CN110598173B - 基于运用效能的作战系统操作行为分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运用效能的作战系统操作行为分析方法，将作战运用效能表现量化，确定运用效能信号；采用极限测试法确定作战系统响应函数，推算逆系统响应函数；根据作战运用效能信号和逆系统响应函数，确定总体操作信号；从总体操作信号中分离出不同属性的操作信号；将不同属性的操作信号与对应的正常操作信号比较，找出异常的属性操作及其变化值。本发明对作战系统的人员操作行为进行解析化分析，提升了分析的便捷性和准确性，能够为后续操作行为调整，提升运用效能提供更加精准的参考意见。

Description

基于运用效能的作战系统操作行为分析方法

技术领域

本发明涉及作战系统运用效能分析技术，具体涉及一种基于运用效能的作战系统操作行为分析方法。

背景技术

作战运用效能是指在预期的环境中，不同人员进行操作时，作战系统完成任务的总体水平。武器系统作战运用效能不仅与系统中武器装备的具体构造、参数有关，还与人的编制体制、组织架构和实战中不同属性操作人员的实时操作有紧密的关系。在实际作战中，系统内部的参数不易发生变化，系统作战运用效能的改变主要源于操作人员的行为，人员的操作不同，作战系统的效能表现就有不同，操作行为如若受到干扰，对于某些属性的操作会减弱或失效，进而造成作战系统运用效能的降低。在战场上系统的效能表现可以从外部进行观察，但内部的运行机制、人员操作行为，不易监测。如果能够根据系统的异常效能表现，对某些属性人员异常操作行为进行分析，就能够迅速判断异常效能的影响根源所在，从而进行相应的调整。通常，针对作战系统操作行为分析较为困难。当前对操作行为分析大多基于专家系统得到一个定性的结论，无法细致地对不同属性操作行为进行解析化的评价和分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于运用效能的作战系统操作行为分析方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于运用效能的作战系统操作行为分析方法，通过构建一个线性响应可逆系统，实现操作行为的解析化分析，具体包括如下步骤：

步骤1：将作战运用效能表现量化，确定运用效能信号；

步骤2：采用极限测试法确定作战系统响应函数，推算逆系统响应函数；

步骤3：根据作战运用效能信号和逆系统响应函数，确定总体操作信号；

步骤4：从总体操作信号中分离出不同属性的操作信号；

步骤5：将不同属性的操作信号与对应的正常操作信号比较，找出异常的属性操作及其变化值。

步骤1中，对摧毁敌军类型设置不同的权重，并结合数量进行叠加计算，用叠加的结果来表征作战运用效能，按照上述方法获得不同时刻的作战运用效能后，拟合得出运用效能信号曲线。

步骤2中，首先采用极限测试法对作战系统全部属性进行规范化操作，检测作战效能信号，拟合得到的解析表达式即为系统冲击响应函数h(t)，然后根据系统与其逆系统响应函数的关系h(t)*h′(t)＝δ(t)，得到逆系统响应函数h′(t)。

步骤3中，将运用效能信号y(t)与逆系统响应函数h′(t)进行卷积，即可得到总体操作信号f(t)＝y(t)*h′(t)。

步骤4中，将总体操作信号f(t)经过傅里叶变换，得到频域上的特征曲线

即不同属性操作的分布；根据各属性操作的频率设置不同带通滤波器，获取不同的频率分量，对各频率分量进行傅里叶逆变换，即得表征不同属性操作的三角函数谐波：/>

其中f_n(t)为n属性操作行为的时域信号，F_n(w)为n属性操作行为的频域信号。

步骤5中，将不同属性的操作信号与对应属性的正常操作信号的幅值c_n和相位值

进行比较，对应偏差大于设定阈值的属性即为造成效能变化的主要操作行为。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：对作战系统的人员操作行为进行解析化分析，提升了分析的便捷性和准确性，能够为后续操作行为调整，提升运用效能提供更加精准的参考意见。

