網(wǎng)絡(luò)信息體系復(fù)雜性及建模仿真研究

彭 軍， 張明智

(國(guó)防大學(xué) 信息作戰(zhàn)與指揮訓(xùn)練教研部, 北京 100091)

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網(wǎng)絡(luò)信息體系復(fù)雜性及建模仿真研究

彭 軍， 張明智

(國(guó)防大學(xué) 信息作戰(zhàn)與指揮訓(xùn)練教研部, 北京 100091)

復(fù)雜性是網(wǎng)絡(luò)信息體系研究需要關(guān)注的重點(diǎn)。從系統(tǒng)論和復(fù)雜系統(tǒng)角度闡述了網(wǎng)絡(luò)信息體系的復(fù)雜性機(jī)理，指出這種復(fù)雜性主要源于“組成-結(jié)構(gòu)-功能”的復(fù)雜性，組分的不確定性、適應(yīng)性、涌現(xiàn)性，以及體系的對(duì)抗性；從建模理論、復(fù)雜性仿真、可信性分析和仿真平臺(tái)4個(gè)方面探討了網(wǎng)絡(luò)信息體系建模仿真面臨的主要挑戰(zhàn)及解決的對(duì)策措施。

網(wǎng)絡(luò)信息體系；復(fù)雜性；建模仿真；挑戰(zhàn)及對(duì)策

網(wǎng)絡(luò)信息體系(NISoS)是集情報(bào)偵察監(jiān)視、通信、指揮決策、武器控制和綜合保障等功能為一體的網(wǎng)絡(luò)化信息化電子系統(tǒng)集合。其實(shí)質(zhì)是以網(wǎng)絡(luò)為中心，以信息為主導(dǎo)，整合戰(zhàn)斗力諸要素。其目的是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的態(tài)勢(shì)感知，提高信息共享水平，加快指揮決策速度，達(dá)到作戰(zhàn)自主協(xié)同，增強(qiáng)生存和響應(yīng)能力，躍升體系作戰(zhàn)效能。NISoS復(fù)雜性是洞悉體系制勝機(jī)理的關(guān)鍵，是體系研究需要關(guān)注的重點(diǎn)[1-7]。本文從系統(tǒng)論和復(fù)雜系統(tǒng)的角度闡述了NISoS的復(fù)雜性，分析了復(fù)雜性對(duì)NISoS建模仿真帶來(lái)的主要挑戰(zhàn)及解決的對(duì)策措施。

1 基于系統(tǒng)論的復(fù)雜性

1.1 組成復(fù)雜性

根據(jù)信息化條件下聯(lián)合作戰(zhàn)需要，NISoS將以信息柵格網(wǎng)為基礎(chǔ)，將戰(zhàn)場(chǎng)感知網(wǎng)、指揮決策網(wǎng)、武器控制網(wǎng)、綜合保障網(wǎng)等進(jìn)行邏輯組網(wǎng)，組成1個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)、4個(gè)作戰(zhàn)網(wǎng)的信息網(wǎng)絡(luò)；以通信系統(tǒng)為支撐，將涵蓋陸?？仗炀W(wǎng)電的情報(bào)偵察監(jiān)視系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)聯(lián)為一體化的信息系統(tǒng)。NISoS“五網(wǎng)五系統(tǒng)”的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 NISoS“五網(wǎng)五系統(tǒng)”基本架構(gòu)

1) 信息柵格網(wǎng)和通信系統(tǒng)。是將各種通信、數(shù)據(jù)、安防等要素融合構(gòu)成柵格化的信息基礎(chǔ)設(shè)施，按網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)化機(jī)制為戰(zhàn)場(chǎng)感知網(wǎng)、指揮決策網(wǎng)、武器控制網(wǎng)和綜合保障網(wǎng)等提供支撐，形成統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算、大容量傳輸和安全可控的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維環(huán)境。

