新型作战空间建模仿真实践与体会

司光亚 胡晓峰 王艳正

(国防大学 信息作战与指挥训练教研部，北京100091)

1 引言

作战空间就是作战行动所涉及的空间范围，也可以称作战域［1］。所谓新型作战空间，是相对我军以往传统的陆战、空战、近海作战等空间而言的，尤为强调战略预警、军事航天、防空反导、信息攻防、战略投送、远海防卫等新型作战力量［2］行动重点涉及的太空、网络电磁(简称网电)和远海等空间。此外，由于现代战争无一例外地都将国家关键基础设施纳入了作战视野，因此社会域也应是一类值得关注的新型作战空间。对于这些新型作战空间，由于缺乏实战经验，不足以支撑传统的思辨性研究;影响巨大又不方便利用现实系统直接开展实验研究，因此，建模仿真是更为可行的研究手段。近年来，笔者所在科研团队在网电、太空、社会域等新型作战空间建模仿真方面进行了一些实践探索，获得了一些研究体会。

2 新型作战空间给建模仿真带来新的挑战

2.1 新型作战空间是新生事物且不断发展，认知还有待统一

任何建模仿真的前提和基础，都是要了解建模对象的运作机理，新型作战空间建模仿真同样如此。网电、太空和社会域等之所以被称为新型作战空间，是因为它们最大的特点就是“新”，从客观上讲它们是不断发展着的新生事物;从主观上讲人们对它们的认知还没有稳定固化，甚至还存在不少误区。为推动新型作战空间建模仿真，首先应该在以下两大方面形成相对科学的认知:①新型作战空间自身的特点，包括各类新型作战空间的构建要素、基本特征、运行规律等;②新型作战空间对体系作战能力的影响，涉及新型作战空间与传统作战空间的关系，新型作战力量在联合作战中的运用，以及新型作战空间在体系作战能力形成与发挥过程中的作用机理等。

2.2 传统建模方法难以有效解决新型作战空间建模面临的难题

对于陆战、空战、海战等作战空间，传统建模方法强调地形、地貌、大气、洋流等物理环境的构建;强调外形、机动、火力、碰撞等物理属性与行为的建模;强调以兰彻斯特方程为代表的战斗力损耗计算等。而新型作战空间建模更关注大规模网络环境、信息域以及域间甚至跨域的级联效应等内容，对于新型作战空间建模的新问题，传统建模方法很难适用。

2.2.1 传统自然环境建模方法无法体现新型作战空间的信息网络和体系对抗特征

以往针对陆、空、近海以及浅海等传统作战空间的环境建模方法，更多地强调地形、地貌、地物、大气、天候、洋流、水深等自然环境实体的建模，关注环境实体模型对作战实体模型的位置、机动、碰撞等物理属性或行为的影响。而对于网电、太空等新型作战空间来讲，在环境建模方面表现出很多不同特征。比如，网电空间是一个由人造信息化实体构成的虚实结合的空间，信息以光速传播，实体地理位置以及自然环境对网电对抗行为的影响日益降低。这些新问题传统自然环境建模方法均无法解决。

2.2.2 传统物理域建模方法无法描述新型作战空间在信息域和认知域的作战机理

传统的陆战、空战、海战武器平台以及相应的火力、侦察、探测行为模型，无法刻画类似于网络病毒、临近空间飞行器、空天飞机甚至是舆情传播等发生在新型作战空间中的新型作战行动。比如仅仅在原有传感器、干扰机、武器、通信设备等“构件”模型以及基于物质和能量交互计算的行动模型基础上，通过“修改参数”也很难构建新型作战空间“虚实结合”的实体模型以及自适应的对抗行为模型，很难描述已软件化的网络战武器、各类信息化平台系统以及感知、识别、判断和指挥等认知行为。

2.2.3 传统火力损耗建模方法无法刻画新型作战空间对体系作战能力的核心作用

传统陆、海、空武器装备的作战机理主要是火力毁伤，而新型作战力量强调“网络化”“联合”“深入打击”等作战理念，突出“威慑”“拒止”“介入”“消除”等体系级作战效果，其作战目的是“毁体系重心、破体系短板”。这种作战理念要达成的作战效果仅用飞机、导弹、人的损耗是难以描述的。例如，基于信息网络的反舰导弹打击体系的效果不在于“命中概率”，而在于对敌方大型舰船“介入”行为的威胁效果;网络武器的功效也不过多强调对物理域的毁伤，而更多的是针对对方信息的欺骗、控制、阻塞和利用等效果，因此需要新的作战效果模型来刻画新型作战空间在体系层面上的能力。

