地面无人作战系统作战效能评估方法研究

张 宇，郭齐胜，樊延平

(1. 陆军装甲兵学院，北京 100072；2. 航天工程大学，北京 101416)

1 引言

以智能自主为显著特征的地面无人作战系统已经成为近年来世界军事强国竞逐发展的技术高地和陆战利器，引领着陆战场形态的演变和作战方式的变革[1]。地面无人作战系统作为一种区别于传统有人装备，依靠智能计算和自主行动的新型武器系统，不管是在发展论证、设计研制、作战试验还是列装使用阶段，都存在如何有效评价其作战效能，科学定位其能力水平的问题。但目前尚无系统、成熟的研究成果可供借鉴，是当前地面无人作战系统发展建设中面临的突出问题。

从地面无人作战系统的发展运用趋势看，集群化运用和与有人装备协同编组运用将成为未来地面无人作战系统的典型运用模式[2]，但单个地面无人作战系统广谱的环境适应能力和高满意度的作战效能释放，无疑是地面无人作战系统集群运用以及与有人装备协同编组的坚实基础。目前，层次分析法[3]、ADC方法[4]、仿真评估[5]等成熟的方法已经在武器装备作战效能评估方面取得了广泛应用，但是地面无人作战系统作为一种新型的、区别于传统有人装备的武器装备，其效能释放机理、作战运用模式都还处于探索研究阶段，亟需针对地面无人作战系统智能自主的独特性，开展地面无人作战系统作战效能评估的探索研究。为此，本文着眼于有效评价地面无人作战系统的作战效能，在分析地面无人作战系统的作战效能释放本质特征的基础上，提出一种地面无人作战系统作战效能评估方法，并结合作战阶段进行了“双层-多维-动态”分析，为准确鉴定对象作战效能提供了方法支撑。

2 评估目标设计

在深入分析地面无人作战系统作战效能释放规律的基础上，按照整体全面评估和分领域深入探索的原则，区分整体作战效能和领域作战效能2个层次，提出地面无人作战系统作战效能指标体系。

2.1 感知、决策、行动作战环

在机械化、信息化条件下，OODA作战环的4个环节分别对应着功能界限分明的情报侦察装备、信息传输和处理装备、指挥控制装备和目标打击装备[6]，而地面无人作战系统作为一种信息化条件下具有高度智能自主特征的装备，是一种典型的认知信息物理系统[7]，集情报侦察、信息利用、决策计划和行动控制等功能于一体，信息网络已经从传统的外联基础设施内化为无人作战系统的内在组件，因此，参考OODA作战环模型，结合地面无人作战系统的主要功能特征，提出感知(Aware)、决策(Decide)和行动(Act)的ADA作战环模型，如图1所示。

图1 感知、决策和行动作战环模型

1)感知(Aware)。综合运用多领域、多层次、多手段的侦察感知装备，对战场环境及敌我作战力量要素进行持续、精确的识别、分析和预测的过程[8]。感知的目的是为了准确把握战场环境变化，了解己方力量部署动态，发现并识别敌方作战力量位置、状态，并结合我方作战企图进行敌方威胁评估，为进行作战决策提供精准的情报保障。

2)决策(Decide)。以战场态势信息为基础，以实现作战企图为目标，对己方兵力编组和行动方法筹划计划的过程。决策是感知、决策和行动作战环的核心，目的是为了形成精确的作战方案，为控制部队行动提供精确的依据。

3)行动(Act)。以决策筹划中形成的作战指令为依据，以态势感知信息为支撑，利用各种作战对抗装备对敌方目标、己方力量、战场环境等施加影响的过程。行动是取得作战效果的根本，也是感知、决策和行动的最终目的。行动不仅仅是对敌方目标的火力打击或电磁攻击，还包括为实现作战目的而进行的己方各类作战行动，如兵力机动、工程保障、后装保障、侦察感知、火力支援等各类军事行动。

