面向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評估

田 田，胡焰智，尹才華，鄭 瑜

(1．重慶通信學(xué)院通信指揮系，重慶400035;2．重慶通信學(xué)院信息工程系，重慶400035)

狹義的指揮信息系統(tǒng)與美軍C4ISR系統(tǒng)概念相近，是以保障各級指揮機(jī)構(gòu)對所屬部隊(duì)及武器平臺實(shí)施科學(xué)高效的指揮控制為目的，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)信息從獲取、傳輸、處理到利用的自動(dòng)化，且具有指揮、控制、通信、信息處理、情報(bào)、偵察與監(jiān)視功能的軍事信息系統(tǒng)［1］。隨著系統(tǒng)范圍的拓展，國防信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和武器系統(tǒng)信息化建設(shè)也逐步納入其中。指揮信息系統(tǒng)要素眾多、組成復(fù)雜，屬于復(fù)雜系統(tǒng)或體系［2］，對其難以進(jìn)行完整的形式化分析和數(shù)學(xué)模型解析，但是能夠?qū)χ笓]信息系統(tǒng)部分問題和特定方面進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)定量與定性相結(jié)合的分析。在當(dāng)前從平臺中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的大環(huán)境下，必須要求指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨之轉(zhuǎn)變，面向使命任務(wù)構(gòu)建作戰(zhàn)體系時(shí)，指揮信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響著整個(gè)體系效能，針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在的多樣性和差異性，需要合適的定量分析與評估手段［3］。

針對這一問題，鄧宏鐘等［4］基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中 C4ISR系統(tǒng)的特點(diǎn)，從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度對C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)分析。李俊等［5］在以無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多樣性引入3類節(jié)點(diǎn)吸引系數(shù)，得到了更加均勻化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而改善了網(wǎng)絡(luò)抗毀性。Li等［6］將C4ISR系統(tǒng)區(qū)分為指控、情報(bào)和通信，按照人工規(guī)劃與隨機(jī)生成相結(jié)合的方式生成了C4ISR系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型。田旭光等［7-8］對指揮控制系統(tǒng)中的實(shí)體及其邏輯關(guān)系進(jìn)行了形式化抽象和描述，建立了C2(Command and Control)系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，并對網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行了分析;針對C2系統(tǒng)在對抗環(huán)境下的自適應(yīng)重構(gòu)機(jī)制，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和作戰(zhàn)指揮原則，從重構(gòu)觸發(fā)機(jī)制、邊修復(fù)策略、結(jié)構(gòu)重量策略和重構(gòu)評價(jià)機(jī)制等方面建立了模型。上述研究均基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，主要關(guān)注指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的“小世界”、“無標(biāo)度”等統(tǒng)計(jì)特征和魯棒性問題。而Dekker［9-11］借鑒社會網(wǎng)絡(luò)理論對該問題進(jìn)行了大量研究，提出了 FINC(Force，Intelligence，Networking and C2)的C4ISR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析方法。該方法強(qiáng)調(diào)指揮與控制是網(wǎng)絡(luò)的核心，建立由指揮控制、情報(bào)信息、作戰(zhàn)力量等單元構(gòu)成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用信息利用效率、單元協(xié)同能力、網(wǎng)絡(luò)中心度和情報(bào)信息總收益等參數(shù)來衡量網(wǎng)絡(luò)的性能。該方法的優(yōu)勢是可以針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大的變化或小的調(diào)整進(jìn)行比較分析與評估，從而研究指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案;然而該方法沒有考慮廣泛存在于網(wǎng)絡(luò)中的信息融合處理，也缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)描述［12］，并且其有限的節(jié)點(diǎn)類型難以表征以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

本文針對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建模，在FINC模型基礎(chǔ)上提出了指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定量分析方法，基于同一使命任務(wù)構(gòu)建了傳統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)部署示例，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型描述

