不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法.pdf

（）指挥控制与仿真 引用格式：贾琦，吉琳娜，王肖霞，等不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法指挥控制与仿真，（）：，（）：不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法贾 琦，吉琳娜，王肖霞，杨风暴（中北大学信息与通信工程学院，山西 太原）摘 要：针对战场态势不确定、复杂繁多导致研判过程风险预测准确性差的问题，提出构建态势风险模型并构造风险可能性分布以实现对风险的精准预测。首先，从敌情、我情以及战场环境态势研判内容入手建立风险预测指标体系；其次，剖析态势信息对风险的作用方式，构建指数、型、正切等风险模型并计算风险取值区间；然后，以可能性理论中模糊函数构造法为基础，以权重差和不确定性测度为依托，在风险取值区间内构造风险可能性分布；最后，采用某防御任务实例，结合专家系统及云模型方法进行实验，验证了所提方法的可行性和合理性。结果表明，在风险预测时所提方法能够充分考虑态势信息的不确定性，为后续筹划决策制定提供了重要依据。关键词：作战筹划；不确定性；态势研判；可能性分布；风险预测中图分类号：文献标志码：，（，）：，；，；，：；收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；山西省基础研究计划项目（）；中北大学研究生科技基金（）作者简介：贾 琦（），女，硕士研究生，研究方向为战场态势感知等。通讯作者：吉琳娜（），女，博士，副教授，硕士生导师。态势研判作为作战筹划流程的重要环节，是在对作战任务充分理解的基础上，结合态势信息对敌情、我情以及战场环境进行研判并形成分析判断结论。对态势研判阶段风险进行预测可以辅助决策人员权衡利弊，减少由于分析判断结论的偏差产生的筹划失误，便于决策人员更加深刻、全面地感知战场局势，掌握作战主动权。而战场局势瞬息万变，使得态势信息充满不确定性，导致风险难以准确预测。因此，如何建立不确定性态势信息与风险间关系、剖析态势信息不确定性对风险的影响是能否实现精准预测的关键。目前研究大多利用层次分析法、模糊综合评价法以及灰色理论等方法实现对风险的预测，王楚利用模糊层次综合评价法探究了水利工程建造品质风险的评估值，并采用改进模糊层次分析法设计项目施工期质量风险；蔡志勇提出一种运用危险性分析法、德尔菲法、层次分析法、模糊综合评价法的复合性方法，为森林航空消防安全评估和作战方案辅助决策提供参考和支撑；王玮根据海上所开展的作战行动分析了海上编队的主要风险因素，并利用模糊综合评价法对作战方案风险进行评估；金永旵从导弹研制过程出发建立了导弹研制风险评估流程及指标体系，提出了一种基于多层次灰色系统理论的风险评估模型。这些研究实现了对风险的评估，但这些方法在一定程度上需 贾 琦，等：不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法第 卷依靠专家经验，并且不适用于解决风险因素不确定性问题对风险评估结果精准性的影响。可能性理论作为处理不确定性信息的一种重要数学工具，由于其适用于小样本处理以及能够将各种类型的不确定性信息（模糊性、不完备性、非精确性等）进行处理的特点而受到关注，目前在故障诊断、风险评估以及图像融合等方面获得了广泛运用。