智能哨所設(shè)防效能評價研究

張洪江，宋嬌艷，楊峻一

（西南計算機有限責(zé)任公司，重慶 400060）

0 引言

近年來國家高度重視邊海防安全建設(shè)與維護問題，針對邊海防管控手段落后、視頻回傳實時性差、供電不穩(wěn)定、低空小目標(biāo)偵察精度低、信息處理能力弱、體系化防控效能低等問題[1]，迫切需要以邊海防戰(zhàn)備執(zhí)勤與執(zhí)法監(jiān)管需求為牽引，建立智能化聯(lián)防聯(lián)控機制。隨著智能哨所分批建成啟用，在通訊手段、設(shè)備配置、設(shè)防能力等方面均發(fā)生了較大改變，通過發(fā)展無人化、智能化軍事設(shè)施[2]，提高了邊境監(jiān)控效率及處置能力。

隨著邊海防智能哨所逐步啟用，設(shè)防鏈信息化戰(zhàn)爭中的邊境戰(zhàn)場信息量爆炸式增加，對設(shè)防效能評價提出了更高要求，但目前還缺乏相關(guān)評價模型對設(shè)防效能進行優(yōu)化迭代，任務(wù)執(zhí)行過程的動態(tài)評估仍存在不足。本文通過建立設(shè)防鏈評價指標(biāo)體系，運用體系貢獻率評價智能哨所的設(shè)防能力，采用對弈樹搜索算法，動態(tài)推演可能的作戰(zhàn)結(jié)果，以此選定最優(yōu)作戰(zhàn)策略，提升邊境聯(lián)防聯(lián)控能力。

1 研究現(xiàn)狀

隨著我國改革開放進程的不斷深入，出入境人流量不斷上升，邊境安全問題日益突出，但邊防哨所執(zhí)勤手段落后，聯(lián)絡(luò)不暢，設(shè)備匱乏。為提升邊境管控能力，在各種復(fù)雜環(huán)境下均建立了大量邊防哨所，部分哨所安裝了電子哨兵管理系統(tǒng)或紅外掃描視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過光纖防越系統(tǒng)、車載數(shù)據(jù)傳輸平臺、槍支離位報警系統(tǒng)等實現(xiàn)了情報信息聯(lián)網(wǎng)；云存儲、大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于邊海防建設(shè)[3]，提高了哨所的執(zhí)勤效率、安全性及監(jiān)控范圍。在作戰(zhàn)效能方面，目前已有較多針對效能評估模型及方法的研究[4]，有研究者通過開展“作戰(zhàn)效能評估研究的可視化分析”[6]，發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域研究熱點是層次分析法、指標(biāo)體系、裝備體系、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)環(huán)境等[7]。

國外在邊防哨所建設(shè)方面，有新聞報道美軍在本土及敘利亞戰(zhàn)場等地設(shè)置了鷹堡遙控機槍哨所，該哨所采用模塊化設(shè)計，能短時完成哨所搭建，配有熱成像傳感器，實現(xiàn)哨所全向監(jiān)控。文獻Fast RCNN[8]、RFCN[9]等，針對監(jiān)控候選區(qū)域目標(biāo)檢測算法的研究中，采用選擇性搜索算法（Selective Search[10]）或卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成可能的目標(biāo)候選區(qū)域，并進行分類，通過邊框回歸算法對坐標(biāo)進行修正，從而完成對邊境搜索目標(biāo)的識別分析。

目前，國內(nèi)外在哨所建設(shè)方面均取得了相應(yīng)成果，在效能評估、目標(biāo)識別等方面，已開展了相應(yīng)研究，但哨所設(shè)防效能評價的相關(guān)研究較少。

2 研究內(nèi)容

為發(fā)揮智能哨所最大效能，本文重點研究以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的智能哨所設(shè)防鏈效能評價問題。①體系貢獻率研究[11]：采用體系貢獻率進行設(shè)防鏈效能評價，建立以偵察感知能力、指揮控制能力、武力拒止能力、運維保障能力為主的四層指標(biāo)體系；②基于動態(tài)對弈的設(shè)防鏈評價：基于對弈論的方法與理念開展設(shè)防效能的預(yù)測，采用對弈樹搜索算法，評估指揮決策中可能的走步，從所有可能中找出最有利于己方的決策方法。

3 設(shè)防鏈效能評價

3.1 體系貢獻率研究

3.1.1 建立評價指標(biāo)體系

采用體系貢獻率對設(shè)防鏈效能進行評價。體系貢獻率是指特定裝備或裝備組合加入現(xiàn)有體系后，對特定任務(wù)裝備體系能力以及特定任務(wù)完成好壞程度的一種度量。在體系分析和貢獻率研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合《全軍裝備體系能力框架V1.0》，構(gòu)建“基于裝備體系能力”和“基于聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)”、利用作戰(zhàn)想定和對抗場景開展分析的貢獻率評價總體架構(gòu)，稱為“體系能力-作戰(zhàn)任務(wù)”二維分析架構(gòu)。為科學(xué)、準(zhǔn)確地度量各型裝備在設(shè)防鏈運轉(zhuǎn)、能力生成中的作用和貢獻率，本文體系貢獻率分析評價方法參照上述二維分析架構(gòu)進行評價，采用“精準(zhǔn)評價五步法”進行分析。

