基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性分析

張萌萌，陳洪輝，羅愛民，劉俊先（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南　長沙410072）

基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性分析

張萌萌，陳洪輝，羅愛民，劉俊先
（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410072）

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的發(fā)展為C4ISR（co m mand，control，co m m unication co m puter，intelligence，surveillance，reconnaissance，C4ISR）系統(tǒng)的靈活性提出了更大的挑戰(zhàn)。靈活性存在于C4ISR系統(tǒng)的多個(gè)方面，其中結(jié)構(gòu)靈活性是系統(tǒng)靈活性的支撐。首先明確了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性的基本內(nèi)涵，然后采用OPDAR（observer，processor，decision，actor，relationship）模型構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)并應(yīng)用了制造業(yè)中車間-產(chǎn)品模型的靈活性分析思想，提出基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性分析方法。最后對兩種聯(lián)合防空系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活性分析，證明了方法的可行性。

C4ISR系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)靈活性；OPDAR模型；動(dòng)態(tài)調(diào)整

網(wǎng)址：www.sys-ele.com

0 引 言

C4ISR系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，具有指揮控制、情報(bào)偵察、預(yù)警探測、通信、電子對抗和其他作戰(zhàn)功能的指揮信息系統(tǒng)［1］。當(dāng)前，隨著戰(zhàn)場形勢的瞬息萬變，C4ISR系統(tǒng)正面臨著越來越難以應(yīng)對的挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)包括系統(tǒng)所處環(huán)境的復(fù)雜性、任務(wù)的多樣性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化性等等，它們使現(xiàn)代戰(zhàn)場敵我雙方的作戰(zhàn)行為越來越呈現(xiàn)多樣化、動(dòng)態(tài)化與復(fù)雜化的特點(diǎn)。這些變化為C4ISR系統(tǒng)的靈活性提出了很高的要求。

靈活性是指系統(tǒng)適應(yīng)任務(wù)或環(huán)境變化的能力，表現(xiàn)在C4ISR系統(tǒng)的多個(gè)方面：業(yè)務(wù)流程是否可動(dòng)態(tài)組織；系統(tǒng)要素和系統(tǒng)資源是否可動(dòng)態(tài)配置；系統(tǒng)功能是否具有多樣性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否松耦合；系統(tǒng)是否方便接入或退出；系統(tǒng)是否具有良好的機(jī)動(dòng)與響應(yīng)性能等等。

結(jié)構(gòu)靈活性是C4ISR系統(tǒng)靈活性的主要支撐。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)單元與單元之間的關(guān)系組成，其中系統(tǒng)單元支撐作戰(zhàn)活動(dòng)的執(zhí)行，單元關(guān)系表示系統(tǒng)單元之間信息傳遞的關(guān)聯(lián)方式，包括情報(bào)類關(guān)系、指控類關(guān)系、協(xié)同類關(guān)系等。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成方式與復(fù)雜程度直接影響到C4ISR系統(tǒng)靈活適應(yīng)任務(wù)變化的能力。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要采用一種分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性的理論方法，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面定量分析C4ISR系統(tǒng)的靈活性。

本文首先明確了C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性的概念內(nèi)涵，然后分析采用OPDAR模型對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，進(jìn)而借鑒制造業(yè)中車間產(chǎn)品模型靈活性分析過程，提出C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性計(jì)算步驟與思路，最后通過區(qū)域聯(lián)合防空系統(tǒng)案例說明方法的可行性。

1 C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性

當(dāng)前靈活性的研究存在于化學(xué)、制造業(yè)、建筑學(xué)、企業(yè)、軟件、社會(huì)等領(lǐng)域。盡管靈活性普遍被認(rèn)為是一種適應(yīng)變化的能力，但是由于不同的學(xué)科從不同的角度去理解靈活性，至今對靈活性概念的理解仍然很模糊。

