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指挥控制与仿真

指挥控制与仿真 >

2024 , Vol. 46 >Issue 1: 110 - 117

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2024.01.015

建模仿真与评估

军事需求评估的形式化建模分析

  • 马宝林 ,
  • 朱旭宇 ,
  • 都斌
展开
  • 军事科学院战略评估咨询中心, 北京 100091

马宝林(1983—),男,博士,助理研究员,研究方向为飞行器设计。

朱旭宇(1972—),男,硕士。

Copy editor: 许韦韦

收稿日期: 2023-06-13

  修回日期: 2023-07-10

  网络出版日期: 2024-02-21

收起

Formal modeling analysis of military requirement assessment

  • MA Baolin ,
  • ZHU Xuyu ,
  • DU Bin
Expand
  • Strategic Assessment and Consultation Institute of Military Sciences, Beijing 100091, China

Received date: 2023-06-13

  Revised date: 2023-07-10

  Online published: 2024-02-21

Fold

摘要

为更加科学有效评估军事需求,通过需求评估“阶段划分、对象确定、指标构建”等步骤,系统阐述军事需求评估问题;形式化语言对需求论证阶段的方案需求值、落实阶段的能力生成值和检验评估阶段的需求满足值等指标重点描述,研究了需求评估的预期走势;基于Kalman滤波思想对提出的形式化模型进行实验算例分析。结果表明:评估结果能够逐渐逼近理想值,误差可以收敛;评估周期、评估初始值、预测误差、观测误差等因素对评估走势最终结果产生影响;综合评估结果与分项评估指标之间为非线性关系。因此,本文建立的形式化模型能够表征需求评估的基本规律,相关研究成果可以为军事需求评估提供理论参考和支撑。

关键词： 需求评估; Kalman滤波; 形式化分析

本文引用格式

马宝林 , 朱旭宇 , 都斌 . 军事需求评估的形式化建模分析[J]. 指挥控制与仿真, 2024 , 46(1) : 110 -117 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2024.01.015

Abstract

In order to assess military requirement scientifically and effectively, through steps division of stages, determination of assessment object and construction of assessment indicators are systematically described the military requirement assessment problem. Adopt formal language, focus on description of requirement value in the requirements demonstration stage, capability valve in the implementation stage and assessment satisfaction value in the inspection stage assessment. Study their assessments trends. Based on Kalman filter ideas, conduct experimental analysis on the proposed formal model. The results show that assessment trend can gradually approach the ideal value, and errors can converge. Factors such as assessment cycle, initial assessment value, expected error, measurement error will have an impact on both the assessment trend and the assessment results. Relationship between the comprehensive assessment results and the sub assessment indicators are non-linear. The results indicate that the basic laws of assessment can be characterized by established formal model. Research results can provide a theoretical basis of military requirement assessment.

Key words： requirement assessment; Kalman filter; formal analysis

军事需求是维护国家安全与发展利益的一种基本需求,是国防和军队建设的重要依据[1]。军事需求评估负责检验军事需求的正确性、有效性和规范性,是需求作用发挥的重要保证。鉴于军事系统构成日趋复杂、费用极其昂贵,军事需求上的任何偏差,都将对军事系统建设产生重大影响。西方发达国家非常注重采用工程化思想方法,加强军事需求论证、评估的规范性。例如,美军通过采用“自然语言表述+面向功能、数据技术表述”的方法,不断加强对军事需求的定量化描述;通过建立军事需求验证评估的指标体系,运用形式化、仿真技术,不断提升军事需求验证和系统评估的规范性。其联合能力集成与开发系统(Joint Capability Integration Develop System,JCIDS)拥有包括“能力领域分析”“能力需求分析”“能力方案分析”等需求分析程序,可以对未来作战所需的能力进行分析,评估确定能力差距、冗余以及中长期发展目标[2]。英、法等国在需求开发与实现过程中,通过在各个阶段设置里程碑决策点,不断加强对军事需求的审查与监督,将军事需求评估贯穿开发与建设全过程[1]。
目前,国内关于需求[2⇓⇓⇓⇓-7]的概念较为明确,尤其在装备需求论证和软件需求分析等领域研究活跃、成果丰富。但就需求评估而言,学术界对其定义尚未统一,有文献称之为需求质量评价[1]、需求论证与评估[5]、需求方案分析评估[8-9]等。军事需求评估与装备、软件需求评估虽有相似之处,但也有明显区别,即战略、全局属性明显,亟须解决文字语言表达差异大、把握特点规律缺方法等问题。
形式化方法[10-11]在计算机科学和软件工程领域应用广泛,主要采用适当的数学分析,在软件和硬件系统中用于描述、开发和验证,旨在提高设计的可靠性和鲁棒性。吕继东等[12]通过对比国内外列车运行控制领域形式化研究差异,提出基于模型的系统工程方法进行列车运行控制正向设计;蔡雄[13]提出了用于引导新能源汽车控制系统的形式化规约和需求确认的形式化工程方法,以保证从源头上确保控制系统的安全性和可靠性;王莉等[14]基于形式化方法,对神经网络可信性问题的抽象、属性表达及形式验证进行了深入研究,以对网络属性、核心算法进行严格的逻辑表达验证。可见,形式化方法在精确揭示逻辑规律、制定相应规则标准等方面[10]已得到各领域的广泛认可。
本文以军事需求评估为背景,对需求评估的阶段划分、逻辑关系、评估指标等问题开展研究,采用形式化方法,对划定的需求评估评估对象、目的、方法进行描述,期望促进需求评估理论体系向更加科学、严密的方向发展。

