智能哨所设防效能评价研究

张洪江，宋娇艳，杨峻一

（西南计算机有限责任公司，重庆 400060）

0 引言

近年来国家高度重视边海防安全建设与维护问题，针对边海防管控手段落后、视频回传实时性差、供电不稳定、低空小目标侦察精度低、信息处理能力弱、体系化防控效能低等问题[1]，迫切需要以边海防战备执勤与执法监管需求为牵引，建立智能化联防联控机制。随着智能哨所分批建成启用，在通讯手段、设备配置、设防能力等方面均发生了较大改变，通过发展无人化、智能化军事设施[2]，提高了边境监控效率及处置能力。

随着边海防智能哨所逐步启用，设防链信息化战争中的边境战场信息量爆炸式增加，对设防效能评价提出了更高要求，但目前还缺乏相关评价模型对设防效能进行优化迭代，任务执行过程的动态评估仍存在不足。本文通过建立设防链评价指标体系，运用体系贡献率评价智能哨所的设防能力，采用对弈树搜索算法，动态推演可能的作战结果，以此选定最优作战策略，提升边境联防联控能力。

1 研究现状

随着我国改革开放进程的不断深入，出入境人流量不断上升，边境安全问题日益突出，但边防哨所执勤手段落后，联络不畅，设备匮乏。为提升边境管控能力，在各种复杂环境下均建立了大量边防哨所，部分哨所安装了电子哨兵管理系统或红外扫描视频监控系统，通过光纤防越系统、车载数据传输平台、枪支离位报警系统等实现了情报信息联网；云存储、大数据、机器学习等技术已广泛应用于边海防建设[3]，提高了哨所的执勤效率、安全性及监控范围。在作战效能方面，目前已有较多针对效能评估模型及方法的研究[4]，有研究者通过开展“作战效能评估研究的可视化分析”[6]，发现该领域研究热点是层次分析法、指标体系、装备体系、BP神经网络、贝叶斯网络、作战环境等[7]。

国外在边防哨所建设方面，有新闻报道美军在本土及叙利亚战场等地设置了鹰堡遥控机枪哨所，该哨所采用模块化设计，能短时完成哨所搭建，配有热成像传感器，实现哨所全向监控。文献Fast RCNN[8]、RFCN[9]等，针对监控候选区域目标检测算法的研究中，采用选择性搜索算法（Selective Search[10]）或卷积神经网络生成可能的目标候选区域，并进行分类，通过边框回归算法对坐标进行修正，从而完成对边境搜索目标的识别分析。

目前，国内外在哨所建设方面均取得了相应成果，在效能评估、目标识别等方面，已开展了相应研究，但哨所设防效能评价的相关研究较少。

2 研究内容

为发挥智能哨所最大效能，本文重点研究以数学模型为基础的智能哨所设防链效能评价问题。①体系贡献率研究[11]：采用体系贡献率进行设防链效能评价，建立以侦察感知能力、指挥控制能力、武力拒止能力、运维保障能力为主的四层指标体系；②基于动态对弈的设防链评价：基于对弈论的方法与理念开展设防效能的预测，采用对弈树搜索算法，评估指挥决策中可能的走步，从所有可能中找出最有利于己方的决策方法。

3 设防链效能评价

3.1 体系贡献率研究

3.1.1 建立评价指标体系

采用体系贡献率对设防链效能进行评价。体系贡献率是指特定装备或装备组合加入现有体系后，对特定任务装备体系能力以及特定任务完成好坏程度的一种度量。在体系分析和贡献率研究的基础上，结合《全军装备体系能力框架V1.0》，构建“基于装备体系能力”和“基于联合作战任务”、利用作战想定和对抗场景开展分析的贡献率评价总体架构，称为“体系能力-作战任务”二维分析架构。为科学、准确地度量各型装备在设防链运转、能力生成中的作用和贡献率，本文体系贡献率分析评价方法参照上述二维分析架构进行评价，采用“精准评价五步法”进行分析。

（1）使命任务分析，对照《全军联合通用任务清单》，确立建设项目典型作战任务，重点是主要的典型作战任务。

（2）能力指标梳理，对照《全军装备体系能力框架》，明确智能哨所的能力项、指标项，重点是核心关键的具体能力指标。

（3）对抗场景设置，结合智能哨所可能的典型应用场景、战场环境、对抗样式等，搭建可进行体系对抗的作战体系。

（4）评价矩阵确立，将典型的作战任务与核心关键的具体能力指标关联起来，建立评估评价指标体系。

（5）定性定量分析，综合运用定性与定量结合的分析方法，对智能哨所能力提升、作战任务完成效能进行分析计算，形成智能哨所体系贡献率评价结论。

为形成对智能哨所装备体系能力评价的“全景视图”，需要从多个方面对装备能够达到的能力进行度量和描述，建立“侦-指-拒-保”为主的智能哨所效能评价指标体系（见图1）。

图1 智能哨所效能评价指标体系

（1）侦察感知能力，指智能哨所上装平台以及侦察探测装备所形成的能力。

（2）指挥控制能力，根据边海防作战方案计划、战场实时情况以及突发事件等，将指挥、通信、控制、协同效能信息，转化为对设防行动进行实时掌握的能力。

（3）武力拒止能力，指对智能哨所声、光、电、失能拒止武器单元以及有人协同实施网络化控制的能力。

（4）运维保障能力，综合判断智能哨所具备供电手段、储能能力、维护周期、应急手段、维修便利性的加权效能。

3.1.2 体系能力评估

基于对智能哨所效能评价指标体系建设能力的评估需求，建立“作战任务-体系能力”评估矩阵。目前，处理此类问题使用层次分析法较多，通过建立判断矩阵、层次单排序、一致性检验、层次总排序等处理，最终确定各分指标的权重，得到相对于最终评价目标的重要性排序[12]。该方法的算法实现非常成熟，以信息系统装备为例，在计算其能力体系覆盖率A1时，主要有以下步骤[13]：

