面向體系效能評估的仿真實驗因素與指標選擇研究

季明 馬力

(1.國防大學 信息作戰與指揮訓練教研部，北京100091;2.軍事科學院 聯合作戰研究實驗中心，北京100091)

1 引言

體系效能評估，是作戰體系分析的一個重難點問題。采用仿真實驗方法評估體系效能是目前較為通用的做法。以評估為目的的仿真實驗是一種研究“對變量進行操縱的結果”的過程［1］，實驗因素和實驗指標的確定是體系效能仿真評估的基礎和關鍵，是仿真實驗前需要考慮的首要問題。實驗因素是指對實驗指標值可能產生影響的原因或要素，實驗指標是根據評估目的選定的衡量仿真實驗作戰效果的特性值。因素與指標的確定是獲取實驗結論的基本依據，因素和指標選擇不好，就可能得到諸如“雞鳴導致天亮”這樣的錯誤結論。

目前，面向體系效能評估的實驗因素與指標的篩選，大多基于傳統“分解可加”的還原論的思想，沒有充分考慮到作戰體系的復雜性特征，因此，在選擇原則、選擇范圍、選擇方法上都存在一些不足。主要體現在:

(1)在選擇原則上，傳統因素與指標篩選原則要求客觀性、完備性、獨立性、敏感性［2］，但是體系具有動態對抗、不斷演化、效能涌現、狀態混沌等特點，傳統的選擇原則已經不能滿足體系效能評估的需求。

(2)在選擇基礎上，傳統的評估通常基于自底向上層層聚合的樹狀評估指標體系框架，但由于復雜系統不可分解，也沒有“可加性”，分解會導致某些性質的喪失，考慮局部得不出整體性質［3］，因此基于樹狀結構的評估指標體系框架不能滿足對體系的整體評估的要求。

(3)在選擇范圍上，傳統的因素和指標篩選范圍局限于作戰組分系統的性能、行動、效能等傳統參量空間，對導致體系涌現性產生的關鍵要素即系統的網絡性質、網絡結構和網絡演化等考慮不多，存在范圍不全、選擇面過窄的問題。

2 選擇因素與指標的基本原則

目前關于實驗因素和指標的篩選原則通常包括客觀性、獨立性、完備性、合理性、靈敏性、可度量、全面性、典型性、適度性等要求。這些原則有些過于寬泛，難以指導實踐，例如合理性、典型性、適度性等原則;有些又無法做到，例如獨立性、完備性、全面性等。尤其在作戰體系復雜性特點的條件下，對實驗因素和指標的選擇又提出了新的要求。

作戰體系的復雜性特點決定了面向體系效能評估必須充分考慮體系整體性效果產生機理，突出復雜系統的特點，在“動態、整體、對抗”的條件下進行因素與指標選擇［4］。

2.1 突出效能涌現性的特點

體系特別強調“整體”和“涌現”，涌現性反映了體系在演化過程中的整體性效果，是體系形成的標志。作戰體系的整體性效果，是在復雜網絡的支撐下，各種裝備、各作戰單元、各作戰能力相互聯結、相互作用而形成的整體作戰能力，而不是單件武器裝備、單個作戰單元、單項作戰系統能力的簡單相加。因此，在因素的選擇上，需要從分析體系整體性效果產生的機理出發，特別關注會引起體系涌現性效能產生的因素;在指標的選取上，也要特別關注能代表作戰體系的整體效能的指標。

2.2 突出結構演化性的特點

作戰體系是“活”的系統，具有適應性和進化性，體系的結構、功能和性質動態可變，因此體系能力也不是靜態的，而是在對抗過程中動態變化的。因此，在因素與指標的選取上，要特別注意動態性和靜態性相結合。不僅要考慮作戰體系靜態因素的變化，例如武器射程、飛行速度等，還要考慮動態因素的變化，尤其是網絡結構的動態變化，例如網絡結構、網絡覆蓋率等。不僅要考慮靜態指標，例如總攔截率、總攔截數量等，還要考慮動態指標，例如OODA 環時長、網絡活動節點數量等。

