基于复杂网络的岸舰导弹作战体系建模*

邵云龙 孙学锋 苗永昌 郑恩超

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.中国人民解放军92349部队 淄博 255178）（3.中国人民解放军92771部队 青岛 266500）

1 引言

从近期几场局部战争来看，实施以导弹武器为主要打击兵器的远程精确打击，将是未来海上作战的主要作战样式［1］。岸舰导弹作为海军现役主战反舰导弹之一，是打击敌人中型水面舰艇的主要岸防武器。

随着信息技术的不断发展，岸舰导弹武器系统在体系结构、功能划分、指挥流程、作战方式等方面都发生了巨大变化，信息化、智能化和协同作战，已逐步成为未来高技术战场环境下岸舰导弹武器系统的主要发展方向［2］。在网络中心战条件下，如何准确分析岸舰导弹作战体系的结构，建立相应模型，是进行战法研究的基础。

2 岸舰导弹作战体系概况

2.1 作战体系基本情况

基于信息化的岸舰导弹作战体系是通过一条类似工业“流水线”式的作战链条，将地理上分散部署的岸舰导弹火力打击单元、指控中心和预警探测单元集成在一起，通过网络动态链接各功能节点，在信息和信息系统的主导下，发挥各功能单元的战术技术性能，构成对海上目标“搜索、跟踪、判断、决策、攻击、评估”的作战流水链路，形成能动态、敏捷、灵活对海上舰船实施精确打击行动的作战系统，其系统功能如图1所示。

图1 岸舰导弹作战体系功能

2.2 组成结构及功能

岸舰导弹作战体系结构上是以网络为中心，将地理上分布配置的预警探测节点、指挥控制节点和火力打击节点等作战实体，连接起来并互联互通，形成具有较高网络化效能的分布式作战系统［5］。

1）预警探测节点

目前，岸舰导弹作战体系的预警探测节点主要有陆、海、空、天四个方向，通过全时空、多维分布、近实时的预警探测，能够实时掌握战场环境态势和敌我双方的作战数据。

天基预警探测节点主要有成像侦察、电子侦察和海洋监视卫星等，其具有侦察范围广、面积大、速度快、效果好、长期连续监视以及不受国界和地理条件限制等优点，缺点是信息保障反馈周期较长。空基预警探测节点主要有预警机、巡逻机、电子侦察机、舰载直升机和无人机等，其具有探测距离远、距离盲区小、机动性强、抗干扰能力强等优点。陆、海基预警探测节点。陆基预警探测节点主要由各种陆上固定和机动的侦察设备和系统组成，海基预警探测节点主要包括大型电子侦察舰和单一类型的电子侦察船等。从现有远程对海监视探测效果看，岸舰导弹作战体系的预警探测兵力应以空中为主，地面、海上为辅。

2）指挥控制节点

目前，岸舰导弹作战体系的指挥控制节点实现了通信技术数字化、战场信息实时化、指挥控制一体化和作战系统网络化，能够在复杂的信息化战场的环境中，实现战场信息实时或近实时地传输，以保证指挥及时、准确，决策科学。主要由岸基指控中心或预警机担任，其主要任务是接收远程预警探测节点提供的战场信息，进行数据处理和数据融合，为预警探测和火力打击节点提供统一的战场感知，进行作战指挥决策［3］，向火力平台分发目标指示数据和进行火力分配，指挥武器系统实施快速精确打击，并对打击效果进行评估以确定下一次打击的目标。在武器系统网络局部受损或失去原有功能时，指挥控制节点能够迅速通过重组或协同实现系统功能再用。

3）火力打击节点

岸舰导弹火力单元是整个作战体系的最后一个环节，也是火力打击的具体实施环节。其任务是接收指挥控制或预警探测节点指示的海上目标，根据作战指挥命令，完成导弹攻击决策信息装订，进行射击诸元解算，在导弹发射车完成导弹射前检查和发射准备后，控制导弹集中或独立发射，对海上目标实施攻击。

4）信息传输及处理

信息传输系统主要由各型数据链组成，各种武器平台之间依据共同的通信协议，使用自动化的无线电（或有线）收发设备传递、交换负载数据信息的通信链路，其基本特征是“无缝链接”和“实时传输”。“无缝链接”强调数据链的触角伸向武器系统的各作战平台，共享战场信息资源。“实时传输”强调数据链传递信息速度快、时效高。“预警探测节点至火力打击节点”的攻击过程非常迅速，发现目标即意味着目标摧毁。

2.3 作战特点

相对于平台中心战模式下的传统岸舰导弹武器系统，信息化岸舰导弹作战体系主要有以下特点：

1）地理分布性。作战体系中三类节点在地理位置上是广泛分布的，例如，预警探测单元广泛分布于陆、海、空、天；根据使命任务，战略、战役、战术层次的指挥控制单元分散配置，提高了系统的鲁棒性；按照打击覆盖范围，可灵活配置现有火力打击单元，可以有效提高火力打击范围和精度。