2) 戰(zhàn)場(chǎng)感知網(wǎng)和情報(bào)偵察監(jiān)視系統(tǒng)。是由部署于多維空間的各類傳感器作為網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的一體化聯(lián)合情報(bào)偵察監(jiān)視體系。對(duì)各類感知資源進(jìn)行優(yōu)化組織、融合處理和共享運(yùn)用，形成全域一致的戰(zhàn)場(chǎng)聯(lián)合情報(bào)。

3) 指揮決策網(wǎng)和指揮控制系統(tǒng)。是以各級(jí)指揮控制系統(tǒng)作為網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的一體化聯(lián)合指揮體系。通過(guò)對(duì)各作戰(zhàn)力量組網(wǎng)運(yùn)用，將戰(zhàn)場(chǎng)分布的戰(zhàn)力融為一體，最大限度掌握作戰(zhàn)空間態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)資源的統(tǒng)一規(guī)劃，形成面向任務(wù)的聯(lián)合決策控制、行動(dòng)同步能力。

4) 武器控制網(wǎng)和武器系統(tǒng)。是將各類信息化武器系統(tǒng)作為網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的聯(lián)合火力交戰(zhàn)體系。通過(guò)對(duì)武器系統(tǒng)的傳感器、發(fā)射/制導(dǎo)單元進(jìn)行鉸鏈控制，形成聯(lián)合火力規(guī)劃及網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn)、精確制導(dǎo)等多武器系統(tǒng)交戰(zhàn)能力，實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的自組織聯(lián)合火力打擊。

5) 綜合保障網(wǎng)和綜合保障系統(tǒng)。是將各種氣象水文、地理信息、頻譜管理、后裝保障等系統(tǒng)作為網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的一體化綜合保障體系。圍繞作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)相關(guān)資源進(jìn)行統(tǒng)一組織、優(yōu)化調(diào)度、實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，形成高效的體系保障能力。

“五網(wǎng)五系統(tǒng)”是構(gòu)成NISoS的核心要素，NISoS的組分系統(tǒng)及其相互作用存在于物理、信息、認(rèn)知三域，它們之間的關(guān)系包括物理域的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系、信息域的信息保障關(guān)系(情報(bào)信息、指控信息、火力信息、保障信息) 和認(rèn)知域的組織管理關(guān)系等。

1.2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性

如果系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的價(jià)值相同(功能相近)，稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是價(jià)值對(duì)稱的；如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)比其他節(jié)點(diǎn)有更高價(jià)值，稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是價(jià)值非對(duì)稱的；如果所有節(jié)點(diǎn)類型相同，則稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是同質(zhì)的，反之是異質(zhì)的。NISoS基本結(jié)構(gòu)圖譜如圖2所示，A到G的不同位置代表不同的結(jié)構(gòu)類型。其中，A、E和G是3個(gè)特殊情況，它們可以獨(dú)立存在，也可以以子網(wǎng)形式存在于B、C、D和F中。

1) A型(中心結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是價(jià)值非對(duì)稱和異質(zhì)的，即有一個(gè)高價(jià)值中心節(jié)點(diǎn)和一些價(jià)值相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。若中心節(jié)點(diǎn)被毀，系統(tǒng)將不能正常運(yùn)行，體系作戰(zhàn)效能將大大降低，這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)被稱為“重心”(Center of Gravity, COG)。如航母編隊(duì)就是典型的A型結(jié)構(gòu)，航母為巡洋艦、驅(qū)逐艦、潛艇等提供情報(bào)、通信和指控服務(wù)，是體系的重心。