2.3 突出能力相對性的特點

作戰體系能力是通過對抗展現的，對手不同能力也不同，是在某種條件下“某一時刻”“某一對手”的能力水平。因此，在因素選取時，要特別營造出能力對比的條件，例如面向不同對手不同武器的變化;在指標選取時，要特別注意挑選出反映能力相對性特點的指標，例如面對不同對手的體系抗毀性、脆弱性等。

3 體系效能評估指標框架與指標測量

3.1 體系效能評估指標框架

體系是典型的復雜系統，從體系涌現性形成的機理角度來看，體系涌現性主要源于組成體系的組分系統、組分結構以及組分之間的交互。對體系整體能力的評估必然要基于組分系統，但僅僅通過評估組分系統又無法獲得對體系整體能力的有效度量，因為整體涌現性效果是由組分效能與網絡化效能共同作用產生的。本文以體系環境下的組分系統效能評估為基礎，以體系完成使命任務情況測度為牽引，以體系的整體涌現性能力評估為重點，以體系的“網絡化”結構評價為關鍵，建立了網絡化體系能力評估框架，并給出了體系能力評估的參考指標。網絡化體系能力評估建模框架如圖1 所示，主要包括組分系統的性能評估(Measures of Component Performance，MOCP)、組分系統的效能評估(Measeures of Component Effectiveness，MOCE)、體系的網絡化效能評估(Measures of SOS Networked Effectiveness，MONE)、體系涌現性效能評估(Measures of SOS Emergence Effectiveness，MOEE)和體系使命任務效能評估(Measures of SOS Task Effectiveness，MOTE)。圖1 中采用不同形狀表示了各個層次的多個評估指標，其圖中虛線表示該層各指標之間相互關聯，指標間不具有獨立性，體現了“指標網”的特點;實線表示不同層次間效能指標的映射關系。

組分系統性能指標層指的就是組分系統的性能指標，例如某型導彈的火力范圍、命中精度、殺爆范圍等。組分系統效能指標層旨在度量系統單元在體系中的效能發揮，例如火力系統的發射成功率、成爆率、命中率、生存力等。網絡化效能指標用于評估體系演化過程中組分系統間產生網絡化交互的程度。這些指標包括網絡的度分布、平均距離、集聚系數、介數等。網狀結構的評估指標框架決定了對體系能力的評估不再是自底向上的層層聚合，因此，通常不選擇以上指標作為體系能力評估指標，而是在實驗分析過程中關注它們之間的關聯關系。

對體系效能的評估應著重從兩方面進行度量，即體系使命任務效能評估MOTE 和體系涌現性效能評估MOEE。MOTE 旨在對體系實現最終目標的程度進行度量，評估的是體系完成使命任務的整體情況，是體系能力整體涌現性最直接、最根本的體現，是體系優化的根本準則，也是體系的決策者最為關心的內容。它描述的是體系在特定條件下完成使命任務的整體情況，一些傳統作戰效能評估中使用的典型指標，在研究體系使命任務效能評估時仍然非常重要。該層指標主要包括:戰果、戰損、任務完成度、戰損比、推進速度、作戰時間、使命任務完成率。涌現性效能指標層MOEE 衡量的是體系的整體涌現性，特別強調體系演化過程中在結構、功能和行為等方面所涌現出的整體特性，例如體系結構的魯棒性和脆弱性、組分系統功能耦合所產生的新能力、體系的自適應和同步行為等。該層指標主要包括:傳感協同能力、攻擊協同能力、體系抗毀性、體系脆性、體系重心、體系適應性、體系作戰同步和體系對抗OODA 環效能。

涌現性效能指標層是從機理層面對體系能力的深度分析，反映的是體系對抗機理和能力生成機制，是對體系完成使命任務情況的深層次原因的探尋。對這兩層指標都進行度量，可得到對體系整體能力比較全面的評估;但在實際的實驗過程中，也可根據評估目的，僅關注某一層指標。例如，關注體系的魯棒性、尋找體系的重心，可能僅從體系涌現性效能指標層尋找指標來進行能力評估。

