一体化网络作战体系中信息资源效能分析评估

陈磊

（中国人民解放军75753部队，广东 广州510600）

作战体系是为达成一定的战略、战役目的，按一定的编配方案、组织结构和流程将各军兵种的不同种类、不同数量的系统或建制单位通过各种通信网络系统有机组织起来的一个整体[1，2，3]。对作战体系的研究思路是：根据作战的使命，对任务进行分解，通过合理分配作战任务，调配作战资源，让各个作战单元协同以发挥更大的作战效能。网络作战体系是作战体系的一个分支，它包含了与战场环境、作战任务相关联的特征，同时，更加侧重于研究各个通信网络之间的互联、互通、互操作问题。横向上，着重考虑由战场的前方和后方共同构成的全纵深战场中信息的有效传递；纵向上，由于各个层次的通信能力不同，则主要研究在立体战场空间中空、天、地一体的信息资源的共享与分发。所以，网络作战体系的构建及其效能评估问题是作战体系研究中的一个关键问题，也是未来信息化条件下体系作战获取信息优势的前提条件[4]。

1 一体化网络作战体系构建

一体化网络作战体系包含了现有的通信系统和正在研究的有着重要使用价值的通信系统，由下至上主要包括：无线传感器网络、单兵战术无线网络、战术服务单元、军事有线广域网、航空飞行器、临近空间的通信设备以及通信卫星等[1，4]。

如图1所示，在一般的战场环境下，根据作战的进程，各个通信系统之间的信息资源流向主要有：

①由空天网络收集汇聚的情报信息供多中心、指挥决策、融合网进行情报融合、分析和战略决策；②火力打击之后，由传感器网络感知到的战场态势信息发送给空天网络，然后再发送给多中心、指挥决策、融合网进行作战效能评估；③战术服务网向空天网络进行战术服务获取，并为单兵战术无线网提供战术服务；④传感器网络将感知到的战场态势进行共享，使单兵战术无线网能实时获取战场态势；⑤多中心、指挥决策、融合网进行作战任务下达，战术服务网进行分析后进行战术命令的下达，并通过战术服务向单兵无线网提供战术命令的分发和共享[4]。

一体化网络作战体系从横向上看，包含了作战过程的全生命周期的信息资源，从信息采集、命令下达到信息传输、战术服务直到指挥决策、战术实施，再到最后的信息反馈形成了一个闭环的信息网络，能够有效地、实时地调配作战过程中的信息资源和作战资源；从纵向上看，该网络根据不同的通信系统的通信能力和不同的网络扮演的角色主要分为战略信息网群和战术信息网群，保证了信息的不同粒度、多分辨率的展示和分发，也符合客观事实。

2 一体化网络作战体系中的信息资源

一体化网络作战体系内部各组成间的交互信息按照类别可以分成态势获取信息、战术服务信息和指挥控制信息三类，它们分别反映了一体化网络作战体系的信息获取效能、信息分发效能和信息利用效能，如图2所示。下面分别对这三种信息进行分析并给出其评估的方法。

2.1 战场态势信息

战场态势信息指由战场上的态势构成的信息。在一体化网络作战体系中，态势信息主要分为态势信息的获取和态势信息的共享，这里主要讨论战场态势信息的获取，而态势信息的分发和共享，将在战术服务信息中进行讨论。

就态势信息获取而言，根据态势信息获取渠道的不同，态势信息可以分成两类：传感器感知态势信息和情报渠道的态势信息。由传感器感知的态势信息，主要是利用战场上的无线传感器网络获得的，其中主要有两种信息：一是利用传感器感知的自然环境信息，主要利用传感器网络中的数据管理中的时空查询技术，对感兴趣的一定时空区域的自然环境信息进行查询，由各个传感器传感到的一系列属性（温度、湿度、震动等）融合为一个反映环境情况的事件；二是利用传感器网络感知目标的信息来辅助战场环境下的侦察，主要利用传感器网络的目标定位、跟踪、监视、预测技术，对一定区域能进行监测，实时的返回目标的位置信息，并对其进行跟踪、预测，为下一步形成处置方案提供支持。情报渠道的态势信息，主要是指人工侦察、情报收集等信息获取渠道，所获取的信息一般对传感器而言是不可见的。而在一体化网络作战体系中，这样的情报态势信息主要是来源于空天网络的信息。根据上面的分析可知态势信息主要由三部分组成，包括环境信息、目标信息和情报信息。可以从三个方面评估获取的态势信息[5]。

