一種面向作戰體系能力分析的分層模型構建方法*

魯敏育，司光亞，唐本富，趙 鵬，王 飛

（國防大學聯合作戰學院，北京 100091）

0 引言

評估作戰體系能力和探尋體系作戰復雜性機理是研究信息化戰爭的最佳切入點。現代戰爭是典型的復雜體系對抗，很難簡單依靠專家定性分析、簡單運籌計算得出有意義的結論，必須采用“整體、動態、對抗”的方法對體系復雜性問題進行深入研究［1］。戰爭的特殊屬性決定很難對其采取實證方式進行研究，真實作戰數據的獲取和積累也十分困難。采用仿真手段在實驗室內模擬戰爭，積累作戰相關數據，并進行深入分析得出有價值的結論，是現實條件下研究這一問題的可行且高效手段。在這個過程中，構建合理的體系分析模型是關鍵，也是解決體系分析問題的難點。

1 相關工作

傳統的體系分析模型，如著名的蘭切斯特方程、系統效能分析（System Effectiveness Analysis，SEA）、“可用度、可信度、能力”（Availablility Dependablility Capability，ADC）方法等，基于機械化戰爭時代對作戰體系線性特征的認識，雖然至今仍在體系分析中發揮重要作用，但很難應對現代戰爭復雜性的挑戰。隨著網絡中心戰概念的提出，各國專家對信息時代作戰效能定量評估進行了大量研究，構建了很多分析模型，典型的如Jeff Cares 基于嚴格數學推導方式定義的分布式網絡化作戰模型IACM［2］、Hans 針對網絡化作戰行動而建立的網絡化力量參考模型、Dekker 針對C4ISR 作戰體系提出FINC 模型［3-4］、王斌提出的作戰環模型［5］。這些研究基于網絡模型將體系的結構與作戰能力聯系起來，開創了體系研究的新方向，但是這些模型均屬于戰斗模型，對體系的演化過程進行了簡化，如將體系組分抽象為同質節點、組分間復雜交互簡化為信息的流動等，很難進一步對戰役層級的作戰體系進行描述。鑒于此，胡曉峰等針對作戰體系中類型各異的作戰實體及交互關系，構建了包括物理域、信息域與認知域三層網絡的體系作戰超網絡模型［6-7］，王飛、司光亞等選取體系對抗中較為關鍵的因素，將體系映射為物理網、關系網和交互網體系的異質超網模型［8］。這些模型較好地描述了體系的復雜特性，并在體系能力分析中取得了較好的效果，但是這些模型從體系內信息、物質和能量流動轉換的角度描述體系的運行結構，存在相關數據很難獲取和轉換關系復雜、難以描述清楚等問題。

基于網絡信息體系的聯合作戰［9］，作戰體系各組分及組分間交互的網絡化、信息化趨勢明顯，由于對抗強度的加大，體系結構在對抗中快速演化且不斷涌現出新的能力。信息化戰場的作戰體系是分布的作戰單元，在統一作戰使命的支配下，通過單元間的自同步行為形成的統一整體，通過整體的“涌現”行為實現其使命目標［10］。將體系的組分均看作具有認知、決策和執行能力的實體單元，則組分間及組分與外界環境間通過自主行為建立交互關系，形成體系的運行結構，并進一步涌現出體系整體能力。

本文圍繞體系組分的“自主行為”，采取體系對抗行為、對抗過程和對抗效能分析的視角，從體系交互事件、作戰活動組織和作戰任務效能3 個層次構建作戰體系分層結構模型，并介紹了基于推演數據的模型實例化方法及基于模型的體系能力分析方法，最后實例驗證了模型的可行性和有效性。

2 體系作戰分層模型

對作戰體系描述也是對作戰體系的認知過程。從微觀層面看，體系對抗過程是組分間及組分與環境間交互的時序結構，可以看作對“體系在對抗中做了什么”的描述；從中觀層面看，體系對抗過程是具有明確軍事意義的作戰活動的有序組織，可以看作“在對抗中體系怎么做的”；從宏觀層面看，體系對抗過程為作戰行動效能達成和使命任務實現的過程，可以看作“在對抗中體系表現的怎么樣”。對體系在對抗中“行為”的分層描述即為體系作戰分層模型。