（1）使命任務(wù)分析，對照《全軍聯(lián)合通用任務(wù)清單》，確立建設(shè)項目典型作戰(zhàn)任務(wù)，重點是主要的典型作戰(zhàn)任務(wù)。

（2）能力指標(biāo)梳理，對照《全軍裝備體系能力框架》，明確智能哨所的能力項、指標(biāo)項，重點是核心關(guān)鍵的具體能力指標(biāo)。

（3）對抗場景設(shè)置，結(jié)合智能哨所可能的典型應(yīng)用場景、戰(zhàn)場環(huán)境、對抗樣式等，搭建可進行體系對抗的作戰(zhàn)體系。

（4）評價矩陣確立，將典型的作戰(zhàn)任務(wù)與核心關(guān)鍵的具體能力指標(biāo)關(guān)聯(lián)起來，建立評估評價指標(biāo)體系。

（5）定性定量分析，綜合運用定性與定量結(jié)合的分析方法，對智能哨所能力提升、作戰(zhàn)任務(wù)完成效能進行分析計算，形成智能哨所體系貢獻率評價結(jié)論。

為形成對智能哨所裝備體系能力評價的“全景視圖”，需要從多個方面對裝備能夠達到的能力進行度量和描述，建立“偵-指-拒-保”為主的智能哨所效能評價指標(biāo)體系（見圖1）。

圖1 智能哨所效能評價指標(biāo)體系

（1）偵察感知能力，指智能哨所上裝平臺以及偵察探測裝備所形成的能力。

（2）指揮控制能力，根據(jù)邊海防作戰(zhàn)方案計劃、戰(zhàn)場實時情況以及突發(fā)事件等，將指揮、通信、控制、協(xié)同效能信息，轉(zhuǎn)化為對設(shè)防行動進行實時掌握的能力。

（3）武力拒止能力，指對智能哨所聲、光、電、失能拒止武器單元以及有人協(xié)同實施網(wǎng)絡(luò)化控制的能力。

（4）運維保障能力，綜合判斷智能哨所具備供電手段、儲能能力、維護周期、應(yīng)急手段、維修便利性的加權(quán)效能。

3.1.2 體系能力評估

基于對智能哨所效能評價指標(biāo)體系建設(shè)能力的評估需求，建立“作戰(zhàn)任務(wù)-體系能力”評估矩陣。目前，處理此類問題使用層次分析法較多，通過建立判斷矩陣、層次單排序、一致性檢驗、層次總排序等處理，最終確定各分指標(biāo)的權(quán)重，得到相對于最終評價目標(biāo)的重要性排序[12]。該方法的算法實現(xiàn)非常成熟，以信息系統(tǒng)裝備為例，在計算其能力體系覆蓋率A1時，主要有以下步驟[13]：

（1）利用層次分析法計算得到設(shè)防效能覆蓋率、武器控制能力覆蓋率、協(xié)同控制能力覆蓋率3個分項體系貢獻率的歸一化權(quán)重（設(shè)為[a1，a2，a3]），這組權(quán)重對所有信息系統(tǒng)裝備評估時均一致。

（2）對各分項體系貢獻率，如設(shè)防效能覆蓋，利用層次分析法計算得到行動類型覆蓋率、行動狀態(tài)掌控度、指令時延及時性3個子目標(biāo)的歸一化權(quán)重 （設(shè)為[α11，α12，α13]），這組權(quán)重對所有裝備評估時均一致。

（3）對設(shè)防類型覆蓋率、設(shè)防狀態(tài)掌控度、指令時延及時性3個指標(biāo)值分別為[X1，X2，X3]的信息系統(tǒng)裝備，通過去量綱化處理：

（4）待評估裝備的歸一化能力指標(biāo)[C1，C2，C3]，采用線性加權(quán)（歸一化權(quán)與去量綱值的乘積和），得到待評估信息系統(tǒng)裝備的各分項能力的體系貢獻率，如設(shè)防效能覆蓋率為：

B1=∑α1iCi

以及待評估信息系統(tǒng)裝備的能力體系覆蓋率為：

A1=∑αiBi

（5）以某個待評估信息系統(tǒng)裝備為基準(zhǔn)（AF），計算其它同類型裝備（AK）相比該裝備的體系能力貢獻率大小，即：

（AK-AF）/AF×100%

通過以上流程，可得到智能哨所裝備各項體系貢獻率評估指標(biāo)，并可進一步綜合后得到用于描述整個裝備體系貢獻率的指標(biāo)。由于同類型裝備在能力指標(biāo)上的差異性，每一層級都會形成可用于裝備之間對比的體系貢獻率指標(biāo)。綜合運用仿真、解析等多種分析評估評價方法，對各種場景下的哨所效能指標(biāo)進行分析計算，得到不同任務(wù)場景下的評價指數(shù)，通過智能哨所設(shè)防鏈效能評價仿真軟件，完成對哨所裝備體系貢獻率的研究。

