基于图论的C4ISR系统的网络构建和效能分析*

李 军

(海军驻武汉地区七〇九所军事代表室 武汉 430205)



基于图论的C4ISR系统的网络构建和效能分析*

李 军

(海军驻武汉地区七〇九所军事代表室 武汉 430205)

C4ISR系统是一个多种技术结合的、开放的、复杂的系统。它的网络结构是决定其使用效能的重要指标。论文根据C4ISR的特征,以图论为基础对C4ISR系统进行建模,将系统中的单元映射为图中的节点,单元之间的连接映射为图中的边。然后,通过分析邻接矩阵最大特征值和效能因子,得出添加反馈使C4ISR系统环路增加的方法可以提高C4ISR系统的稳定性和战场的反应速度。

指挥控制; 反馈; 环路结构

Class Number E83

1 引言

C4ISR(Command,Control,Communication,Computing,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance)系统是涉及到指挥控制、情报侦察、预警探测、通信导航、电子对抗、综合保障以及作战人员等多种军事资源的分布、异构的复杂军事信息系统[1]。它的主要作用是军事信息的获取、处理、传递、决策支持、对部队实施指挥与控制以及战场管理等。在现代战争中,C4ISR系统起到了越来越重要的作用。

为了缩短研发周期,提高研发效率,利用先进的仿真技术构建C4ISR系统,进行作战效能综合评估,是现在研究C4ISR系统的普遍做法[2]。随着C4ISR系统的不断发展,其规模越来越大,功能和结构也越来越复杂,系统仿真的规模和复杂度也随之增加,仿真应用中所包含的模拟器也越来越多,为使投入大量经费研制的仿真系统能适应多种试验要求,结构和规模上的灵活性、扩展性和重用性成为C4ISR仿真系统建设的重要因素。

现代社会网络技术发达,因此,C4ISR系统也全面进入“以网络为中心”的一体化建设阶段[3]。网络中心化C4ISR系统是一个典型的开放复杂系统,具备“即插即用,柔性重组,协同运行,按需服务”等新的能力[4]。相比于以往几代系统,网络中心化C4ISR系统组成要素种类大、数量多,系统更加复杂,更加要求C4ISR具备一种适应性强、灵活性高、抗毁性好的系统结构,从而适应系统任务和战场环境的不断变化的需要[5]。系统结构决定系统功能,不同的系统结构呈现出的网络化效能各不相同,如何表征网络中心化C4ISR系统结构的网络化效能,描述和建模系统结构的本质特性,从而为系统结构定量设计与分析提供科学依据,已成为系统结构设计中的一个重要的问题[6]。

2 C4ISR系统结构

系统各单元以及它们之间的相互关系称为系统结构。不同阶段的C4ISR系统,其系统单元由作战应用需求和相关技术发展决定,因此系统单元的种类、范畴、内涵都在不断变化。对于网络中心化C4ISR系统而言,系统单元指具有一定职责权限、完成特定功能、物理上独立模块,是C4ISR系统的组成要素。

系统单元之间的关系主要包括:网络连接关系、信息交互关系、上级指挥关系、业务处理关系等,其中信息交互关系还可以细分,如情报保障信息关系、指挥协同信息关系等。

2.1 基本单元

根据网络中心化C4ISR系统的功能组成和一般运作流程,将系统抽象为四类基本单元,即情报获取单元、情报处理单元、决策控制单元和响应执行单元,各级各类各域的系统单元都可由上述四类基本单元或其组合后实例化产生。

1) 情报获取单元(observer,O):能够探测或侦察战场空间各类目标特征的功能实体,采用雷达、光电/红外、信号情报侦察等手段的传感器,收集战场目标信息;

2) 情报处理单元(processor,P):能够对战场目标情报进行处理的功能实体。将多个情报获取单元获取的战场目标探测数据进行误差校正、规范格式、特征提取与识别等处理,形成实时、连续、清晰、准确的战场目标情报,并用于生成战场统一态势;

3) 决策控制单元(decision,D):能够根据战场情况形成作战方案并对武器平台实施指挥控制的功能实体,其主要功能是能够根据情报处理单元或情报获取单元上报的情报进行判断和分析,形成战场态势和作战方案,并根据作战方案对武器平台下达作战计划和指令,实时监控作战过程;

4) 响应执行单元(actor,A):能够根据指挥控制单元的作战计划或指令完成作战任务的功能实体,可接收指挥控制单元的作战计划或指令,根据作战计划或指令完成相应的作战行动和任务。