综上所述，本文首先从“三情”（敌情、我情及战场环境）研判内容出发构建态势研判风险预测指标体系，并对选取各风险的必要性进行描述；然后建立态势信息与风险间的定量关系，构建风险模型并计算风险取值区间；然后，利用态势信息的未确知性测度、模糊性测度以及不完整性测度在取值区间上构造风险可能性分布；最后，根据具体某防御任务背景，结合专家系统及云模型方法对所提方法进行验证，从而验证本文方法的可行性和有效性。态势研判风险预测指标体系建立根据作战筹划过程中态势研判内容，确定风险来源，具体如图 所示。图 态势研判风险来源 根据图 中风险来源建立对应的风险预测指标体系，如图 所示。图 态势研判风险预测指标体系 ）蓝方规模认定有误风险对蓝方规模进行认定是其态势研判中最重要的内容，战机、导弹数量及外部支援情况综合决定了其规模，若其规模认定有误，将会降低我兵力及资源配置的执行效果，造成防御不足或过度的后果。）红方防御能力不足风险在评判防御能力时，需要结合对方攻击能力进行博弈和对比，红方单元包括侦察预警、火力打击、电子对抗以及综合保障单元等，当单元能力不足以防御敌方进攻时，将会产生防御能力不足的情况。）未达到预期目标风险防御任务下达后，上级将会制定预期任务指标，包括预期目标安全率以及预期任务时长等，若在规定任务时长内未能达到预期目标，将会导致防御效果差，红方重要目标较易受到攻击，无法完成既定防御任务。）环境削弱防御能力风险防御能力除由自身火力资源配置决定外，还受战场环境的影响，当气象、电磁以及地形环境较恶劣时，将会在一定程度上阻碍火力打击以及机动等任务的执行，进而削弱整体防御能力。第 期指挥控制与仿真 态势研判风险模型的构建各风险发生往往不是由单一态势信息所决定，而是多个态势信息共同作用的结果；同时，由于态势信息与风险间关系多为非线性关系，增大了构建风险模型的难度，只有构建准确的风险模型，才能根据态势信息获得正确的风险取值区间，进而为后续风险可能性分布的构造奠定基础，实现准确预测态势和研判风险的目的，辅助指挥人员更精准地做出决策。蓝方规模认定有误风险 体现在我方获取的对方规模信息与打击我方重要目标时对方应出动规模不符，对方所需规模分为战机及导弹两种武器类型进行分析。假设其共出动 种战机及 种导弹，且各类战机只搭载一种导弹，型导弹的装药量为（单位：），则单发 型导弹可产生的毁伤半径 为（）其中，为毁伤系数，其取值与重要目标的材质有关，具体见表，为 型武器装药量对应的 当量，其关系为 。当对重要目标达到一定毁伤效果时，对方所需战机数量为目标（）其中，目标为重要目标的面积或表面积，为对方战机上可挂载的 型导弹的数量。表 取值 重要目标材质（）砂岩、石灰岩 含沙泥土 砖砌墙 混凝土 石建筑物 钢筋混凝土 对于非挂载导弹来说，所需数量为目标（）结合上述两方面分析，蓝方规模认定有误程度为 （）其中，和 分别表示我方获取到的对方出动的各类战机和导弹数量。此外，对方外部支援情况同样也会影响对其规模认定的准确性，通常情况下，外部支援情况不是可量化的数据，而是“强、中、弱”等语言术语类信息，当外部支援情况已知时，认定有误程度较低，则其引发的蓝方规模认定有误程度 如下式所示：，外部支援已知，外部支援未知（）综合以上分析，的风险模型如式（）所示：（）红方防御能力不足风险）侦察预警能力 覆盖能力 由自身侦察预警系统可提供的最大侦察半径 和任务侦察区域的半径 决定，即（）当 时取，表示覆盖能力充足。预警能力 由自身侦察预警系统对对方进攻目标的最短预警时间 和最短进攻时间 确定。当自身预警时间小于对方最短进攻时间时，红方将具有较充足时间进行防御部署，即，（）综合以上分析，采用理想点法对侦察预警能力进行计算，即 （）（）（）其中，（）分别表示、，且 。）