基于超网络的空战场管制体系建模及评估*

2021-05-06 06:10朱奕杰
火力与指挥控制 2021年3期
关键词:系统结构鲁棒性信息流

文 婧,文 秘,朱奕杰,方 强,张 扬

(1.陆军防化学院军事理论教研室,北京 102205;2.空军指挥学院指挥控制教研室,北京 100097)

0 引言

空战场管制系统是实现空战场管制职能所必须的组织、人员、政策、规程和设备的统称,其中组织形式和运行机制是其核心环节,决定着空战场管制系统的工作效率和效能的发挥。随着空战场越来越受到重视,空战场管制系统结构研究得到了广泛关注,如:陈上平[1]等提出按照“战区空军空管中心-分区空管中心-机场空管中心”的模式建立空中战场管制指挥机构;董朝雷[2]等针对联合防空问题,提出以各级负责空域管制的部门为依托,建立“空域控制中心- 空域控制中心- 空域控制小组”三级空域管制体系;徐维如[3]根据指挥控制机构的系统结构,确定战时航空管制的岗位应分为战役决策层、战术计划层和执行操作层;李双峰[4]提出信息化条件下空战场管制应结合我军目前指挥体系和空战场需要,在未来主要方向作战中,可以构建“空中作战集团指挥部- 空中作战集群指挥部- 空中作战区域管制中心”三级管制指挥体系等。当前,战区联合作战指挥体制建立并运行,空战场管制系统急需作出相应的设计改变。针对该问题,本文依据空战场管制系统构建原则,提出了“四级空战场管制体系”构想,明确了其内外关系;采用超网络结构建模的方法,对系统结构和信息流转能力进行了评估,为空战场管制系统防护和改进提供了依据。

1 空战场管制系统层次结构设计

1.1 空战场管制系统构建原则

空战场管制系统构建主要坚持3 个重要原则[3]:一是坚持空军主导,与指挥体制相适应。《中华人民共和国飞行基本规则》明确指出:“中华人民共和国对境内所有飞行实行统一的飞行管制,国务院、中央军事委员会空中交通管制委员会领导全国的飞行管制工作,中国人民解放军空军负责统一组织实施。”随着战区联合作战指挥体制的建立,形成了“军委管总,军种主建,战区主战”的新格局,战区成为本方向唯一的最高指挥机构。对于空战场管制而言,仍要坚持管制委领导,由空军平战结合组织空战场的建设管理,统一组织实施全国飞行管制,以确保管制系统平战转换的顺利实施。二是军地结合,坚持平战一致。空战场是空中力量遂行作战任务的空间范围。空域平时是准战场,用于日常防空战备、保卫领空安全,实行准军事化管理,战时则是典型的空战场,实行军事化管理。空战场建于平时,用于平时,更用于战时。因此,空战场管制系统建设中,要以平时为基础,并着眼于战时,着眼于国防,既保证民用飞行畅通,又满足作战飞行需求;既有效保证正常飞行,又有利于迅速处置突发事件。三是立足空防安全,空管空防一体。战区空战场管制与防空作战行动是现代战场上最为突出的矛盾。战区空战场管制的目的是组织、协同和控制空域的使用,以增强军事行动效能的行为。防空作战是对进入己方上空的敌目标进行攻击。如果战区空域管制与防空作战行动各行其是、独自展开,那么两者之间必须发生冲突或相互干扰,甚至出现误伤的现象。如果两者能有机地结合起来,空域管制职能的发挥就会与防空作战行动保持协调一致,提高防空作战的目标捕捉和敌我识别能力,既可以对空袭之敌进行有力的打击,又能防止相互干扰和误伤。

1.2 空战场管制系统层次结构

空战场管制系统要与当前的指挥体制相适应,这是管制系统构建的第一原则。由于空战场管制是由空军主导,属于空中作战指挥控制的一部分,战区联合作战空战场管制体系更加强调与空中作战指挥体系相一致。当前,“军委联指-战区联指-任务部队”的联合作战指挥格局已经基本形成,联合空中作战行动指挥控制链路(以制空作战为例)为:战区联指(空中作战分中心)——区域空防作战基地指挥机构/空中机动指挥所(预警机、指通机)——任务兵力。

