作戰(zhàn)系統(tǒng)的同步性能研究

鄧 青，薛 青，陳 琳，于屏崗

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院， 北京 100072； 2.國(guó)防大學(xué)， 北京 100091)

作戰(zhàn)同步的概念源于“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”[1]概念框架，并且已經(jīng)成為核心概念之一。作戰(zhàn)同步即構(gòu)成作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)作戰(zhàn)單元，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享戰(zhàn)場(chǎng)信息；通過(guò)協(xié)同決策，達(dá)成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的一致理解；在共同目標(biāo)的牽引下，實(shí)現(xiàn)各個(gè)作戰(zhàn)單元協(xié)調(diào)一致的行動(dòng)，以取得更好的作戰(zhàn)效果。良好的作戰(zhàn)同步在實(shí)際作戰(zhàn)中具有重要作用，能達(dá)到加快作戰(zhàn)節(jié)奏、降低風(fēng)險(xiǎn)、減少成本、提高作戰(zhàn)效能的目的。

本文基于決策同步算法研究作戰(zhàn)同步問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)系統(tǒng)間的對(duì)抗交戰(zhàn)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性，得出同步性能較優(yōu)、作戰(zhàn)效果較好的作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1 作戰(zhàn)同步

在最初的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”概念框架中，作戰(zhàn)同步更多的意味著自同步[2]。自同步的概念強(qiáng)調(diào)的是在確定的規(guī)則下最大限度的增加作戰(zhàn)系統(tǒng)的整體反應(yīng)速度[3-5]，從而獲得作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，也可以認(rèn)為自同步是實(shí)現(xiàn)加快整體行動(dòng)節(jié)奏和反應(yīng)速度的目標(biāo)。新的網(wǎng)絡(luò)中心作戰(zhàn)概念框架中作戰(zhàn)同步的概念則側(cè)重于作為結(jié)果的同步，而不是像自同步那樣作為一種具體的方法或交互模式。在該框架下，作戰(zhàn)系統(tǒng)追求的目標(biāo)是決策同步以及由此帶來(lái)的行動(dòng)同步。

決策同步之所以重要，是因?yàn)樽鲬?zhàn)行動(dòng)尤其是信息化條件下的作戰(zhàn)行動(dòng)是在上級(jí)指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮之下，各個(gè)構(gòu)成復(fù)雜的參戰(zhàn)部隊(duì)共同實(shí)施的。而不同指揮層次的作戰(zhàn)單位、同一指揮層次的不同作戰(zhàn)單元對(duì)于當(dāng)前的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)都可能形成各自的判讀，這些對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的判讀可能由于掌握的信息不全或者關(guān)注點(diǎn)不同而產(chǎn)生分歧甚至相互矛盾，進(jìn)而可能影響最終的決策。以這種帶有偏差甚至矛盾的決策指導(dǎo)展開作戰(zhàn)行動(dòng)，很難達(dá)到預(yù)期的作戰(zhàn)效果。決策同步追求的就是各個(gè)作戰(zhàn)單元在充分共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息的基礎(chǔ)上，相互溝通，盡量形成統(tǒng)一一致的決策，以指導(dǎo)作戰(zhàn)行動(dòng)。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文抽象理解作戰(zhàn)同步為：

定義1 作戰(zhàn)系統(tǒng)中各作戰(zhàn)單元在決策同步的基礎(chǔ)上形成整體作戰(zhàn)意圖，并依此意圖以最快速度展開協(xié)同作戰(zhàn)行動(dòng)。

該定義包含兩層含義：一是盡可能多的作戰(zhàn)單元基于決策同步采取協(xié)同一致的行動(dòng)；二是盡可能短的達(dá)到?jīng)Q策同步，這實(shí)際上是明確了評(píng)價(jià)作戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)同步性能的指標(biāo)。

2 決策同步算法

為便于描述，給出以下定義：

定義2 溝通是社會(huì)成員互相聽取意見(jiàn)并相互妥協(xié)的過(guò)程，表現(xiàn)在溝通過(guò)程中大家的思想觀點(diǎn)相互影響和調(diào)整[6-8]。

定義3 決策同步是指各個(gè)作戰(zhàn)單元在充分共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)溝通形成的決策過(guò)程。

在實(shí)際作戰(zhàn)中，大到作戰(zhàn)方案，小到某個(gè)敵情的評(píng)判，一開始己方各個(gè)作戰(zhàn)單元的判斷意見(jiàn)客觀上是很難做到一致的，有時(shí)甚至是相互矛盾的。但在形成決策的過(guò)程中，各作戰(zhàn)單元可以通過(guò)溝通機(jī)制來(lái)交換意見(jiàn)，根據(jù)其他作戰(zhàn)單元的意見(jiàn)來(lái)調(diào)整自己的意見(jiàn)，最終會(huì)使整個(gè)群體形成一致意見(jiàn)、對(duì)立意見(jiàn)等若干不同的意見(jiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中心作戰(zhàn)概念框架中[2]，體現(xiàn)了決策同步的這一過(guò)程，即在共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知信息的基礎(chǔ)上，決策同步的水平直接決定了各作戰(zhàn)實(shí)體行動(dòng)的同步性，并最終影響到作戰(zhàn)的效果。

