工程侦察装备体系效能评估框架研究

工程侦察装备体系效能评估框架研究
李宏伟;刘建永;白景波
【摘要】A hierarchical index system corresponding to system performance,inherent capability,combat capability,operational adaptability and system of system(SoS) encounter is constructed based on the guidance model of effectiveness evaluation index system to evaluate the effectiveness of engineering reconnaissance equipment
bining with a simulation evaluation process,the evaluation content and support relationships of system single-item effectiveness,system effectiveness,operational effectiveness and SoS effectiveness are analyzed.Taking the reconnaissance of terrain engineering as an example,a hierarchical framework of effectiveness evaluation of engineering reconnaissance equipment systems for simulation evaluation is established.Application practice shows that the framework can effectively guide the simulation based evaluation of engineering reconnaissance equipment systems.%为评估工程侦察装备体系
的效能,基于效能评估指标体系指导模式,构建了与系统性能、固有能力、作战能力、作战适应性、体系对抗性对应的层次化指标体系.结合仿真评估过程,分析了单项效能、系统效能、作战效能、体系效能的评估内容和支撑关系.以地形工程侦察为例,
建立了面向仿真评估的层次化工程侦察装备体系效能评估框架.应用实践表明,该框
架可有效指导工程侦察装备体系效能的仿真评估.
【期刊名称】《南京理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(041)003
【总页数】8页(P350-356,370)
【关键词】工程侦察;装备;效能评估;仿真评估
【作者】李宏伟;刘建永;白景波
【作者单位】解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007;解放军理工大学
野战工程学院,江苏南京 210007;解放军理工大学野战工程学院,江苏南京210007
【正文语种】中文
【中图分类】E92
装备效能指在规定条件下达到规定使用目标的能力,包括单项效能、系统效能、作
战效能等[1]。

现代战争越来越体现出体系对抗的特征,装备体系作为“系统的系统”,是由多个系统按照结构组成的功能整体,其整体效能用体系效能描述[2]。

单项效能、系统效能、作战效能和体系效能构成了装备效能评估的不同层次[3]。

随着
高分辨率卫星遥感、机载激光雷达成像、大数据分析、自主深度学习、无人系统等技术的不断应用,联合作战背景下的工程侦察向大纵深、广区域、高精度、准实时、无人化发展,越来越依赖成体系的工程侦察装备。

进行工程侦察装备效能评估,可以
为工程侦察装备的需求论证和优化运用提供依据。

目前运用层次分析、主分量分析、效能评价等方法对激光、雷达等侦察装备或卫星、无人机等侦察平台进行效能评估的研究较多[4-8],而对成体系的工程侦察装备的效能评估研究不足。

本文以地形变
化工程侦察为例,通过分析工程侦察装备的效能指标体系和评估层次结构,提出了1
个包括单项效能、系统效能、作战效能和体系效能的层次化工程侦察装备效能评估
框架,为采用探索性仿真分析和数据耕耘等方法针对成体系的工程侦察装备进行效
能评估打下了基础。

体系是由系统组成的系统,武器装备体系最典型的特点是整体性和对抗性,必须在作
战环境中的对抗条件下才能正确地进行评估[9]。

联合作战背景下的工程侦察需要
兼顾空间上的广袤与精确、时间上的持续与快速,组合运用高分辨率遥感卫星、无
人侦察机、地面工程侦察车、便携式工程侦察器材、无人值守传感网络、信息传输与处理等多套系统,构成地形、地质、水文、水源等多种工程侦察体系,与敌伪装、
干扰等反制措施对抗,才能有效完成联合作战工程侦察任务。

战场地形变化包括地面形态变化、地面性质变化、边坡稳定性变化、地下空间结构变化、道路桥梁渡场变化、雷场与障碍变化等,可反映作战对手的行动和作战意图,
具有重大的军事价值,是工程侦察的重要内容之一。

