基于复杂网络的武器装备体系研究现状

李　锴， 吴　纬

(1. 装甲兵工程学院技术保障工程系， 北京 100072； 2. 北京特种车辆研究所， 北京 100072)



基于复杂网络的武器装备体系研究现状

李锴1， 吴纬2

(1. 装甲兵工程学院技术保障工程系， 北京 100072； 2. 北京特种车辆研究所， 北京 100072)

武器装备体系(System-of-Systems，SOS)研究的关键是对体系中装备实体及实体间复杂的指挥决策、作战控制与协同、信息连通与信息保障等关系进行准确描述。从体系的内涵出发，总结了体系及武器装备体系的内涵和主要特性；从复杂网络(Complex Network，CN)的建模方法、拓扑结构和动态演化3个方面综述了武器装备体系的研究现状；并展望了下一步的研究方向，为深入研究武器装备体系提供参考。

体系； 武器装备体系； 复杂网络

网络中心战(Network Centric Warfare，NCW)于1997年4月在美国海军年会上被首次提出，从平台中心战(Platform Centric Warfare，PCW)转变为网络中心战是现代军事的飞跃。网络中心战充分强调作战中心由平台转向网络，通过信息网络实现战场信息的获取、处理、传输、存储和分发等，参战人员共享战场态势，从而提高了体系作战指挥的效能[1-2]。体系作战是在一体化联合作战背景下，在网络中心战的基础上提出的。在体系作战过程中，各种武器平台和武器装备系统通过信息系统与技术构成武器装备体系，各种作战资源(尤指信息资源)得到充分的共享利用，侦察预警系统、指挥控制系统、火力打击系统和综合保障系统协同合作，出现了信息战、网络战、电子战以及太空战等多种形式的体系对抗作战模式[3]。在多维立体的战场空间中，体系对抗的进程或胜负结果不仅取决于武器装备体系的组成元素，而且还取决于各元素的结构形式和相互关系[4]。研究武器装备体系中复杂的指挥决策、作战控制与协同、信息连通与信息保障等关系，对认清武器装备体系的功能结构和信息结构，评估武器装备体系作战能力、作战效能或任务完成效果具有重要意义，同时可为武器装备体系下一步的发展提供借鉴。

近年来，复杂网络(Complex Network，CN)理论研究取得了突破性进展[5]，将网络研究和复杂性有机结合起来，通过统计物理、仿真模拟和动力学演化等方法来研究复杂网络的本质特性，并广泛地应用于体系研究中，也取得大量的研究成果[6-7]。笔者从体系、武器装备体系的内涵及其主要特性出发，对相关研究成果进行综述，为武器装备体系的进一步研究提供参考。

1　体系的内涵及其主要特性

1.1体系的内涵

体系(System-of-Systems，SoS)的概念首次由Eisner等[8]在研究多系统集成问题时提出。20世纪90年代初，体系的概念在信息系统、系统工程和人工智能等领域逐渐发展起来，许多学者对体系的组成、内涵、类别和应用等进行了研究，取得了许多成果[9-11]。由于体系应用领域广泛，不同研究领域的学者均给出了相应的定义，因此关于体系没有统一的定义，但是各个定义在本质上并无差别。谭跃进[12]定义体系为基于统一的标准，将一组地理分布广泛且具有独立功能的系统集成为能完成单个系统所无法完成特定目标的新系统。胡晓峰[13]定义体系是由2个或2个以上已存在的、能够独立行动实现自己意图的系统组成或集成的具有整体功能的系统集合。Maier[14]认为体系是包含元素行为独立性、元素管理独立性、元素地理分布性、体系涌现性和体系演化性的复杂巨系统。文献 [15-16]作者对40多种体系定义进行了总结，得出体系具备独立性(autonomy)、隶属性(belonging)、相关性(connective)、多样性(diversity)和涌现性(emergence)5个特点。在军事领域，比较典型的定义是Johnson[17]给出的定义：体系是一个应用于网络中心战的超系统，它由许多功能独立的复杂系统构成，这些复杂系统为完成共同的目标相互依赖、协同行动。

1.2体系的主要特性

目前对体系并无准确、严格的定义，但是在不同领域体系表现出一致的特性[5-9,14-18]，对其主要特性进行归纳，具体如表1所示。

表1　体系的主要特性

2　武器装备体系的内涵及其主要特性

2.1武器装备体系的内涵

据粗略统计，国内外关于武器装备体系的定义有10余种。卜广志[3]认为武器装备体系是为满足一定的作战需求，依据作战规律，由多种武器和装备系统按照特定结构组成的功能整体；杨克巍等[19]认为武器装备体系是为发挥最佳的整体效能，依据一体化作战规律，由功能上相互联系、性能上相互补充的各种武器装备系统，按照一定的体系结构综合集成为更高的武器装备巨系统；李仁传等[20]认为武器装备体系是为面向作战需求，由功能上相互联系和相互作用的多个武器装备系统组成的更高层次的有机整体；陈文英等[21]将武器装备体系定义为在不确定环境下，为完成特定的使命或任务，由大量功能相互独立、操作交互的武器装备系统按照特定方式构成的更高层次的系统。

