基于动态调整的C4ISR系统结构灵活性分析

张萌萌，陈洪辉，罗爱民，刘俊先（国防科学技术大学信息系统工程重点实验室，湖南　长沙410072）

基于动态调整的C4ISR系统结构灵活性分析

张萌萌，陈洪辉，罗爱民，刘俊先
（国防科学技术大学信息系统工程重点实验室，湖南长沙410072）

当前网络和信息技术的发展为C4ISR（co m mand，control，co m m unication co m puter，intelligence，surveillance，reconnaissance，C4ISR）系统的灵活性提出了更大的挑战。灵活性存在于C4ISR系统的多个方面，其中结构灵活性是系统灵活性的支撑。首先明确了系统结构灵活性的基本内涵，然后采用OPDAR（observer，processor，decision，actor，relationship）模型构建系统结构，改进并应用了制造业中车间-产品模型的灵活性分析思想，提出基于动态调整的C4ISR系统结构灵活性分析方法。最后对两种联合防空系统的系统结构进行灵活性分析，证明了方法的可行性。

C4ISR系统；结构灵活性；OPDAR模型；动态调整

网址：www.sys-ele.com

0 引 言

C4ISR系统是以计算机为核心，具有指挥控制、情报侦察、预警探测、通信、电子对抗和其他作战功能的指挥信息系统［1］。当前，随着战场形势的瞬息万变，C4ISR系统正面临着越来越难以应对的挑战。这种挑战包括系统所处环境的复杂性、任务的多样性、结构的动态变化性等等，它们使现代战场敌我双方的作战行为越来越呈现多样化、动态化与复杂化的特点。这些变化为C4ISR系统的灵活性提出了很高的要求。

灵活性是指系统适应任务或环境变化的能力，表现在C4ISR系统的多个方面：业务流程是否可动态组织；系统要素和系统资源是否可动态配置；系统功能是否具有多样性；系统结构是否松耦合；系统是否方便接入或退出；系统是否具有良好的机动与响应性能等等。

结构灵活性是C4ISR系统灵活性的主要支撑。系统结构由系统单元与单元之间的关系组成，其中系统单元支撑作战活动的执行，单元关系表示系统单元之间信息传递的关联方式，包括情报类关系、指控类关系、协同类关系等。

系统结构的组成方式与复杂程度直接影响到C4ISR系统灵活适应任务变化的能力。在系统设计过程中，需要采用一种分析系统结构灵活性的理论方法，从系统结构层面定量分析C4ISR系统的灵活性。

本文首先明确了C4ISR系统结构灵活性的概念内涵，然后分析采用OPDAR模型对系统结构进行建模，进而借鉴制造业中车间产品模型灵活性分析过程，提出C4ISR系统结构灵活性计算步骤与思路，最后通过区域联合防空系统案例说明方法的可行性。

1 C4ISR系统结构灵活性

当前灵活性的研究存在于化学、制造业、建筑学、企业、软件、社会等领域。尽管灵活性普遍被认为是一种适应变化的能力，但是由于不同的学科从不同的角度去理解灵活性，至今对灵活性概念的理解仍然很模糊。

制造业领域的灵活性一般从制造部门适应产品需求量动态变化的生产灵活性展开［2-6］。根据车间生产产品的生产结构，Jordan［3］，Iravani［5-6］等人采用图论最大流算法或排队论方法分析产品需求量发生变化时车间适应变化的能力。

企业领域的灵活性是指业务流程适应外部环境动态变化的能力［7-8］。通过对业务流程的优化（business process optimization，BPO）或业务流程的重组（business process reengineering，BPR）等研究，对现有的业务流程进行彻底的再思考和根本的再设计，以达到灵活适应用户需求的目的。

软件领域的灵活性指软件适应用户需求动态变化的能力［9-10］。通过软件结构设计、模块设计、面向对象设计、软件架构、设计模式以及基于组件的工程等方面［9］的研究，以达到软件更易于设计、更易于维护和更鲁棒的目标［10］。

