兵力组织适应性设计问题研究*

孙昱，姚佩阳，孙鹏，张超

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安710077；2.解放军93609部队，呼和浩特010100）

兵力组织适应性设计问题研究*

孙昱1，姚佩阳1，孙鹏1，张超2

（1.空军工程大学信息与导航学院，西安710077；2.解放军93609部队，呼和浩特010100）

构建适应战场环境的兵力组织是提高我军战场对抗优势的重要途径。针对兵力组织的适应性设计问题，从兵力组织的描述方法、适应性设计方法和效能评估方法3个方面梳理了国内外的研究现状。其中，兵力组织描述方法包括计算数学组织理论、图论和网络、多Agent系统、Petri网和信息理论；兵力组织适应性设计方法包括基于三阶段思想的适应性设计方法、基于粒度计算思想的适应性设计方法和基于扩展三阶段思想的适应性设计方法；兵力组织效能评估方法包括理论评估方法和实验评估方法。对涉及的各种组织描述方法、适应性设计方法和效能评估方法进行了详细的分析介绍，并总结了当前研究存在的不足。

兵力组织，描述方法，适应性设计，效能评估

0 引言

兵力组织是围绕一定的作战目的，由各作战单元有机组合而形成的一个作战整体。在信息技术日新月异的今天，战场环境中的兵力组织面临着严峻的挑战［1］。这些挑战包括组织所处环境的不稳定性，组织作战使命的复杂性，组织作战资源的多样性和组织结构的松散性等等。为有效应对这些挑战，提高兵力组织的战场对抗优势，科学合理地设计兵力组织的结构和形式成为信息化条件下作战指挥的必然选择［2］。

组织权变理论［3］认为，普遍适用的最优组织模式并不存在，而只存在适应于具体环境和具体条件的最佳组织。为了最大化兵力组织的作战效能，可以针对具体的战场环境设计最为合适的兵力组织，如何设计这样的兵力组织即为兵力组织的适应性设计问题［4-5］。目前国内外很多机构和部门都对这一问题进行了积极的探索和研究，并取得了一定的成果。本文将从兵力组织的描述方法、适应性设计方法和效能评估方法3个方面对该问题的研究进展进行总结、归纳和分析，以期为该问题进一步的深入研究提供思路和参考。

1 兵力组织描述方法

对兵力组织进行规范化、形式化的描述是进行兵力组织适应性设计的基础，兵力组织的描述方法主要包括计算数学组织理论、图论和网络、多Agent系统、Petri网和信息理论。

1.1计算数学组织理论

计算数学组织理论［6］是一种采用计算和数学的方法对组织进行分析研究的新理论。为解决兵力组织适应性设计问题，卡耐基·梅隆大学的研究人员率先应用计算数学组织理论描述和分析战场兵力组织，提出了兵力组织描述的PCANS模型［7］。该模型将兵力组织的基本元素分为3类：决策个体、任务和资源，并利用矩阵描述这3种基本元素间的关系，如任务间的顺序关系、任务对资源的需求关系、决策个体之间的协作关系等。PCANS模型中包含了丰富的关于兵力组织的信息量，如谁拥有什么资源、负责什么任务、和谁进行协作，通过对这一模型进行拓展可以包含更为广泛的信息。

1.2图论和网络

图论和网络是以图的形式来描述兵力组织内部元素间的关系。澳大利亚学者Dekker［8］认为采用这种方式描述兵力组织不仅可以将组织内的各种关系可视化，还能方便地采用统计技术分析它们之间的相关性。国内研究人员在这方面也做了许多工作，如文献［9］提出了兵力组织网络模型的构建方法，文献［10］分别设计了树状层级型组织结构和跨层协同型组织结构的网络生成算法，文献［11］基于复杂网络理论对兵力组织网络模型的社团性、中心性等结构特性进行了分析。

1.3多Agent系统

Agent的概念来自于分布式计算领域，是一种具有自主性特点的计算实体，多Agent系统（Multi-Agent System，MAS）则是由多个Agent构成的一个有机整体。在复杂动态环境中，MAS中的各个Agent可以共同协作完成任务，达成一致的目的。因此，MAS与战场环境中的兵力组织具有一定的相似性。文献［12］构建了一种较为实用的指挥控制智能体模型，提出了指挥控制智能体对语义信息的处理方法。文献［13］把兵力组织划分成任务/角色/能力/智能体四层结构，在分析作战指挥决策基本流程的基础上建立了智能体的职责模型。文献［14］针对一些具体案例，如联合作战指挥决策、装甲合成营战斗等建立了MAS描述模型。

