張慧文，鮑廣宇，張 義

(解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，江蘇 南京 210007)

全面、準(zhǔn)確、及時的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力可使指揮員更好地了解戰(zhàn)場環(huán)境、敵我部署及作戰(zhàn)意圖，為掌握制信息權(quán)提供保證。柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)是軍隊通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容，而態(tài)勢感知反映了柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進行信息搜集、處理和分發(fā)以形成統(tǒng)一態(tài)勢的能力，具有重要的研究價值。

本文應(yīng)用信息質(zhì)量描述、Logistic方程等分析方法，分別從信息域和認(rèn)知域?qū)鸥窕畔⒒A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的單個感知單元的態(tài)勢感知能力進行了量化建模，給出了單節(jié)點態(tài)勢感知能力評估的一般描述方法，為建立多節(jié)點的共享態(tài)勢感知能力評估模型奠定了基礎(chǔ)。

1 柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知能力構(gòu)成

柵格網(wǎng)是能夠根據(jù)不同人員的要求，收集、處理、存儲、分發(fā)和管理信息能力的信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，其主要特征是“網(wǎng)系互連、信息服務(wù)”。柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為各軍事用戶信息系統(tǒng)的開發(fā)、運行提供基礎(chǔ)支撐環(huán)境，能夠滿足全軍各級指揮人員、作戰(zhàn)人員和保障人員的信息獲取、傳輸、處理、存儲、分發(fā)、應(yīng)用、管理和安全的需要，是信息化戰(zhàn)爭中奪取信息優(yōu)勢、決策優(yōu)勢和戰(zhàn)場優(yōu)勢的關(guān)鍵。如圖1所示，其主要能力包括:一體化網(wǎng)絡(luò)通信能力、柵格化計算與存儲能力、網(wǎng)絡(luò)化信息服務(wù)能力和體系化安全保障能力等。

圖1 柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力組成

其中，態(tài)勢感知(Situational Awareness)能力是網(wǎng)絡(luò)化信息服務(wù)能力的組成部分，在柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色。態(tài)勢感知是指在廣闊的環(huán)境中去感知人們所關(guān)心的一切有用的元素，理解它們的意圖，并且能夠以最快速度識別出它們的身份 。柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通過感知單元進行態(tài)勢感知，其過程包含感知、理解和預(yù)測三個步驟，其具體能力構(gòu)成如圖2所示。

圖2 態(tài)勢感知過程及能力構(gòu)成圖

其中，真實態(tài)勢為目標(biāo)元素真實的態(tài)勢情況，輸出態(tài)勢為經(jīng)過一系列感知過程后，系統(tǒng)輸出的態(tài)勢情況，與真實態(tài)勢之間存在一定的偏差。完整的態(tài)勢感知需要經(jīng)歷感知、理解和預(yù)測三個步驟，其中感知層是信息從物理域到信息域的流動，體現(xiàn)為信息域能力;理解層和預(yù)測層是信息從信息域到認(rèn)知域的流動，體現(xiàn)為認(rèn)知域能力。這幾個層次環(huán)環(huán)相扣，共同構(gòu)成了態(tài)勢感知過程;而與之對應(yīng)的態(tài)勢感知能力的質(zhì)量，則決定了輸出態(tài)勢與真實態(tài)勢的一致程度。因此，如何定量地衡量態(tài)勢感知能力，將為后續(xù)的指揮決策和作戰(zhàn)效果評估提供重要依據(jù)。

2 態(tài)勢感知能力評估

目前對于態(tài)勢感知能力的評估主要從信息域與認(rèn)知域兩個方面進行，其中信息域是衡量當(dāng)前掌握的態(tài)勢信息與實際戰(zhàn)場態(tài)勢信息的吻合程度;認(rèn)知域主要衡量指揮員對當(dāng)前態(tài)勢的認(rèn)知及推斷與真實態(tài)勢的一致程度，屬于高層次感知。本文將分別從信息域和認(rèn)知域?qū)B(tài)勢感知能力進行評估。

2.1 信息域態(tài)勢感知能力指標(biāo)評估

一般來說，無論是戰(zhàn)場真實態(tài)勢還是相對應(yīng)的感知層的輸出態(tài)勢，都可以用目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)特征、目標(biāo)時間三要素來描述［2］。因此，在分析信息域態(tài)勢感知能力時，根據(jù)作戰(zhàn)實際需要和特點，選取信息質(zhì)量的完備性、準(zhǔn)確性和時效性作為信息能力評估指標(biāo)。現(xiàn)有文獻在建立評估指標(biāo)時往往存在以下問題:沒有區(qū)分不同對象的重要程度，不同指標(biāo)沒有歸一化，所需的參數(shù)在實際應(yīng)用中很難獲取等［2，9，10］。本文針對上述問題進行了改進，通過衡量真實態(tài)勢和輸出態(tài)勢之間三個要素的吻合程度，對不同的對象賦予不同權(quán)重，以此來構(gòu)建態(tài)勢感知能力評估模型。

