基于超网络的近距空中支援信息流转模式构建*

张 泽，王 瑛，岳龙飞，胡东愿，闫孟达，靳 阳

（空军工程大学空管领航学院，西安 710051）

0 引言

联合作战［1］是当前作战的发展要求，是未来作战的主要样式。近距空中支援［2］是一种典型的联合作战行动，指航空兵在与己方部队距离较近、可以直接影响己方部队行动的情况下，对目标实施空中突击，以支援陆上和海上作战部队。近距空中支援分为预先计划的近距空中支援和即时性近距空中支援，本文主要研究即时申请近距空中支援。构建近距空中支援信息流转模式，对于研究作战节点的重要程度，探索信息流向以及提高军队作战能力具有重要的意义。

目前，国内外对于作战信息流转、超网络以及近距空中支援都有一定的研究。对于作战信息流转，文献［3］运用超网络方法，构建作战信息流转模型，分析网络的关键指标，研究信息流转超网络模型的可行性；文献［4］构建防空体系结构超网络模型，分析模型中网络之间信息的交互传输，研究防空体系结构的运作。对于超网络，文献［5］介绍了超网络的发展、模型、优化和集成，对超网络未来的研究进行展望。对于近距空中支援，文献［6］介绍了近距空中支援作战基本流程，建立近距空中支援模型研究首攻概率，仿真验证模型的可行性；文献［7］研究二战时德国在作战中获得的作战经验，依托航空兵部队，支援地面部队和海军部队；文献［8］将近距空中支援与反叛行动结合起来，营和旅提供情报信息，为地面指挥官提供帮助，满足作战要求，实现作战目标。

对作战信息流转的研究，目前的文献总结出两点不足：首先在模型的构建方面，对网络的划分不够细致，对网络层级的复杂性描绘得不够清晰；其次，有关作战信息流转的案例比较单一。因此，本文在分析近距空中支援作战流程的基础上，运用超网络理论，构建近距空中支援信息流转模型，建立“两层四网”的超网络模型，描述各类作战信息在近距空中支援作战活动中的流转情况，仿真实验验证了模型的合理性和可行性。

1 作战信息流转

1.1 概念

作战信息流转［9］（Operational Information Flowing，OIF）是指在战场上，作战信息在作战节点之间传输、流动与交互的过程，反映了信息之间的动态传输，对信息的流动速度、方向有重要的影响。作战信息传输可以有效提高军队的战斗力，对于战术的研究有很高的借鉴意义。

1.2 要素定义

作战信息流转中的相关要素定义如下：

定义3：信息关联映射规则是指作战信息在作战节点之间交互传输构成的子网络所遵循的规则。其中，情报信息关系、指控信息关系、协调信息关系和火力信息关系分别用RI、RC、RH、RG来表示。

2 近距空中支援信息流转超网络模型构建

2.1 超网络理论

2.1.1 超网络的概念

美国科学家Sheffi 首次提出超网络的概念［12］，超网络是用来描述节点众多、结构复杂的网络，是超越了一般网络的网络。超网络有两种类型，分别是基于网络的超网络和基于超图的超网络［13-14］。

1）基于网络的超网络（Super-network）可以描述为由网络组成的网络，是一种层级多样、结构复杂、网络嵌套网络的规模巨大的网络，用超网络来描述“高于而又超于现存网络”的网络。此网络是复杂网络的进一步延伸，网络本身是一个复杂网络，主要特性包括多级、多维、多流量、多属性等，对于研究网络的多层特征以及网络的均衡性具有重要意义。

2）基于超图的超网络（Hypernetwork）以超图理论为基础，可以描述为：凡是可以用超图表示的网络就是超网络。

本文主要运用基于网络的超网络，一方面，虽然基于超图的超网络可以描述网络，但复杂庞大的网络很难用超图来描述；另一方面，即使用超图来描述网络，超图中节点和边分别被映射成节点和超边的集合，对于现实问题的刻画不够直观。本文研究即时性近距空中支援信息的流转，分析网络的多层、多级、多属性等特征，用基于网络的超网络可以直观地反映作战信息的流转。