1.4Petri网

Petri网是一种描述和分析具有分布、并发、异步等特征系统的有效工具，在工业控制、系统集成、软件设计等领域都有十分广泛的应用。乔治梅森大学的Alexander等人［15］认为兵力组织主要由决策个体组成，他们将决策个体的状态分为态势评估、信息融合处理、任务处理、命令解释和响应选择5种，然后基于Petri网建立了单个决策个体的决策过程模型以及多个决策个体的交互模型。该方法在描述不同战场环境中的组织结构时，具有一定的稳定性，但是随着作战进程的变化，需要对相应的模型进行重构。国防科技大学的杨春辉博士［16］分析了组织中决策个体、指挥控制资源和作战任务的各种状态，并采用着色Petri网描述了这三者间的交互关系。

1.5信息理论

信息理论主要研究信息的运动规律，如信息的产生、处理和传递等。从信息论的角度看，兵力组织及其决策个体分别是信息系统和其中的信息处理单元。信息理论主要通过信息熵［17］来定量化描述组织的各种特征，如内部的凝聚力、相互依赖性、决策的不确定性等等。

2 兵力组织适应性设计方法

解决兵力组织适应性设计问题的方法主要有基于三阶段思想的适应性设计方法、基于粒度计算思想的适应性设计方法和基于扩展三阶段思想的适应性设计方法3种。由于兵力组织适应性设计问题包含两个子问题，即①根据预先已知的战场环境信息，如何从无到有地构造一个与该环境相适应的兵力组织，②当战场环境变化时，已经存在的兵力组织如何进行相应的动态调整，因此，兵力组织的适应性设计方法通常包括预先设计方法和动态调整方法两部分。

2.1基于三阶段思想的适应性设计方法

基于三阶段思想的适应性设计方法是康涅狄格大学的Levchuk等人［18-19］提出的一种经典设计方法，该方法在组织设计领域得到了广泛的应用。

2.1.1预先设计

Levchuk等人认为兵力组织中的实体主要包括任务实体、平台实体和决策实体。任务实体是由兵力组织的作战使命分解得到的子作战使命，各个任务实体间通常具有一定的时序依赖关系。平台实体是兵力组织中的资源载体，是直接处理任务的作战力量。决策实体是兵力组织中的指挥控制单元，负责组织中的决策、指挥控制、协调协作等事务。

对兵力组织进行设计需给出组织内部各种实体间的关系，如谁指挥控制谁、谁完成什么任务等等。由于兵力组织是一个复杂系统，一次性完整地设计整个兵力组织存在较大的困难，因此，Levchuk等人采用系统工程技术将兵力组织的设计分为3个子阶段以降低设计难度，如图1所示。

图1 三阶段组织设计方法

由于兵力组织存在的意义是完成其作战使命，故三阶段设计方法中首先进行的是任务-平台规划，即为各个任务分配合适的平台资源。文献［18］中建立了任务-平台规划模型，并提出了一种多维动态列表规划方法。三阶段设计方法中的第2阶段是根据制定好的任务-平台分配方案，设计决策实体与平台实体间的隶属关系，得到决策实体-平台配置方案。为此，Levchuk等人提出了一种平台聚类方法［19］，并给出了基于最小矢量距离聚类和基于最小工作负载聚类两种不同的聚类策略。三阶段设计方法的最后一步是根据决策实体-平台配置方案，确立决策实体间的等级层次结构。文献［19］以均衡各决策实体的工作负载为目标建立相应的数学模型，并采用了Gomory-Hu树生成算法来求解模型。

三阶段设计方法实质是将兵力组织的设计问题分解为3个相对简单的子问题，通过对3个子问题的迭代求解得到最终结果。这种设计思想的优点在于降低了复杂问题的求解难度，但缺点也同样明显，由于分解得到的3个子问题之间存在耦合性，分开求解将会造成最终得到的结果在一定程度上偏离最佳结果。为了克服该方法存在的不足，Pattipati等人［20］采用分组技术和嵌套遗传算法尝试将前两个阶段的问题合并求解，这样虽然能在一定程度上改善最终得到的结果，但是却必须忽略作战任务之间的时序依赖关系，而且求解的时间复杂度较高。

2.1.2动态调整

战场环境的不确定性要求兵力组织具有根据环境变化动态调整其组织结构的能力。调整后的组织结构虽然能更好地适应战场环境，但是在调整过程中，兵力组织将承受一定的性能代价。因此，Levchuk等人认为兵力组织的动态调整是在获得的收益和付出的代价之间进行权衡，权衡的结果将使得调整后的组织结构不一定是当前环境对应的最佳结构，但却是一个合理的结构。Levchuk等人［21］提出的兵力组织动态调整方法如下：