根据作战意图，从获取战场和敌方目标信息为起点，经过情报信息的融合处理，支撑作战方案的决策和作战行动的控制，再到对敌方目标实施作战影响，形成一个闭环系统，将作战过程中敌、我以及客观战场环境等各类要素有机地贯穿起来。按照OODA作战环的理论可知，ADA作战环同样强调作战环路的循环速度，并以超出敌方作战环路的循环速度进入并破坏敌方的作战环路，达成先敌决策和先敌打击的作战目的。

2.2 基于ADA的作战效能释放过程

基于ADA的地面无人作战系统作战效能释放过程，如图2所示。

图2 基于ADA的地面无人作战过程模型

1)感知。首先，利用各种情报侦察系统(或模块)获取并定位各类战场情报信息，包括战场环境要素、敌方兵力兵器和我方兵力兵器等信息；其次，从获取的情报信息中筛选目标信息并识别目标的属性和状态信息；然后，将从多个渠道获取的目标进行融合处理，确保情报信息的一致性和完整性；尔后，综合利用多种方法，对敌方目标威胁、我方软硬火力打击效果进行评估，形成战场综合态势[9]；接着，根据战场态势发展演变和敌我兵力部署情况，预测敌方可能的发展动向和主要行动，发现我方可能利用的有利战机和条件，为方案决策提供参考；最后，根据需要，以图、表、文等多种形式，将形成的综合态势呈现给指挥决策人员[10]。在感知阶段内部，通过情报获取、情报识别、情报融合和态势评估形成一个闭环系统，当态势评估发现某些情报信息不准确、不一致、不清楚时，会通过持续不断的情报获取、情报识别、情报融合和态势评估活动，直到获取得到满意的情报信息。

2)决策。重点是围绕作战企图，精选作战目标，精筹作战方案，精划作战行动，并对形成的整体作战方案进行评估优选。在人在环的指挥决策中，指挥员是决策的核心，目标选择、方案计划及评估与指挥员的主观认知和指挥经验高度相关，并常常借助于决策辅助系统，提高方案计划和方案评估的效率。在人不在环的无人作战环境中，决策的核心是各类类脑的智能决策程序，决策的依据是无人作战的相关战术规则和决策生成算法，会大大缩短决策的时间并提高决策效率。通过目标选择、方案计划和方案评估的不断迭代，作战方案将始终处于动态调整中，一旦发现预期的作战效果与行动方案不一致时，能够敏捷调整作战方案，并指导各类行动实体快速调整作战行动。

3)行动。依据作战指令，各类行动实体作战目标展开精确行动，以达到预期的作战效果。机动部署、支援保障、火力打击和网络攻防等行动形成一个行动网络，各类行动之间相互协调、密切协同。

2.3 功能领域作战效能指标体系

按照感知、决策和行动3个功能领域分别构建相应领域的作战效能指标体系。

2.3.1 感知效能指标

地面无人作战系统感知效能指标体系如图3所示。

图3 感知效能指标体系

1)情报探测效能。在指定条件下完成探测战场对抗环境和运动环境构成要素及其特征任务的水平。情报探测的技术手段主要包括声震探测、光学探测、雷达探测和电磁探测等4种技术途径，目前以光学探测、雷达探测应用最为广泛。探测内容包括传统意义上的战场环境要素构成及特征、敌方兵力兵器类别及状态、我方兵力兵器类别及状态等情报信息，以及地面无人作战系统自身运动所必需要掌握的运动环境信息。情报探测的效果指标主要包括对各类探测目标的发现距离、发现范围、发现概率、发现效率、发现目标种类覆盖率、发现准确率等。

2)情报识别效能。识别目标状态特征并准确定位的效能。

目标状态特征识别，主要包括目标种类、目标位置、目标运动状态、目标完好状态、目标伪装隐蔽情况等的识别；目标定位主要是目标具体位置的识别。情报识别效能指标主要包括识别距离、识别范围、识别概率、识别效率、识别目标种类覆盖率、识别准确率、目标定位精度和目标定位速度等指标。

