指挥信息系统效能评估方法

孙华付

(解放军炮兵学院 五系42 队，合肥 230031)

评估通常有狭义和广义2 种，狭义的评估是作为决策过程的一个步骤，也是一种系统工程基本方法。广义的评估与一般意义的决策类似，常称为系统评估或综合评估。决策和综合评估有共同的理论基础和组成要素，其方法步骤也基本相似。H.A.Simon 把决策问题分为结构化决策和非结构化决策。结构化决策问题的结构能用数学公式表示，有明确定义的目标函数且能求出最优解。类似地，根据问题的结构化程度，指挥信息系统效能评估也可以分为结构化评估、半结构化评估和非结构化评估，每一类评估问题采用的评估方法也不一样。

1 系统效能评估方法

1.1 解析法

解析法是根据描述效能指标与给定条件之间的函数关系的解析表达式计算指标，可根据数学方法求解建立的效能方程。解析法以数学模型为基础，由评估分析人员根据系统设计、系统方案和系统组成等，在规定的约束条件下，预测系统性能，并把所得结果输入到效能评估模型中评定系统效能。解析法包括有效、通用WSEIAC 模型(ADC 模型)、排队网络理论、信息论方法、目标规划方法等。

排队网络理论也是一种解析评估方法。指挥信息系统是一个分布式的指挥控制网络，与排队网络有关的理论在分析这个网络的延时(如传感器信号处理计算延时，汇总信息的通信延时，与人或算法的决策有关的决策延时等等)问题上发挥着较大作用。这种方法将目标看成是服务队列中的顾客，在实施指挥、控制、通信与情报功能(检测、跟踪、交战等等)的意义上，指挥信息系统中的节点必须为目标服务。在特定的指挥信息系统中，可规定一个特定的指挥控制节点实施适当的功能。由于目标是运动的，指挥控制节点只能有一个有限的机会时间窗口为目标服务，错过这个时间窗口，目标就将离开这个特定的指挥控制节点。这需要能处理具有违约性质的排队网络理论。虽然对这类具有违约性质的网络问题的研究已有一些结果，但为了逼真刻画指挥信息系统的延时，给出一整套扩展的排队网络理论结果和有效的计算方法，还需做更多的理论工作。另一个问题是，目前的排队网络理论对捕获网络中的瞬态特性缺乏有效的算法，这些问题使这种方法面临着挑战，因为指挥信息系统与普通的排队网络有很大不同。为此，不少人在致力于扩展一些理论，如采用Petri Net 表示法、研究模糊随机网等。

解析法的优点是公式透明性好，易于了解，计算简单。对于一些潜在问题，如系统的“瓶颈”、系统某些参量变化对整个系统效能的影响等，解析法能得出清晰的规律性的认识。如排队网络理论可以用于评估系统数据处理的负载能力，并分析整个系统的响应时间。

解析法的缺点在于建立系统模型的困难性，主要表现在:指挥信息系统效能评估对象的范畴比较广，大至战略级指挥信息系统，小到战术指挥信息系统，都存在效能评估问题，对不同级别的系统，应用解析法建立系统模型的难度是不同的，系统级别越高，系统越复杂，指标之间的关系就越复杂，系统模型越难建立;即使对同一系统，其效能也受环境、任务等因素的制约，建立的系统模型也有不同。如ADC 模型应用于系统状态数较多的复杂指挥信息系统时，会出现矩阵维数呈指数规律“膨胀”的问题，尤其难以在动态的交战过程中反映指挥信息系统效能。

1.2 综合评估法

当评估者对系统的结构、特性等没有足够理解时，经常采用定性与定量相结合的综合评估方法评估系统效能。用于指挥信息系统效能评估的综合评估方法主要有层次分析法、模糊综合评判法、多属性效用函数法、灰色系统效能分析法、比较方法等。综合评估方法评估指挥信息系统效能的优点是操作简单，易于处理，适用范围广。不足是选取指标体系比较困难，评估结果不易解释，主观性比较强，对指标的动态性考虑不够。

1.3 基于仿真的方法

基于仿真的方法是指用建模仿真技术建立系统的仿真模型并进行仿真实验，由实验得到系统数据，经过统计处理后得到系统效能指标评估值。

指挥信息系统是一个复杂的人机系统，在功能上是分布的，在地理上也是分布的，具有实时性和开放性等特点，包含多种技术因素和不确定性。对这样一个复杂系统进行研究，依靠大规模的军事演习，参与的人力、物力较多，费用巨大，且无法重演，只能解决部分问题。系统仿真技术的出现和发展，为指挥信息系统效能评估提供了一种强有力的辅助工具。

根据仿真技术、手段的区别，基于仿真的指挥信息系统效能评估方法主要有基于计算机仿真的方法、基于原型仿真的方法和基于仿真实验床的方法。

1)基于计算机仿真的方法。指挥信息系统的计算机仿真，其特点是系统由数学形式、图形形式或计算机程序来表示。这种仿真不需要使用实际系统的任何部件，是个纯软件系统。但由于指挥信息系统是个人机系统，人的决策过程是指挥信息系统中不可缺少的重要环节，应用数学或计算机程序很难成功地仿真这一环节，因此有其局限性。目前，不少人试图采用人工智能等技术来改善这一环节的仿真质量，但还并不十分成熟。

2)基于原型仿真的方法。系统原型就是系统仿真模型全部使用实际系统的子系统或真实的部件，系统原型可以任意接近最终完成的系统。如果一个大型的指挥信息系统全部使用系统原型法进行仿真的话，其结果无疑是不经济的，而且不能达到仿真的目的。所以系统原型仿真法一般只用于试验的关键区域，这样做可以提高实物的经济性和有效性。