2) E型(基于需求結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是價(jià)值對(duì)稱和異質(zhì)的，即節(jié)點(diǎn)價(jià)值相同，但功能有所區(qū)分，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作配合共同完成任務(wù)。如導(dǎo)彈防御系統(tǒng)就是典型的E型結(jié)構(gòu)，天基預(yù)警衛(wèi)星探測(cè)到敵方導(dǎo)彈發(fā)射，向作戰(zhàn)中心發(fā)出預(yù)警，作戰(zhàn)中心啟動(dòng)地基預(yù)警雷達(dá)對(duì)來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)跟蹤，作戰(zhàn)中心生成交戰(zhàn)方案，指定導(dǎo)彈基地發(fā)射攔截彈，跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)引導(dǎo)修正攔截彈的機(jī)動(dòng)軌道，最后摧毀目標(biāo)。

a) NISoS結(jié)構(gòu)圖譜

b) NISoS結(jié)構(gòu)圖表圖2 NISoS的基本結(jié)構(gòu)圖譜

3) G型(集群結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是價(jià)值對(duì)稱和同質(zhì)的，即節(jié)點(diǎn)屬同一類型、價(jià)值相同，均有傳感、通信、指控和火力單元，作戰(zhàn)能力有限，節(jié)點(diǎn)間需共享信息和協(xié)同配合涌現(xiàn)出最大作戰(zhàn)效能。G分G1(涌現(xiàn)集群)和G2(共享集群)2種。G1的代表是無(wú)人機(jī)蜂群[8]，操作人員不必對(duì)每架無(wú)人機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，而是對(duì)集群進(jìn)行整體控制；G2的代表是指控系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)的信息融合產(chǎn)生一個(gè)共享態(tài)勢(shì)圖，形成對(duì)當(dāng)前態(tài)勢(shì)的判斷和生成計(jì)劃方案，節(jié)點(diǎn)按層級(jí)進(jìn)行指揮控制，層級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)具有大容量處理能力。

4) F型(混合結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是E與G的混合，包括2個(gè)子類：F1(有限節(jié)點(diǎn)類型)和F2(公共類型)。其中：F1的節(jié)點(diǎn)類型有限，功能不同，如美陸軍未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)(Future Combat System, FCS)有16種類型的節(jié)點(diǎn)，包括指揮控制車、間瞄火炮、偵察監(jiān)視與目標(biāo)探測(cè)車、無(wú)人機(jī)等，同類型節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生集群效應(yīng)，不同類型的節(jié)點(diǎn)之間互提服務(wù)需求；F2中節(jié)點(diǎn)類型不同，但有顯著公共性，典型代表如海軍協(xié)同作戰(zhàn)(Cooperative Engagement Capability, CEC)，各艦船都有情報(bào)偵察與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)，多艦傳感器信息融合極大擴(kuò)展了單艦的探測(cè)范圍，使得物理上分布的編隊(duì)能夠支持協(xié)同作戰(zhàn)，同時(shí)不同類型的艦船還擔(dān)負(fù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)。

5) C型(中心集群結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是在G型基礎(chǔ)上增加一個(gè)高價(jià)值的中心節(jié)點(diǎn)。這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)使得其他節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)效能倍增，涌現(xiàn)出新的性質(zhì)，同時(shí)還保留集群行為。如貝卡谷空戰(zhàn)中，以軍的機(jī)載預(yù)警與控制系統(tǒng)(Airborne Warning and Control System, AWACS)與戰(zhàn)斗機(jī)配合提高了預(yù)警探測(cè)能力和作戰(zhàn)能力，擊落敘軍82架戰(zhàn)機(jī)，創(chuàng)造了82∶0的奇跡。

6) B型(中心需求結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是在E基礎(chǔ)上增加一個(gè)高價(jià)值的中心節(jié)點(diǎn)。這個(gè)中心節(jié)點(diǎn)為其他節(jié)點(diǎn)提供不可或缺的服務(wù)，需要重點(diǎn)保護(hù)。一旦中心節(jié)點(diǎn)被毀，其他節(jié)點(diǎn)也不復(fù)存在。其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)也為中心節(jié)點(diǎn)按需提供服務(wù)。如航母為艦載機(jī)提供跑道、補(bǔ)給和維修等高價(jià)值服務(wù)，也是艦載機(jī)的情報(bào)、通信和指揮控制中心，艦載機(jī)為航母提供反潛、空中預(yù)警和保護(hù)等服務(wù)。

