胡晓峰 贺筱媛 饶德虎 郭圣明
现代战争已明显不同于过去的战争,信息唱主角,以网络为中心的体系对抗成为信息化战争的主要形态,突出表现在战争空间不断扩大、战争样式变化迅速、战争影响更加广泛、战争的整体效果更加突出.战争已经成为国家与国家、体系与体系的综合对抗.传统基于还原论的牛顿科学体系已无法揭示信息化战争的复杂特性,这需要我们从复杂性科学的角度,找出符合信息化战争特点的战争评估和管控方法[1].
所谓体系是由多个独立系统组成的更大的系统,在国外被称为系统的系统(System of systems),钱学森称之为“复杂巨系统”,也有人称之为“集成系统”等.其严格的定义是“能够进一步涌现出新性质的相互关联独立系统的集合”[2],即“系统的系统”,具有“组分系统独立”、“相互依赖关联”、“软硬因素综合”、“共同完成使命”等主要特征.从复杂性的角度来看,目标的涌现性、结构的进化性和能力的相对性决定了体系也是复杂系统.因此,研究体系作战必须从其复杂性入手,反映出体系的“整体、动态、对抗”的特点,将诸如不确定性、涌现性、适应性、非线性等复杂性质反映到体系能力和效能的评估上,这与一般采用分解还原的分析方法完全不同,为体系的研究分析带来了很大的挑战.主要表现在以下3个方面:一是体系规模庞大,而且其性质不具有可加性,仅仅分析局部不可能得出整体性结果,如何对其进行整体性分析?二是体系组分之间交互复杂,其结构动态变化,具有自适应、自组织、因果关系不明确等性质,如何反映其复杂性特点?三是体系由人主导,其本质是人的对抗,而人是有自由意志的,如何纳入对人的因素分析?针对上述挑战,传统以战争实践和历史总结为主的研究方式已失去作用,采用复杂网络对有人参与的对抗演习中生成的仿真大数据进行分析则提供了一个可行途径.
信息技术的发展将作战体系从传统以独立平台为基础的应用形式,转向以网络为中心的系统和体系的应用方式,比以往更加强调“整体、动态、对抗”效能的发挥.因此,“指挥”和“协同”已成为体系作战效能发挥的关键因素,指挥与协同的好坏,很大程度上反映体系作战整体化程度.但体系内部各类关系极为复杂,不同类型的节点和关系普遍存在,不仅缺乏分析方法,比如什么叫“指挥控制效果好”、“协同好”;而且缺乏度量标准,比如哪些指标能够描述指挥效能、协同效果等.体系作战作为复杂系统所具有的适应性、动态性和涌现性等特点,导致现代战争中的指挥与控制面临快速的网络化信息交互、较慢的武器装备和更慢的指挥决策之间的矛盾,需要以崭新的视角来研究信息化战争中指挥与协同的客观规律.分析体系作战过程中的指挥和协同效果,关键应对以下两个问题找到相应的分析方法:一是如何对“系统的系统”进行建模?因为组成作战体系各类网络类型和性质完全不同,因此需要建立起能够描述不同网络及其相互关系的网络模型.二是以何种角度对体系作战中指挥和协同进行评估?从指挥时效性上讲,就是体系作战的指挥决策周期如何变化,关键是“指挥打击链”的构成与长度;从作战效能上讲,就是体系作战的协同效果如何度量,重点是不同作战行动之间协调性.
研究信息化战争制胜机理是时代赋予的重要命题,而基于复杂网络理论建立体系作战指挥与协同模型,并利用实际有人参与的仿真演习数据进行分析,从而找出优化作战体系、评估体系作战能力的方法和途径,这对体系作战能力分析进而提高信息化条件下战争管控能力具有深刻意义.
体系可看成是各类功能网络的综合集成,是有组织网络所形成的网络群,也就是“网络的网络”,这里的网络可以是体系作战中各种的关系网络,如通信、指挥等.同时,体系与复杂网络的基本特性具有内在机理的天然相似性,如体系结构“稳健性”与“脆弱性”并存,体系效能具有级联失效、连锁反应的特点,其信息传播主要由中心节点来发挥作用,体系演化会导致“碎片”或“局部”子网络的产生等.网络中心战[3]的结构模型就是一种典型的“网络的网络”,其中的信息网络融合指控网、传感网和交战网,进而构成信息时代作战过程的战斗网络.因此基于复杂网络来描述体系作战中各类网络间复杂交互关系和动力学演化行为,是揭示体系作战指挥协同机理的有效途径.
