基于系統動力學的數據化作戰指揮模式分析

張 英,李江濤

(國防大學聯合作戰學院,河北石家莊 050084)

數據化作戰指揮模式是基于指揮數據和數據化指揮信息系統的作戰指揮模式,它與傳統的基于自然語言的作戰指揮模式相對應,是一種在網絡化、信息化、數據化時代背景下產生的作戰指揮新模式[1]。數據化作戰指揮模式其內部存在多重復雜反饋因素,屬于多維、高階次、復雜時變系統,深入研究數據化作戰指揮模式對于優化作戰指揮結構,提高作戰指揮效能具有重大現實意義。

系統動力學(System Dynamics,簡稱SD)是一門分析研究信息反饋系統的學科,也是一門認識和解決系統問題的交叉性、綜合性學科。系統動力學的模型模擬是一種結構—功能的模擬,它較適合用于研究復雜系統的結構、功能與行為之間動態的辯證對立統一關系[2]。因此利用系統動力學建立數據化作戰指揮模式的模型,能夠把定量模型和概念模型結合起來,以反饋回路為基礎,從宏觀層面研究偵察情報、籌劃決策、行動控制等相關因素對戰斗效果的影響,從而為數據化作戰指揮的優化提供依據。

1 數據化作戰指揮模式

1.1 數據化作戰指揮模式與傳統作戰指揮模式的區別

數據化作戰指揮模式與傳統作戰指揮模式活動的主要區別是指揮信息的表示形式[1]。傳統的作戰指揮模式主要采用自然語言(包括口頭語言和書面語言)表示指揮信息,以文字和語音作為載體進行傳輸。語音、文字等形式的指揮信息是非結構化的,具有難以分解復用、難以互操作、難以定量分析等缺點,不便于發揮信息技術的優勢,因此限制了現有的指揮信息系統對作戰指揮的支撐作用,導致作戰指揮效能和體系作戰能力不能充分發揮。數據化作戰指揮模式主要利用數據化作戰指揮信息系統,把戰場態勢、作戰方案、作戰計劃和作戰指令等重要指揮信息,按照統一的格式和規則轉變為具體、規范、精確的指揮數據,從而充分發揮信息技術在數據智能化處理、快速傳輸共享等方面的優勢,提高指揮決策的全局性、快速性、精確性[3],達到提高指揮效能的目的。

1.2 數據化作戰指揮模式的特點

1)信息共享

數據化作戰指揮模式采用規范的格式化數據信息表現形式,使作戰信息的表達更加精煉準確,便于指揮信息的獲取、處理、顯示和分發,提升了作戰指揮各類信息的實時共享性。

2)控制精準

數據化作戰指揮信息的表達更加具體、精確,也為精確獲取情報信息、精細制定作戰計劃、定量分析作戰效果、精密調控作戰行動提供了基礎,從而使精確指揮成為現實。

3)工作高效

傳統的基于語言的指揮信息表示煩瑣,較難讓指揮員快速聚焦有效信息。數據化作戰指揮使指揮內容更加簡明,業務流程更加順暢,業務處理更加自動,工作方法更加簡捷,從而使作戰指揮更加高效。

4)體系聯動

數據化作戰指揮模式使指揮信息和工作成果實時交互成為可能,也使各指揮機構和各要素之間的配合協作更加頻繁、緊密、順暢。這種協作關系使整個作戰指揮體系形成了聯動,產生了合力,從而提高了指揮效能。

1.3 數據化作戰指揮的工作流程分析

數據化作戰指揮就是在數據化作戰指揮信息系統的支持下進行情報、決策、控制、評估等作戰指揮活動。數據化作戰指揮的目標是實現情報實時共享、決策協同智能、控制動態精確,以提高作戰指揮效能。按照此目標,數據化作戰指揮的工作流程如圖1所示。

圖1 數據化作戰指揮活動的工作流程

偵察信息采集時,將多源偵察設備采集的信息,采用統一的數據格式和標準傳輸到數據化指揮信息系統中。情報信息處理時,將收到的情報數據快速融合形成作戰地域的陸情、海情、空情等態勢,組織綜合敵情分析和情況研判。籌劃決策時,各要素共享戰場態勢,根據上級作戰意圖,共同研判形勢、提出作戰構想、定下作戰決心,并統一進行作戰計劃推演,消除計劃矛盾沖突,形成作戰指令。行動控制需要實時掌握戰場態勢,并根據作戰行動效果及時檢查、督促和指導部隊行動。行動效果評估是對戰場態勢和作戰行動效果進行評價和估量,既是精確掌握作戰效果、判斷戰場形勢的要求,也是確定后續行動的重要前提。