對于由指揮信息系統(tǒng)連接各作戰(zhàn)要素構(gòu)成的體系，從中抽象出3類節(jié)點(diǎn):1)指控節(jié)點(diǎn)集合H={h1，h2，…，hk}，主要是實(shí)現(xiàn)指揮控制功能，對應(yīng)處理延時(shí)為 {d1，d2，…，dk};2)信息節(jié)點(diǎn)集合 I={i1，i2，…，im}，包括各類情報(bào)資源和偵察信息，其作用區(qū)域范圍為 {A1，A2，…，Am}，對應(yīng)的信息質(zhì)量為 {p1，p2，…，pm}，且 pj∈［0，1］，j=1，2，…，m;3)作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)集合C={c1，c2，…，cr}，包括作戰(zhàn)人員和打擊平臺，其作用區(qū)域范圍為{a1，a2，…，ar}，這里假設(shè)基于任務(wù)分解得到各作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的子任務(wù)區(qū)域無交叉重疊。而將所有節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的邊集合E={e1，e1，…，eq}，對應(yīng)鏈路延時(shí)為{l1，l2，…，lq}，其中信息節(jié)點(diǎn)到指揮節(jié)點(diǎn)為單向連接，而其他節(jié)點(diǎn)之間為雙向連接，因此該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向賦權(quán)網(wǎng)絡(luò)，記為 G=(H，I，C，E)。

定義1:對于?ij∈I和?ct∈C，若存在從 ij到ct的鏈，該鏈的延時(shí)為所經(jīng)過的指揮節(jié)點(diǎn)延時(shí)和邊延時(shí)之和;若存在多條鏈，則取延時(shí)最小者，稱為從ij到ct的信息流。而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)G的信息流系數(shù)為所有信息流延時(shí)之和的平均值倒數(shù)，即為

PS提供了一種信息傳輸效率的度量，它用來表示網(wǎng)絡(luò)G中將信息傳遞到執(zhí)行子任務(wù)的作戰(zhàn)單元的效率，對于作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，該值越大越好。

同理，?ct1，ct2∈C，且 t1≠t2，取 ct1到 ct2延時(shí)最小的鏈，稱為從ct1到ct2的協(xié)調(diào)流。而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)G的協(xié)調(diào)系數(shù)為所有協(xié)調(diào)流延時(shí)之和的平均值倒數(shù)，即為

PC用來度量網(wǎng)絡(luò)G中作戰(zhàn)單元協(xié)同活動(dòng)的效率，對于作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，該值也是越大越好。

定義 2:若?vj1，vj2∈(H∪I∪C)，j1≠j2，且存在從vj1到vj2的鏈，則節(jié)點(diǎn)vj1的中心度為

Zj1度量該節(jié)點(diǎn)離其他所有節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近程度，從而可以找到網(wǎng)絡(luò)G中離所有其他節(jié)點(diǎn)最近的節(jié)點(diǎn)，它用來評價(jià)網(wǎng)絡(luò)的重心。

定義3:?ij∈I和?ct∈C，若存在從 ij到 ct的鏈，同定義1，則有從 ij到 ct的信息流 flowij，ct。其情報(bào)系數(shù)為

情報(bào)系數(shù)表征的是一個(gè)信息節(jié)點(diǎn)對某個(gè)作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)的效用，它由該鏈路延時(shí)和信息質(zhì)量決定，且該 flowij，ct的情報(bào)容量為

式中:Aj∩at表示信息節(jié)點(diǎn)ij與作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)ct交叉的作用區(qū)域。

由于信息節(jié)點(diǎn)對作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)的效用作用于后者整個(gè)或部分任務(wù)區(qū)域才有意義，因此情報(bào)容量能夠表征該信息節(jié)點(diǎn)對某個(gè)作戰(zhàn)單元總的收益，式(4)、(5)實(shí)質(zhì)在于反映各因素對目標(biāo)量的正負(fù)效應(yīng)和邏輯關(guān)系。

當(dāng)需要得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)容量時(shí)，不能直接由∑ij∈I，ct∈CVij，ct累加表示，其原因是:1)無法反映出現(xiàn)實(shí)指控節(jié)點(diǎn)對多源信息融合處理的影響，它對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)容量是正影響，應(yīng)增加相應(yīng)的信息質(zhì)量值;2)需要忽略同一作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)得到的重復(fù)信息，它對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)容量是負(fù)影響。

根據(jù)信息流累加來計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)容量較復(fù)雜，而根據(jù)多個(gè)任務(wù)區(qū)累加來計(jì)算較容易。首先將作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)ct的作用區(qū)域范圍按信息節(jié)點(diǎn)覆蓋的來源差異分為多個(gè)子區(qū)域 Sct，u，且∑uSct，u=at。多個(gè)信息節(jié)點(diǎn)可能將同一任務(wù)子區(qū)域的情報(bào)信息傳送給同一個(gè)指控節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生信息冗余，經(jīng)過融合處理后會在一定程度上提高信息質(zhì)量，并形成最終情報(bào)信息交給對應(yīng)的作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)。假設(shè)向同一個(gè)作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)ct傳送相同任務(wù)子區(qū)域情報(bào)信息的信息節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合為Ict，u，則該作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)得到本任務(wù)子區(qū)域信息質(zhì)量為