体系作战是以交战(物理毁伤与信息对抗)、指控、通信、感知和融合类实体为节点,各实体间的能量、信息和认知交互为边的复杂战争网络,是具有自组织的各类网络集成的“系统的系统”、“网络的网络”.过去对体系作战单层同质网络的建模方法已无法反映信息化条件下体系作战“多网融合”、“跨域交互”的特点.
“超网”即“网络的网络”,最早是由Sheffi[4]用来研究运输网络,美国科学家Nagurney在处理相互交织的网络时,把高于而又超于现存网络的网络称为“超网”(Supernetwork)[5].超网定义的要点是:由多种连接方式将多种类型节点连接起来,构成强调整体功能的多重边异构网络,该网络可根据其节点或链路属性划分为多个交互子网.利用超网方法对作战体系建模,更符合体系作战的特点和性质.
由物理域、信息域和认知域中不同作战要素,按照网络化的组织指挥关系和作战编成形成的三层复杂网路构成体系作战超网,如图1所示.图1中,底层是物理域上依托物理实体间交战事件在物理空间形成交战网络,其物理属性体现在物理实体的毁伤状态;中间层是信息域上依靠信息装备平台间信息流转形成信息流网络,其物理属性体现在信息流的传输特性;顶层是认知域上指挥员及其指挥机关之间根据指挥关系形成的指挥网络.超网的每个网络链边属于不同类型:物理域的链边是交战过程,属于能量交互、物资交互;信息域链边是信息感知和分发,属于信息交互;认知域链边是指挥与协同关系变化,属于关系交互.各个网络之间跨域链边包括态势信息反馈、指挥命令下达等不同类节点间的多种影响关系.
图1 作战体系的超网三层视图
利用超网络对作战体系进行网络化分析时,需要对体系作战超网络中的节点与边进行抽象和建模.
物理域上的交战网是由火力打击节点构成的网络.火力打击节点的主要功能是接受上级指挥员的指令,对其他各类节点实施物理上的毁伤,降低或压制其他节点对应作战能力的正常发挥.交战网络中火力打击节点一般对应着物理世界中的作战实体.因此交战网络G可以看作三元组有向二分网络,即:
式中:V1={v11,,v1m}表示红方作战实体的节点集合,为非空有限集;V2={v21,,v2n}表示蓝方作战实体的节点集合,为非空有限集;E代表V1和V2之间的交战关系,
信息域上的信息网是由探测节点(S)、通信节点(C)、情报节点(I)和信息对抗节点(J)构成的网络,以信息交互为链边.从功能上讲,信息网络是依靠不同通信方式在作战体系网络节点中传递信息,是一个人工功能网络.信息网中节点间信息流转是建立在作战实体之上的映射网络,显然物理世界中作战实体与信息网络中的节点具备一对多的映射关系.信息网络G是一个二元组有向网络,即:
式中:V=VS∪VI∪VC∪VJ表示信息网络中的探测节点、通信节点、情报节点和信息对抗节点的集合,为非空有限集;E代表VS、VI、VC和VJ之间的信息流转关系.
指控网由决策节点(D)构成网络,以关系交互为链边.我们将兵棋推演中涉及的真实指挥员与仿真指挥员统称为决策节点(Decision node),其主要功能是接受来自探测节点或情报节点的信息与感知态势,并就当前或将来其他节点的部署作出决策.指控网G是一个二元组有向网络,即:
式中:V=VD表示指控网络中决策节点集合,为非空有限集;E为VD之间指挥与控制关系.
体系作战超网模型是作战实体在物理域、信息域和认知域上的抽象,对一个具体的实体(虚拟的或物理的)而言,是同一个实体在不同网上的映射.将作战体系映射到超网中,是因为作战体系在不同网络内表现出了传统作战过程中没有表现出来的关系,例如信息化行动产生的影响、信息对认知的影响等.而体系作战超网模型中三层网络之间的关系在不同层之间表现出不同的特点,并且方向不同,效用也不尽相同.