附图说明

图1是本发明作战系统输入输出关系的示意图。

图2是本发明作战系统及其逆系统的关系示意图。

图3是本发明作战系统操作行为分析的方法流程图。

图4是本发明实施例中正常运用效能的示意图。

图5是本发明实施例中异常运用效能的示意图。

图6是本发明实施例中全属性异常操作的信号示意图。

图7是本发明实施例中全属性异常操作的信号频谱图。

图8是本发明实施例中各属性操作的信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

为了便于理解方案，本发明用一个输入输出系统来刻画操作行为与作战运用效能表现的关系，如图1所示，该系统中操作行为为输入，作战运用效能表现为输出。下面详细分析作战系统的特性。

特性1：对于一个作战系统，当对作战系统没有进行操作时，默认其不产生任何效能表现，只有在进行操作后，系统才会发挥出相应的效能。因此作战系统输入输出关系符合因果系统特性。

特性2：在某作战系统中，单人操作某型武器能对a个敌人造成杀伤，两人各操作一个该型武器可对2a个敌人造成杀伤。实际作战过程中，在其它情况不变的前提下，与单人进行某个属性的操作相比，多人进行该属性操作时作战系统运用效能表现也呈相同的倍数增长。因此作战系统的运用效能对属性操作的输入输出关系满足齐次性。

特性3：对作战系统进行不同属性的操作，同时进行操作与分时进行操作相比，作战系统运用效能相同。因此作战系统的运用效能对属性操作的输入输出关系满足叠加性。

由于作战系统具备叠加性和齐次性，可以将复杂的操作行为按照系统中不同属性分解为简单的操作行为的叠加。这种分解有利于下一步对复杂操作行为进行简单的解析化分析。

特性4：若作战系统在操作过程中，其内部参数属性不随时间发生变化，且操作行为也与起始时间无关，则在不同时刻对作战系统进行相同操作，产生的运用效能也相同。因此作战系统的运用效能对属性操作的输入输出关系满足时不变性。

根据上述特性，以操作行为作为输入，以运用效能作为输出的作战系统满足线性时不变系统的特性。

在实际战场中，对作战系统的操作不是一次性的，在整个战争周期内，对某个属性的基础操作是重复进行的，且不同属性的操作重复次数也各不相同。例如战场中某坦克有两个可操作的属性：射击属性和通信属性。射击属性要求操作火炮对敌进行射击。通信属性要求操作电台与友邻单位进行通联。假设火炮每分钟射出一发炮弹，电台每20秒实现一次通联，则对这两种属性的操作按各自的频率重复进行。此处进行了一定的简化，即假定对某属性的操作方式和强度不随时间改变。根据这些特性，可以提出特性5：对作战系统某一属性的操作行为是平稳的和周期性的，可以用不同的周期或频率代表不同的属性。

由于频率是一个连续变量，因此用频率值来刻画属性操作，实现对各个属性操作的差异性度量。根据特性5，可以用周期性的三角函数

来刻画某个属性的操作行为，其中nw₀代表该属性的固有频率，不同属性操作用不同的频率值刻画。w₀为基础频率，改变不同的n值时谐波函数具有不同的频率值。n为重要程度权重，属性操作的重要程度不同，分配的重要程度权重n不同，可以根据专家评判法得出不同属性操作的重要性排序。由于越接近基频的低频成分越能刻画信号的主体趋势，因此将低频值或较小的n值赋予较为重要的属性操作。值得注意的是，当n＝0时该函数为直流分量，即该属性操作不随时间变化，始终保持稳定的操作状态。c_n代表这个属性操作的强度，用来度量该属性操作行为的峰值。仍以坦克为例，在对射击属性的操作过程中，摁下击发按钮则是整个射击周期的峰值行为，可以根据战场实际设定一个具体的值来衡量这一峰值行为的影响，c_n值越大表示该属性操作行为对作战运用效能影响越大。/>

