基于模糊综合评判与作战模拟的作战方案评估

田福平,汶　博,熊志纲

(1.清华大学,北京　100084;2.解放军68210部队,陕西宝鸡　721001)

基于模糊综合评判与作战模拟的作战方案评估

田福平1,2,汶博2,熊志纲2

(1.清华大学,北京100084;2.解放军68210部队,陕西宝鸡721001)

摘要:针对战役战术作战方案综合优选评估,科学辅助指挥员快速定下作战决心的问题,提出了一种基于模糊综合评判和作战模拟仿真相结合的作战方案综合评估方法,设计了作战方案评估指标体系和综合效用评估模型,通过静态运筹分析评判作战方案核心要素,动态模拟仿真评估作战行动效果,达到了评估作战方案的目的。最后通过实例验证了该方法模型的可行性,为指挥员科学指挥决策提供有力支撑。

关键词:作战方案评估;评估指标;模糊综合评判;作战模拟仿真

信息化战争中的作战指挥,首要问题是指挥决策,决策的准确与否,关系到战争的胜负,具有超常的紧迫性和复杂性。作战方案评估,是对作战方案的可行性、风险度、作战效益等进行的评价和估量[1],是作战决策中最关键的环节必须要有较高的科学性和准确性。因此,应坚持定性定量评估综合集成的方式,在充分利用指挥决策人员知识经验进行分析推理的基础上,综合应用优化理论、作战模拟等军事运筹学新方法和新技术,快速评估优选最佳方案,高效科学辅助指挥员定下作战决心[2]。

目前我军作战方案评估尚处于研究探索阶段,还没有形成相对成熟和科学的标准化理论和应用体系,评估方法也主要围绕经验判断、神经网络法、贝叶斯网络和遗传算法、知识推理、动态推演仿真以及集对、层次分析法、模糊分析法等评估理论方法的单方面应用展开研究,难以摆脱单纯依靠专家经验或者依赖决策支持系统的问题[2-5]。

本文以陆军战役战术作战指挥为研究对象,基于经验提出了作战方案的核心要素,设计了战役战术作战方案优选评估指标体系,提出了综合运用模糊综合评判和作战模拟仿真相结合的评估方法,对作战方案优选评估方法进行研究和探索。

1作战方案评估指标体系

要实现快速优选评估作战方案,精确辅助指挥决策,评估指标体系必须突出重点,准确把握指挥人员对作战方案关注的要点,确保方案评估具有可操作性和可信度。陆军战役、战术级作战方案的主要内容通常包括作战目的、主要作战方向、重点打击目标和打击手段、战役布势或战斗部署、作战阶段划分及主要行动、战场划分和阵地编成等。基于静态运筹分析评判和作战模拟实验相结合的评估方法,本文提取了作战方案核心评估要点,建立静态和动态两类综合性评估指标体系,其中,静态评估指标中,一级评估指标包括决心意图、作战部署、作战能力、战场环境;动态评估指标中,一级评估指标包括作战目标、作战效果。进一步将当前一级指标分解细化为具体的下级子指标来衡量,形成上述可评判或可直接量化的二级指标,建立如图1所示的多层战役战术作战方案优选评估指标体系。

图1　战役战术作战方案优选评估指标体系

2作战方案评估方法

2.1静态评估指标综合评判

作战方案静态评估指标评估主要采取模糊综合评判的方法,建立多级模糊综合评判模型,进行运筹分析评判。模糊综合评判是以模糊数学为基础,应用模糊关系合成原理,以模糊推理为主的集定性和定量相结合、精确与非精确相统一的综合分析评判方法。该方法能够充分运用专家和决策者的主观知识经验进行运筹分析评判,评估结果包含的信息丰富,既有综合数据分值度量,还可以根据评估结果向量按最大隶属原则评定对象所属的等级,对于多因素、多层次的复杂问题评估较好,很好解决了判断的模糊性和不确定性问题[3]。