C4ISR系统结构灵活性研究的文献较少，大多从系统结构的鲁棒性［11］或抗毁性［12］的角度展开，但鲁棒性或抗毁性多从作战的角度模拟敌我双方场景的改变，而灵活性不仅需适应战时作战环境的动态变化，而且需适应平时内部环境的可能变化。本文在综合现有文献关于灵活性定义的基础上，从我方系统静态结构适应变化的角度出发，给出C4ISR系统结构灵活性的定义。

定义1 C4ISR系统结构灵活性。为应对外部环境以及C4ISR系统内部发生的各种变化，系统结构动态调整，并保证任务继续执行以实现最终目标的能力。

灵活的C4ISR系统结构是指能够尽可能考虑到未来任务或环境变化的多种可能情况，并且将这些变化能够尽可能的反映在设计好的系统结构中，从而使设计出来的系统结构能够在将来的运行过程中避免重新设计。本文针对已构建完成的系统结构，参考其他领域的灵活性分析思路，提出基于动态调整的灵活性分析方法。

2 系统结构的OPDAR模型

结构模型的选择决定构建的系统结构的优劣。当前的系统结构模型有OODA［13］、SDIT［14］、SPC T［15］等等，但它们都旨在模拟打击双方的效能，忽略了对自身结构深入的分析。本文采用文献［16］提出的OPD A R模型构建C4ISR系统结构，其中O代表情报获取单元，主要负责获取作战空间内敌我双方的各种情报；P代表情报处理单元，主要负责对获得的情报进行处理，生成决策所需的情报态势；D代表决策控制单元，主要负责生成作战方案，对下级单元进行指挥控制；A代表响应执行单元，主要负责实施具体的作战行动。

R代表系统单元间的信息关系，蓝羽石等人［16］把系统结构中存在的关系类型分为以下3类。

第1类 情报类关系。情报类关系传递的信息包括通过侦察、监视探测装备获取的原始信息，以及通过情报处理产生的综合后的情报态势信息。关系实例包括O-＞A，O＞P，O-＞D，P-＞A，P-＞D，P-＞P。

第2类 指控类关系。指控类关系传递的信息指指挥机构用于指挥或控制隶属部队、武器装备等过程中产生的信息。关系实例包括D＞A，D-＞P，P-＞O，D＞D，P＞P。

第3类 协同类关系。协同类关系传递的信息指各类系统单元将自身及周边环境状态上报或与友邻共享所产生的信息。关系实例包括A-＞P，P-＞A，A-＞D，D-＞A，P-＞D，O＞P，P＞O，D-＞D，P＞P，A＞A，O＞O。

图1是一个简单的OPDAR模型，根据各单元的情报层层上传，指令层层下达，以树形方式完成任务的执行。

图1 OPDAR模型举例

蓝羽石［16］认为单元与关系的组合形成的信息流在一定程度上反映任务的执行，因此把任务类型分为以下3类。

第1类 情报类任务。通过对情报类信息的传递、处理等操作完成的任务。任务实例包括O-＞A，O-＞P-＞A，P＞D，O-＞P-＞D，O＞D，O＞P，P＞P。

第2类 指控类任务。通过对指控类信息的传递、处理等操作完成的任务。任务实例包括D-＞A，D-＞P，D-＞P-＞O，P-＞O，D-＞O，D-＞D，P-＞P。

第3类 协同类任务。通过对协同类信息的传递、处理等操作完成的任务。任务实例包括D＞D，P＞P，A＞A，O＞O。

3 基于动态调整的结构灵活性分析方法

结构灵活性的分析是以系统结构适应任务结构变化的程度为突破口。研究对象是系统结构，适应的变化是任务结构的变化，任务结构代表了完成系统任务的处理方式，即单元与关系的不同组合。针对构建好的OPDAR结构，分析结构对变化的适应能力，进而为系统结构的优化提供输入。

参考国内外对灵活性分析相关文献，本文从同类作战单元中某些单元完成的任务量发生变化时，系统结构对这些单元的任务进行灵活调整的能力的角度进行分析。

3.1车间产品模型

本文基于动态调整的灵活性分析方法主要源于制造业中的车间-产品模型。文献［5］认为灵活性是指产品需求变化不是很大的情况下，动态分配车间生产的产品数目，达到适应市场需求变化的目的的能力。方法思想是根据车间的生产能力以及车间的资源数构建车间与产品生产结构，得到不同产品间动态调整的不相重合的路径数，进而得到产品的动态调整路径数矩阵，分析矩阵的平均特征值，即认为是生产结构的灵活性。

