基于“保障重心”的作战网络拓扑重构方法

侯剑锋, 贺 晔, 王会涛

(国防科技大学信息通信学院， 湖北 武汉 430014)

重心的概念源于物理学，其本意是“物体各部分所受重力之合力的作用点”。克劳塞维茨[1]将其开拓性地运用到军事理论领域，认为：一个为整体所依赖的重心，就是力量和运动的中心；重心是一方集中起来的最大军队集团；重心对作战行动的影响力最为巨大，并往往处于关键性的核心地位；打击并摧毁敌人的重心可缩短作战进程。美军1993年版《作战纲要》提出：一个参战的武装集团好比一部结构复杂的机器，总有维持其整体平衡和可靠运转的关键部位，如果这一部位遭受重创或被摧毁，这部机器就会彻底失灵乃至报废[2]。美军认为：重心就是指一切力量和运动都要依靠的中心，是军队获得行动自由、战斗力量和战斗意志的源泉。

从美军关于重心的相关理论研究中可得出：作战的本质是敌我双方体系重心对抗，即摧毁与反摧毁的过程。这种广义的“作战重心”理论，引申到具体作战筹划过程中，可以是打击目标的优选问题；引申到具体行动实施过程中，可以是防御重心的部署问题；引申到具体作战效能分析过程中，可以是评估体系的构建问题。

从指挥保障的角度来看，可以把“作战重心”理论融入到保障任务的联合筹划、保障方案的计划拟制、保障活动的组织实施和保障效果的评估验证等过程，形成“保障重心”概念。不管是作战还是保障，其态势都是动态变化的，“保障重心”会伴随着作战阶段的不断转换、作战任务的因机调整而不断改变。需要注意的是，“保障重心”的变化轨迹应该是连续渐变的过程，而不是断点跳跃式的。笔者将紧紧围绕指挥流程的4个阶段，即联合筹划、计划组织、行动控制和态势评估，来展开“保障重心”问题的研究，针对阶段转换后网络需求的变化特征，提出一种基于“保障重心”的作战网络拓扑重构方法，并通过应用实例进行验证。

1 “保障重心”概念模型

1.1 “保障重心”分类

从存在形态方面，“保障重心”可分为有形重心和无形重心。其中：有形重心是指物理存在的重心，在作战系统中特指重点保障的对象，如指挥所、炮兵部队和侦察预警机等；无形重心是指非物理存在的重心，在作战系统中特指重点保障的任务，如情报侦察、火力打击和态势预测等。实际上，保障对象往往是任务的执行者，在特定时空条件下，有形重心与无形重心之间存在着一一对应关系。

从作战层次方面，“保障重心”可分为战略保障重心、战役保障重心和战术保障重心。其中：战略保障重心通常对战争全局具有决定性作用，如一个联合指挥所、一名联合指挥员或一支战略层的火力打击力量；战役保障重心通常与敌我双方的作战力量部署和作战企图等相关，如敌优先打击的我方重要目标；战术保障重心一般是指战术级的保障重心，如敌可能打击的我方目标。

理论上，“保障重心”存在于作战的每一个层面。在战略层，“保障重心”可以是有形的联合指挥所，也可以是无形的情报侦察行动；在战役、战术层，“保障重心”可以是有形的任务部队，也可以是无形的指挥协同任务。另外，“保障重心”依赖于时间和空间因素，会伴随着作战进程、作战规模的变化而不断变化。“保障重心”具体分类如表1所示。

表1 “保障重心”具体分类

1.2 “保障重心”实体分析与模型描述

1.2.1 实体分析

1) 指挥所。它是实施联合作战指挥的中心，并按照指挥任务和职能分工进行编组。指挥所可分为基本指挥所、预备指挥所和前进指挥所等，预备指挥所和前进指挥所均由基本指挥所统一指挥。指挥所编组一般包括情报侦察、指挥决策、控制协调和指挥保障等指挥要素。作为实体节点，指挥所可由以下二元组表示：