火力打击能力 假设己方火力打击半径为，对对方命中概率为，平均射击时间为，对方武器飞行速度为，在掩护区域内对方武器被拦截了 次，基于排队论原理，己方火力打击武器对对方的拦截概率为 （）（）其中，若己方火力打击武器数量为，对方单位时间内进攻武器数量为，则 为 （）（）电子对抗能力 假设自身雷达干扰设备 对对方武器的干扰概率为，电子对抗系统可提供的最大干扰半径为，任务干扰区域半径为，干扰设备数量为，对方单位时间内进攻武器数量为，则 为 （）()（）贾 琦，等：不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法第 卷其中，表示干扰覆盖率，当 时取，表明己方可对本次任务干扰区域实现全覆盖。）综合保障能力 综合保障能力从机动灵活性进行评定，其为定性的语言术语类信息，自身存在模糊性，结合文献数据以及专家经验，给出对应能力取值区间，如表 所示。表 机动灵活性能力取值区间 等级能力取值区间（）高，机动灵活性中，低，随着各单元能力的增强，红方防御能力不足风险越小，则 的风险模型如式（）所示：，（），（）其中，红方综合能力为 ，且 ，分别表示、和 的权重。未达到预期目标风险 目标安全率是衡量作战中目标安全程度的指标，也是评价我方火力配系的重要指标之一，假设我方火力防御武器数量为，对方武器总数量为，我方火力打击能力为，电子对抗能力为，对方整体打击强度为 毁，为任务时长，则兵力比为 （）毁（）目标安全率与兵力比存在着一定的对应关系，随着兵力比增大，目标安全率也随之上升，其关系如下：安全，（）未达到预期目标程度是由实际防御任务执行情况与预期目标的偏离值衡量的，若预期目标安全率为，则目标安全率偏差值 为 安全，安全，安全（）随着 增大，未达成任务指标的可能性就越大，引发风险越大，则 的风险模型构建为（）环境削弱防御能力风险）气象环境利用能见度 和风速 评定气象条件的优劣，按照气象学等级划分标准对其进行等级划分，并确定其恶劣程度，具体如表 所示。表 气象环境等级划分及其恶劣程度 平均能见度 恶劣程度平均风速（）恶劣程度 ，依据表，得到气象综合恶劣程度为（）电磁环境电磁环境往往采用语言术语类信息进行评价，由于语言评定存在模糊性，利用区间数描述复杂度，具体如表 所示。表 电磁环境等级划分及其复杂度 电磁环境等级电磁复杂度 很复杂，比较复杂，一般复杂，）地形环境按照平均坡度和平均高程等级划分标准，分别对地形复杂程度进行划分并给出对应地形复杂度，具体如表 所示，地形越复杂，越阻碍机动任务的执行。表 地形环境等级划分及其复杂度 平均坡度（）复杂度平均高程 复杂度 ，依据表，得到地形综合复杂程度为第 期指挥控制与仿真（）（）当气象、电磁以及地形环境共同作用时，若、较大时，此时环境对防御能力的削弱呈现急剧增加趋势。因此，可选择变化速率大的凹函数对 进行描述，具体如式（）所示：（）（）其中，、和分别为气象、电磁以及地形环境的权重，且 。基于不确定性测度的风险可能性分布构造 可能性反映了风险发生的程度，在风险取值区间内不同风险值对应可能度是不同的，如何在确定的风险值区间内精准把握各风险值发生的可能度是亟须解决的问题。以可能性理论中的模糊函数构造法为基础，以权重差和不确定性测度为依托，建立一套针对风险可能性分布的构造方法，具体步骤如下：步骤：确定可能性分布类型可能度为 的风险值集合为“主值区间”，假设预测某风险需要 类态势信息，其中引发本次风险的态势信息数量为，未引发本次风险的态势信息数量为，各态势信息权重为，则权重差 为 （）若 ，说明造成风险的态势信息比重远远大于未造成风险的态势信息比重，此时风险有向上侧重的模糊趋势，选取偏大型分布（如 型分布）；若 ，说明此时造成风险的态势信息比重相当，此时风险的模糊趋势集中于局部，选取中间型分布（如矩形分布）；若 ，说明此时造成风险的态势信息比重远远小于未造成风险的态势信息比重，此时风险有向下侧重的模糊趋势，选取偏小型分布（如 型分布）。