基于復雜網(wǎng)絡的海上大型編隊指揮控制信息協(xié)同模型

黃 康，任 重，孫杜娟，張海憶，蔣林芝

(海軍大連艦艇學院，大連116018)

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基于復雜網(wǎng)絡的海上大型編隊指揮控制信息協(xié)同模型

黃 康，任 重，孫杜娟，張海憶，蔣林芝

(海軍大連艦艇學院，大連116018)

針對海上大型編隊發(fā)展需求，基于復雜網(wǎng)絡理論研究了海上大型編隊指揮控制信息協(xié)同模型,在分析復雜網(wǎng)絡概念和特征的基礎上，以美軍航母編隊為例構(gòu)建其指揮控制信息協(xié)同模型，并給出其網(wǎng)絡拓撲圖，為研究海上大型編隊指揮控制信息系統(tǒng)提供新的研究思路。

海上大型編隊；指揮控制；復雜網(wǎng)絡

0 引 言

國內(nèi)外研究結(jié)果表明，現(xiàn)實世界中存在大量復雜系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都具有小世界、自相似性、高聚集性、無尺度特性、魯棒性等復雜網(wǎng)絡特征[1]。而近年興起的復雜網(wǎng)絡理論為復雜網(wǎng)絡提供了全新的分析工具。將復雜網(wǎng)絡理論引入軍事領域，從復雜網(wǎng)絡的角度來分析軍事信息系統(tǒng)的規(guī)律與特征，特別是研究如何提高網(wǎng)絡化作戰(zhàn)行動中的指揮控制信息協(xié)同效率，已成為國內(nèi)外研究熱點[2-4]。

伴隨著我國海軍力量的不斷壯大，特別是海上大型編隊的發(fā)展，編隊體系日趨呈現(xiàn)復雜性和網(wǎng)絡性，必須針對編隊網(wǎng)絡節(jié)點間指揮信息協(xié)同網(wǎng)絡展開研究。論文將復雜網(wǎng)絡理論引入海上大型編隊指揮信息系統(tǒng)研究中，并構(gòu)建海上大型編隊的指揮控制信息協(xié)同模型，以期為研究未來海上大型編隊指揮控制信息系統(tǒng)提供新的研究思路和方法。

1 復雜網(wǎng)絡概述

復雜網(wǎng)絡是具有復雜拓撲結(jié)構(gòu)和動力學行為的大規(guī)模網(wǎng)絡，主要采用數(shù)學圖論作為理論基礎，結(jié)合統(tǒng)計物理學的基本方法和工具，對網(wǎng)絡的特性、形成機制以及演變規(guī)律等展開分析[4]。目前，比較成熟的復雜網(wǎng)絡模型有規(guī)則網(wǎng)絡模型、隨機網(wǎng)絡模型、層次網(wǎng)絡模型、確定網(wǎng)絡模型、自相似網(wǎng)絡模型等幾種。分析比較上述模型的特點，編隊指揮控制信息協(xié)同網(wǎng)絡研究更適宜采用層次網(wǎng)絡模型。

大量實證表明很多自然網(wǎng)絡和社會網(wǎng)絡具有2個普遍的特性：冪律度分布和層次模塊性[5]。通常情況下，層次網(wǎng)絡是由若干彼此相連的模塊組成的。所謂模塊是在物理或功能上連接在一起的、共同完成某個獨立功能的節(jié)點。例如，計算機的硬件模塊、DNA染色體等。對于海上大型編隊，具有指揮控制功能的艦艇甚至航母同樣可以看作模塊。將上述功能模塊按照一定的關(guān)系連接后，就構(gòu)成了更高效、更復雜且應用更廣泛的結(jié)構(gòu)。在不同的結(jié)構(gòu)層次上，層次網(wǎng)絡往往還具有自相似性[5]。

2 指揮控制信息協(xié)同模型構(gòu)建

2.1 大型編隊指揮控制信息協(xié)同的特征分析

以美軍航母編隊為例，一種典型編成為1艘現(xiàn)役航空母艦、2艘導彈巡洋艦、4艘導彈驅(qū)逐艦、1艘護衛(wèi)艦、1～2艘攻擊型核潛艇和1艘供應艦。編隊以航母作為編隊的中心，是指揮控制信息協(xié)同網(wǎng)絡的關(guān)鍵節(jié)點，可以直接接受上級命令，并協(xié)調(diào)指揮編隊各作戰(zhàn)單元。各個作戰(zhàn)單元承擔著不同的任務，分別起到防空、對海防御及攻擊和反潛的功能，構(gòu)成如圖1所示的大型防御圈[6]。

圖1 美軍航母編隊防御圈

大型編隊的指揮控制信息協(xié)同主要涉及指揮控制系統(tǒng)、情報系統(tǒng)、武器系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，具有明顯的復雜性和網(wǎng)絡性，是一個典型的復雜系統(tǒng)。圖2所示為美軍所提出的C4ISR系統(tǒng)，就是一個集情報獲取、傳輸、加工處理、計算、顯示、決策、指揮與控制于一體的復雜系統(tǒng)[7-9]。

圖2 C4ISR系統(tǒng)網(wǎng)絡中心架構(gòu)

2.2 建模步驟

對海上大型編隊的指揮控制網(wǎng)絡進行描述，需要給出各指揮層次間的指控關(guān)系以及信息流傳輸途徑。本文按照如下步驟構(gòu)建指揮信息協(xié)同模型：

