指揮信息系統效能評估方法

孫華付

(解放軍炮兵學院 五系42 隊，合肥 230031)

評估通常有狹義和廣義2 種，狹義的評估是作為決策過程的一個步驟，也是一種系統工程基本方法。廣義的評估與一般意義的決策類似，常稱為系統評估或綜合評估。決策和綜合評估有共同的理論基礎和組成要素，其方法步驟也基本相似。H.A.Simon 把決策問題分為結構化決策和非結構化決策。結構化決策問題的結構能用數學公式表示，有明確定義的目標函數且能求出最優解。類似地，根據問題的結構化程度，指揮信息系統效能評估也可以分為結構化評估、半結構化評估和非結構化評估，每一類評估問題采用的評估方法也不一樣。

1 系統效能評估方法

1.1 解析法

解析法是根據描述效能指標與給定條件之間的函數關系的解析表達式計算指標，可根據數學方法求解建立的效能方程。解析法以數學模型為基礎，由評估分析人員根據系統設計、系統方案和系統組成等，在規定的約束條件下，預測系統性能，并把所得結果輸入到效能評估模型中評定系統效能。解析法包括有效、通用WSEIAC 模型(ADC 模型)、排隊網絡理論、信息論方法、目標規劃方法等。

排隊網絡理論也是一種解析評估方法。指揮信息系統是一個分布式的指揮控制網絡，與排隊網絡有關的理論在分析這個網絡的延時(如傳感器信號處理計算延時，匯總信息的通信延時，與人或算法的決策有關的決策延時等等)問題上發揮著較大作用。這種方法將目標看成是服務隊列中的顧客，在實施指揮、控制、通信與情報功能(檢測、跟蹤、交戰等等)的意義上，指揮信息系統中的節點必須為目標服務。在特定的指揮信息系統中，可規定一個特定的指揮控制節點實施適當的功能。由于目標是運動的，指揮控制節點只能有一個有限的機會時間窗口為目標服務，錯過這個時間窗口，目標就將離開這個特定的指揮控制節點。這需要能處理具有違約性質的排隊網絡理論。雖然對這類具有違約性質的網絡問題的研究已有一些結果，但為了逼真刻畫指揮信息系統的延時，給出一整套擴展的排隊網絡理論結果和有效的計算方法，還需做更多的理論工作。另一個問題是，目前的排隊網絡理論對捕獲網絡中的瞬態特性缺乏有效的算法，這些問題使這種方法面臨著挑戰，因為指揮信息系統與普通的排隊網絡有很大不同。為此，不少人在致力于擴展一些理論，如采用Petri Net 表示法、研究模糊隨機網等。

解析法的優點是公式透明性好，易于了解，計算簡單。對于一些潛在問題，如系統的“瓶頸”、系統某些參量變化對整個系統效能的影響等，解析法能得出清晰的規律性的認識。如排隊網絡理論可以用于評估系統數據處理的負載能力，并分析整個系統的響應時間。

解析法的缺點在于建立系統模型的困難性，主要表現在:指揮信息系統效能評估對象的范疇比較廣，大至戰略級指揮信息系統，小到戰術指揮信息系統，都存在效能評估問題，對不同級別的系統，應用解析法建立系統模型的難度是不同的，系統級別越高，系統越復雜，指標之間的關系就越復雜，系統模型越難建立;即使對同一系統，其效能也受環境、任務等因素的制約，建立的系統模型也有不同。如ADC 模型應用于系統狀態數較多的復雜指揮信息系統時，會出現矩陣維數呈指數規律“膨脹”的問題，尤其難以在動態的交戰過程中反映指揮信息系統效能。

1.2 綜合評估法

當評估者對系統的結構、特性等沒有足夠理解時，經常采用定性與定量相結合的綜合評估方法評估系統效能。用于指揮信息系統效能評估的綜合評估方法主要有層次分析法、模糊綜合評判法、多屬性效用函數法、灰色系統效能分析法、比較方法等。綜合評估方法評估指揮信息系統效能的優點是操作簡單，易于處理，適用范圍廣。不足是選取指標體系比較困難，評估結果不易解釋，主觀性比較強，對指標的動態性考慮不夠。

