对抗环境下C4ISR系统作战进程互操作建模方法研究

董经纬,王智学,禹明刚,李瑞阳,邓巧雨

(中国人民解放军陆军工程大学,江苏 南京 210007)

互操作性是衡量C4ISR系统性能的关键指标,其实质是多个作战单元间实现服务以及功能的交互共享,从而确保作战单元之间的协同、作战资源的整合与共享。通过互操作,一方面可以弥补作战体系自身战斗力的缺陷,另一方面可以扩展C4ISR系统功能的作用域,让各系统实现功能重组,呈现体系的特性,从而使组织者可以通过整合不同系统的不同功能来遂行作战任务完成最终使命。

然而在实际的对抗环境下,体系内的各成员系统都有可能因受到敌方破坏或干扰而发生不同程度的损耗,指控网络拓扑结构、作战节点功能等都有可能因此而发生变化,这将导致体系内各成员系统内部的种种性能、各成员系统之间的协作方式发生变化,对系统间的互操作性造成削弱,进而降低系统的整体战斗力。如果在系统的建设阶段忽视了这一点,所建成的系统将可能在实战中因互操作能力丧失而失去战斗力,而在系统建设完成后的组织运用过程中,也应该科学规划组织运用模式,最大限度地利用系统内部的资源,提高其互操作性在对抗环境下的生存能力。因此,为了使C4ISR系统能够满足实战需求,在系统建设和组织运用中,就必须将保证系统在对抗环境下仍具备足够的互操作能力作为重要的考虑环节,所以必须要有针对在对抗环境下系统互操作能力的合理的评估机制。

目前,对于对抗环境下C4ISR系统的评估大多集中于对系统的作战效能评估,例如文献[1]和[2]为对抗环境系统效能评估进行了威胁分析、建立评估指标、规定效能计算方法,文献[3]提出了对系统抗毁性评估的方法。文献[4]、文献[5]都提出了基于EBI (Entity Behavior Interaction)框架对抗环境下系统的建模方法,这些研究对于对抗环境下系统互操作能力的评估具有借鉴意义。

关于系统互操作性能评估的研究,文献[6-7]中,James R. Enos等人提出了借鉴社交网络的思想从图论的角度来分析体系的互操作性。文献[8]提出了建立由系统集、操作集、关系集三元组互操作模型,利用数学方法进行评估。文献[9-10]提出了采用建模仿真来分析系统互操作能力的思想。

综合上述方法,采用建模仿真评估是一种最准确的互操作能力评估方法,但现有的方法由于缺少对系统内各成员要素性能指标、敌方威胁性能指标、环境影响因素指标等可变变量的描述形式,导致无法对处在瞬息万变的对抗环境中的系统进行准确评估,因此本文基于SysML语言提出了一种针对对抗环境下系统互操作的建模方法,并给出了仿真评估的结果。

1 作战进程互操作能力描述框架

在建立C4ISR系统互操作模型之前,需首先对互操作能力的各组成成分进行梳理分析,对能力进行分层,并逐层建立能力指标框架,以此作为建立模型的依据。

1.1 C4ISR系统互操作能力分层模型

文献[9]结合欧洲互操作框架(European interoperability framework,EIF)框架和ATHENA(Advanced Technologies for Interoperability of Heterogeneous Enterprise Networks and their Application)框架,将C4ISR系统互操作分层框架从上到下分为四个层次:组织互操作层、作战进程互操作层、服务互操作层、系统互操作层。

组织互操作层:指各系统在组织层面上实现的互操作,即各成员系统在战略理念、条令条例及作战经验等约束下建立、管理和改进的协作关系,并基于ICT(Information Communication Technology)开展作战进程操作、完成使命任务的能力。

作战进程互操作层:指各系统之间基于特定的协作约定构建跨组织的协作进程,并动态、灵活、自主地开展作战行动、遂行作战任务的能力。

服务互操作层:服务互操作指系统、设备或部队向(从)其他系统、设备或部队提供(接受)服务并利用这些服务进行有效作战的能力。

系统互操作层:指成员系统通过兼容、匹配不同信息系统的接口、标准和协议,从而实现数据和信息交换的能力。

本文借鉴了这种互操作分层思想,重点研究受对抗环境影响最大的作战进程互操作,并将组织、服务和系统这三个层次的互操作能力视为C4ISR系统固有的能力特性。因为在部队编制体制、条令条例、使命任务等组织层面的内容都已经制定,系统所拥有的基础设施都已建成,所有基础设施所能提供的服务都已准备完毕的情况下,把系统投入战场时,各系统作战进程之间的协作能力,将极大程度地决定了其整体的互操作性。