7) D型(聯(lián)合結(jié)構(gòu))。該結(jié)構(gòu)是多種類型和不同價(jià)值節(jié)點(diǎn)的聯(lián)合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在諸軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)中，包含了其他所有的結(jié)構(gòu)類型。在聯(lián)合結(jié)構(gòu)中，高價(jià)值的節(jié)點(diǎn)集是中心節(jié)點(diǎn)集，同類型的節(jié)點(diǎn)集具有涌現(xiàn)行為；另外，不同類型節(jié)點(diǎn)之間基于任務(wù)需求相互提供服務(wù)支持。

1.3 功能復(fù)雜性

“結(jié)構(gòu)決定功能”是系統(tǒng)工程和系統(tǒng)論的基本認(rèn)識(shí)。一般根據(jù)作戰(zhàn)需求選擇相應(yīng)的NISoS結(jié)構(gòu)類型，并提供滿足使命任務(wù)和體系作戰(zhàn)的有關(guān)功能，如實(shí)時(shí)感知、高效指控、通信傳輸、快反機(jī)動(dòng)、安全防護(hù)、電子干擾、信息支援、精確打擊等。正是由于NISoS高效、靈活、魯棒的結(jié)構(gòu)特性，使得NISoS具有“隨遇接入、即插即用、柔性重組、協(xié)同運(yùn)行、按需服務(wù)、共享資源”等能力特征[7]。其中：隨遇接入是指其他4個(gè)網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)單元或要素能夠隨時(shí)隨地動(dòng)態(tài)接入信息柵格網(wǎng)；即插即用是指?jìng)鞲?、指控、武器、保障等系統(tǒng)單元能快速獲取和使用網(wǎng)絡(luò)、信息、數(shù)據(jù)、服務(wù)等資源；柔性重組是指各系統(tǒng)或組分具有按任務(wù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)和擴(kuò)展的能力；協(xié)同運(yùn)行是指無(wú)隸屬關(guān)系的武器控制系統(tǒng)之間遂行共同任務(wù)時(shí)相互協(xié)作配合；按需服務(wù)是指NISoS根據(jù)任務(wù)情況，靈活組織、生成用戶所需的通信、數(shù)據(jù)、軟件等資源，快速高效地為用戶提供資源服務(wù)；共享資源是指揮控制系統(tǒng)之間通過(guò)信息共享，形成快速統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)感知，提高戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)同。

2 基于體系理論的復(fù)雜性

2.1 不確定性是客觀屬性

不確定性是NISoS的客觀存在?？梢詮慕M分性能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指揮控制等情況來(lái)研究和分析NISoS的不確定性。具體表現(xiàn)在：

1) 隨機(jī)因素帶來(lái)了系統(tǒng)組分性能的不確定性，一般采用隨機(jī)數(shù)概率分布進(jìn)行描述，如信息系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的隨機(jī)故障和失效概率，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，電磁干擾、天擾地?cái)_等偶然因素較多，也存在隨機(jī)性。

2) 組成要素隨意接入、即插即用、柔性重組、按需服務(wù)帶來(lái)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不確定性，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：(1) 節(jié)點(diǎn)根據(jù)任務(wù)進(jìn)行“增、刪、改”；(2) 節(jié)點(diǎn)(鏈路)遭受軟攻擊或硬毀傷；(3) 節(jié)點(diǎn)之間物質(zhì)、能量、信息交互關(guān)系按作戰(zhàn)需求服務(wù)發(fā)生變化。

3) 人的因素帶來(lái)指揮控制的不確定性，這與人的指揮藝術(shù)和認(rèn)知能力等因素有關(guān)，如OODA(observation-orientation-decision-action)環(huán)是一個(gè)態(tài)勢(shì)感知/信息融合/指揮決策/行動(dòng)響應(yīng)的過(guò)程，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都包含了指揮員作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知行為的參與，個(gè)人之間的決策判斷存在差異，帶來(lái)了人為的不確定性因素。