一个简单的车间-产品模型如图2所示，其中S代表车间的资源数，分别为1，1，1；D代表产品的需求数，初始值分别为1，1，1，但由于产品需求的变化，D1变为0.5，D2变为1.5，D3仍为1。

图2车间-产品模型

计算D1与D2之间完成任务的灵活调整能力时，根据图论中的最大流算法，图2右图中存在2条不相重合的路径（D1＞S1＞D2，D1＞S3＞D3＞S2＞D2）可以把D1减少的0.5需求量转移给D2，使其满足变化之后的需求，图中虚线与实线分别代表不相重合的2条转移路径，表示车间动态调整不同产品生产量的2个策略，此时便认为D1与D2之间动态调整值为2，同理，D2与D3之间、D1与D3之间的动态调整值均为2。

当计算D1、D2或D3自身的动态调整值时，由于产品1，2，3分别由2个车间进行生产，所以认为D1、D2、D3自身的动态调整值也为2，表示为生产相应产品的车间数目，这样得到产品动态调整矩阵为

其中，矩阵的行和列分别表示产品1、产品2、产品3，矩阵内的值表示对应产品之间动态调整的值。最后，通过计算矩阵的平均特征根得到图2结构的灵活性为2。

3.2 基于动态调整的系统结构灵活性分析方法

制造业中计算车间产品模型的灵活性方法主要包含3个基本特点：车间与产品之间的关系为生产能力；涉及的数据包括车间生产产品的种类与数目、产品的需求量；动态调整蕴含在车间-产品的两列结构中（车间列、产品列），即任务的完成只经过一条关系。

考虑到O P D A R 系统结构与车间-产品生产结构的相似性，在C4ISR系统结构领域应用车间-产品模型进行分析，同时需要针对车间-产品模型的特点加以改进。

（1）以系统单元间的执行能力代替车间生产产品的生产能力，采用父节点分配不同任务量给子节点执行代替车间生产不同种类的产品数目。

（2）父节点分配的任务量与子节点完成的任务量在C4ISR系统中无法直接给出，假设系统结构单元之间传输需求是满足的，并且认为父节点分配的总任务量与子节点完成的总任务量无论如何是相等的，因此认为在系统结构中同类单元中的某些单元之间只要通过父节点连通，就认为它们是可以动态调整的。

（3）OPD A R系统结构中包含情报、指控、协同3类任务，每类任务的执行都可能是多个单元与多条关系的组合，这时必然会出现多列结构完成某种任务，多列结构的计算方法可以认为是两列结构的延伸，因此需要对算法做进一步改进。

由上述分析可知，在C4ISR系统结构领域应用车间-产品模型的灵活性分析方法是可行的，这样既符合系统结构的特点，又从静态结构蕴含的动态适应能力的角度而不是按照鲁棒性、抗毁性等指标从模拟敌方打击的角度进行分析，具有预先应变的能力。

应用动态调整思想时，应对情报、指控、协同等同一类别的任务单独展开分析，认为只要不同的系统单元（如不同的单元P）完成的任务是同类任务，就存在任务调整的可能，并且存在同一个父节点连通，它们之间就可以进行动态调整。下面针对完成任务时系统结构中出现的多列结构，分析对应的解决方法，最终完成车间-产品模型到系统结构的转换。

多列结构时，本文提出按照与任务结束单元的距离由近到远依次分析每条转移路径的调整值；并认为每条路径的调整值为路径中每条关系的灵活性的乘积；由于关系可能使用多次，关系的灵活性与关系的使用次数成反比，初始值是1，这样可保持与两列结构的计算方法1致。