1)交战网与信息网的网间关系.交战网中具有探测能力的节点将探测到的目标信息传递给信息网,这一类信息传递关系传递的是目标信息流.而信息网将接收到来自指控网中指挥员的决策信息传递至物理域的火力打击节点,这一类信息传递关系传递的则为指控信息流.
2)信息网与指控网的网间关系.信息网中的态势信息被认知层中的指挥员认知的过程,传递的信息流为态势信息流;同时指控网上指挥员在获取战场态势信息,再通过进一步的判断来形成决策,形成指控网对信息网的决策信息流.
体系作战超网的网间关系可用图2来描述.
图2 体系作战超网网间关系概念视图
指挥与协同的目的,是发挥作战体系的整体效能,实现战场自同步,使每个部队都能自动适应环境,根据整体态势和作战目标决定自己的行动,最终形成整体的作战效果.确定体系作战的指挥协同效果需要分析两个问题,一是体系作战指挥周期链的选取与分析,二是体系作战中协同对象的确定和效果分析.这两个问题都需要利用上面建立的体系作战超网模型对正式仿真演习记录数据进行抽取、计算和统计,从而得出比纯数学分析更加可信的“测量”结果.
美空军退役上校博伊德提出,战场上指挥员的理性指挥过程可用不断往复循环的“观察(Observe)、判断 (Orient)、决策 (Decide)、行动 (Act)”过程(OODA环)来描述.OODA环是一个严格的线性闭合环路,是决策并控制行动的过程,而且具有周期循环的特点.每次作战行动都可以看成是一个OODA循环过程,因此体系作战可以看成是用多个OODA环嵌套关联耦合的系统.现代战争的规律已经不是大吃小,而是快吃慢,作战行动的快慢受制于指挥决策的快慢,快的一方将占据主动.对抗双方均以己方指挥和作战周期制约敌方指挥与作战周期,快的一方将会不断打断对方的节奏.从OODA环理论可以看出指挥的时效性,即指挥周期对体系作战的重要性.
3.1.1 超网的指挥周期
指挥周期是指作战过程中完成OODA环的平均时间.对应于体系作战超网络,OODA环强调了一个跨域的回路,其中“观察判断”阶段对应侦察活动;“判断决策”阶段对应控制活动;“决策行动”阶段对应机动、侦察部署等活动;“行动观察”阶段对应交战与评估活动.基于OODA环的整个体系作战过程呈现出一定周期性,而这个周期性则可用于度量体系作战节奏.假设在OODA环中,完成“观察判断”“判断决策”“决策行动”和“行动观察”等各阶段作战任务所需平均时间定义为∆t1,∆t2,∆t3和∆t4,定义完成OODA作战过程环所需平均时间为作战指挥周期,则:
3.1.2 超网的信息交互节奏
体系作战指挥周期各时间段取决于不同因素,分别定义λd和λf是物理域上作战体系的机动部署节奏与交战节奏,λC2是认知域上作战体系定下作战决心和作战计划的决策节奏,λT则是信息域与物理域、认知域的交互节奏.OODA环各阶段的所需时间如图3所示.
则基于体系作战超网络的指挥周期表示为
需要注意的是,体系作战的指挥周期不是一个常量,而是随着作战进程与任务的不同而变化.从影响体系作战指挥周期的定义来看,部署节奏λd和交战节奏λf主要受装备性能约束,决策节奏λC2取决于指挥员的教育程度与培训经历等因素,相对统一固定;而信息交互节奏λT体现了网络化交互中信息共享及其知识效用,其相对变化容易且对指挥周期的影响更大,是决定指挥周期的关键因素,同时体现了信息域在跨域交互中的核心枢纽地位.
图3 OODA各个阶段所需时间
3.1.3 信息交互节奏分析方法
定义“超边”为超网模型中贯穿指控网、信息网和交战网的一条链路.首先,“超边”中仅有一个指控网节点,映射体系作战中指挥主体;其次,“超边”仅有一个交战网节点,映射体系作战中指挥客体;最后,“超边”中至少有一个或多个信息网节点,映射体系作战中各种信息.一条“超边”即为一个“标准打击链”(Standard strike link,SSL).“超边”的军事意义是指挥主体基于态势对指挥对象作战行动的一次指挥过程,用指挥过程的“超边”代表体系作战中信息的流转路径,超边的“时间长短”就可以用于度量信息交互的节奏.