3)情报融合效能。完成多种侦察手段、或非同一时间条件下目标状态信息配准的效能。主要包括时间配准率、空间配准率、目标配准率、情报融合效率4个指标。

4)态势评估效能。完成战场环境、机动条件、敌方兵力兵器作战能力和威胁程度评估的效能。主要包括战场环境评估、战场机动评估、作战能力评估、目标威胁评估和态势评估效率5个指标。

5)态势预测效能。预测敌情发展及其可能对我方造成不利的效能。主要包括战场威胁告警、态势预测效率2个指标。

6)态势显示效能。将感知到的情报信息提报给指挥人员时所能够显示的程度。主要包括兵力显示粒度、态势更新速率、态势显示精度和态势要素完整度等4个指标。

2.3.2 决策效能指标

地面无人作战系统决策效能指标体系如图4所示。

图4 决策效能指标体系

1)目标选择效能。决策过程中地面无人作战系统决策分系统根据作战意图自主选择目标的效能，包括目标选择合理性和目标选择效率2个指标。

2)方案计划效能。决策过程中地面无人作战系统决策分系统根据作战任务、当前态势和作战目标形成决策方案和具体计划的效能，包括计划合理度、计划可执行性和方案计划效率3个指标。

3)方案评估效能。决策过程中地面无人作战系统决策分系统自主进行方案计划进行评估的效能，包括方案评估正确率、方案评估效率2个指标。

2.3.3 行动效能指标

地面无人作战系统行动效能指标体系如图5所示。

图5 行动效能指标体系

1)机动控制效能。在各种条件各类机动任务的效能，包括机动任务完成率、机动行为与环境因素匹配度和机动时机合理度3个指标。

2)被动防护效能。受到威胁时采用被动防护措施的效能，包括主要防护系统的防护效能、采取灵活机动而形成的防护效能、受到各类电磁干扰时的防护效能以及采用主动攻击手段削减威胁的效能等方面，包括被动防护响应效率、被动防护行为发生率、被动防护行为有效率3个指标。

3)主动影响效能。根据方案计划或动态变化的战场态势，主动采取行动，对敌方目标或各类战场环境要素施加影响的效能，如对敌火力打击、开辟通路、对目标区域的感知等，包括主动影响行动响应效率、主动影响行动完成率和主动影响行动完成有效率3个指标。

2.4 整体作战效能指标体系

整体作战效能是从整体上对地面无人作战系统完成指定任务程度的描述，包括面向任务执行结果的任务效能和面向任务执行过程的运行效能2个方面，如图6所示。

图6 地面无人作战系统整体效能指标体系

1)任务效能。达到预期效果的任务成功率，可用地面无人作战系统完成的作战任务数量与应完成的作战可按照遥控、半自主和全自主3种装备形态分别研究。通常，在考核地面无人作战系统的任务完成率时，应针对地面无人作战系统的主要用途进行综合评价。例如，以察打一体地面无人作战系统为例，其主要功能包括机动、侦察和火力精确打击等，则指定的作战任务应能够牵引该型地面无人作战系统上述3项主要功能的发挥。

2)运行效能。遂行作战任务过程中的过程性效能指标，包括ADA平均循环时间比、感知效率、决策效率和行动效率等指标。

其中，ADA平均循环时间比，是指作战过程中感知、决策、行动作战环路的平均循环时间可以所有环路的循环时间与环路数量的比值表示；感知效能，包括威胁感知及时性、威胁感知准确性2个指标，前者指对作战过程中敌方威胁目标感知的及时性，可以感知的平均时间表示；后者指对敌方威胁目标感知的准确性，可采用百分比表示；决策效能，包括决策方案合理性、决策方案及时性2个指标，前者指地面无人作战系统决策结果的合理程度；后者指决策的效率，可用平均决策时间表示；行动效能，包括行动运用效果、行动敏捷性2个指标，前者指地面无人作战系统行动产生的结果，可用达成预期效果的行动数量与所有行动数量的比率表示；后者指行动的及时程度，可通过评估行动时机的适应程度得到。

3 试验方案设计

根据地面无人作战系统的使命任务和潜在运用需求，聚焦影响地面无人作战系统作战效能释放的主要因素，提出地面无人作战系统作战效能试验方式，设计地面无人作战系统作战效能试验总体方案。