步骤1当前兵力组织的使命任务为M1，战时M1可能受到不确定性因素的影响而不断发生改变，这一过程记为M1→M2→…→Mn。根据三阶段设计方法预先设计若干种可用作调整的组织结构O1，O2，…，Om。

步骤2计算Oi与使命任务Mk的匹配程度pik以及组织结构从Oi调整变化为Oj时兵力组织需要承受的性能代价qij。根据pik和qij，采用维特比算法（Viterbi Algorithm）确定组织调整变化的最佳结构变迁路径。

2.2基于粒度计算思想的适应性设计方法

基于粒度计算思想的适应性设计方法是国防科技大学的修保新博士［22-23］提出的设计方法，同样可以分为预先设计方法和动态调整方法两部分。

2.2.1预先设计

修保新认为三阶段设计是一种自底向上的设计方法，当问题规模扩大时，该方法所得到的结果会在很大程度上偏离最优解，因此，基于粒度计算思想提出了一种自顶向下的设计方法。该方法首先在粗粒度层次上考虑问题，然后进入细粒度层次进行求解。基于粒度计算的组织设计方法如图2所示，其与三阶段设计方法的区别主要在于前两阶段的不同。

图2 基于粒度计算的组织设计方法

在第一阶段，该设计方法完成组织协作网的设计，即决定每个决策实体拥有哪些平台以及需要执行哪些任务。具体方法是将兵力组织的任务集和平台集粒化成相同数目的信息粒，然后根据任务粒对资源的需求为其配置相应的平台粒，一个决策实体负责执行一个任务粒中的所有任务并指挥控制相应平台粒中的平台资源。该设计方法在第二阶段制定兵力组织的任务-资源分配方案，得益于第一阶段中任务集和平台集的粒化以及任务粒和平台粒对应关系的确定，该阶段只需处理多个小规模的任务分配问题。该设计方法在第三阶段所做的工作与三阶段设计方法第三阶段中的工作类似。

2.2.2动态调整

兵力组织采用2.1.2节中Levchuk等人提出的动态调整方法必须能提前预测其使命任务可能发生的变化，而战场环境的复杂性使得这一条件难以满足，因此，这种动态调整方法的实用性不强。为了克服其不足，修保新提出了一种新的即时调整方法，具体如下：

步骤1当战场环境变化时，分析并计算组织结构进行调整时的适应性代价。

步骤2以最小化组织结构的适应性代价为目标，采用改进的基于粒度计算的组织设计方法构造出新的组织结构，然后将兵力组织从原来的结构调整到新结构。

2.3基于扩展三阶段思想的适应性设计方法

基于扩展三阶段思想的适应性设计方法是国防科技大学的阳东升等人提出的设计方法。

2.3.1预先设计

阳东升［24］认为组织结构只是组织的基本元素之一，除此之外，组织过程，即组织执行使命任务的流程也是组织的基本元素。因此，完整兵力组织设计应该包含结构设计和过程设计两部分内容。由于三阶段设计方法仅仅完成了组织结构的设计，于是阳东升在其基础上提出了扩展的三阶段设计方法，与传统的三阶段设计方法相比，扩展三阶段方法的主要区别是其加入了对组织过程的设计，如图3所示。

图3 扩展的三阶段组织设计方法

在该组织设计方法中，过程设计是建立兵力组织执行使命任务的过程策略，即根据己方可能的行动和行动可能导致对手的反应来制定己方的行动序列。文献［25］结合基于效果作战思想和马尔科夫决策过程，采用动态贝叶斯网络建立了兵力组织过程设计模型，并提出了相应的求解算法。该方法设计兵力组织结构的流程与传统的三阶段设计方法保持相同。

空军工程大学的张杰勇博士［26］对该框架中涉及的若干关键技术进行了研究，并取得了一定的成果。

2.3.2动态调整

2.2.2节中修保新提出的动态调整方法虽然能使兵力组织根据战场环境的变化进行即时调整，但是每一次的调整都将涉及整个组织结构的变化，导致组织的稳定性不高，在一定程度上降低了组织的作战效能。因此，牟亮等人［27］提出了组织分层调整的思想，即将组织结构划分为决策层和资源层两层，当战场环境改变时，性能受到影响的层面进行调整，考虑到层间具有一定的耦合性，故一层进行调整时要尽量减少对另一层性能的影响。