图1 空战场管制系统层次设计

按照职能和作用划分,联合空中作战指挥体系可区分为战略筹划层、战役筹划/计划层、战术计划层和战术控制层,对应军委联指(空中分中心)——战区联指(空中分中心)——空中集群——空中群队。因此,结合战区联合空中作战指挥体系和空战场需要,依托现行飞行管制机构,可以构建“军委联指空战场管制中心——战区联指空战场管制中心——区域空战场管制中心- 机场管制中心”四级空战场管制体系(如图1 所示),各级管制中心均为本级指挥机构指挥控制中心内部的一个部门,受本级作战指挥员指挥。各级管制中心对下级管制中心构成指挥关系和业务指导关系,与相关民航管制部门构成管制协调关系,与本级作战、情报、通信、领航、雷达、气象等相关部门之间构成协同关系。

2 空战场管制体系超网络建模

空战场管制系统是实现空战场管制职能所必须的组织、人员、政策、规程和设备的统称,其网络结构是一个具有典型网络化特征的分层、分布式一体化复杂系统,具有节点异质、链路多重、拓扑时变等特点,具体表现为[5]:网络嵌套、多层特征、多级特征、多维流量、多种属性、拥塞性、优化不一致问题等。对具有这种结构特征的系统结构,主要采用超网络建模的方法进行研究。

2.1 节点与关系描述

空战场管制系统是由功能节点和信息连边构成的。定义了系统的功能节点和信息连边,就能对系统的拓扑结构进行描述[6]。对于任意一个功能节点V,可以定义为:

显然,任意一条超边都是由节点和关系构成的。

2.2 管制体系信息流模体

按照空战场管制系统中3 类基本信息类型:情报信息、指控信息和状态信息产生、处理和使用过程对系统结构中所有的信息流总结提炼,提出空战场管制系统结构中的情报信息流模体(I-Flow)、指控信息流模体(C-Flow)、协同信息流模体(S-Flow)3类信息流模体[7],见下页表1。

2.3 流模体超网络模型

表1 空战场管制系统中的流模体

在空战场管制系统中,任意两个节点间都可能相互关联或者通过中间节点进行关联,但在这些关系中,只有一部分是有关键意义的,比如能完成一定功能的链路,基于流模体的建模就是基于这种考虑。

以区域级别的空战场管制系统为例,其基于信息流模体的超网络拓扑结构如图2 所示。

图2 基于信息流模体的空战场管制系统超网络建模

其中,管制指控节点:区域管制中心、预警机及机场;信息处理节点:情报处理融合中心;信息获取节点:雷达;管制执行节点:飞行器。

3 空战场管制系统网络结构特性度量

未来空战场管制系统起到维护战场秩序,提高空域资源使用效率和增强作战效能的关键作用,面临着大容量、高时效和激烈的对抗性,是对手重点攻击的目标,因此,为保证管制活动的连续、有序、有效,空战场管制系统必须具备灵活性、高效性和鲁棒性。

3.1 节点重要性

对于管制系统结构来说,节点重要性排序是一个非常重要的分析过程,通过节点重要性排序分析,能够确定系统结构H 中重要节点,从而加强节点的防护和备份,对于维持系统的持续性和稳定性至关重要。反之,对敌管制系统节点的重要性分析,能够便于发现敌管制系统关键节点,通过对敌重要节点进行选择性攻击,实现破敌管制体系的作用。同时,节点重要性分析还是系统鲁棒性分析的基础。

3.2 空战场管制系统灵活性

空战场管制系统灵活性是对空战场管制系统结构适应内外部环境变化的能力度量。系统的灵活性由系统结构的适变空间大小,及相应的适变代价决定,适变空间越大,适变代价越小,则系统的灵活性越大。用空战场管制系统流模体组合性度量适变空间,用其流模体的平均时延度量适变代价,则空战场管制系统的灵活性可以表述为:

3.3 空战场管制系统高效性

空战场管制系统高效性是对空战场管制系统结构运行效率的综合度量。一般采用空战场管制系统结构完成任务的平均时延,来反映其在完成任务的高效性。空战场管制系统结构H 完成任务的平均时延,应为系统结构中3 类信息流模体平均时延的加权平均,即:

显然,空战场管制系统结构完成任务的平均时延越小,则系统结构越高效。

3.4 空战场管制系统鲁棒性

空战场管制系统鲁棒性是指系统单元及单元关系不确定(失效或降效)情况下仍保持原有效能的能力。如果空战场管制系统结构H 受到攻击后,变为H',则系统结构中信息流模体损毁度可用下式衡量:

由于不同类型的空战场管制系统流模体,表达的含义有所区别,因此,总的损毁程度可看作是各种类流模体损毁程度的加权求和。即:

其中,δ≥0 用以控制不同等级之间抽样概率的间隔密度。当δ=0 时,各等级目标的抽样概率相同,抽样过程等同于等概率抽样,代表了随机攻击模式;当δ>0 时,随着δ 的不断增大,排名靠后的抽样概率变小,排名靠前的节点的抽样概率不断增大。因此,δ 反应的是对系统认知的程度,δ 越大认知准确度越高。

4 管制体系评估及算例分析

表2 有向连边的集合及时延测度

每个节点对信息的处理能力和速度不同,存在不同的时延测度,见表3。

令(αI,αC,αS)=(0.375,0.375,0.25),对空战场管制系统结构特性进行分析。

4.1 节点重要性

根据表1 中所示流模体模式,对系统结构H 中所有流模体进行统计,得到情报信息流模体24 条,指控信息流模体32 条,反馈与协同信息流模体124条。根据式(6),计算各管制节点的重要程度,如表4所示。

显然,基于流模体的管制节点重要性分析方法能够判断出节点在不同流模体中的重要性,从而体现出节点在不同功能环节中发挥的作用地位。由该重要性程度分析结果可以看出,区域管制中心和预警指挥机的重要程度最高,要注意该类节点的隐蔽、防护和备份。特别是预警机作为高价值目标,要在确保安全的前提下,发挥其关键节点作用。

表3 节点信息处理时延

表4 管制节点重要性排序

4.2 系统灵活性与高效性

将表2、表3 数据代入式(7)、式(8),得到空战场管制系统的高效性和灵活性指标,如表5 所示。

表5 空战场管制系统高效性和灵活性指标

由该结果可以看出,指控流模体的平均时延较大,不利于瞬息万变的空战场空情变化对管制指挥的需要。因此,要进一步梳理优化信息流程,降低指控流模体的平均时延。

4.2 系统鲁棒性

设敌对我空战场管制系统认知的程度为:δ=0.5。按照表4 的节点重要性排序,采用20 次不等概率抽样,分别对1、2、3、4 个节点进行攻击的蒙特卡罗仿真结果,如表6 和图3 所示。

表6 空战场管制系统鲁棒性仿真结果

图3 不同数目节点损毁后的系统有效性

可以看出,该曲线是一个“反S”曲线,即在已知的信息范围内,对系统进行针对性攻击,随着系统节点损毁数目的增加,系统有效性降低的速率先增加后减小。假设对于该空战场管制系统而言,要正常的发挥管制作用,需保持55%以上的有效性,利用线性插值法得到对应的损毁节点数目为2.14,即为空战场管制系统结构H 的鲁棒性度量。当δ=0.5时,即系统结构较为清晰,当系统的损毁节点平均数超过2.14 时系统将失效。

对于不同的系统而言,利用灵活性、高效性和鲁棒性指标,能够对系统结构之间的灵活性、高效性和鲁棒性进行比较,从而得到较优的系统结构,或者找到系统结构改进的方向。

5 结论

本文依据管制系统构建原则,提出了“四级空战场管制体系”构想,能够较好地契合当前战区联合作战,特别是战区联合空中作战指挥体制。采用基于流模体的超网络建模方法对管制系统进行评价,能够从信息流的角度,衡量系统的有效性、高效性和鲁棒性,克服了复杂网络模型对网络结构度量中出现的“结构冗余”和“无效连接”评价等现象。该方法能给出管制系统节点在不同功能中的重要性程度和结构特性度量结果,为管制系统节点防护或对敌节点打击选择提供直接依据,为管制系统优化指明了方向。

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