1 评估问题

找准评估问题很重要,包括评估阶段边界是什么,评估对象是谁,评估内容范围有哪些,评估的具体指标怎么设计等。这样才能有的放矢,对评估问题进行有效描述。对军事需求评估而言,首先,应明确军事需求的管理链条,划分需求管理和评估的阶段,将需求评估“分段厘清”;然后,针对不同评估阶段,对应需求的要素,确定评估对象和评估内容范围。最后,根据需求评估阶段划分和评估对象选择,设定具体的评估指标。

1.1 需求评估阶段划分

如图1所示,军事需求从提出、落实到验收,拥有独特的全寿命周期,构成一条链路,这里称之为需求管理链条。需求管理链条中的需求评估,可划分为需求论证、落实、验收等阶段评估。
图1 需求评估的阶段划分

Fig.1 Stage division of requirement assessment

1.2 需求评估对象确定

需求一般包括需求主体、实现主体、需求内容、时间要求、环境空间等要素[1],具体概念界定及有关要求如表1所示。需求各要素进入需求管理链路后,推动需求评估进程不断迭代发展,如图2所示。
表1 需求要素的概念界定

Tab.1 Definition of requirement element

需求要素 概念界定 备注
需求主体 需求方案的提出方 提出的需求方案要适应国家、军队发展要求,符合环境条件要求
实现主体 实现方案执行落实的责任单位 要能清晰识别需求,按时间节点落实、满足需求方案
需求内容 需求方案中明确的需要完成事项 在规定的时间、环境空间内不超过实现主体的能力极限
时间要求 需求论证、落实、检验评估完成的时限 有明确的时间节点
环境空间 任务执行的环境、空间等 为简化分析,将规划、预算环节也划归环境空间范畴
图2 需求评估进程

Fig.2 The course of requirement assessment

在需求论证阶段,需求主体一般将初始需求经过若干轮需求论证,得到需求方案。因此,该阶段的评估对象主要为需求主体提出的需求方案(草案)(方案数量≥1)。在需求落实阶段,需求实现主体通过执行操作,不断转化生成能力。该阶段的评估对象主要为需求实现主体落实需求过程中的能力生成情况。在需求验收阶段,评估方将最终生成的能力与需求方案的要求进行比对验收。该阶段的评估对象为需求实现主体对需求方案的满足情况。

1.3 需求评估指标设计

根据确定的评估对象,可结合不同阶段的评估特点,对评估指标进行分析设计。
需求论证阶段评估,是伴随需求方案的论证,由评估方对需求主体提出的需求方案进行评估的过程。假设需求方案可量化评估,评估标准可设计为方案需求值是否在预先设定的需求值限定范围内。因此,评估指标可选择为需求方案的需求值(简称方案需求值)。
需求落实阶段评估,是伴随需求的落实执行,由评估方对需求实现主体的落实情况进行评估的过程。评估标准可设计为需求落实过程中的能力生成值是否达到需求方案需求值的要求。因此,评估指标可选择为需求能力生成值。
需求验收阶段评估,是在规定的需求完成节点,由评估方对需求实现主体所实现的需求结果情况进行评估的过程。评估的标准可设计为实现主体对需求的满足情况是否满足需求方案的考核标准要求。因此,评估指标可选择为需求方案的最终满足率。

2 需求评估形式化描述

为清晰体现需求评估各阶段的评估对象和指标的差异性,便于准确分析需求评估的进程和影响因素,采用形式化方法分别对需求论证、需求落实、需求检验验证3个阶段评估进行描述。

