基于离散事件仿真的防空C4ISR系统结构评估

邓克波,程文迪,雷鸣,饶佳人

（中国电子科技集团公司第28研究所,江苏南京 210007）

基于离散事件仿真的防空C4ISR系统结构评估

邓克波,程文迪,雷鸣,饶佳人

（中国电子科技集团公司第28研究所,江苏南京 210007）

针对防空C4ISR系统,综合考虑通信网络和信息关系结构,提出基于离散事件仿真的系统结构评估方法。通过分析防空C4ISR系统的结构,对防空系统的离散仿真事件进行了定义,给出了事件处理流程、相互逻辑关系和公共基础数据,建立了防空系统仿真实验评估指标及其计算模型。通过仿真实验,在相同想定下比较了树型与网络化结构C4ISR系统的目标探测概率和目标分配率等,验证了文中方法的有效性。

系统评估与可行性分析；离散事件仿真；防空系统；C4ISR结构；系统评估

0 引言

C4ISR系统是指由指挥、控制、通信、信息处理与计算处理、情报、监视和侦察等要素组成的综合电子信息系统。随着“网络中心战”和“空海一体战”等概念的提出[1-2],C4ISR系统由“平台为中心”向“网络为中心”发展,其结构也从树型集中式向扁平化、网络化转型[3-4],规模和复杂度逐渐增加。

C4ISR系统结构包括节点底层的通信网络结构以及上层的信息关系结构,其合理与否对于系统作战效能发挥具有重要影响,目前研究主要是将系统通信网络和信息关系彼此孤立地分析。针对通信网络结构的仿真评估,商业软件包括OPNET[5]、COMNET和BONeS等,开源仿真软件包括NS-2、GloMo-Sim、OMNET++等。文献[6-9]研究了军事通信网络的建模与仿真方法,并利用商用软件或自研原型系统进行了实验评估。在C4ISR系统信息关系结构方面,Dekker建立了FINC模型[10-11],但该模型限于系统结构信息流时效性方面的评估。文献[12]建立了基于无标度网络的防空系统模型,这种采用复杂网络理论高度抽象的结构建模,适用于系统结构统计特性和宏观规律的分析。文献[13]研究了网络化防空系统的特性,并与树形结构比较了优劣,但没有涉及定量的评估方法。

本文针对防空C4ISR系统,综合考虑通信网络和信息关系结构,提出了基于离散事件仿真的系统结构评估方法。离散事件仿真本质是将系统随时间的变化抽象成一系列离散时间点上的事件,通过处理事件,驱动系统的演进变化[14]。防空C4ISR系统从作战应用流程和状态变化上分析,可以视为离散事件系统,包括周期性的目标检测判断、情报发送、目标识别、目标分配和目标拦截等离散事件,采用离散事件仿真方法分析防空C4ISR系统可以兼顾实验可信度和实验效率。

首先,基于离散事件仿真,建立了通信网络和防空C4ISR单元的基本事件类型及其处理流程；然后,从系统反应时间、目标探测、指挥控制和目标分配能力等方面,建立了防空C4ISR系统评估指标及其计算模型；最后,通过仿真实验,举例分析了不同类型结构的系统性能,验证了本文方法的有效性。

1 防空C4ISR系统结构

防空C4ISR系统的组成包括雷达、电子支援措施（ESM）等传感探测单元,雷达旅团、情报处理中心等情报处理单元,航空兵指挥所、地防指挥所等决策控制单元,以及地导、飞机等响应执行单元。防空C4ISR系统的结构如图1所示,包括系统单元及其之间通过底层骨干网、接入网等形成的通信连接结构,以及上层完成情报保障、态势共享、指挥控制和协同执行等所进行的信息交互关系结构,其中交互的信息包括情报态势、指挥指令和作战计划等。

2 防空C4ISR系统离散事件仿真

采用离散事件仿真来模拟防空C4ISR系统运行,首先需要建立基础的事件类型,然后采用事件扫描法驱动仿真运行。事件扫描法基本过程如下：

图1 防空C4ISR系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of air defense C4ISR structure

1）初始化,置仿真时钟和系统状态为初态,生成初始的离散事件,插入事件表。

2）仿真开始,扫描事件表,将仿真时钟推进到最早发生事件的时间上。

3）处理该事件,相应地改变系统状态,并生成新的事件,插入事件表。

4）若仿真终止条件未满足,返回步骤2,否则,结束。

下文重点介绍防空C4ISR系统的基础事件。

根据防空C4ISR系统的功能组成、作战应用流程和闭环实验需求,提出了10种基础离散事件,包括3种战场环境事件、4种系统应用处理事件和3种通信网事件,如表1所示。不同类型离散事件对应的配置参数、系统状态,以及事件之间的生成关系如图2所示。