3.2 體系能力指標的測量

體系能力是體系涌現產生的整體性效果，是局部所不具有的新性質，一旦把體系還原為它的組分，體系能力便不復存在了。因此，體系使命任務效能指標和體系涌現性效能指標都不適宜再用局部效能指標聚合而成，而是選擇合適的方法對體系整體指標進行“測量”得到。這種測量包括靜態測量和動態測量兩種。靜態測量就是傳統的仿真后數據采集和統計，例如計算某次仿真后的目標毀傷數量、導彈發射數量等。動態測量主要根據評估需要，有針對性地對某些特別關注的指標在整個仿真過程中的不斷變化情況進行測量，這種動態測量獲得的可以是指標的瞬時值，例如測量時刻的體系拓撲結構;也可以是指標的累計值，例如測量時刻之前目標累計毀傷數量;還可以是指標的平均值，例如測量時刻之前的OODA 環平均時長。對指標進行動態測量的方法主要包括以下兩種:

(1)固定時間間隔測量。這種測量主要是按照分析人員設置的固定時間間隔，每隔一段時間對指標進行測量，得到對某項指標的全仿真過程常態連續的動態監測。

(2)事件觸發測量。這種測量以一系列重要行動的發生點為測量時刻，得到對某項指標的特殊的監測，適用于觀察關鍵行動對體系的影響，以及體系的自我修復。

通過對指標靜態加動態的全面測量，才能發現和掌握體系運行的規律，從而揭示體系能力形成的深層次機理。

4 因素的選擇

4.1 傳統參量空間

仿真實驗的核心功能是探索各種作戰要素、影響因素之間的因果關系，而探索這種因果關系的一個重要前提就是要盡可能找出關系和影響作戰的各種“因”，特別是各種關鍵性的作戰要素、影響因素。傳統的因素篩選空間通常包括環境參量、能力參量和策略參量［5］。環境參量是指影響體系運作的各種外部要素集合，通常包括自然環境要素和作戰環境要素等。能力參量通常取自于體系組分系統的某個屬性項或相關關鍵能力指標，例如“探測距離”“發射數量”“毀傷概率”等，也就是前文所述的組分系統性能指標層。策略參量則是反映作戰體系行動方案，包括計劃行動和臨機行動等。然而，這些參量都是基于武器裝備本身的一些基礎性因素，多數是直接影響裝備系統級效能而間接影響到涌現性效能，而導致體系涌現性產生的基于網絡的復雜交互卻沒有被考慮，這就使得底層基礎性的因素與高層整體性效能的“涌現”之間產生鴻溝，使得因果關系判斷更為困難，戰爭規律更難尋覓。因此，在因素篩選時，必須將網絡化效能指標也納入因素篩選空間，彌補這種底層的“因”和高層的“果”之間存在的斷層，從而能夠從體系整體性效果產生機理的角度出發，發現一些隱藏的因果關系或關聯關系。因此，想要通過實驗獲得體系整體效能評估結果，必須考慮導致體系涌現性產生的網絡因素，必須將反映體系網絡結構和性能的網絡因素納入到實驗因素范圍，并結合前三種參量，形成對體系整體效能評估的參量篩選空間。

4.2 網絡化因素參量空間

作戰體系涉及大量不同層面和不同類型的網絡，主要包括物理網、應用網和對抗網。其中，物理網指作戰體系中物理層面所存在的各類通信網，包括衛星通信網、電信網、互聯網、數據鏈以及有線/無線局域網等;應用網是指在物理網的支撐下，依據作戰體系中存在的不同關聯關系構建的網絡，涉及指控網和傳感網等;除了以上兩類相對靜態的網絡，在動態對抗中，各作戰實體會通過信息、物質或能量的交互建立各種關聯關系，比如信息獲取、火力打擊和電磁壓制等，這些在對抗中產生的關聯關系會形成邏輯上的網絡也就是對抗網。對于對抗網，由于是在仿真運行過程中由武器自主行為產生，無法在因素選擇階段對其進行選擇和量化，因此只對物理網和應用網的網絡因素進行篩選和選擇。這種網絡因素主要包括兩種:一種是物理網絡的因素，比如網絡通信協議、傳輸速率;另一種是體系網絡結構因素，比如度分布、介數、聚焦系數［6］等。最后根據體系整體性評估目的，選擇與實驗任務相關的網絡因素，結合環境參量、能力參量和策略參量，最終形成面向任務的因素集。