在对静态评估指标各因素进行模糊综合评判时,需要对综合战斗力指数对比、部队作战能力评价两个定量化指标进行模糊等级处理,使之符合模糊综合评判模型的要求。

1)综合战斗力指数对比评定准则

参照《军语》(2011版)对综合战斗力指数的定义,本文对综合战斗力指数进行具体描述和定义,依据杜派经验型指数方法得到每种武器的理想条件下武器实际杀伤力指数(火力指数),按类型数量累加计算得到部队所有武器实际杀伤力总指数,再考虑作战环境、作战对象、作战样式、战略战术指挥等因素对火力发挥和战斗实力的影响,计算得出交战双方各自综合战斗力指数,静态分析评价交战双方综合战斗力优劣[7]。其计算公式为

Q=W·e·s·c·t·m·b·K

(1)

式中，Q为综合战斗力指数;

W为部队(单位)所有武器实际杀伤力总指数;

e为作战环境影响因子;

s为作战样式影响因子;

c为作战指挥影响因子;

t为训练影响因子;

m为双方士气影响因子;

b为后装保障影响因子;

K为其他特殊影响因素产生的修正系数。

依据杜派经验理论比值法,Qr、Qb分别表示分析计算得到的红蓝双方综合战斗力指数,计算两者比值:

(2)

运用比值判定结果,评定当前作战方案中部队综合战斗力指数等级,准则如表1。

表1　综合战斗力指数对比等级评定表

2)部队作战能力评价评定准则

部队作战能力评价,即通过作战能力指标数据动态采集分析评估部队综合作战能力,依据作战能力评价体系,结合重大演训活动,及时动态采集更新部队快速反应能力、情报侦察能力、指挥控制能力、火力打击能力、信息系统支撑能力等专题作战能力数据,建立动态分析评估模型,具体评估方法步骤参见文献[6],按照该方法,常态化采集分析形成部队各专题作战能力量化评估结论,作战方案优选评估时,根据作战方案主要兵力运用情况,实时提取主要作战力量部队作战能力评价归一化结论值Xi,记T=min{X1,X2,…Xi},由主要作战部队的能力弱者决定当前该因素能力评价等级,准则如表2。

表2　部队作战能力评价评定表

2.2动态评估指标模拟仿真

动态评估指标评估主要采取作战模拟仿真的方法,基于作战方案实验评估平台进行模拟推演实现,据此预判可能的作战效果,检验方案的可行性,为优选评估作战方案及研究作战问题提供论证支持。作战模拟是按照已知或假定的情况和数据对作战过程进行的模仿，分为实兵演习模拟、沙盘或图上作业模拟、兵棋推演模拟、计算机作战模拟等[1]。

目前对作战方案的计算机模拟仿真主要依托作战方案实验评估系统或基于Agent动态推演仿真平台等进行。通过对联合(合同)作战方案具体作战行动进行多次模拟仿真实验,形成模拟过程数据和结果数据,经分析计算可得到作战目标实现、战果、战损等三类动态作战效果数据,具体为:重点打击目标实现率o1、夺控目标实现率o2、敌方人员战损率r1、敌方主战武器战损率r2、我方人员战损率d1、我方主战武器战损率d2。其中作战目标实现、敌方战损值越大效益越好,属于效益性指标,我方战损值越小效益越好,属于成本型指标。

2.3评估方法步骤

1)建立静态评估指标多级模糊综合评判模型

对照决心意图、作战部署、作战能力、战场环境等4个一级指标,建立第一级评估对象因素集U={u1,u2,u3,u4},因一级指标对作战方案的重要性不同,建立相应权重集W={p1,p2,p3,p4};将各一级指标细化为二级评估指标,建立第二级评估因素集ui={ui1,ui2,ui3,…,uik}(i=1,2,3,4);同理相应的权重集为Wi={pi1,pi2,pi3,…,pik},各权重系数之和为1。对作战方案优劣程度的评价,确定5个等级建立评语集V={优,良,中，差，极差}。

由模糊映射关系得到一级评估指标ui的模糊评估矩阵:

Ri=[rmn]k×5(m=1,2,…,k)

(3)

其中,Ri中rmn表示一级评估指标ui中各二级评估指标因素相对评语集V各等级的隶属度,即评估矩阵第m行rmn={rm1,rm2,rm3,rm4,rm5}为ui中第m个评估指标的评价。

对于定性评估指标因素,rmn由指挥决策人员及专家依据作战规则和知识经验“打分定级”确定,即N个评估者每人对照评估集V={优,良,中，差，极差}对评估指标uim作出一次评判,Ni为评语等级Vi的统计得分,则Ni/N代表评估指标uim对等级Vi的隶属程度。