2.1 分層模型框架

借鑒軍事領域相關概念，為了后續描述方便，下面給出作戰事件、作戰行動和作戰活動的定義：

定義1 作戰任務（Task）：作戰力量為達成預定作戰目的而擔負的任務。

定義2 作戰行動（Action）：即武裝力量為了實現其特定的作戰意圖或完成特定的作戰任務而遂行的一系列作戰活動的集合。

定義3 作戰活動（Activity）：指作戰實體為完成某一作戰行動所采取的基本行為、舉動或動作。與作戰行動的區別在于沒有明顯的任務性。

定義4 作戰事件（Event）：描述實體間相互作用的效果，引發實體狀態的改變。是作戰活動描述的基本要素。

體系整體能力可以看作體系運行結構在不同層次的外在表現。依據對體系對抗過程的分析，借鑒行為識別領域相關技術［11］，構建描述體系演化過程的分層模型，模型框架如下頁圖1 所示。底層為作戰事件網絡層，基于交互事件對體系演化過程進行描述；中層為作戰活動網絡，以作戰活動為基礎對體系演化過程進行語義層次的描述；頂層為作戰任務網絡，從使命任務達成和作戰行動效能的角度描述體系的演化過程。上層網絡由底層網絡加入相關信息后聚合而成，底層網絡是對上層網絡的分解，各層網絡實現對體系不同層次的描述，也為基于模型的分析提供不同層次分析指標。

圖1 體系分層模型框架

分層模型自底向上逐步生成的過程，即為推演數據處理的過程，也是對體系對抗過程逐層認知的過程。各層模型參數的測量及整體分析處理，即為模型的分析評估過程，也是基于模型分析求解的過程。

2.2 作戰事件網絡（EN）

作戰事件網絡（EN）是含有精確時間信息的時序網絡（Temporal Network），實現對體系對抗過程的微觀層面的詳細描述，節點表示各作戰單元、空間節點及作戰目標，連邊表示作戰單元間的交互事件。作戰單元為作戰體系的基本組分，描述粒度為具有自主行為能力的作戰實體，包括指揮決策機構、各作戰部隊、保障基地、裝備設施等。為了描述作戰體系的空間結構這里引入了空間節點。空間節點可以是精確的地理位置、限定的地理區域或規定的線路。當作戰單元進入、占據、離開或攻擊空間節點時，都會產生交互事件。為描述作戰單元或作戰目標狀態的改變引入態勢節點，當作戰單元狀態改變或作戰目標節點被偵獲后產生交互事件。作戰目標為敵方體系中的節點，是作戰體系偵察或攻擊的對象。為表述方便，如無特殊說明將作戰單元、空間節點及作戰目標統稱為作戰單元。交互事件是對作戰單元間交互行為的描述，含有精確的時間信息，表示作戰單元間的一次交互及各自狀態的改變。

定義5 作戰事件網絡（EN）是一個時序網絡：

作戰事件網絡同時描述了體系演化時間結構和拓撲結構?？梢岳脮r序網絡相關參數對體系演化進行分析。

2.3 作戰活動網絡（AN）

作戰活動網絡是含有多個節點類型和多個連邊類型的異構信息網絡，從作戰活動組織結構的角度對體系對抗過程進行描述。作戰活動網絡的節點為異質節點，表示各種類型的作戰活動，如指揮活動、偵察活動、打擊活動等；作戰活動異構網絡連邊也為異質連邊，表示活動間的各種關系，如指控、情報支援、火力協同等。在作戰事件網絡中，作戰活動表示為序列相關事件，作戰活動網絡由作戰事件網絡加入相關信息后聚合而成。

定義6 作戰活動網絡（AN）是一個異構信息網絡：

AN=（V，E，?，φ，A，R）

其中，V 是節點集合，表示各種作戰活動；E?V×V是連邊集合，表示作戰活動之間的各種關系；A 是節點V 即作戰活動的類型集合，包括指揮、偵察、打擊、機動和保障活動；R 是連邊E 即作戰活動之間關系的類型集合，包括指揮控制、情報支援、毀傷評估、指揮協同、火力協同、后勤補給和跟隨掩護等。?：V→A 是節點到節點類型的映射函數，φ:E→R 是連邊到連邊類型映射函數。

異構信息網絡的網絡模式［12］，定義以節點類型為節點，以連邊類型為連邊的有向圖T=（A，R）。網絡模式清楚地描繪了異構信息網絡中有多少種對象類型，以及這些對象類型之間可能有怎樣的關系。依據分析的需要對實際作戰活動及其相互關系進行簡化，生成作戰活動異構網絡的網絡模式，具體內容如下頁圖2 所示。

異構信息網絡的元圖，定義為網絡模式的子圖。在作戰活動異構網絡中表示作戰活動間形成固定模式，具有一定的語義信息。如：偵察活動與打擊活動形成固定的模式，可以解釋為“發現即打擊”戰法，對相同目標的多個打擊活動形成的固定模式可以解釋為“聯合火力打擊”戰法。