3 新型作战空间建模仿真实践

长期以来，依托所承担的多项国家和军队重大课题，我们从战略战役层面对网电空间、太空域和社会域等新型作战空间的建模仿真进行了探索。下面结合实践，介绍一下在这三类典型新型作战空间建模仿真过程中遇到的突出问题、解决思路和经验成果。

3.1 网电空间建模仿真

3.1.1 从联合作战角度思考对网电空间的新认知

网电空间是最新出现且最特殊的一类新型作战空间，其首要问题是需要澄清较为常见的认识误区，从联合作战角度思考并形成关于网电空间的新认知［3，4］。

(1)网电空间不是传统作战空间的简单延展。网电空间依托电磁装备，联网生成，目的是人感和人控，是一个建立在物理空间之上，为认知服务的特殊空间。它不是陆、海、空、天物理空间的自然延伸，而是唯一“人造”且“人控”的空间，从其与物理空间以及认知空间之间的关系来看，网电空间主要功能是建立物理空间与认知空间联系的第二桥梁。其中，物理空间描述应该包括各类装备实体、环境实体等，是被感知的对象;认知空间主要对参与决策、论证或研究的人员的认知进行刻画;而网电空间应重点对虚拟实体和虚拟实体与物理实体的关联，以及对感知、判断、决策等认知行动的影响进行描述。

(2)网电空间对抗不能等同于体系对抗中一般意义的作战行动。不同于传统火力战和电子战行动，网电空间对抗突出特征是“网”和“人”，即基于信息网络和面向人的认知，是与信息网络和人的认知密切相关的所有行为和过程，包括武器装备、信息系统、代码软件等实体基于信息网络的探测、传输、处理、分发、施效等行为以及影响人的感知、判断、决策、指控等认知行为。此外，从战争角度讲，网电空间对抗已超越单纯的军事领域，涉及与信息网络基础设施相关的所有领域，如电信网、物联网、电力网等国家关键基础设施。因此，网电空间对抗不是简单的作战行动，而是能直接影响体系本身甚至是人的认知的核心作战行动，成为体系对抗的核心。

(3)网电空间的作战效果更不能简单地理解为体系某一局部或某一领域的简单作用。网电空间在体系作战能力形成和发挥过程中起核心和基础作用，它是构成体系作战能力的核心关键要素。因此，网电空间作用的发挥决定着体系作战的整体能力，具有优势的网电空间将使体系作战能力及效能大幅提升，起“倍增器”作用;处于劣势的网电空间可使体系整体能力成倍衰减甚至造成体系坍塌，是体系的“脆弱点”和“崩溃点”。因此，不应该仅仅将网电空间看作是整个体系的某一类要素，应该强化网电空间的作用就是体系作用，将网电空间影响的关注点放在反映体系网络化结构基础、网络化交互过程以及网络化级联效应等体系作战能力的整体性问题上。

3.1.2 网电空间战场信息网络建模

战场信息网络是联合作战背景下网电空间的结构基础，而网电空间建模仿真的首要问题就是要构建战场信息网络模型。战场信息网络具有明显的异构、大尺度、关联复杂、动态自适应等复杂网络特性，因此，我们重点探索了基于网络之网络理论的战场信息网络建模技术［5，6］。网络之网络的结构特点可归纳为以下三点:①由多类异质网络组成的更大的网络;②每类网络具有特定任务使命和独立运行规律;③异质网络间存在相互依赖关系，即存在相依点或相依边。通过对比以上特点，发现由通信网、指控网、传感网、卫星网、计算机网等构成的相互关联的战场信息网络，就是典型的网络之网络。基于网络之网络理论的战场信息网络建模技术重点解决两个难题，即跨域、异质网络的关联依赖建模和网络拓扑结构的动态演化建模，建模思路如下:

第一步:构建分层分类战场信息网络物理拓扑模型。为构建联合作战背景下的网电空间环境，首先要构建分层分类的战场信息网络物理拓扑模型，主要针对战场通信网、指控网、传感网以及计算机网等各类信息网络，进一步区分骨干、分支，有线、无线，通信、指控、传感探测、信息分发等不同类型，主要通过对网络节点(细分通信实体、指控实体、传感实体、卫星以及战场计算机实体等)、各型链路、网络协议、业务流量等信息网络要素进行建模，得到网电空间战场信息网络物理拓扑模型。

第二步:构建战场信息网络网间、网际甚至跨域的关联依赖模型。网电空间战场信息网络最大的结构特征是网络化关联，具有链路多网共用、节点多使命归一(如特定节点既是通信网络节点，又是战场计算机网络节点)等关联关系，对应在模型上就是有相依点模型和相依边模型。其中，相依点模型强调对网络节点状态依赖的描述;相依边模型是关联依赖模型的核心，指根据各类信息网络内部、网络之间以及不同域之间的各种依赖关系，抽象而成的特殊的链路模型，主要构建物理依赖、信息依赖和逻辑依赖等模型，比如用来描述战场计算机网络DDoS 攻击产生的内部效应，以及其对整个通信网络通信性能的影响，甚至是对指控网中指挥员认知产生的跨域关联影响。

第三步:构建战场信息网络两重动态演化模型。战场信息网络的动态演化，指的是由于网电空间信息网络具有自适应性，其链接和关联关系会随时间在整个联合作战过程中发生演化，表现为在结构方面进行的自我调整。战场信息网络动态演化结构建模表现为两个方面:①动态拓扑演化模型，即基于自适应规则的强连接动态性构建，主要构建了通信动态组网机制、指控关系自动接替机制、传感自动补盲与交替跟踪机制、卫星网接力机制等模型;②动态关联演化模型，即弱关系方面的动态性构建，主要源于信息网络内部或之间发生的各种动态交互，包括协作型、对抗型等交互类型。

3.1.3 新型网电实体以及自适应性网电对抗建模

网电空间中有大量以软件形式存在且与物理实体关系密切的特殊实体，如战场计算机网络病毒、网电一体对抗系统等。与传统物理实体相比，新型网电实体具有明显的“虚实结合”结构特征以及更为智能的自适应性行为。而如何描述这些“虚实结合”的网电实体以及自适应行为是网电空间建模的又一大难题。为此，我们提出了虚实映射的网电实体建模方法以及基于规则的自适应性网电对抗行为建模方法。虚实映射的网电实体建模方法［7］，其主要思路是将网电实体模型分为实在模型和虚拟模型。实在模型依据网电实体的客观存在构建，刻画物理及能量参数，包括地理位置、自身状态、几何外形、机动特性、火力毁伤、物理通信等属性;虚拟模型是在实在模型基础上，通过抽象信息域和认知域属性得到，刻画网络探测、感知、决策、控制以及消息、信道等属性。在此基础上，重点对实在模型和虚拟模型的映射关系进行建模，主要刻画依存关系、随动关系、制约及影响关系等。基于规则的自适应性网电对抗行为建模方法［6］，主要针对探测感知、网络通信、信息欺骗以及网络控制、阻塞和防御等网电对抗行为，从分析网电对抗行为的自适应性机理入手，抽象出响应、时序和触发这三条自适应性行为的内在规则，并进行形式化描述，重点构建了基于规则的网电对抗临机行为模型。

3.2 太空域建模仿真

太空域建模并不是新课题，目前有STK、SaVi和GaLiLEO 等专业的卫星仿真平台［7］，同时在FLAMES、NETWARS 等军用仿真系统中也有涉及。但是，这些建模仿真主要集中在卫星轨道计算分析、卫星通信网性能分析以及简单的卫星行动仿真等方面，还无法解决联合作战层面太空域建模所关注的重点问题，包括大尺度空间信息环境描述以及联合作战中太空域相关的信息交互效果建模两个内容。

