NSHT預(yù)警裝備體系網(wǎng)絡(luò)化建模與分析*

朱剛，譚賢四，王紅，王流通

（1.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢430019；2.解放軍94938部隊，南京210000）

NSHT預(yù)警裝備體系網(wǎng)絡(luò)化建模與分析*

朱剛1，譚賢四1，王紅1，王流通2

（1.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢430019；2.解放軍94938部隊，南京210000）

針對NSHT的運動特性和NSHT預(yù)警裝備網(wǎng)絡(luò)化趨勢，對NSHT情報的分布式碎片化的特點進(jìn)行了分析，設(shè)計了裝備體系節(jié)點間的信息流向。在此基礎(chǔ)上，提出了基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的NSHT預(yù)警裝備體系網(wǎng)絡(luò)模型，并對網(wǎng)絡(luò)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、統(tǒng)計特征等進(jìn)行了研究，提出了NSHT預(yù)警裝備體系連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計建議和應(yīng)用思路。

高超聲速目標(biāo)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，裝備體系

0 引言

從國外臨近空間高超聲速目標(biāo)（Near Space Hypersonic Target，NSHT）試驗以及探測系統(tǒng)發(fā)展趨勢來看，構(gòu)建一個集成各種探測資源、多種武器配套并且協(xié)同工作的NSHT預(yù)警裝備體系是解決NSHT探測問題的有效途徑［1-3］。然而，NSHT預(yù)警裝備體系的邊界在哪里？具有什么樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能具有探測NSHT的能力？與其他武器裝備體系又有什么樣的關(guān)系等等？這些問題給NSHT預(yù)警裝備體系頂層設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。目前，《美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架2.0》（Department of Defense Architecture Framework version 2.0，DoDAF2.0）是指導(dǎo)開發(fā)體系結(jié)構(gòu)行之有效的方法［4］。然而，除作戰(zhàn)理論不同外，DoDAF2.0只是頂層的方法論，可操作性不強，并且偏重于信息系統(tǒng)設(shè)計［5］，難以滿足NSHT預(yù)警裝備體系的分析需求。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是研究復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、行為和性質(zhì)之間關(guān)系的新視角，近年來在軍事領(lǐng)域得到了快速發(fā)展［6-8］。這些研究成果以頂層抽象的網(wǎng)絡(luò)模型研究居多，鮮見系統(tǒng)分析方面的研究。本文對NSHT的目標(biāo)特性進(jìn)行了分析，對NSHT預(yù)警裝備體系的構(gòu)建思想進(jìn)行了簡要闡述，認(rèn)為NSHT預(yù)警裝備體系是典型的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)NSHT預(yù)警裝備體系構(gòu)建思想對比分析了傳統(tǒng)指揮控制網(wǎng)和聯(lián)合網(wǎng)中情報流的異同，分別構(gòu)建了傳統(tǒng)網(wǎng)和聯(lián)合網(wǎng)中的NSHT預(yù)警裝備體系網(wǎng)絡(luò)模型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型分析了NSHT預(yù)警裝備體系的連接結(jié)構(gòu)、信息處理中心選址等問題。期望為NSHT預(yù)警裝備體系的頂層設(shè)計提供一種新的思路。

1 系統(tǒng)分析與建模

1.1 系統(tǒng)分析

構(gòu)建NSHT預(yù)警裝備體系首先要對NSHT的特性進(jìn)行分析。NSHT飛行軌跡示意圖如圖1所示［9-12］。

圖1 NSHT飛行軌跡示意圖

圖1中，NSHT的飛行軌跡分為助推段、爬升段、平飛加速段、等速巡航段和俯沖攻擊段。飛行高度在在20 km～100 km之間，速度可以達(dá)到5 Ma以上。能被探測到的主要有電磁散射和紅外特征。

