基于反饋機制的武器裝備體系作戰能力聚合方法

何新華，王 瓊，郭齊勝，畢學軍

(1.裝甲兵工程學院信息工程系，北京100072;2.裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系，北京100072)

信息化戰爭強調體系與體系之間的對抗。體系又稱為“系統的系統”，是能夠得到進一步涌現性質的關聯或聯結的獨立系統的集合［1］。武器裝備體系是在一定的戰略指導、作戰指揮和保障條件下，為完成一定的作戰任務，由功能上互相聯系、互相作用的各類武器裝備系統組成的更高層次的系統［2］。武器裝備體系作戰能力聚合的相關研究工作，對未來武器裝備體系的發展、規劃、研制和綜合運用具有舉足輕重的作用，是軍事研究領域的熱點之一。

目前對體系作戰能力的研究大多是以“平臺”或“系統”為中心進行作戰能力分析，忽略了體系內各組分之間“多網聯動”，以及在其支撐下的“多域鉸鏈”所帶來的“相互影響”和“級聯效果”。多個“平臺”或“系統”作戰能力的線性疊加無法體現體系作戰能力的整體涌現性，作戰能力聚合無法反映體系作戰能力要素的非線性特性。

筆者首先對武器裝備體系作戰能力聚合的特性進行分析，在此基礎上將反饋的概念引入到體系作戰能力聚合中，對能力指標之間的反饋機制進行研究，提出一種基于反饋機制的武器裝備體系作戰能力聚合方法，并進行了算例分析和驗證。

1 體系作戰能力聚合

1.1 體系作戰能力聚合的特性

武器裝備體系的作戰能力是指武器裝備體系為執行一定作戰任務所需的“本領”或“潛力”，是武器裝備體系的固有屬性，由體系的質量特性、數量、作戰運用方式等決定［3］。

武器裝備體系不同于一般的武器裝備系統，體系的整體涌現性和非線性特性決定了傳統武器裝備系統作戰能力聚合的一般方法無法適用于體系作戰能力聚合，具體表現如下。

1)武器裝備體系具有單一武器系統所不具備的整體涌現性，這就意味著體系作戰能力不是各武器裝備、系統作戰能力的簡單疊加，而是綜合考慮系統與系統之間的相互關系和互相作用形成的整體作戰能力。一般而言，通用武器裝備體系的作戰能力可由情報偵察能力、防護能力、機動能力、指揮控制能力、火力打擊能力和保障能力構成，如情報偵察能力對火力打擊能力具有影響作用，防護能力與火力打擊能力之間相互影響、相互作用等。

2)體系作戰能力要素間的非線性關系，是指作戰能力各要素的地位和作用具有非均衡性，并相互作用和制約，它們之間不是簡單的加和乘的關系，而是存在著正反饋的倍增效應和負反饋的飽和效應的關系。如大數量的劣質裝備的作戰能力存在著負反饋的飽和效應，因而在整體作戰能力上反而弱于少量的優質裝備。

1.2 體系作戰能力聚合的研究現狀

目前對武器裝備體系作戰能力的聚合，大多采用構建指標體系的方法，通過層次性的指標體系，反映體系整體作戰能力與各系統作戰能力之間、上層作戰能力與下層作戰能力之間的關系，一般采用加權和或加權積模型。傳統的作戰能力聚合方法忽略了系統與系統之間的“相互影響”和“級聯效果”，無法體現整體涌現性和作戰能力要素的非線性特性，存在一定的片面性。

相關領域的研究學者和專家們對武器裝備體系的作戰能力進行了廣泛的研究，但大多是針對武器裝備體系的某一方面進行研究，如對武器裝備體系結構的研究［4］、對武器裝備體系連通性的評估研究［5］等，而對武器裝備體系演化機理及整體涌現性的研究尚少。

鄭建華等［6］采用協同系數來反映海軍武器裝備體系的對潛能力、對艦能力、對空能力和對岸能力之間的相互影響。羅鵬程等［3］將折合系數引入到體系作戰能力聚合模型中，用以解決大量劣質裝備的作戰能力指數高于較少量優質裝備作戰能力指數的不合理情況。

筆者將反饋的概念引入到體系作戰能力聚合中，對能力指標間的反饋機制進行研究，致力于解決體系作戰能力聚合無法反映體系整體涌現性和作戰能力要素非線性特性的問題，從而提出一種武器裝備體系作戰能力聚合的新方法。

2 能力指標間的反饋機制

反饋，原為控制論的基本概念，指將系統的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進而影響系統功能。筆者將反饋的概念引入能力指標之間，用以表征指標與指標之間的相互影響、相互作用，從而建立能力指標間的反饋機制。