2.1 需求论证阶段评估的形式化描述

在需求论证评估阶段开始前,评估方会与需求主体进行磋商,明确有关事项。首先,为明确评估完成的时限和中间时间间隔,会确定n个评估时间点(t1,…,ti,…,tn),其中,i为正整数,且1<i<n。然后,为明确评估目标,会设定每个指标的需求合理值区间 r m i n r m a x,其中,rmax是需求的上限,rmin是需求的下限。也可根据需要,设定一个需求理想值rideal,例如可取需求最大值与最小值的中值。
评估正式启动后,需求主体执行机构将在ti节点提供当前的需求方案草案文件。评估方从文件中提取的需求值为
r'   t i=h r t i+ v t i
其中,h是文件中数据的偏差系数, v t i是ti时刻提取文件数据过程中需求值的误差。
当然,需求主体也会基于之前结果,在ti时刻有一个自评价的需求值:
r t i=a r t i - 1+ w t i - 1
其中,a是状态转移系数, r t i - 1为ti-1时刻的需求值, w t i - 1是预测过程的误差。
评估方会综合r'   t i和 r t i,得出ti时间节点方案的需求值估计值:
r ^ t i= r t i+ k t i(r'   t i-h· r t i)
其中, k t i是ti时刻的优化估计系数。
图3描绘了需求论证阶段的评估走势图,蓝色实线表示被评估文件中体现的需求值走势,黑色实线表示需求主体自评价需求走势,红色实线代表了需求评估值走势,绿色虚线表示需求值生成的理想走势。因为需求草案自身提供的数据会存在一定偏差,加上提出过程中理解、分析的误差,所以被评估文件中体现的需求值走势图会偏离理想值生成走势,至于ti时刻偏离程度大小,要看h值和 v t i值的大小。需求主体的自评价走势也会偏离理想值走势,主要原因是自身主观评价会存在偏差。由于评估值综合了文件解读和需求主体的自评价,理论上能够逐渐逼近理想值的走势,但以多快速度逼近要看被评估文件和需求主体自评价的情况以及对两者的取舍、吸收情况。
图3 需求论证评估阶段的预期走势图

Fig.3 Assessment trend chart in requirement demonstration stage

随后,评估方会给出 r ^ t i是否在需求合理区间 r m i n r m a x的判断,判断值 Z t i可设定为
Z t i=( r ^ t i-rmin)( r ^ t i-rmax)
若 Z t i≤0,则 r ^ t i在需求合理区间内;若 Z t i>0,则 r ^ t i在需求合理区间外。
若不在需求合理区间范围内,评估方会在ti时刻预估出按当前效率在tn时刻的满足值:
r ˜ t n= r t i+ t n - t i t i - t i - 1(ri-ri-1)
评估结论的判据:若 r ˜ t n<rmin,则当前情况下“需求提得过高”;若 r ˜ t n>rmax,则当前情况下“需求定得过低”。同时,评估方会在ti时刻建议需求主体采用新的需求值生成速率。需求主体会根据自身情况和影响因素,考虑是否或如何采用新的需求值生成速率。
由此持续进行,直到tn节点,评估得出该指标的需求值:
r ^ t n= r t n+ k t n(r'   t n-h· r t n)
理论上, r ^ t n将作为需求的量化值形成需求方案并交付需求落实部门。

2.2 需求落实阶段评估的形式化描述方法

在需求落实阶段评估开始前,评估方、需求主体和需求实现主体会进行磋商,明确有关事项。首先为明确评估完成的时限和中间时间间隔,确定m个评估时间点 T 1 , 　 … 　 T j , 　 … , 　 T m,其中j为正整数,且1<j<m。然后,确定每个指标的需求落实的能力生成值Rideal,一般情况下,Rideal与 r t n的值一致。
评估正式启动后,需求实现主体会在每个时间点,提供当前的需求落实情况文件。文件中体现的能力生成值为
R'   T j=H· R T j+ V T j
其中,H是文件中数据的偏差系数, V T j是Tj时刻提取文件数据过程中的能力生成值误差。
当然,需求实现主体也会基于之前结果在Tj时刻有一个自评价的能力生成值:
R T j=A R T j - 1+ W T j - 1
其中,A是状态转移系数, R T j - 1为Tj-1时刻的能力生成值, W T j - 1是预测过程的误差。
评估方会综合R'   T j和 R T j得出Tj时间节点方案的能力生成值估计值:
R ^ T j= R T j+ K T j(R'   T j-H· R T j)
其中, K T j是Tj时刻的优化估计系数。
图4描绘了需求落实阶段的评估走势图,蓝色实线表示被评估文件中体现的能力生成值走势,黑色实线代表了需求实现主体自评价的能力生成值走势,红色实线代表了能力生成评估值走势,绿色虚线表示能力生成理想值走势。因为落实情况文件自身提供的数据会存在一定偏差,加上提出过程中理解、分析的误差,所以被评估文件中体现的能力生成值走势图会偏离理想值生成走势,至于tj时刻偏离程度大小,要看H值和 V t j值的大小。需求实现主体的自评价走势也会偏离理想值走势,主要原因是自身主观评价会存在偏差。由于评估值综合了文件解读和实现主体的自评价,理论上能够逐渐逼近理想值的走势,但以多快速度逼近要看被评估文件和需求实现主体自评价的情况,以及对两者的取舍、吸收情况。
图4 需求落实阶段的评估走势图

