指挥控制体系网络化建模研究与实践

司光亚 王艳正 李仁见 王飞

本文所述的指挥控制体系,是指在联合作战背景下由相互联系、相互制约的指挥控制要素组成的具有指挥与控制功能的有机整体.利用建模仿真方法评估指挥控制体系是体系对抗仿真[1]研究的难点,其中,最为突出的问题是如何构建指挥控制体系仿真模型和指挥控制体系评估模型.对于指挥控制体系而言,不管是仿真模型还是评估模型,均不同于传统火力战建模,需要更加重视对网络和信息域的描述,网络化正是它们的共同特征[2].因此,有必要以网络化为重点,借鉴“超网”等复杂网络理论研究的最新成果[3],深入探索指挥控制体系建模方法.

1 指挥控制体系建模面临的主要难题

1.1 网络化是指挥控制体系的主要特征

在全域多维联合作战中,由指控主体、指控客体、指挥信息系统以及指控信息等构成的指挥控制体系的网络化特征越来越明显.尤其是在当前指挥信息系统大量应用、网电空间向核心作战域加速渗透的大背景下[4−5],C4ISR正成为指挥控制体系的网络化核心.而由指控网络、计算机网络、通信网络、火力打击网络以及传感网络构成的指挥控制体系,将通过网电空间在物理空间以及各级指挥员的认知空间之间,发挥着类似于桥梁的重要作用.此外,指挥控制体系的作用发挥也并不简单,它是涉及信息获取、感知、识别、判断、指控等环节网络化的复杂过程.可以讲,网络化是指挥控制体系的结构特征和发展趋势,网络化对抗是指挥控制体系发挥效能的主要基础.因此,指挥控制体系建模必须要能够反映网络化这个主要特征,不仅要在仿真模型构建上反映网络化结构,而且要在评估模型构建上反映网络化交互效果.只有这样,才有可能“仿的真”、“评的准”.同时,网络化的建模要求也给指挥控制体系建模仿真与评估带来新的难题.

1.2 构建信息网络仿真模型需解决两个难题

战场信息网络是指挥控制体系的结构基础,指挥控制体系建模的首要问题就是构建信息网络仿真模型.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.具体来讲,指挥控制体系信息网络由指控网、通信网、计算机网和传感网等关联组成.其中,如何构建相互关联的多维信息网络仿真模型,以及如何对这些信息网络的动态自适应性进行构建,是指挥控制体系信息网络仿真模型构建面临的两个主要难题.

1.3 对网络化评估模型的研究有待加强

以往采用建模仿真方法来评估指挥控制体系,更多的是重视构建指标体系,通过对仿真结果的简单计算或统计分析,给出指挥控制体系的效能值.但是,随着对体系对抗仿真认识的深化以及大数据、复杂网络等理论的发展,观念需要进一步转变,要求从“效能数值”到“演化机理”,从“数据分析”到“数据建模”.在观念转变的基础上,具体如何评估C4ISR系统对联合作战效能的倍增器作用、如何反映“1+1≥2”的指挥控制体系效能作用机理则需要突破指挥控制体系效能评估模型构建方法.超网是复杂网络理论研究的新成果[6],可以帮助我们更好地认识体系对抗中指挥控制体系效能释放过程,对于构建网络化的指挥控制体系效能评估模型很有帮助,需要深入探索[7].

2 基于多维动态信息网络的指挥控制体系仿真模型构建方法

2.1 相互关联的多维信息网络建模

基于上述分析,我们提出了一种基于相互关联的多维动态信息网络建模方法.针对指挥控制体系中的通信网、计算机网、指控网和传感网,包括物理上的实际连接和逻辑上的关联关系等广义信息网络,并突出对各类网络间的依赖关系进行建模,从而构建出相互关联的指挥控制体系多维信息网络仿真模型.如图1描述了相互关联的多维信息网络,其中,包括了共同支撑下的火力网络.下面,重点介绍通信网、计算机网、传感网和指控网及关联依赖关系的建模思路.

图1 相互依赖的多维信息网络

通信网络模型.根据支撑指挥控制体系的战场通信网络实际,建模要素包括通信设备、通信类型、通信协议、通信消息、通信性能、通信关联平台等实体以及消息处理和通信中继等行为,可以描述国防通信骨干网络、战术互联网、野战通信系统、卫星通信网及数据链等.

计算机网络模型.针对联合作战中连接战场计算机或具有计算机功能的信息网络,涉及自动化指挥网络、程控微波网络、数据链、装备可联网处理器和控制器的信息化武器平台等,主要刻画操作系统类型、漏洞、性能、防护等级、通信信道以及攻防手段等计算机网络属性.