2）功能独立性。岸舰导弹作战体系中，作战链条是将具有不同功能的作战实体连接起来，实现具体的作战效能。体系中的各作战实体，实际上是在其相对固定的使命任务框架中独立运行，其内部的运行状态不受其他作战实体的控制，其自身模块功能的实现不受其他作战实体的影响，当与其他作战实体连接构成一个作战体系时，仍然可以实现其原有模块功能。

3）信息协同性。在通信设施保障下，岸舰导弹作战体系内各实体具有交互协同的能力，通过战场信息共享，其可以为其他作战实体提供自身能力；也可以根据实现自身功能的需求，使用其他单元提供的能力。例如，预警探测单元为指挥控制单元提供目标舰艇信息，指挥控制单元通过指控火力打击单元实现打击目标舰艇的能力。

4）结构重组性。重组性是指，根据战场环境和作战任务的变化，通过改变作战实体间的连接，可以实现作战体系能力上的变化。这种作战能力，为岸舰导弹作战体系提供了自适应能力，在作战实体或链路受损的情况下，可以通过新增作战实体或改变作战实体间的拓扑连接，实现模块化能力的重组，从而产生新的有价值的作战能力。这种能力可以使作战体系能够适应作战环境的剧变和激烈的体系对抗，最大程度上实现作战体系的灵活性和鲁棒性。

5）机动隐蔽性。机动性使岸舰导弹作战体系可以快速集结和部署各作战实体，扩大了作战范围，增加了部署选择。此外机动作战单元的分布式部署，通过较小的单元组合，提高了整个系统的凝聚能力，降低了作战单元被发现的概率，而机动性也一定程度上提高了作战单元的生存能力。

3 复杂网络基础

3.1 复杂网络的基本概念及特性

网络理论研究中，复杂网络是指由巨大数量的节点和节点之间复杂的相互关系共同组成的网络结构。钱学森给出了复杂网络的一个较为严格的定义：具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度中部分或全部性质的网络称为复杂网络［6］。

复杂网络的复杂性主要有以下几个方面：一是结构复杂。主要表现为网络节点数量大、代表意义多样、结构特征可变，节点间连接关系复杂。二是连通多样性。节点间连接有方向性、权重不同，各个连接的重要程度有差异。三是网络结构可变。在原有拓扑结构上增减节点或连边，可使网络结构发生变化，网络的性能也随之发生变化。

3.2 复杂网络的图表示

网络是把个体抽象为节点，把个体与个体之间的相互关系抽象为边的系统。一个具体的网络可以抽象为一个由节点集合V和边集合E组成的图G={V，E}［7］。V是n个节点v1，v2，…，vn的集合，E∈V×V是连接V中两个元素的边的集合，节点数记为N=|V|，边数记为M={E}。E中每条边都V有中一对节点与之相对应。如果任意节点对(i，j)与(j，i)对应同一条边，则该网络称为无向网络，否则称为有向网络。如果给每条边都赋予相应的权值，那么该网络就称为加权网络，否则称为无权网络。

图3 复杂网络的图表示示例

3.3 复杂网络的基本模型

目前，比较成熟的复杂网络模型有规则网络模型、随机网络模型、层次网络模型、确定网络模型、自相似网络模型等几种［9］。

规则网络模型是最简单的复杂网络拓扑结构，它是指网络中任意两个节点之间按照一些既定的规则进行连接。随机网络是指节点不按照确定的规则进行连线，而是按完全的随机方式连线，由此产生的网络就是随机网络。小世界网络模型就是尽管复杂网络规模较大，但网络内任意两点却有一条相对短的路径。目前常用的小世界网络模型有WS和NW小世界模型。无标度网络的特性，主要反映了复杂网络度分布存在不均匀特性，只有少数的节点与其他节点有很多的连接，成为“中心节点”，而大多数节点度很小。在具有层次模块性的网络中，很多内部关联密集的小规模节点组之间松散关联，从而形成更大规模的拓扑模块。这种拓扑模块按照层次组织起来的网络称为层次网络。对于作战网络的拓扑特征，不同作战网络的功能各异，其拓扑结构特征应该与其功能相关，目前研究的主要观点认为作战网络同时具有树状层次性、无标度性和小世界性［10］。

4 基于复杂网络的岸舰导弹作战体系建模

4.1 复杂网络建模可行性分析

岸舰导弹作战体系作为一个作战实体种类多样、体系繁杂、内部交互密切的大系统，其整体作战效能的实现，不是简单地将各个子系统效能叠加，要充分考虑子系统和子系统之间连接的动态变化引起的整体效能的变化。因此，利用复杂网络理论对岸舰导弹作战体系进行体系结构建模分析，有其合理性和有效性。复杂网络和岸舰导弹作战体系结构映射关系如图5所示。