則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)G的情報(bào)容量為

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)情報(bào)容量是網(wǎng)絡(luò)對情報(bào)信息利用程度的表征，是作戰(zhàn)任務(wù)中信息節(jié)點(diǎn)集合對作戰(zhàn)單元節(jié)點(diǎn)集合的總收益，該值越大，表明網(wǎng)絡(luò)中情報(bào)信息利用程度越高。

2 網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型擴(kuò)展

在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)模式下，指揮信息系統(tǒng)組織形態(tài)變化顯著，它組成要素眾多，按照功能可劃分為通信網(wǎng)、感知網(wǎng)、指控網(wǎng)和火力網(wǎng)，如圖1所示?？梢钥闯?指揮信息系統(tǒng)連接關(guān)系多樣，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜;但從系統(tǒng)的組織形式來看，其實(shí)質(zhì)就是依托通信網(wǎng)作為基礎(chǔ)傳輸通道，對各類節(jié)點(diǎn)或子網(wǎng)進(jìn)行引接，實(shí)現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)全網(wǎng)內(nèi)感知信息流、指控信息流、火力打擊流等各類信息的有效流動(dòng)。

圖1 指揮信息系統(tǒng)組成

這種“核心+接入”的方式體現(xiàn)了作戰(zhàn)要素入網(wǎng)，上一節(jié)組織結(jié)構(gòu)模型中指控、信息和作戰(zhàn)單元3類節(jié)點(diǎn)可以對應(yīng)地表征指控網(wǎng)、感知網(wǎng)和火力網(wǎng)等接入部分，但是完全基于邊來表征3類節(jié)點(diǎn)的通信連接難以較好地反映這種網(wǎng)絡(luò)化模式?？梢圆扇?種方式進(jìn)行改進(jìn):1)增加一類通信節(jié)點(diǎn)，按照類似于其他3類節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行設(shè)置，并通過通信節(jié)點(diǎn)的拓?fù)溥B接來表征“核心”部分;2)將“核心”部分抽象為一個(gè)特殊的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，而無需關(guān)心內(nèi)部細(xì)節(jié)。由于重點(diǎn)關(guān)注指揮控制關(guān)系和情報(bào)信息利用，假設(shè)基礎(chǔ)骨干網(wǎng)傳輸條件良好，本文采用第2種方式在上一節(jié)基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行擴(kuò)展，再抽象出一個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)N，網(wǎng)內(nèi)延遲為ΔT，則擴(kuò)展后的模型為 G=(H，I，C，E，N)。

3 指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析與評估框架

從本質(zhì)上講，上述模型及方法反映了作戰(zhàn)任務(wù)中信息流程、問題域主要事物構(gòu)成、因素對目標(biāo)的正負(fù)效應(yīng)和邏輯關(guān)系，參與了一些主觀思維的評價(jià)，部分參數(shù)和度量指標(biāo)沒有實(shí)際直觀的量綱，因此該方法主要意義在于針對網(wǎng)絡(luò)變化引起結(jié)構(gòu)調(diào)整、對多樣化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析與評估，其框架如圖2所示。面向使命任務(wù)，構(gòu)建作戰(zhàn)體系，其中包括部署相應(yīng)指揮信息系統(tǒng)，因此應(yīng)首先從作戰(zhàn)體系及任務(wù)中分離出指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再基于上述模型抽象為圖，采用圖的基本計(jì)算問題得到度量結(jié)果，從而進(jìn)一步進(jìn)行比較分析與評估。

圖2 指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析與評估框架

4 案例分析

以文獻(xiàn)［9］的作戰(zhàn)想定為例部署了指揮信息系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，這是一個(gè)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組織形態(tài)。1旅和2旅分別執(zhí)行同一使命下2個(gè)子任務(wù)，其對應(yīng)的旅指揮所分別為BHQ1和BHQ2，作戰(zhàn)單元分別為BC1和BC2，本級情報(bào)信息單元分別為S1和S2。旅指揮所與師指揮所DHQ、聯(lián)合指揮所JHQ形成了傳統(tǒng)的樹狀指揮關(guān)系，聯(lián)合指揮所還掌握著面向整個(gè)作戰(zhàn)使命的情報(bào)信息單元INT，以及空中作戰(zhàn)單元AIR，圖中以不同形狀區(qū)分了不同類型的節(jié)點(diǎn)。為了進(jìn)行比較分析與評估，同時(shí)還設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)部署方案，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其引入了擴(kuò)展的核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)N，對完成使命任務(wù)的各作戰(zhàn)要素進(jìn)行引接入網(wǎng)。圖3、4中邊的權(quán)值表征了對應(yīng)鏈路的延時(shí)。按照以上方法對其他主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