3.2.1 大尺度空间信息环境描述

面向联合作战的太空信息环境主要描述卫星信息网络、卫星节点、地面控制站节点和太空自然环境四部分内容。其中，卫星信息网络主要描述涉及的卫星和地面控制站、链路以及信息交互内容与规则等组网信息;卫星节点则主要描述通信卫星、光学侦察卫星、电子侦察卫星、合成孔径卫星、海洋监视卫星、导弹预警卫星、中继卫星、干扰卫星等实体的核心参数信息;地面控制站节点描述信息处理节点、信息融合节点、卫星控制节点等实体的参数;太空自然环境描述光电环境、空间碎片、太阳光照环境、辐射环境等信息。

太空信息环境描述的主要目的是支撑面向联合作战的多维空间态势表现，要让指挥员能看得懂、看得清。面向战略战役兵棋演习需求，重点探索了针对天基信息支援体系信息支援行动的多维空间态势建模仿真。演习过程中，以天基信息支援体系对作战区域的过境覆盖为重点，为支持多种表现样式，通过二、三维显示直观地了解航天侦察力量的部署、分布，以及与演示时间同步显示各方卫星在轨运行的情况，并表现各参演方天基信息支援体系的整体运行情况，也可以聚焦到某类、某颗卫星表现其工作运行情况;通过设置不同的空间环境、气象和云图等展示天基信息支援体系中各种类型侦察卫星在不同天气、气候条件下，昼夜之间侦察的效果及其差别;通过统计图表了解各方天基信息支援体系的类型、构成和数量;通过空间态势表现反映当前或未来参演各作战方航天侦察的能力;支持多模式态势控制机制，包括同步模式和异步模式的态势控制机制。同步机制可以与演习时间同步反映天基信息支援体系对作战区域侦察覆盖的时变特性;异步模式可以回放过去时间或“预览”未来时间内的天基信息支援体系的运行情况。

脑卒中患者一般首选CT平扫检查，可除外脑出血，超急性期梗塞CT往往显示阴性，CT平扫价值不大，临床上CT平扫大片状梗塞易诊断，而较多碰到的是单发或多发点、片状及小圆形低密度灶，点状影一般为扩大脑腔隙，小片状及类圆形灶影大小在1.5cm左右，以腔隙性梗塞多见，这些低密度影可以是陈旧性梗塞灶，也可以是急性、亚急性期梗塞，或者合并存在，急性梗塞存在扩大、出血转化，甚至脑疝可能，如何在CT平扫后能够给予临床提供急性梗塞诊断，引起临床重视进行一定干预，有重要意义。

3.2.2 天基信息支援行动与信息交互效果建模

按照联合作战中天基信息支援的具体功能，对天基信息网络进行抽象，主要描述卫星、地面控制站和嵌入导航、定位、侦察、通信等卫星使用模块的联合作战平台之间的各型信息链路模型，以及在这些网络上产生、传输、处理的各类联合作战信息模型和相关网络规则模型。在天基信息网络建模基础上，重点对信息支援行动和行动过程中产生的信息交互效果进行建模。为了支撑联合作战背景下战略战役兵棋演习，主要研究了卫星侦察预警行动、卫星通信行动、卫星导航定位行动以及相关的天基信息处理与融合模型构建的方法。在具体信息支援行动与信息交互建模过程中，借鉴已有的成熟卫星轨道计算模型和空间自然环境仿真基础，重点研究了基于规则的天基信息支援行动建模以及天基信息支援行动与联合作战行动间的信息交互计算，比如卫星网侦察预警信息产生的时机、信息传输和处理的机制、联合作战行动对卫星预警信息的依赖条件、关键预警信息对联合作战态势的影响等。

3.3 社会域建模仿真

现代战争已从国家间军事力量的对抗转变为整个国家综合实力的较量，包括政治、军事、经济、文化、外交等多个方面。因此，现代战争的研究也要跳出单纯的军事视角，进行全方位的综合研究。这就要求建模仿真从军事域拓展到包含政治、经济、文化等领域的社会域。社会域建模仿真就是解决这个问题的一条有效途径，相关研究主要集中在关键基础设施建模和社会群体行为建模两方面。