2.2 適應(yīng)性是演化動(dòng)力

戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)機(jī)械化→信息化→網(wǎng)絡(luò)中心化的轉(zhuǎn)變，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)和作戰(zhàn)需求的更新，NISoS也歷經(jīng)了C2→C3→C3I→C4I→C4ISR→C4KISR的適應(yīng)性變化，并且還在不斷演化發(fā)展中。復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)理論認(rèn)為“適應(yīng)性造就復(fù)雜性”。對(duì)于NISoS來(lái)說(shuō)，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：(1) 組分的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織和集群特性，有的還具有人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的特征，能靈活適應(yīng)不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和任務(wù)變化；(2) 網(wǎng)絡(luò)中心化(Network-Centric)和面向服務(wù)結(jié)構(gòu)(Service-oriented Architecture，SOA) 特征使得網(wǎng)絡(luò)化效應(yīng)更加明顯，系統(tǒng)規(guī)模、功能、資源和網(wǎng)絡(luò)化交互的增加，帶來(lái)系統(tǒng)的更加復(fù)雜和不確定。

2.3 涌現(xiàn)性產(chǎn)生體系能力

NISoS的組分按照系統(tǒng)規(guī)則運(yùn)行，組分之間存在復(fù)雜的交互作用關(guān)系，這些交互在更高層級(jí)和更大尺度產(chǎn)生出新的性質(zhì)和涌現(xiàn)效果，即生成“1+1>2”的體系能力。一是結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)。例如，全連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有最高的抗毀性，無(wú)標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)在面對(duì)惡意攻擊時(shí)顯得異常脆弱；無(wú)人機(jī)蜂群(LOCUST)攻擊驅(qū)逐艦的模擬結(jié)果表明，當(dāng)無(wú)人機(jī)由8架增加到20架時(shí)，防御系統(tǒng)攔截由5.2架只增加到7架，絕大多數(shù)無(wú)人機(jī)能夠避開(kāi)雷達(dá)和攔截系統(tǒng)。二是交互涌現(xiàn)。例如，武器裝備的單項(xiàng)作戰(zhàn)能力在信息系統(tǒng)支撐下涌現(xiàn)出體系作戰(zhàn)效能，扁平化網(wǎng)狀指控結(jié)構(gòu)加快了OODA環(huán)速度，軍用云計(jì)算提高了信息處理效率，多傳感器信息融合提高了目標(biāo)識(shí)別率。上述的結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)和交互涌現(xiàn)都是有益的涌現(xiàn)性，要謹(jǐn)防避免有害的涌現(xiàn)性。例如，信息過(guò)載的級(jí)聯(lián)故障觸發(fā)體系坍塌，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

2.4 對(duì)抗性是體系作戰(zhàn)本質(zhì)

NISoS區(qū)別于其他復(fù)雜體系的地方在于，己方體系內(nèi)部組分之間具有合作性和協(xié)同性，對(duì)抗雙方不同體系之間具有明顯的對(duì)抗性。體系對(duì)抗的主要目的:一是找到己方戰(zhàn)略重心作為防護(hù)重點(diǎn)，提高己方體系結(jié)構(gòu)魯棒性，增強(qiáng)己方體系防御能力；二是找出對(duì)方要害部位作為作戰(zhàn)重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)方體系脆弱節(jié)點(diǎn)，癱瘓對(duì)方體系支撐能力。體系對(duì)抗基于信息柵格網(wǎng)中的信息基礎(chǔ)設(shè)施展開(kāi)，其他作戰(zhàn)應(yīng)用網(wǎng)的作戰(zhàn)行動(dòng)在基礎(chǔ)網(wǎng)內(nèi)形成從信息、態(tài)勢(shì)、計(jì)劃、決策、執(zhí)行、評(píng)估，再到信息的閉合環(huán)路；對(duì)抗的行動(dòng)發(fā)生在物理、信息、認(rèn)知等領(lǐng)域，包括機(jī)動(dòng)、攻防、指控、保障、賽博戰(zhàn)等實(shí)體的對(duì)抗。

