基于區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的空間信息需求響應(yīng)過程仿真*

魯 贏,譚雪平,李翼鵬,趙 云,蔡偉偉

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研部，湖南 長沙 410073)

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基于區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的空間信息需求響應(yīng)過程仿真*

魯 贏,譚雪平,李翼鵬,趙 云,蔡偉偉

(國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研部，湖南 長沙 410073)

針對聯(lián)合作戰(zhàn)中空間信息需求的響應(yīng)路徑分析問題,分析了空間信息需求響應(yīng)體系的組成和運(yùn)行方式,描述了空間信息需求的滿足判斷方法,剖析了空間信息需求響應(yīng)的過程,設(shè)計(jì)了仿真實(shí)現(xiàn)方法,并進(jìn)行了案例仿真,對方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

區(qū)間數(shù);復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);空間信息需求;響應(yīng)過程

空間信息需求是指用戶根據(jù)任務(wù)需要對空間信息資源的類型、覆蓋范圍、持續(xù)時間等方面提出的具體要求,需要由空間裝備的信息獲取能力(簡稱為空間能力)來最終滿足。聯(lián)合作戰(zhàn)中空間信息需求的滿足過程,主要經(jīng)由空間裝備獲取空間信息數(shù)據(jù)、空間指控機(jī)構(gòu)整理并分發(fā)空間信息資源、部隊(duì)機(jī)構(gòu)獲取資源并得到需求滿足的過程,期間需遵循一定的響應(yīng)規(guī)則。進(jìn)行空間信息需求響應(yīng)過程的仿真,可以為分析、構(gòu)建和優(yōu)化空間信息支援體系提供基礎(chǔ)條件。目前針對空間信息支援[1-4]和特定作戰(zhàn)樣式下的空間信息需求分析[5-8]有了一些研究成果,文獻(xiàn)[9-13]還針對空間信息支援能力和力量體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。但是,這些成果沒有對空間能力響應(yīng)空間需求的運(yùn)行機(jī)制和過程進(jìn)行詳細(xì)分析,缺乏對空間信息需求響應(yīng)過程的仿真研究。

本文從空間信息需求響應(yīng)體系和滿足機(jī)制出發(fā),根據(jù)空間信息需求響應(yīng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的空間信息需求響應(yīng)過程仿真方法,并進(jìn)行了案例試算,檢驗(yàn)了方法的可行性,為進(jìn)一步分析聯(lián)合作戰(zhàn)中空間信息支援體系,探討體系的構(gòu)建和優(yōu)化,提供了具體支撐。

1 問題描述和分析

1.1 空間信息需求響應(yīng)體系

聯(lián)合作戰(zhàn)背景下,一個典型的空間信息需求響應(yīng)體系,主要由四部分組成:一是聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)機(jī)構(gòu)及其需求體系;二是空間指控機(jī)構(gòu)及其資源體系;三是地方空間機(jī)構(gòu)及其資源體系;四是空間裝備及其能力體系。其中,空間指控機(jī)構(gòu)與聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)機(jī)構(gòu)之間存在支援關(guān)系、與地方空間機(jī)構(gòu)存在協(xié)調(diào)關(guān)系;空間能力與空間裝備之間、空間信息需求與聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))之間還存在隱含的依賴關(guān)系。聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)機(jī)構(gòu)、空間指控機(jī)構(gòu)之間的層級關(guān)系一般根據(jù)軍隊(duì)編制體制結(jié)構(gòu)確立;每一個聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))、空間指控機(jī)構(gòu)都只允許有一個上級機(jī)構(gòu),每一個地方空間機(jī)構(gòu)也至多與一個空間指控機(jī)構(gòu)之間建立協(xié)調(diào)聯(lián)系;所有的空間裝備,都分別只由一個空間控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理并向其輸出能力;受工作負(fù)載等影響,空間指控機(jī)構(gòu)與聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))建立的支援關(guān)系數(shù)量是有限的,每一個空間指控機(jī)構(gòu)和聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))每天處理的空間信息需求數(shù)量也是有限的?？臻g信息需求響應(yīng)體系的基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 空間信息需求響應(yīng)體系示意圖

1.2 空間信息需求滿足判斷

空間信息需求在聯(lián)合作戰(zhàn)體系中能否得到滿足,取決于所能協(xié)調(diào)到的空間信息資源及其響應(yīng)時間等。一般情況下,空間信息資源(能力)可以抽象為能力類型Style、能力特征Char、性能參數(shù)Para、作用時間Time、覆蓋范圍Area、有效度Vali等指標(biāo)組成的能力區(qū)間;空間信息需求也可以描述為針對空間信息資源關(guān)鍵性指標(biāo)的能力需求區(qū)間。因此,空間能力和空間需求在描述指標(biāo)上具有一致性,通過建立基于一致性指標(biāo)的關(guān)系矩陣,可以得到空間需求是否可以被滿足的判斷。