根據(jù)NSHT的目標(biāo)特性可以發(fā)現(xiàn)，防御方必須盡可能早地獲得預(yù)警信息，這樣才能為組織探測力量、部署火力打擊等工作預(yù)留充分的時間。這就要求NSHT預(yù)警裝備體系能夠提供及時準(zhǔn)確的情報。然而，NSHT利用其飛行高度和速度優(yōu)勢進(jìn)行突防，造成了單個探測系統(tǒng)能力覆蓋不足、探測數(shù)據(jù)有限難以形成航跡的局面，無形中增加了NSHT的預(yù)警難度。但是在NSHT飛行過程中，相關(guān)情報分布在多個探測系統(tǒng)中。如果將這些分布式碎片化的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)叫畔⒅行倪M(jìn)行綜合分析，就可以形成多圖層疊加的態(tài)勢信息，在一定程度上可以降低NSHT預(yù)警難的問題。因此，將探測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，形成NSHT預(yù)警裝備體系勢在必行。

從上述分析中可以確定，NSHT預(yù)警裝備體系是綜合天基、空基、陸基和?；脚_，綜合利用雷達(dá)、紅外和可見光探測系統(tǒng)，以信息中心為傳輸樞紐的復(fù)雜系統(tǒng)。然而，如何構(gòu)造NSHT預(yù)警裝備體系的指揮控制層次？如何選擇數(shù)據(jù)傳輸路徑？如何對信息中心進(jìn)行選址等等？這些問題是影響NSHT預(yù)警裝備體系能力生成的關(guān)鍵。

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)1.1節(jié)分析，預(yù)警作戰(zhàn)構(gòu)想為：根據(jù)NSHT飛行軌跡將預(yù)警作戰(zhàn)分為早期預(yù)警、中期預(yù)警和末期預(yù)警3個階段，早期預(yù)警為助推段和爬升段，中期預(yù)警為平飛加速段和等速巡航段，末期預(yù)警為俯沖攻擊段。早期預(yù)警就是利用各種衛(wèi)星、雷達(dá)等探測發(fā)射信息，預(yù)測去向。中期預(yù)警則為衛(wèi)星接力探測，若進(jìn)入防區(qū)則綜合利用衛(wèi)星和氣球載/飛艇等探測系統(tǒng)捕獲飛行參數(shù)。末期預(yù)警則由地基雷達(dá)實現(xiàn)。而從裝備應(yīng)用角度來看，這3個階段的預(yù)警并沒有嚴(yán)格控制裝備使用范圍，因此，同一類型的探測裝備在3個預(yù)警階段中都有可能存在。

從情報傳輸鏈路上來看，可分為傳統(tǒng)層級結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)網(wǎng)和聯(lián)合作戰(zhàn)的聯(lián)合網(wǎng)2種網(wǎng)絡(luò)類型?？煞謩e對2種網(wǎng)絡(luò)做出如下假設(shè)：

假設(shè)1，傳統(tǒng)網(wǎng)下的NSHT預(yù)警裝備體系組成：

（1）1個總指揮中心，1個軍兵種指揮中心。

（2）1軍兵種指揮中心下有5個區(qū)域指揮中心

（3）1區(qū)域指揮中心下有4個旅/團(tuán)級指揮中心。1個旅團(tuán)級指揮中心下有12個探測單位

（4）10個天基站，10個衛(wèi)星地面接收站。24顆偵查衛(wèi)星和6顆紅外衛(wèi)星等。

通信中繼衛(wèi)星忽略不計，傳統(tǒng)網(wǎng)總節(jié)點可達(dá)到332個。

假設(shè)2，聯(lián)合網(wǎng)下的NSHT預(yù)警裝備體系組成：

在傳統(tǒng)網(wǎng)基礎(chǔ)上增加1個聯(lián)合作戰(zhàn)指揮中心，1個總情報中心和5個聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)指揮中心。

聯(lián)合網(wǎng)總節(jié)點可達(dá)到339個。

若上述兩種網(wǎng)絡(luò)假設(shè)中的節(jié)點全部直接連接，不僅容易造成冗余，經(jīng)濟(jì)上也難以承受?？稍跀?shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笊蠈W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有偏好的構(gòu)建，根據(jù)上述分析，可設(shè)計情報傳輸流如圖2所示。