2 數據化作戰指揮系統動力學模型構建

2.1 數據化作戰指揮流程作用反饋關系

數據化作戰指揮中,經過格式化處理的標準化數據是整個指揮過程的基礎,貫穿于作戰指揮全過程。這些數據將各參戰兵力和作戰要素進行了無縫鏈接,形成一個綜合性的集偵察監視、情報處理、籌劃決策、行動控制為一體的復雜作戰系統。根據數據化作戰指揮工作流程和數據在此過程中的流轉,可以建立此過程數據化工作對其有影響的要素之間的作用反饋圖,如圖2所示。

圖2 數據化作戰指揮作用反饋圖

從圖2可以看出,數據化作戰指揮過程中,每個步驟的數據化水平,都對作戰指揮產生重要作用,無論哪個要素出現問題,都會嚴重影響整個作戰指揮的效能。

2.2 對抗環境中數據化作戰指揮SD模型的邊界確定

戰斗力是戰斗的基礎要素,是戰斗活動最基本的物質基礎。作戰雙方對抗可以看作是雙方戰斗力的抗衡,即為達到作戰目的指揮員要盡量削弱敵方戰斗力,保存己方戰斗力。因此本文衡量作戰指揮優劣主要從作戰對抗時戰斗力的變化方面考慮[4-5]。

在對抗環境中,作戰指揮與作戰指揮工具、指揮機構、指揮員的素質等較多因素相關,本文僅就作戰指揮過程中各類作戰信息經過數據化處理后對作戰決策的促進作用,對兵力火力的倍增效果,以及這些連鎖作用下對敵方打擊效果的影響等進行建模[6]。根據數據化作戰指揮模式的特點,數據化指揮內部的數據流流動得越快速、越準確、越完整,越能夠保證籌劃的正確性和控制的精確性,越能夠提高兵力兵器的效能,對敵方戰斗力的損耗就越大,因此數據化指揮模型中需要體現出情報數據、態勢數據、決策數據等多種指揮數據流轉的數量、速度和精度,同時與數據使用相關的態勢共享與協同作業等因素也需要一并考慮。

2.3 對抗環境中數據化作戰指揮SD模型

基于以上分析,根據數據化作戰指揮流程中相關要素的作用反饋關系,可以構建出對抗環境中數據化作戰指揮SD模型[7-9],如圖3所示。

圖3 數據化作戰指揮系統動力學模型

其中主要變量及公式包括：

1)紅方戰斗力、藍方戰斗力分別表示在對抗期間雙方的戰斗力情況,采用Level型變量表示。

2)紅方損失率、藍方損失率分別表示在對抗期間雙方每分鐘戰斗力的損失數量,采用Rate型變量表示。

紅方損失率=藍方戰斗力×藍方對紅方的損耗系數

藍方損失率=紅方戰斗力×紅方對藍方的損耗系數

3)紅方偵察情報、藍方偵察情報分別表示在對抗期間雙方偵察獲取的情報量,采用Level型變量表示。

4)紅方情報偵察率、藍方情報偵察率分別表示在對抗期間雙方每分鐘偵察獲取的情報量,采用Rate型變量表示。

紅方情報偵察率=紅方情報偵察能力-藍方阻止紅方情報偵察能力

藍方情報偵察率=藍方情報偵察能力-紅方阻止藍方情報偵察能力

5)紅方情報失效率、藍方情報失效率分別表示在對抗期間雙方每分鐘失效的情報量。因為情報的時效性很重要,因此情報的失效率和己方的偵察速度成正比,和對方指揮決策的時間成反比,采用Rate型變量表示。

紅方情報失效率=紅方偵察情報/(藍方籌劃時間+藍方決策時間+藍方情報處理時間)

藍方情報失效率=藍方偵察情報/(紅方籌劃時間+紅方決策時間+紅方情報處理時間)

6)紅方融合處理情報、藍方融合處理情報分別表示對抗期間雙方根據偵察情報進行融合處理得到的情報數據量。由于情報融合處理的步驟很多,需要耗費一定時間,因此采用三階延遲函數。

紅方融合處理情報=DELAY3(紅方偵察情報×紅方情報傳輸率×紅方情報融合率,紅方情報處理時間)

藍方融合處理情報=DELAY3(藍方偵察情報×藍方情報傳輸率×藍方情報融合率,藍方情報處理時間)