Fig.4 Assessment trend chart in requirement implementation stage

随后,评估方会给出能力生成的达到率:
A T j= R ^ T j/Rideal
假设置信水平为95%,若 A T j≥95%,则说明Tj时刻能力生成指标已达标;若 A T j<95%,则说明Tj时刻能力生成指标未达标。
若未达标,评估方会在Tj时刻按当前效率预估出Tm时刻的满足值:
R ˜ T m= R T j+ T m - T j T j - T j - 1( R T j- R T j - 1)
并以Rideal- R ˜ T m为依据,在Tj时刻建议需求实现主体采用新的能力值生成速率。需求主体会根据自身情况和影响因素,考虑是否或如何采用新的能力值生成速率。
由此持续进行,直到Tm节点,评估得出该指标的能力生成值:
R ^ T m= R T m+ K T m(R'   T m-H· R T m)
理论上, R ^ T m将作为评估验收阶段的需求满足度值进行评估。

2.3 需求验收阶段评估的形式化描述方法

需求验收阶段重在评估验收整体需求方案的需求满足度,需要对方案包含的X个指标(指标按序排列)进行综合评估。
假设总体需求方案值为
Ssum= s i n 2 π X 2 ∑ x = 1 X - 1Sx·Sx+1
其中,Sx表示需求方案中的第x个指标的需求值。
需求方案执行完成后的总体能力生成值为
SR= s i n 2 π X 2 ∑ x = 1 X - 1Rx·Rx+1
其中,Rx表示需求方案中的第x个指标的需求满足值。
最后,评估方给出SR满足Ssum的满足率:
U= S R S s u m
假设置信水平为95%,若U>95%,则说明总体需求被有效满足;若U<95%,则说明需求未被有效满足。
同理,需求论证和落实阶段的多指标综合评估也可按照检验评估阶段综合评估的思路进行。

3 基于形式化方法的需求评估实验分析

根据上述提出的需求评估模型,通过基于模型[15]和试验评估[16-17]的方法对需求评估进行分析,旨在验证形式化方法的正确性。鉴于需求论证和需求落实阶段评估的算法思路相近。下面给出需求落实和验收评估阶段的实验算例。

3.1 需求落实阶段的评估实验算例

实验思路:采用Kalman滤波,分析估计值逼近需求能力生成值和误差收敛情况,用以验证形式化模型的正确性、有效性。其中,公式(7)、(8)可分别设定为Kalman滤波的观测方程和状态方程。
实验条件:假设需求落实阶段进行10次评估,每次间隔0.5年。
Kalman滤波器参数设置如表2所示。
表2 Kalman滤波器参数

Tab.2 Parameters of Kalman filter

参数名称 参数符号 参数值
过程噪声方差 Q 1
测量噪声方差 Y 3
观测系数 H 0.9
状态转移系数 A 1.1
需求值真值 Rideal 100
观测初始值 R'   T 0 0
初始状态值 R T 0 0
估计初值 R ^ T 0 0
状态协方差初始值 P0 1
按上述参数滤波计算后,需求落实阶段评估误差如图5所示。
图5 需求落实阶段评估结果

Fig.5 Assessment results in requirement implementation stage

实验结果显示:随着需求落实进程,评估数量增多,估计得出的能力生成值逐渐逼近能力生成理想值,误差能够收敛,与图4预期走势相符,这表明在需求落实阶段,公式(7)、(8)代表的状态方程和观测方程能够表征需求落实的基本规律。
下面对影响需求落实评估的几个关键要素进行分析。