2.2 网络模型

在仿真模拟中,可以将基本单元中的P和D合并,称为指挥控制单元(Control,C)。指挥控制单元是C4ISR系统资源的指挥者,主要功能是信息处理并进行指挥决策。设C4ISR系统结构所拥有的指挥控制单元的数量为K,那么整个指挥控制单元集合为C={C1,C2,…,CK}

其它单元称为被指挥控制单元,通常指各类作战平台(Operation Platform,OP),是具有某种完成任务的能力的独立的实体,它受指挥控制单元的指挥来执行任务。设C4ISR系统结构所拥有的被指挥控制单元的数量为N,那么整个作战平台单元集合为:OP={OP1,OP2,…,OPN}

为了更好地建模,只考虑两类指挥控制关系,一是指挥控制单元与被指挥控制单元之间的指挥控制关系,二是指挥控制单元之间的协作关系。即OP只与C发生信息交换,它们之间不进行信息交换。为了避免决策冲突和混乱,每一个OP同一时刻只能受一个C单元的指挥。

所以,一个典型的C4ISR系统结构的指挥控制关系模型如图1所示。

图1 C4ISR系统结构的指挥控制关系模型

2.3 有向加权联通图

考虑到C4ISR系统单元之间信息交互关系的有向性、流量区分等特点,可以用简单有向加权连通图G=(V,E)表示网络中心化C4ISR系统结构。其中,V={v1,v2,…,vn}表示单元的集合,包括图1中的C和OP,如情报获取单元、情报处理单元、决策控制单元、响应执行单元等;其中,n=|V|表示系统单元的总数。连接集(边集)E={e1,e2,…,em}代表系统单元之间各类信息交互关系,包括图1中的“协作关系”和“指挥关系”,如情报保障、协同、指挥、备份接替等;其中,m=|E|表示系统单元之间信息交互关系的总数。对于每条边(vi,vj∈E),定义一组权值(ew1,ew2,…,ewk)表示对系统单元vi和vj之间信息交互关系的度量,边权值是对系统单元之间信息交互关系强度的差异的一种反映。

2.4 带反馈环节的过程模型

C4ISR系统的基本单元(情报获取单元O)必然包含探测模块。根据自动控制理论,给探测模块加上反馈环节,可以有效地提高系统的稳定性。典型的带反馈的作战指挥过程模型为OODA过程模型,它以指挥控制为核心描述了“观察-判断-决策-行动”的作战过程环路。一般来讲,如果环的操作周期越快,反应时间越快,在与对手的对抗中就越容易获得优势。随着信息技术的发展,OODA环的运行速度也变得很快,各级部队在领会高级指挥官的意图后能够积极发挥主观能动性、自下而上地组织和协同复杂的战斗活动,将作战从一步一步的战斗行动转变为协调有序、行动快速的体系化作战[7]。

对于带反馈环的C4ISR系统的过程的每一步骤而言,除了加快其速度能缩短整个周期之外,提高过程中信息(情报、态势)质量、决策质量、共享或同步能力等,也是缩短整个操作周期、提高反应速度的重要因素。

3 环路结构的效能量化分析

3.1 模型构建

引入网络中心化的C4ISR系统结构的邻接矩阵模型,矩阵的大小为系统单元数量n,矩阵中的数值表示两个单元之间信息交互的度量(即权值ew)。当只需要考虑两个系统单元之间是否有信息交互关系时,可用简化的0-1邻接矩阵模型来表达系统结构。系统结构的0-1邻接矩阵A0-1={aij}n×n可以定义为

其中,两个系统单元只要有信息交互关系则用1表示,否则用0表示。

引入特征值λ,它是综合参数,反映了矩阵中特征向量在变换时的伸缩倍数。当邻接矩阵A为0-1矩阵时,其最大特征值λmax有三种不同的取值,无环(λmax=0)、单环(λmax=1)、多环(λmax>1),与结构中环的数量成正相关的关系(如图2所示)。因此,λmax能反映出结构中环的数量,从而反映系统网络化效能。在三种不同的取值中,多环(λmax>1)被认为是具有网络化效能的结构[8]。下文进行效能分析的均为多环结构。

