基于Extendsim的指挥信息系统组织结构效能对比分析*

武文，陈永志，王瑜

（空军空降兵学院，广西桂林541003）

基于Extendsim的指挥信息系统组织结构效能对比分析*

武文，陈永志，王瑜

（空军空降兵学院，广西桂林541003）

针对指挥信息系统组织结构效能评价的静态量化分析方法存在的不足，提出了基于Extendsim的动态仿真评估方法。通过信息流程分析，建立评估指标，构建传统和基于云计算数据中心构想的指挥信息系统组织结构效能仿真评估模型，并结合实例对两种模型进行了评估分析，为指挥信息系统组织结构比较和改进进行了有益探索。

指挥信息系统，组织结构，Extendsim

0 引言

系统组织结构是系统内部各组成要素之间相互联系、相互作用的方式或秩序，也就是系统各要素在时间或空间上排列组合的具体形式［1］。指挥信息系统是履行组织职能的复杂系统，评价其整体效能如何，一个重要方面是分析系统组织结构是否科学高效［2］。云计算是并行计算、分布式计算、网格计算、虚拟化等传统计算机技术和网络技术发展整合的产物，目前在美军网络中心战作战模式下得到了广泛应用［3］。云计算主要优势在于其基于网络有效整合系统资源，打破信息逐级传递的方式，使每个节点都可平等地成为云的用户，从而为改变指挥信息系统传统树状组织结构，建立扁平化组织结构提供了可靠依据。

目前，指挥信息系统效能评估主要基于解析方法，这类方法的缺点在于主观性强，计算过程繁琐，没有反映出信息流通的动态特征以及人-机交互和目标、环境的差异等对系统组织结构所产生的影响［2，4］，对于指挥信息这一动态、复杂的人-机系统来说，得出的结果往往与实际相差较大。本文在确定指挥信息系统信息仿真流程和系统组织结构效能评估指标的基础上，利用Extendsim仿真软件建立传统和基于云计算构想的指挥信息系统组织结构效能动态仿真模型，并结合实例对两种不同系统的组织结构效能进行对比分析。模型直观明了、便于理解，仿真简单易行，为检验指挥信息系统组织结构并进行改进升级提供了量化分析手段。

1 仿真流程及评估指标建立

1.1 仿真流程

根据指挥信息系统作战实际，其信息流程仿真一般包括4个主要环节：一是根据系统感知信息的时间及其时间间隔的不确定性，随机产生信息流；二是不同的系统单元（如处理器、业务平台等）依次加工处理信息；三是通过人机交互完成指挥决策；四是信息分发到任务终端。仿真流程如图1所示。

图1 指挥信息系统信息流程仿真逻辑框图

1.2 评估指标

一般来讲，指挥信息系统组织结构效能评估的内容，因评估的目的和角度不同而异。从技术实现的角度来看，系统组织结构效能评估的内容应包括系统的可靠性、时效性和有效性等内容［5］。

1.2.1 可靠性

指挥信息系统的可靠性是指系统在规定的条件和时间内完成规定任务的能力［6］。在仿真时间内，系统单元的平均故障间隔时间（MTBF）和平均故障修复时间（MTTR）已知的情况下，统计仿真全过程中分发到任务部队终端的信息实体数量（Sc）与感知信息实体进入系统总数量（Gz）之比，即可得出系统可靠性的度量值K的大小［7］。

需要说明的是，仿真中需要设置的参数MTBF值和MTTR值一般会在系统出厂说明书中给出，也可在演习演练中进行实验测定。

1.2.2 时效性

时效性是指信息在系统各基层元素（系统单元）间的传递过程中，信息流通过系统的效率［8］。根据信息流程分析和排队论，信息从进入系统到退出系统，需要经过不同系统单元并进行排队、接收、处理、传输，消耗的时间即为信息在系统中的周转时间T。

由于信息流通速率的大小反映了信息流通的时效。在仿真系统中多次运行仿真模型，对任一终端进行统计试验后得出信息的周转时间，则可根据平均周转时间计算出系统时效性度量值S。

1.2.3 有效性

有效性评估是将测得的系统性能与任务要求比较，得出反映系统符合要求的程度［4］。对于指挥信息系统而言，信息在系统流通时的准确性高低是系统性能与任务需求符合程度的关键指标。由于在实际通信中，信息传输不可能实现完全无失真地传输信源的信息［9］，因此，信息到达任务终端的信息质量（保真度）即反映了系统组织结构的有效性。