地形变化工程侦察不仅要侦察
其变化类型和程度,还要分析其变化的潜在可能和未来趋势。

假设某国与我接壤的
边境地区正在隐蔽构筑阵地工程,我方需对该地区实施工程侦察,以确定其作战意图
和阵地部署情况。

由于平时不可能深入别国领土侦察,而现代战争越来越呈现联合
性和突然性的特点,待开战后再深入敌方实施工程侦察为时已晚。

这时就需要多军
兵种联合运用卫星、无人机、侦察车等多种装备实施地形变化工程侦察。

这些装备往往有着各自的优点和局限性,如高分辨率卫星侦察地域广阔,但精细度和时效性难
以兼顾;无人侦察机可以隐蔽抵近、精细侦察,但续航时间存在瓶颈;工程侦察车侦察手段全面,通信指控能力强大,可以靠近国境侦察或实施侦察支援,但机动性与隐蔽性不如小型无人机和卫星遥感;需要对各种侦察装备获取的最新地形数据与原有地形
数据进行大数据分析处理,装备自身的信息处理和数据挖掘能力可能难以达到要求,
需要后方专业信息处理系统支援;各种指控指令和侦察数据必须依托通信系统传输。

联合作战背景下在广阔的作战区域上实施持续、快速、精准的地形变化工程侦察,
就要从体系高度综合集成运用侦察感知、运载机动、指挥通信、数据处理等多种平
台和技术手段,与敌反侦察措施对抗。

多种侦察装备相互配合可能涌现出原有装备没有的侦察能力,如空中无人母平台投送微型无人机,利用卫星导航与通信获取的远程抵近隐蔽侦察能力。

多种侦察手段获取的大数据信息不仅可以相互印证还可以深入挖掘分析。

工程侦察装备的效能只有放在装备体系中,充分考虑其联合、集成、协同、涌现等体系特点,才能合理、有效地评估。

2.1 工程侦察装备的作战运用
工程侦察是1种特别的工程保障行动,规模小而意义大,侦察对象和内容差异明显,如针对地形的工程侦察装备与针对地下水源的工程侦察装备在原理和组成上就有很大区别。

但每种特定的工程侦察任务都需要特定的工程侦察装备体系支撑,装备在作战运用中的工作流程类似。

下文以地形变化工程侦察装备体系为例,分析其工作流程。

地形变化工程侦察的流程一般包括:派遣侦察力量实施机动,隐蔽突防,通过与原有地形资料进行对比,发现战场地形变化区域,识别变化类型,协同侦察力量定量侦测并传输侦测数据,进行数据处理,分析地形变化的具体情况。

完成侦察任务至少需要机动突防系统、侦察作业系统、信息传输系统、数据分析系统等部分协同工作,构成1个完整的地形变化工程侦察体系,见图1。

每一类系统的效能发挥都影响整个体系的最终侦察效果。

机动突防系统群可能包括卫星、飞机、无人机、一般军用车辆、工程侦察车、无人车、无人艇等,主要任务是将侦察器材安全输送至侦察位置,并为其提供侦察监视平台。

侦察作业系统群可能包括自动全站仪追踪测量、激光雷达成像、北斗实时动态测量定位、高分辨率遥感、合成孔径雷达干涉测量、近景摄影测量、地面传感网络等多种侦察技术系统。

网络传输系统群可能包括卫星通信、战术通信网、军用无线传感网等系统。

数据分析系统群可能包括各种地形变化分析算法模型库及其应用系统,如基于图像的分析系统、基于点云的分析系统等。

类似的,其它类型的工程侦装备体系(如地下水源侦
察)也可结合其任务使命分析其所在装备体系的组成与结构,在特定装备体系运用和对抗中考察其装备效能。

2.2 效能评估指标层次体系
评估指标的选择和量化,是装备效能评估的核心[1]。

武器装备的效能评估指标体系可按照“基于作战效果”、“基于固有能力”、“基于作战能力+作战适应性”、“基于系统/体系性能+作战效
果+作战能力”、“基于系统/体系性能+固有能力+作战能力+作战适应性”5种模式构建[10]。

工程侦察效能评估需要综合考虑系统性能、固有能力、作战能力、作战适应性、作战效果。

评估的最终目的是对不同的工程侦察装备体系方案排序、量化和配置优化。

评估成熟度等级期望为5级(优化级),使用第5种模式构建其指标体系更为合适。

考虑其体系对抗特征,可对第5种模式适当改进,建立“基于系统性能+固有能力+作战能力+作战适应性+体系对抗性”的指标体系。

如地形变化工程侦察装备体系,其效能的影响因素包括系统配置、组成结构、性能搭配、能力搭配、系统状态、作战任务、作战环境、体系协同、体系对抗、体系演化和体系涌现等。

通过对这些因素的分析,结合地形变化工程侦察任务剖面,可建立基于系统性能、固有能力、作战能力、作战适应性、体系对抗性的地形变化工程侦察装备效能评估指标体系,见表1和图2。