2.1.2 超网络的关键指标

超网络是复杂网络的延伸和深化，所具备的拓扑特性比复杂网络更多。本文选取节点的超度分布、介数、聚类系数、网络弹性来分析近距空中支援信息流转超网络的特征。

1）节点的超度分布

节点v 的超度可以表示为与该节点直接相连的其他所有节点的总数，记为ki，也可以用与该节点直接相连的超边的数量来表示，节点的度可以反映该节点在网络中的地位，体现了节点在整个网络中的重要程度［15-16］。节点的超度处于动态变化的过程，本文重点讨论超度分布p（k）。p（k）表示随机选定一个节点，该节点的度为k 的概率，描述了整个网络中所有节点度的分布情况，可以有效反映战场中信息流转超网络动态变化的过程，表示为

其中，Nk为超度值为k 的节点个数，N 表示超网络中节点的总数。

2）介数

节点v 的介数［17］是指经过该节点的最短路径的数量占整个网络中所有最短路径的数量比例，超边的介数反映了经过该边的所有最短路径的比例。介数体现了节点和边在整个网络交互传输中的重要程度，反映了节点在信息流动中的作用，表达式为：

3）聚类系数

聚类系数是指节点v 所有邻居节点之间的实际连边条数与理论连边总条数的比例，集聚系数可以描述网络中节点的集聚情况，反映网络的紧密程度。超网络中聚类系数［18-19］可以表示为

n1表示超三角形的数目，n2表示长度为2 的路径数目。1 个超三角形指的是由3 个不同的顶点和3 个不同的超边构成的序列，3 个顶点是相邻的，2 路指的是步长为2 的路，在路中顶点和超边是相异的。

4）网络弹性

弹性指一个系统在受到干扰后发生故障和问题，最后返回初始状态或最佳状态的能力［20］。将弹性的定义与近距空中支援超网络结合起来，在该网络中，网络弹性指作战节点或作战信息受到干扰、损毁而发生故障和问题，最终网络能够保持完整、作战单元之间的信息关系保持连通的能力。

网络弹性可以定义为网络在受到干扰后，发生故障或产生问题最终能够回到初始状态或最佳状态的能力，可以表示为

2.2 作战信息流转超网络

作战信息流转超网络是由作战节点、作战信息及其属性所构成，作战节点代表战场中的作战单元，作战信息是作战节点之间的信息传输路由，属性包括节点类型、作战半径、通信能力等；作战信息流转超网络根据各个网络不同的功能和特征，可以划分为不同的子网络。例如，可以将作战网络划分为情报网、指控网、协调网和火力网。

作战信息流转超网络根据信息的交互流通规则以及信息流向将作战按照一定的机制进行划分，按照功能的不同形成集情报网、指控网、协调网和火力网于一体的作战网络。在作战信息流转网络中，情报网指作战单元对战场态势进行侦察、探测和监视，掌握整个战场的形势，将获得的情报信息发送给指控网和火力网；指控网分析从情报网获得的情报信息并进行资源分配，制定作战任务，发布作战指令以及评估指令的效果；协调网在作战中与联合部队中的指控单元进行联系，与其交换最新情报和作战数据，协助陆军部队并履行火力支援的职能；火力网根据情报网传来的情报信息进行火力打击任务。4 个作战网络相互作用、相互联系，共同完成大规模复杂的网络作战。每个网络中的作战节点、作战信息具备作战信息流转超网络特征，同时具备各自独有的属性特征。为了更全面地研究作战信息流转超网络，本文提出“两层四网”模型。“两层”是指结构层和属性层，结构层是由情报节点、指控节点、协调节点和火力节点，以及各节点之间的信息关系组成，属性层指作战节点和作战信息中包含的属性集合；“四网”包括情报网、指控网、协调网和火力网。研究战场中各作战信息在作战节点之间的流动，将信息关系在作战节点之间的流动用连边进行连接，将4 种作战网络进行映射，形成超网络模型。

2.3 近距空中支援信息流转超网络模型

近距空中支援信息流转超网络是指为满足近距空中支援信息流转作战任务需求，战场中的作战信息将作战节点以一定的映射规则连接起来，构成一个集情报网、指控网、协调网和火力网于一体的多层多级多属性的网络。