传感网络模型.主要为指挥控制体系提供情报、侦察和监视信息,构建要素包括传感器类型、功率、频率、距离、视场、目标类型、跟踪精度等性能参数,以及多传感器组网、任务分配、目标融合、目标识别、威胁判断等传感网行为规则,能够刻画天基预警系统、远程预警雷达、机载及舰载探测系统、火控雷达等实体和组网行动.

指控网络模型.在通信网和计算机网物理支撑的基础上,主要描述指挥控制主体与指挥控制客体之间的关联关系,建模要素涉及上下级编成关系以及目标指示、引导、加强、配属等作战支援保障关系,同时,还包括体系对抗过程中的行动下级选择以及指控命令冲突消解等指控行为规则.

信息网络关联依赖建模.在信息网络分类建模的基础上,构建信息网络关联依赖模型,用来描述其中大量存在的共用链路、共用节点以及物理依存、逻辑驱动和级联效应等依赖关系.其中,共用链路和共用节点,指的是某些类型既是传输命令的指控链路,又是传输预警信息的传感链路,某些节点既是通信节点,又有可能是指控节点;物理依存,指比如通信实体的物理毁伤,可能会造成该节点其他网络功能的丧失;逻辑驱动,指比如指挥与控制的实际需求才是通信网络发挥通信功能的内在驱动;级联效应,指某些小的故障或毁伤可能会引发大范围的级联反应.

2.2 信息网络动态变结构机制建模

体系对抗过程中,指挥控制体系往往会根据对抗实际情况进行自我调整,其信息网络结构上表现出一定的自适应特性,称之为动态变结构.在仿真模型构建过程中,主要通过各类动态变结构机制来实现,包括指挥控制接替机制、通信动态组网机制、接替跟踪机制以及弹性网络机制等[8].下面,以指挥控制接替机制建模为例,介绍主要建模思路.

指挥控制接替机制是指控网络自适应建模的重要内容,其EBNF范式(Extended Backus-Naur form)如下:

其中,通信动态组网的目的是生成用于指挥控制的通信链路,在此不再展开.下面,重点介绍指挥控制接替中的指挥控制主体选择模式和选择限制等内容.

为说明建模过程,图2描述了指挥控制接替机制的大致过程.

图2 指控网动态变更机制示意图

图中,CX表示当前重点关注的指挥控制客体,C12为故障指控主体,C11和C13为C12的同级节点,C1为高一级的指控主体.

我们所构建的指挥控制接替机制模型提供了3种选择模式:1)同级调整模式,选择与失效上级C12在同一层级的指挥控制主体进行调整,如图2(a)和图2(c)所示,当通过指控关系检查时,发现CX的C12实体失效后,则选择C11或者C13作为CX的可用上级;2)越级调整模式,选择更高一级的指挥控制主体替换失效的C12实体,如图2(b)所示,当CX的上级指挥单元遭到破坏或者丢失,将直接选择C1作为CX的上级,如若C1同样不可用,甚至可选择C1的上级来指挥控制CX的行动;3)非线性调整模式,可随机选择与失效的指挥控制主体不在同一指控网络内的其他指控节点来充当CX的指控上级,实施接替指挥.

往往根据选择模式筛选出的指挥控制主体不只一个,这就要求我们应给出必要的选择限制,最具代表性的有3条:最大距离,根据体系对抗实际,依据候选指控主体与下级间的距离进行选择,距离越小权重越大,并排除超过最大距离限制的节点,目的是保障所建立的指挥链路通信路径损耗要小;最大下级数,从指挥控制容量上考虑,根据候选指挥节点现有下级数是否达到其能够指挥控制的上限来选择,指挥控制能力越强、实际下级越小的优先选择;3)可用通信网络,根据通信网络的可用性来选择,综合考虑是否有可用的通信连接、通信容量、通信路由等相关通信性能指标.

基于多维动态信息网络的指挥控制体系仿真模型围绕体系中的通信网、计算机网、传感网、指控网和信息网络关联依赖等进行建模,仿真运行结果反映了指挥控制体系的复杂交互行为及其动态自适应等特性,对其进行进一步地深入分析与挖掘,可对网络化指挥控制体系效能进行评估,进而研究其复杂性机理,具有重要的研究意义.

3 基于超网的指挥控制体系效能评估模型构建方法

上一节提出的基于多维动态信息网络的指挥控制体系仿真模型,其作用是近似真实地反映体系对抗过程中信息感知、传播、判断、指控等环节的复杂行为.本节将要介绍的指挥控制体系效能评估模型,则是为了进行体系效能评估而建立的一个分析模型,是对体系运行时行为及运行结果的一种网络化抽象.

