基于大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的智能作戰(zhàn)評估方法

左欽文,張杰民,劉曉宏,楊 明

(1.防化研究院，北京 102205；2.國營785廠，太原 030024)

未來戰(zhàn)爭是復(fù)雜巨系統(tǒng)體系之間的對抗，具有不確定性、自主性和層次涌現(xiàn)性等特征。開展武器裝備作戰(zhàn)能力和體系貢獻(xiàn)率的評估研究，對裝備體系論證、裝備使用研究、作戰(zhàn)試驗(yàn)開展、實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練等具有重要意義[1]。

作戰(zhàn)評估反映了一定作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)下，評估對象對作戰(zhàn)體系內(nèi)各系統(tǒng)作戰(zhàn)能力及整個體系作戰(zhàn)能力影響作用的度量。在未來復(fù)雜體系對抗中，隨著裝備種類繁多、作戰(zhàn)樣式擴(kuò)展、戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜、作戰(zhàn)過程快速演化，現(xiàn)有預(yù)先構(gòu)建裝備性能、作戰(zhàn)方案、評估指標(biāo)的靜態(tài)作戰(zhàn)評估方法的科學(xué)性、實(shí)用性和可信性不足，已不能滿足作戰(zhàn)評估發(fā)展需要，需發(fā)展新的作戰(zhàn)評估模式和框架[1-2]。

現(xiàn)有作戰(zhàn)評估技術(shù)根據(jù)其原理可分為統(tǒng)計法、解析法、仿真法和綜合法。統(tǒng)計法應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法，利用實(shí)戰(zhàn)、演習(xí)、試驗(yàn)等獲取的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得；解析法通過解析式的計算而獲得；仿真法利用仿真實(shí)驗(yàn)獲得仿真數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析而獲得。綜合法采用一種或多種以上方法綜合而成。以上方法均未能充分考慮作戰(zhàn)過程的整體性、復(fù)雜性、對抗性、動態(tài)性和評估指標(biāo)的不確定性。

本文從大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)角度，立足復(fù)雜系統(tǒng)體系視角，依據(jù)仿真推演過程的時序及數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡(luò)性、動態(tài)性、關(guān)聯(lián)性等方面提取體系對抗中的關(guān)鍵指標(biāo)并進(jìn)行評估，為效能評估和體系貢獻(xiàn)率分析提供方法。

1 總體構(gòu)架

基于大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的體系評估技術(shù)一方面基于武器裝備體系作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標(biāo)及計算方法，從作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)評估和特定目標(biāo)場景下的體系作戰(zhàn)能力分析兩方面對體系效能進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)體系能力建設(shè)中的短板及關(guān)鍵裝備，對武器裝備體系結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以滿足未來作戰(zhàn)需求；另一方面，構(gòu)建裝備體系對抗過程中的作戰(zhàn)環(huán)路，在特定對抗場景下，依托實(shí)時推演仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動大量作戰(zhàn)環(huán)路的協(xié)同流轉(zhuǎn)，通過梳理作戰(zhàn)環(huán)路的數(shù)量、長度、閉合性、有效性，支撐指控關(guān)系網(wǎng)、通信交互網(wǎng)及裝備效能網(wǎng)的分析評估。

基于大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的作戰(zhàn)評估技術(shù)總體架構(gòu)如圖1所示。

基于大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的作戰(zhàn)評估技術(shù)通過構(gòu)建作戰(zhàn)體系、交戰(zhàn)任務(wù)、裝備性能、指控鏈路、作戰(zhàn)能力等不同層次、維度的評估視圖，實(shí)現(xiàn)體系仿真過程中的數(shù)據(jù)分析、對抗效果的評定與對抗過程中重點(diǎn)對抗指標(biāo)的定位。在評估分析中，通過大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)挖掘評估指標(biāo)體系中的關(guān)聯(lián)關(guān)系與時序?qū)惯壿嫞瑢?shí)現(xiàn)基于指標(biāo)及關(guān)聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜體系評估。在評估分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)特定場景下裝備體系貢獻(xiàn)率評估分析，支持現(xiàn)有裝備體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。將大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到仿真系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)體系評估中，可實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)、復(fù)雜關(guān)系的自動學(xué)習(xí)、自動評估，大大提高武器裝備作戰(zhàn)評估的科學(xué)性。

圖1 基于大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的作戰(zhàn)評估技術(shù)總體架構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 作戰(zhàn)體系復(fù)雜性評估指標(biāo)智能構(gòu)建