1)完備性

完備性是指在特定的任務(wù)區(qū)域內(nèi)，感知態(tài)勢中的目標(biāo)數(shù)量與真實態(tài)勢中實際目標(biāo)數(shù)量的吻合程度。

目標(biāo)往往按重要程度劃分為不同等級，假設(shè)在規(guī)定任務(wù)區(qū)域內(nèi)，存在N個不同等級的目標(biāo)。假設(shè)某次任務(wù)中，由感知信息表明任務(wù)區(qū)域內(nèi)存在敵方目標(biāo)，其中一級目標(biāo)E1個，二級目標(biāo)E2個，…N級目標(biāo)EN個;而戰(zhàn)場感知態(tài)勢中正確感知了其中的一級目標(biāo)E'1個，二級目標(biāo)E'2個，…N級目標(biāo)E'N個，則此次任務(wù)中態(tài)勢感知的完備性β可定義為

式中，a1，a2，…aN依次為一級目標(biāo)、二級目標(biāo)、…N級目標(biāo)在戰(zhàn)場態(tài)勢感知完備性中所占權(quán)重。

2)準(zhǔn)確性

準(zhǔn)確性是指在特定任務(wù)區(qū)域內(nèi)戰(zhàn)場態(tài)勢感知中敵方目標(biāo)的特征與真實目標(biāo)特征相吻合的程度。

用目標(biāo)的信息特征向量表示其在某次任務(wù)中的狀態(tài)。假設(shè)Gj、Pj分別表示第j個目標(biāo)在真實態(tài)勢和輸出態(tài)勢中的特征向量，那么Gj和Pj可分別表示為:

其中，特征向量中的元素為第j個目標(biāo)的位置、速度等特征，k為第j個目標(biāo)的第k個特征參數(shù)，n為第j個目標(biāo)特征參數(shù)的個數(shù)。那么，該目標(biāo)真實態(tài)勢中的特征向量與輸出態(tài)勢中對應(yīng)目標(biāo)的特征向量的偏差定義為

輸出態(tài)勢中第j個目標(biāo)的特征向量與真實態(tài)勢中對應(yīng)目標(biāo)的特征向量的平均偏離程度γj可定義為

假設(shè)某次任務(wù)的輸出態(tài)勢中已正確發(fā)現(xiàn)了M個敵方目標(biāo)，分屬于N個不同等級，那么輸出態(tài)勢的平均準(zhǔn)確性γ定義為

其中，bi為i級目標(biāo)在戰(zhàn)場態(tài)勢感知準(zhǔn)確性中所占的權(quán)重;Ji表示第i級目標(biāo)，|Ji|表示第i級目標(biāo)總個數(shù)。

3)時效性

時效性描述的是信息獲取時間滿足本任務(wù)時間要求的程度。戰(zhàn)場作戰(zhàn)機會轉(zhuǎn)瞬即逝，因此信息獲取得越快，就越能被及時地處理，時效性越高。這里不考慮信息過載的問題。

顯然，若信息獲取過程沒有任何延時(即延時為0)，則時效性最好，其值等于1;隨著延時增加，時效性將逐漸降低;當(dāng)延時超過了完成任務(wù)的時間要求，則失去了作戰(zhàn)機會，時效性為0。因此根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)設(shè)定一個臨界時間段T，當(dāng)信息延時超過這個臨界值，信息就沒有任何作戰(zhàn)意義。設(shè)系統(tǒng)完成某一任務(wù)的延時為Δt，η表示信息系統(tǒng)的時效性，則定義

其中，為了保證作戰(zhàn)的有效性，令0≤Δt≤T。

2.2 認(rèn)知域態(tài)勢感知能力評估模型

感知單元在認(rèn)知過程中，通過對前期收集到的信息進行理解，得到對戰(zhàn)場情況的了解，再對敵方意圖和對抗態(tài)勢進行判斷［1］。以往對認(rèn)知域態(tài)勢感知的研究，有的對關(guān)鍵元素進行定義，并采用形式化語言對角色和任務(wù)等進行描述［3］，也有的將態(tài)勢感知過程看作是由信息生成知識的過程，用信息論等方法對知識生成機制進行說明［4］。但這些方法都沒有與信息域態(tài)勢感知過程進行有效融合。