1)“超边”的信息熵.在体系作战的超网模型中,一个完整的OODA作战环实际是由2条超边构成,2个作战环的超边之间共享信息域节点则意味着两者之间相互的信息交互.基于香农的熵理论,作战环必须能够在限定时间范围内对接收到的信息进行加工、处理和理解,进而产生可被应用的知识;否则,信息的利用价值将丧失.假设是作战环i处理信息允许的最大时延,定义为作战环在t时刻加工信息的速率,则此时作战环能够利用信息产生知识的能力为
单个作战环的信息加工与融合速度决定了感知信息转变为决策有用知识的程度.
超边的信息熵(知识效用)定义为体系超网中所有作战环产生知识的平均值,即为作战过程中对决策有用知识的总和
2)“超边”的信息路径.超边作战环的信息路径定义为网络中任意2个作战环之间信息连通能力的平均值,即
式中,γ为作战环i与作战环j之间可能的一条信息链路;N为整个信息网络中的作战环数量;Γi为网络中所有与作战环i相邻的作战环集合;Nij为网络中作战环i到作战环j之间所有可能链路的数量;dγ为链路γ上的作战环数量;Ki为归一化的作战环信息处理能力;(t)为链路γ的效率因子,满足01.作战过程中信息链路一般有多余,但使用短路径的概率要高一些.
3)超边的信息交互节奏.λi=CMiRQi单超边的信息交互节奏为单超边的信息路径与信息熵的乘积,即
4)超网的信息交互节奏.超网的信息交互节奏为体系作战中所有超边信息交互节奏的平均值
即体系作战超网模型的信息交互节奏λT可以用信息路径和信息熵来度量,其中信息路径代表信息共享程度,体现信息优势;信息熵代表信息的知识效用,体现了决策优势.
信息化战争中体系作战的效率主要取决于网络化信息交互,而信息交互节奏λT体现了体系作战超网络的跨域作战的指挥周期,因此,λT反映了体系作战中通过网络化交互加快指挥过程的程度.
“协同”是各种作战力量在行动上的协调配合,而体系自同步表现为多个作战行动过程的协调,这种协调可用多个作战环之间的同步来描述.作战环是由2条超边构成的回路.其中,2条超边的指控网节点与交战网节点相同,一条超边满足指控网节点直接与通信节点相连,另一条超边满足交战节点直接与探测节点相连,这样每个作战环都表示了一个OODA过程,如图4所示.因此,超网中作战环之间的同步反映了指挥协同的效果,可用来度量体系作战的自同步能力.
图4 体系作战超网中的作战环
3.2.1 基于作战环的协同动力学模型
Kuramoto于1975年提出的耦合振子同步模型是研究同步现象的经典模型之一,鉴于模型中描述振子状态量的相位量可归属4个象限,而Boyd提出的OODA指挥控制过程也基本对应4个阶段,国内外早有学者将Kuramoto模型应用于指挥协同领域的研究.体系作战环网络的协同动力学模型建立如下:
式中,网络中作战环节点i的时变状态可用相位参数θi(t)来描述,可建立相位值与OODA环之间的映射关系;网络中作战环节点的指挥周期为Ti=2πωi,代表了作战指挥的快慢程度(一般而言,它与作战节点获取、传输、处理以及应用战场信息的能力密切相关);作战环耦合强度c是体系作战环网络中连边的权值,它是作战环节点之间指挥控制及相互影响的度量;A=(aij)∈RN×N为体系作战作战环网络拓扑结构的邻接矩阵,若作战环i与作战环之间存在耦合关系,则aij=aji=1;否则
信息化战争条件下,体系作战中各作战实体之间交互的信息价值是随时间演化且呈现出非线性衰减特性的,而Kuramoto模型尚缺信息时效性维度,因此,必须对体系作战超网的协同动力学模型进行完善.
