信息化條件下情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)建模與仿真

武赫男，顧 德，陳 健

（1.空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022；2.中國人民解放軍31104 部隊(duì)，江蘇 南京 210018）

情報(bào)對(duì)抗是指敵對(duì)雙方在情報(bào)領(lǐng)域圍繞著情報(bào)獲取、傳遞、處理及應(yīng)用而展開的對(duì)抗活動(dòng)[1]。情報(bào)對(duì)抗是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的對(duì)抗，在研究過程中存在以下困難：系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系難以量化、缺少實(shí)戰(zhàn)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)難以用結(jié)構(gòu)化模型來描述、描述方程復(fù)雜等。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門以信息反饋控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段研究復(fù)雜系統(tǒng)問題的學(xué)科[2-3]，其特點(diǎn)恰好能夠解決情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)研究中存在的困難[4]，因此，該文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理來研究情報(bào)對(duì)抗問題。

1 情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 模型建立的前提假設(shè)

為了便于模型的建立，在不影響準(zhǔn)確性的前提下，該文作出如下假設(shè)：①情報(bào)對(duì)抗是一種接近實(shí)時(shí)的對(duì)抗作戰(zhàn)，沒有時(shí)間延遲。②獲取的情報(bào)均真實(shí)、準(zhǔn)確、詳盡。③未考慮邊際效益影響，獲取的情報(bào)越多，可為決策提供服務(wù)的有用信息越多。④鑒于模型考慮的是情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)，未考慮戰(zhàn)場(chǎng)指揮及作戰(zhàn)方法等影響因素。⑤未考慮偽裝、欺騙等情報(bào)對(duì)抗行為。

1.2 情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)邊界界定

信息化條件下的情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)按照情報(bào)獲取的傳感器平臺(tái)劃分，主要包括地面情報(bào)系統(tǒng)、空中情報(bào)系統(tǒng)、太空情報(bào)系統(tǒng)、水下情報(bào)系統(tǒng)和海上情報(bào)系統(tǒng)[5-6]，雙方的對(duì)抗其實(shí)質(zhì)是綜合作戰(zhàn)能力的對(duì)抗。綜合作戰(zhàn)能力又分為軟殺傷能力和硬殺傷能力，軟殺傷能力主要是指對(duì)敵方指揮系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的打擊、干擾、屏蔽和破壞，硬殺傷主要指對(duì)敵方人員、戰(zhàn)艦、坦克、雷達(dá)等武器裝備的直接摧毀，也就是物理擊毀。

情報(bào)對(duì)抗還處于復(fù)雜的電磁環(huán)境之中[7]，比如戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)環(huán)境和戰(zhàn)場(chǎng)無線電環(huán)境等[8-9]。綜上所述，情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)的邊界如圖1 所示。

圖1 情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)邊界

1.3 模型因果關(guān)系

該文以地面雷達(dá)數(shù)量、艦船數(shù)量和飛機(jī)數(shù)量為主要研究內(nèi)容進(jìn)行分析，根據(jù)情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)之間相互作用、相互影響的關(guān)系以及系統(tǒng)建模的目的，構(gòu)建各子系統(tǒng)之間的因果關(guān)系流程圖[10-13]，圖2 是簡化的情報(bào)對(duì)抗因果關(guān)系圖。

圖2 情報(bào)對(duì)抗因果關(guān)系圖

情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)因果關(guān)系圖中含有多個(gè)因果關(guān)系回路，這里給出5 個(gè)代表性關(guān)系回路：

①紅方地面雷達(dá)數(shù)量→紅方地面雷達(dá)情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)軟殺傷能力→紅方情報(bào)綜合作戰(zhàn)能力→藍(lán)方情報(bào)硬殺傷能力→紅方地面雷達(dá)數(shù)量。

②紅方艦船數(shù)量→紅方艦載雷達(dá)情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)軟殺傷能力→紅方情報(bào)綜合作戰(zhàn)能力→藍(lán)方情報(bào)硬殺傷能力→紅方艦船數(shù)量。

③紅方艦船數(shù)量→紅方水下聲吶情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)軟殺傷能力→紅方情報(bào)綜合作戰(zhàn)能力→藍(lán)方情報(bào)硬殺傷能力→紅方艦船數(shù)量。

④紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量→紅方機(jī)載雷達(dá)情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)獲取能力→紅方情報(bào)軟殺傷能力→紅方情報(bào)綜合作戰(zhàn)能力→藍(lán)方情報(bào)硬殺傷能力→紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量。

⑤紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量→紅方作戰(zhàn)飛機(jī)遠(yuǎn)程打擊能力→紅方情報(bào)硬殺傷能力→藍(lán)方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量→藍(lán)方作戰(zhàn)飛機(jī)遠(yuǎn)程打擊能力→藍(lán)方情報(bào)硬殺傷力→紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量。

這幾個(gè)反饋回路均以紅方情報(bào)系統(tǒng)為主進(jìn)行闡述，藍(lán)方情報(bào)系統(tǒng)的反饋回路與紅方相似，在此不做贅述。

1.4 仿真模型

構(gòu)建情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖3 所示，流圖中共有各類變量55 個(gè)，其中狀態(tài)變量6 個(gè)，速率變量12 個(gè)，其他為輔助變量或常量，模型中各參量特點(diǎn)不同，其取值方法也不盡相同，比如情報(bào)綜合作戰(zhàn)能力因子、情報(bào)獲取能力因子、艦船初始數(shù)量、作戰(zhàn)飛機(jī)初始數(shù)量和雷達(dá)初始數(shù)量等均采用常量，雷達(dá)被發(fā)現(xiàn)率、雷達(dá)開機(jī)率等均做歸一化處理。同時(shí)設(shè)定情報(bào)對(duì)抗持續(xù)了20 T，T 為SD 模型仿真中的時(shí)間單位[14]。

圖3 情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖

模型中的狀態(tài)變量方程為：

紅方艦船數(shù)量＝INTEG(紅方艦船數(shù)量增加-紅方艦船數(shù)量減少,初始數(shù)量)；

紅方地面雷達(dá)數(shù)量＝INTEG(紅方地面雷達(dá)數(shù)量增加-紅方地面雷達(dá)數(shù)量減少,初始數(shù)量)；

紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量＝INTEG(紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量增加-紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量減少,初始數(shù)量)；

紅方情報(bào)軟殺傷能力＝INTEG（紅方情報(bào)獲取能力+紅方情報(bào)利用能力）；

紅方情報(bào)獲取能力＝INTEG（紅方艦船數(shù)量+紅方地面雷達(dá)數(shù)量+紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量）×紅方情報(bào)獲取能力因子[15]。

其中，INTEG 是積分運(yùn)算符。藍(lán)方相關(guān)參數(shù)方程同上，其他變量間的運(yùn)算關(guān)系及具體算式由于篇幅關(guān)系，在此不再詳述。

2 基于SD的情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)仿真

2.1 仿真的參數(shù)設(shè)置和策略序列

在紅藍(lán)雙方情報(bào)對(duì)抗中，對(duì)抗雙方都致力于打擊、干擾、破壞對(duì)方的情報(bào)系統(tǒng)，使對(duì)方綜合作戰(zhàn)能力得不到整體發(fā)揮。對(duì)抗伊始，紅方即對(duì)藍(lán)方展開硬殺傷和軟殺傷的進(jìn)攻，設(shè)定情報(bào)對(duì)抗持續(xù)20 min，對(duì)抗開始后最初3 min 為藍(lán)方反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行作戰(zhàn)準(zhǔn)備，從第3 分鐘開始紅藍(lán)雙方展開全面對(duì)抗。仿真算法采用四階Runge-Kutta 法，選用Vensim 作為仿真平臺(tái)，設(shè)定模型的初始參數(shù)：INITIAL TIME=0 T；FINAL TIME=20 T；TIME STEP=1 T；SAVEPER=1 T。模型設(shè)置參數(shù)的前提是紅方在武器裝備上弱于藍(lán)方，但是軟殺傷能力強(qiáng)于藍(lán)方。參考信息化條件下近幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中參戰(zhàn)武器的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)紅藍(lán)雙方的具體參數(shù)設(shè)置如表1 所示[16]。

表1 紅方和藍(lán)方主要變量初始值

策略1：原始策略方案。雙方在初始綜合作戰(zhàn)能力、初始飛機(jī)數(shù)量、初始艦船數(shù)量等原始參數(shù)設(shè)置條件下實(shí)施對(duì)抗。