2.1 決策同步的過(guò)程

決策同步算法將作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)看成是一個(gè)agent，每個(gè)agent可以具有不同的決策水平。設(shè)agent(i)在t時(shí)刻對(duì)某個(gè)問(wèn)題的意見(jiàn)為ai(t)∈[0,1]。當(dāng)agent(i)與agent(j)交換意見(jiàn)時(shí)，若二者的意見(jiàn)差異大于一個(gè)給定的閾值fij∈(0,1)，即|ai(t)-aj(t)|>fij，則各自維持自己原來(lái)的意見(jiàn)；否則，就相互妥協(xié)并調(diào)整各自的意見(jiàn)：

ai(t+1)=ai(t)-mi|ai(t)-aj(t)|

(1)

aj(t+1)=aj(t)-mj|aj(t)-ai(t)|

(2)

其中，mi∈(0,0.5)，mj∈(0,0.5)。mi值越大，說(shuō)明agent(i)對(duì)agent(j)決策的接受程度越大；反之，則其接受程度越小。mi、mj體現(xiàn)了個(gè)體agent(i)、agent(j)對(duì)其他agent的決策接受度，fij則反映了agent(i)和agent(j)之間相互容納的程度。fij越大，說(shuō)明二者之間容納度越高，反之則容納度越低。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假定agent間的容納度是對(duì)等的，即fij=fji。

當(dāng)多個(gè)agent之間同時(shí)展開決策同步時(shí)，每個(gè)agent在綜合所有其他agent的決策基礎(chǔ)上，對(duì)自己的決策進(jìn)行修改如下：

(3)

(4)

elseai(t+1)=ai(t)

(5)

2.2 同步性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于作戰(zhàn)系統(tǒng)中各個(gè)agent的初始決策的不一致性，雖然經(jīng)過(guò)前述的決策同步過(guò)程，但每一交戰(zhàn)時(shí)刻各agent的決策還是會(huì)存在一定的分歧。以統(tǒng)計(jì)學(xué)上求一組數(shù)據(jù)的離散度的方法，以決策離散度θt來(lái)表示某一交戰(zhàn)時(shí)刻各agent的決策相互離散的程度，則t時(shí)刻n個(gè)agent的決策絕對(duì)分散度θt為

(6)

(7)

此外，作戰(zhàn)系統(tǒng)的同步性能還跟實(shí)現(xiàn)最終決策所需要溝通的次數(shù)N有關(guān)。需要的溝通次數(shù)N越多，則同步性能越低；反之，則越高。

2.3 算法流程

輸入：隨機(jī)的各作戰(zhàn)agent初始決策意見(jiàn)ai0，其中，i∈(1,n)。

Step 1：初始化。

Step 1.1：確定生成網(wǎng)絡(luò)的種類、規(guī)模等參數(shù)。

Step 1.2：隨機(jī)產(chǎn)生各個(gè)agent的不同初始意見(jiàn)。

Step 1.3：確定agent的相互容納度f(wàn)ij和意見(jiàn)接受度mi。

Step 2：交換意見(jiàn)，進(jìn)行決策同步。

Step 2.1：確定交互策略。假定agent間只要有邊連接，就進(jìn)行交互。

Step 2.2：agent之間按照給定的交互策略和規(guī)則進(jìn)行交互，并調(diào)整己方?jīng)Q策。

Step 2.3：回到第二步直到交互進(jìn)行了預(yù)定的次數(shù)為止。

Step 3：結(jié)果輸出：記錄輸出每一次同步后各個(gè)agent的決策值。

Step 4.1：根據(jù)式(6)計(jì)算出任一時(shí)刻各agent決策意見(jiàn)絕對(duì)分散度θt。

決策同步算法流程如圖1所示。

圖1 決策同步算法流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 單方作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步性能分析

為了分析作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的同步性能，以無(wú)標(biāo)度復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)單方作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了分析同步性能與決策接受度、容納度之間的關(guān)系，采取分別固定決策接受度和容納度的方式進(jìn)行，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 固定決策接受度mi=0.2單方作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的同步性能

表2 固定容納度f(wàn)ij=0.2單方作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的同步性能