7)紅方態勢共享、藍方態勢共享分別表示根據對抗期間雙方根據融合情報而得到共享態勢的情況,得到的融合情報越多,共享態勢越準確。融合情報和態勢共享之間的關系采用表函數，如表1所示。

表1 融合情報和態勢共享關系表函數

8)紅方作戰籌劃、藍方作戰籌劃分別表示對抗期間雙方作戰籌劃的正確性,作戰籌劃分為幾個步驟,需要一個過程,因此采用三階延遲函數。

紅方作戰籌劃=DELAY3(紅方態勢共享×紅方協同作業能力×紅方作戰計劃推演,紅方籌劃時間)

藍方作戰籌劃=DELAY3(藍方態勢共享×藍方協同作業能力×藍方作戰計劃推演,藍方籌劃時間)

9)紅方行動控制、藍方行動控制分別表示對抗期間雙方行動控制的精確性,行動控制也采用三階延遲函數表示。

紅方行動控制=DELAY3(紅方作戰籌劃×紅方態勢共享×紅方行動效果評估,紅方決策時間)

藍方行動控制=DELAY3(藍方作戰籌劃×藍方態勢共享×藍方行動效果評估,藍方決策時間)

10)紅方對藍方的損耗系數、藍方對紅方的損耗系數分別表示對抗期間己方對敵方戰斗力的損耗系數,該系數受作戰籌劃的正確性和行動控制的精確性直接影響。

紅方對藍方的損耗系數=紅方作戰籌劃×0.4+紅方行動控制×0.6

藍方對紅方的損耗系數=藍方作戰籌劃×0.4+藍方行動控制×0.6

11)紅方作戰計劃推演、藍方作戰計劃推演分別表示對抗時作戰計劃推演對作戰籌劃正確性的影響。數據化作戰指揮時,作戰籌劃時制定的方案數據可以直接用于計劃推演,能夠提高計劃推演的速度和準度,從而提高作戰籌劃的正確性。

12)紅方行動效果評估、藍方行動效果評估分別表示對抗時行動效果評估對行動控制精確性的影響。數據化作戰指揮,數據采集、傳輸、分析更快速精確,行動效果評估更加實時,更加便于行動控制的修正,提高控制精度。

13)紅方協同作業能力、藍紅方協同作業能力分別表示作戰指揮多要素協同,共同籌劃的能力。數據化指揮更便于協同作業。

14)各作業時間分別表示各項作業需要的時間,數據化作戰指揮作業所需要的時間相對更短一些。

3 作戰對抗模擬分析

為了分析數據化指揮模式和傳統指揮模式的優劣,設置模型的參數如表2所示。表中各值的設置是一個相對量,即數據化作戰指揮模式和傳統指揮模式在某一方面的對比值。數據化作戰指揮中作戰計劃推演和行動效果評估,可以直接采用戰場獲取的精確數據,不需進行人工轉換輸入,更加快速精確,對作戰籌劃和行動控制的指導作用比傳統的作戰指揮模式更好。因此,數據化作戰指揮模式作戰計劃推演和行動效果評估取值為1.2,而傳統指揮模式作戰計劃推演和行動效果評估取值為1。數據化作戰指揮更便于信息的傳遞、處理、共享,有效信息損失較少,因此數據化作戰指揮模式協同作業能力、情報傳輸率、情報融合率取值為0.9,而傳統指揮模式取值為0.6。數據化作戰指揮提高了信息傳輸處理的速度,所以各種作業速度比傳統指揮模式更快,因此數據化指揮模式的各作業時間取值15,而傳統指揮模式取值20。

表2 不同指揮模式下變量取值表

采用系統動力學仿真工具Vensim進行仿真,分別模擬分析以下三種情況：

1)紅藍雙方初始戰斗力均為500,紅方采用數據化指揮模式,藍方采用傳統指揮模式。偵察情報結果如圖4所示,模擬戰斗力結果如圖5所示。

圖4 紅藍偵察情報與情報失效率對比

圖5 紅藍戰斗力與損失率對比

信息化條件下,獲取信息優勢的基礎就是獲取大量的偵查情報。在模擬過程中,對抗雙方的情報偵察能力與阻止對方獲取情報的能力相同,但雙方獲取的情報量卻不同,主要是受到了情報失效率的影響。由模型可知,情報失效率與敵方的指揮業務處理時間息息相關,處理時間短,表示對戰場態勢反應的速度快,會造成敵方獲取的情報失效。由圖4可知,紅方采用數據化指揮模式,數據流轉處理的速度快,指揮業務處理的時間短,因此,情報失效率比采用傳統指揮模式的藍方要低很多,從而使偵察情報量要明顯大于藍方,因而取得了獲取信息優勢的基礎。由圖5可以看出,對抗開始時,雙方戰斗力相等,隨著對抗的進行,雙方戰斗力均在減少,但是,藍方戰斗力損耗速度約是紅方戰斗力損耗速度的2倍,大約在t=22時,藍方戰斗力損失殆盡,紅方以損失三分之一戰斗力的成績,取得了對抗勝利。從最終結果看出,數據化指揮模式更有利于所屬兵力系統戰斗潛力的發揮,指揮效能更高[10]。