步骤：确定可能度变化趋势态势信息不确定性越大，可能度的变化情况就越复杂，不确定性包含未确知性、模糊性以及不完整性，具体如图 所示。图 态势信息不确定性组成 结合“熵”的相关理论计算未确知性测度如下：（）其中，（，），即造成风险态势信息中的区间型信息的权重和区间长度乘积之和。模糊性测度计算如下：（）其中，为造成各风险态势信息中定性语言术语类信息的权重。不完整性测度计算如下：（）其中，为造成风险态势信息中缺失项的权重。根据上述分析过程，可得到不确定性测度为 （）当 时，选取凸函数（对数、反正切等）描述可能性变化趋势；当 时，选取线性函数描述可能性变化趋势；当 时，选取凹函数（指数，正切等）描述可能性变化趋势。综上，根据上述步骤可构造出态势研判风险的可能性分布，其伪代码如下：算法：风险可能性分布构造输入：影响风险的态势信息，权重 输出：风险可能性分布类型，可能性变化趋势，可能性分布函数 ，贾 琦，等：不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法第 卷 实验及结果分析为验证方法的可行性，以某防御任务为例，对其态势研判风险进行预测，场景想定如下：假设对手计划对我方进行突袭，目的是摧毁我方某桥梁（钢筋混凝土材料，表面积为 ），迟滞我方行动，削弱其战斗力。上级部门要求我方在目标安全率达到 的前提下全力保卫桥梁，任务时长预计 ，防御任务是在以桥梁为中心，为半径的区域内进行，对手、我方以及战场环境的态势信息如表 表 所示。表 对手态势信息 态势信息具体数值 型战机 架，单架挂载 型 枚 型战机 架，单架挂载 型 枚 型导弹 枚，单枚装药量 型导弹 枚，单枚装药量 型导弹 枚，单枚装药量 最短进攻时间 单位时间内最大出动规模 个外部支援不明对我方整体打击强度表 我方态势信息 态势信息数值态势信息数值最大侦察半径 平均飞行速度 最短预警时间 干扰概率雷达干扰范围 机动灵活性低干扰设备数量 部 型战机 枚火力打击半径 型战机 枚命中概率 型导弹 架平均射击时间 型导弹 枚表 战场环境态势信息 态势信息数值平均能见度 平均风速 电磁环境不明平均坡度 平均高程 根据本文构建的风险模型，结合本次防御任务基本态势信息，计算各风险的取值区间，如表 所示。根据本次防御任务基本态势信息情况，利用第三节方法构造各风险的可能性分布。以 为例，由于本次防御任务中，敌外部支援信息已知，不会引发 的发生，敌战机及导弹数量与所需规模不符导致了 的发生，权重差 ，选取偏大型分布，且敌战机及导弹数量信息引发的不确定性测度 ，选取对数函数描述其变化趋势，其余风险的可能性分布构造过程不再赘述，具体可能性分布如图 所示。表 态势研判风险取值区间 风险项取值区间 ，图 态势研判风险可能性分布 由图 结果分析可知，本次防御任务中，最大，且风险有向上侧重的模糊趋势，这是由于本次作战中我方对敌方兵器及武器数量掌握情况均不明确，同时也说明我方未将重要目标情况作为认定敌规模的重要因素；较大且风险有向中间集中的模糊趋势，其诱因主要是任务时长较长，实际目标安全率较差，导致未达到预期目标；和 较小。需根据各风险产生的主要原因对自身的作战单元、兵力部署以及资源配置等进行适当调整，以减少态势研判过程可能引发的风险。验证实验：为了验证所提方法的合理性，邀请风险评估相关部门 位专家从图 中引发各风险的态势信息对风险的影响出发，对态势研判过程风险值进行评定，并利用 法得到各态势信息权重，具体如表 表 所示。