3.1 指挥控制体系的异质超网络概念模型

指挥控制体系由相互关联的指控主体、指控客体、指挥信息系统以及指控信息等构成,如果将各型系统或系统的组合看成节点,系统间的关联或相互作用关系作为边,指挥控制体系的动态对抗行为就可以抽象为网络.

从超网的角度来看,动态对抗的指挥控制体系可以映射为指控信息网、指控关系网和指控交互网3种网络,如图3所示.

图3 指挥控制体系的异质超网概念模型

指控信息网是体系在物理域的映射,节点表示各种装备实体,其中的边主要是各种无线通信、有线通信等指控保障链路[9].

指控关系网中结点是作战单元的逻辑表示,可与作战实体存在一对一、一对多等多种逻辑关系(依据具体建模方法而稍有差异),其中的边反映了各种指控软件规定的组织关系和作战关系,包括指挥、支援、协同等关系,是对作战单元间交互性质和趋向的一种规范.

指控交互网中结点同样表示逻辑作战单元,可以参考Cares的定义[10],划分为传感节点、决策节点、火力单元节点、目标节点,其中的边描述了体系对抗过程中的动态指控行为.

如果将指挥控制体系超网络模型与日常生活中各种管线做一类比,那么指控信息网就是管道设施,是体系发挥其功能的硬件基础;指控关系网是流的动力来源和路径约束,如水压、电压和各种阀门等;指控交互网代表了实际的流情况,如到户水流总量及时间、质量等属性.

相对于指控交互网,指控信息网和指控关系网的变化要慢的多,但这2个网络状态的改变可能会迅速影响到指控交互网的状态.例如,一条关键物理链路的失效可能导致诸多实体间的交互无法完成,信息保障关系的改变也会改变信息交互流的状态.

指挥控制体系超网模型中不同网络抽象就像一个三维物体在不同二维平面上的投影,每个投影都是体系某方面性质的反映.指控信息网和指控关系网反映了指挥控制体系的静态特征,指控交互网则反映了指挥控制体系的动态特征,三者相互依赖、相互关联,从不同侧面描述指挥控制体系,组成了一个异质超网络.

指挥控制体系的异质超网络模型能够支持多种重要的网络化体系效能指标评估,以及不同指标之间的关联分析,这对创新指挥控制体系效能评估方法和构建网络化指标体系都具有非常重要的意义.以指挥控制体系的敏捷性评估为例,依据经验,体系敏捷性与网络连通度、链路节点比和OODA环交叠模式等指标密切相关.依据本文提出的指挥控制体系的异质超网络模型,可以分别针对指控信息网、指控关系网和指控交互网进行分析,得到上述3个指标的单项度量结果,进而通过大量的仿真实验和分析验证,综合分析得出指挥控制体系的敏捷性评估指标.

3.2 基于流理论的指控交互网模型

指控交互网是作战过程中参战实体之间物质、能量和信息等动态交互的网络化表达,是体系运行行为的一种抽象表现方式,也是指挥控制体系评估模型的难点所在.下面借鉴系统论中“流”的定义给出指控交互网的定义.

定义1.给定体系节点ei与ej,在t时刻ei对ej的第n类交互作用流(包括物质流、能量流、信息流等)定义为,所有交互作用流泛称为系统交互流.

根据上述定义,系统交互流可以看作指挥控制体系运行过程中所有结点之间产生的交互动作.这些动作具有时序属性,根据仿真模型运行时结果,将所有指控行为按照时间属性进行排序,分别构建系统交互流,即可提取和抽象出体系运行时的所有系统交互流.

从作战的角度来看,指挥控制体系中主要的系统交互流包括:

感知流.感知对方和己方的信息流,包括位置、运行特征、敌我识别及类型、信号特征、任务目标等内容.

情报流.体系内部节点以形成共享感知为目的的信息流.情报交互过程包括态势融合,是某些传感器或决策节点将单独的感知的信息进行汇总,从而形成总体的战场态势信息.决策节点和行动节点是信息的消费节点,它们的行为依赖于情报交互.

指控流.指挥节点向被指挥节点下达指挥控制命令.决策节点在得到情报信息后对其控制的单元进行调整,并对下一步的行动进行决策,这些内容以指控命令的形式下达给其他节点.

协同流.2个或多个作战单元为协同作战产生的信息交互.

攻击流.方法包括火力打击、电子干扰、网络攻击等行动.

系统交互流的定义具有时变性,借鉴社交网络建模方法将交互流按照一定的规则在一段时间内进行积累,进而得到体系在遂行作战任务过程中所产生的指控交互网.