Brain::。

其中：Brain_ID为实体标志，定义指挥所名称，具有全局唯一性；Brain_Attribute为实体属性，定义指挥所具备的属性(指挥要素组成)，说明该指挥所实体区别于其他实体所特有的性质。

2) 任务部队。它是执行作战任务、实施作战行动的主体，并按照任务性质或军兵种隶属关系进行分类：按照任务性质，可分为执行情报侦察任务的部队、执行通信保障任务的部队和执行火力突击任务的部队等；按照军兵种隶属关系，可分为陆军部队、海军部队、炮兵部队、防空兵部队等。作为实体节点，任务部队可由以下二元组表示：

Army::=。

其中：Army_ID为实体标志，定义任务部队名称，具有全局唯一性；Army_Attribute为实体属性，定义任务部队所具备的属性(承担的主要行动或任务)，说明该任务部队实体区别于其他实体所特有的性质。

3) 信息化武器装备。它是指信息技术含量高、信息起主导作用的作战武器和装备。信息化武器装备有助于实现情报侦察、指挥控制、火力打击等要素信息采集、融合、处理、传输的自动化和实时化。信息化武器装备可由以下二元组表示：

IW::=。

其中：IW_ID为实体标志，定义信息化武器装备名称，具有全局唯一性；IW_Attribute为实体属性，定义信息化武器装备的属性(具备的能力)，说明该武器装备区别于其他实体所特有的性质。

4) 实体关系。作战网络信息交互的复杂性决定了作战实体关系的复杂性[3]。为简化分析，本文只考虑作战实体间的指挥控制关系，如图1所示，指挥所具有情报侦察、指挥决策、控制协调和指挥保障等功能属性，并按照功能属性进行编组；任务部队、信息化武器装备与指挥所功能属性间均存在对应关系。指挥所与任务部队、信息化武器装备构成指挥控制关系，任务部队及信息化武器装备依托信息通信网络形成与指挥所的信息交互。

1.2.2 模型描述

“保障重心”主要是围绕指挥流程的4个阶段(联合筹划、计划组织、行动控制和效果评估)来确立的，即围绕各阶段的核心作战任务有重点地组织保障任务。如：联合筹划阶段的核心任务是掌握情况、理解任务、定下决心和形成构想，重点保障对象是情报侦察类部队和联合指挥机构；行动控制阶段的核心任务是发起作战和指挥协同，重点保障对象是火力打击部队和联合指挥机构。“保障重心”概念模型如图2所示，反映了在整个作战系统运转过程中重点保障对象与作战阶段的关系，具体描述如下：

1) 作战过程可表示为圆形沿x轴平滑滚动的过程。其中：横坐标x表示作战时刻(××时××分××秒)；纵坐标y表示作战系统要素组成的重要性量化指标，且y=x(t)。x(t)无量纲，取值范围为(0，1)，在某一时刻，x(t)值越小，表示该要素在作战系统中越重要，是需要重点保障的对象；若x(t)值较大，则表示该要素在该时刻不是保障的重心。

2) 切分圆形为4等分扇形，分别表示作战指挥流程的联合筹划、计划组织、行动控制和态势评估，类似于美军观察-判断-决策-行动(Observe-Orient-Decide-Act，OODA)环。

3) 切分联合筹划为4等分扇形，分别表示掌握情况、理解任务、定下决心和形成构想。

4) 切分计划组织为3等分扇形，分别表示制定方案、拟制计划和临战训练。

5) 切分行动控制为4等分扇形，分别表示发起作战、作战转换、关键行动和指挥协同。

6) 切分态势评估为3等分扇形，分别表示毁伤效果评估、国际影响力评估和作战效果评估。

7) 各阶段重点保障的对象(指挥要素和任务部队)定义为内切圆。随着圆形(作战系统)沿x轴滚动，“保障重心”逐渐转换。在内切圆与x轴相切时，承担任务的指挥机构和任务部队保障需求达到峰值。