以情報偵察能力和火力打擊能力為例，情報偵察能力對火力打擊能力具有影響作用，如圖1所示。

圖1 能力指標間的反饋機制

因此，基于能力指標間的反饋機制，火力打擊能力可表示為

式中:Δt=f(C1)，為反饋量，表征能力C1對能力C2的影響程度。

2.1 基于閥值的反饋機制

在控制論的反饋原理中，存在正反饋和負反饋，正反饋對輸入具有增強作用，負反饋對輸入具有衰減作用。仍以情報偵察能力和火力打擊能力為例，優越的情報偵察能力對精確火力打擊能力具有極大的促進的作用，倘若情報偵察能力達不到要求，不僅對火力打擊能力毫無幫助，反而會影響火力打擊能力的發揮。因此，在反饋機制中引入閥值的概念，當輸入超過閥值時，將對所關聯的能力指標具有正反饋的倍增作用，而當輸入低于閥值時，將對所關聯的能力指標具有負反饋的削弱作用。

以式(1)為基礎，基于閥值的反饋機制將火力打擊能力表示為

2.2 多能力指標間的反饋機制

在武器裝備體系的能力指標體系中，能力指標之間存在著錯綜復雜的關系，某一個能力指標可能同時關聯著多個指標，能力指標在反饋作用于其他能力指標的同時，也接受來自其他能力指標的反饋。由簡單到復雜，能力指標間的反饋主要可分為以下3種。

1)單向反饋。僅存在能力指標C1對能力指標C2的影響(如圖1)。

2)反饋閉環。能力指標C1和能力指標C2相互影響、相互作用，如圖2所示。如防護能力和火力打擊能力之間互為依存，好的防護能力有利于火力打擊能力的發揮，而好的火力打擊能力則有助于防護和生存。

圖2 反饋閉環

3)復雜反饋網絡。多個能力指標間存在著多個單向反饋和反饋閉環時，多個能力指標和它們之間的反饋弧便連接成一個復雜的反饋網絡，如圖3所示。

圖3 復雜反饋網絡

反饋閉環和復雜反饋網絡由于存在著從輸入到輸出、再從輸出到輸入的閉合回路，因而是一個不斷反饋、逐步趨于穩定的過程;反饋閉環和復雜反饋網絡依賴于反復的迭代計算，以求得達到穩態后各項能力指標的數值。

3 基于反饋機制的聚合方法

3.1 總體框架

針對武器裝備體系的整體涌現性和作戰能力要素的非線性特性，筆者將控制論中的反饋概念引入到體系作戰能力聚合，提出一種基于反饋機制的聚合方法，其總體思想如下:1)從武器裝備體系的能力需求出發，構建層次性的指標體系;2)根據武器裝備體系的作戰任務、作戰效果和作戰運用方式，在同層次的指標體系間建立相互關系的反饋網絡;3)獲取底層指標并進行量化歸一化處理;4)對每一層次的能力指標及其反饋網絡進行迭代計算，直至該層能力指標值趨于穩定;5)對作戰能力逐層聚合，最終獲得武器裝備體系的整體作戰能力。圖4顯示了多層次的能力指標體系形成的復雜反饋網絡。

圖4 多層次能力指標體系形成的復雜反饋網絡

3.2 主要流程及算法

基于反饋機制的聚合方法是以指標體系評估方法為基礎，引入指標間的反饋機制所衍生出的新的體系作戰能力聚合方法，對方法的主要流程描述如下。

3.2.1 構建指標體系

構建科學、合理的指標體系是實施體系作戰能力聚合的前提。目前構建指標體系的方法很多，常見的有基于任務分析、基于能力需求和基于軍事價值等的構建方法。這部分內容不是本文工作的重點，可從武器裝備體系的作戰能力需求出發，對作戰能力逐層分解，從而建立層次性的指標體系。

3.2.2 分析指標間相互關系，建立反饋網絡

傳統的指標間相互關系主要指“或”關系和“與”關系:前者描述加權和模型，指下層作戰能力指標以不同的權重合作聚合到上層作戰能力指標;后者描述加權積模型，對于上層作戰能力而言，每個下層作戰能力指標的權重雖然不同，但都是不可缺少的，只要某個下層作戰能力指標為零，都將導致上層作戰能力指標為零。

筆者在同層次的能力指標間引入反饋機制，構建指標與指標間的反饋弧，從而形成復雜的反饋網絡，如圖4所示。建立反饋網絡的關鍵包括以下3個方面。1)分析能力指標間的相互關系。構建反饋弧，可從作戰需求的角度或從能力指標間相互依賴關系著手。2)反饋閥值的確定。反饋閥值直接關系到正負反饋的臨界點，也是能力指標值優劣的邊界值，可從以往的相關數據中分析提煉。3)反饋量的確定。反饋量直接反映能力指標間的關聯程度，一定程度上體現武器裝備體系結構效應和信息力對體系作戰能力的倍增作用，在這里由專家經驗給出。