制造業(yè)領(lǐng)域的靈活性一般從制造部門適應(yīng)產(chǎn)品需求量動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)靈活性展開［2-6］。根據(jù)車間生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，Jordan［3］，Iravani［5-6］等人采用圖論最大流算法或排隊(duì)論方法分析產(chǎn)品需求量發(fā)生變化時(shí)車間適應(yīng)變化的能力。

企業(yè)領(lǐng)域的靈活性是指業(yè)務(wù)流程適應(yīng)外部環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的能力［7-8］。通過對業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化（business process optimization，BPO）或業(yè)務(wù)流程的重組（business process reengineering，BPR）等研究，對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行徹底的再思考和根本的再設(shè)計(jì)，以達(dá)到靈活適應(yīng)用戶需求的目的。

軟件領(lǐng)域的靈活性指軟件適應(yīng)用戶需求動(dòng)態(tài)變化的能力［9-10］。通過軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)、設(shè)計(jì)模式以及基于組件的工程等方面［9］的研究，以達(dá)到軟件更易于設(shè)計(jì)、更易于維護(hù)和更魯棒的目標(biāo)［10］。

C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性研究的文獻(xiàn)較少，大多從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的魯棒性［11］或抗毀性［12］的角度展開，但魯棒性或抗毀性多從作戰(zhàn)的角度模擬敵我雙方場景的改變，而靈活性不僅需適應(yīng)戰(zhàn)時(shí)作戰(zhàn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，而且需適應(yīng)平時(shí)內(nèi)部環(huán)境的可能變化。本文在綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于靈活性定義的基礎(chǔ)上，從我方系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)適應(yīng)變化的角度出發(fā)，給出C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性的定義。

定義1 C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性。為應(yīng)對外部環(huán)境以及C4ISR系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的各種變化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整，并保證任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的能力。

靈活的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指能夠盡可能考慮到未來任務(wù)或環(huán)境變化的多種可能情況，并且將這些變化能夠盡可能的反映在設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，從而使設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠在將來的運(yùn)行過程中避免重新設(shè)計(jì)。本文針對已構(gòu)建完成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，參考其他領(lǐng)域的靈活性分析思路，提出基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的靈活性分析方法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的OPDAR模型

結(jié)構(gòu)模型的選擇決定構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。當(dāng)前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型有OODA［13］、SDIT［14］、SPC T［15］等等，但它們都旨在模擬打擊雙方的效能，忽略了對自身結(jié)構(gòu)深入的分析。本文采用文獻(xiàn)［16］提出的OPD A R模型構(gòu)建C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中O代表情報(bào)獲取單元，主要負(fù)責(zé)獲取作戰(zhàn)空間內(nèi)敵我雙方的各種情報(bào)；P代表情報(bào)處理單元，主要負(fù)責(zé)對獲得的情報(bào)進(jìn)行處理，生成決策所需的情報(bào)態(tài)勢；D代表決策控制單元，主要負(fù)責(zé)生成作戰(zhàn)方案，對下級單元進(jìn)行指揮控制；A代表響應(yīng)執(zhí)行單元，主要負(fù)責(zé)實(shí)施具體的作戰(zhàn)行動(dòng)。

R代表系統(tǒng)單元間的信息關(guān)系，藍(lán)羽石等人［16］把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在的關(guān)系類型分為以下3類。

第1類 情報(bào)類關(guān)系。情報(bào)類關(guān)系傳遞的信息包括通過偵察、監(jiān)視探測裝備獲取的原始信息，以及通過情報(bào)處理產(chǎn)生的綜合后的情報(bào)態(tài)勢信息。關(guān)系實(shí)例包括O-＞A，O＞P，O-＞D，P-＞A，P-＞D，P-＞P。

第2類 指控類關(guān)系。指控類關(guān)系傳遞的信息指指揮機(jī)構(gòu)用于指揮或控制隸屬部隊(duì)、武器裝備等過程中產(chǎn)生的信息。關(guān)系實(shí)例包括D＞A，D-＞P，P-＞O，D＞D，P＞P。