方法通过图3进行说明。图3为完成情报类任务的多列结构，可以分析该结构的情报类任务的灵活性。当分析D1与D2之间的动态调整值时，首先D1与D2完成的任务可以由P2动态调整（D1＞P2＞D2），关系的灵活性均为1，该路径的动态调整值为1；也可以由P1动态调整（D1＞P1＞D2），关系的灵活性均为1，该路径的动态调整值也为1；也可以由O1动态调整（D1＞P1＞O1＞D2），此时由于第2次使用关系P1＞D1，P1＞D1关系的灵活性变为0.5，路径中其他关系的灵活性仍为1，则该条路径的动态调整值为为0.5，这样得到D1与D2之间的动态调整值为2.5（3条转移路径求和）。同时，由图可知D1自身的动态调整值为2（2条不同关系可达），D2自身的动态调整值为3（3条不同关系可达）。因此可得到多列结构的动态调整矩阵。

图3 多列结构举例

总之，当完成的某类任务未出现多列结构时，可直接按照车间-产品模型的方法进行分析；当完成的任务包含多列结构时，按照图3的过程进行分析。这样可遍历系统结构中出现的多种任务包含的多种情况，完成车间-产品模型到系统结构的转换。

3.3 灵活性分析步骤

根据O P D A R系统结构特点，基于动态调整的灵活性分析步骤主要分为以下3个步骤。

步骤1 遍历系统结构中所有类型的单元（O，P，D，A），以某类型的单元为研究对象，遍历得到以该类型单元为任务结束单元的所有类型的任务，以该类型单元完成的某类任务为研究对象。

步骤2 根据该类单元完成该类任务经过的单元与关系提取出对应的系统子结构，得到如图3所示的完成单一类型任务的系统结构。利用本文提出的动态调整方法，计算系统子结构的灵活性，表示该类单元完成的该类任务的灵活性。

步骤3 同理，计算得到所有类型的单元完成所有类型任务的灵活性，求和所有类型的单元完成的某类任务的灵活性，即为系统结构完成该类任务的灵活性，求和所有类型任务的灵活性，即为系统结构的灵活性。

图4表示所有类型单元完成的所有类型任务的各种情况，根据各种情况对应的任务实例，求得所需的灵活性数据。

图4 动态调整实例

4 案例研究

本文以联合防空为想定设计具有不同特征的联合防空系统结构，然后根据上文提出的灵活性分析方法，对比分析这些具有不同特征的系统结构的灵活性，并得出结论。联合防空任务包括：具有防空任务的雷达旅团发现敌目标入侵时，立即组织航空兵和地防部队联合行动，对敌目标进行拦截驱逐。

4.1 系统结构构建

本文基于联合防空系统任务，设计了如图5所示的树形化系统结构（称为系统结构1）和如图6所示的扁平化系统结构（称为系统结构2），这两种结构均能够满足联合防空任务要求。

系统结构1中，首先情报通过雷达单元上报到情报融合中心单元形成综合情报，继续上传给前指单元进行决策，然后形成计划、命令等信息层层下发，最后武器系统单元进行火力打击。

系统结构2在结构1的基础上，添加了越级指控、态势共享等扁平化因素，使系统结构呈现出网络化特征。主要通过以下4个方式添加。

方式1 同类节点形成环，表明同类节点之间可以动态协同及信息共享，表现在图6中为情报处理节点R P1、R P2与R P3分别相连，称作网络因素1。

方式2 同类节点中以某节点为中心，表明该节点可以和其他节点协同，表现在图6中为情报处理节点R P1、R P3分别与R P3相连，称作网络因素2。

方式3 指挥控制节点进行越级指控，表明指控方式应对突发状况时的措施，表现在图6中为F D分别与第三级指控节点相连，称作网络因素3。

方式4 情报处理节点进行越级保障，表明情报传输应对突发状况时的措施，表现在图6中为R P节点分别于响应执行节点相连，称作网络因素4。

图5 系统结构1

图6 系统结构2

4.2 灵活性分析

按照第3.3节系统结构灵活性分析步骤，对图5和图6两种结构的灵活性进行计算。

首先根据不同节点类型，提取以该节点类型为终点的各种类型任务的子结构，如图7是树形结构中以P为终点的情报类任务子结构。

图7 结构1中以P为终点的情报类任务子结构

然后计算该子结构的灵活性。由图可知R P1、R P2、R P3之间不存在动态调整关系，所以它们之间动态调整值为0，同时分别有3个情报获取节点到达R P1、R P2与R P3，所以它们自身的动态调整值为3，得到R P1、R P2与R P3的动态调整矩阵如下：