图2中未能对所有指标和所有因素全部列出。

该指标体系的层次结构关系与作战层次、评估层次和相关因素间有明确的对应关系,是地形变化工程侦察装备效能评估的基础。

传统的效能评估方法有专家评估法、解析法、作战模拟法等,新兴的效能评估方法有数据耕耘法、探索性分析法、支持向量机法等[11]。

基于探索性仿真和综合集成思想的综合集成仿真方法是对抗环境下体系效能评估的有效手段[12]。

工程侦察行动需要多个系统独立协作运行,体系特征明显,适合以探索性仿真分析为主,综合采用
多种方法进行装备体系效能评估。

下文以地形变化工程侦察装备体系为例,分析其
从系统性能到体系效能的分层仿真评估架构。

3.1 系统性能评估层
构成地形变化工程侦察体系的各个系统都有自己的性能参数。

如激光雷达侦测系统的侦测介质(Lmed)可能为空气、水,侦测速度(Lvelo)可以用单位时间侦察面积量化,侦测密度(Lden)可以用单位面积采样点数量量化,侦测距离(Ldis)可以用激光脉冲的最大有效测量距离量化,侦测精度(Laccu)可以用侦测得到的点坐标误差量化。

为规范采集过程和数据,应通过程序采集系统性能数据并用XML语言标准化描述采集数据。

可以将1个系统的不同性能构成1个集合
S={Lmed,Lvelo,Lden,Laccu,Ldis}
3.2 单项效能评估层
单项效能是在特定条件下运用武器装备时达到单一使用目标的程度[6]。

以某激光
雷达侦察作业系统为例,其单项效能包括发现揭露效能Efnd、变化检测效能Edtc、目标识别效能Ercg、定量侦测效能Esns等。

这些单项效能可以用同一激光雷达侦察作业系统在不同方面的固有能力描述。

如激光雷达侦察作业系统的Esns可描述为该系统在特定作战环境e下对特定区域r完成特定三维激光扫描作业Wsns的
概率函数
Esns=P(Wsns|S,e,r)
同样,也可以得到Efnd、Edtc、Ercg的概率函数模型。

特别应注意的是,Wsns、S、e、r都可能有多种状态,如Wsns可能包括高精度扫描、概略扫描、采样扫描等,S
与系统各种性能状态有关,e包括各种天气环境、电磁环境等,r可能是不同大小、形状、地形的区域。

Efnd、Edtc、Ercg、Esns等单项效能是与作战环境相关的动态概率函数模型,而不是某个定值。

现实问题通常比较复杂,存在大量逻辑关系,这些模型可能不易用数学解析模型全面表达,可以直接采用软件程序描述,存储在模型库中,
在系统仿真评估时调用。

3.3 系统效能评估层
系统效能是武器装备在特定条件下运用时满足特定任务的程度，美国工业界武器效能咨询委员会将其定义为有效性、可信性和能力的函数[6]。

有效性，有时也称为可用性，用系统初始处于各种可能状态的概率向量表示；可信性，用各种状态间转换的可能概率矩阵表示；能力，用系统在各种不同状态下完成特定任务的概率向量表示。

三者的乘积即为系统最终能够完成该任务的概率。

其中有效性和可信性矩阵可通过分析系统可靠性参数和系统状态得到，能力矩阵则可通过专家评估法和层次分析法得到[13]。

在地形变化工程侦察中,某侦察作业系统的系统效能评估应以该系统的发现揭露、变化检测、目标识别、定量侦测等单项效能评估为基础,可以用该系统在特定作战环境下完成特定作战行动的概率描述。

如在某特定作战环境e中,对某区域r进行激光雷达工程侦察行动Arcns,可以将该行动分解为发现揭露、差异检测、目标识别、定量侦测等工程作业,见图3。

由于该行动的4项作业存在明显的顺序关系,其综合效能可表述为4项作业单项效能的乘积
Efnd*Edtc*Ercg*Esns
本文对侦察行动及其具体作业内容的描述是经过高度简化的,真实的情况可能更为复杂,存在多层关系甚至非线性关系,需要用层次分析等方法综合各层次作业的单项效能,各项作业的权重可以用专家评估或仿真统计等方法得到。

但不管采取何种方法,都可以将其看作是单项效能到系统效能间的函数映射关系
F(Efnd,Edtc,Ercg,Esns)
该映射关系是系统效能的具体计算实现,从本质上看,则是在特定条件下完成该侦察行动的概率函数模型,即
Ercns=P(Arcns|F(Efnd,Edtc,Ercg,Esns), e,r)
3.4 作战效能评估层
作战效能是在规定的作战环境条件下运用装备系统执行规定的作战任务时所能达到预期目标的程度[1]。