第3類 協(xié)同類關(guān)系。協(xié)同類關(guān)系傳遞的信息指各類系統(tǒng)單元將自身及周邊環(huán)境狀態(tài)上報(bào)或與友鄰共享所產(chǎn)生的信息。關(guān)系實(shí)例包括A-＞P，P-＞A，A-＞D，D-＞A，P-＞D，O＞P，P＞O，D-＞D，P＞P，A＞A，O＞O。

圖1是一個(gè)簡單的OPDAR模型，根據(jù)各單元的情報(bào)層層上傳，指令層層下達(dá)，以樹形方式完成任務(wù)的執(zhí)行。

圖1 OPDAR模型舉例

藍(lán)羽石［16］認(rèn)為單元與關(guān)系的組合形成的信息流在一定程度上反映任務(wù)的執(zhí)行，因此把任務(wù)類型分為以下3類。

第1類 情報(bào)類任務(wù)。通過對情報(bào)類信息的傳遞、處理等操作完成的任務(wù)。任務(wù)實(shí)例包括O-＞A，O-＞P-＞A，P＞D，O-＞P-＞D，O＞D，O＞P，P＞P。

第2類 指控類任務(wù)。通過對指控類信息的傳遞、處理等操作完成的任務(wù)。任務(wù)實(shí)例包括D-＞A，D-＞P，D-＞P-＞O，P-＞O，D-＞O，D-＞D，P-＞P。

第3類 協(xié)同類任務(wù)。通過對協(xié)同類信息的傳遞、處理等操作完成的任務(wù)。任務(wù)實(shí)例包括D＞D，P＞P，A＞A，O＞O。

3 基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的結(jié)構(gòu)靈活性分析方法

結(jié)構(gòu)靈活性的分析是以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)任務(wù)結(jié)構(gòu)變化的程度為突破口。研究對象是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)的變化是任務(wù)結(jié)構(gòu)的變化，任務(wù)結(jié)構(gòu)代表了完成系統(tǒng)任務(wù)的處理方式，即單元與關(guān)系的不同組合。針對構(gòu)建好的OPDAR結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)對變化的適應(yīng)能力，進(jìn)而為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供輸入。

參考國內(nèi)外對靈活性分析相關(guān)文獻(xiàn)，本文從同類作戰(zhàn)單元中某些單元完成的任務(wù)量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對這些單元的任務(wù)進(jìn)行靈活調(diào)整的能力的角度進(jìn)行分析。

3.1車間產(chǎn)品模型

本文基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的靈活性分析方法主要源于制造業(yè)中的車間-產(chǎn)品模型。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為靈活性是指產(chǎn)品需求變化不是很大的情況下，動(dòng)態(tài)分配車間生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)目，達(dá)到適應(yīng)市場需求變化的目的的能力。方法思想是根據(jù)車間的生產(chǎn)能力以及車間的資源數(shù)構(gòu)建車間與產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，得到不同產(chǎn)品間動(dòng)態(tài)調(diào)整的不相重合的路徑數(shù)，進(jìn)而得到產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑數(shù)矩陣，分析矩陣的平均特征值，即認(rèn)為是生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的靈活性。

一個(gè)簡單的車間-產(chǎn)品模型如圖2所示，其中S代表車間的資源數(shù)，分別為1，1，1；D代表產(chǎn)品的需求數(shù)，初始值分別為1，1，1，但由于產(chǎn)品需求的變化，D1變?yōu)?.5，D2變?yōu)?.5，D3仍為1。

圖2車間-產(chǎn)品模型

計(jì)算D1與D2之間完成任務(wù)的靈活調(diào)整能力時(shí)，根據(jù)圖論中的最大流算法，圖2右圖中存在2條不相重合的路徑（D1＞S1＞D2，D1＞S3＞D3＞S2＞D2）可以把D1減少的0.5需求量轉(zhuǎn)移給D2，使其滿足變化之后的需求，圖中虛線與實(shí)線分別代表不相重合的2條轉(zhuǎn)移路徑，表示車間動(dòng)態(tài)調(diào)整不同產(chǎn)品生產(chǎn)量的2個(gè)策略，此時(shí)便認(rèn)為D1與D2之間動(dòng)態(tài)調(diào)整值為2，同理，D2與D3之間、D1與D3之間的動(dòng)態(tài)調(diào)整值均為2。