代表该属性操作行为的初始状态，若/>

则说明这个属性开始操作时就处于峰值状态。

根据齐次性和叠加性，对整个系统进行多属性操作的行为可以用一输入信号f(t)来表示：

对于作战系统的参数属性，其完成构造后这些具体的参数也就确定。以坦克作为一作战系统，重量、车长、最高时速、火炮口径等一切能描述其特性的参数都属于其固有的参数属性。从系统的角度来看，作战系统的参数属性也能体现输入输出之间的关系特性，因此若想定量化衡量作战系统的参数属性，刻画输入与输出关系的特性，可以采取极限测试的方法。即以全员全装理想化的操作行为作为输入，此时系统的效能输出就可以体现该系统的参数和属性。

以频率w代表某种基础属性的操作，全员全装的理想操作行为，即为包括所有频率的输入信号。在信号与系统中冲激响应信号δ(t)具有相似的特征，其在时域上的定义为：当t＝0时，δ(t)＝∞；当t≠0时，δ(t)＝0，并满足

经过傅里叶变换其频域特征为：/>

其频域特征包含所有频率，且都为一个固定值1。因此可以将冲激响应信号作为系统输入，此时系统的输出即为系统响应函数h(t)，其刻画了作战系统的内在参数属性。

对于一个线性系统，输入信号、系统响应函数和输出满足卷积关系。因此，在作战系统中，操作行为、系统内部参数属性和运用效能响应也满足卷积关系。若用输出信号y(t)代表系统运用效能，则运用效能、系统内部属性和操作行为之间的关系式为：

每种时域信号均有频域特征，因此其在频域上的关系式为：

Y(w)＝H(w)·F(w)

其中Y(w)、H(w)、F(w)分别为运用效能输出y(t)、系统内部参数属性h(t)和人员操作行为f(t)的傅里叶变换。频率w代表了特定的属性操作，频域上的关系式反映了不同属性操作对运用效能输出的影响。时域上通过y(t)值的大小，可以量化作战系统运用效能的优劣。同时还可根据实际的经验和效能表现，结合y(t)设定摧毁阈值。当运用效能y(t)值大于摧毁阈值时，实际表现为摧毁敌方目标，即达成作战目的。

通常在实际战场中，对作战系统操作不同，系统所发挥出的运用效能也有所不同，操作与运用效能存在一一映射的关系。在前文所构建的模型中，不同的输入信号就有不同的输出响应。因此提出特性6：作战系统是可逆系统。

对于任意一个可逆系统，当原系统与其逆系统进行级联组合后，输出信号与输入信号保持一致。其实际意义是：输出运用效能通过一个对应的逆系统，就可以得出操作行为，如图2所示。

逆系统同样也是一个线性响应系统，因此满足：

f(t)＝y(t)*h′(t)＝f(t)*h(t)*h′(t)

因此可得出两个系统的响应函数的关系式：

h(t)*h′(t)＝δ(t)

在频域上有关系式：

H(jw)·H′(jw)＝1

其中H(w)、H′(w)和1为h(t)、h′(t)和δ(t)的傅里叶变换。根据上述公式可以看出，根据作战系统的内部属性可以得出逆系统的响应函数，进而根据监测的运用效能表现，可以得出相应的操作行为。

综合作战系统的特性，本发明提出一种作战系统操作行为分析方法，通过构建一个线性响应可逆系统，实现操作行为的解析化分析，如图3所示，具体包括如下步骤：

第一步：将作战运用效能表现量化，基于时间变化进行描点，拟合运用效能信号；

具体方法：首先要对作战运用效能的表现进行合理的量化。可以对摧毁敌军类型设置不同的权重，并结合数量进行叠加计算，用叠加的结果来表征作战运用效能。例如，设定摧毁敌军一辆车获得5单位的作战运用效能；杀伤敌军一个士兵获得1单位的运用效能。t₁时刻作战系统造成敌军1辆车损毁和2个士兵伤亡，经过简单叠加该时刻作战系统获得的作战运用效能为：

y(t₁)＝5+2＝7

按照相同的方法获得不同时刻的作战运用效能。经过拟合可以得出运用效能的信号曲线y(t)。

第二步：采用极限测试法确定作战系统响应函数h(t)，推算得出逆系统响应函数h′(t)；

具体方法：采用极限测试法对作战系统全部属性进行规范化操作，检测出该情况下作战效能曲线，对该曲线进行拟合得到的解析表达式即为系统冲击响应函数h(t)，根据系统与其逆系统响应函数的关系公式h(t)*h′(t)＝δ(t)，可以得到逆系统响应函数h′(t)。