構(gòu)建合適的指標(biāo)體系是對戰(zhàn)場對抗進(jìn)行評估的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)評估方法中，需在仿真前預(yù)先設(shè)計完整的評估指標(biāo)體系。由于對抗過程的復(fù)雜性，評估指標(biāo)體系設(shè)計難度大，實(shí)用性較差[3]。面向復(fù)雜性的評估指標(biāo)體系智能構(gòu)建方式下，將指標(biāo)體系構(gòu)建轉(zhuǎn)換為仿真前構(gòu)建評估問題、確立評估指導(dǎo)原則和戰(zhàn)場要素要求，通過在仿真過程中引入攝動條件，進(jìn)行大樣本對抗仿真，抽取仿真大數(shù)據(jù)，從大數(shù)據(jù)分析中尋找對戰(zhàn)場對抗走向起到關(guān)鍵作用的特征指標(biāo)，與傳統(tǒng)純?nèi)斯?gòu)建的指標(biāo)體系共同進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合、面向問題的智能化評估指標(biāo)體系構(gòu)建。指標(biāo)體系智能構(gòu)建過程如圖2所示。

面向復(fù)雜性的評估指標(biāo)體系智能構(gòu)建技術(shù)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標(biāo)及計算方法，從作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)評估和特定目標(biāo)場景下的體系作戰(zhàn)能力分析兩方面對體系效能進(jìn)行評估，對武器裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以滿足未來作戰(zhàn)需求。

圖2 面向體系復(fù)雜性的指標(biāo)體系智能構(gòu)建過程框圖

2.2 基于時序的作戰(zhàn)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分析

傳統(tǒng)評估方式僅僅統(tǒng)計分析各類作戰(zhàn)效果信息，丟失了大量的時序邏輯[4]。基于時序的作戰(zhàn)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分析方法保留了體系交戰(zhàn)過程中的任務(wù)時序信息，通過利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析能力，可建立不同任務(wù)間及任務(wù)內(nèi)部不同階段的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成完整的任務(wù)依賴關(guān)系和支撐關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，將靜態(tài)的裝備體系結(jié)構(gòu)拓?fù)滢D(zhuǎn)換為動態(tài)的任務(wù)支撐關(guān)系，凸顯裝備體系結(jié)構(gòu)對任務(wù)能力生成的重要影響[4]。基于時序的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析評估方法如圖3所示。

圖3 基于時序的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析評估方法示意圖

2.3 基于大數(shù)據(jù)的體系評估視圖構(gòu)建

從仿真大數(shù)據(jù)恢復(fù)對抗中可能出現(xiàn)的體系協(xié)同與對抗關(guān)系，并將各類對抗關(guān)系進(jìn)行整合，按照多任務(wù)對抗仿真的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行展現(xiàn)[5]。提供對抗過程中體系對抗關(guān)系、單項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)內(nèi)作戰(zhàn)關(guān)系的圖形化分析能力。同時，支持將不同樣本的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過統(tǒng)一的可視化分析，實(shí)現(xiàn)不同樣本下的統(tǒng)計特征提取，實(shí)現(xiàn)基于人機(jī)交互的對抗特征提取[6-7]。體系評估視圖構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 體系評估視圖構(gòu)建流程框圖

傳統(tǒng)評估指標(biāo)構(gòu)建與評估方式下，重點(diǎn)關(guān)注對抗最終效果的分析。大數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)方法，提供了在對抗模式、關(guān)聯(lián)關(guān)系分析的新可能[8]。基于大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的評估技術(shù)在傳統(tǒng)指標(biāo)評估基礎(chǔ)上，利用時序任務(wù)數(shù)據(jù)、態(tài)勢數(shù)據(jù)及對抗過程數(shù)據(jù)，收集傳統(tǒng)作戰(zhàn)效果統(tǒng)計外的對抗過程信息，實(shí)現(xiàn)對態(tài)勢演化過程、任務(wù)依賴關(guān)系的動態(tài)把握。態(tài)勢演進(jìn)過程中，通過基于徑向基的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對態(tài)勢數(shù)據(jù)的動態(tài)挖掘。提取典型對抗模式信息。將傳統(tǒng)的連續(xù)對抗過程提煉為不同對抗模式間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對抗過程的定量把握，驗(yàn)證裝備體系改變對對抗模式產(chǎn)生的沖擊影響。