當(dāng)計(jì)算D1、D2或D3自身的動(dòng)態(tài)調(diào)整值時(shí)，由于產(chǎn)品1，2，3分別由2個(gè)車間進(jìn)行生產(chǎn)，所以認(rèn)為D1、D2、D3自身的動(dòng)態(tài)調(diào)整值也為2，表示為生產(chǎn)相應(yīng)產(chǎn)品的車間數(shù)目，這樣得到產(chǎn)品動(dòng)態(tài)調(diào)整矩陣為

其中，矩陣的行和列分別表示產(chǎn)品1、產(chǎn)品2、產(chǎn)品3，矩陣內(nèi)的值表示對應(yīng)產(chǎn)品之間動(dòng)態(tài)調(diào)整的值。最后，通過計(jì)算矩陣的平均特征根得到圖2結(jié)構(gòu)的靈活性為2。

3.2 基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性分析方法

制造業(yè)中計(jì)算車間產(chǎn)品模型的靈活性方法主要包含3個(gè)基本特點(diǎn)：車間與產(chǎn)品之間的關(guān)系為生產(chǎn)能力；涉及的數(shù)據(jù)包括車間生產(chǎn)產(chǎn)品的種類與數(shù)目、產(chǎn)品的需求量；動(dòng)態(tài)調(diào)整蘊(yùn)含在車間-產(chǎn)品的兩列結(jié)構(gòu)中（車間列、產(chǎn)品列），即任務(wù)的完成只經(jīng)過一條關(guān)系。

考慮到O P D A R 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與車間-產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的相似性，在C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用車間-產(chǎn)品模型進(jìn)行分析，同時(shí)需要針對車間-產(chǎn)品模型的特點(diǎn)加以改進(jìn)。

（1）以系統(tǒng)單元間的執(zhí)行能力代替車間生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，采用父節(jié)點(diǎn)分配不同任務(wù)量給子節(jié)點(diǎn)執(zhí)行代替車間生產(chǎn)不同種類的產(chǎn)品數(shù)目。

（2）父節(jié)點(diǎn)分配的任務(wù)量與子節(jié)點(diǎn)完成的任務(wù)量在C4ISR系統(tǒng)中無法直接給出，假設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元之間傳輸需求是滿足的，并且認(rèn)為父節(jié)點(diǎn)分配的總?cè)蝿?wù)量與子節(jié)點(diǎn)完成的總?cè)蝿?wù)量無論如何是相等的，因此認(rèn)為在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中同類單元中的某些單元之間只要通過父節(jié)點(diǎn)連通，就認(rèn)為它們是可以動(dòng)態(tài)調(diào)整的。

（3）OPD A R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中包含情報(bào)、指控、協(xié)同3類任務(wù)，每類任務(wù)的執(zhí)行都可能是多個(gè)單元與多條關(guān)系的組合，這時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)多列結(jié)構(gòu)完成某種任務(wù)，多列結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法可以認(rèn)為是兩列結(jié)構(gòu)的延伸，因此需要對算法做進(jìn)一步改進(jìn)。

由上述分析可知，在C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用車間-產(chǎn)品模型的靈活性分析方法是可行的，這樣既符合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，又從靜態(tài)結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力的角度而不是按照魯棒性、抗毀性等指標(biāo)從模擬敵方打擊的角度進(jìn)行分析，具有預(yù)先應(yīng)變的能力。

應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)整思想時(shí)，應(yīng)對情報(bào)、指控、協(xié)同等同一類別的任務(wù)單獨(dú)展開分析，認(rèn)為只要不同的系統(tǒng)單元（如不同的單元P）完成的任務(wù)是同類任務(wù)，就存在任務(wù)調(diào)整的可能，并且存在同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)連通，它們之間就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。下面針對完成任務(wù)時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的多列結(jié)構(gòu)，分析對應(yīng)的解決方法，最終完成車間-產(chǎn)品模型到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。