圖2 作戰活動網絡模式

2.4 作戰任務網絡（TN）

作戰任務網絡是兩層超網絡，包括任務層網絡和行動層網絡，分別實現在任務及作戰效能層面對作戰過程的描述。任務層主要實現對任務的逐層分解，將頂層的作戰使命分解到適合分析評估的子任務。行動層是以作戰行動為節點、行動間的因果邏輯為邊構成的網絡。作戰行動有明確的作戰意圖或作戰任務要求，由一組相關活動聚合而成。

定義7 作戰任務網絡（TN）是一個超網絡：

TN=（GT，GA，ETA）

其中，GT=（VT，ET）為任務網絡，為分層的樹狀結構，也可稱為分級任務樹，VT為各級任務節點集合，根節點為作戰使命，葉子節點為粒度適宜的子任務，ET為節點間的關系集合。GA=（VA，EA）為行動網絡，VA為作戰行動節點集合，EA為行動之間的關系集合，主要包括協同和因果兩種關系。ETA為任務網絡GT與行動網絡GA之間的網際關系，子任務葉子節點一般對應一個或多個作戰行動節點。

3 基于模型的分析

基于模型的分析過程為：首先對研究的軍事問題進行定性分析，將軍事問題轉換為體系分析問題；然后，構建指標體系［13-16］，實例化分層模型，采集模型的特征參數，形成基礎指標集；最后，建立基礎指標與分析指標間的關系得出分析結果，對問題進行定性定量分析得出有意義的結論?；谀Ｐ偷姆治鲋饕ǜ鲗泳W絡特征指標的采集和基于各層指標的綜合分析兩部分，在這個過程中需綜合運用復雜網絡及數據挖掘相關技術。

3.1 各層網絡特征指標采集

對實例化后分層模型指標的采集和分析反應體系對抗不同層面的特征。作戰事件網絡側重從微觀層次描述體系的演化過程，含有豐富的時間信息，以作戰單元為節點描述了體系對抗的時序結構和拓撲機構，可以提取指標包括（但不限于）：時序可達性、節點相對重要性、平均時間效率等。作戰活動網絡側重從中觀尺度對活動的組織和對抗中形成的固定結構進行分析，可提取具有明確軍事層面語義信息的對抗活動結構，如頻繁子圖、網絡元圖、網絡結構系數等。作戰任務網絡關注體系效能與作戰行動之間的關系，可以提取關鍵行動、任務完成度、任務完成概率等指標。

3.2 基于分層指標的綜合分析

基于各層指標的綜合分析需利用面向分析問題建立指標體系，指導各層模型特征指標的采集和分析。如對體系作戰協同的分析，從微觀層面看，體系協同與指揮時效、行動時效、保障時效、打擊時效有關；從中觀層面看，體系協同與作戰活動間的配合及有序性有關；從宏觀整體層面看，體系協同與作戰行動的有序銜接和作戰效能的變化有關。因此，可以從這3 個層面采集體系的指標，并利用相關算法進行綜合分析。

各層模型在分析中不是彼此獨立的，具有清晰的邏輯聯系。如體系整體能力的變化可以由作戰任務網絡進行評估，并確定導致能力變化的關鍵作戰行動，關鍵作戰行動的組織過程則需要在作戰活動網絡中進行分析，而作戰力量的參與情況及體系結構的變化則要回溯到作戰事件網絡中。

4 模型應用實例

4.1 基于推演數據的模型實例化

本文使用國防大學組織的某次聯合戰役對抗推演積累的某一階段推演數據實例化模型。想定中本階段主要作戰任務為癱瘓敵作戰體系、奪取制權，作戰編成包含多種類型作戰力量。模型的生成需要針對推演數據特點，結合想定相關背景知識，采用多種數據處理方法對推演記錄的數據庫、事件報告、交換文檔、會議記錄等進行挖掘分析。生成的分層模型以格式化的形式存放于數據庫中，可以采用多種可視化樣式對其表現，由于涉密原因，這里不列出模型數據。

4.2 基于模型的分析舉例

4.2.1 作戰事件網絡分析

基于作戰事件網絡的分析側重從時間維度對體系結構演化進行分析，可以基于時序網絡（temporal network）特征參數提取具有軍事意義的指標［17］。

指揮時延為指揮指令下達事件與指揮指令反饋事件的時間間隔長度，可以反映指控網絡的效能。下頁圖3 為指揮事件延遲變化曲線，圖中（褐色MOVE 線）為部隊機動指揮事件延遲曲線，可以看出對前出部隊機動的指揮時延隨著推演進程快速增加，反應隨著部隊的推進由于敵方干擾、通信鏈路延長等原因導致指控效率嚴重降低。圖中（紅色曲線）為對空中編隊的指揮延遲曲線，可以看出一直在波動，反應多種對抗因素的綜合效果。圖中其他曲線，由于在己方防區內，指控事件時延變化不大。