表1 防空C4ISR系统离散仿真事件Tab.1 Discrete simulation events of air defense C4ISR system

2.1 战场环境事件

2.1.1 目标状态更新事件

图2 离散事件逻辑关系示意图Fig.2 Logic relationship among the discrete events

事件数据结构如表2所示,参数配置包括：目标状态更新周期、目标运动起点、拐点、终点、速度和高度等。事件处理关联的目标状态数据为：目标结束标识和目标位置等,其中当目标到达终点或被击毁时,结束标识置为1,否则为0,目标位置根据目标状态、速度和更新周期等参数进行计算。

事件时间tk事件类型处理模型

目标状态更新事件的处理流程如图3所示,其中,生成的新目标状态更新事件的事件时间tk+1为当前事件时间tk加上目标更新周期TTUP：

2.1.2 目标击毁事件

目标击毁事件是由处理火力单元判断与打击事件时产生的,事件数据结构如表3所示。

表3 目标击毁事件Tab.3 Intercept event

该类事件的处理流程为：

1）判断事件时间是否大于仿真时间,若大于,不处理。

2）若事件时间不大于仿真时间,根据事件中目标标识遍历目标列表。

3）在目标列表中找到事件的目标后,将其结束标识置为1,意味着该目标状态消失,其状态不再更新。

图3 目标状态更新事件处理流程Fig.3 Processing flow of target state update event

2.1.3 系统单元失效事件

系统单元失效事件是根据实验想定,在仿真初始化阶段产生,事件数据结构如表4所示。

表4 系统单元失效事件Tab.4 System unit failure event

该类事件处理流程为：

1）更新系统单元状态表,根据失效单元标识,在系统单元状态表中将相应单元的状态标识置为0,意味着该单元失效。

2）更新信息交互关系表,删除与失效单元有关的信息交互关系,按照一定规则接替信息交互关系。

3）更新收件箱,删除收件箱中失效节点接收的所有信息。

2.2 系统应用事件

2.2.1 雷达情报生成与发送事件

事件数据结构如表5所示。事件配置参数包括：雷达位置、探测半径、探测精度、扫描周期TSP、扇区个数n和接入的通信节点等。事件处理依赖的系统状态包括：目标状态、系统单元状态和信息交互关系等。

表5 雷达情报生成与发送事件Tab.5 Radar intelligence generation and transition event

事件处理流程如图4所示。

图4 雷达情报生成与发送事件处理流程Fig.4 Flow chart of radar intelligence generation and sending event

其中,单个雷达的目标探测概率[15]根据（2）式计算：

式中：Pf为虚警概率；Pd为探测概率；SNR为信噪比； K为常系数；d为目标距离。生成新的雷达情报生成与发送事件的事件时间为

2.2.2 空情处理与发送事件

事件数据结构如表6所示。

事件配置参数包括情报发送周期、接入通信节点等。事件处理依赖的系统状态包括系统单元状态、信息交互关系和收件箱状态等。事件处理流程如图5所示。

表6 空情处理与发送事件Tab.6 Air information processing and sending event

图5 空情处理与发送事件处理流程Fig.5 Flow chart of air information processing and sending event

2.2.3 防空作战指挥决策与控制事件

事件数据结构包括事件时间、事件类型、指控节点标识和事件处理模型等。事件配置参数包括指令发送周期、接入通信节点等。事件处理依赖的系统状态包括系统单元状态、信息交互关系和收件箱状态等。事件处理流程如图6所示,包括目标威胁估计、打击能力判断和目标分配方案生成等。其中,指控单元仿真模型利用0或1的状态值表示是否正常,不正常表示失去决策与控制能力,调用结构自适应算法,确定新的指控关系,更新信息交互关系表,其中结构自适应算法不在此文范围,不再赘述。

2.2.4 火力单元判断与打击事件

事件数据结构包括事件时间、事件类型、火力单元标识、分配目标标识和事件处理模型等。事件处理流程如图7所示。在判断火力单元状态正常的情况下,判断收件箱有无本地信息。根据目标信息和打击规则判断是否进行目标打击。在满足打击条件情况下,估计目标击毁时间和目标击毁概率,生成目标击毁事件。遍历目标结束后,删除收件箱中本地信息,生成下一个判断与打击事件。