2.1.1 完备性

完备性主要是指对战场空间中的每种对象，均从种类、数量、参数个数、参数区间等多个方面来评估其信息的完备性为：

式（1）中，ci为第i种对象信息的完备性；nsij为态势流中的对象种类、数量、参数个数、参数区间等多个评估属性；npi为评估第i种对象需要的属性个数；noij为对象真实的种类、数量、参数个数等参评属性；wcij为该目标各个指标的权重。

全局的目标态势信息的完备性为：

式（2）中，wi为第i种对象在目标态势流的权重，Ns为目标对象种类数。

环境信息的完备性为：

式（3）中，ce为环境信息的完备性，Sfoiij为环境态势流中对于第j个属性在第i个关心的环境区域能查询到的面积，Sfi为第i个关心的区域真实的面积，wceij为第i个关心区域内第j个属性的权重，nk为关心的属性的个数，ne为关心环境区域个数。

情报渠道的态势信息完备性，可简单表示为：

式（4）中，Nq表示情报类型数，wqi表示该类情报的权重，nqi为有价值的情报数量，nni为该类情报需要的数量。

故态势信息的完备性可以表示为：ct=wscs+wece+wqcq，其中ws，we，wq分别表示目标态势信息、环境态势信息和情报渠道态势信息完备性的权重。

2.1.2 准确性

准确性可以描述为态势信息中对象（包括目标、环境和情报）与实际对象的偏差。那么，对第i个对象的准确性而言，就是态势信息中的各个属性与实际状态各个属性的加权平均值，即：

式（5）中，nti表示第i个对象的属性数目，wij表示第i个对象的第j个属性的权重，atij表示态势信息中第i个对象第j个属性的值，arij表示第i个对象第j个属性的真实值。

那么对于整个战场环境下，态势信息的准确性表示为：

式（6）中的at就是整个战场环境下态势信息的准确性度量，ni为对象数。

2.1.3 时效性

时效性表示态势信息到达多中心决策指挥所的时间，也是展示给指挥员的融合的态势信息更新的周期。由于情报渠道的态势信息获取一般都需要较长时间，这里仅考虑传感器渠道的态势流。态势流生成时间包括传感器网络探测到对象时间、网络传播的延迟以及多传感器信息融合时间。所以这种时效性的表示可以用从对象态势属性产生到生成融合的态势信息的整个时延，即：

式（7）中，ns代表态势流中作战单元的数目，tsi为传感器感知到对象的时间，ttr为网络中的传输时延，td为网络中的传播时延，tre为网络设备的反映时间，tsu为态势信息融合的时间。

2.1.4 态势获取信息效能评估

根据以上的分析，由完备性、准确性和时效性，可以得到态势信息获取的综合效能评估计算公式：

式（8）中，wtc，wta，wtt分别为完备性、准确性和时效性对于态势信息获取效能的权重，tt0为态势获取的最小基准时间，即∀tt（tt≤tt0）。

苏：豪迈！羌族沙朗舞的这种感染力让人心里很舒服，就会使我情不自禁地加入当中去。在各种丰收、节庆的日子里，不论男女老少都要跳。沙朗舞的风格比较淳朴，节奏比较轻快，动作比较粗犷，具有强烈的民族艺术感染力，容易吸引大家的注意力和兴趣，充分显示出我们的羌族文化气息及独特的艺术风格。

2.2 指挥控制信息

在一体化网络作战体系中指挥控制信息主要包括作战任务和战术命令两个方面，由于战术命令的生成、分发和共享也是由战术服务网来完成，本小节仅仅针对多中心、决策、指挥、融合网的情报态势融合、分析与决策，以及作战任务下达等进行讨论。事实上，指挥控制信息的生成主要是在情报态势信息输入之后，对其进行反应生成相应指控流的过程，包括态势判断、辅助决策、生成指令等过程。态势判断主要是根据获取的态势或情报信息对战场目标进行分析，主要包括目标识别、态势评估、威胁评估、过程评估等过程；辅助决策主要是根据分析结果使指控人员能快速准确地进行作战判决，确定战场情况处置方案；生成指令就是下达作战的最终指令。指挥控制信息的评估主要是分时效性和可操作性两个方面来进行评估的[5]。