3 NISoS復(fù)雜性給建模仿真帶來(lái)的主要挑戰(zhàn)及對(duì)策措施

3.1 建模理論問(wèn)題

主要挑戰(zhàn) (1) 相似性。NISoS是典型的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間交互和系統(tǒng)狀態(tài)沒(méi)有明確的因果關(guān)系和疊加性，結(jié)果不可重復(fù)。也就是說(shuō)，NISoS模型與真實(shí)系統(tǒng)演化存在失真，如何體現(xiàn)仿真現(xiàn)實(shí)的相似性？(2) 整體和還原。對(duì)于簡(jiǎn)單系統(tǒng)可以按照劃分子系統(tǒng)分別研究的方法展開(kāi)，但采用還原思想去解決NISoS時(shí)，容易喪失整體性和涌現(xiàn)性，是拋棄還原思想還是兼顧整體論和還原論兩者的結(jié)合？

對(duì)策措施 相似性理論是研究事物間相似規(guī)律、表現(xiàn)及其應(yīng)用的理論。相似性強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能等多個(gè)特性綜合的相似，而不是個(gè)別現(xiàn)象的相似。對(duì)于NISoS而言，無(wú)法建立完全精確的模型，可以分而治之研究各子系統(tǒng)的特性，最后綜合得到整體仿真模型。本文提出的“五網(wǎng)五系統(tǒng)”模型就是一種系統(tǒng)相似分解的方法。相似性建模需注意：(1) 根據(jù)研究目的對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)做某種簡(jiǎn)化，兼顧模型的精確性和復(fù)雜性；(2) 整體模型難以構(gòu)建時(shí)，可分成多子系統(tǒng)分別建模，對(duì)于重要子系統(tǒng)提高分辨率和精確度，對(duì)于次要子系統(tǒng)降低分辨率和復(fù)雜度，以提高關(guān)鍵模型的真實(shí)性；(3) 建立的模型應(yīng)符合客觀相似規(guī)律，不能整體相似時(shí)可局部相似，不能結(jié)果相似時(shí)可過(guò)程相似，重在實(shí)體、行為和交互過(guò)程的相似。另外，對(duì)NISoS建模必須同時(shí)兼顧整體論和還原論相結(jié)合，在不同層級(jí)設(shè)計(jì)不同的模型和實(shí)體。例如，在體系層和系統(tǒng)層采用整體建模，在部件層和元素層采用還原建模，底層向上層聚合涌現(xiàn)出整體性質(zhì)，上層向下層分解還原出細(xì)粒度模型。NISoS的基礎(chǔ)理論除模型理論、相似性理論外，還涉及系統(tǒng)論、網(wǎng)絡(luò)科學(xué)、復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)、體系工程、體系結(jié)構(gòu)、多目標(biāo)優(yōu)化等多種理論和方法。

3.2 復(fù)雜性仿真問(wèn)題

主要挑戰(zhàn) NISoS的不確定性、適應(yīng)性、涌現(xiàn)性、對(duì)抗性等復(fù)雜特性能否仿真？如何描述系統(tǒng)故障和隨機(jī)攻擊？如何描述作戰(zhàn)單元的自主適應(yīng)行為？如何界定涌現(xiàn)的組分、類型、規(guī)模，涌現(xiàn)的層次及其關(guān)系，以及描述涌現(xiàn)行為？如何找到體系的脆弱節(jié)點(diǎn)？如何描述級(jí)聯(lián)失效過(guò)程？