圖2 情報傳輸流

根據(jù)上述分析，參考文獻(xiàn)［13］，NSHT預(yù)警裝備體系可分為預(yù)警實體和信息處理實體兩類，實體間可分為指揮控制和協(xié)同兩種關(guān)系。實體及實體間關(guān)系形式化描述如下：

預(yù)警實體（Detector，D）指具有情報獲取功能的各類傳感器，如預(yù)警雷達(dá)，偵查衛(wèi)星等?？擅枋鰹椋?/p>

式（1）中，id表示實體唯一編號，da表示實體數(shù)據(jù)類型，f表示所屬平臺信息，cd表示探測范圍，di表示情報獲取能力，以單位時間內(nèi)向連接的指揮控制實體發(fā)送的信息量描述，C*表示與此探測實體相關(guān)聯(lián)的指揮控制實體。

信息處理實體（Command，C）指具有情報處理功能、信息傳輸功能和指揮與控制功能的節(jié)點?？擅枋鰹椋?/p>

式（2）中，id表示實體唯一編號，cf表示基本信息，cd表示所能處理的數(shù)據(jù)格式，ci表示單位時間內(nèi)接收的信息量，cc表示單位時間內(nèi)實體信息處理能力，co表示單位時間內(nèi)實體發(fā)出的信息量，D*表示與此實體相關(guān)聯(lián)的預(yù)警實體，Cc*表示與此實體相關(guān)聯(lián)的信息處理實體。

指揮控制關(guān)系（Command relationship，Rc）為預(yù)警實體和信息處理實體間的一種二元關(guān)系，可形式化描述為

式（3）中，Rc的對稱性表明，D向C流動的為情報或者狀態(tài)反饋信息，C向D流動為下達(dá)的指令信息。

協(xié)同關(guān)系（Coordinate relationship，Rr）是信息處理實體內(nèi)部的一種特殊關(guān)系，是同級別的信息處理實體指揮所屬預(yù)警實體協(xié)同完成任務(wù)的一種特殊關(guān)系?？尚问交枋鰹?/p>

根據(jù)上述分析，NSHT預(yù)警裝備體系網(wǎng)最終可形式化描述為

式（5）中，GNSHT表示NSHT預(yù)警裝備體系連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，V表示抽象后的實體集合，E表示抽象后的關(guān)系集合，φ表示權(quán)重，即信息傳輸所需的時間。從Rc和Rr描述中可以看出，GNSHT為無向網(wǎng)。

根據(jù)傳統(tǒng)網(wǎng)和聯(lián)合網(wǎng)的假設(shè)，參照設(shè)計的情報傳輸流，可構(gòu)建如下網(wǎng)絡(luò)模型：

網(wǎng)絡(luò)A：傳統(tǒng)網(wǎng)中嚴(yán)格的指揮層級結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)B：傳統(tǒng)網(wǎng)中具有協(xié)同連接。

網(wǎng)絡(luò)C：聯(lián)合網(wǎng)中嚴(yán)格的指揮層級結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)D：聯(lián)合網(wǎng)中具有協(xié)同的連接。

這4種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

為保證分布式的情報能夠傳輸?shù)浇y(tǒng)一節(jié)點進(jìn)行綜合處理，NSHT預(yù)警裝備體系的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有較好的魯棒性和較佳的信息傳輸路徑。這些問題和指揮控制層次以及信息中心的選址相關(guān)，可用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的特性進(jìn)行分析。