3.1 作战效能释放的主要影响因素

影响地面无人作战系统作战效能释放的主要因素包括战场环境条件、操作控制方式、对抗方式程度3个方面。

战场环境条件，主要是针对地面无人作战系统的“环境适应广谱”特征，按照作战环境的典型性，尽可能设置各种典型战场环境，为地面无人作战系统发挥“入危可险”功能提供条件。

操作控制方式，主要是针对地面无人作战系统的自主能力而言，通常情况下，地面无人作战系统达到完全自主的程度，依然会设置“人类遥控”“人类监督”的操作模式，以确保地面无人作战系统最终能够置于人的控制之下，因此要针对不同自主水平的地面无人作战系统，设置多种操控模式的作战试验评估方案。

对抗方式程度是从地面无人作战系统的任务强度和防护能力角度出发，设置典型战场环境条件下的典型作战对手或极限生存威胁，以充分体现地面无人作战系统作战试验评估的实战对抗意味。

3.2 作战效能试验方式

通常，作战试验分为分要素试验和综合试验2种类型[11]。对地面无人作战系统领域功能作战效能的试验，属于分要素试验，通常仅以地面无人作战系统的单一作战功能为主进行试验，如感知效能试验、决策效能试验和行动效能试验等；对于地面无人作战系统整体效能的试验，属于综合试验，通常以地面无人作战系统的多项要素在较为综合的任务条件下进行试验。

考虑到地面无人作战系统的运用特点，地面无人作战系统作战效能试验时，可采用以综合试验为主体、以分要素试验为补充的试验方式。在地面无人作战系统作战效能试验时，可创设比较综合的试验环境，统筹各分要素试验和综合试验的试验需求和评估目标，有针对性地设置分要素试验和综合试验内容及要求，力争在一次或若干次综合试验中完成分要素试验和综合试验的全部试验内容。当部分试验内容未完成或试验未取得预期效果，可针对存在的问题进行针对性的补充试验。

3.3 作战效能试验总体方案设计

按照地面无人作战系统作战效能释放的主要影响因素和拟采取的试验方式，可提出如图7所示的地面无人作战系统作战效能试验方案设计思路。

图7 地面无人作战系统作战效能试验方案设计思路

在方案设计过程中，受地形环境的地域分割特性、天候气象环境对技术性能抑制以及打击方式的不可融合特性的影响，作战效能评估方案的设计应选择地形环境、天候气象和对抗方式的典型类别，分别设计相应的作战行动，并形成相对独立的作战效能试验评估方案。

4 评估分析模型设计

重点围绕末端效能指标计算、作战效能聚合和结果数据分析3个方面进行设计。

4.1 末端效能指标计算模型

在地面无人作战系统感知、决策和行动作战效能指标体系中，末端指标以“××率”、“××度”等指标为主，通常采用效用函数来表示末端指标的效能水平，即用作战试验采集的该类指标实际运行值与其预期值的比值表示，取值范围通常为[0，1]。针对效益型、成本型、适度型和区间型4类指标，可以分别采用如下模型表示[12]。

效益型指标计算模型

式中：c、chigh、clow分别为效能指标C的试验采集值、预期最大值与预期最低值。

成本型指标计算模型

式中：c、chigh、clow分别为效能指标C的试验采集值、预期最低值与预期最大值。对于成本型指标，chigh

适度型指标计算模型

式中：chigh、chigh、clow分别为效能指标C的试验采集值、预期最大值与预期最低值。

区间型指标计算模型

式中：[chigh，clow]为效能指标C的最佳稳定区间，c为效能指标C的试验采集值，M为效能指标C的允许上限值，m为效能指标C的允许下限值。

4.2 作战效能聚合计算模型

直观、可操作是作战效能评估方法选择的重要原则。在地面无人作战系统领域作战效能评估和系统整体效能评估时，通过作战试验可以获得各类效能指标在作战运用过程的系统运行结果，指标数据具有较强的客观性，模糊信息较少，因此，可以加权和方法或加权积方法为基础构建评估模型。