1.3 基于仿真的方法

基于仿真的方法是指用建模仿真技術建立系統的仿真模型并進行仿真實驗，由實驗得到系統數據，經過統計處理后得到系統效能指標評估值。

指揮信息系統是一個復雜的人機系統，在功能上是分布的，在地理上也是分布的，具有實時性和開放性等特點，包含多種技術因素和不確定性。對這樣一個復雜系統進行研究，依靠大規模的軍事演習，參與的人力、物力較多，費用巨大，且無法重演，只能解決部分問題。系統仿真技術的出現和發展，為指揮信息系統效能評估提供了一種強有力的輔助工具。

根據仿真技術、手段的區別，基于仿真的指揮信息系統效能評估方法主要有基于計算機仿真的方法、基于原型仿真的方法和基于仿真實驗床的方法。

1)基于計算機仿真的方法。指揮信息系統的計算機仿真，其特點是系統由數學形式、圖形形式或計算機程序來表示。這種仿真不需要使用實際系統的任何部件，是個純軟件系統。但由于指揮信息系統是個人機系統，人的決策過程是指揮信息系統中不可缺少的重要環節，應用數學或計算機程序很難成功地仿真這一環節，因此有其局限性。目前，不少人試圖采用人工智能等技術來改善這一環節的仿真質量，但還并不十分成熟。

2)基于原型仿真的方法。系統原型就是系統仿真模型全部使用實際系統的子系統或真實的部件，系統原型可以任意接近最終完成的系統。如果一個大型的指揮信息系統全部使用系統原型法進行仿真的話，其結果無疑是不經濟的，而且不能達到仿真的目的。所以系統原型仿真法一般只用于試驗的關鍵區域，這樣做可以提高實物的經濟性和有效性。

3)基于仿真試驗床的方法。系統試驗床仿真則是介于上述2 種方法之間的一種仿真方法。主要特點是包含了部分實際系統的部件，系統的其他部分則采用計算機仿真的形式，系統的操作環境(包括威脅)可以是實物模擬，也可以是計算機仿真，所以這種方法也被稱為半實物仿真。

上述3 種基于仿真的系統效能評估方法中，基于計算機仿真的方法最有效、最易實現，所需費用少，并且仿真可重復性高，可以得到可信度更高的評估數據。

基于仿真的系統效能評估方法的優點是評估數據易于獲取，數據可信度高。缺點是人力、物力、財力耗費大，雖然基于計算機仿真的方法人、財、物經濟性相對較好，但系統仿真模型的建立困難，必須有建模仿真工具的支持。

2 作戰效能評估的方法

系統作戰效能的評估遠比系統靜態效能的評估復雜，指揮信息系統作戰效能可以認為是系統性能的變化對作戰態勢與戰果的影響的綜合衡量。這就需要把指揮信息系統與作戰環境或作戰想定聯系起來，通過衡量對比作戰任務效能，得到系統作戰效能。目前，評估指揮信息系統作戰效能的方法主要有SEA 方法、系統模型方法、作戰模擬方法。

2.1 SEA 方法

SEA(system effectiveness analysis)方法是美國麻省理工學院信息與決策實驗室的A.H.Levis 等提出的一種系統效能評估方法。SEA 方法的基本特征是將系統的參量指標或性能指標融入戰斗動態方程中，通過把系統能力和使命要求在同一公共屬性空間進行比較，得到有效性評定的若干參量，適當組合這些參量，根據系統與使命的匹配程度就可獲知系統完成預定任務的可能性，即指揮信息系統的效能。

SEA 方法優點:貼近效能評估的基本含義，能充分體現出系統構件、組織和戰術的變化對系統效能的影響;把系統的能力與使命要求放在同一個MOP 空間進行比較，從而實現對系統完成使命程度的評價。