第 期指挥控制与仿真 表 各态势信息权重 态势信息名称兵器数量 武器数量 外部支援 权重 表 各态势信息权重 态势信息名称侦察预警火力打击电子对抗综合保障权重 表 各态势信息权重 态势信息名称任务时长 目标安全率 权重 表 各态势信息权重 态势信息名称气象环境 电磁环境 地形环境 权重 位专家对各态势信息引发的风险值评分结果如表 所示。表 各态势信息引发风险评价值 态势信息 根据表 评价值，结合表表 中各态势信息权重计算风险值评定结果，如表 所示。表 态势研判风险值评定结果 风险项取值 通过结果对比发现，专家评定结果均落在本文方法计算出的风险取值区间内，且专家评定值均在各风险可能性分布的主值区间内，可证明本文方法的预测结果与专家评定结果较为契合，说明在实际评估过程中，本文方法具有一定的适用性，从而验证了本文构建的风险模型及可能性分布构造方法的合理性，能够实现对防御任务筹划态势研判风险预测的目的。验证实验：利用验证实验 中的态势信息权重及专家评定值，依据云模型对态势研判风险进行预测。首先生成云标尺、和，具体方法见文献；其次计算 的综合评估结果云，结果如表 所示，云图如图 所示。表 综合评估结果云 风险项结果云（，）（，）（，）（，）由图 可知，各结果云与本文方法中预测出的各风险取值区间基本吻合，与 云标尺的相似度较大，说明 有向风险较大一侧的模糊趋势，与本文方法中构造的 风险可能性分布特征相同；同样地，、和 的结果云与可能性分布的特征也相同，因而说明了本文风险可能性分布构造的合理性。结束语本文建立了态势研判风险预测指标体系，剖析了态势信息与风险间的关系，构建了风险模型；在风险区间上构造其可能性分布，将态势信息不确定性列入风 贾 琦，等：不确定条件下作战筹划态势研判风险预测方法第 卷图 综合评定结果云图 险预测过程中考虑；通过实验验证了本文方法的合理性和可行性，为我方指挥决策人员把握战局提供了重要依据，减少了后续决策的失误，为态势研判风险预测提供了新的方法。但在构建风险函数时考虑的基本态势信息不够全面和复杂，后续将在构建风险模型上进一步探究，思考态势信息作用于风险更细化的方式，提升风险模型的合理性。参考文献：杜思良，韩东 基于目标态势的陆战场情况分析判断技术 指挥控制与仿真，（）：，（）：王楚 基于模糊层次综合评价法的水利施工质量风险评估研究 水利科学与寒区工程，（）：，（）：蔡志勇，吕惠，周睿，等 森林航空消防风险与作战方案的综合模糊评估 中国安全生产科学技术，（）：，（）：王玮，余家祥，杨绍清，等 信息化海上编队作战决心方案风险评估 系统工程与电子技术，（）：，（）：金永旵，王亮 基于多层次灰色模型的导弹装备研制风险评估方法 兵器装备工程学报，（）：，（）：，杨风暴，吉琳娜，王肖霞 可能性理论及应用 北京：科学出版社，：，（），：姜星，杨风暴，王肖霞 可能性理论与 相结合的尾矿坝风险决策方法 中国科技论文，（）：，（）：，：谢苏明，毛万峰，李杏 关于作战筹划与作战任务规划 指挥与控制学报，（）：，（）：王敬华，干代武，朱雪平 点状保卫目标的空袭规模预测模型 火力与指挥控制，（）：，（）：赵鹏蛟，李建国，李红霞，等 基于 算法的要地防空兵力机动部署优化方法 火力与指挥控制，（）：，（）：第 期指挥控制与仿真 罗金亮，王玺 防空导弹网络化作战体系结构及效能评估 战术导弹技术，（）：，（）：张萌 地形可通行性分析研究 西安：长安大学，：，（）：董鹏，张其霄，史博元，等 基于云模型的战时海上运输风险评估研究 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