对作战进程互操作层的合理规划设计,能够有效地提高整个系统在对抗环境下的互操作保持能力,在系统遭到一定程度的破坏时,灵活多变的作战进程协作模式,可以最大程度地降低系统战损对于系统互操作能力带来的不利影响。相反如果进程层规划的进程协作模式不合理,系统在对抗环境中经受一定的战损就会导致系统整体互操作能力的丧失,进而导致系统整体战斗力的锐减。

1.2 作战进程互操作能力指标框架

为了正确地评估作战进程的互操作能力,首先需要针对对抗环境,建立完备的互操作能力描述框架,对系统中能够影响整体互操作性的作战单元及其相关性能进行描述,为下一步模型的建立提供指导。表1给出了系统的作战进程互操作能力描述的基本框架,将在作战过程中的系统的作战进程互操作能力通过以下三方面来体现:获得信息能力,主要是指挥部对情报的获取、处理能力;决策能力,主要是指挥部与上级机关的联络效率和作战方案的制定效率;行动能力,主要是指挥部对火力打击单位的指挥能力和对打击效果的评估能力。表2给出了对抗环境对系统产成的影响力描述框架,反映了系统内成员要素可能因对抗环境造成的各种影响情况。

表1 系统作战进程互操作能力描述框架

表2 对抗环境对系统产成的影响力描述框架

系统的互操作性为获得信息能力、决策能力和行动能力三者之和,各项互操作能力指标均以完成任务的时间作为衡量依据。

2 对抗环境C4ISR系统进程互操作能力建模

2.1 模型组成要素及其语义

对抗环境下建立的C4ISR系统模型S(system)可表示为:S=(E,C,B,I,R),各组成元素语义如下:

E(Entity)为作战实体,是系统中遂行作战任务的主体,例如作战体系中各级指挥所、作战单元、主战装备、信息系统等。每个实体可由一个三元组构成{Name,{property 1…propertyn},{action 1…actionn}},分别对应实体名称、实体的性质参数、实体所能发出的动作。

C(Connection)连接线:连接线是实体之间的连接关系,在实际C4ISR系统中,它表示各实体之间的信息链路连接方式。

P(Process)作战进程:作战进程描述的是两个实体之间的相互作用,从进程的视角描述了由实体所执行或发出的各种作战活动,可分为内部进程和外部进程。内部行为进程发生在同一个系统的实体之间,外部行为进程则发生于不同系统中的实体之间。行为进程通常可以改变实体的属性,从而影响整个系统的结构。每个行为进程可用三元组表示{Name,{input 1…inputn},{output 1…outputn}},分别对应行为进程名称、输入集合、输出集合。

I(Interaction)交互:交互通常由进程发出,描述系统内各实体所发出的进程之间信息的沟通交流,交互也可分为内部交互和外部交互,内部交互发生在系统内部的进程之间,外部交互指存在于不同系统中的不同进程之间的信息交流情况。可用二元组表示{Name,{data 1…datan}},分别对应交互名称,交互的内容。

R(Rules)规则:指系统在战场上需要遵循的各种规则和约束,包括技术规则、条令法规、战场环境因素三个方面。

技术规则(Technique Confine):描述组成系统的各种装备的技术参数,对于各种装备所发挥的作用具有限制作用。

条令法规(Laws and Regulations):描述各种事先制定的条令条例、规章制度、部队的编制模式等。

战场环境因素(Battleground Environment Factor):描述战场自然环境如地理条件、气象条件、电磁环境等能够对进程互操作性造成影响的因素。

对抗环境下系统进程互操作模型各要素之间关系如图1所示。

条令法规、战场环境影响因素、技术条件对于每个C4ISR系统具有限定作用,每个系统由实体构成,不同实体之间通过连接线来进行连接。每个实体都具有需要执行的进程,进程之间的交互可沿连接线来实现。有时某实体的进程还可以改变另一系统中实体的特征,如对另一系统中实体实施了火力打击。