对信息保真度造成影响的系统单元进行统计，若相应信息保真度为Mi（i=1，2，…，n），则可得出系统组织结构的有效性度量值Y。

2 仿真实现

2.1 Extendsim仿真软件简介

Extendsim是由美国Imagaine That公司开发的仿真软件，它采用C语言开发，具有较高的灵活性和可扩展性，可对指挥信息系统信息流程进行动态仿真；采用交互式建模方式，利用可视化工具和可重用的模块能快速构建系统模型［11］。为了使模型易于理解，本文采用实体类型（Item）模块，赋予其相关属性，用来模拟指挥信息系统的指挥终端和信息感知、处理及决策平台等组成单元，并控制模型实现仿真；采用值类型（Value）模块对评估指标度量值进行统计和计算。

2.2 仿真模型建立

为便于研究，将本文仿真模型作如下简化：一是不考虑信息经过各系统单元进行融合的情况，认为产生的信息实体总数在系统流动时不发生改变；二是不考虑系统自身延时对仿真结果造成的影响；三是由于将连、排或班作为任务终端会使模型变得非常复杂，因此，为便于仿真分析，本文以师规模指挥信息系统效能仿真模型为例，将营作为任务终端。

2.2.1 传统指挥信息系统组织结构效能仿真模型

传统指挥信息系统组织结构一般是按照“师-团-营”这种信息层层加工处理，逐级传递的方式排列的。为了统计指挥信息系统组织结构效能各评估指标的度量值，根据Extendsim仿真原理，利用条件设置模块、计数模块和统计模块3个层级结构模块，对信息实体的属性进行设置，并对单元层级数量、信息周转时间、流经的系统单元数量进行累加和统计。具体模型如图2所示。

图2 传统系统组织结构效能仿真模型

2.2.2 构想指挥信息系统组织结构效能仿真模型

本文采用云计算技术和理念构想基于云计算数据中心的指挥信息系统组织结构。相比传统指挥信息系统而言，构想系统组织结构的前瞻性和优越性在于：一是各指挥终端通过纵横交织的通信基础网连接到云计算数据中心，可平等地获取战场态势和上级的指挥信息，有效改变了传统系统的信息逐级传递方式，使指挥关系实现扁平化。二是使指挥信息系统的指挥终端与服务器等其他单元彻底分离，信息的融合处理统一交由云计算数据中心完成，提高了计算资源的利用率及信息的处理能力。三是云计算数据中心可为各作战单位提供一体化的指挥决策平台，使各级指挥员根据指挥权限快速了解上级决策、共同制定本级决策，并及时进行意见反馈，为实现分布联动作战指挥提供了可靠条件。具体模型如下页图3所示。

为使仿真过程更为直观，模型将信息处理和指挥决策单元较为复杂的组成结构整合为层级结构模块，基于云计算数据中心，各指挥终端通过通信节点可从云数据中心获取相应的系统资源和服务。这与云计算数据中心将软、硬件资源集中整合，构建为资源池的理念是一致的。

信息处理层级结构高层模块是对系统内众多服务器的综合集成。为保证仿真模型与云计算数据中心动态随机调用服务器资源的技术理念相符，将仿真模型中任务分配路由的信息出口概率进行平均分配。指挥决策层级结构高层模块主要利用Information模块、Decision模块和Gate模块模拟实现按级决策。

3 实例分析

3.1 基本情况

某师在联合作战集团的编成内执行作战任务。假设此次作战任务预计持续的总时间为60 h，在进行的若干次决策过程中，设定师级指挥员每次分析判断情况、定下决心的时限为13 min；团级指挥员每次分析判断情况、定下决心时限设定为8 min；各营为任务最终执行实体。联合作战集团可采取有利措施建立各类指挥专网并取得制信息权，确保通信畅通和各类指挥信息系统有效运行。

3.2 仿真分析

3.2.1 数据输入

为便于仿真，本文取0.95作为每个系统单元的平均信息保真度；取系统单元的平均故障间隔时间（MTBF）和平均故障修复时间（MTTR）分别为符合密度为100和0.1的指数分布。将实例中的已知数据分别赋予模型，以确保两种模型在相同的条件下运行，如图4所示。