对于综合战斗力指数对比、部队作战能力评价两个定量化指标,按照前述评估方法准则,依据指标计算结果对应等级确定评估向量中相应等级隶属度为1(高度集中),其他等级隶属度为0(忽略)。

综上,可建立作战方案静态评估二级模糊综合评判模型:

(4)

模型中“∘”为模糊合成算子,进行模糊映射变换时,要综合考量模糊合成算子以及模糊评估对象因素的特点,确定选择合适的模糊合成算子。目前四个模糊算子中:M(∧,∨)和M(·,∨)为主因素突出型算子,运算中主要突出对综合评判起作用的主要因素,M(∧,⨁)和M(·,⨁)为加权平均型算子,运算中兼顾各因素及其权重的综合影响作用[3]。

考虑到作战方案优劣受各评估指标综合影响,且体现权重的作用明显,M(·,⨁)算子是取乘与有界算子,能够保证权重作用及各评估矩阵R的信息都能充分利用,具有很强的综合衡量性,是适用于作战方案模糊综合评判模型的优化算子。运算方法为

(5)

经过上述评判步骤,可得到静态评估指标评估向量为S=(S1,S2,S3,S4,S5),它是评语集V上的一个模糊子集,对结果进行归一化规范处理后,S中的各向量元素即为相对于评语集V中各评估等级的隶属程度,经分析可得到静态评估综合结论。考虑到作战方案静态评估需要得出总体上的运筹分析结论,此处选用最大隶属度原则对评估向量综合分析,整体上评定作战方案优劣等级,即

M=max(S1,S2,S3,S4,S5)

(6)

M对应的评估向量元素Si为评估结果,方案静态评估的评判等级为Vi。

2)建立动态评估指标量化模型

动态评估指标需要对作战目标实现、战果、战损三类指标进行聚合,建立三类指标相应权重集W′={p1′,p2′,p3′},经方案动态模拟仿真实验可得到相关指标结果,构建以下动态评估指标量化模型:

(7)

式中，E为经加权求和后得到的动态评估指标仿真效果值,在其他条件相同情况下,评估值E越大,作战方案总体作战效果越好。

需要说明的是,上述静态、动态评估指标各因素的权重系数影响,可采取层次分析法、熵值法以及结合任务性质和重点关注因素由军事专家打分确定等方法来给不同指标因子赋权。

3)作战方案综合优选评估

考虑到作战模拟实验结果结论具有客观性、相对性、动态性,可以反映一定条件下可能的作战效果,但其可信程度取决于模拟仿真模型的科学合理性,这需要多次与实战演习数据、武器装备实验数据进行反复比照论证和完善[8]。因此,作战方案综合优选评估,应重点以静态运筹分析为主因素,以动态模拟仿真为辅助因素,构建基于模糊综合评判和作战模拟仿真的作战方案综合效用模型:

Y=(Vi,E)

(8)

其中,Vi为方案静态评估指标模糊综合评估等级,E为动态评估指标仿真效果值,存在方案A和B,按照上述评估方法,分别得到两套方案的综合效用评估向量Y1和Y2,其中Y1=(V1,E1),Y2=(V2,E2),构建以下综合优选准则:

① 静态最优原则。V1等级高于V2,方案A更优。

② 动态取大原则。V1、V2评定等级相同,E值大者总体作战效果好,方案更优。

③ 最大隶属原则。特殊情况下,V1=V2,E1=E2,则由最大隶属度原则确定的M所对应元素Si的数值大小确定,Si大者,方案更优。

该评估方法也适用于单个作战方案滚动优化,依据方案静态模糊综合评估等级结论,分析查找影响评估结果的关键因素,调整作战方案兵力规划部署等决心要点;依据动态作战模拟实验结果,逐阶段逐过程分析推演作战态势,发现具体行动方案的缺陷不足,按照静态、动态两条线追踪分析,提出修改建议,然后调整优化作战方案,再综合评估再调整,不断滚动式对作战方案进行优化完善。

3应用实例

现以某战役集团XX地区反击作战实兵演习为例,在提出决心建议时利用辅助决策系统优选两套备选作战方案A和B,最大区别是方案A以摩步旅和装甲旅,方案B以数字化旅和装甲旅为主要反击作战力量,其他因素也存在不同差异。最终,指挥员依据战场环境和综合建议,围绕方案A定下作战决心,基本达成作战目的。