圖3 指揮時延分析

事件的頻次為單位時間內事件發生的次數，可以看出推演過程各種行動的強度。圖4 為偵察事件和打擊事件的頻次曲線，開始階段以計劃打擊為主，沒有配合戰場偵察手段，中間階段開始展開大量的戰場偵察活動，后面階段偵察和打擊活動配合密切。

圖4 事件頻次分析

4.2.2 作戰活動網絡分析

圖5 作戰活動網絡元圖

基于作戰活動網絡的分析側重從作戰活動的組織角度對作戰體系進行分析，可利用基于元圖的語義相關性方法進行分析［18］。圖5 為作戰活動網絡的元圖，表示作戰活動間形成的固定結構，其中A表示兩個或多個打擊活動針對相同的目標在特定時間內進行協同打擊，B 表示對目標打擊后進行評估，C 表示偵獲目標后對其進行快速打擊，活動期間形成的固定結構可以反映體系對抗的組織程度。

圖6 中A 圖為利用元圖A 對協同打擊活動的分析，可以看出前期由于采取計劃協同方式組織打擊，協同打擊活動較多；圖B、C 為利用元圖B、C 提取的打擊評估和偵察打擊活動的分析，可以看出在第一波次打擊后快速組織了評估行動，中間階段雖然進行了大量的偵察（基于作戰事件網絡分析結論），由于沒有打擊活動，因此，也沒有形成打擊評估或偵察打擊固定結構。

圖6 打擊活動分析

4.2.3 作戰任務網絡分析

圖7 任務效能評估矩陣

作戰任務網絡為從任務和作戰行動層面對體系整體能力進行分析提供了較好的支撐。由于子任務與作戰行動建立了明確的聯系，并且子任務具有明確的目標約束（如完成效果、完成時間等），同時作戰行動被描述的很清楚，所以一方面可以很方便地得出體系的效能，另一方面可以對影響任務完成的關鍵活動進行定位和分析。圖7 是對此階段對抗的任務效能評估圖譜，對體系整體效能和各級任務完成情況能給出清晰的結論。圖中顏色較淺的斑塊代表完成不好的任務，可以進一步追溯原因。研究發現此作戰任務為“攻擊并占領某地域”，作戰行動有“對防衛目標攻擊行動”、“部隊機動開進”、“打擊駐守部隊”組成，由于“部隊機動開進”行動效果不好，導致后續行動在特定時間點前難以完成，最終影響該作戰任務的完成。

4.2.4 綜合分析

三層結構模型在分析中不是獨立的，分析中要綜合應用各層提取的指標和結果。如：體系對作戰協同的分析，從作戰事件網絡提取指控效率、偵察效率、機動效率、打擊鏈長度等反應體系時間相關指標；從作戰活動網絡提取作戰活動組織的有序性指標；從作戰任務網絡提取整體效能指標。對各層指標綜合分析才能得出科學的結論：在對抗開始階段，由于采取計劃協同對固定目標進行打擊，形成大量的打擊協同結構，且階段任務完成率高，可以得出此階段計劃協同對打擊固定目標效果較好；而對抗末段，形成的偵察打擊、打擊評估、協同打擊活動結構較多，得出此階段臨機協同對機動目標協同打擊效果較好。

5 結論

作戰體系效能評估及復雜性機理分析是作戰體系能力建設、作戰籌劃以及作戰分析的基礎，有著十分迫切的現實需求。采用仿真方法構造貼近真實的戰場環境并組織對抗推演，是解決體系分析問題的有效手段，但如何從推演獲取的仿真數據中挖掘出有價值的信息得出有意義的結論，還沒有很好的解決方案。本文提出了作戰體系分層模型，從微觀對抗事件、中觀作戰活動和宏觀作戰任務3 個層次對體系作戰進行了描述，是貼近復雜問題認知習慣的描述方法，也是推演大數據處理和組織的有效方法，可以有效描述作戰體系結構演化特性、提取具有明確軍事意義的指標、支持作戰體系復雜性機理的深入分析。現階段該模型主要應用于指導推演數據的采集和分析，下一步的研究方向將針對體系作戰的復雜性機理進行深入分析。