第三步：根据作战运用效能信号和逆系统响应函数，确定总体操作信号；

具体方法：将运用效能信号与逆系统响应函数进行卷积，即可得到总体操作信号波形f(t)＝y(t)*h′(t)。

第四步：从总体操作信号中分离出不同属性的操作信号；

具体方法：将总体操作信号f(t)经过傅里叶变换，得到频域上的特征曲线

即不同属性操作的分布。

根据各属性操作的频率设置不同带通滤波器，获取不同的频率分量，对各频率分量进行傅里叶逆变换，即得表征不同属性操作的三角函数谐波：

其中f_n(t)为n属性操作行为的时域信号，F_n(w)为n属性操作行为的频域信号，现实意义为将人员总体的操作行为分离成按照不同属性操作的简单行为。

第五步：将不同属性的操作信号与对应的正常操作信号比较，找出异常的属性操作及其变化值；

具体方法：将总体操作分离成不同属性的简单操作，再将不同属性的操作信号与对应属性的正常操作信号进行比较，包括幅值c_n和相位值

的比较，找到对应偏差大于设定阈值的属性即为造成效能变化的主要操作行为，并记录变化的量化指标，便于迅速找到影响运用效能变化的操作“症结”所在。

本方法创造性地通过作战运用效能实现不同属性的操作行为分析。一方面解决了无法根据作战系统的实时作战运用效能表现监测异常属性操作的难题。另一方面本方法为操作行为分析提供了一个开拓性思路，不仅局限于定性的分析，更能实现解析化分析，能够更加迅速地找到影响作战运用效能的操作行为根源，并为后续操作行为调整，提升运用效能提供更精准的参考意见。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，针对坦克作战系统进行如下仿真实验。

假设有一坦克为作战系统，其有五个操作属性分别为防护属性、火力属性、驾驶属性、通信属性和瞄准属性。根据每种属性的操作周期为其设定特殊的频率值。由于周期信号经过傅里叶可以展开为不同频率的谐波，并且越接近基频的低频成分越能刻画信号的主体趋势。因此，用周期信号刻画人员操作行为，对作战效能影响较为重要的操作属性应用较低频率进行刻画。根据这个推论，本实施例假定坦克作战系统的基频为2π，按照属性操作的重要程度火力属性＞瞄准属性＞通信属性＞驾驶属性，设定火力属性的重要程度权重n＝1，即其频率值为2π；瞄准属性的重要程度权重n＝5，即其频率值为10π；通信属性的重要程度权重n＝10，即其频率值为20π；驾驶属性的重要程度权重n＝20，即其频率值为40π。假定坦克没有遭受致命的打击，则其防护属性的操作始终是一个稳定的值，即设定防护属性n＝0，其为直流分量。根据这些属性操作对作战运用效能的影响，为简化计算，假设它们的操作强度均为2，即c₀＝c₁＝c₅＝c₁₀＝c₂₀＝2。同时各属性的开始强度均为0，即

因此正常操作下作战系统的操作行为输入信号为：

f(t)＝2·[1+sin(2πt)+sin(10πt)+sin(20πt)+sin(40πt)]

通过全属性的规范化的操作输入观测运用效能输出，可以得出输入输出关系式，即为系统冲击响应函数h(t)。假定该系统冲击响应函数h(t)＝e^-3t，对其进行傅里叶变换得到频率响应函数