多列結(jié)構(gòu)時(shí)，本文提出按照與任務(wù)結(jié)束單元的距離由近到遠(yuǎn)依次分析每條轉(zhuǎn)移路徑的調(diào)整值；并認(rèn)為每條路徑的調(diào)整值為路徑中每條關(guān)系的靈活性的乘積；由于關(guān)系可能使用多次，關(guān)系的靈活性與關(guān)系的使用次數(shù)成反比，初始值是1，這樣可保持與兩列結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法1致。

方法通過圖3進(jìn)行說明。圖3為完成情報(bào)類任務(wù)的多列結(jié)構(gòu)，可以分析該結(jié)構(gòu)的情報(bào)類任務(wù)的靈活性。當(dāng)分析D1與D2之間的動(dòng)態(tài)調(diào)整值時(shí)，首先D1與D2完成的任務(wù)可以由P2動(dòng)態(tài)調(diào)整（D1＞P2＞D2），關(guān)系的靈活性均為1，該路徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整值為1；也可以由P1動(dòng)態(tài)調(diào)整（D1＞P1＞D2），關(guān)系的靈活性均為1，該路徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整值也為1；也可以由O1動(dòng)態(tài)調(diào)整（D1＞P1＞O1＞D2），此時(shí)由于第2次使用關(guān)系P1＞D1，P1＞D1關(guān)系的靈活性變?yōu)?.5，路徑中其他關(guān)系的靈活性仍為1，則該條路徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整值為為0.5，這樣得到D1與D2之間的動(dòng)態(tài)調(diào)整值為2.5（3條轉(zhuǎn)移路徑求和）。同時(shí)，由圖可知D1自身的動(dòng)態(tài)調(diào)整值為2（2條不同關(guān)系可達(dá)），D2自身的動(dòng)態(tài)調(diào)整值為3（3條不同關(guān)系可達(dá)）。因此可得到多列結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整矩陣。

圖3 多列結(jié)構(gòu)舉例

總之，當(dāng)完成的某類任務(wù)未出現(xiàn)多列結(jié)構(gòu)時(shí)，可直接按照車間-產(chǎn)品模型的方法進(jìn)行分析；當(dāng)完成的任務(wù)包含多列結(jié)構(gòu)時(shí)，按照圖3的過程進(jìn)行分析。這樣可遍歷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的多種任務(wù)包含的多種情況，完成車間-產(chǎn)品模型到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。

3.3 靈活性分析步驟

根據(jù)O P D A R系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的靈活性分析步驟主要分為以下3個(gè)步驟。

步驟1 遍歷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所有類型的單元（O，P，D，A），以某類型的單元為研究對象，遍歷得到以該類型單元為任務(wù)結(jié)束單元的所有類型的任務(wù)，以該類型單元完成的某類任務(wù)為研究對象。

步驟2 根據(jù)該類單元完成該類任務(wù)經(jīng)過的單元與關(guān)系提取出對應(yīng)的系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)，得到如圖3所示的完成單一類型任務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。利用本文提出的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法，計(jì)算系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)的靈活性，表示該類單元完成的該類任務(wù)的靈活性。

步驟3 同理，計(jì)算得到所有類型的單元完成所有類型任務(wù)的靈活性，求和所有類型的單元完成的某類任務(wù)的靈活性，即為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成該類任務(wù)的靈活性，求和所有類型任務(wù)的靈活性，即為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性。

圖4表示所有類型單元完成的所有類型任務(wù)的各種情況，根據(jù)各種情況對應(yīng)的任務(wù)實(shí)例，求得所需的靈活性數(shù)據(jù)。