图6 防空作战指挥决策与控制事件Fig.6 Air-defense decision and control event

图7 火力单元判断与打击事件处理流程Fig.7 Processing flow of fire unit decision and fighting event

2.3 通信传输事件

2.3.1 通信节点转发事件

雷达、情报处理单元和指挥决策单元在完成处理与决策后,将生成的情报或指令等通过接入的通信节点发送到通信网络上。因此,由图2可见,初始的通信节点转发事件是在处理雷达情报生成与发送事件、空情处理与发送事件和防空作战指挥决策与控制事件的过程中产生的。通信节点转发事件的数据结构如表7所示。

处理通信节点转发事件依赖的通信网参数包括：通信节点位置、处理时延、缓存大小、传输链路带宽、路由表等。相关的系统状态数据为通信节点忙闲状态。通信节点转发事件处理流程如图8所示。

表7 通信节点转发事件Tab.7 Sending event of communication node

图8 通信节点转发事件处理流程Fig.8 Processing flow of sending event of communication node

其中,生成转发事件1意味着由于通信节点状态忙导致的本地等待转发事件,事件时间tk+1等于事件列表中该通信节点变闲事件的时间（设置变闲事件比转发事件优先级高,以解决事件时间相同时的处理顺序）,转发事件1的其他数据项不变。通信节点转发事件2意味着传输到下一跳通信节点的转发事件,该事件的数据项中事件时间取决于处理时延TPD、发送时延TTD和传播时延TBD,其中发送时延由信息长度LIL和传输带宽STB决定,传播时延由链路长度DLL和传播速度vBV决定,如（4）式所示。

通信节点标识为下一跳节点,其他数据项不变。

2.3.2 通信节点变闲事件

通信节点变闲事件是在处理通信节点转发事件时产生,事件数据结构包括：事件时间、事件类型、通信节点标识和事件处理模型。处理该事件时只需查找通信节点状态表,将相应通信节点的状态置为闲。

2.3.3 传输结束事件

传输结束事件是在处理通信节点转发事件时产生,意味着信息经过若干转发后出通信网,传输结束。事件数据结构包括：事件时间、事件类型、信宿标识、信息标识和事件处理模型。处理该事件只需将相应信息写入收件箱。

3 系统性能评估指标

系统结构直接影响着防空C4ISR系统的高效性和抗毁性。从结构层面,防空系统发展包括：一是缩短了情报保障和指挥控制的层次,从树型结构向扁平化结构转变,有利于时效性的提高；二是增强了系统单元间协同,当某单元失效情况下,可以通过协同和功能接替抑制态势感知和指挥控制能力的波动。为了分析系统结构的优劣,建立的系统性能评估指标包括：系统反应时间、目标探测概率、目标覆盖系数和目标分配率。

系统反应时间指从情报获取单元发现目标到决策控制单元形成对该目标的作战计划或作战指令并下达给响应执行单元的时间间隔。

目标探测概率是指空中入侵目标被防空C4ISR系统所有传感单元探测的联合发现概率。假设共有M个入侵目标、N个传感探测单元,目标平均探测概率可以表示为

式中：pij表示目标i被传感器j探测到的概率,与传感器j威力范围和目标i距离等有关。对于雷达,可以通过公式法或查表法等进行计算。

目标覆盖系数是指入侵目标被防空C4ISR系统所有探测单元威力范围同时覆盖的次数。目标平均覆盖系数可以表示为

式中：ri表示目标i坐标；rj表示传感器j坐标；Rj表示传感器j威力半径。

目标分配率β是指被防空C4ISR系统分配给作战平台的蓝方目标个数M″占入侵目标总数M的比例,M″在处理防空作战指挥决策与控制事件过程中进行统计。

4 系统结构仿真实验案例

共开展了两组仿真实验：一是对特定结构的防空C4ISR系统进行了仿真实验；二是对不同类型系统结构进行了实验与对比分析。通过上述实验验证本文方法的可行性与有效性。

4.1 特定系统结构仿真实验

系统结构仿真实验配置如图9所示,其中粗的连线代表通信网络,细的有向连线代表应用节点之间的信息交互关系,蓝色连线代表应用节点到通信节点的接入关系。系统单元包括5部雷达、4个雷达旅团、2个情报处理中心、2个航空兵指挥所、2个地防指挥所、4个机场、4个地导火力单元。设置60批入侵目标,目标运动航迹由远及近,速度为800 km/h,雷达探测半径为250 km,扫描周期为10 s,情报处理单元情报发送周期为1 s,仿真时间设置为2 200 s.