笔者定义武器装备体系为在一定的战略指导、军事指挥和综合保障的前提下，为完成一定的使命任务，按照作战规律，将一定数量、不同种类与型号的主战装备、电子信息装备和保障装备等武器装备系统，通过信息系统与技术有机综合集成起来的一个功能整体。

从本质上来讲，武器装备体系的核心是各类武器装备系统，该定义强调武器装备体系的作战应用，即武器装备系统的编配部署或性能改进对使命任务完成的影响。武器装备体系按编制系列可分为全军武器装备体系、军兵种武器装备体系和战区武器装备体系；按层次结构或作战功能可分为战略层次的武器装备体系、战区/战役层次的武器装备体系和战术/作战单元的武器装备体系；按作战任务和战斗编成可分为装甲突击装备体系、航母编队作战装备体系、野战防空作战装备体系和远程精确打击装备体系等。

2.2武器装备体系的主要特性

基于信息系统的武器装备体系最大特点是军事技术实现纵横双向一体化集成，即战场信息实时化、武器装备智能化、指挥控制一体化、作战系统网络化及信息火力一体化[22-23]，其特性突出表现在如下5个方面：

1)元素信息化。采用现代信息技术、战场信息优势和全频谱能力控制，需要实现持续的信息获取，快捷的信息传输、准确的信息内容和较小的处理延迟，以更快速度和更高质量地对战场空间进行感知和判断。

2)功能集成化。即在武器装备体系中，情报侦察、预警探测、信息传输，指挥控制、机动作战、火力打击和综合保障(作战、装备和后勤保障)等各种复杂要素高度集成化；武器装备实现功能融合，武器装备体系效能涌现明显。

3)指控扁平化。即在武器装备体系中，指挥控制系统的各元素通过指挥决策、作战控制与协同和指挥保障彼此连接，构成一个多层次的指挥控制网络。指挥控制网络扁平化减少了指挥层次，简化了指挥控制链路。

4)结构网络化。即武器装备体系以“网络为中心”，其元素既能按照各自的职能独自行动，又可通过指挥决策、作战控制与协同和信息连通与信息保障彼此连通，实现信息共享和行动协同，构成以信息化武器装备为节点的复杂网络。

5)信息火力一体化。即武器装备体系对战场态势具备实时感知能力，由侦察预警系统融合成战场信息，并通过共享平台传递给各武器装备系统，指挥控制系统和火力打击系统协同合作，迅速完成目标打击任务，突出表现为信息火力一体化。

3　基于复杂网络的武器装备体系

3.1复杂网络

近年来，随着复杂网络理论及其应用研究的不断深入，人们开始尝试利用这种新的理论来研究现实中的大型复杂系统问题。复杂网络模型研究主要经历了规则网络(Regular Network)、随机网络(Random Network)、小世界网络(Small-world Network)和无标度网络(Scale-free Network)4个阶段。规则网络和随机网络为抽象的理论网络，现实的复杂网络一般具有小世界和无标度特性。为了表征复杂网络的特征，相关学者提出了许多特征量，主要有度与度分布、平均路径长度、聚类系数、介数、连通度、网络结构熵、特征谱、度秩函数和网络效率等[24-25]。典型复杂网络的相关特征如表2所示。

目前，主要从如下3个方面对武器装备体系进行研究[26]：

1)基于武器装备体系自组织、自适应和涌现性等宏观特性，采用小世界模型、无标度模型以及混合模型构建武器装备体系网络模型；

2)通过仿真模拟方法研究武器装备体系网络的拓扑特征，考察武器装备体系网络的抗毁性、鲁棒性和可靠性等特性，进一步得到实际武器装备体系的相关特性；

表2　典型复杂网络的相关特征

3)从复杂网络的自适应、自协同特性出发，充分考虑装备的故障损伤、维修保障等问题，分析武器装备体系动态演化性，对整个武器装备体系的动力学行为进行分析研究。

3.2基于复杂网络的武器装备体系建模

传统的作战模型研究方法主要有Lanchester方程法[27]、Monte Carlo法[28]和指数法[29]，这些方法所构建的模型虽然简单，但无法体现武器装备体系的自组织、自适应和涌现性等一系列复杂特性。复杂网络是具有复杂拓扑结构和动态演化特性的大规模网络，基于复杂网络的武器装备体系建模可对各武器装备系统间的协同关系和动力学行为进行综合研究，不仅可刻画武器装备系统个体，而且可对武器装备体系整体的复杂性及涌现性进行描述[30]。基于复杂网络的武器装备体系建模的主要过程如图1所示，其主要通过给定武器装备体系网络拓扑结构的生成演化规则进行研究。