根据式(7)得到逆系统频率响应函数为H′(jw)＝jw+3，根据傅里叶逆变换可得出逆系统冲击响应函数为/>

假定作战系统对地方坦克的摧毁阈值为90，即y(t)＞90时，作战系统能够摧毁敌方目表。根据式(3)卷积定理，可得出正常操作下系统的运用效能如图4所示。图4输出运用效能的最大值为104.2，大于摧毁阈值。在正常操作下，坦克可以有效摧毁敌方目标。在战斗持续一定周期时间后，由于作战系统受敌干扰破坏，某些属性的操作发生变化，造成了运用效能的降低。监测到运用效能的异常表现如图5所示。可见，作战系统受到干扰后运用效能峰值已经降低到摧毁阈值以下，无法对敌方目标进行有效摧毁。我们需找出导致效能降低的异常操作问题。

将异常输出效能输入逆系统，可以得到此输出下全属性操作信号波形图，如图6所示。将图6进行傅里叶变换，得到异常操作信号频谱图，如图7所示。从频率图中可以看到，频率在n＝0、n＝1、n＝5、n＝20处有值，即异常属性操作包含防护属性、火力属性、瞄准属性、驾驶属性。n＝10处取值为零，即通信属性操作已经完全失效。

但现有属性的操作强度是否发生变化还需进一步分析。将不同的频率分别进行滤出，进行傅里叶逆变换得到不同频率的谐波，即得到不同属性操作行为波形，如图8所示。根据图8显示，火力属性操作信号幅值为1，通信属性操作信号波形消失，得到：

异常操作信号的解析式即为：

f(t)＝2+sin(2πt)+2sin(10πt)+2sin(40πt)

正常操作输入信号为：

f(t)＝2·[1+sin(2πt)+sin(10πt)+sin(20πt)+sin(40πt)]

与正常操作信号进行比较，能够发现，造成的输出效能降低的原因是通信属性操作失效，火力属性操作强度下降50％。

在该模拟示例中，获知异常的输出效能信号后，对异常输出效能进行逆系统输出、傅里叶分解，不仅能够探测到造成效能变化的具体属性操作，同时还能得到每种属性操作的具体信号，实现对各属性操作的解析分析。从结果上来看，使用该方法得到的定性结论符合逻辑，这检验了本发明方法的可行性和有效性。

Claims (1)

1.基于运用效能的作战系统操作行为分析方法，其特征在于，通过构建一个线性响应可逆系统，实现操作行为的解析化分析，具体包括如下步骤：

步骤1：将作战运用效能表现量化，确定运用效能信号；

步骤2：采用极限测试法确定作战系统响应函数，推算逆系统响应函数；

步骤3：根据作战运用效能信号和逆系统响应函数，确定总体操作信号；

步骤4：从总体操作信号中分离出不同属性的操作信号；

步骤5：将不同属性的操作信号与对应的正常操作信号比较，找出异常的属性操作及其变化值；

步骤1中，对摧毁敌军类型设置不同的权重，并结合数量进行叠加计算，用叠加的结果来表征作战运用效能，按照上述方法获得不同时刻的作战运用效能后，拟合得出运用效能信号曲线；

步骤2中，首先采用极限测试法对作战系统全部属性进行规范化操作，检测作战效能信号，拟合得到的解析表达式即为系统冲击响应函数h(t)然后根据系统与其逆系统响应函数的关系h(t)*h′(t)＝δ(t)，得到逆系统响应函数h′(t)；

步骤3中，将运用效能信号y(t)与逆系统响应函数h′(t)进行卷积，即可得到总体操作信号f(t)＝y(t)*h′(t)；

步骤4中，将总体操作信号f(t)经过傅里叶变换，得到频域上的特征曲线

即不同属性操作的分布；根据各属性操作的频率设置不同带通滤波器，获取不同的频率分量，对各频率分量进行傅里叶逆变换，即得表征不同属性操作的三角函数谐波：

其中f_n(t)为n属性操作行为的时域信号，F_n(w)为n属性操作行为的频域信号；

步骤5中，将不同属性的操作信号与对应属性的正常操作信号的幅值c_n和相位值

进行比较，对应偏差大于设定阈值的属性即为造成效能变化的主要操作行为。/>

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