難點在于公共屬性空間的提取以及系統能力和使命要求到該空間的映射的建立。系統能力映射的建立是整個評估過程的重點，它必須借助一定的方法，把系統的結構、功能、行為和原始參數對系統運行過程的影響描述出來，從而體現它們對系統完成使命的作用。而由于指揮信息系統的復雜性，這個映射一般是非線性的，比較難于建立，這就給該方法的使用帶來了困難。

2.2 系統模型方法

使用系統模型是評估指揮信息系統作戰效能的一條可行途徑。指揮信息系統模型分為本征模型和派生模型。在實際應用中主要使用獨立式派生模型評定系統的性能和部分效能，使用嵌入式派生模型評定指揮信息系統的一些效能和對作戰的影響。目前使用較多的是影響圖方法Lanchester方程方法和Monte Carlo 方法。

影響圖方法起源于系統動力學，是基于系統動力學的面向系統微分方程模型的一種建模分析方法。1977年MIT 的James R.Burns 把這種方法用于指揮信息系統效能評估。這種方法通過分析所研究的復雜系統，找出表征系統運行過程所必需的系統參量，分析各參量之間的相互影響關系畫出系統影響圖，根據影響圖與系統參量的實際物理意義，運用一定的建模算法，得出綜合了指揮信息系統和作戰過程系統的微分方程，由系統的微分方程模型考察指揮信息系統各尺度參數和性能參量對作戰結果的影響，從而可以評估指揮信息系統的效能和作戰效能。

系統模型方法評估系統作戰效能的優點是理論基礎嚴密，在建立系統模型后，就可以利用現有的各種分析方法和技術來評估系統作戰效能;不足之處主要表現在:①現有模型沒有很好地處理信息對作戰的影響，沒有完全分析ISR 子系統的特性;②一般沒有考慮可用信息的質量對指揮員決策的影響;③通信問題，因為解決起來費力、費時而一般被忽略;④模型中對“決策”考慮不夠，對人和組織問題的建模不夠深入。

因此，在對指揮信息系統做出大量假設、限制后，系統模型方法可以分析某些指標對系統作戰效能的影響。但是對一般的復雜指揮信息系統，現有方法建立的系統模型不能完全描述指揮信息系統對作戰的影響，即現有模型沒有完全反映系統性能指標與系統作戰效能指標之間的映射關系。即使建立相對詳細完整的系統模型，也會因為模型的龐大、復雜而使求解和分析的困難性劇增。這歸根結底是由指揮信息系統自身的復雜性決定的。

2.3 作戰模擬方法

用作戰模擬方法評估系統作戰效能與用仿真方法評估系統效能類似，不同的是頂層模型的區別。兩者的基本實現技術是相同的。

綜上所述，指揮信息系統效能評估方法總體上可以分為3 類:解析方法、綜合評估方法和基于仿真或作戰模擬的方法，每類方法都有自己的長處和不足。解析方法在系統規模較小或只評估系統某方面的效能時比較適用，當系統比較復雜、系統規模較大時，隨著系統解析模型復雜程度的提高，分析求解系統模型會越來越困難，這就限制了其在指揮信息系統效能評估中的應用。綜合評估方法是一種評估指揮信息系統效能的有效方法。由于評估者對指揮信息系統內部要素之間的關系及系統性能影響作戰的機理仍不是很明晰，只能采用這種定性定量相結合的方法對系統效能做出評估?；诜抡婊蜃鲬鹉M技術來評估指揮信息系統的自身效能或作戰效能是當前研究的主流。但是仿真和作戰模擬的作用主要體現在提供評估數據方面，在有了評估數據后如何評估分析仍需要相應的評估方法來支持。

分析上述3 類方法的優缺點，在評估一個復雜指揮信息系統的效能時，可以把幾種方法結合在一起使用，如:綜合評估方法用來衡量系統總體效能，綜合評估方法所需的指標數據通過仿真或作戰模擬獲取，而解析方法可用于仿真或作戰模擬中的作戰或系統某一部件的建模。

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