2.2 多视图建模框架

结合模型组成要素和各要素相互之间的关系,构建元概念模型如图2所示。

本文采取多视图的方法来对模型框架进行描述,包含场景视图、节点视图、标准视图、进程视图,场景视图描述了系统所处的环境,所承担的使命任务。节点视图描述系统的网络拓扑结构,包括节点、节点间的连接关系;标准视图描述技术标准,条令法规的限制;进程视图描述各子系统内的进程及进程间的协作关系。各视图之间的关系如图3所示。

2.3 定义基于SysML扩展的能力需求描述语言

从UML基础上发展而成的系统工程标准建模语言SysML能够很好地满足系统工程的实际需要,这里以SysML来进行建模。将概念模型进行SysML扩展,如表3所示。

表3 概念模型的SysML扩展

3 案例分析

下面将阐述一个模拟海上防空反导系统的互操作能力评估的案例。某舰艇编队(含导弹驱逐舰2艘、补给船1艘、运输船1艘)正在执行护航任务,在附近海域有一架预警机,另有本土机场的战斗机可进行协同作战。敌国的海空军可能会对该舰队发动空袭或使用反舰导弹攻击。

假设根据条令规定,在侦查单位发现敌情后,立即向舰队的指挥部报告,指挥部判明敌情后向上级指挥部联指中心报告,舰队指挥部得到上级指示后,立即组织舰队火力准备进行拦阻战斗,并可通过机场空军指挥部指挥战斗机协同作战。

此时,敌方已经实施电磁干扰,破坏了我方的无线电通信,且对机场进行了轰炸,造成机场部分设施损坏,对处于这种情况下的系统进行互操作能力评估。

3.1 针对该舰队防空指挥系统构建互操作能力描述框架

舰队防空指挥系统的互操作能力描述框架如表4所示。

表4 舰队防空指挥系统的互操作能力描述框架

3.2 构建模型

这里仅从进程视图出发,截取部分作战活动过程(从预警机发现敌情到所有防空战斗单位完成战斗准备)为例来阐述模型的构建方法和仿真评估方法:结合舰队防空指挥系统的互操作能力描述框架来构建模型。通过SysML的块定义图来描述C4ISR系统的静态结构,并在块定义图中标明各相关参数,构建块定义图如图4所示。另外通过SysML中的活动图来表示各种作战进程之间的交互、调用关系。构建活动图如图5所示。

采用C++编程,结合Matlab工具,实现图5的过程,对模型进行仿真。在没有对抗干扰情况下计算得出理论时间是39.9min,但随着对抗因素的加入,系统间的通信效率和系统自身的作业效率不断降低,完成任务的时间逐渐延长。根据案例中描述的情况,影响系统互操作性的对抗因素来自电磁干扰和机场设施的破坏,因此这里调用这两组模拟数据来进行仿真实验,电磁干扰导致信道受损程度对无线电通信完成时间的影响关系如表5所示,机场被破坏程度与完成战机起飞准备的时间关系如表6所示。

以无对抗环境下完成任务的时间和实际完成任务的时间的比值来衡量互操作能力的变化情况,结果如图6所示。

表5 电磁干扰导致信道受损程度对无线电通信完成时间的影响关系

从图中可以看出,系统的互操作能力与对抗强弱程度之间的变化关系,对抗激烈程度增加到一定程度时系统基本丧失互操作性,这一方面由于模型中海上指挥部与陆上指挥部之间通信方式单一,完全依赖于无线电通信,另一方面遭到火力打击造成损失的作战节点没有设置能够补偿替换的节点。

表6 机场被破坏程度与完成战机起飞准备时间的关系

4 结束语

本文针对对抗环境下系统作战进程互操作能力的评估,提出了一种可行的途径,通过建立作战进程互操作能力指标框架、构建模型、仿真评估,得出了系统在对抗环境下互操作性的优劣。除了作战进程互操作层,在互操作分层模型中的另外三层:组织互操作层、服务互操作层、系统互操作层,都可用此方法进行评估。此外,由于战场环境、战争形式并非一成不变,针对具体不同的复杂对抗环境,应不断更新完善互操作指标框架,使仿真结果更接近实际结果。对于模型中各类指标参数的设定也应更加贴近实际战场情况。

在后续研究中,将利用DEVS、Petri网等仿真方法进行更为准确的仿真,并提高从建模到仿真评估的自动化水平。