一般而言,当作战环节点之间状态差值较小时,作战环节点能够共同利用协同信息,此时信息的利用价值最大;而当作战环节点之间状态差值扩大时,相互之间的协同信息就失衡了,此时信息的利用价值也逐渐衰减.因此,在网络节点的动态特性上引入非线性限制衰减方程来反映战场态势信息的时效性与指挥作战状态差值的关系,其中λ是反映外部环境与节点处理能力的影响因子.此时,体系作战作战环网络的协同动力学方程为
可以看出,体系作战协同过程中影响超边之间耦合动力学性能的因素主要有3个:一是超边之间的耦合强度,即指挥主体的指挥权限和权力的差异将影响方程中作战环耦合强度c的变化;二是超边之间态势信息价值的非线性衰减,即态势信息的时效性;三是超边之间关联的邻接矩阵,即体系作战作战环网络的整体拓扑结构的变化.
3.2.2 作战体系的自同步分析方法
基于改进的协同动力学演化模型,分别用全局序参量、同步稳定时间来度量作战体系的指挥协同能力.
1)基于Kuramoto模型的复杂网络同步现象研究中,一般选择度量网络同步全局一致性的全局序参量[6−8]为
式中,参数0≤r(t)≤1,在一定程度上描述了网络中形成同步作战环数量占整个网络中作战环的比例,其测度的是整个作战体系随时间演化后的最终协同效果.r(t)=0说明整个作战体系中各作战环的作战节奏各异,没有形成作战合力;r(t)=1则表明作战体系所有作战环具有相同的作战步调.
2)对于体系作战作战环网络的全局序参量r(t),如果所有的t>Tsync,存在一个相当小的正实数常量σ,对于任意∆t>0,均能使σ成立,就称体系作战作战环网络达到同步稳定状态[9],而稳定同步时间Tsync是指体系全局达成同步的最短时间.
3)对于能力达到同步稳定状态的作战体系,定义其自同步能力即指挥协同能力Esync为
式中,r(Tsync)是全局序参量r在同步稳定状态的均值;Tsync是稳定同步时间;0<α<1是稳定同步时间对指挥协同能力的调节因子.
一般而言,如果信息化战争中作战环网达到自同步的作战环越多,且所需时间越短,说明能够步调一致地实施作战行动的作战力量越多,产生的作战效能也越大,其指挥协同能力也越强.
3.2.3 体系中作战环的互同步分析方法
全局序参量是从宏观与整体的意义上描述作战体系的协同效果,但如果仅仅立足于宏观层面(大尺度),只从体系作战的结果上分析其统计规律,常常只能看到战争的开始和结束,而容易掩盖实际作战指挥过程,从而很难发现宏观规律的机理和演化的过程[10].如r(t)度量的是作战网络的整体同步能力,无法解释作战实体之间以何种路径实现全局完全同步,缺乏对体系作战指挥的指导作用.因此,为研究体系作战同步的演化路径,定义一个局部序参量来度量不同节点对之间的协同相关系数[11−13]:
式中,ρij(t)是节点对之间相对初始状态的平均值,一般满足随时间单调递增,反映了相邻作战环共处同一步调的互同步性.随着作战体系自同步演化,部分相互连通的作战环之间实现同步从而形成作战环同步簇,同步簇之间进一步实现自同步从而达到体系的整体自同步.
复杂网络从无序演化到全局同步过程中,必然包含只有部分节点同步的中间状态,通过定义同步块数量Nc和最大同步块节点个数GC序参量来描述作战环互同步演化的中间状态:
1)作战环同步簇的数量即网络中达到同步的连通子集的数量:Nc.
2)最大作战环同步簇中作战环数量:GC.
作战环的互同步过程实际刻画了作战行动之间的配合关系,可为体系作战的协同计划提供量化评估依据.
开展信息化条件下体系作战的指挥与协同演化分析,就要分析作战体系的指挥链周期如何变化,以及作战体系在联合作战中协同效果如何.而基于正式仿真演习记录数据的挖掘、分析,是在和平年代研究和准备战争的最优手段[1].本文就某次红蓝对抗演习过程中采集的仿真数据,利用上述基于体系作战超网模型的指挥协同分析方法,从动态交互的角度对体系作战指挥协同效果和协同演化过程进行实证分析.
针对演习过程中采集的仿真数据,分别从第一、第二和第三训练阶段中抽取仿真时间为1d的数据进行实证研究.抽取每个训练阶段的数据,根据体系作战超网模型建立每个时间段的网络快照,红方的网络动态演化图如图5所示.