比如,聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下某空間裝備對區(qū)域A、B的空間信息支援能力可以表示為:

能力類型Style能力特征Char能力參數(shù)Para能力作用時間Time能力覆蓋范圍Area能力有效度Vali所屬裝備代號Name偵察監(jiān)視能力成像偵察能力分辨率3m12-14hA80%Z1電子偵察能力頻段50-2500MHz8-22hB70%Z2

某兩項(xiàng)空間信息需求可以描述為:

需求代號Index能力需求類型Style?能力需求特征Char?能力需求參數(shù)Para?能力需求時間Time?能力需求區(qū)域Area?能力有效度需求Vali?需求優(yōu)先級Prio?d11偵察監(jiān)視能力成像偵察能力分辨率5m12-13hA80%1d21電子偵察能力頻段200-2000MHz10-20hA70%2

假設(shè)聯(lián)合戰(zhàn)場環(huán)境中的空間裝備zi(1≤i≤N),分別具備能力類型集{e1,e2,…eM}中的部分空間能力,表示為Ei。則整個空間裝備體系的總體能力矩陣E可以表示為

(1)

其中,ej為空間能力表示向量,Nj為空間裝備名稱標(biāo)識,sj為能力類型,cj為能力特征,pj為能力參數(shù),tj為作用時間區(qū)間,aj為能力覆蓋區(qū)域,vj為能力有效度指標(biāo),其中1≤j≤M。

根據(jù)對空間信息資源的能力指標(biāo)要求,聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)提出的空間需求dλ可以表示為

(2)

(3)

其中,FE→dλ表示空間能力E對空間需求dλ的滿足結(jié)果(能滿足用1表示,不能滿足用0表示)。同樣,其他類型空間需求的提報(bào)和滿足情況判斷也可以照此類比分析。

1.3 空間信息需求響應(yīng)過程

實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境下,空間信息需求響應(yīng)的一般過程為:

1)情報(bào)專業(yè)人員或空間信息處理人員,在協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)人員進(jìn)行作戰(zhàn)計(jì)劃制定或籌劃過程中,從關(guān)鍵信息需求中提取出空間信息需求。

2)本級部隊(duì)機(jī)構(gòu)針對所有提取的空間信息需求,進(jìn)行需求篩選和排序,確定需求處理優(yōu)先級。如果某項(xiàng)需求在篩選中被剔除,則該項(xiàng)需求就被過濾而得不到滿足;如果該項(xiàng)需求列為需求響應(yīng)清單內(nèi)容,則需要進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。

3)針對需求處理清單中的內(nèi)容,部隊(duì)機(jī)構(gòu)首先進(jìn)行已有空間資源的比對。如果自身空間信息資源能夠滿足該項(xiàng)空間需求,則整理資源、滿足需求;如果不能滿足,則判斷是否與空間指控機(jī)構(gòu)建立了支援關(guān)系。如果建立了支援關(guān)系,則直接通過支援關(guān)系將需求清單上報(bào)給相應(yīng)的空間指控機(jī)構(gòu);如果未建立支援關(guān)系,則將需求清單上報(bào)給上級部隊(duì)機(jī)構(gòu)。

4)上級部隊(duì)機(jī)構(gòu)在收到、匯總下級所提報(bào)的空間信息需求后,同樣是重復(fù)步驟2)、3),進(jìn)行空間信息需求的篩選排序、自身已有資源的比對。如果能夠滿足需求則直接處理、滿足需求;如果不能滿足則提交上級部隊(duì)機(jī)構(gòu)或空間支援指控機(jī)構(gòu)進(jìn)一步協(xié)調(diào)處理。

5)空間指控機(jī)構(gòu)在接收到各部隊(duì)機(jī)構(gòu)上報(bào)匯總的空間信息需求后,需根據(jù)需求的重要度,進(jìn)行空間信息需求響應(yīng)清單的集成規(guī)劃,主要根據(jù)每項(xiàng)空間信息需求的響應(yīng)時間、對空間能力的要求、以及空間裝備控制的可用條件等,進(jìn)行空間需求響應(yīng)效益和代價的綜合計(jì)算,確定所需響應(yīng)的空間需求清單。

6)在確定空間信息需求響應(yīng)清單后,空間指控機(jī)構(gòu)同樣首先進(jìn)行自身掌握空間信息資源的比對,如果能夠滿足則通過支援關(guān)系提供資源、滿足需求;如果不能滿足,則通過下級、或與地方空間機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào),來進(jìn)行空間信息需求的滿足。