圖4 動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)例

4 案例研究

本文以聯(lián)合防空為想定設(shè)計(jì)具有不同特征的聯(lián)合防空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)上文提出的靈活性分析方法，對比分析這些具有不同特征的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性，并得出結(jié)論。聯(lián)合防空任務(wù)包括：具有防空任務(wù)的雷達(dá)旅團(tuán)發(fā)現(xiàn)敵目標(biāo)入侵時(shí)，立即組織航空兵和地防部隊(duì)聯(lián)合行動(dòng)，對敵目標(biāo)進(jìn)行攔截驅(qū)逐。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建

本文基于聯(lián)合防空系統(tǒng)任務(wù)，設(shè)計(jì)了如圖5所示的樹形化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（稱為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1）和如圖6所示的扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（稱為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2），這兩種結(jié)構(gòu)均能夠滿足聯(lián)合防空任務(wù)要求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1中，首先情報(bào)通過雷達(dá)單元上報(bào)到情報(bào)融合中心單元形成綜合情報(bào)，繼續(xù)上傳給前指單元進(jìn)行決策，然后形成計(jì)劃、命令等信息層層下發(fā)，最后武器系統(tǒng)單元進(jìn)行火力打擊。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上，添加了越級指控、態(tài)勢共享等扁平化因素，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化特征。主要通過以下4個(gè)方式添加。

方式1 同類節(jié)點(diǎn)形成環(huán)，表明同類節(jié)點(diǎn)之間可以動(dòng)態(tài)協(xié)同及信息共享，表現(xiàn)在圖6中為情報(bào)處理節(jié)點(diǎn)R P1、R P2與R P3分別相連，稱作網(wǎng)絡(luò)因素1。

方式2 同類節(jié)點(diǎn)中以某節(jié)點(diǎn)為中心，表明該節(jié)點(diǎn)可以和其他節(jié)點(diǎn)協(xié)同，表現(xiàn)在圖6中為情報(bào)處理節(jié)點(diǎn)R P1、R P3分別與R P3相連，稱作網(wǎng)絡(luò)因素2。

方式3 指揮控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行越級指控，表明指控方式應(yīng)對突發(fā)狀況時(shí)的措施，表現(xiàn)在圖6中為F D分別與第三級指控節(jié)點(diǎn)相連，稱作網(wǎng)絡(luò)因素3。

方式4 情報(bào)處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行越級保障，表明情報(bào)傳輸應(yīng)對突發(fā)狀況時(shí)的措施，表現(xiàn)在圖6中為R P節(jié)點(diǎn)分別于響應(yīng)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)相連，稱作網(wǎng)絡(luò)因素4。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2

4.2 靈活性分析

按照第3.3節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性分析步驟，對圖5和圖6兩種結(jié)構(gòu)的靈活性進(jìn)行計(jì)算。

首先根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)類型，提取以該節(jié)點(diǎn)類型為終點(diǎn)的各種類型任務(wù)的子結(jié)構(gòu)，如圖7是樹形結(jié)構(gòu)中以P為終點(diǎn)的情報(bào)類任務(wù)子結(jié)構(gòu)。

圖7 結(jié)構(gòu)1中以P為終點(diǎn)的情報(bào)類任務(wù)子結(jié)構(gòu)

然后計(jì)算該子結(jié)構(gòu)的靈活性。由圖可知R P1、R P2、R P3之間不存在動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)系，所以它們之間動(dòng)態(tài)調(diào)整值為0，同時(shí)分別有3個(gè)情報(bào)獲取節(jié)點(diǎn)到達(dá)R P1、R P2與R P3，所以它們自身的動(dòng)態(tài)調(diào)整值為3，得到R P1、R P2與R P3的動(dòng)態(tài)調(diào)整矩陣如下：

得到該矩陣平均特征值為3，所以以P為終點(diǎn)的情報(bào)類任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)整靈活性為3。