定义2.指控交互网是体系在一段时间T内动态、对抗过程中产生的交互流的集合.设体系中所有结点集合记作Via,时间T内产生的指控交互网定义为

针对ei,ej∈Via,任意时间片T内可能存在多个时刻t1,,tx,分别存在从ei到ej的系统交互流.针对这种情况,采取的措施是为每个系统交互流维护一个权重函数X( ),X(ei,ej,T)表示时间片T内产生ei到ej的系统交互流的个数.

时间片T的选取以及权重函数X( )的具体定义形式与所要研究的问题相关.比如,可以按时间段{(t1,t2),(t2,t3),,(tn−1,tn)}生成连续的指控交互网络,研究其演化性质;也可以根据典型事件发生来划分时间片,研究指挥控制作战的过程.例如,图4是作战过程中交互网络的4个时间片:t1时刻卫星侦察到目标并将信息发送到指控中心;t2时刻指控中心控制无人侦察机对目标进行确认、识别和跟踪;t3时刻在跟踪的同时命令攻击型无人机飞向目标;t4时刻一架无人机进行攻击,另一架无人机观察战果补充攻击.

图4 时序交互网络示例

定义3.设指控交互网中k个系统交互流且满足其中fq为流第q种属性,表示流之间存在某种内在的一致性,那么这k个指挥交互流构成的序列称为交互流回路.包含且仅包含一个攻击流,其余所有的流均与目标有关的交互流回路称为交战环.

交战环中的流以打击目标为起点,在经过了数级转换和传递后又以打击目标为终点.最简单的交战环只有火力单元和打击目标2个节点,包含感知流和攻击流.不同的交战环有不同的复杂度,其中可能包含多个子交互流,这些子交互流的交叠模式及效果是网络化指挥控制体系效能高低的一个重要指标.交战环是指控交互网的子图,是体系的微观行动到宏观效果的关键结构,网络化作战的优势和目标就是能够形成灵活高效的交战环.通过对指控交互网中交战环时间属性与拓扑属性的分析,可以分析C4ISR系统在体系对抗中所起到的作用.

4 实验示例

基于文中提出的指挥控制体系仿真模型与评估模型,建立了一个指挥控制体系对抗仿真分析与评估的原型系统.以反映体系使命要求的仿真环境和任务封装成的想定驱动仿真模型,通过对仿真运行时数据进行深入分析,抽取和构建基于超网理论的指挥控制体系效能评估模型,进而研究指挥控制体系相关性质.实验想定由红蓝双方作战体系构成,按照扁平化指挥、信息共享、分散部署等原则进行配置,并通过指挥关系转隶、动态组网、备用通信路径等机制充分体现指挥控制体系多维信息网络及其动态自适应特性.

图5展示了2个波次远程攻击过程形成的指控交互网,图5(a)为第一波次,图5(b)为第二波次.图中基本以不同的层次表示不同类型的结点,而边的粗细反映了权重,亦即在打击过程中产生交互流的次数.图中以粗体字标出了体系对抗过程中的系统交互流,以普通字体标出了结点类型,为了对比和描述方便,标出了探测结点1∼4和指挥结点A∼C.

图5 时间窗口内的交互网

总体而言,第二波次中的系统交互流要比第一波次密集,攻击过程中的活跃节点更多,指挥控制体系交互的频繁程度有所上升,指挥结点对信息的感知、处理、分发等过程较为合理.

相对于第一波次攻击过程,第二波次中探测结点3产生的感知流相对密集,而探测结点1产生的感知流相对减少;第二波次中探测结点3、4产生了大量的情报流,而探测结点1产生的情报流下降明显;第二波次中指挥结点B、C对情报流的接收和处理较为分散和平均;在2个波次中,探测结点2发挥的作用基本相同;指挥结点A在2个波次中均为未产生有效指控流.

综合仿真模型运行结果及评估模型分析结果后发现,产生上述现象的主要原因如下:第二波次攻击中对方采用干扰等方式对探测结点1进行了干扰;探测节点2在两个波次攻击过程中位置相对固定,且未受到敌方干扰;探测结点3和探测结点4在第二波次中位置前出且抗干扰能力强,故其作用发挥更加充分;对仿真模型中指控关系网和火力打击网进行分析后发现,指挥结点A在两个波次中均未产生有效指控流的原因是其所属部队无法完成对目标的打击.

5 结束语

从网络化的视角研究指挥控制体系建模是一种新尝试,本文所提出的多维动态信息网络仿真模型和基于超网的网络化评估模型等建模方法,能够较好地反映指挥控制体系的网络化特征,对于联合作战背景下的指挥控制体系建模仿真和分析评估具有重要理论价值.同时,考虑到指挥控制体系建模的复杂性,下一步还有很多内容需要进行深入研究.