由于認(rèn)知的動態(tài)演化過程具有Logistic過程的特征［5-7］，本文使用Logistic方程建立單個感知單元的態(tài)勢感知模型，通過對認(rèn)知域態(tài)勢感知質(zhì)量進行量化，來描述態(tài)勢感知能力。影響認(rèn)知域態(tài)勢感知質(zhì)量的主要因素包含感知單元的能力素質(zhì)、前端獲取的信息質(zhì)量(包括信息的完整性、準(zhǔn)確性和時效性)等［8-10］。因此，可以將認(rèn)知域態(tài)勢感知質(zhì)量視為時間t的函數(shù)，與信息域?qū)B(tài)勢感知能力評估的三個指標(biāo)相結(jié)合，建立感知單元的態(tài)勢感知模型。

描述認(rèn)知域態(tài)勢感知能力最重要的元素是感知單元的認(rèn)知能力，它直接決定了認(rèn)知域能力的變化，這里假定感知單元的認(rèn)知能力不變。由于時效性η僅作用于信息域，在描述認(rèn)知域態(tài)勢感知能力時，本文認(rèn)為時效性滿足需求，故本文假定在某次作戰(zhàn)任務(wù)中，信息域已在時效性要求內(nèi)獲取到了足夠的信息，即輸入感知單元的信息準(zhǔn)確性和信息完整性已有了確定的取值。將認(rèn)知能力、信息準(zhǔn)確性和信息完整性作為參數(shù)建立Logistic方程，得到t時刻的態(tài)勢感知質(zhì)量:

式中各參數(shù)的意義如下。

α為感知單元的認(rèn)知能力。α可以用感知單元得出正確態(tài)勢感知的概率表示，因為人對事物的認(rèn)識必然存在局限性，不能100% 正確理解態(tài)勢，故有α∈［0，1)。

β為感知單元獨立獲得的信息完整性，即感知單元獨立獲得的信息中，對完成任務(wù)有用的部分占任務(wù)所需要全部信息的比例。β∈［0，1］即認(rèn)為感知單元獨立獲得的信息對完成任務(wù)而言可能是不完全的。

γ為感知單元獨立獲得的信息準(zhǔn)確性。信息獲取技術(shù)有一定限制，信息不可能完全正確，故有γ∈［0，1)。

d為曲線的平移距離，其作用是確定曲線在t=0時的取值。

式(4)中t為自變量，S(t)的值隨t的增加而增加。在具體的戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)下，態(tài)勢感知過程有時間限制。信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知域態(tài)勢感知能力，可以通過該時限之內(nèi)的S(t)最大值反映，S(t)最大值越大，說明認(rèn)知域態(tài)勢感知能力越強，其最大值與式中各參數(shù)取值有關(guān)。由式(4)可知，αβγ共同決定了感知單元在獨立情況下能夠達到的最大態(tài)勢感知質(zhì)量，同時也決定了達到該最大態(tài)勢感知質(zhì)量的速度。

綜合上文的分析，信息域和認(rèn)知域態(tài)勢感知能力評估流程如圖3所示。

圖3 信息域和認(rèn)知域態(tài)勢感知能力評估流程

從圖3中可知，經(jīng)過信息域態(tài)勢感知，系統(tǒng)獲得信息的完整性β、準(zhǔn)確性γ和時效性η得到衡量;將認(rèn)知能力α，以及β和γ代入認(rèn)知域感知能力評價公式，即可得到認(rèn)知域態(tài)勢感知能力的評價結(jié)果。

3 仿真分析

為驗證上述態(tài)勢感知評估模型的有效性，下面對態(tài)勢感知質(zhì)量的變化情況進行仿真。

在一次作戰(zhàn)任務(wù)中，假設(shè)在任務(wù)區(qū)域內(nèi)共有兩級目標(biāo)，其中一級目標(biāo)5個，二級目標(biāo)4個，即E1=5，E2=4;感知單元正確感知到了一級目標(biāo)和二級目標(biāo)各3個，即E'1=3，E'2=3。一、二級目標(biāo)在戰(zhàn)場態(tài)勢感知完備性中所占權(quán)重分別為a1=0.6，a2=0.4;兩級目標(biāo)在戰(zhàn)場態(tài)勢感知準(zhǔn)確性中所占的權(quán)重分別為b1=0.7，b2=0.3。設(shè)定完成此任務(wù)的臨界時間段T=60s，感知單元獲取信息經(jīng)歷的時間為Δt=30s。令感知單元的認(rèn)知能力α=0.8。