5 因素與指標的選擇方法流程

實驗分析的過程是分析從因到果的過程，也就是分析某個原因導致了哪些結果的產生，而實驗設計的過程中根據考查指標反過來尋找因素，也就是分析某個結果可能是哪些原因造成的。因此，在做實驗設計時，首先要選擇指標，確定了“果”之后，再根據“果”進行回溯推理，尋找“因”，并經過仿真實驗驗證這種預想的因果聯系是否存在;如果不存在，則要調整選擇范圍，修正“因”和“果”兩方面的選擇，進行下一輪實驗，如此循環往復，直到達到評估目的，形成科學合理的評估結論。選擇流程如圖2 所示。

第一步:選擇指標。根據實驗目的，從體系使命任務效能指標MOTE 和體系涌現性效能指標MOEE 兩方面進行定性判斷，尋找代表性指標。

第二步:因果回溯。針對每一個指標，尋找可能會影響該指標的原因。

第三步:原因篩選與合并。對重合的原因進行合并，也可根據需要酌情刪除或增加。

圖2 因素與指標的選擇方法流程示意圖

第四步:對原因進行細化，逐步細化到仿真可以對其進行操控的粒度。

第五步:形成因素集和指標集，最終通過仿真實驗分析其關聯程度，再根據分析結果修正或調整指標集和因素集，或重新進行指標和因素選擇過程。

在指標和因素選擇的整個過程中，必須充分利用軍事專家領域知識，分析人員和軍事人員要充分交流和協作。

6 分析示例

以對某防空反導體系進行能力評估為例，使用本文所述方法與流程進行因素與指標選擇，進行評估分析。

6.1 指標的選取

根據能力評估目的，為了更為全面地評估該反導體系的能力，分別從涌現性效能指標層和使命任務效能指標層各選取兩個指標作為評估指標，見表1。

表1 某防空反導體系效能仿真實驗評估指標選擇表

6.2 因素的選取

根據軍事規則和經驗，對影響每項指標重要因素進行因果回溯，對這些因素進行合并、選擇和細化，最終形成本次能力評估實驗的因素集，見表2。在這個因果回溯的過程中，需要充分利用人的知識和經驗，酌情取舍。

表2 某防空反導體系效能仿真實驗評估因素選擇表

6.3 指標與因素的調整

根據仿真后的數據分析，發現來襲目標RCS在某個區間中對使命任務效能指標影響明顯，超出該區域則指標變化不明顯，則將目標RCS 固定在區間內的某值，不再對其進行變化，即不再將其作為實驗因素進行設計。同樣，對其他因素也可以做類似修改或調整，直至滿足實驗需要。

7 結束語

面向體系效能評估的仿真實驗，首先面臨的就是實驗因素與指標的選擇問題。本文試圖部分解決還原論思想下體系效能評估的不足之處，但是體系復雜性使得因素與指標的選擇空間更為龐大，某些指標特別是網絡化指標的測量也更為困難，基于復雜系統思想和網絡科學的因素與指標選取，還需要進一步研究體系效能評估和分析方法，從而形成對因素與指標選取的支持。

［1］ 軍事科學院軍事運籌分析研究所. 作戰實驗實施指南［M］.北京:軍事科學出版社，2008.

［2］ 龍建國.作戰實驗選擇原理與方法探析［J］.軍事運籌與系統工程，2009，17(1):2 -7.

［3］ 胡曉峰，許相莉，楊鏡宇.基于體系視角的賽博空間作戰效能評估［J］.軍事運籌與系統工程，2013，27(1):5 -9.

［4］ 胡曉峰.戰爭復雜性與復雜體系仿真問題［J］.軍事運籌與系統工程，2010，24(3):27 -34.

［5］ 何明，李志榮，姚洪，等.作戰仿真實驗中的實驗參量空間分析［J］.指揮控制與仿真，2011，33(5):68 -71.

［6］ JEFFERY R CARES.分布式網絡化作戰［M］.于全，譯.北京:北京郵電大學出版社，2006.