在评估作战效能之前,单项效能和系统效能的评估都是针对系统本身进行的,其作战环境、作战任务都表现为对各种可能状态的概率估计。

在作战效能评估阶段,系统的作战任务和作战环境应明确界定。

工程侦察作战任务Tenrs的完成首先应基于各相关系统的综合集成,包括机动突防Apntr、侦察作业Arcns、信息传输Acomu、数据分析Aanls等行动,见图4。

其集成效能度量为
G(Epntr,Ercns,Ecomu,Eanls)
系统集成后具备在特定环境e对特定区域r采用某种战术Otact实施特定工程侦察任务T的能力,其作战效能可用完成该任务的概率函数模型描述
Eopra(T)=P(T|G(Epatr,Ercns,Ecomu,Eanls),Otact,e,r)
机动突防、侦察作业、信息传输和数据分析并不是4个系统,而是4类系统群,其系统集成方式差异对不同的工程侦察作战任务能力需求具有不同的满足程度。

采用作战效能分析得到的Eopra (T)是采用某种系统集成方式的作战效能,见图5。

3.5 体系效能评估层
由于体系中各类系统含有多个系统,可以有众多的组合集成方式,共同构成作战效能集合I(Eopra)。

不同集成系统针对不同作战任务的作战效能集合,是复杂作战体系效能评估的基本内容。

在作战效能评估中,已经将作战系统放入具体的作战环境和作战任务中考量,并与指挥运用方式相关,但是这时还只是对自身作战体系的度量,没能充分考虑敌我体系对抗。

体系对抗能力与各个系统的作战效能、互连互通互操作的体系协作能力、作战运用的策略博弈能力以及体系的演化与涌现能力等密切相关。

体系的协作能力Ccoop
基于体系内系统间互连互通互操作的一体化设计和运作,表现为体系内系统相对原有性能/能力的急剧提升,如数据链的“倍增器”作用。

敌我博弈的策略集合可表述为:{S1,S2,G},其中S1是我方策略,S2是敌方策略,均为一系列作战任务T的集合,G 是赢得函数矩阵。

但在体系对抗探索性仿真分析中,体系级的对抗最终需要反映在各层次系统和武器平台的对抗上,必然面临体系对抗的跨层次建模和多层次仿真问题。

在这方面国防科大做了基础研究工作,其建模平台SIM2000初步具备了此方面的能力[14]。

体系的演化能力Cevol可能对体系对抗结果产生影响。

当讨论体系对抗时,一般指特定时刻敌我体系状态间的博弈,但体系对抗不仅仅是瞬时的状态,体系的结构、状态、功能等随着时间的推移而发生变化,当前的状态优势或劣势不代表未来的趋势。

体系内各系统的演化相互独立,这些演化是否能相互协调共进,在很大程度上决定着体系优势建立和保持的可能性。

作战体系演化具有持久性,体系对抗则在特定时间进行,演化能力的差异可能会造成短期效能占优的体系在持续对抗中完全失败。

国内在体系演化建模方面有一定探索[15],但如何描述体系演化博弈,并将其量化进体系效能评估中,还需进一步研究。

体系的涌现能力Cemrg是体系的根本性特征之一。

伴随不同形式的体系演化,都可能产生体系涌现行为。

体系涌现出的新属性能力可能是正面的也可能是负面的。

如在对某濒海作战地域进行的地形变化工程侦察中,无人机、数据链等手段可以大幅提升原有激光侦察系统能力,但也可能产生数据链安全隐患、无人机故障等问题,甚至可能使侦察系统落入敌区造成泄密后果。

涌现行为可以通过仿真推演发现,重要的涌现在进行体系效能评估时必须考虑。

在特定环境e对特定区域r进行的,基于体系协作能力Ccoop、对抗能力Ccfrt、演化能力Cevol、涌现能力Cemrg的体系对抗使命M完成程度即体系效能Esos,可以使用如下的概率函数模型描述
Esos(M)=P(M|I(Eopra),Ccfrt,Ccoop,Cevol,
Cemrg,e,r)
根据上述层次化体系效能评估模型,按照作战体系的层次结构、业务关系、作战环境、对抗过程进行综合集成仿真评估,即可获得体系中的各种单项效能、系统效能、作战效能和体系效能。