图5 指挥信息系统与复杂网络特性映射关系

1）复杂网络由节点和链路构成，如果把岸舰导弹作战体系的各组成单元抽象为节点，各单元之间的信息交互抽象为边，复杂网络理论就为解决岸舰导弹作战体系建模提供了可能。

2）岸舰导弹作战体系由预警探测、指挥控制和火力打击子系统组成，系统内部结构复杂，且系统的运行与战场环境和具体任务密切相关，这与复杂网络理论的复杂结构和动态演化特性相一致。

3）岸舰导弹作战体系之间连接和信息交互关系复杂，不同作战单元之间的连接关系不同，信息流内容不同。例如预警探测单元与指挥控制单元之间的情报流和指挥控制单元与火力打击单元之间的命令流是完全不同的信息流。

4）岸舰导弹作战体系由大量作战单元组成，各单元之间类型不同，根据主要属性可将其大致分为预警探测节点、指挥控制节点和火力打击节点三种类型。

5）岸舰导弹作战体系不是一个静态系统，随着战场环境、战斗损耗和作战任务的变化，会出现节点失效、内部交互关系变化等现象，这与复杂网络的动态特性相吻合。

6）作为拥有大量作战实体的系统，岸舰导弹作战体系要实现网络化效能的最大化，就需要尽可能多地让作战实体直接相连，或者通过很少的跳数实现信息交互，这就是复杂网络理论的小世界特性。

7）岸舰导弹作战体系是一个指挥关系明确的作战体系，作为整个体系的中心，指挥控制与预警探测和火力打击节点之间的关系是一对多的关系，一个指挥控制节点可同时受理多个预警探测节点的探测信息，也可同时向多个火力打击节点下发作战任务，这样的体系结构决定了其具有复杂网络的无标度特性。

4.2 网络结构模型映射定义

如前所述，岸舰导弹作战体系由预警探测、指挥控制和火力打击节点组成，体系结构主要体现于各节点间的信息交互，包括由预警探测节点向指挥控制节点或火力打击节点提供的目标信息，由指挥控制节点向预警探测节点和火力打击节点提供的指挥控制信息等。为了研究岸舰导弹作战体系拓扑结构特性，使用复杂网络的图表示，将作战网络中的预警探测、指挥控制和火力打击实体，与拓扑网络中的节点一一对应；作战网络中的三类作战实体之间的通信和交互关系，与拓扑网络节点之间的连接关系一一映射。预警探测、指挥控制、火力打击、目标等作战实体，分别对应网络拓扑结构中中的S、D、I、T节点。［11］图6描述了一个简单的岸舰导弹攻击过程和其复杂网络拓扑结构的映射关系。

图6 岸舰导弹作战体系到复杂网络拓扑模型映射

4.3 网络结构交互定义

作战特点进行分析研究，现对作战体系网络内部各节点之间信息交互的抽象关系作如下规定：

1）初始状态下，网络中不存在孤立的节点，即各节点均处于连通的网络中。预警探测节点和火力打击节点必须在指挥控制节点的控制下，各指控节点都存在上下级关系。

2）一个指挥控制节点可以与多个预警探测节点和火力打击节点互连，即一个指挥控制单元可以同时控制多个预警探测节点和火力打击节点。不同的指挥控制节点之间可以连边，即指挥控制节点之间可进行组织协同，提高信息处理和指控效率。

3）一个预警探测节点可以与多个指挥控制节点互连，即一个预警探测节点可以为多个指挥控制节点提供预警探测到的信息，实现目标舰艇信息的共享。预警探测节点之间可以进行互连，表示探测信息的共享程度。即预警探测节点之间可以共享目标信息，这样可以缩短自身获取目标信息的时间，也可以提高预警探测的精度，提高探测信息质量。当所有的预警探测节点均彼此相连时，此时的信息共享程度达到最高，但是通信成本也最高。

4）预警探测节点可以与火力打击节点单向连接，由预警探测节点指向火力打击节点。在特殊情况下，允许预警探测节点指引火力打击节点对目标舰艇进行打击［12］。

4.4 实例分析

假设某岸舰导弹作战体系结构由4个预警探测单元、1个一级指挥控制单元、2个二级指挥控制单元和9个火力打击单元组成，共有2搜目标舰艇。根据复杂网络和岸舰导弹作战体系的映射关系，构建其一种作战网络拓扑结构如图7所示。

图7 岸舰导弹作战体系结构网络拓扑图示例

通过所建模型可以看出，岸舰导弹作战体系网络结构符合树状层次性、无标度性和小世界性等特性。在实际作战使用中，可以根据编制体制、战场环境变化和作战任务，调整节点之间的连接，改变岸舰导弹作战体系的网络拓扑结构，更好地完成作战任务。

5 结语

本文主要介绍了岸舰导弹作战体系的概念、结构和功能，讨论了复杂网络的概念和两种表示方式，概述了规则模型、随机模型、小世界模型、无标度模型和层次模型的基本特点。最后，基于复杂网络对岸舰导弹作战体系网络中各作战实体和实体之间的联系进行抽象，构建基于复杂网络的岸舰导弹作战体系模型，为进一步探索信息化条件下岸舰导弹作战体系形成、演化的特点和规律打下基础。