(a) 无环结构,λmax=0

(b) 单环结构,λmax=1

(c) 多环结构,λmax=1.3

定义CNE为系统结构的网络化效能因子,它通过下式来计算。

其中,A0-1是系统结构G的0-1邻接矩阵,Eig(A0-1)是邻接矩阵的特征值,maxEig(A0-1)=λmax为最大特征值。CNE越大说明系统结构中在同等节点数年的情况下环的数量越多,环对系统因组网而带来的网络化效能提升的贡献也越大。

3.2 实验与仿真

假设C4ISR系统单元包括五部情报获取单元(R1,R2,R3,R4,R5)、1个情报处理中心(P),1个联合指挥所(D1)、1个舰载机指挥所(D2)以及3架作战飞机(A1,A2,A3)。其中,3部情报获取单元与P建立了含反馈的信息交互,另2部与P只存在单向信息传输,D2和作战飞机之间通过数据链组网实现互联。最后,引入T作为与作战任务相关的目标。C4ISR系统结构如图3所示[9～10],从T到R(传感器观测目标)以及从A到T(火力单元打击目标)的连线为能量流,用虚线表示。与图1不同的是,此系统假设三个作战单元A1、A2、A3之间也能进行信息交互。

图3 模拟C4ISR系统结构和基本环示意图

为了便于仿真,将图3中的A1、A2、A3简化为A,D1、D2简化为D,如图4(a)。只考虑情报获取模块的效能,图4(a)为图3中模拟C4ISR系统的简化结构;图4(b)将原系统中只与情报处理单元P建立单向信息的情报获取单元R4和R5加上反馈环节(即加强对情报获取单元的管控),变成带环的结构;图4(c)在图4(b)的基础上,增加了一个情报处理单元P2(即增加异类传感探测手段进行协同探测),然后R1～R5分别与P1、P2建立双向信息联系;图4(d)在图4(c)的基础上,让两个情报处理单元P1和P2之间建立双向信息联系(即增加异类传感探测手段的多元信息融合能力)。

图4 示例比较

图4中各结构最大特征值和网络化效能因子的值如表1所示。

表1 不同探测环网络效能因子示例

由表1可以看出,随着情报获取单元协同探测组网程度的增加,其网络化效能因子不断提高。

在协同探测环中,对于同一目标,如果增加异类传感探测手段进行协同探测,并进行多元情报融合,则系统网络化效能增加,从作战应用层面提升了系统跟踪和识别目标的能力。

比较图4(c)和4(b),由于增加了系统单元(P2),而P1和P2之间没有产生协同作用,相比之下其网络化效能因子反而降低,说明平均每个系统单元参与的环数量减少。当P1和P2之间开始产生协同作用后,网络化效能因子又得以增高。这说明系统单元之间建立反馈环路联系能增加对异类情报处理和获取单元的协同能力,降低信息的不确定性,提升系统的信息质量和网络化交通。

4 结语

本文基于图论,通过建立C4ISR系统的邻接矩阵,求取矩阵的最大特征值和网络化效能因子的方法,对C4ISR系统进行初步的定量分析,并以此作为系统稳定性和反应快速性的指标。仿真实验得出:增加控制“反馈化”机制,即赋予响应执行单元处理各种突发情况的时间和空间,形成“信息-反馈-控制”的良性控制循环体系,是提升指挥控制能力的有效手段。也是网络中心战的“权利边缘化(Power to the edge)”的重要体现。

不过,本文对C4ISR的定量分析也仅是最基础的,模型和矩阵都很简单,变量也较少。在今后的研究中,会将C4ISR模型复杂化,使其更贴近实际,同时给模型添加更多的变量,将信息交互关系的度量(即权值)代替0-1二值进行仿真,从而使仿真结果更加精确,给C4ISR系统的设计提供更好的参考。

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Network Construction and Effectiveness Analysis of C4ISR System Based on Graph Theory

LI Jun

(Navy Representative Office in 709thResearch Institute, Wuhan 430205)

C4ISR system is open, complex and combined with multiple technologies. Its net structure is a key feature to its performance. C4ISR system is modeled with a basis of graph theory according to the characteristic of the system in the proposed article. The units in the system are mapped as nodes, and the connection between the units is mapped as edges. By analyzing the largest eigenvalue and coefficient of networked effectiveness of neighboring matrixes, there is a conclusion that increasing loop number by introducing feedback could enhance the stability and reaction speed in the battlefield.

command and control, feedback, loop structure

2015年4月6日,

2015年5月27日

李军,男,硕士,工程师,研究方向:指控系统,信息系统。

E83

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.027