第1步，定義網(wǎng)絡節(jié)點V={v1,v2,… ,vn}，vi代表各級指揮中心、情報中心和武器中心。

這里按照美軍的編隊系統(tǒng)模式，將編隊分為3級節(jié)點：一級節(jié)點包括航母指揮控制系統(tǒng)、情報系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)；二級節(jié)點包括由數(shù)條水面艦艇和潛艇組成子系統(tǒng)的指揮控制系統(tǒng)、情報系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)；三級節(jié)點包括編隊內(nèi)各艦艇或潛艇內(nèi)部的指揮控制系統(tǒng)、情報系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

第2步，定義邊集E={e1,e2,… ,en}，ei描述各指揮機構(gòu)之間的指揮和信息協(xié)同關(guān)系。如果同層次節(jié)點之間存在情報信息交互，則將它們相連；對于不同的指揮層次，如果存在指揮信息流的直接交互，則將它們相連。任意2個節(jié)點之間至多存在1條邊。

第3步，根據(jù)海上大型編隊指揮控制系統(tǒng)特征，做出如下假設：

(1) 一級指控中心節(jié)點(即航母指揮控制系統(tǒng))必須與所有二級指控中心節(jié)點(二級節(jié)點中的指揮控制系統(tǒng))相連；

(2) 二級指控中心節(jié)點必須與其下屬所有三級指控中心節(jié)點(三級節(jié)點中的指揮控制系統(tǒng))相連；

(3) 各指控中心節(jié)點與其配套指揮控制系統(tǒng)、情報系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)節(jié)點相連；

(4) 網(wǎng)絡中不存在任何孤立的節(jié)點；

(5) 各節(jié)點的屬性與人員、時間、環(huán)境等因素無關(guān)。

2.3 模型構(gòu)建

基于圖1、圖2，按照上節(jié)給出的模型構(gòu)建方法，構(gòu)建海上大型編隊指揮控制信息協(xié)同模型概念圖,如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡拓撲圖

圖3中，中心三角A1B1C1代表航母，其中心O1為航母指揮控制系統(tǒng)，A1、B1、C1節(jié)點分別代表航母的情報系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。以O1為中心，向外“輻射”與各二級指控中心O21、O22、O23等相連。圖中A2i、B2i、C2i分別為二級指控中心Oi對應的情報系統(tǒng)、武器控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等二級節(jié)點。而后二級指控中心節(jié)點O2i分別與其對應的各三級指控中心O3i相連，依此構(gòu)成指揮控制信息系統(tǒng)協(xié)同網(wǎng)絡。

可見，海上大型艦艇指揮控制信息協(xié)同網(wǎng)絡呈現(xiàn)出層次性和相似性特征，基于此模型，可以利用復雜網(wǎng)絡的理論算法對其做深層次分析。

3 結(jié)束語

海上大型編隊指揮控制系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，而信息化條件下的網(wǎng)絡化作戰(zhàn)發(fā)展趨勢對編隊指揮控制信息協(xié)同提出了新的要求。本文將復雜網(wǎng)絡理論引入海上大型編隊指揮控制信息協(xié)同問題研究中，以美軍航母為例，針對海上大型編隊指揮控制信息協(xié)同特點，構(gòu)建了一種圖示模型，為深入研究分析海上大型編隊指揮控制信息系統(tǒng)奠定了基礎。

[1] 陳麗娜，黃金才，張維明.網(wǎng)絡化戰(zhàn)爭中復雜網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)模型研究[J].電光與控制，2008,15(6)：4-6.

[2] 朱濤，常國岑，張水平,等.基于復雜網(wǎng)絡的指揮控制級聯(lián)失效模型研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2010,22(8):1817-1820.

[3] 田旭光，朱元昌，羅坤,等.基于復雜網(wǎng)絡理論的指揮控制系統(tǒng)自適應重構(gòu)模型[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013,35(1)：91-96.

[4] 朱濤，常國岑，張水平,等.基于復雜網(wǎng)絡的指揮控制信息協(xié)同模型研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2008,22(8):6058-6060.

[5] 金偉新.體系對抗復雜網(wǎng)絡建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6] 劉曉，劉忠，侯文姝,等.美航母編隊網(wǎng)絡化反導作戰(zhàn)建模[J].火力與指揮控制，2012，37(7)：28-30.

[7] 張金鋒，易侃.信息流的網(wǎng)絡化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點挖掘方法[J].火力與指揮控制,2014,39(8)：61-64.

[8] 涂擁軍，李敬輝，黃高明.基于對象Petri網(wǎng)的水面艦艇編隊網(wǎng)絡中心戰(zhàn)系統(tǒng)建模[J].通信與信息技術(shù)，2007(17)：14-21.

[9] 丁曉劍，孫豐鑫.C4ISR系統(tǒng)概念模型元素研究[J].微電子學與計算機，2014,31(5)：79-82.

Command and Control Information Cooperation Model of Large-scale Maritime Formation Based on Complex Network

HUANG Kang,REN Zhong,SUN Du-juan,ZHANG Hai-yi，JIANG Lin-zhi

(Dalian Naval Academy，Dalian 116018,China)

Aiming at the developing demand of large-scale maritime formation,this paper studies a large-scale maritime formation's command and control information cooperation model based on computer network theory,based on analyzing the concept and characteristic of complex network,establishes the command and control information cooperation model taking US carrier formation as an example,and gives the network topology picture,which provides new ideas for studying the command and control information system of large-scale maritime formation.

large-scale maritime formation;command and control;complex network

2015-02-02

TN97

A

CN32-1413(2015)04-0030-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.008