2.2.1 时效性

时效性指由态势情报信息的输入到对其进行反应生成相应指挥控制指令的过程时间，即指控延迟时间。根据以上分析，也可以把指控信息的时效性分为态势判断、辅助决策、生成指令三个阶段，即：

式（9）中，tp，tj，tz为分别为态势判断、辅助决策、生成指令的过程时间。

2.2.2 可操作性

可操作性表示的是指控流的内容是否明确、具体，能否被战术服务单元解释和划分，能否支持进一步指控决策或直接行动等等。对每一个作战任务可以由以下方式进行评估：

式（10）中，wij表示第i个作战单元第j个指标的权重，pij表示第i个作战单元第j个指标的完成程度，nz表示衡量指标的个数，nu表示作战单元和战术服务单元的数量。

2.2.3 指挥控制信息效能评估

指挥控制信息的效能主要是反映一体化网络作战体系中信息资源的利用效能，这种效能主要也是由时效性和可操作性来决定的，即：

式（11）中，wzt，wzo分别为时效性和可操作性对于指挥控制信息效能的权重，tz为指挥信息生成时间，tz0为指挥信息生成的最小基准时间，即∀tz（tz≤tz0），oz表示作战任务的可操作性，Ez表示时效性和可操作性的加权平均。

2.3 战术服务信息

在一体化网络作战体系中，战术服务信息主要体现了该体系的信息分发的能力，即对各种信息流进行分发和传输的能力，作战任务的解释和分解，战术命令的生成、分发与共享以及态势信息的共享等等。对信息分发能力的评估从以下三个指标进行考虑[5]。

2.3.1 可靠性

可靠性指一体化网络作战体系的各组成部分获取相应分发信息的可靠程度。针对某一个作战单元，一条信息仅用获取、未获取两种状态表示。对于网络作战体系整体，则用获取信息的体系组成占全部具有信息需求组成的比例来表示，即：

式（12）中，wfi表示第i个作战单元的权重，Ngi表示对第i个作战单元获得分发信息的数量，Nai表示第i个作战单元应该获得分发信息的需求数量，nu表示作战单元的数量。

2.3.2 时效性

时效性表示一体化网络作战体系内部分发共享和传输各种信息的通信延迟时间，其中包括通信传输延迟、通信中继延迟等。由于战术服务信息和态势信息不同，它是在战术服务单元和作战单元之间多对多的通信，所以计算评估的方法和态势获取的方法略有不同，对某一个要分发的单元来说其时效性与态势获取的计算方法类似，即：

式（13）中，nr代表态势流中作战单元的数目，ttri为网络中把消息分发给第i个作战单元的传输时延，td为网络中的传播时延，tzj为中继反应的时间延迟。而对整个网络作战体系，其分发共享的时效性为：

式（14）中，nu为参与分发的单元的个数。

2.3.3 协作增益

在战斗过程中，作战单元之间还要进行情报交换，完成信息共享，以增加情报的信息量，这种信息协作肯定会带来战场信息的提升。也就是说在信息共享的情况下，协作带来的与非协作情况下的信息的增加，这种信息上的增益，也是衡量战术服务信息效能的一个重要指标[6]。这里直接给出结论，对于任意两个作战单元，其协作的信息增益为：

式（15）中，ρij为作战单元i和j的信息的相关系数，—1≤ρij≤1，同时假设信息元素的不确定性服从多元正态分布，σiσj表示作战单元i和j信息元素分布的标准差，表示作战单元具有最大信息熵的方差取值。

那么，整个网络作战体系信息增益的平均效能为：

2.3.4 战术服务信息效能评估

战术服务信息的效能主要反映一体化网络作战体系中信息资源的分发效能，这种效能主要是由时效性、可靠性和协作增益来决定的，即：

式（17）中，wft，wfk，wfd分别为时效性、可靠性和协作增益对于战术服务信息效能的权重，tf0为战术服务信息生成的最小基准时间，即∀tf（tf≤tf0）。

2.4 一体化网络作战体系信息资源综合效能

在战场态势信息、指挥控制信息和战术服务信息效能，对信息获取、信息分发和信息使用这个串联过程，利用概率论乘法定理，可以得到整个一体化网络作战体系的信息资源综合效能计算方法：