對(duì)策措施 仿真是繼理論研究和實(shí)驗(yàn)研究后認(rèn)識(shí)事物的重要科學(xué)手段。NISoS的復(fù)雜特性是可以被仿真研究的。其中：(1) 對(duì)于不確定性問(wèn)題，要得到確定性的仿真結(jié)果是不現(xiàn)實(shí)的，傳統(tǒng)概率模型在一定范圍內(nèi)(如描述系統(tǒng)故障和隨機(jī)攻擊)仍適用，探索性分析可以對(duì)不確定因素進(jìn)行整體研究，數(shù)據(jù)耕耘研究參數(shù)改變引起的整體變化，大數(shù)據(jù)更強(qiáng)調(diào)關(guān)聯(lián)關(guān)系的重要性，這些方法都是對(duì)不確定性研究的一些有益嘗試；(2) 對(duì)于適應(yīng)性問(wèn)題，基于Agent的模型和網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)通過(guò)仿真實(shí)體與環(huán)境的交互，有助于描述實(shí)體的自主適應(yīng)性行為；(3) 對(duì)于涌現(xiàn)性問(wèn)題，不能簡(jiǎn)單從分解和獨(dú)立考察組分行為來(lái)確定，而要放在一定時(shí)空環(huán)境中，按照整體論和還原論相結(jié)合的方法，區(qū)別系統(tǒng)類型、功能特征和結(jié)構(gòu)規(guī)模，由上而下網(wǎng)間逐層分解，自下而上網(wǎng)內(nèi)逐層涌現(xiàn)；(4) 對(duì)于對(duì)抗性問(wèn)題，應(yīng)在“整體、動(dòng)態(tài)、對(duì)抗”[2]三位一體中去研究，模型應(yīng)具有演化的變結(jié)構(gòu)能力，避免靜態(tài)單一的脆弱節(jié)點(diǎn)和體系重心，防止發(fā)生網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)失效和體系坍塌。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和多智能體相結(jié)合的建模仿真方法可能是最有希望揭示體系復(fù)雜性的仿真途徑。

3.3 可信性分析問(wèn)題

主要挑戰(zhàn) NISoS仿真可信性的主要難點(diǎn)有2個(gè)：一是找到可行解，這個(gè)解是一次可信，還是統(tǒng)計(jì)可信？是部分時(shí)段和區(qū)域可信，還是整體可信？二是進(jìn)行預(yù)測(cè)，仿真能否反映和揭示體系運(yùn)行的客觀規(guī)律？能否發(fā)現(xiàn)體系演化的異常狀態(tài)？能否支持回溯驗(yàn)證和復(fù)盤(pán)推演？能否通過(guò)當(dāng)前狀態(tài)對(duì)未來(lái)演化進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到可控？

對(duì)策措施 判斷仿真模型及結(jié)果的可信性，可以通過(guò)評(píng)估NISoS的各個(gè)子系統(tǒng)來(lái)對(duì)可信性進(jìn)行整體逼近。比如，通過(guò)短期和局部行為的綜合，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)期和全局行為的預(yù)測(cè)；將實(shí)際模型和仿真模型相結(jié)合，進(jìn)行綜合仿真和平行仿真，達(dá)到仿真校驗(yàn)的目的。在仿真NISoS時(shí)，會(huì)受到各個(gè)方面因素的影響，仿真過(guò)程和結(jié)果不可能與實(shí)際完全相同。但在仿真模型中，只要它的可行解中隱含著這樣的可信性結(jié)果，或可行解與實(shí)際結(jié)果具有相似性，就可以認(rèn)為這個(gè)結(jié)果是部分可信的。另外，可對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，找到影響體系的關(guān)鍵指標(biāo)和交互事件，研究OODA因果鏈的回溯分析和關(guān)聯(lián)分析，通過(guò)復(fù)盤(pán)推演和中間干預(yù)預(yù)測(cè)體系的演化狀態(tài)。如果體系仿真按照真實(shí)系統(tǒng)演進(jìn)，則仿真結(jié)果具有一定可信度。

3.4 仿真平臺(tái)問(wèn)題

主要挑戰(zhàn) 目前，雖然采用建模與仿真方法開(kāi)展體系研究已成為業(yè)界共識(shí),但如何用仿真方法分析評(píng)估體系能力，特別是輔助解決高層決策者關(guān)心的頂層問(wèn)題，尚缺乏好用、管用、耐用、實(shí)用的手段和仿真平臺(tái)。