根據(jù)式(1)描述的完備性評估模型，完備性為

假設(shè)感知到的這6個目標(biāo)的真實態(tài)勢和輸出態(tài)勢中的歸一化特征向量如表1所示。根據(jù)兩級目標(biāo)在戰(zhàn)場態(tài)勢感知準(zhǔn)確性中所占的權(quán)重，由式(2)描述的準(zhǔn)確性定義，準(zhǔn)確性為

表1 各目標(biāo)真實態(tài)勢和輸出態(tài)勢的歸一化特征向量值

根據(jù)式(3)，時效性為

由于α=0.8，結(jié)合上述對β和γ的計算值，根據(jù)logistic方程畫出態(tài)勢感知質(zhì)量隨時間變化的趨勢圖，見圖4。隨著時間t的增加，態(tài)勢感知質(zhì)量逐漸提高，且上升速度呈現(xiàn)緩—疾—緩的變化趨勢，符合人對事物的認(rèn)知過程。

圖4 態(tài)勢感知質(zhì)量隨時間變化趨勢圖

下面對β和γ取不同值，計算不同條件下的信息域態(tài)勢感知能力和認(rèn)知域態(tài)勢感知能力，并進行對比分析，參考不同參數(shù)對認(rèn)知域態(tài)勢感知能力的影響。取α=0.8，當(dāng)γ=0.61時觀察β取不同值，以及當(dāng)β=0.66時觀察γ取不同值時，態(tài)勢感知質(zhì)量S(t)值的變化情況。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 參數(shù)取不同值時態(tài)勢感知質(zhì)量變化趨勢

可以看出，準(zhǔn)確性β和完整性γ同時決定態(tài)勢感知質(zhì)量和及上升速度。當(dāng)完備性β的值較大時，最終的態(tài)勢感知質(zhì)量較大，同時也較快地達到這一最終值，反之亦然;同理，對于準(zhǔn)確性γ可以得到相同的結(jié)論。

從仿真結(jié)果可以看出，基于Logistic方程的認(rèn)知域態(tài)勢感知能力模型能夠正確反映感知單元的認(rèn)知能力、信息準(zhǔn)確性和信息完整性對感知質(zhì)量的影響，驗證了模型的合理性。同時，信息域和認(rèn)知域的態(tài)勢感知能力指標(biāo)都融合在同一公式中。這對于分析更復(fù)雜的問題，如多節(jié)點共享態(tài)勢感知問題時，能夠提供清晰的思路和便利的分析方法。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合信息化戰(zhàn)爭的特點，分別從信息域和認(rèn)知域?qū)鸥窕畔⒒A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點的態(tài)勢感知能力進行了建模與分析。在信息域，通過目標(biāo)數(shù)量、目標(biāo)特征、目標(biāo)時間三要素對態(tài)勢感知能力進行評估，給出了量化模型;在評估認(rèn)知域態(tài)勢感知能力時結(jié)合信息域評估指標(biāo)，建立Logistic態(tài)勢感知方程，描述不同參數(shù)對態(tài)勢感知質(zhì)量的影響。

仿真結(jié)果表明了感知單元的認(rèn)知能力和信息準(zhǔn)確性以及信息完整性與態(tài)勢感知質(zhì)量的最大值和上升速度成正比。該方法為柵格化信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢感知能力評估提出了一種新的思路，并為建立多節(jié)點共享態(tài)勢感知能力評估模型奠定了基礎(chǔ)。

［1］史越東.指揮決策學(xué)［M］.北京:解放軍出版社，2005.

［2］聶忠，黃高明，李仙茂.海戰(zhàn)場賽博空間態(tài)勢感知能力定量分析［J］.艦船電子對抗，2011，34(6):39-41.

［3］劉曉平，石慧，毛錚強.基于信息可視化的協(xié)同感知模型［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2006，27(11):24-30.

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

［5］陳立新.防空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化體系效能評估［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［6］張瑞龍，李敏勇.合作團隊中決策者的態(tài)勢認(rèn)識［J］.艦船電子工程，2008，28(5):70-74.

［7］費愛國，王新輝.信息優(yōu)勢的度量與效能評估［M］.北京:軍事科學(xué)出版社，2006.

［8］王欣，姚佩陽，周翔翔，等.Logistic方程在協(xié)同態(tài)勢感知效能分析上的應(yīng)用［J］.電光與控制.2011，18(10):6-10.

［9］施慧杰，顧浩，杜陽華.海戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力的度量方法研究［J］.指揮控制與仿真，2010，32(3):28-35.

［10］何寶民，董文洪，沙基昌.軍用信息系統(tǒng)能力評價方法研究［J］.指揮控制與仿真，2008，30(1):89-92.