1) 容納度f(wàn)ij對(duì)同步性能的影響。從表1可以看出，在固定決策接受度mi=0.2的情況下，隨著容納度f(wàn)ij的增加，單方作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型最終形成的決策個(gè)數(shù)也相應(yīng)變少(從4個(gè)減少到1個(gè))，說(shuō)明作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的容納度f(wàn)ij決定了整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)形成的最終決策的個(gè)數(shù)。容納度f(wàn)ij越大，最終形成的決策個(gè)數(shù)也越少；反之，則最終形成的決策個(gè)數(shù)也越多。給作戰(zhàn)的啟示是，參與決策的單元越能夠考慮其他單元的決策，最終形成一致決策的機(jī)會(huì)越高。與此同時(shí)，整體上形成最終決策所需要的溝通次數(shù)也有明顯的增多，說(shuō)明隨著容納度f(wàn)ij的增加，形成最終決策所需要耗費(fèi)的時(shí)間也可能增加。

2) 決策接受度mi對(duì)同步性能的影響。從表2中可以看出，在固定容納度f(wàn)ij=0.2的情況下，隨著決策接受度mi的增加，單方作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型形成最終決策的所需要進(jìn)行溝通的次數(shù)不斷減少(從46次減少到18次)，說(shuō)明作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中的決策agent(i)的決策接受度mi決定了整個(gè)作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)形成最終決策的時(shí)間。決策agent(i)的決策接受度mi越大，形成最終決策的時(shí)間越短；反之，則形成最終決策的時(shí)間越長(zhǎng)。給作戰(zhàn)的啟示是，參與決策的單元越愿意聽取其他單元的決策，形成最終給決策的時(shí)間就越短。同時(shí)，從最終形成的決策個(gè)數(shù)來(lái)看，隨著決策接受度mi的增加，雖然最終形成的決策個(gè)數(shù)有所減少(從3個(gè)減少到2個(gè))，但最終仍沒(méi)有達(dá)成整體一致的決策，說(shuō)明單純的提高決策接受度mi并不能有效地減少作戰(zhàn)系統(tǒng)整體的決策分歧。

3.2 對(duì)抗作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步性能分析

為分析網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)同步性能的影響，以無(wú)標(biāo)度作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)抗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。為使關(guān)注的焦點(diǎn)聚集在網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)作戰(zhàn)同步性能的影響上，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的初始條件是藍(lán)方為隨機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)，紅方為無(wú)標(biāo)度作戰(zhàn)系統(tǒng)。設(shè)雙方初始兵力均為60個(gè)節(jié)點(diǎn)(其中20個(gè)偵察節(jié)點(diǎn)、10個(gè)指控節(jié)點(diǎn)、30個(gè)打擊節(jié)點(diǎn))，網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)都為100條，且雙方作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的命中概率均為0.1。雙方都采取隨機(jī)的射擊策略攻擊對(duì)方節(jié)點(diǎn)。決策接受度mi=0.25，容納度f(wàn)ij=0.5。

由上述假設(shè)可以看出，對(duì)抗雙方的作戰(zhàn)實(shí)力相同，差別只是雙方作戰(zhàn)子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，也即雙方兵力的組織指揮方式不同，則其對(duì)抗試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)能反映出作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)作戰(zhàn)同步性能的影響。

紅藍(lán)雙方的兵力、同步性能變化分別如圖2所示。

圖2 考慮同步性能的不同作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)間對(duì)抗實(shí)驗(yàn)

圖2表明：在參戰(zhàn)雙方實(shí)力完全對(duì)等的條件下，無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)比隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)出了更強(qiáng)的作戰(zhàn)能力。在兵力毀傷方面，當(dāng)藍(lán)方兵力幾乎完全被消滅時(shí)，紅方仍保存有近80%的兵力，體現(xiàn)了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；在作戰(zhàn)同步性能方面，在交戰(zhàn)的前段時(shí)間，紅方每一時(shí)刻的同步性能均明顯優(yōu)于藍(lán)方。在交戰(zhàn)時(shí)刻4以后，紅方的兵力已經(jīng)基本不再消耗，意味著藍(lán)方已經(jīng)基本喪失對(duì)紅方的威脅能力，因此紅方的同步性能也基本不再變化；而藍(lán)方則由于兵力的不斷消耗，作戰(zhàn)子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷減小，其決策的同步性能亦有所提高，雖然在相持階段之后藍(lán)方的同步性能已超過(guò)了紅方，但由于兵力等方面的巨大差距，己經(jīng)不能對(duì)戰(zhàn)斗的結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)在最終消除決策分歧方面要優(yōu)于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，也即具有無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特征的作戰(zhàn)系統(tǒng)更易于達(dá)成較為一致的最終決策意見(jiàn)，在同步性方面整體上優(yōu)于具有隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)特征的作戰(zhàn)系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文在研究作戰(zhàn)同步概念的基礎(chǔ)上，提出了一種基于決策同步的作戰(zhàn)系統(tǒng)同步性能分析算法。基于該算法，對(duì)具有不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)系統(tǒng)同步性能展開了實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，與隨機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)相比，無(wú)標(biāo)度作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)同步性能更好。這說(shuō)明作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)同步性能與系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)，可以通過(guò)改進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的組織模式來(lái)提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)同步性能。