3.3.1 国家关键基础设施建模仿真

国家关键基础设施是战争潜力目标体系的重要组成部分，是支撑和稳定战争体系的重要基础。对这些目标实施打击，将可能达到瘫痪或削弱敌战争潜力，破坏其持续作战能力，摧毁其民众战争意志和凝聚力的目的。基于对国家关键基础设施重要性的认识，我们以战略战役兵棋演习中目标体系建模研究为牵引，针对电力网［8，9］、通信网［10］、交通网［11］、天然气管网四类国家关键基础设施，重点研究了国家关键基础设施构建，主要表现国家关键基础设施的复杂行为特征(如自适应性、级联效应等)和宏观整体特性(如鲁棒性、脆弱性)，以反映国家关键基础设施对联合作战的影响效果。借鉴网络之网络理论，基于关联依赖构建国家关键基础设施网络模型。其中，电力网CPS 关联建模，分别构建了电力物理设施网络和考虑人的因素的电力监控网络，在此基础上进一步对物理依赖、信息依赖和认知依赖进行了建模，能够仿真描述电力物理设施毁坏或监控网络失效后，电力网络的级联失效现象;同时，对电力网、交通网、通信网和天然气管网四类网络间的关联依赖进行了详细建模，并重点研究了四类网络间的基本故障传播动力学特征和传播机制，网络拓扑结构对连锁故障传播的影响作用，网络节点和链路的动态Agent 模型表示和连锁故障的传播机制，以及局部扰动在整个网络体系的跨层次级联传播算法等内容。

3.3.2 社会群体行为建模仿真

4 几点体会

4.1 网络化的空间环境建模是新型作战空间建模仿真的基础

信息网络是新型作战空间的模型基础，信息网络之间又有相互的关联依赖关系模型，因此，这种网络化的空间环境建模成了新型作战空间建模仿真的基础。之所以说是新型作战空间的建模，是因为在建模仿真过程中强调的是空间环境的建模，而非单纯的新型作战力量及作战行动建模。面向联合作战仿真需求，网络化的空间环境建模是首要基础，其核心就是相互关联的信息网络环境建模，包括通信网络、指控网络、传感网络、战场计算机网络甚至是社会域国家关键基础设施网络，以及网络间由依赖关系构建的关联网络等网络之网络模型。这样的网络化空间环境模型能够反映战争复杂系统的自适应性、关联性和涌现性等本质特征，同时还可以揭示信息化条件下联合作战中的跨域联合、级联失效、体系瘫痪等特殊现象和机理。

4.2 信息域的实体和行为建模是新型作战空间建模仿真的关键

传统作战空间强调对飞机、大炮等物理实体以及火力战行动的建模，而对于网电、太空等新型作战空间来讲，主要关注计算机病毒、信息指挥系统、天基信息支援平台等信息化程度更高的新型实体。相对于飞机、大炮而言，这些实体以及实体行为有更多的信息域属性特征，需要重点考虑对它们的信息域能力和行为进行建模，而这些信息域建模要素正是新型作战空间建模的关键，体现新型作战空间的本质特征。新型作战空间信息域实体与行为建模，要划分好建模边界，即首先确定信息域的建模要素，应该包括通信、指控、导航、传感与探测等内容，以信息产生、传输、处理等能力和行为建模为重点;同时，要处理好与物理域模型的关系。重视信息域建模并非不考虑与物理域模型的关系，应基于已有的物理域模型，建立信息域实体模型相对于物理域实体模型的依存、随动等关联关系模型，以及物理域模型相对于信息域模型的行为依赖模型，这样构建出来的模型可以反映出体系对抗所具有的物理依赖和信息驱动等跨域联合的作战特点。

4.3 体系化的战争综合效果建模是新型作战空间建模仿真的目标

新型作战空间建模仿真的目的不是为了构建非常逼真的战场网络环境模型以及新型作战行动模型，而是以战略战役指挥训练为目的，将体系化的战争综合效果作为建模目标。体系化的战争综合效果建模更多地体现在两个方面:①在模型粒度上，应在战略战役指挥训练层次而非战术和技术层面，对新型作战空间的实体和行为进行适度抽象，多选取关键性实体、指标性属性和重要行动环节等建模要素;②在交互效果计算方面，尽量回避同一层次的实体交互计算，多采用网间交互甚至是跨域交互来描述作战效果，比如，有时可以回避病毒造成的战场计算机网络局部阻塞效应，而直接计算由病毒发作间接影响的指挥员认知层面的体验效果。

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