2)紅方戰斗力初始值為500,藍方戰斗力初始值為700,紅方第一次模擬采用傳統指揮模式,第二次模擬采用數據化指揮模式,藍方兩次皆采用傳統的指揮模式。第一、二次模擬結果如圖6、圖7所示。

圖6 第一次紅藍戰斗力與損失率對比

圖7 第二次紅藍戰斗力與損失率對比

從模擬的結果可以看出,當對抗雙方采用相同的指揮模式,偵察情報獲取、信息處理傳輸、作戰指揮水平都相同時,對抗的勝負主要取決于初始戰斗力,即戰斗力大的一方占有絕對優勢,因此第一次模擬時,藍方憑借戰斗力大于紅方的優勢,取得了對抗的勝利。然而第二次模擬時,紅藍雙方初始戰斗力不變,但是紅方采用了數據化指揮模式,結果卻大相徑庭。在對抗過程中,從雙方戰斗力損失率的變化可以看出雙方戰斗力的變化趨勢。開始時,紅藍雙方戰斗力損失率都在減少,即雙方隨著對抗的進行,戰斗力損失得越來越慢,但在t=21時,藍方損失率從下降趨勢轉為持平,而紅方的損失率卻始終在減小,即表示紅方損失越來越慢,但是藍方損失的速度卻沒有減小,按照這種趨勢發展,藍方戰斗力會在某一時刻等于紅方戰斗力；在t=38時,紅藍戰斗力損失到相等,而后,紅方戰斗力開始占優勢；在t=44時,紅方獲得了最終戰斗的勝利。從整個對抗過程可以看出,數據化作戰指揮模式是部隊戰斗力的倍增器,當對抗雙方戰斗力差距在一定范圍內,數據化指揮可以充分發揮部隊的作戰效能,從而以少勝多。

3)紅方戰斗力初始值500,藍方戰斗力初始值750,紅方第一次模擬采用傳統指揮模式,第二次模擬采用數據化指揮模式,藍方兩次皆采用傳統的指揮模式。第一、二次模擬結果如圖8、圖9所示。

圖8 第一次紅藍戰斗力與損失率對比

圖9 第二次紅藍戰斗力與損失率對比

當紅方采用數據化作戰指揮模式,藍方采用傳統指揮模式時,對比圖7和圖9可以看出,紅藍雙方戰斗差為200時,紅方還能夠取得勝利,但是紅藍戰斗力差達到250時,紅方以失敗告終,即采用傳統的指揮模式的一方可以通過提高戰斗力的方式,戰勝采用數據化指揮模式的一方。從模擬數據看出,采用傳統指揮模式的一方需要將戰斗力提高近50%才能取得勝利,而在真正的作戰中,這樣大幅度的提高戰斗力是有一定難度的。從圖8和圖9看出,雖然兩次都以紅方失敗告終,但是第一次模擬,紅方在t=29時戰斗力就損失殆盡,藍方戰斗力損失接近200,即藍方以戰損26%的成績贏得了勝利；第二次模擬,紅方在t=37時才被藍方全殲,藍方戰斗力損失490,戰損率約為65%,藍方雖然取得了勝利,卻損失慘重。從這組對比數據可以看出在初始戰斗力對比不利的情況下,數據化作戰指揮對于提高部隊的作戰效能,爭取作戰時間起著至關重要的作用。

4 結束語

本文通過對數據化作戰指揮模式的分析,構建了基于指揮對抗的數據化作戰指揮系統動力學模型,模型較好地反映了數據化作戰指揮的本質,對采用數據化作戰指揮模式提高作戰指揮效能進行了研究探索,實驗結果具有一定的參考價值。當然實際作戰情況非常復雜,需要考慮的因素還有很多,隨著對數據化作戰指揮模式理論的不斷深入,模型將進一步修正和完善,力爭為指揮員科學指揮,提高部隊作戰效能提供正確的理論支持。