對(duì)策措施 國(guó)外，美軍提出并構(gòu)建了多個(gè)大型綜合集成建模仿真平臺(tái)，對(duì)體系能力和武器裝備效能進(jìn)行評(píng)估，如試驗(yàn)床、賽博靶場(chǎng)、Plan X等，并應(yīng)用于年度“網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)士”與“網(wǎng)旗”等聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)演習(xí)；國(guó)內(nèi)，多個(gè)軍內(nèi)研究院(所)組成“1+5”實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展武器裝備體系聯(lián)合實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究。國(guó)防大學(xué)胡曉峰團(tuán)隊(duì)提出的基于信息系統(tǒng)的武器裝備體系綜合仿真試驗(yàn)床，能支持基于信息系統(tǒng)的武器裝備體系論證評(píng)估，面向高層在體系論證和發(fā)展上提供科學(xué)的輔助手段?；舅枷胧恰盎诩榷ā尘绑w系’，‘焦點(diǎn)裝備’快插即仿，按需開(kāi)展‘聚焦實(shí)驗(yàn)’，‘多維比對(duì)’綜合效果”；實(shí)驗(yàn)流程由想定準(zhǔn)備環(huán)、想定提煉環(huán)、仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)、數(shù)據(jù)分析環(huán)4個(gè)小環(huán)和聚焦實(shí)驗(yàn)環(huán)1個(gè)大環(huán)組成；理論創(chuàng)新包括：拋棄能力指標(biāo)獨(dú)立假設(shè)，將“指標(biāo)樹(shù)”轉(zhuǎn)為“指標(biāo)網(wǎng)”；拋棄能力可分解假設(shè)，將“簡(jiǎn)單和”轉(zhuǎn)為“涌現(xiàn)和”；拋棄能力結(jié)果單一假設(shè)，將“單一值”轉(zhuǎn)為“結(jié)果云”。體系綜合仿真試驗(yàn)床的目標(biāo)、對(duì)象及理論基礎(chǔ)與NISoS相近，可作為NISoS研究的仿真平臺(tái)。

4 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)描述NISoS的結(jié)構(gòu)、功能、運(yùn)行及演化，可以進(jìn)一步探究NISoS的復(fù)雜性和體系作戰(zhàn)能力生成機(jī)理。本文從NISoS的復(fù)雜性理解建模與仿真中的關(guān)鍵問(wèn)題，從有關(guān)基礎(chǔ)理論方法和仿真平臺(tái)等幾個(gè)方面探討了NISoS建模仿真研究的有關(guān)問(wèn)題，下一步要在模型構(gòu)建、指標(biāo)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)、體系作戰(zhàn)效能分析等方面進(jìn)行更深一步的研究。

References)

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(編輯：李江濤)

Study of Complexity, Modeling and Simulation of Network Information Systems of System

PENG Jun， ZHANG Mingzhi

(Department of Information Operation& Command Training, National Defense University, Beijing 100091， China)

Complexity is a key concern in network information systems of system study. This paper illustrates the fundamentals of complex of the network information systems of system based on Systematology and in the view of complex system, and points out this complexity is mainly originated from the complexity of “composition-structure-feature”, uncertainty, adaptability and emergence of components and the antagonism of the system. The paper discusses the major challenges and solutions to modeling and simulation of network information systems of system from four aspects: modeling theory, complexity simulation, creditability analysis and simulation platform.

network information systems of system (NISoS); complexity; modeling and simulation (M&S); challenges and countermeasures

2016-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71401168，61403400，U1435218，61403401，61374179)

彭 軍(1985-)，男，工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)檐娛孪到y(tǒng)分析與建模。 張明智，男，教授，博士生導(dǎo)師。

TP391.3

2095-3828(2016)06-0106-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.020