2 “保障重心”与作战网络拓扑重构关联性分析

2.1 拓扑重构时机

一般情况下，作战网络拓扑重构时机大致可分为以下3种[4-5]：1)作战指挥活动从上一个环节转移到下一个环节，即“保障重心”发生变化时；2)通信节点、链路遭到摧毁或遇到其他突发故障，路径路由重新收敛时；3)因作战需要，有新的通信节点、链路加入网络，路径路由重新收敛时。3种拓扑重构时机可能独立出现，也可能3种或任意2种同时出现。本文重点研究作战指挥活动从上一个环节转移到下一个环节，即“保障重心”发生变化时作战网络拓扑重构问题。

2.2 拓扑重构原则

作战网络拓扑重构的目的是为了更好地提供网络服务，因此，拓扑重构主要遵循以下原则：1)要着重考虑“保障重心”发生变化后的网络要素构成，即哪些指挥机构、任务部队和信息化武器装备成为了信息的主要宿、源节点；2)要着重考虑“保障重心”发生变化后的网络信息类区分度，即哪些类型的流量业务成为了信息的主要载体；3)要着重考虑“保障重心”发生变化后的网络业务抗毁性，即重构网络要实现关联业务的网络抗毁能力最大化。

2.3 关联性分析

表2给出了“保障重心”与作战网络拓扑重构的关系，其中，数据信息的属性是通过分析历史数据、咨询专家得到的。从表2可以看出：数据信息是衔接“保障重心”和作战网络拓扑重构的纽带。在“保障重心”转移时，数据信息的应用、属性和业务量发生变化，而这些变化也是作战网络拓扑重构要重点考虑的因素；作战网络拓扑重构的约束条件就是以数据信息负载和重要程度来确定的。以计划组织向行动控制的作战阶段转换为例，“保障重心”由指挥所内各指挥要素通联转变为指挥所与执行作战任务部队之间的通联，信息类别也由以数据为主的状态信息转变为包括话音、数据、图像等各种属性的指控信息，此时作战网络拓扑重构要考虑这些数据信息对网络节点、链路和抗毁性等方面的实际需求，最优化拓扑重构的目标函数也要以这些需求为约束条件进行构建。

表2 “保障重心”与作战网络拓扑重构的关系

3 作战网络拓扑重构最优化问题分析

从数学的角度来看，作战网络拓扑重构是在一定约束条件下，通过节点和链路的连接组合，使网络可靠性等目标达到最优，因此，它是一个有约束、多目标的大规模非线性组合优化问题[6]。

3.1 作战网络拓扑重构的约束条件

3.1.1 节点容量的约束

作战网络拓扑重构时，必须以“保障重心”的数据信息流特征为重点来均衡节点负载，确保重构后的节点负载不超过其容量，即

0≤C(vk)≤Cmax(vk)，k=1，2，…，n，

式中：C(vk)为节点vk的实际运行容量；Cmax(vk)为节点vk的容量上限；n为网络节点数。

节点容量可分为通信节点容量和用户节点容量，其中：通信节点容量是指节点转发能力上限；用户节点容量是指节点能接受、处理和有效利用的范围。

3.1.2 链路容量的约束

作战网络拓扑重构时，必须以“保障重心”的数据信息流特征为重点来均衡链路负载，确保重构后的网络链路负载不超过其带宽，即

0≤C(el)≤Cmax(el)，l=1，2，…，m，

式中：C(el)为链路el的运行容量；Cmax(el)为链路el的容量上限；m为网络链路数。

3.1.3 网络结构的连通性约束

作战网络拓扑重构时，必须围绕“保障重心”的通联需求来规划路由，确保任意2个终端用户之间至少要存在一条路径，即

d(vp,vq)≤n-1，p,q=1，2，…，n。

式中：d(vp,vq)表示节点vp到vq的最短路径。

为了提高网络的可靠性和信息传输的时效性，在网络设计和重构过程中，往往会设定一个保证两两终端用户间连通的最低要求，如：保证任何两终端用户之间至少存在a条路径长度不超过b的独立路径。