2.4 裝備貢獻(xiàn)率多維度評估分析

裝備貢獻(xiàn)率多維度評估分析技術(shù)將裝備置身于近似真實(shí)的作戰(zhàn)條件下，根據(jù)裝備承擔(dān)的作戰(zhàn)任務(wù)，充分考慮裝備使用中的真實(shí)作戰(zhàn)對手及作戰(zhàn)環(huán)境，評估該裝備對作戰(zhàn)體系效能提升的貢獻(xiàn)程度。可從任務(wù)、能力、結(jié)構(gòu)、演化4個維度來探討體系貢獻(xiàn)度的內(nèi)涵和分類，構(gòu)建裝備貢獻(xiàn)率多維度評估分析方法[9]。裝備體系貢獻(xiàn)度評估總體如圖5所示。

圖5 裝備體系貢獻(xiàn)度評估總體框圖

任務(wù)貢獻(xiàn)度指作戰(zhàn)體系滿足任務(wù)需求的程度。從效能提升度角度來講，任務(wù)貢獻(xiàn)度指包含該武器裝備的作戰(zhàn)體系任務(wù)完成程度的變化量或變化率。

能力貢獻(xiàn)度一般分為火力打擊能力、信息支援能力、指揮控制能力、機(jī)動能力、綜合防護(hù)能力、作戰(zhàn)保障能力。從滿足作戰(zhàn)需求角度，能力貢獻(xiàn)度指作戰(zhàn)體系滿足能力需求的程度，能力需求指作戰(zhàn)體系為完成使命任務(wù)時應(yīng)達(dá)到的總體能力目標(biāo)；從效能提升度的角度，能力貢獻(xiàn)度是指作戰(zhàn)體系能力的變化量或變化率。

結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度是指作戰(zhàn)體系在編成編組、信息連通、作戰(zhàn)協(xié)同、結(jié)構(gòu)特性等滿足需求的程度。從效能提升度的角度來講，結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度指作戰(zhàn)體系功能結(jié)構(gòu)和信息結(jié)構(gòu)效能帶來的的變化量或變化率。

演化貢獻(xiàn)度從實(shí)戰(zhàn)的動態(tài)變化角度，反映體系內(nèi)作戰(zhàn)對手、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的影響和涌現(xiàn)效應(yīng)。從需求滿足的角度來講，演化貢獻(xiàn)度指作戰(zhàn)體系的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、功能、行為等在體系對抗過程中隨時間滿足需求的程度；從效能提升角度來講，演化貢獻(xiàn)度指作戰(zhàn)體系在協(xié)同打擊能力、協(xié)同偵察能力、協(xié)同保障能力方面的變化量或變化率。

3 結(jié)論

戰(zhàn)爭是復(fù)雜巨系統(tǒng)體系之間的激烈對抗。當(dāng)前作戰(zhàn)評估方法普遍對作戰(zhàn)要素的體系性、關(guān)聯(lián)性和作戰(zhàn)過程的對抗性、動態(tài)性、隨機(jī)性考慮不足，評估方法的可信度和科學(xué)性急需提高。本研究從大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)角度，基于作戰(zhàn)仿真推演數(shù)據(jù)，提出了一套智能作戰(zhàn)評估方法和評估框架。通過構(gòu)建作戰(zhàn)體系、交戰(zhàn)任務(wù)、指控流程、裝備能力等不同層次、不同維度的評估視圖，實(shí)現(xiàn)對抗過程核心評估指標(biāo)體系的智能構(gòu)建。通過挖掘評估指標(biāo)體系的相互關(guān)系與時序?qū)惯壿嫞瑢?shí)現(xiàn)基于動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)評估。通過分析時序任務(wù)數(shù)據(jù)、態(tài)勢數(shù)據(jù)及過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對作戰(zhàn)演化過程、對抗關(guān)系、對抗策略、對抗效果等的動態(tài)評估。在以上評估基礎(chǔ)上，針對具體裝備，提出任務(wù)、能力、結(jié)構(gòu)、演化四個維度的體系貢獻(xiàn)率分析方法，支持裝備體系與能力的改進(jìn)優(yōu)化。

將大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到作戰(zhàn)評估中，滿足了戰(zhàn)爭作為復(fù)雜巨系統(tǒng)的體系性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性和對抗性要求，提高作戰(zhàn)評估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。未來需對評估指標(biāo)智能構(gòu)建、作戰(zhàn)任務(wù)動態(tài)分析、多維度評估分析等關(guān)鍵技術(shù)中的分析模型和實(shí)現(xiàn)方法開展深入研究。