3)基于仿真试验床的方法。系统试验床仿真则是介于上述2 种方法之间的一种仿真方法。主要特点是包含了部分实际系统的部件，系统的其他部分则采用计算机仿真的形式，系统的操作环境(包括威胁)可以是实物模拟，也可以是计算机仿真，所以这种方法也被称为半实物仿真。

上述3 种基于仿真的系统效能评估方法中，基于计算机仿真的方法最有效、最易实现，所需费用少，并且仿真可重复性高，可以得到可信度更高的评估数据。

基于仿真的系统效能评估方法的优点是评估数据易于获取，数据可信度高。缺点是人力、物力、财力耗费大，虽然基于计算机仿真的方法人、财、物经济性相对较好，但系统仿真模型的建立困难，必须有建模仿真工具的支持。

2 作战效能评估的方法

系统作战效能的评估远比系统静态效能的评估复杂，指挥信息系统作战效能可以认为是系统性能的变化对作战态势与战果的影响的综合衡量。这就需要把指挥信息系统与作战环境或作战想定联系起来，通过衡量对比作战任务效能，得到系统作战效能。目前，评估指挥信息系统作战效能的方法主要有SEA 方法、系统模型方法、作战模拟方法。

2.1 SEA 方法

SEA(system effectiveness analysis)方法是美国麻省理工学院信息与决策实验室的A.H.Levis 等提出的一种系统效能评估方法。SEA 方法的基本特征是将系统的参量指标或性能指标融入战斗动态方程中，通过把系统能力和使命要求在同一公共属性空间进行比较，得到有效性评定的若干参量，适当组合这些参量，根据系统与使命的匹配程度就可获知系统完成预定任务的可能性，即指挥信息系统的效能。

SEA 方法优点:贴近效能评估的基本含义，能充分体现出系统构件、组织和战术的变化对系统效能的影响;把系统的能力与使命要求放在同一个MOP 空间进行比较，从而实现对系统完成使命程度的评价。

难点在于公共属性空间的提取以及系统能力和使命要求到该空间的映射的建立。系统能力映射的建立是整个评估过程的重点，它必须借助一定的方法，把系统的结构、功能、行为和原始参数对系统运行过程的影响描述出来，从而体现它们对系统完成使命的作用。而由于指挥信息系统的复杂性，这个映射一般是非线性的，比较难于建立，这就给该方法的使用带来了困难。

2.2 系统模型方法

使用系统模型是评估指挥信息系统作战效能的一条可行途径。指挥信息系统模型分为本征模型和派生模型。在实际应用中主要使用独立式派生模型评定系统的性能和部分效能，使用嵌入式派生模型评定指挥信息系统的一些效能和对作战的影响。目前使用较多的是影响图方法Lanchester方程方法和Monte Carlo 方法。

影响图方法起源于系统动力学，是基于系统动力学的面向系统微分方程模型的一种建模分析方法。1977年MIT 的James R.Burns 把这种方法用于指挥信息系统效能评估。这种方法通过分析所研究的复杂系统，找出表征系统运行过程所必需的系统参量，分析各参量之间的相互影响关系画出系统影响图，根据影响图与系统参量的实际物理意义，运用一定的建模算法，得出综合了指挥信息系统和作战过程系统的微分方程，由系统的微分方程模型考察指挥信息系统各尺度参数和性能参量对作战结果的影响，从而可以评估指挥信息系统的效能和作战效能。

系统模型方法评估系统作战效能的优点是理论基础严密，在建立系统模型后，就可以利用现有的各种分析方法和技术来评估系统作战效能;不足之处主要表现在:①现有模型没有很好地处理信息对作战的影响，没有完全分析ISR 子系统的特性;②一般没有考虑可用信息的质量对指挥员决策的影响;③通信问题，因为解决起来费力、费时而一般被忽略;④模型中对“决策”考虑不够，对人和组织问题的建模不够深入。

因此，在对指挥信息系统做出大量假设、限制后，系统模型方法可以分析某些指标对系统作战效能的影响。但是对一般的复杂指挥信息系统，现有方法建立的系统模型不能完全描述指挥信息系统对作战的影响，即现有模型没有完全反映系统性能指标与系统作战效能指标之间的映射关系。即使建立相对详细完整的系统模型，也会因为模型的庞大、复杂而使求解和分析的困难性剧增。这归根结底是由指挥信息系统自身的复杂性决定的。

2.3 作战模拟方法

用作战模拟方法评估系统作战效能与用仿真方法评估系统效能类似，不同的是顶层模型的区别。两者的基本实现技术是相同的。

综上所述，指挥信息系统效能评估方法总体上可以分为3 类:解析方法、综合评估方法和基于仿真或作战模拟的方法，每类方法都有自己的长处和不足。解析方法在系统规模较小或只评估系统某方面的效能时比较适用，当系统比较复杂、系统规模较大时，随着系统解析模型复杂程度的提高，分析求解系统模型会越来越困难，这就限制了其在指挥信息系统效能评估中的应用。综合评估方法是一种评估指挥信息系统效能的有效方法。由于评估者对指挥信息系统内部要素之间的关系及系统性能影响作战的机理仍不是很明晰，只能采用这种定性定量相结合的方法对系统效能做出评估。基于仿真或作战模拟技术来评估指挥信息系统的自身效能或作战效能是当前研究的主流。但是仿真和作战模拟的作用主要体现在提供评估数据方面，在有了评估数据后如何评估分析仍需要相应的评估方法来支持。

分析上述3 类方法的优缺点，在评估一个复杂指挥信息系统的效能时，可以把几种方法结合在一起使用，如:综合评估方法用来衡量系统总体效能，综合评估方法所需的指标数据通过仿真或作战模拟获取，而解析方法可用于仿真或作战模拟中的作战或系统某一部件的建模。

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