進(jìn)而遍歷以所有類型節(jié)點(diǎn)為終點(diǎn)的所有類型任務(wù)對應(yīng)的系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)的靈活性，得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1所有的靈活性數(shù)據(jù)。進(jìn)而分析其他4個(gè)網(wǎng)絡(luò)化因素對應(yīng)的結(jié)構(gòu)與綜合網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的靈活性，所有靈活性數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各個(gè)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的靈活性數(shù)據(jù)

按任務(wù)類型對各個(gè)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，得到如圖8所示的結(jié)構(gòu)中各種任務(wù)的靈活性，進(jìn)而分析靈活性變化趨勢，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供思路。

由圖8可得出如下結(jié)論。

結(jié)論1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整靈活性由優(yōu)到劣依次為綜合結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)因素1、網(wǎng)絡(luò)因素2、網(wǎng)絡(luò)因素4、網(wǎng)絡(luò)因素3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1。其中綜合結(jié)構(gòu)的靈活性最高是因?yàn)榫C合結(jié)構(gòu)中的信息流類型與條數(shù)最多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1靈活性最低也是基于這個(gè)原因。案例結(jié)果一方面說明靈活性度量值是與信息流類型與數(shù)目息息相關(guān)，一方面說明本文方法是可行的。

結(jié)論2 分析圖8可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)因素1使結(jié)構(gòu)靈活性顯著增高，并且比其他幾種網(wǎng)絡(luò)化因素的靈活性都高。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)因素1不僅增加了結(jié)構(gòu)中的情報(bào)流，也使結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了協(xié)同流。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，應(yīng)使結(jié)構(gòu)中盡量存在較多有價(jià)值的邊，這些有價(jià)值的邊是指使結(jié)構(gòu)信息流種類或個(gè)數(shù)顯著增加的邊。

結(jié)論3 全連通的結(jié)構(gòu)靈活性是最好的，在案例結(jié)果中也能看出邊數(shù)與靈活性基本上是呈正相關(guān)的（網(wǎng)絡(luò)因素1例外）。但在結(jié)構(gòu)靈活性優(yōu)化時(shí)要注意風(fēng)險(xiǎn)、代價(jià)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的影響，把握靈活性與風(fēng)險(xiǎn)、代價(jià)的折衷，爭取采用最少的邊達(dá)到最好的靈活性。

圖8 各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整靈活性變化趨勢

5 結(jié) 論

本文首先提出了C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性分析問題，然后根據(jù)O P D A R模型構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在改進(jìn)車間-產(chǎn)品模型的靈活性方法的基礎(chǔ)上，提出了基于動(dòng)態(tài)調(diào)整的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性計(jì)算方法。最后對兩種聯(lián)合防空系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活性分析，證明了方法的可行性。

本文是對制造業(yè)車間生產(chǎn)靈活性在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的創(chuàng)新運(yùn)用，并提出了相關(guān)改進(jìn)及可行性說明。下一步從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度出發(fā)，考慮風(fēng)險(xiǎn)、代價(jià)等因素對靈活性的制約。

［1］Luo X S，Chen HH，Liu J X.C4IS R system analysis and design［M］.Changsha：National U niversity of Defense Technology Press，2008.（羅雪山，陳洪輝，劉俊先.指揮信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，2008.）

［2］Sethi A K，Sethi S P.Flexibility in manufacturing：a survey［J］. The International Journal of Flexible M anufacturing Systems，1990，2（4）：289-328.

［3］Jordan W C，Graves S C.Principles on the benefits of manufacturing process flexibility［J］.M anagement Science，1995，41 （4）：577-594.

［4］Jordan W C，In man R R，Blu menfeld D E.Chained cross-training of workers for robust performance［J］.IIE Transactions，2004，36（10）：953-967.

［5］Iravani S MR，Van Oyen M P，et al.Structural flexibility：a new perspective on the design of manufacturing and service operations［J］.M anagement Science，2005，51：151-166.

［6］Iravani S M R，Kolfal B，Van Oyen M P.Capability flexibility：a decision support methodology for parallel service and manufacturing systems with flexible servers［J］.IIETransactions，2011，43（5）：363-382.