2.3.1 近距空中支援作战流程

近距空中支援作战力量包括陆军和空军两个军种，作战力量分为情报、指控、协调和火力四大类，具体如表1 所示。

表1 作战力量具体情况

即时性近距空中支援作战的流程可以分为12步，具体为：

第1 步：情报中心发现目标。

第2 步：指挥机构决定申请近距空中支援。

第3 步：情报中心将信息传递给空中协调组。

第4 步：空中协调组将申请传递给空中协调系统。

第5 步：空中控制中心监控信息，协调近距空中支援申请。

第6 步：空中协调组与地面火力中心进行协调。

第7 步：战场协调中心向空中指挥所发布指令，协调作战飞机；地面协调中心呼叫联队空中指挥所，紧急调用援机。

第8 步：空中指挥所向联队空中指挥所发布指令，要求飞机起飞。

第9 步：控制中心指派飞机前往联络点。

第10 步：地面情报中心向援机发布情报信息，传达战场情况。

第11 步：援机离开出发点，前往目标区，攻击目标。

第12 步：指挥机构评估作战效果。

近距空中支援作战信息流转过程如图1 所示。

图1 陆空近距空中支援作战信息流转基本过程

2.3.2 近距空中支援信息流转超网络建模

1）作战节点

近距空中支援作战中共有4 类节点，包括情报节点、指控节点、火力节点和协调节点共30 个，节点属性选取探测（Dc）、指控（C2）、调度（Di）火力（Fr）、通信能力（Co）、机动速度（Mo，单位：km/s）、作战半径（Ra，单位：103km）、高度（Hi，单位：km）、信息质量（Iq）和抗毁性（Su）等10 个［3］，具体信息如下页表2 所示。

表2 作战节点抽象情况

探测、指控、调度和火力属性分别是情报、指控、协调、火力节点独有的属性特征；情报节点负责信息传输，通信能力强于其他节点，火力节点负责火力打击，对机动速度要求最高；信息质量反映了作战单元信息的传输能力；抗毁性体现了节点被损毁后的恢复能力。

2）信息关系

近距空中支援作战中包括4 类信息关系，其中情报信息关系、指控信息关系、协调信息关系和火力信息关系共66 个，其属性主要选取探测（Dc）、指控（C2）、调度（Di）、火力（Fr）、时延（Dl，单位：ms）、带宽（Bd，单位：Mb/s）和机密性（Se）等7 个［3］，具体信息如下页表3 所示。

表3 信息关系抽象情况

3）近距空中支援信息流转超网络模型

考察近距空中支援作战中的作战节点和信息关系，研究节点之间信息的交互流动，根据信息的关联映射规则，将作战节点之间进行连接，建立近距空中支援信息流转超网络模型。该超网络模型是一个“两层四网”的模型，“两层”指结构层（LS）和属性层（LA），结构层包括4 个子网，分别是情报网、指控网、协调网和火力网，超网络中包含30 个作战节点和66 个信息关系，属性层由属性节点（NA）和属性信息（IA）构成，共13 个属性，近距空中支援信息流转超网络模型如第27 页图2 所示。

图2 近距空中支援信息流转超网络模型

图中，结构层涵盖了近距空中支援的全要素，情报子网负责作战前期敌方军事力量的侦察，主要由空军力量完成。指控中心主要负责对空中支援部队和地面部队的指挥控制任务，协调子网完成空域协调、打击协调、安全撤离等任务协同工作。火力子网各节点由空中力量组成，主要负责对地打击任务。下面从人、机、环境的角度对各个子网进行详细分析。

从人员角度来看，情报子网中地面情报中心和控制中心均由空军人员负责。地面情报中心负责向地面和空军指挥员提供有关兵力部署、战场态势、目标辨别和毁伤评估等方面的信息。情报控制中心主要由情报人员担任情报的收集、清洗、处理以及分发工作。指控子网由空中指挥官、地面前敌指挥官负责分配资源和任务指令下达工作。协调子网主要由执行任务指令的联合部队分队人员组成，包含陆军分队和空军分队，履行空中支援计划冲突检测和协调等职能；火力网中主要由执行支援任务的空中作战人员组成，负责实施火力打击等任务。