3.2 動態(tài)對弈的設(shè)防評價

基于智能哨所任務(wù)復(fù)雜性與裝備能力多樣性的特點，以無人車作戰(zhàn)行動為例，結(jié)合任務(wù)決策、規(guī)劃應(yīng)用需求，運用交戰(zhàn)動態(tài)博弈的思想，基于無人戰(zhàn)車作戰(zhàn)行動模型、地面突擊移動與毀傷模型等，采用影響力圖模型（Influence Map）[14]，以智能哨所位置為中心，根據(jù)裝備突破能力、偵察能力在其攻防覆蓋范圍、偵察范圍內(nèi)向四周擴散其影響力，形成無人車作戰(zhàn)態(tài)勢中敵我雙方在地圖上的空間分布。同時利用博弈論方法從時間維度進行敵方策略預(yù)測與我方行動計劃評估，預(yù)測敵方動態(tài)與戰(zhàn)場態(tài)勢。

3.2.1 動態(tài)預(yù)測評估

基于敵我作戰(zhàn)動態(tài)對弈的思想，聯(lián)合空間、時間維度對敵方作戰(zhàn)行動開展動態(tài)預(yù)測與計劃評估。空間維度基于影響力圖構(gòu)建敵我空間分布模型，分析獲取敵我力量對比的優(yōu)勢區(qū)域、緊張區(qū)域、薄弱區(qū)域等柵格對比數(shù)據(jù)，形成敵我雙方力量在地圖上的空間分布。時間維度上基于臨機規(guī)劃動態(tài)對抗的思想創(chuàng)建對抗模型，推斷每種對弈狀態(tài)下敵可能行動策略與行動后達到的新狀態(tài)，通過多步敵方策略預(yù)測結(jié)果的擇優(yōu)比對，實現(xiàn)敵最大可能行動策略預(yù)測，將復(fù)雜作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)隨著時間的演化建模為復(fù)雜動態(tài)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)序列，基于演化規(guī)則對智能哨所任務(wù)需求設(shè)計，構(gòu)建作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)演化模型，通過分析其時序特性與有向圖動態(tài)變化信息，實現(xiàn)智能哨所設(shè)防鏈效能評價。

3.2.2 對弈樹搜索

邊海防戰(zhàn)場的敵我“滲透-拒止”對抗是明顯的對弈過程。針對智能哨所執(zhí)勤任務(wù)，決策是一個不斷考慮對方可能的策略以及環(huán)境信息的改變，進行比較、分析、判斷，不斷做出策略選擇的連續(xù)過程。本研究采用對弈論的方法與理念開展設(shè)防鏈效能的預(yù)測評估。對弈樹搜索是對弈程序中的重要方法，通過搜索對弈樹對弈程序可以知道每一種對弈狀態(tài)下可選的走步及每種走步會到達的新的對弈狀態(tài)。一棵完整的對弈樹包含了整個對弈過程中可能出現(xiàn)的所有情況，對弈樹的葉子節(jié)點值代表了收益。對弈樹搜索算法的目的是在評估每種可能的走步，從所有可選走步中找出對自己最有利的走步，見圖2。

圖2 快速走子與對弈過程的設(shè)防判斷

具體應(yīng)用過程：根據(jù)每個行動的執(zhí)行時間，得出雙方的策略集。經(jīng)計算，我方共有X種防御策略，敵方共有Y種進攻策略。

（1）根據(jù)影響參數(shù)和效用函數(shù)求出我方的贏得矩陣。

（2）對解的分析。對弈模型的解分為兩種：純策略解和混合策略的均衡解。當(dāng)解為純策略解時，如果雙方的指揮決策是理性的，那么他們必然選擇對應(yīng)的策略。如果是混合策略的均衡解，則需要判斷對手的決策行為，并以一定的概率選擇對策。作戰(zhàn)中，計劃方案可以有多個，但真正執(zhí)行的方案卻只有一個，那么在混合策略的情況下，如何做出正確的決策，則跟參與者自身的能力、背景等因素以及對手的特點有關(guān)。經(jīng)過多步敵方策略預(yù)測和我方行動計劃評估，求得多步后的最佳勝負(fù)判斷，作為任務(wù)高級設(shè)防評估信息。

4 結(jié)論

本研究通過初步建立智能哨所效能評價指標(biāo)體系，采用體系貢獻率對邊海防智能哨所設(shè)防鏈效能進行評價；基于動態(tài)對弈過程中高度不確定性的信息，提出對弈樹搜索算法，針對威脅能迅速、準(zhǔn)確地評估識別。通過本研究能夠為智能哨所設(shè)防效能的評估提供參考方法，為智能哨所提供動態(tài)威脅評估方法。