栅格化网络态势感知能力评估模型

张慧文，鲍广宇，张 义

(解放军理工大学指挥信息系统学院，江苏 南京 210007)

全面、准确、及时的战场态势感知能力可使指挥员更好地了解战场环境、敌我部署及作战意图，为掌握制信息权提供保证。栅格化信息基础网络是军队通信网络系统建设的重要内容，而态势感知反映了栅格化信息基础网络进行信息搜集、处理和分发以形成统一态势的能力，具有重要的研究价值。

本文应用信息质量描述、Logistic方程等分析方法，分别从信息域和认知域对栅格化信息基础网络的单个感知单元的态势感知能力进行了量化建模，给出了单节点态势感知能力评估的一般描述方法，为建立多节点的共享态势感知能力评估模型奠定了基础。

1 栅格化信息基础网络态势感知能力构成

栅格网是能够根据不同人员的要求，收集、处理、存储、分发和管理信息能力的信息基础网络，其主要特征是“网系互连、信息服务”。栅格化信息基础网络为各军事用户信息系统的开发、运行提供基础支撑环境，能够满足全军各级指挥人员、作战人员和保障人员的信息获取、传输、处理、存储、分发、应用、管理和安全的需要，是信息化战争中夺取信息优势、决策优势和战场优势的关键。如图1所示，其主要能力包括:一体化网络通信能力、栅格化计算与存储能力、网络化信息服务能力和体系化安全保障能力等。

图1 栅格化信息基础网络能力组成

其中，态势感知(Situational Awareness)能力是网络化信息服务能力的组成部分，在栅格化信息基础网络中扮演着重要角色。态势感知是指在广阔的环境中去感知人们所关心的一切有用的元素，理解它们的意图，并且能够以最快速度识别出它们的身份 。栅格化信息基础网络通过感知单元进行态势感知，其过程包含感知、理解和预测三个步骤，其具体能力构成如图2所示。

图2 态势感知过程及能力构成图

其中，真实态势为目标元素真实的态势情况，输出态势为经过一系列感知过程后，系统输出的态势情况，与真实态势之间存在一定的偏差。完整的态势感知需要经历感知、理解和预测三个步骤，其中感知层是信息从物理域到信息域的流动，体现为信息域能力;理解层和预测层是信息从信息域到认知域的流动，体现为认知域能力。这几个层次环环相扣，共同构成了态势感知过程;而与之对应的态势感知能力的质量，则决定了输出态势与真实态势的一致程度。因此，如何定量地衡量态势感知能力，将为后续的指挥决策和作战效果评估提供重要依据。

2 态势感知能力评估

目前对于态势感知能力的评估主要从信息域与认知域两个方面进行，其中信息域是衡量当前掌握的态势信息与实际战场态势信息的吻合程度;认知域主要衡量指挥员对当前态势的认知及推断与真实态势的一致程度，属于高层次感知。本文将分别从信息域和认知域对态势感知能力进行评估。

2.1 信息域态势感知能力指标评估

一般来说，无论是战场真实态势还是相对应的感知层的输出态势，都可以用目标数量、目标特征、目标时间三要素来描述［2］。因此，在分析信息域态势感知能力时，根据作战实际需要和特点，选取信息质量的完备性、准确性和时效性作为信息能力评估指标。现有文献在建立评估指标时往往存在以下问题:没有区分不同对象的重要程度，不同指标没有归一化，所需的参数在实际应用中很难获取等［2，9，10］。本文针对上述问题进行了改进，通过衡量真实态势和输出态势之间三个要素的吻合程度，对不同的对象赋予不同权重，以此来构建态势感知能力评估模型。

1)完备性

完备性是指在特定的任务区域内，感知态势中的目标数量与真实态势中实际目标数量的吻合程度。

目标往往按重要程度划分为不同等级，假设在规定任务区域内，存在N个不同等级的目标。假设某次任务中，由感知信息表明任务区域内存在敌方目标，其中一级目标E1个，二级目标E2个，…N级目标EN个;而战场感知态势中正确感知了其中的一级目标E'1个，二级目标E'2个，…N级目标E'N个，则此次任务中态势感知的完备性β可定义为

式中，a1，a2，…aN依次为一级目标、二级目标、…N级目标在战场态势感知完备性中所占权重。

2)准确性

准确性是指在特定任务区域内战场态势感知中敌方目标的特征与真实目标特征相吻合的程度。

用目标的信息特征向量表示其在某次任务中的状态。假设Gj、Pj分别表示第j个目标在真实态势和输出态势中的特征向量，那么Gj和Pj可分别表示为:

其中，特征向量中的元素为第j个目标的位置、速度等特征，k为第j个目标的第k个特征参数，n为第j个目标特征参数的个数。那么，该目标真实态势中的特征向量与输出态势中对应目标的特征向量的偏差定义为

输出态势中第j个目标的特征向量与真实态势中对应目标的特征向量的平均偏离程度γj可定义为

假设某次任务的输出态势中已正确发现了M个敌方目标，分属于N个不同等级，那么输出态势的平均准确性γ定义为

其中，bi为i级目标在战场态势感知准确性中所占的权重;Ji表示第i级目标，|Ji|表示第i级目标总个数。

3)时效性

时效性描述的是信息获取时间满足本任务时间要求的程度。战场作战机会转瞬即逝，因此信息获取得越快，就越能被及时地处理，时效性越高。这里不考虑信息过载的问题。

显然，若信息获取过程没有任何延时(即延时为0)，则时效性最好，其值等于1;随着延时增加，时效性将逐渐降低;当延时超过了完成任务的时间要求，则失去了作战机会，时效性为0。因此根据不同的作战任务设定一个临界时间段T，当信息延时超过这个临界值，信息就没有任何作战意义。设系统完成某一任务的延时为Δt，η表示信息系统的时效性，则定义

其中，为了保证作战的有效性，令0≤Δt≤T。

2.2 认知域态势感知能力评估模型

感知单元在认知过程中，通过对前期收集到的信息进行理解，得到对战场情况的了解，再对敌方意图和对抗态势进行判断［1］。以往对认知域态势感知的研究，有的对关键元素进行定义，并采用形式化语言对角色和任务等进行描述［3］，也有的将态势感知过程看作是由信息生成知识的过程，用信息论等方法对知识生成机制进行说明［4］。但这些方法都没有与信息域态势感知过程进行有效融合。

由于认知的动态演化过程具有Logistic过程的特征［5-7］，本文使用Logistic方程建立单个感知单元的态势感知模型，通过对认知域态势感知质量进行量化，来描述态势感知能力。影响认知域态势感知质量的主要因素包含感知单元的能力素质、前端获取的信息质量(包括信息的完整性、准确性和时效性)等［8-10］。因此，可以将认知域态势感知质量视为时间t的函数，与信息域对态势感知能力评估的三个指标相结合，建立感知单元的态势感知模型。

描述认知域态势感知能力最重要的元素是感知单元的认知能力，它直接决定了认知域能力的变化，这里假定感知单元的认知能力不变。由于时效性η仅作用于信息域，在描述认知域态势感知能力时，本文认为时效性满足需求，故本文假定在某次作战任务中，信息域已在时效性要求内获取到了足够的信息，即输入感知单元的信息准确性和信息完整性已有了确定的取值。将认知能力、信息准确性和信息完整性作为参数建立Logistic方程，得到t时刻的态势感知质量:

式中各参数的意义如下。

α为感知单元的认知能力。α可以用感知单元得出正确态势感知的概率表示，因为人对事物的认识必然存在局限性，不能100% 正确理解态势，故有α∈［0，1)。

β为感知单元独立获得的信息完整性，即感知单元独立获得的信息中，对完成任务有用的部分占任务所需要全部信息的比例。β∈［0，1］即认为感知单元独立获得的信息对完成任务而言可能是不完全的。

γ为感知单元独立获得的信息准确性。信息获取技术有一定限制，信息不可能完全正确，故有γ∈［0，1)。

d为曲线的平移距离，其作用是确定曲线在t=0时的取值。

式(4)中t为自变量，S(t)的值随t的增加而增加。在具体的战场环境和任务下，态势感知过程有时间限制。信息基础网络的认知域态势感知能力，可以通过该时限之内的S(t)最大值反映，S(t)最大值越大，说明认知域态势感知能力越强，其最大值与式中各参数取值有关。由式(4)可知，αβγ共同决定了感知单元在独立情况下能够达到的最大态势感知质量，同时也决定了达到该最大态势感知质量的速度。

综合上文的分析，信息域和认知域态势感知能力评估流程如图3所示。

图3 信息域和认知域态势感知能力评估流程

从图3中可知，经过信息域态势感知，系统获得信息的完整性β、准确性γ和时效性η得到衡量;将认知能力α，以及β和γ代入认知域感知能力评价公式，即可得到认知域态势感知能力的评价结果。