式（18）中，EI为一体化网络作战体系信息资源的效能。

3 实验及结果分析

OPNET（Optimization Network Engineering Tool）是一个具有离散事件仿真特点的图形化商用网络性能仿真分析工具，可以用来设计和模拟网络协议，并能建立局域和广域网的模型。使用OPNET Modeler对一体化网络作战体系中的信息网群进行建模，构建各种IP网、数据链、战术无线通信网、无线传感器网络等子网，并进行仿真试验。

图3、图4分别是在高负载、大规模情况下的实验结果和一般情况下的实验结果图。

根据进行的仿真实验，对一般情况下，可以看到该体系仿真在运行前5分钟的效能比较低，主要原因可能是因为各个网群组网，网群与网群之间的链路建立，各个作战单元的启动等等；经过一段时间的warm—up之后，系统逐渐趋于稳定，综合效能大约在0.5—0.6之间；战场态势信息和战术服务信息曲线有轻微的震荡，同时在态势信息的效能高的时候，由于系统的分发能力有限或网络拥塞的影响，分发能力降低。在高负载——大规模的情况下，体系的综合效能下降，同时warm—up事件增加，并且态势信息、战术服务信息和指挥控制信息的震荡增加。

从两种情况下的实验对比看，其信息资源评价方法具有一定的灵敏性和合理性，为更好地验证该方法的正确性，本文构建了一个基于美军一体化网络作战体系STORM的仿真环境，在相同网络规模的情况下，通过归一化平均效能，对比了该信息资源评价方法与经典STORM方法的评估结果，其实验结果图如图5所示。

另外，本文还根据未来作战系统FCS的描述构建了一个简易的FCS仿真环境（E—FCS），与该信息资源评估方法进行比对，其仿真实验结果图如图6所示。

上述两个实验，在网络规模与作战单元数量等同的情况下，分别对信息资源的平均效能进行评估，将不同方法得到的结果进行归一化处理。从实验结果来看，通过本文提出的信息资源评估方法计算出来的结果与经典STORM方法、FCS方法计算的结果非常接近，这说明该方法是有效的。同时，从实验中还可以看出，本文提出的方法在一般情况下要好于经典的STORM方法，在大规模情况下，要比FCS略差一些。造成这种现象的原因，主要是体系中协同能力较FCS尚有欠缺，信息增益和各作战单元的协同能力的进一步增强是下一步要亟待解决的问题。

通过实验，证明该体系构建方法具有一定的合理性，其信息资源的效能是比较可观的，同时也说明了其信息资源评价方法的正确性和有效性。

4 结束语

“分布式网络作战”逐渐成为全球军事理论界的热点[9]，那么用于这种作战方式的网络体系就是一个亟待研究和解决的重要问题。在本文研究的基础上，下一步研究的重点是细化体系内部各个单元的协同的信息资源的影响，同时将利用过程管理的思想，从空间维向时间维进行拓展，展开基于作战指挥流程实例的信息资源评估，这样的研究在体系信息资源效能分析中将具有更高的现实意义。

1 HOLMESMATT，HUYNH TOM，KLINE J EFF，et al.Conceptual System of Systems Enabling Maritime Dominance in the Littorals[R].Naval Post graduate School，2004.

2 卜广志.武器装备体系中的信息流分析与评估研究[J].系统工程与电子技术，2007（8）：1309—1313.

3 ALBERT S DAVID S，GARST KA JOHN J，STEINFREDERICK P.Network—centric Warfare：Developing and Leveraging Information Superiority[M].Washington DC：DoD Command and Control Research Program，2000.

4 JOHNSON TIM.Data Replication in the CNR Environment：The Harsh Reality of a Harsh Communications Environment[R].IP Unwired Inc，2002.

5 WALTER PERRY，DAVID SIGNORI，JOHN BOON.Exploring Information Superiority：a Met Hodology for Measuring the Quality of Information and its Impact on Shared Awareness[R].RAND Corporation，2004，MR—1467.

6 江汉，尹浩.基于Agent作战仿真的信息共享效能评估研究[J].统仿真学报，2009，19（1）：160—163.

7 OWENS ADMIRAL WILLIAM A.The Emerging U.S.System of Systems[R].National Defense University Strategic Forum，1996.

8 RICHARD DARILEK，WALTER PERRY，BRACKEN J EROME，et al.Measures of Effectiveness for the Information—age Army[R].RAND Corporation，2001，MR—1155—A.

9 JEFF CARES.Distributed Networked Operations—The Foundations of Network Centric Warfare[M].New York：Alidade Press，2006.