得到该矩阵平均特征值为3，所以以P为终点的情报类任务动态调整灵活性为3。

进而遍历以所有类型节点为终点的所有类型任务对应的系统子结构的灵活性，得到系统结构1所有的灵活性数据。进而分析其他4个网络化因素对应的结构与综合网络化结构的灵活性，所有灵活性数据如表1所示。

表1 各个结构对应的灵活性数据

按任务类型对各个结构的数据进行求和，得到如图8所示的结构中各种任务的灵活性，进而分析灵活性变化趋势，为系统结构优化提供思路。

由图8可得出如下结论。

结论1 系统结构动态调整灵活性由优到劣依次为综合结构、网络因素1、网络因素2、网络因素4、网络因素3、系统结构1。其中综合结构的灵活性最高是因为综合结构中的信息流类型与条数最多，系统结构1灵活性最低也是基于这个原因。案例结果一方面说明灵活性度量值是与信息流类型与数目息息相关，一方面说明本文方法是可行的。

结论2 分析图8可发现网络因素1使结构灵活性显著增高，并且比其他几种网络化因素的灵活性都高。因为网络因素1不仅增加了结构中的情报流，也使结构中出现了协同流。在结构优化中，应使结构中尽量存在较多有价值的边，这些有价值的边是指使结构信息流种类或个数显著增加的边。

结论3 全连通的结构灵活性是最好的，在案例结果中也能看出边数与灵活性基本上是呈正相关的（网络因素1例外）。但在结构灵活性优化时要注意风险、代价对结构复杂性的影响，把握灵活性与风险、代价的折衷，争取采用最少的边达到最好的灵活性。

图8 各系统结构动态调整灵活性变化趋势

5 结 论

本文首先提出了C4ISR系统结构灵活性分析问题，然后根据O P D A R模型构建系统结构，进而在改进车间-产品模型的灵活性方法的基础上，提出了基于动态调整的C4ISR系统结构灵活性计算方法。最后对两种联合防空系统的系统结构进行灵活性分析，证明了方法的可行性。

本文是对制造业车间生产灵活性在系统结构领域的创新运用，并提出了相关改进及可行性说明。下一步从系统结构优化角度出发，考虑风险、代价等因素对灵活性的制约。

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C4ISR system structure flexibility analysis based on dynamic adjustment

ZHANG Meng-meng，CHEN Hong-hui，LUOAi-min，LIU Jun-xian
（Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，N ational University of Defense Technology，Changsha 410072，China）

The current development of network and information technology proposes unprecedented challenges for the C4ISR（command，control，communication computer，intelligence，surveillance，reconnaissance）system flexibility.Flexibility exists many aspects in system and structure flexibility is the main support.W e first put forward the structure flexibility analysis problem of the C4ISR system，then utilize the OPDAR（observer，processor，decision，actor，relationship）model to build the system structure，improve and apply the flexibility idea of the workshop-product modelin the manufacturing field，and propose a system structure flexibility analysis method based on dynamic adjustment.Finally，we comparatively analyze two kinds of structure of the regionaljoint air defense system，and verify the effectiveness of the proposed analysis method.

C4ISR system；structure flexibility；O P D A R m odel；dynamic adjustment

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.14

1001-506 X（2016）03-0563-06

2015-01-20；

2015-07-18；网络优先出版日期：2015-11-20。

网络优先出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151120.1800.008.html

复杂信息系统体系结构设计中的韧性分析方法研究（71571189）资助课题

张萌萌（1990-），男，博士研究生，主要研究方向为指挥信息系统。

E-mail：18670381635@163.com

陈洪辉（1969-），男，教授，博士，主要研究方向为需求工程、体系结构。

E-mail：chh0808@gmail.com

罗爱民（1970-），女，教授，博士，主要研究方向为指挥信息系统，体系结构。

E-mail：a mluo@nudt.edu.cn

刘俊先（1973-），男，教授，博士，主要研究方向为指挥信息系统、体系结构。

E-mail：18674864900@163.com