图9 仿真实验系统基本配置界面Fig.9 Basic configuration interface of simulation system

在仿真实验过程中,系统的目标探测质量指标随仿真时间的变化如图10所示。随着仿真运行,入侵目标逼近防空系统,目标探测质量逐渐提高,最终达到相对稳定的取值。目标平均探测概率从初始的0逐渐提高到大约等于1.目标平均覆盖系数从0逐渐提高到大约等于3.当时间大于1 200 s,几乎所有目标均被发现。防空作战任务对特定区域目标有特定的探测质量要求,基于此可以判断系统结构能否满足探测需求。假设要求越过警戒线的目标探测概率不能低于90%,覆盖系数不能低于3,那么在本实验中如图10（b）所示,可以初步估计当前的系统结构难以满足任务对目标探测能力的需求。上述实验结果与根据参数与想定设置的理论分析结果基本一致,说明了本文离散事件仿真方法的可行性。

图10 目标探测质量随仿真时间变化情况Fig.10 Target detection quality as function of simulation time

4.2 不同系统结构对比分析

在系统单元组成相同的前提下,对两种系统结构分别进行了仿真实验。如图11所示,两种系统结构均包括2个综合类指挥所、4个航空兵师指挥所、4个地防指挥所,2个情报融合中心、4个雷达旅团和雷达站。与结构1相比,结构2增加了扁平化的情报保障和指挥控制关系,以及友邻系统单元间的协同（功能接替）关系。

首先,在相同的实验参数和目标想定条件下对两种系统结构的时效性进行了仿真实验,栅格网通信带宽设为1 M,在信息传输完整性同为100%的情况下,结构1的情报保障时效性和系统反应时间实验结果分别为2.23 s和6.43 s,结构2的情报保障时效性和系统反应时间实验结果分别为1.26 s和4.98 s.通过仿真实验,扁平化的信息关系结构能够有效提高系统情报保障和指挥控制的时效性。

其次,在相同的系统单元毁伤事件条件下对两种系统结构进行仿真实验,毁伤事件为：在仿真时刻00h：18m：20s,2个旅团级情报处理单元失效；在00h：33m：20s,2个航空兵师指挥所失效。在上述想定事件条件下,两种系统结构的实验结果如图12所示。由图12可见,与结构1相比,结构2协调关系结构能够有效抑制单元毁伤带给系统的能力波动。

图11 单元组成相同条件下的两种系统结构Fig.11 Different structures with the same units

图12 相同想定条件下两种结构的系统性能对比Fig.12 Performance comparison between two structures in the same scenario

需要说明的是,文中实验数据取决于实验场景,重在验证本文仿真实验方法用在防空系统结构评估的可行性和有效性。

5 结论

在将防空C4ISR系统结构分为底层通信网络和上层信息关系结构的基础上,本文采用离散事件仿真方法,提出实现系统结构仿真评估的基础离散事件类型,并给出不同事件的处理流程和数据依赖。建立了防空系统度量指标及评估模型。通过仿真实验,本文方法有效支持了系统结构的仿真实验和性能评估,并为进一步对比分析和优化设计系统结构提供了支撑。

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Evaluation of Air-defense C4ISR System Structure Based on Discrete-event Simulation

DENG Ke-bo,CHENG Wen-di,LEI Ming,RAO Jia-ren
（The 28th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,Jiangsu,China）

An approach to evaluate the air-defense C4ISR system in the consideration of relationship between communication network and information is proposed based on the discrete-event simulation.Various kinds of discrete events in the air-defense C4ISR are defined,and the event processing flows,logic relations and common basic data are presented.The evaluation indexes and their computation models are constructed for the air-defense C4ISR system,and some experiments are implemented to prove the effectiveness of the proposed method,in which the target detection probabilities and assignment rates of C4ISR systems with tree and network structures are compared in the same scenario.

system assessment and feasibility analysis；discrete-event simulation；air-defense system； C4ISR structure；system evaluation

E917

A

1000-1093（2014）10-1721-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.029

2013-08-19

总装备部“十二五”预先研究项目（50306010401）

邓克波（1980—）,男,高级工程师,博士研究生。E-mail：dkb612@163.com；程文迪（1986—）,女,工程师。E-mail：97498126@qq.com