图3 构想系统组织结构效能仿真模型

3.2.2 结果统计

按照前面介绍的获取仿真运行结果的方法，为使仿真结果尽量可靠，将仿真次数设为10 000次，得到的仿真运行结果如图5所示。

3.2.3 结果分析

一是构想系统组织结构效能明显大于传统系统组织结构效能。若认为可靠性、时效性及有效性指标在指挥信息系统组织结构效能评估中应具有同等重要的地位，则各指标权重在整个的评估体系中占1/3。将效能评估量值划分为4个等级的数值范围，如表1所示。

图4 两种模型的数据输入界面

图5 两种模型的仿真运行结果界面

根据图5中的仿真结果，分别计算传统和基于云计算数据中心的指挥信息系统组织结构效能值E传和E构：

表1 评估等级划分标准

对照表1的评估等级对两种组织效能进行评估，可知传统的指挥信息系统组织结构效能属于一般层次，而构想的指挥信息系统组织结构效能属于较高层次。

二是基于云计算数据中心的组织结构增加了信息处理和分发的路径，使指挥信息系统可靠性得到明显提升。由于可靠性与系统单元的故障时间及恢复时间相关，较传统指挥信息系统而言，基于云计算数据中心的各系统单元平行分布，各单元之间具有相互冗余备份的作用，避免了“毁点断链”的情况，大大提高了系统生存能力，从而使构想系统组织结构较传统系统组织结构在可靠性方面占有绝对优势。

三是基于云计算数据中心的组织结构扁平化是时效性指标产生显著变化的根本原因。由于时效性主要与信息经过不同系统单元的延迟时间有关，一方面，基于云计算数据中心的系统组织结构将传统指挥信息系统进行层层信息传递模式改变为扁平化信息传递模式，缩短了信息传输的路径；另一方面，传统系统中各单元都需要进行“信息排队、接收、处理”等流程环节，系统单元越多、层级结构越大，信息周转时间就越长。云计算数据中心建立在栅格化通信网基础上具备海量信息处理能力，从而使系统终端单元数量的增加不会影响信息周转的时间。

四是基于云计算数据中心的组织结构有效性稳定，当信息流经的系统单元层级数量大于2时占有绝对优势。由于本文实例考虑的是师、团、营3级，信息到达营终端同样需经过2个层级，根据有效性度量计算原理，所分析的2种评估模型的有效性度量值正好相同。当依靠传统系统实施相邻层级的直接指挥时，流通层级为1，则传统的指挥信息系统组织结构有效性好于基于云计算数据中心组织结构的有效性。当层级数量大于2时，传统的指挥信息系统信息流通层级数量逐渐增加，而基于云计算数据中心的信息流通层级始终是两层，因而层级数量越多基于云计算数据中心的组织结构有效性优势越明显。

3.3 评估结论

综上所述，本文构想的指挥信息系统组织结构无论从可靠性、时效性、有效性分项指标分析，还是从整体组织结构效能来讲，都明显优于传统系统的组织结构。

4 结束语

本文针对指挥信息系统组织结构效能仿真评估问题，从把握指挥信息系统动态特征的角度出发，提供了一种较为科学合理的量化分析方法。但本文在指挥信息系统的影响因素和模型的细化、量化等方面还有待于进一步深入研究。

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Comparative Analysis of the Effectiveness of Extendsim-based C4ISR’s Organization Structure

WU Wen，CHEN Yong-zhi，WANG Yu
（Airforce Airborne Academy，Guilin 541003，China）

Due to the deficiency of the static quantitative analysis on C4ISR’s organization structure，this paper puts forward an Extendsim-based dynamic evaluation method.By analyzing the information flow，setting up evaluation index and comparing the traditional C4ISR model with C4ISR’s simulation evaluation model which is based on the cloud computing data，this paper provides a useful and effective way to improve C4ISR’s organization structure.

C4ISR，organization structure，Extendsim

TP391.9

A

1002-0640（2015）01-0049-05

2013-11-05

：2014-02-07

全国军事学研究生课题基金资助项目（2012JY002-603）

武文（1964-），男，安徽宿县人，教授，硕士，硕士生导师。研究方向：军事装备学和作战指挥学等。