4.3 评估结果分析模型

作战效能试验评估的目的不是为了得到一个效能值，而是通过对评估对象作战效能的全面分析，验证评估对象的作战效能水平，发现评估对象的效能缺陷，进而指导评估对象的改进完善。因此，利用评估计算模型得到不同层次的作战效能指标效能值后，应按照系统和功能分系统2个层次，并结合作战阶段进行“双层-多维-动态”分析。

1)双层多维对比分析

按照系统和功能分系统2个层次，将系统整体效能应与功能领域作战效能评估结果进行综合分析，分析模型如图8所示。

图8 双层多维对比分析模型示例

在哪些评估方案中地面无人作战系统的综合效能更佳，是否意味着该评估方案能够更有利于地面无人作战系统的作战用途。

在不同的评估方案中，感知、决策、行动等领域作战效能的水平与系统整体效能水平是否正相关，即领域作战效能较高则系统整体效能也越好，反之亦然。

2)多维动态对比分析

按照地面无人作战系统运用的不同阶段，分别研究不同阶段感知、决策和行动效能的动态变化过程，如图9所示。

图9 多维动态分析分析模型示例

通过对不同作战过程感知、决策和行动效能的对比分析，可以帮助作战试验评估或鉴定人员回答以下问题：

地面无人作战系统的感知、决策或行动功能分别在哪些作战阶段可以得到更好的发挥。

在不同阶段地面无人作战系统作战效能的释放与该阶段的主要作战任务是否匹配。

3)系统整体效能的双层比较分析

系统整体效能包括任务效能和运行效能2个方面，分别表征了地面无人作战系统完成任务的程度和效率，两者之间并不存在必然的正相关关系，即任务效能高不一定运行效能高，运行效能低也不一定任务效能就必然低。在关注系统整体效能的同时，关注系统的任务效能和运行效能，能够实现系统整体效能整体和局部2个层面的综合分析，有利于实现对系统整体效能的总体把握，可采用如图10所示的模型进行分析。

图10 多维动态分析分析模型示例

4)ADA作战周期分析

以地面无人作战系统整体运用为基础，以典型作战目标的感知、决策和行动为核心，选择相同种类或不同种类的若干典型作战目标，构建面向目标的感知、决策和行动作战周期模型。作战周期分析模型中，将目标首次发现时间作为作战周期分析的起点，在感知阶段主要关注目标首次识别时间、目标信息首次发送时间；在决策阶段主要关注列为作战目标时间、形成目标行动计划时间、行动指令发出时间；在行动阶段主要关注行动实施开始时间；有上述各时间参数形成的作战周期模型如图11所示。

图11 ADA作战周期模型

由图中可知，感知时间Ta=ta3-ta1，决策时间Td=td3-ta3，行动时间Td=tc-td3，对目标的完整作战周期T=Ta+Td+Tc。

在准确了解对各类目标作战周期的基础上，也要尽可能了解在感知、决策和行动阶段相邻两个节点间的时间消耗，因此，在结果分析时，宜采用分段型的甘特图模型来构建作战周期分析模型，如图12所示。

图12 基于分段型甘特图ADA作战周期分析模型

5 结束语

地面无人作战系统是未来智能化时代陆战场的先锋装备，其作战效能水平的高低，不仅决定着其在未来战场的使命定位，还将影响到地面无人作战系统的发展建设规划。因此，准确鉴定无人作战系统的作战效能尤为重要。

1)通过分析地面无人作战系统的作战效能释放机理，设计了基于感知-决策-行动的效能指标体系。

2)聚焦影响地面无人作战系统作战效能释放的主要因素，设计了地面无人作战系统作战效能试验总体方案。

3)按照系统和功能分系统2个层次，结合作战阶段，进行了“双层-多维-动态”的结果分析。

随着地面无人作战系统的不断完善和陆战场无人作战理论的不断丰富，围绕分布式、集群化、有人/无人协同等陆战场无人作战主要运用方式开展地面无人作战系统作战效能研究将显得更加重要。