3.1.1 对需求落实评估时间次数的分析

假设Kalman滤波器参数按表2设置,仅将评估时间次数减少到5次,每次间隔1年,评估结果如图6所示。
图6 需求落实评估阶段结果走势(评估次数减少情况)

Fig.6 Assessment results in requirement implementation stage(reduction in assessment frequency)

实验结果显示:估计得出的能力生成值虽然也能逐渐逼近能力生成理想值,但误差未能完成收敛。表明只有评估达到足够次数,即在评估样本充足的情况下,评估结果才能达到较为满意的效果。但因军事需求评估战略属性明显,不能随意或无限制地评估,需要在有限的评估次数与较好的评估效果之间找到平衡点。

3.1.2 对初始能力生成值的分析

假设Kalman滤波器参数按表2参数设置,仅将 R T 0的参数按表3进行变化,评估结果如图7所示。
表3 R T 0不同赋值

Tab.3 Different assignments to R T 0

R01 R02 R03 R04 R05
赋值 0 5 10 15 20
图7 需求落实阶段的评估结果( R T 0值变化)

Fig.7 Assessment results in requirement implementation stage(Changes in R T 0 value)

对于初始状态值 R T 0,随着赋值逐渐变大,评估误差的收敛速度变快。说明在落实需求过程中,实现主体的实现基础越高,越能快速达成能力生成目标。

3.1.3 对过程噪声的分析

假设Kalman滤波器参数按表2参数设置,仅将Q的参数按表4进行变化,评估结果如图8所示。
表4 Q不同赋值

Tab.4 Different assignments to Q

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5
赋值 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
图8 需求落实阶段的评估走势(Q值变化)

Fig.8 Assessment results in requirement implementation stage(Changes in Q value)

对于过程噪声Q值,随着其赋值逐渐变小,评估结果准确度逐渐增加,收敛速度也越快,由此说明需求实现主体自身评价能力生成的误差波动越小越好,评估方对状态模型预测值(需求实现主体的自评价)信任度与过程噪声成反比。

3.1.4 对观测噪声的分析

假设Kalman滤波器参数按表2参数设置,仅将Y的参数按表5进行变化,评估结果如图9所示。
表5 Y不同赋值

Tab.5 Different assignments to Y

Y1 Y2 Y3 Y4 Y5
赋值 3 4 5 6 7
图9 需求落实阶段的评估结果(Y值变化)

Fig.9 Assessment results in requirement implementation stage(Changes in Y value)

对于观测噪声Y值,随着其赋值逐渐变大,评估准确度逐渐变差,收敛速度也变得缓慢,由此说明,被评估文件中的能力生成值误差波动同样越小越好,评估方对观测值(文件中的能力生成值)信任度与观测噪声成反比。

3.2 需求验证评估阶段的评估实验算例

假设需求方案有6个主要指标,每个指标的分值为100分,每个指标都达到了各自需求落实的要求,评估得到的分值分别为95、98、97、96、99、96。按照式(13)计算得到的需求值和式(14)计算得到的需求满足值对比情况,如图10所示。
图10 需求方案需求值与需求满足值的对比情况

Fig.10 Comparison between requirement value in the scheme and requirement satisfaction value

图10中虽然每项评估值都达到了单项评估要求,但总体需求满足率为93.7%,如按总体满足率需达到95%的要求,总体需求仍未满足。这需要评估方对评估规则进行总体考量设计:第一种方案是单项评估指标全部满足要求;第二种方案是总体指标满足要求;第三方案是单指标、总体指标均要满足要求。

4 结束语

军事需求评估规模宏大、考虑因素众多,即便如此,需求评估仍有规律可循。本文通过系统梳理军事需求评估的阶段划分、评估对象和核心指标,采用形式化方法描述需求论证、落实和验证阶段评估,以需求落实阶段和验证阶段为例,给出了具体评估算例。就单一评估指标而言,影响需求满足结果的主要因素包括评估时间节点、初始需求值、文件自身误差、文件数据提取误差、需求主体(需求实现主体)自身评估误差等。其中,初始需求值、评估时间节点等参数与方案需求值、能力生成值、需求满足率等成正向递增关系,但因军事需求评估涉及面广、影响错综复杂,需综合考量、审慎取舍;各类误差影响评估的进程和结果,应从需求要素中分析因果关系,综合采用有效方法予以降低。就综合检验评估而言,总体需求满足值和单项指标的满足值不是简单求和平均,仍然是非线性关系,需要综合考量、合理设定评估规则。另外,还需说明的是,为便于得出一些规律性的认识,对评估问题做了大量简化,在实际评估过程中需要对评估的复杂程度有更深刻的认识。

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