图5 红方作战环网络的演化图
根据体系作战超网络的动态演化图,分别统计红方网络结构的度分布及各个阶段的网络拓扑结构特征参数.红方网络结构的度分布如图6所示,呈现明显的幂律规律,证明作战体系超网络具有自组织演化特性.
红方作战体系在第一阶段、第二阶段和第三阶段中作战环网的结构特征参数如表1所示.其中,第二阶段的平均路径长度和网络聚集系数最小,表明此阶段作战行动更分散,信息交互更紧密;第一阶段的网络中心性指标最小,表明此阶段具有更高的网络中心性,即指挥控制权力的集中程度最高.这与演习的实际情况相符.
图6 红方网络结构的度分布
表1 红方作战环网的网络特征参数
根据体系作战协同动力学模型,对不同阶段体系作战超网络的自同步能力进行对比分析.红方作战环自同步能力如图7所示.
图7 红方作战环网的自同步能力图
红方作战体系在第一阶段、第二阶段和第三阶段中作战环网的结构特征参数如表2所示.其中,第二阶段的平均路径长度和网络聚集系数最小,表明此阶段作战行动更分散,信息交互更紧密;第一阶段的网络中心性指标最小,表明此阶段具有更高的网络中心性,即指挥控制权力的集中程度最高.这与演习的实际情况相符.
表2 红方体系作战超网络自同步演化参数
图8 红方作战环网的互同步能力图
从图8和表2可以看出,红方达到同步所需时间最短的阶段为第一阶段,因为此阶段大多为预先计划行动;而作战体系同步程度最大、整体协同能力最强的阶段为第二阶段,但它的同步时间相对滞后.
针对红方作战环之间互同步能力大小,利用SAS-JMP 10.0工具对所有作战环进行聚类分析.其中,颜色越深代表互同步时间越短,相反,颜色越浅代表互同步时间越长(白色最长).红方在3个阶段作战环之间互同步能力结果如图8所示.可以看出,第一阶段各作战行动间有序且互同步时间最短,而第三阶段各作战行动间协调相对混乱,互同步时间最长.
对比上述指挥协同能力的实验结果分析,可以得出如下结论:
1)在第一阶段,红方各参战部队的任务均比较明确,协同时间最短;基本作战行动间协调迅速,其协同能力比较强,符合按计划协同的特点.
2)在第二阶段,红方同步程度最大,但同步时间相对滞后;主要作战行动间协调迅速,符合分布式作战指挥特点.
3)在第三阶段,红方同步程度最低,同步时间最长;出现许多作战行动间协调滞后,说明第三阶段协调相对混乱.
分析表明,3个阶段的同步能力及演化结果很好地体现和解释了各阶段所担负的作战任务及作战特点.从而验证了本次所研究的建模方法的合理性与可行性.可以看出,作战体系的同步能力在很大程度上决定了战争的成败,而同步能力的相对大小与指挥权限、信息演化价值和网络拓扑结构又密切相关,指挥员必须根据当前战场态势灵活决策,不断提升作战体系的整体协同能力.
通过对作战体系的超网建模、同步演化模型分析和基于仿真数据的实例研究,可得出以下启示.
1)采用三层超网建模更符合作战体系的特点.引入超网理论对体系作战的指挥协同机理分析研究,是一种理论和方法可行,并值得高度重视的方法.可采用单独研究交战网、信息网、指挥网的演化规律,并可根据超边、作战环来研究跨网、跨域的作战过程.
2)作战体系的指挥周期可根据超边来研究.通过跨网跨域的节点关系,建立指挥周期模型;通过测量特征信息路径,可得到动态的周期变化.
3)作战体系协同可以通过作战环同步程度度量.利用超边构建作战环,建立体系作战同步模型,通过测量全局自同步与互同步时差,可以度量体系同步的动态演化效果.
以上介绍了我们在体系作战指挥与协同机理分析方法研究方面的初步尝试,通过研究认为,要想解决复杂体系的能力及效能评估问题,就必须抛弃传统的套路和方法,采用新的理念和手段.简而言之,就是要做到:合起来“看”,即用超网的视角来“看待”体系;动起来“测”,即利用实际仿真演习数据进行体系演化规律的“测量”;抗起来“评”,即评估方法必须反映出体系的“整体、动态、对抗”特点.