策略2：在采取策略1的基礎(chǔ)上，紅方提高硬殺傷能力，對(duì)藍(lán)方情報(bào)系統(tǒng)實(shí)施硬摧毀。

策略3：在采取對(duì)策2 的基礎(chǔ)上，紅方運(yùn)用欺騙、對(duì)抗、干擾和破壞等軟殺傷手段對(duì)抗藍(lán)方的情報(bào)系統(tǒng)。

對(duì)不同策略均進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，設(shè)置不同策略的目的就是通過模型仿真，分析情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，找到情報(bào)對(duì)抗中的關(guān)鍵因素，提升情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能。

2.2 仿真結(jié)果分析

在對(duì)抗之初，紅藍(lán)雙方的初始艦船數(shù)量分別為150、200，紅藍(lán)雙方的初始飛機(jī)數(shù)量分別為800、1 000，紅方硬殺傷武器處于劣勢(shì)，如果不采取有效措施，紅方艦船數(shù)量、飛機(jī)數(shù)量將快速下降。該文選取“紅方飛機(jī)數(shù)量”這個(gè)重要變量在三種策略下的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4 和表2 所示，不難發(fā)現(xiàn)，紅方將軟殺傷和硬殺傷手段結(jié)合，綜合多個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)的情報(bào)能力，使得綜合作戰(zhàn)能力逐漸提升，情報(bào)對(duì)抗向有利于紅方的態(tài)勢(shì)發(fā)展。

表2 紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量的仿真結(jié)果

圖4 紅方作戰(zhàn)飛機(jī)數(shù)量仿真結(jié)果的比較

信息化條件下的對(duì)抗是全維立體對(duì)抗，各個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)相互支撐和融合，各指揮機(jī)構(gòu)和部隊(duì)在探測(cè)、偵察、跟蹤、火控和指揮方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，均通過各作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行信息的無縫鏈接和情報(bào)的實(shí)時(shí)傳輸。這種全維立體作戰(zhàn)不僅包括傳統(tǒng)的火力打擊、物理摧毀等硬殺傷，還包括干擾、對(duì)抗、欺騙等軟殺傷，軟殺傷能力和硬殺傷能力共同構(gòu)成綜合作戰(zhàn)能力。仿真結(jié)果表明，軟殺傷武器是戰(zhàn)斗力的倍增器，可以作為反制手段，更好地發(fā)揮作戰(zhàn)效能，提高在識(shí)別、判斷、決策、發(fā)射中的戰(zhàn)術(shù)使用，逐步扭轉(zhuǎn)不利態(tài)勢(shì)。

圖5 中，紅方艦船損失率最初為0%，經(jīng)過3 min后，藍(lán)方采取措施進(jìn)行持續(xù)反擊，紅方艦船損失率迅速升高到0.44，如圖4 所示，出現(xiàn)跳躍變化，但是紅方其他作戰(zhàn)平臺(tái)仍不斷采用軟殺傷和硬殺傷手段對(duì)抗藍(lán)方情報(bào)系統(tǒng)，使得藍(lán)方情報(bào)系統(tǒng)對(duì)紅方艦船的打擊強(qiáng)度下降，速率變得平緩，雖然紅方艦船數(shù)量仍在下降，但是下降幅度變小，從3 min 到20 min 的時(shí)間里，紅方艦船損失率僅僅由0.44 升到了0.58，變化趨勢(shì)緩和，未出現(xiàn)藍(lán)方最初反擊時(shí)的突變狀態(tài)。

圖5 紅方艦船數(shù)量和損失率

圖6 中，藍(lán)方艦船數(shù)量隨著戰(zhàn)斗的進(jìn)行逐漸在減少，但是藍(lán)方艦船損失率變化趨向平緩，這是因?yàn)樗{(lán)方的物理摧毀等硬殺傷能力能夠提升其軟殺傷能力，最終促進(jìn)其綜合作戰(zhàn)能力的提升，形成了艦船損失率比較平緩[16]。