圖3 傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例

圖4 網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例

表1 2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)模型及度量指標(biāo)計(jì)算方法，分別對2種指揮信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，得到的結(jié)果如下。

1)傳統(tǒng)方式下網(wǎng)絡(luò)的信息流系數(shù)為0．17，而網(wǎng)絡(luò)化方式下網(wǎng)絡(luò)的信息流系數(shù)為0．21，改善程度為24%。這表明:基于網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，信息傳遞到執(zhí)行任務(wù)的作戰(zhàn)單元的效率更高，從而縮短了“傳感器到射手”的時(shí)間。

2)傳統(tǒng)方式下網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)系數(shù)為0．14，而網(wǎng)絡(luò)化方式下網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)系數(shù)為0．18，改善程度為29%。這表明:在網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，作戰(zhàn)單元之間傳遞信息的效率更高，同一使命任務(wù)的各作戰(zhàn)單元協(xié)同更加有效，同時(shí)驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)對增強(qiáng)合同作戰(zhàn)、聯(lián)合作戰(zhàn)戰(zhàn)斗力的作用。

3)傳統(tǒng)方式下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中心度最大的是師指揮所DHQ，而網(wǎng)絡(luò)化方式下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中心度最大的是核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)N。這表明:前者支撐的作戰(zhàn)體系重心是面向任務(wù)部隊(duì)的;而后者構(gòu)建的作戰(zhàn)體系重心在網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)絡(luò)為中心引接各作戰(zhàn)要素。

4)傳統(tǒng)方式下情報(bào)容量為13 740，網(wǎng)絡(luò)化方式下情報(bào)容量14 720，改善程度為7%。這表明:網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)支撐作戰(zhàn)體系的總情報(bào)信息收益更高，但是程度并不顯著。其原因是:(1)與效率相比，該度量指標(biāo)更加強(qiáng)調(diào)數(shù)量，即利用信息的子任務(wù)作戰(zhàn)單元越多，情報(bào)信息獲得的總收益越大，如圖5所示，當(dāng)增加子任務(wù)作戰(zhàn)單元數(shù)時(shí)，2種方式下的情報(bào)容量均明顯上升;(2)本示例較為簡單，支撐的作戰(zhàn)體系越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)化方式較傳統(tǒng)方式越有優(yōu)勢，如圖6所示，當(dāng)增加子任務(wù)作戰(zhàn)單元數(shù)時(shí)，情報(bào)容量的改善程度逐步提高。

圖5 2種方式下情報(bào)容量隨子任務(wù)作戰(zhàn)單元數(shù)變化情況

圖6 情報(bào)容量改善程度隨子任務(wù)作戰(zhàn)單元數(shù)變化情況

從上述結(jié)果可以看出:網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)具有的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在指揮控制效率上，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)模式下指揮控制由多層次樹狀向扁平網(wǎng)狀轉(zhuǎn)變，這極大地提高了指揮控制的效率，贏得了作戰(zhàn)時(shí)間，從而加速作戰(zhàn)的OODA(Observe-Orient-Decide-Act)循環(huán);同時(shí)，在作戰(zhàn)要素越來越多、作戰(zhàn)體系越來越復(fù)雜的情況下，網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)較傳統(tǒng)方式優(yōu)勢越明顯。

5 結(jié)論

在以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)模式下，指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化及其存在的多樣性需要采用科學(xué)評估和定量分析的方法來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高整個(gè)作戰(zhàn)體系的效能。本文在FINC模型的基礎(chǔ)上，針對其存在的問題，提出了指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)定量分析方法，通過構(gòu)建傳統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化指揮信息系統(tǒng)部署示例，驗(yàn)證了該方法的有效性。從復(fù)雜性科學(xué)的角度看，對于指揮信息系統(tǒng)這類典型的復(fù)雜系統(tǒng)或體系，影響系統(tǒng)變化的不可控因素較多，難以進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范的分析，本文在必要的假設(shè)和近似條件下，研究了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)中指揮信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，下一步應(yīng)考慮更多的影響因素和更細(xì)的粒度來開展研究。

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