图1　基于复杂网络的武器装备体系建模的主要过程

1)明确体系网络建模需求。即分析武器装备体系的建模需求，确定武器装备体系网络建模的单元数目、颗粒度大小、层次划分和边界条件等相关问题。

2)体系网络宏观性质分析。即基于复杂网络理论，分析武器装备体系的自组织、自适应和涌现性等宏观性质，明确武器装备体系网络建模的目的和方法。

3)体系网络节点和边定义。即基于武器装备体系的宏观性质，定义复杂网络中的节点和边，确定节点和边的类别、性质，分析节点间的逻辑关系。

4)明确体系网络演化规则。即基于武器装备体系的宏观性质分析结果和武器装备体系动态同步等动力学特性，定量分析武器装备体系中节点间的复杂关系，确定武器装备体系网络的生长机制。

5)体系复杂网络模型建立。即依据演化规则生成武器装备体系网络模型，分析模型性质，并与武器装备体系宏观性质进行比较，改进网络模型中节点和边的定义。

6)体系网络模型校验与完善。即统计分析武器装备体系网络模型的性质，同时对网络演化规则进行改进和校验，深入研究武器装备体系网络模型的可行性和有效性。

7)体系网络模型应用与改进。即应用武器装备体系网络模型分析实际武器装备体系的自组织、自适应和涌现性等复杂特性，依据实际武器装备体系的数据和性质改进武器装备体系网络模型。

武器装备体系网络建模的核心内容是在分析武器装备体系宏观特性的基础上，明确体系网络中节点和边的定义，确定体系网络演化规则。依据复杂网络理论，通过建模分析武器装备体系特性，并通过武器装备体系网络性质来表征实际武器装备体系的复杂特性。

3.3基于复杂网络拓扑结构的武器装备体系

利用复杂网络理论分析现代战争机理时，通常将武器装备体系抽象为图G=(V,E)，节点集合V={v1,v2，…，vn}，代表战场空间中的装备实体，如侦察预警装备、武器平台和指挥控制中心等；有向边集合E={e1,e2，…，en}，代表装备实体之间的信息流、物质流和能量流，以及装备实体间各种指挥控制、作战控制与协同、信息连通与信息保障等关系，如指挥控制系统与火力打击系统间的指挥决策、作战控制与协同关系。这样，整个战场空间的装备实体及实体间的交互关系就组成了一个复杂网络。图2、3分别为平台中心战和网络中心战的网络拓扑结构示意图。

图2　平台中心战网络拓扑结构示意图

图3　网络中心战网络拓扑结构示意图

利用复杂网络理论研究武器装备体系时，首先要建立符合实际的武器装备体系拓扑模型。Cares[31-32]于2004年首先将复杂网络引入战斗模型建模中，并首次提出作战环的概念，用复杂网络邻接矩阵的P-F特征值来度量网络的效能；谭跃进等[33]在Cares的基础上，给出了武器装备体系网络化描述与建模方法，并提出了作战环综合评价指数的概念；陈丽娜等[34]将传统的作战树网络和随机网络相结合，构造了网络化战争的网络拓扑结构模型；Dekker[35]从复杂网络的拓扑结构出发，重点考察了网络的平均路径和整个体系的关系；张强等[36]提出了基于复杂网络的防空反导系统的网络模型，对网络模型的拓扑结构进行了深入分析；朱刚等[37]针对武器装备体系的复杂性和网络化趋势，提出了以目标为中心的武器装备体系模型；王步云等[38]采用复杂网络方法建立了水面舰艇编队反舰作战的网络模型，并采用遗传算法对网络结构进行了优化；王飞等[39]基于超网络理论提出了武器装备体系的一种网络化概念模型，利用该模型可对体系中的多种动态、静态因素进行有效描述。