为研究创新战法运用,单位结合后续计划安排,构设了相同的演习条件和背景,自主组织了一场模拟实验演习,区别在于指挥员此次重点体现了方案B在兵力编组与运用上的思想,旨在检验不同主战装备、不同兵力编组在作战中发挥出的不同协同效果。经对演习相关数据分析表明,此次模拟演习较实兵演习相比,最终以较短的作战持续时间实现了作战目标,并以较小的战损代价取得了较大的作战效益和协同效果。

运用本文提出的评估方法,我们实际评估了上述2套备选作战方案,对其合理性进行了有效检验。

以方案A为例,结合作战任务性质及作战地域环境,采用专家赋权法,灵活确定作战方案静态评估指标、动态评估指标权重向量分别为WA={0.4,0.2,0.3,0.1},W′={0.5,0.3,0.2}。

按照上述作战方案评估方法步骤,经专家和决策人员多级逐层评判,汇总二级评估指标隶属度及相应权重(此处不一一列出),形成静态评估指标总评估矩阵为

可计算得到静态评估指标模糊综合评估向量SA=(0.466,0.266,0.323,0.047,0.022),MA=S1,则方案A的静态评估等级为“优”。

将该方案相关行动数据输入作战实验系统,进行10次作战模拟仿真推演,由仿真结果统计分析得到{o1,o2,r1,r2,d1,d2}={0.85,0.9,0.83,0.71,0.29,0.35},则EA=0.8045,即方案A综合效用评估向量YA=(“优”,0.8045)。

同理,按照该方法得到方案B的静态模糊评估向量SB=(0.512,0.163,0.284,0.087,0.066),MB=S1,则方案B的静态评估等级为“优”,由仿真实验结果可计算得到EB=0.847,即方案B综合效用评估向量YB=(“优”,0.847)。

根据作战方案综合优选准则,经静态和动态综合评估,方案B整体优于方案A,该评估结果与两次实际演习对比结果相符。说明该综合优选评估方法和模型较为实用可信。

实践运用中,按照多案优中选优、单案优而更优的运用流程,采取上述静态运筹分析和动态模拟仿真相结合的评估方法和步骤,能够有效基于数据辅助指挥决策。

4结束语

本文研究拓展了模糊综合评判方法在军事领域的应用范围,全面综合考虑作战方案核心要素,构建了战役战术作战方案优选评估指标体系,提出了多级模糊综合评判和作战模拟仿真实验相互补充结合的评估方法,实践表明,该方法可行且具有较强的实用性,较好地解决了现有作战方案评估面临的静态分析缺乏动态作战效果数据支撑,模拟仿真实验缺乏客观运筹分析的问题,为基于数据优选评估作战方案、辅助作战指挥决策提供了新的方法手段。

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Operation Scheme Evaluation Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation andBattle Simulation

TIAN Fu-ping1,2,WEN Bo2,XIONG Zhi-gang2

(1.Tsinghua University,Beijing 100084, 2.the Unit 68210 of PLA,Baoji 721001,China)

Abstract:In order to solve the problem of optimize and evaluate campaign tactical operation scheme,and assistant commander to confirm operational decisions,this paper puts forward a comprehensive method of operation scheme evaluation based on Fuzzy Comprehensive Evaluation and battle simulation,designs a index system of operation scheme evaluation and a evaluation model of comprehensive utility,By static operations analyzing and evaluating the core elements of operation scheme,dynamic simulation evaluating operational effectiveeness,achieves the purpose of evaluating operation scheme.Finally,a example is provided to demonstrate the validity of this proposed method and model,and this conclusion offers a strong support for commanding decision.

Key words:operational schecmes evaluation; evaluation indexes; fuzzy comprehensive evaluation; combat simulation

文章编号：1673-3819(2016)03-0028-05

收稿日期：2015-12-12

作者简介：田福平(1965-)，男，陕西咸阳人，博士研究生，研究方向为作战指挥。 熊志纲(1985-)，男，硕士，工程师。

中图分类号:E917

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.03.005

修回日期： 2016-01-29

汶博(1979-)，男，博士后，工程师。