［7］Regev G，Soffer P，Sch midt R.Taxono m y of flexibility in business processes［C］∥Proc.of the7th W orkshop on Business Process M odelling，Develop ment and Support，2006：90-93.

［8］Schonenberg H，M ans R，Russell N，et al.A dvances in enterprise engineering I：process flexibility-a survey of contem porary approaches［M］.Berlin：Springer，2008：16-30.

［9］A m non H E，M ens T.M easuring software flexibility［J］.IE E Softw are，2006，153（3）：113-126.

［10］H ale J，Parrish A，Dixon B，et al.Enhancing the coco m o estimation models［J］.IE E E Softw are，2000，17（6）：45-49.

［11］Xiu B X，Li B，Zhang WM，et al.Robust design ofC2organizational structure［J］.Fire Control&Com mandControl，2008，33（7）：104-111.（修保新，李兵，張維明，等.C2組織結(jié)構(gòu)的魯棒性設(shè)計(jì)方法［J］.火力與指揮控制，2008，33（7）：104-111.）

［12］W u J.Study on invulnerabi l ity of complex network topologies［D］. Changsha：National U niversity of Defense Technology，2013.（吳俊.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抗毀性研究［D］.長沙：國防科技大學(xué)，2013.）

［13］Berndt B.The dynamic O OD A loop：amalgamat ing boyd’s O O D A loop and the cybernetic approach to command and control［C］∥Proc.of the10th International Command and Control Research and Technology Sym posium The Future of C2，2013：1-15.

［14］Cares J R.An information age combat mode［R］.Alidade，2002.

［15］Chen C，Li L，Tao J.Construction of the SPCT combatinteraction network model based on the complex networks theory［J］.Ship Electronic Engineering，2013，33（4）：93-97.（陳春，李陸冀，陶金.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建SPCT對抗交互網(wǎng)絡(luò)模型［J］.艦船電子工程，2013，33（4）：93-97.）

［16］Lan Y S，Yi K，W ang H，et al.Delay assessment method for networked C4ISR system architecture［J］.Systems Engineering and Electronics，2013，35（9）：1908-1914.（藍(lán)羽石，易侃，王珩，等.網(wǎng)絡(luò)化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)效性分析方法［J］.系統(tǒng)工程于電子技術(shù)，2013，35（9）：1908-1914.）

C4ISR system structure flexibility analysis based on dynamic adjustment

ZHANG Meng-meng，CHEN Hong-hui，LUOAi-min，LIU Jun-xian
（Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，N ational University of Defense Technology，Changsha 410072，China）

The current development of network and information technology proposes unprecedented challenges for the C4ISR（command，control，communication computer，intelligence，surveillance，reconnaissance）system flexibility.Flexibility exists many aspects in system and structure flexibility is the main support.W e first put forward the structure flexibility analysis problem of the C4ISR system，then utilize the OPDAR（observer，processor，decision，actor，relationship）model to build the system structure，improve and apply the flexibility idea of the workshop-product modelin the manufacturing field，and propose a system structure flexibility analysis method based on dynamic adjustment.Finally，we comparatively analyze two kinds of structure of the regionaljoint air defense system，and verify the effectiveness of the proposed analysis method.

C4ISR system；structure flexibility；O P D A R m odel；dynamic adjustment

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.14

1001-506 X（2016）03-0563-06

2015-01-20；

2015-07-18；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-11-20。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151120.1800.008.html

復(fù)雜信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的韌性分析方法研究（71571189）資助課題

張萌萌（1990-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹笓]信息系統(tǒng)。

E-mail：18670381635@163.com

陳洪輝（1969-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)樾枨蠊こ獭Ⅲw系結(jié)構(gòu)。

E-mail：chh0808@gmail.com

羅愛民（1970-），女，教授，博士，主要研究方向?yàn)橹笓]信息系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)。

E-mail：a mluo@nudt.edu.cn

劉俊先（1973-），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)橹笓]信息系統(tǒng)、體系結(jié)構(gòu)。

E-mail：18674864900@163.com