案仿真实验需要多次调整初始数据中的实验变量参数,反复进行实验,从而会生成大样本的仿真实验过程和结果数据。因此,仿真数据的生成是一个对初始数据进行修改、重复加载运行并更新仿真过程和结果数据的重复过程。数据库应记录每一次实验的初始数据及仿真过程和结果数据,为后续评估分析做好数据准备。

3)作战数据解析。依据评估计算和分析的数据需求,从相应的目标数据库中析取目标数据,通过对目标数据的解析,输出评估计算和分析模型所需的结构化数据集。解析生成的数据主要包括静态评估数据、动态评估数据、因果/相关性追溯分析数据、态势回放数据、统计分析数据等。

4)评估计算和分析。依据评估分析结果的数据需求,对解析生成的结构化数据集进行计算和分析,生成各类评估分析结果数据,并以图表、文字、态势回放等可视化方式呈现给实验观察者。当实验结果数据与期望值偏离较大时,应进行因果/相关性追溯分析,查找并掌握影响因素形成的关键链路。

5)评估分析结果生成。按照实验设计确定的指标权重和聚合运算模型,将评估结果数据进行多目标综合,形成反映方案综合作战效果的唯一的量化指标数据,依此进行评估分析结果优劣的比较排序。

6)数据互反馈。依据数据流转各环节中需求的改变或出现的有关数据问题,在评估分析控制模块的统一调度下,以消息或指令等形式,将变化反馈给相应环节的要素,对其内容、属性和存储管理等做出调整,再依次进行后续步骤,形成数据流转的闭合回路,直至获取符合要求的结果数据。

3.3 循环工作特征

通过评估框架的工作流程和数据流转可知,在该框架指导下的评估分析活动是一个多次往复、具有循环性特点的工作过程,这是由“人不在环”仿真实验工作原理所决定的。

“人不在环”仿真实验是将所需的初始数据一次性加载到仿真实验系统中,在系统控制运行机制下,实现对作战过程和结果的自动仿真运行,直至生成所需的仿真过程和结果数据。实验人员在实验回路外充当观察者角色,实时观察和监视实验运行过程,发现并记录仿真过程中存在的问题。当仿真实验结束且结果未达成实验目的时,实验人员可对实验变量参数进行合理调整,而后再次进行实验,直至得到符合要求的实验结果。

基于仿真实验的作战方案评估分析活动,贯穿于实验的全过程,两者对应的循环性工作过程如图9所示。

图9 联合作战方案仿真实验评估分析循环工作过程

一次完整的评估分析活动过程,是伴随着仿真实验的设计、准备、实施和结果分析等阶段连续并多次往复进行的,是一个再评估、再分析的循环过程。

3.4 并行处理机制

评估框架并行处理机制是指评估框架能够支持多类数据和多种评估分析结果的并行处理,主要包含两方面:一是作战数据解析器能够并行接收多种数据需求的申请,对多种数据资源能够并行析取处理,解析后并行输出多种结构化的数据用于后续的评估分析;二是评估计算和分析模型能够支持多种形式的评估分析并行展开,生成多种形式的评估分析结果。

1)作战数据解析器的并行工作

由于评估框架支持多种样式的评估分析,因此,当评估计算与分析模型同时发出多种数据请求时,在系统的统一控制下,作战数据解析器分别与各类目标数据库和评估计算与分析模型进行数据交互,对各类数据请求进行识别分类并建立数据调用索引,而后按照索引标识进行数据源遍历查找并定位到目标数据库。从目标数据库中识别、抽取所需数据后,对数据进行分类统计、重构和格式转换,输出满足评估计算和分析需求结构化数据。其处理过程如图10所示。

图10 作战数据解析器并行工作机制

2)评估计算和分析模型的并行工作

框架中多样化评估计算和分析的实现依赖于各种计算和分析模型的并行运行,完成对各类数据的计算、分析和统计。框架中集成了因果/相关性追溯分析模型、静态评估计算模型、动态评估计算模型、数据统计分析模型、态势回放分析模型等多类评估计算和分析模型。这些模型并行完成对作战数据解析器提供的结构化数据的加载后,在运算和分析规则约束下,开始并行执行相应的计算和统计分析,生成相应的计算和分析结果,用于支持评估结果显示和方案综合评估结果的聚合计算。

4 结束语

本文围绕联合作战方案仿真实验评估的目的和需求,从基本概念入手,设计了具有普遍指导意义的联合作战方案仿真实验评估框架,并就框架的关键要素及工作机制进行了分析和研究。下一步在对上述内容充实完善的基础上,从应用视角进一步挖掘和分析评估框架中关键节点的设计原理和工作机制,以便更加有效地运用该框架指导作战方案仿真实验评估活动。