（1）利用层次分析法计算得到设防效能覆盖率、武器控制能力覆盖率、协同控制能力覆盖率3个分项体系贡献率的归一化权重（设为[a1，a2，a3]），这组权重对所有信息系统装备评估时均一致。

（2）对各分项体系贡献率，如设防效能覆盖，利用层次分析法计算得到行动类型覆盖率、行动状态掌控度、指令时延及时性3个子目标的归一化权重 （设为[α11，α12，α13]），这组权重对所有装备评估时均一致。

（3）对设防类型覆盖率、设防状态掌控度、指令时延及时性3个指标值分别为[X1，X2，X3]的信息系统装备，通过去量纲化处理：

（4）待评估装备的归一化能力指标[C1，C2，C3]，采用线性加权（归一化权与去量纲值的乘积和），得到待评估信息系统装备的各分项能力的体系贡献率，如设防效能覆盖率为：

B1=∑α1iCi

以及待评估信息系统装备的能力体系覆盖率为：

A1=∑αiBi

（5）以某个待评估信息系统装备为基准（AF），计算其它同类型装备（AK）相比该装备的体系能力贡献率大小，即：

（AK-AF）/AF×100%

通过以上流程，可得到智能哨所装备各项体系贡献率评估指标，并可进一步综合后得到用于描述整个装备体系贡献率的指标。由于同类型装备在能力指标上的差异性，每一层级都会形成可用于装备之间对比的体系贡献率指标。综合运用仿真、解析等多种分析评估评价方法，对各种场景下的哨所效能指标进行分析计算，得到不同任务场景下的评价指数，通过智能哨所设防链效能评价仿真软件，完成对哨所装备体系贡献率的研究。

3.2 动态对弈的设防评价

基于智能哨所任务复杂性与装备能力多样性的特点，以无人车作战行动为例，结合任务决策、规划应用需求，运用交战动态博弈的思想，基于无人战车作战行动模型、地面突击移动与毁伤模型等，采用影响力图模型（Influence Map）[14]，以智能哨所位置为中心，根据装备突破能力、侦察能力在其攻防覆盖范围、侦察范围内向四周扩散其影响力，形成无人车作战态势中敌我双方在地图上的空间分布。同时利用博弈论方法从时间维度进行敌方策略预测与我方行动计划评估，预测敌方动态与战场态势。

3.2.1 动态预测评估

基于敌我作战动态对弈的思想，联合空间、时间维度对敌方作战行动开展动态预测与计划评估。空间维度基于影响力图构建敌我空间分布模型，分析获取敌我力量对比的优势区域、紧张区域、薄弱区域等栅格对比数据，形成敌我双方力量在地图上的空间分布。时间维度上基于临机规划动态对抗的思想创建对抗模型，推断每种对弈状态下敌可能行动策略与行动后达到的新状态，通过多步敌方策略预测结果的择优比对，实现敌最大可能行动策略预测，将复杂作战网络随着时间的演化建模为复杂动态作战网络序列，基于演化规则对智能哨所任务需求设计，构建作战网络动态演化模型，通过分析其时序特性与有向图动态变化信息，实现智能哨所设防链效能评价。

3.2.2 对弈树搜索

边海防战场的敌我“渗透-拒止”对抗是明显的对弈过程。针对智能哨所执勤任务，决策是一个不断考虑对方可能的策略以及环境信息的改变，进行比较、分析、判断，不断做出策略选择的连续过程。本研究采用对弈论的方法与理念开展设防链效能的预测评估。对弈树搜索是对弈程序中的重要方法，通过搜索对弈树对弈程序可以知道每一种对弈状态下可选的走步及每种走步会到达的新的对弈状态。一棵完整的对弈树包含了整个对弈过程中可能出现的所有情况，对弈树的叶子节点值代表了收益。对弈树搜索算法的目的是在评估每种可能的走步，从所有可选走步中找出对自己最有利的走步，见图2。

图2 快速走子与对弈过程的设防判断

具体应用过程：根据每个行动的执行时间，得出双方的策略集。经计算，我方共有X种防御策略，敌方共有Y种进攻策略。

（1）根据影响参数和效用函数求出我方的赢得矩阵。

（2）对解的分析。对弈模型的解分为两种：纯策略解和混合策略的均衡解。当解为纯策略解时，如果双方的指挥决策是理性的，那么他们必然选择对应的策略。如果是混合策略的均衡解，则需要判断对手的决策行为，并以一定的概率选择对策。作战中，计划方案可以有多个，但真正执行的方案却只有一个，那么在混合策略的情况下，如何做出正确的决策，则跟参与者自身的能力、背景等因素以及对手的特点有关。经过多步敌方策略预测和我方行动计划评估，求得多步后的最佳胜负判断，作为任务高级设防评估信息。

4 结论

本研究通过初步建立智能哨所效能评价指标体系，采用体系贡献率对边海防智能哨所设防链效能进行评价；基于动态对弈过程中高度不确定性的信息，提出对弈树搜索算法，针对威胁能迅速、准确地评估识别。通过本研究能够为智能哨所设防效能的评估提供参考方法，为智能哨所提供动态威胁评估方法。