7)如果某項(xiàng)空間需求不能被支援機(jī)構(gòu)及其下屬機(jī)構(gòu)滿足,但通過空間裝備的機(jī)動、變軌等操控可以實(shí)現(xiàn)其滿足,且滿足效益大于代價,則由空間指控機(jī)構(gòu)按級協(xié)調(diào)進(jìn)行空間裝備的控制,獲取空間信息數(shù)據(jù)、經(jīng)處理后分發(fā)并滿足該項(xiàng)需求。

8)如果某項(xiàng)空間需求既不能被部隊(duì)和空間機(jī)構(gòu)已有資源滿足,也不在空間裝備資源獲取能力之內(nèi),或通過空間裝備操控的滿足效益低于代價,則該項(xiàng)空間需求將得不到滿足。

以上空間信息需求的響應(yīng)處理過程可以表示為如圖2所示:

圖2 聯(lián)合作戰(zhàn)中空間信息需求響應(yīng)過程

2 仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

綜上可知,空間信息需求響應(yīng)的“能力(資源)——需求”對比判斷,可以抽象為基于區(qū)間數(shù)的處理方法;空間信息需求的響應(yīng)過程,也具備典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)路徑搜索特征。關(guān)于區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的路徑搜索方法具體可參見文獻(xiàn)[14-15]。利用區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論,我們可以對聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下空間信息需求的響應(yīng)過程進(jìn)行仿真。

2.1 定義和假設(shè)

圖3 空間信息需求響應(yīng)體系結(jié)構(gòu)圖

2)定義聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))內(nèi)部之間的指揮關(guān)系矩陣為R部指=RBW×W,空間指控機(jī)構(gòu)內(nèi)部(涵蓋空間控制機(jī)構(gòu)對空間裝備的控制關(guān)系)的指控關(guān)系矩陣為R空指=RKU×U,空間指控機(jī)構(gòu)與聯(lián)合作戰(zhàn)機(jī)構(gòu)之間的支援關(guān)系矩陣為R支援=RZU×W,地方空間機(jī)構(gòu)與空間指控機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系矩陣為R協(xié)調(diào)=RXU×V。則整個空間信息需求響應(yīng)體系圖可以表示為

(4)

其中,M為空間信息需求響應(yīng)體系圖的鄰接矩陣。

5)聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)機(jī)構(gòu)單位每天需處理的空間信息需求,由本級產(chǎn)生需求和下級匯總需求共同組成。受編制體制和工作負(fù)載等限制,每一個部隊(duì)(機(jī)構(gòu))每天處理的空間信息需求數(shù)量是有限的,每個機(jī)構(gòu)空間需求響應(yīng)清單的篩選主要依據(jù)各項(xiàng)空間需求在聯(lián)合作戰(zhàn)中的作戰(zhàn)影響效益排序?？臻g需求所能達(dá)成的作戰(zhàn)影響效益,一般由所提報(bào)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))的重要度、該項(xiàng)空間信息需求的提報(bào)優(yōu)先等級決定。

2.2 仿真程序設(shè)計(jì)

在以上定義和假設(shè)的情況下,將圖3中的部隊(duì)機(jī)構(gòu)、空間指控機(jī)構(gòu)、地方空間機(jī)構(gòu)和空間裝備分別抽象為節(jié)點(diǎn),將相互之間的關(guān)系抽象為連線,將空間信息資源在機(jī)構(gòu)間處理流轉(zhuǎn)的時間消耗定義為邊的權(quán)重,可以將聯(lián)合作戰(zhàn)中的空間信息需求響應(yīng)體系用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行表示;空間需求對空間能力(資源)的滿足判斷,可以基于區(qū)間數(shù)進(jìn)行能力(資源)包含分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合需求對能力的響應(yīng)時間要求和規(guī)則,進(jìn)一步得出空間信息需求的響應(yīng)路徑分析。

該部分程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)步驟為:

3 案例分析

假設(shè)一個典型的空間信息需求響應(yīng)體系如下。其中聯(lián)合作戰(zhàn)部隊(duì)(機(jī)構(gòu))由3層、10個單位組成,空間指控機(jī)構(gòu)由3層、8個構(gòu)成,地方空間機(jī)構(gòu)有2個可供協(xié)調(diào),空間裝備由9個組成,分別隸屬于軍隊(duì)和地方空間機(jī)構(gòu)。各種指揮關(guān)系、控制關(guān)系、支援關(guān)系、協(xié)調(diào)關(guān)系如圖4所示。

圖4 典型空間信息需求響應(yīng)體系圖

假設(shè)每一個空間裝備只具備一種能力載荷,其空間能力如表1所示。

表1 空間裝備能力表

在某聯(lián)合作戰(zhàn)行動中，各部隊(duì)機(jī)構(gòu)根據(jù)所承擔(dān)任務(wù)的不同，其重要度如表2所示。

表2 部隊(duì)機(jī)構(gòu)重要度表

假設(shè)通過隨機(jī)區(qū)間數(shù)賦值，各部隊(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的空間需求如表3所示。