2 統(tǒng)計特征分析

2.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性的軍事內(nèi)涵

根據(jù)上述分析可知，情報流的路徑、傳輸時間和同類型情報是否能傳輸?shù)浇y(tǒng)一的信息中心，是決定NSHT預(yù)警裝備體系是否具備預(yù)警能力的重要因素，也是衡量連接結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)。根據(jù)1.2節(jié)的作戰(zhàn)構(gòu)想不難發(fā)現(xiàn)，在NSHT預(yù)警裝備體系中存在著3種不同的情報流，即預(yù)警情報、態(tài)勢情報和精確情報。這3種情報分別進(jìn)入NSHT預(yù)警、跟蹤和打擊3個回路中。其中NSHT預(yù)警和跟蹤是NSHT預(yù)警裝備體系的內(nèi)部回路，而NSHT打擊則是NSHT預(yù)警裝備體系與火力打擊系統(tǒng)的共同回路。其中預(yù)警情報必須快速地上報到最高決策層，態(tài)勢情報必須統(tǒng)一傳輸?shù)街付ǖ男畔⒅行?，精確情報在統(tǒng)一傳輸?shù)叫畔⒅行牡耐瑫r還必須要有大的帶寬和最短傳輸鏈路確保情報的實時性和精準(zhǔn)性。由于NSHT打擊的突然性和不可預(yù)測性，NSHT預(yù)警裝備體系必須具有全方位全時段和高覆蓋率，其中信息中心的選址必須合理，這就要從頂層上分析NSHT預(yù)警裝備體系的連接結(jié)構(gòu)。NSHT預(yù)警裝備體系的連接結(jié)構(gòu)問題可以參照復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計特征進(jìn)行分析。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)重要統(tǒng)計特征有：度、介數(shù)、平均路徑長度和網(wǎng)絡(luò)聚集系數(shù)。其中度表示與節(jié)點連接的邊數(shù)，說明了節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度；介數(shù)表示網(wǎng)絡(luò)中通過節(jié)點的最短路徑條數(shù)；平均路徑長度是任意2點間最短路徑的平均值。網(wǎng)絡(luò)聚集系數(shù)反映了整個網(wǎng)絡(luò)的聚集程度［14］。

在NSHT預(yù)警裝備體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，度值表示某個武器系統(tǒng)在體系中的重要程度，如指揮控制系統(tǒng)指揮多個探測系統(tǒng)，是信息鏈路的關(guān)鍵節(jié)點，相對于探測系統(tǒng)而言具有較高的度值，因此，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中具有較重要的地位。具有較高度值的節(jié)點并不一定是信息中心的最佳選址地點，為確定信息中心的選址，要引入介數(shù)的概念。根據(jù)介數(shù)定義可知，介數(shù)最高的節(jié)點是信息傳輸中最短路徑經(jīng)過最多的節(jié)點，因此，某一區(qū)域的信息中心應(yīng)選擇在介數(shù)相對較高的節(jié)點上，這樣才能保證態(tài)勢信息的及時性和綜合性。然而，確定了信息中心的地址并不能說明網(wǎng)絡(luò)的合理性，還得從整體上考慮信息的傳輸路徑問題，這就需要引入平均路徑長度概念。網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度從整體上反映了情報流的平均傳輸路徑的長短，對設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有重要的參考價值。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還需要有一定的抗毀性以保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，聚集系數(shù)就是最佳的衡量參數(shù)。

2.2 特征分析

結(jié)合上述分析可以認(rèn)為NSHT預(yù)警裝備體系具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性和傳輸行為的統(tǒng)計性、連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和節(jié)點動力學(xué)行為的復(fù)雜性，結(jié)合體系對抗和裝備發(fā)展建設(shè)來看，NSHT預(yù)警裝備體系還具有時空演化復(fù)雜性。這些特征都可以用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行描述。下面對1.2節(jié)中的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行簡單分析。

圖3中，網(wǎng)絡(luò)A～網(wǎng)絡(luò)D都體現(xiàn)出來了層次性，這是由特殊體制決定的。網(wǎng)絡(luò)A基本能夠滿足連接需求，網(wǎng)絡(luò)B則連通了幾個主要的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)C雖然增加了聯(lián)合指揮控制機構(gòu)，但是連接方式仍然按照嚴(yán)格的層級結(jié)構(gòu)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)D則在網(wǎng)絡(luò)C基礎(chǔ)上加強了同級間的連接。4種網(wǎng)絡(luò)模型的主要統(tǒng)計特征如表1所示。