3.2 作战网络拓扑重构的目标函数

3.2.1 提高网络通信能力

一般采用网络容量来度量网络通信能力[7]。网络容量是指在同一时刻所能承载的通信业务总量，其受网络结构、节点容量和链路带宽等影响。要实现网络容量的精确计算比较困难，可通过计算网络生成树来进行估算，但计算复杂度会随着网络节点数据的增加呈指数级增长。郭东超等[8]提出了一种基于复杂图论近似求解网络容量的方法，定义在链路发生随机故障时，网络容量Cnet与最大链路介数B之间的关系式为

式中：d为B对应链路的初始带宽；M为每次呼叫申请的带宽期望值。其中：链路介数是指通过该链路的最短路径数量；网络容量是指网络中第1条链路带宽被耗尽时，网络中所存在的呼叫数量。

3.2.2 提高网络抗毁能力

网络抗毁能力是指网络系统遭受攻击、故障和意外事故时仍能够及时完成其关键任务的能力[9]。网络抗毁性可分为拓扑抗毁性和业务抗毁性。抗毁性测度是网络抗毁性的量化指标，选取合理的网络抗毁性测度是进行网络抗毁能力评估的客观依据和前提条件。作战网络抗毁性不仅要考虑网络结构连通性，还要考虑功能连通性。往往部分节点链路失效看似对整体网络连通性影响不大，实际上功能链路已经阻断。石福丽[10]提出了一种基于作战功能链的作战网络拓扑抗毁性指标SIFL，即

式中：MTIF为作战网络中可能包含的信息功能链的最大数；MRIF为实际包含的信息功能链的个数；FTi为第i条信息功能链的连通度；MTi为第i条信息功能链中包含的信息传输链的个数；Lj为第j条信息传输链的长度。

3.3 网络拓扑重构模型

作战网络拓扑重构目标包括提高网络拓扑抗毁能力、通信能力以及降低网络费用等，是一个多目标组合优化问题。为了提高求解速度，采用加权求和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题。在“保障重心”发生变化时，可通过调整目标函数权重来组织拓扑重构。综上分析，建立作战网络拓扑重构的数学模型如下：

f=w1f1+w2f2，

4 应用实例

以计划组织向行动控制的作战阶段转换为例，此时，“保障重心”由指挥机构转变为执行作战任务的部队。要建立以拓扑重构为目标的网络约束条件，应考虑重心改变后网络数据信息流的特征变化。以某军事信息网络拓扑结构[10]为例，分别在考虑和不考虑网络数据信息流特征2种情况下，对重构网络传输能力进行仿真测试。测试条件如下：n=12；m=24；节点容量4、8、10 MB/s各4个；链路容量0.5、1、1.5 MB/s各8条；业务流量对共32个，其中64、128、256、512 KB/s各8对。采用Opnet 14.5软件构建仿真网络环境，分别建立考虑和不考虑网络数据信息流特征2个应用场景，并对2种情况下的重构网络节点负载和全网时延进行测试对比，仿真结果如图3所示。

从图3可以看出：在不考虑网络数据信息流特征的网络拓扑重构时，网络节点负载、链路传输时延相对较大；而在考虑网络数据信息流特征后，重构网络流量得到均衡，网络节点负载变小，全网时延也有所下降。

5 结论

区别于传统的基于节点、链路增减的网络拓扑重构方法研究，笔者从指挥视角出发，围绕指挥流程划分作战阶段、确定“保障重心”，通过分析各阶段“保障重心”的数据信息特征及阶段转换时的网络通信能力需求变化情况，建立了作战网络拓扑重构的约束条件。在此基础上，构建了以提高网络通信能力和抗毁能力为目标的作战网络拓扑重构数学模型，并通过应用实例进行了验证，仿真结果表明：考虑了“保障重心”的重构网络在节点负载、网络时延等方面均有较好的性能。研究结果对作战网络的精准筹划、作战行动的精确保障等均有一定的指导意义。