各种效能度量的基本方式是表征作业/行动/任务/使命完成
程度的概率函数。

概率函数得到的方法既可以是解析的,也可以是仿真的,但是由于
复杂体系效能评估的整体性、非线性、不确定性等特点,效能评估的层次越高,进行
解析评估就越困难。

探索性仿真分析是武器装备体系能力评估论证的重要手段[9]。

在探索性仿真分析的实验点设计中,常见的析因分析等方法可能面临“组合爆炸”
问题,可采用基于因素组合分析的实验点设计[16]等方法,缩减探索仿真分析的空间
范围,提高时间效率。

综合上文分析,可得到1个面向实验点设计、探索性仿真分析、仿真结果数据耕耘的层次化工程侦察装备效能评估框架,见图6。

在该框架中,每层效能指标可按照上文所述方法从其下级指标和其他影响因素得到。

实验点可分为体系结构与体系内各系统、作战地域、作战环境、使命任务与行动作业、协同对抗演化涌现等体系特性5大类设计。

经过层层建模仿真,得到各层次效
能评估结果数据,再经过对探索仿真分析数据的数据耕耘,与历史经验数据和专家评
定数据比较分析,反馈改进各层级仿真模型,反复进行探索仿真分析,可以得到更贴近实战的评估结果。

在某军队纵向课题中,采用本文论述的评估框架对假想作战对手的阵地构筑情况进
行了侦察监视能力推演。

由于涉及的侦察力量和技术手段较多,本文选取部分环节
说明其过程。

假设已由卫星遥感侦察大体确定了侦察地域,可采用的机动平台包括
小型无人机、工程侦察车等,侦察作业系统包括照相、激光雷达2种,后方地形变化分析系统与工程侦察车之间有战术通信数据链路,与无人机之间没有数据链路,无人
机侦察得到的数据可人工导入工程侦察车系统进行数据预处理,数据分析系统为地
形变化分析系统,见图7。

各系统间均存在协同关系,其中机动平台同时作为侦察平
台,与侦察系统之间协同紧密,敌方可能利用地形和伪装措施实施隐蔽对抗。

对该区域的侦察为平时的持续监视侦察,随着对抗态势的演化,可能涌现新的情况,如无人机失事、战术通信数据链遭敌干扰等。

课题想定中,由于无人机航程、侦察车数据处理能力等限制,侦察体系中任何1个系统或部分系统组合无法完成侦察任务。

侦察能力推演不仅要得出不同侦察方案的优劣评定,而且要分析其侦察实施过程中可能的条件限制和能力瓶颈,传统的解析评估方法对小型、明确、静态的系统评定具有优势,对这样复杂、对抗、演化的体系则难以胜任。

课题运用本文提出的框架,针对给定的想定条件,通过系统性能数据采集和单项效能、系统效能、作战效能、体系效能的层层建模仿真分析对比,认为采用工程侦察车与小型无人机接力机动、无人机机载激光侦察的体系方案更优,但应增加无人机自毁能力,研究激光点云的压缩感知方法,同时应在限定时间内有限度地提高无人机航程和工程侦察车系统的地形变化分析能力。

实践表明,采用本文给出的仿真评估框架进行工程侦察装备的效能评估,表面上增加了评估的过程和复杂度,但却由于明晰了评估层次,规范了评估过程,引入了更多的实践数据,更全面地分析了状态空间,考虑了对抗和演化后果的可能战术影响,从而使评估过程更为可信,评估结果数据更具实际参考价值。

联合作战背景下的工程侦察装备运用,具有集成、协同、对抗、涌现、演化等体系特征,工程侦察装备的效能只有在体系对抗的环境中才能合理有效评估,探索性仿真分析和数据耕耘等基于仿真的评估方法对工程侦察装备体系的效能评估具有重要意义。

本文以地形变化工程侦察装备体系为例,结合工程侦察装备效能评估的目的,参考武器装备效能评估的指导模式,建立了“基于系统性能+固有能力+作战能力+作战适应性+体系对抗性”的工程侦察装备效能评估指标体系;基于这一指标体系,通过分析工程侦察装备单项效能、系统效能、作战效能、体系效能的评估方法和相互支撑关系,建立了1个面向探索性仿真分析和数据耕耘的工程侦察装备效能层次化
评估框架。

军事应用实践表明,该框架可有效指导工程侦察装备效能仿真评估,并对其它军事装备的体系效能评估具有参考价值。

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