表1 統(tǒng)計特征

表1中G表示網(wǎng)絡(luò)類型，Nu表示節(jié)點數(shù)，Ed表示邊數(shù)，AD表示平均度，AL表示平均路徑長度，CC表示聚集系數(shù)。表1中，網(wǎng)絡(luò)A平均度最低，平均路徑長度最長，聚集系數(shù)最低，這表明網(wǎng)絡(luò)A中網(wǎng)絡(luò)連接依賴幾個重要節(jié)點，信息傳輸距離長，共享效率慢，且一旦重要節(jié)點被摧毀，網(wǎng)絡(luò)可能較難連接起來。與網(wǎng)絡(luò)A特征類似的還有網(wǎng)絡(luò)C；網(wǎng)絡(luò)D具有最大節(jié)點數(shù)，最大連接邊，最大平均度，最小路徑長度和較大聚類系數(shù)。這表明網(wǎng)絡(luò)D中節(jié)點有較大連接數(shù)，信息傳輸距離短，共享效率高，且重要節(jié)點被摧毀，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點通過其他途徑也能相連。這些特征從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度分布情況中能夠直觀地反映出來。圖3中網(wǎng)絡(luò)模型度分布如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型度分布

圖4（a） 為4種網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點的度分布情況，圖4（b）為4種網(wǎng)絡(luò)模型度的分布概率。對比分析后可以發(fā)現(xiàn)，A和C網(wǎng)中除幾個節(jié)點具有較高的度值外，其他節(jié)點度值較低；B網(wǎng)和D網(wǎng)中節(jié)點度普遍高于A和C網(wǎng)。較高的度值和度值分布不僅保證了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連通性，還給情報流傳輸鏈路設(shè)計提供了多種可能方案。

通過統(tǒng)計特征可以發(fā)現(xiàn)，向聯(lián)合作戰(zhàn)方式轉(zhuǎn)型并不是增加幾個所謂的聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制機構(gòu)就能實現(xiàn)，必須要從連接層次和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等基本特性上進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由層級分明的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，向有利于信息流動和共享的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。根據(jù)上文分析，可選擇D網(wǎng)的連接方式作為NSHT預(yù)警裝備體系的連接結(jié)構(gòu)方案。下面討論情報流中信息中心的選址問題。

根據(jù)介數(shù)的定義，暫不考慮各邊權(quán)值，計算D網(wǎng)中各節(jié)點介數(shù)值，然后用Excel制成分布圖如下頁圖5所示。

圖5中介數(shù)最高的點為聯(lián)合指揮中心和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)指揮中心，分別達(dá)到了0.278和0.272，其次為軍兵種指揮中心和軍兵種區(qū)域指揮中心，分別達(dá)到了0.05和0.07，最后為旅團(tuán)級指揮中心和備用指揮中心，達(dá)到了0.04和0.03。這說明上述節(jié)點是信息傳輸最短路徑經(jīng)過的節(jié)點，是需要重點防御的節(jié)點，也是信息中心的最佳設(shè)置節(jié)點。

圖5 D網(wǎng)介數(shù)分布圖

3 結(jié)束語

本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，結(jié)合NSHT特性探討了NSHT預(yù)警裝備體系網(wǎng)絡(luò)特征，并分析了上述特征在NSHT預(yù)警裝備體系連接結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，為NSHT預(yù)警裝備體系連接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種新思路。下一步將在NSHT預(yù)警裝備體系連接結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討情報流等系統(tǒng)動力學(xué)特征。

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NSHT Early Warning System-of-Systems Networked Modeling and Analyzing

ZHU Gang1，TAN Xian-si1，WANG Hong1，WANG Liu-tong2
（1.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China；
2.94938 Troop of PLA，Nanjing，210000，China）

For the property of NSHT movements and the trend of NSHT early warning systems networked，the characteristic analysis of NSHT information is having distributed and clastic，the information flow of system-of-systems notes is designed.The network model of NSHT early warning system-of-systems is put forward based complex networks theory above all，researching on the topology and statistic of model.In the end，alteration recommendations and application methods for design NSHT early warning system-of-systems is proposed.

near space hypersonic target，complex networks，system-of-systems

E211；TP391

A

1002-0640（2015）02--118-05

2013-12-04

2014-01-23

國家自然科學(xué)基金資助項目（61271451）

朱剛（1984-），男，湖北武漢人，博士研究生。研究方向：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，裝備效能評估驗證等。