圖6 藍(lán)方艦船數(shù)量和損失率

軟殺傷能力和硬殺傷能力能夠相互轉(zhuǎn)化，軟殺傷能力增強(qiáng)，可以提高武器系統(tǒng)響應(yīng)速度、毀傷目標(biāo)概率，對(duì)硬殺傷能力具有倍增效應(yīng)；反之，硬殺傷可以提高數(shù)據(jù)鏈的生存能力，提高通信對(duì)抗、電子對(duì)抗、雷達(dá)對(duì)抗等對(duì)抗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，硬殺傷能力優(yōu)勢(shì)也可促進(jìn)軟殺傷能力的提升。所以，通過軟、硬殺傷相結(jié)合的綜合使用方式，使得軟、硬殺傷系統(tǒng)在頻域、時(shí)域和空域通過統(tǒng)一的武器資源調(diào)度軟件進(jìn)行協(xié)同配合，才能最大程度發(fā)揮武器系統(tǒng)的效能。

圖7 是紅方有軟殺傷優(yōu)勢(shì)的情況，圖8 是紅方無軟殺傷優(yōu)勢(shì)的情況。在對(duì)抗之初，紅藍(lán)雙方綜合作戰(zhàn)能力分別為1 200、2 000，紅方處于弱勢(shì)，但是紅藍(lán)雙方軟殺傷能力分別為500、280，情報(bào)利用能力分別為3 000、2 000，紅方軟殺傷能力、情報(bào)利用能力均處于優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過一段時(shí)間對(duì)抗，紅方綜合作戰(zhàn)能力超越藍(lán)方，并取得最終勝利。圖7 中紅方有軟殺傷優(yōu)勢(shì)，大約在3 min 左右，紅方的綜合作戰(zhàn)能力數(shù)值即和藍(lán)方相當(dāng)，數(shù)值約為1 000，其軟殺傷能力很快轉(zhuǎn)化為綜合作戰(zhàn)能力；圖8 中紅方無軟殺傷優(yōu)勢(shì)，大約在4.5 min 左右，紅藍(lán)雙方綜合作戰(zhàn)能力數(shù)值才相等，數(shù)值約為940，軟殺傷能力轉(zhuǎn)化相對(duì)緩慢。

圖7 綜合作戰(zhàn)能力指數(shù)變化（紅方有軟殺傷優(yōu)勢(shì)）

圖8 綜合作戰(zhàn)能力指數(shù)變化（紅方無軟殺傷優(yōu)勢(shì)）

以上仿真過程說明紅方雖然最初綜合作戰(zhàn)能力處于劣勢(shì)，但是憑借軟殺傷優(yōu)勢(shì)，能夠扭轉(zhuǎn)不利局面，綜合作戰(zhàn)能力逐步趕上藍(lán)方，最后戰(zhàn)勝藍(lán)方，可見軟殺傷能力在情報(bào)對(duì)抗中處于關(guān)鍵地位。情報(bào)對(duì)抗中，具有軟殺傷優(yōu)勢(shì)的一方，能夠更快地將軟殺傷能力轉(zhuǎn)化為硬殺傷能力，取得以弱勝強(qiáng)、反敗為勝的效果，提升綜合作戰(zhàn)能力。

3 結(jié)論

情報(bào)對(duì)抗是信息化條件下作戰(zhàn)的重要樣式，同時(shí)也是戰(zhàn)場(chǎng)仿真的重要內(nèi)容，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為研究情報(bào)對(duì)抗建模仿真提供了科學(xué)可行的手段。該文建立的模型能夠基本還原情報(bào)對(duì)抗的真實(shí)情況，仿真結(jié)果也證實(shí)了軟殺傷能力是決定情報(bào)對(duì)抗勝負(fù)的關(guān)鍵因素。但是在實(shí)際作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，模型中有諸多因素沒有考慮，如敵方可能通過設(shè)置假目標(biāo)、電子干擾等欺騙、偽裝手段，對(duì)對(duì)手的情報(bào)能力實(shí)施蒙蔽、欺騙和干擾，降低對(duì)手作戰(zhàn)效能，模型中對(duì)這種情況沒有考慮，同時(shí)應(yīng)該注意，信息化條件下情報(bào)對(duì)抗系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型具有開放性和獨(dú)立性，應(yīng)該隨著作戰(zhàn)理論的深入，不斷進(jìn)行模型的修改和完善。