武器装备体系效能评估是武器装备体系研究的重点内容之一，主要评估方法有主观评定法、统计分析法、数学解析法和仿真模拟法等，主要内容包括武器装备体系的可靠性、鲁棒性和抗毁性以及武器装备体系中元素的重要度等。江式伟等[40]提出了一种基于时间Petri网流程分析的武器装备体系可靠性建模和评估方法；陈晔等[41]针对复杂网络的拓扑结构和鲁棒性进行了研究，并对典型分层复杂网络舰艇编队进行了仿真；Ender等[42]利用Surrogate模型对弹道导弹防御体系进行了建模，并采用仿真方法进行了效能评估；张勇等[43]基于复杂网络中节点的重要度方法，提出了武器装备体系的重要度评估模型；路建伟等[44]建立了基于无标度网络的防空反导体系模型，并对其鲁棒性和抗毁性进行了研究；于桓凯等[45]建立了基于复杂网络的武器装备体系结构模型，并进行了仿真分析和效能评估；钟季龙等[46]提出了一种兼具无标度和小世界特性的混合模型来描述武器装备体系，并对该武器装备体系结构可靠性进行了评估；Guariniello等[47]提出了复杂网络相关性的计算方法，并应用于武器装备体系中；罗小明等[48]构建了基于不确定性自信息的防空反导装备体系作战的网络结构模型和评估指标体系；李际超等[49]通过比较有向自然连通度与Laplace矩阵谱半径2种抗毁性测度指标来研究体系网络的抗毁性；曹强等[50]基于复杂网络理论提出了基于矩阵运算的武器装备体系能力评估方法。

3.4基于复杂网络动态演化的武器装备体系

基于复杂网络拓扑结构和自适应、自协同理论，采用仿真模拟法(如数值模拟法、模拟试验法、探索性建模与分析方法、基于Agent和复杂网络的仿真建模方法等)来研究武器装备体系的动态演化性，重点考察基于不完全信息条件下，体系对抗中随机攻击和蓄意攻击对武器装备体系动态演化的影响。

王长春等[51]提出了基于复杂网络的体系破击仿真分析方法，建立了考虑信息因子和破击能力的破击新模型；胡晓峰等[52]提出了基于作战环的体系同步模型，定义了表征同步的全局序参量和局部序参量；张强等[53-54]设计了择优演化和随机演化2种网络动态演化模型，并采用仿真方法验证了模型的有效性；温睿等[55-56]建立了加权拓扑模型来动态模拟体系的演化生长，反映出体系具备自相似性；谭东风[57]提出了统一表示交战行为与协作行为的网络随机战斗模型，并进行了效能评估；金伟新等[58]运用仿真模拟法探索了在信息化作战下体系拓扑的连接机制和分布规律，发现该分布是由δ分布、指数分布和幂律分布混合而成的；王华等[59]提出了一种复杂网络下的混合模型，对武器装备体系结构的增长和演化进行了描述；张凤琴等[60]利用动态调整策略提出了装备能力优先的体系复杂网络演化模型，并对网络的鲁棒性进行了研究；白亮等[61]提出了控制环和行动节奏的概念，对体系对抗间效能的差异进行了刻画，并提出了体系网络的效能指标；田旭光等[62]基于复杂系统重点研究了边的修复策略和结构重组策略，建立了自适应的重构模型；徐玉国等[63]提出了描述维修保障组织结构的多元加权网络模型，并给出了5个特征量。

4　研究展望

笔者在总结体系的概念和特性并给出武器装备体系定义的基础上，利用复杂网络理论，从体系网络的模型建立、静态分析和动态演化3个方面对武器装备体系的研究进展进行了综述。随着复杂网络理论研究的不断深入，武器装备体系的研究取得了大量的成果，但是仍然还存在许多问题需要进一步研究，展望基于复杂网络的武器装备体系的未来研究方向，主要有如下3个方面：

1)探索复杂网络理论的各种拓扑性质，为研究武器装备体系提供理论支持，重点是在武器装备体系的结构设计、优化和效能评估等方面；

2)在武器装备体系拓扑结构建模中，构建节点、加权有向边的复杂网络，研究网络中信息流、物质流和能量流的传播机制和算法，为提高武器装备体系效能提供理论支持；

3)基于武器装备体系动态演化特征，运用仿真模拟法，研究提升武器装备体系效能及抗毁性，以及破击对手作战体系的主要方法，提高武器装备体系的对抗能力。

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(责任编辑: 王生凤)

Research Status of Weapon Equipment System-of-Systems Based on Complex Network

LI Kai1, WU Wei2

(1. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072, China)

The key of the research on weapon equipment System-of-Systems (SoS) is to accurately describe the equipment entities in the SoS and the complex relation among the command decision, combat control and coordination, information connectivity and information security. In this paper, the connotation and main characteristics of SoS and weapon equipment SoS are summarized, the research progress on weapon equipment SoS from three aspects of network modeling, topology structure and dynamic behavior based on complex network theory are discussed. Finally, the future research direction is forecasted, which provides a reference for further study on weapon equipment SoS based on complex network.

System-of-Systems(SoS); weapon equipment SoS; complex network

1672-1497(2016)04-0007-07

2016-04-27

军队科研计划项目

李锴(1990-)，男，博士研究生。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.002