3.2.3 底層指標量化，指標權重計算

底層指標是對武器裝備體系各種能力屬性的描述。底層指標的量化包括底層指標獲取和歸一化處理。由于各種能力屬性的描述大多是定性的，因此不易給出具體、嚴謹的量化標準，可根據指標描述對象的不同，分別采用定量方法、定量定性相結合方法和專家經驗法給出。

指標權重計算，通常采用層次分析法，即將復雜的指標系統簡化為以元素為代表的有序的層次結構，用構造判斷矩陣的方法，把專家的經驗判斷與數學運算結合起來，確定指標的權重。此外也可采用網絡分析法、最大方差法、環比系數法等。

3.2.4 反饋網絡迭代計算，逐層聚合作戰能力

復雜的反饋網絡由于存在從輸入到輸出、再從輸出到輸入的閉環反饋，故而反饋網絡的實際輸出是一個不斷變化的迭代計算過程;當整個網絡的變化量小于某個預設的極小值時，認為網絡趨于穩定，此時的輸出即為系統的輸出。假設某層次能力指標構成反饋網絡，第i個能力指標表示為Ci(i=1，2，…，n)，其初始值Ci0由下層能力指標聚合得到，上次迭代計算得到的值為Cilast，預設極小值為ε，反饋網絡迭代計算的算法描述如下。

基于反饋機制的體系作戰能力聚合方法是逐層聚合的過程，步驟如下:

1)首先獲取底層指標值，并進行量化歸一化處理，得到底層能力指標的初始值;

2)根據指標間的相互關系，進行反饋的迭代計算，得到該層能力指標的最終值;

3)通過加權和或加權積模型聚合得到上層能力指標值，并以此作為該層能力指標的初始值;

4)重復2)、3)，直到獲得體系的整體作戰能力值，輸出最終結果。

4 算例分析

本文以某偵察情報裝備體系為例，對提出的體系作戰能力聚合方法進行分析和驗證。該偵察情報裝備體系的作戰能力包括偵察指揮控制能力、偵察監視和目標捕獲能力、偵察預警探測能力、情報傳輸能力、情報綜合處理能力和情報分發應用能力，通過對作戰能力逐層分解，得到該偵察情報裝備體系的作戰能力指標體系，部分作戰能力指標如圖5所示。

圖5 某偵察情報裝備體系部分作戰能力指標

通過分析能力指標間的關系，構建能力指標的反饋網絡，部分指標間反饋網絡如圖6所示。

圖6 某偵察情報裝備體系部分指標反饋網絡

筆者僅考慮第1層作戰能力指標間的反饋關系，底層指標量化采用10分制，根據層次分析法確定各能力指標權重，如表1所示。分別采用以下方法對該偵察情報裝備體系進行作戰能力聚合:

表1 各項能力權重

1)采用傳統的指標體系評估方法(層次分析法);

2)采用本文提出的基于反饋機制的聚合方法，設定迭代預設極小值為0.001，反饋閥值為5.0，反饋量為10%。

得到的結果數據如表2所示。

表2 結果數據比較

經過武器裝備需求認證和多次模擬對抗演練，該偵察情報裝備體系作戰能力被專家評定為9.0。采用傳統的作戰能力聚合方法，由于忽略了能力指標間的相互作用，缺少對作戰能力非線性要素的考慮，評估結果為8.486，而筆者提出的聚合方法評定結果為8.990，更加貼切實際。

5 結論

筆者將反饋的概念引入作戰能力聚合，對能力指標間的反饋機制進行研究，提出了一種基于反饋機制的武器裝備體系作戰能力聚合方法。以某偵察情報裝備體系為例，對該方法進行分析和驗證。算例分析結果表明:筆者提出的方法基本能夠反映體系內各組分之間的“相互影響”和“級聯效果”，體現了體系整體涌現性和作戰能力要素的非線性特性，具有一定的有效性。下一步工作將對構建跨層次能力指標間的復雜反饋網絡進行研究，進一步完善武器裝備體系作戰能力聚合方法。

［1］ 胡曉峰，楊鏡宇，司光亞，等.戰爭復雜系統仿真分析與實驗［M］.北京:國防大學出版社，2008:69-71.

［2］ 牛新光.武器裝備建設的國防系統分析［M］.北京:國防工業出版社，2007:32.

［3］ 羅鵬程，傅攀峰，周經倫.武器裝備體系作戰能力評估框架［J］.系統工程與電子技術，2005，27(1):72-75.

［4］ 卜廣志.武器裝備體系的體系結構與體系效能［J］.系統工程與電子技術，2006，28(10):1544-1548.

［5］ 張會，羅鵬程，趙炤.基于關聯矩陣的武器裝備體系連通性評估［J］.電光與控制，2009，16(2):88-90.

［6］ 鄭建華，黎放，狄鵬，等.海軍武器裝備體系作戰能力評估模型研究［J］.武漢理工大學學報:信息與管理工程版，2009，31(2):314-317.