3 仿真分析

为验证上述态势感知评估模型的有效性，下面对态势感知质量的变化情况进行仿真。

在一次作战任务中，假设在任务区域内共有两级目标，其中一级目标5个，二级目标4个，即E1=5，E2=4;感知单元正确感知到了一级目标和二级目标各3个，即E'1=3，E'2=3。一、二级目标在战场态势感知完备性中所占权重分别为a1=0.6，a2=0.4;两级目标在战场态势感知准确性中所占的权重分别为b1=0.7，b2=0.3。设定完成此任务的临界时间段T=60s，感知单元获取信息经历的时间为Δt=30s。令感知单元的认知能力α=0.8。

根据式(1)描述的完备性评估模型，完备性为

假设感知到的这6个目标的真实态势和输出态势中的归一化特征向量如表1所示。根据两级目标在战场态势感知准确性中所占的权重，由式(2)描述的准确性定义，准确性为

表1 各目标真实态势和输出态势的归一化特征向量值

根据式(3)，时效性为

由于α=0.8，结合上述对β和γ的计算值，根据logistic方程画出态势感知质量随时间变化的趋势图，见图4。随着时间t的增加，态势感知质量逐渐提高，且上升速度呈现缓—疾—缓的变化趋势，符合人对事物的认知过程。

图4 态势感知质量随时间变化趋势图

下面对β和γ取不同值，计算不同条件下的信息域态势感知能力和认知域态势感知能力，并进行对比分析，参考不同参数对认知域态势感知能力的影响。取α=0.8，当γ=0.61时观察β取不同值，以及当β=0.66时观察γ取不同值时，态势感知质量S(t)值的变化情况。仿真结果如图5所示。

图5 参数取不同值时态势感知质量变化趋势

可以看出，准确性β和完整性γ同时决定态势感知质量和及上升速度。当完备性β的值较大时，最终的态势感知质量较大，同时也较快地达到这一最终值，反之亦然;同理，对于准确性γ可以得到相同的结论。

从仿真结果可以看出，基于Logistic方程的认知域态势感知能力模型能够正确反映感知单元的认知能力、信息准确性和信息完整性对感知质量的影响，验证了模型的合理性。同时，信息域和认知域的态势感知能力指标都融合在同一公式中。这对于分析更复杂的问题，如多节点共享态势感知问题时，能够提供清晰的思路和便利的分析方法。

4 结束语

本文结合信息化战争的特点，分别从信息域和认知域对栅格化信息基础网络单节点的态势感知能力进行了建模与分析。在信息域，通过目标数量、目标特征、目标时间三要素对态势感知能力进行评估，给出了量化模型;在评估认知域态势感知能力时结合信息域评估指标，建立Logistic态势感知方程，描述不同参数对态势感知质量的影响。

仿真结果表明了感知单元的认知能力和信息准确性以及信息完整性与态势感知质量的最大值和上升速度成正比。该方法为栅格化信息基础网络的态势感知能力评估提出了一种新的思路，并为建立多节点共享态势感知能力评估模型奠定了基础。

［1］史越东.指挥决策学［M］.北京:解放军出版社，2005.

［2］聂忠，黄高明，李仙茂.海战场赛博空间态势感知能力定量分析［J］.舰船电子对抗，2011，34(6):39-41.

［3］刘晓平，石慧，毛铮强.基于信息可视化的协同感知模型［J］.现代防御技术，2006，27(11):24-30.

［4］M.Complexity Theory and network centric warfare［M］.Washington DC，USA:CCRP Publication Series，2003.

［5］陈立新.防空导弹网络化体系效能评估［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［6］张瑞龙，李敏勇.合作团队中决策者的态势认识［J］.舰船电子工程，2008，28(5):70-74.

［7］费爱国，王新辉.信息优势的度量与效能评估［M］.北京:军事科学出版社，2006.

［8］王欣，姚佩阳，周翔翔，等.Logistic方程在协同态势感知效能分析上的应用［J］.电光与控制.2011，18(10):6-10.

［9］施慧杰，顾浩，杜阳华.海战场态势感知能力的度量方法研究［J］.指挥控制与仿真，2010，32(3):28-35.

［10］何宝民，董文洪，沙基昌.军用信息系统能力评价方法研究［J］.指挥控制与仿真，2008，30(1):89-92.