2.4兵力组织适应性设计方法存在的不足

虽然目前已经提出多种兵力组织的适应性设计方法，但是这些方法仍然存在以下几点不足：①这些设计方法最终构建的是优化的等级型兵力组织结构，与信息化条件下组织模式扁平化的发展趋势不符；②当前组织设计工作正由C2（Command and Control）向C3（Command，Control and Communication）的方向发展［28-29］，而目前的这些设计方法对组织指控结构如何设计讨论的较多，对组织通信结构如何设计关注的相对较少；③在对分解得到的子问题进行建模求解时，考虑的情形往往相对简单，设计的求解算法在性能上也还有待提高。

3 兵力组织效能评估方法

对兵力组织进行效能评估是发展、完善兵力组织适应性设计方法的重要手段。兵力组织效能评估方法通常分为理论评估和实验评估两类。

3.1理论评估方法

兵力组织效能的理论评估方法通常是借鉴多属性决策领域的研究成果，对组织的行动计划、指挥结构、信息流程等组织要素进行分析和评价。当决策人员在设计或调整组织的过程中得到多个可选方案时，采用合适的评估方法可以帮助决策人员更好地决策。

文献［30］提出了作战方案的评估指标体系，然后应用突变级数法对多个作战方案进行量化排序。文献［31］评估了兵力组织信息结构的效能高低，在采用灰色关联分析确定评估指标权重的基础上通过加权积模型综合各个指标。文献［32］从鲁棒性、适应性、复杂性和时效性4个方面度量兵力组织的整体效能，并结合层次分析法和模糊评判法设计了一种综合评价方法。文献［33］基于社会网络分析技术提出了兵力组织效能评估的FINC（Force，Intelligence，Networking and C2）方法，文献［34］对该方法进行了改进以提高该方法评估复杂环境中兵力组织效能的准确性。

3.2实验评估方法

兵力组织效能的实验评估方法主要是通过实验的手段测试兵力组织的作战效能，从而为组织设计理论的发展提供反馈和指导。兵力组织效能测试的平台包括DDD-III模拟器、Extend软件和兵力组织测试床。

DDD-III模拟器［35］是一种通用的分布式决策模拟器，可以为研究人员提供灵活可控的实验环境。在由DDD-III模拟器提供的测试环境中，当多人组成的团队执行合成任务时，团队成员可以进行态势评估、信息共享、行动计划、资源分配等复杂活动。美军为验证兵力组织设计理论而进行的系列A2C2实验［36］主要在DDD-III模拟器上完成。

Extend是一种通用仿真软件［37］，能够对连续、随机和离散系统进行建模和分析。采用Extend软件对兵力组织的效能进行实验测试时，首先要建立兵力组织的实体模型、结构模型和过程模型，定义兵力组织的效能测度指标，然后再利用Extend的离散事件模拟功能对兵力组织效能进行测试和分析。

兵力组织测试床［38］是国防科技大学研究人员开发的一种实验平台，能够为兵力组织效能评估提供虚拟的测试环境，可以对兵力组织的结构、过程策略，以及组织设计理论中的相关假设和约束进行检验。

4 结论

本文介绍了兵力组织的适应性设计问题，从兵力组织的描述方法、适应性设计方法和效能评估方法3个方面对该问题的研究进展进行了总结、归纳和分析，同时指出了当前研究中存在的不足。本文对于进一步开展兵力组织适应性设计问题的研究具有一定的参考价值和借鉴意义。

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Review of Adaptive Design Problem of Army Organization

SUN Yu1，YAO Pei-yang1，SUN Peng1，ZHANG Chao2
（1.School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710077，China；2.Unit 93609 of PLA，Huhehaote 010100，China）

Constructing an adaptable army organization is an important way to improve the battlefield confrontation advantage of our army.This paper reviewes the domestic and foreign research status of the adaptive design problem of army organization.The review is made from the following three aspects.The first are the organizational description methods including computation and mathematic organization theory，graph theory and network，multi-agent system，Petri net and information theory.The second are the organizational adaptive design methods including the adaptive design method based on the three-stage design idea，based on the granular computing idea and based on the extended threestage design idea.The third are the organizational efficiency evaluation methods including the theoretical evaluation method and the experimental evaluation method.These various methods are introduced and analyzed in detail in this paper and the shortcomings of these researches are summarized.

army organization，description method，adaptive design，efficiency evaluation

TP14

A

1002-0640（2016）11-0006-06

2015-09-10

2015-11-29

国家自然科学基金资助项目（61573017）

孙昱（1989-），男，江西吉安人，博士研究生。研究方向：指挥自动化工程、指挥信息系统。