表3 空間需求表

假設(shè)其他一些仿真參數(shù)設(shè)置及其含義如表4所示。

利用Cytoscape工具繪制圖3中的網(wǎng)絡(luò)圖并生成鄰接矩陣，通過Matlab軟件編制程序讀取表1-表4的初始化數(shù)據(jù)并對該情況下各個部隊(duì)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生空間需求的響應(yīng)路徑進(jìn)行仿真計(jì)算(其中令體系各節(jié)點(diǎn)W11至V2分別編路徑序號為1～20號)，可以得出各項(xiàng)空間信息需求的響應(yīng)路徑，以及各需求在整個體系中的能力和時間滿足結(jié)果判斷，如表5所示。

表5 空間需求響應(yīng)過程情況表

以部隊(duì)機(jī)構(gòu)W23(編號為節(jié)點(diǎn)4)的第3條空間信息需求(表示為W233)為例,按照參數(shù)初始化結(jié)果和響應(yīng)處理機(jī)制,其響應(yīng)路徑為4→12→4→1→11→13→19,能力滿足結(jié)果為1,時間滿足結(jié)果為0。以上結(jié)果表明:1)該項(xiàng)空間需求被部隊(duì)機(jī)構(gòu)W23提出后,經(jīng)資源比對不能被本機(jī)構(gòu)W23、空間支援機(jī)構(gòu)K21及其下級機(jī)構(gòu)滿足,后返回并提交至上級部隊(duì)機(jī)構(gòu)W11(編號為節(jié)點(diǎn)1)處理,W11通過支援關(guān)系與空間機(jī)構(gòu)K11(編號為節(jié)點(diǎn)11)及其下屬機(jī)構(gòu)K22(編號為節(jié)點(diǎn)13)和地方空間機(jī)構(gòu)V1(編號為節(jié)點(diǎn)19)協(xié)調(diào),可以利用地方空間能力滿足需求;2)但是由于該項(xiàng)需求的響應(yīng)過程時間消耗為13,超出了時間需求區(qū)間[0 3.669571],因此該項(xiàng)需求最終仍然得不到滿足。該項(xiàng)需求的響應(yīng)路徑圖如圖5所示。

圖5 空間信息需求W233的響應(yīng)路徑圖

通過以上案例可知:基于區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的空間信息需求響應(yīng)路徑仿真結(jié)果較好地體現(xiàn)了空間信息需求響應(yīng)的動態(tài)特征,考慮到了與實(shí)際相吻合的空間信息需求優(yōu)先級處理、能力與時間對需求滿足的約束,可以得出空間信息需求響應(yīng)的過程仿真結(jié)論,為進(jìn)一步深化分析聯(lián)合作戰(zhàn)中的空間信息支援體系提供了支撐。

4 結(jié)束語

本文從聯(lián)合作戰(zhàn)中空間信息需求響應(yīng)的實(shí)際情況分析出發(fā),根據(jù)空間能力對空間需求的滿足特點(diǎn),研究了基于區(qū)間數(shù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的空間信息需求響應(yīng)過程仿真問題,通過案例分析驗(yàn)證了可行性。本文提到的方法為聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境下空間信息支援體系的構(gòu)建、評價和優(yōu)化提供了指導(dǎo)和參考。在后續(xù)的研究中,可進(jìn)一步研究多約束條件下、基于時間序列的不確定需求產(chǎn)生中響應(yīng)過程的仿真問題,為聯(lián)合作戰(zhàn)動態(tài)環(huán)境下的空間信息支援體系的構(gòu)建、評價和優(yōu)化提供解決方案。

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Simulation of Space Information Demands Response Processes Based onInterval Number and Complex Network Theory

LU Ying, TAN Xue-ping, LI Yi-peng, ZHAO Yun, CAI Wei-wei

(National Defense Science and Technology University, Changsha 410073， China)

Aimming at the response processes analyses of space information demands in joint operations, this paper analyses the composition and operation mode of space information demands response system, describes the method to judge whether space information demand is satisfied, analyses the response processes, designs the simulation method and verified it by a case analysis and simulation.

interval number; complex network; space information demand; response process

2017-03-10

國家社會科基金軍事學(xué)項(xiàng)目(16GJ004-286)

魯 贏(1983-),男，湖南益陽人,博士,講師,研究方向?yàn)榭臻g作戰(zhàn)指揮。 譚雪平(1971-),男,博士，副教授。 李翼鵬(1984-),男,博士，工程師。 趙 云(1981-),男,博士，副教授。 蔡偉偉(1987-),男，博士。

1673-3819(2017)03-0086-07

E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.019

修回日期： 2017-03-21