从战机角度来看，整个近距空中支援包含空中预警机、空中加油机、对地攻击机。其中，预警机主要位于情报子网中，负责为战机提供安全通过的信息和监控信息。空中加油机和对地攻击机位于火力

子网中，加油机可以扩展支援飞机的作战能力范围。对地打击飞机均受指控子网中的联合指挥官指挥控制。

从环境角度来看，整个近距空中支援环境包含电磁环境和作战地势环境。电磁环境主要影响情报子网中预警机的雷达探测、目标监视以及情报的传输共享任务，增加了网络的复杂性。作战地势环境由双方地面部队的作战地理位置决定，对火力子网中支援飞机任务的执行产生影响，从而对指控子网和协调子网形成反馈作用。

3 仿真与分析

根据近距空中支援信息流转超网络模型，分析该模型中各项关键指标，考察拓扑指标对于近距空中支援信息流转的影响，主要进行节点的超度分布、介数、聚类系数和网络弹性这4 种指标的分析。

3.1 节点的度及超度分布

根据近距空中支援信息流转超网络模型的邻接矩阵和式（1），计算节点的度及超度分布，考察节点在网络中的重要程度及其动态变化过程。节点的超度K 及节点超度的平均值，如下页表4所示。

表4 节点的超度

根据计算结果可知，节点超度的平均值为5.13，超度值较高的节点为地面情报中心和编队中指挥权限最高的援机，地面情报中心处于情报网的核心，负责向援机发送引导信息，援机处于火力网的核心，编队内部包含情报信息和指控信息的传输，信息传输频繁。节点的超度分布如图3 所示。

图3 节点的超度分布

由节点的超度分布图可知，节点的超度分布先增大，达到峰值后再逐渐减小，大部分节点的超度值较低，表明近距空中支援作战单元之间的连接分布不均匀且较为分散。

3.2 介数

根据式（2），计算得出近距空中支援超网络模型的节点介数平均值为28.20，介数随超度值变化的趋势如图4 所示。

图4 介数的分布图

由图4 可知，整体而言，介数随着超度值的增大而增大，但是在介数分布图中，存在超度值较小的节点具有较大的介数。例如超度值为3 时，节点的介数达到最大值，对应的作战单元有地面情报中心、联合指挥所、陆上指挥所、地面协调中心、战场协调中心、援机等，这些作战单元在近距空中支援作战中担任探测监视、任务分配、协调、火力打击等功能，与超网络中其他节点密切连接，是整个网络信息交互传输的纽带。

3.3 聚类系数

根据式（3），计算近距空中支援信息流转超网络的节点聚类系数C 和平均聚类系数，计算结果如表5 所示。

表5 节点的聚类系数

该超网络的平均聚类系数为0.39，显示出节点之间的连接关系较为紧密，说明作战单元之间交互沟通频繁，表明近距空中支援作战节奏快、对抗激烈，作战信息在作战单元之间流转传输，有利于加强作战网络连接的紧密性。聚类系数分布图如图5 所示。

图5 聚类系数分布图

图5 显示了近距空中支援信息流转超网络节点聚类系数的分布图。由图可知，聚类系数为1 的节点最多，少数分布在0.5 左右，超度分布较大的节点具有较大的聚类系数。例如地面情报中心、火力中心、空中协调组等超度值为4，聚类系数为1.00，体现了近距空中支援作战超网络中重要的节点之间连接较为紧密，这些节点在作战中担任情报侦察、指令发布、任务协调以及信息引导等功能，此类节点之间的信息关系连接更为复杂。聚类系数的分布图显示聚类系数的分布具有明显的分层，体现了超网络的多层多级结构。在近距空中支援信息流转超网络中，地面情报中心与援机编队通过引导信息建立联系。

3.4 网络弹性

在近距空中支援作战中，主要研究单个作战节点遭受敌方攻击损毁后无法还原的情况，攻击分为随机攻击和故意攻击两种类型，故意攻击包括按超度值攻击、按介数攻击和按聚类系数攻击3 种情况。根据式（4），计算近距空中支援信息流转超网络模型的网路弹性，当一个节点遭到敌方攻击损伤后，超网络的弹性随攻击时刻变化曲线如图6 所示。

图6 网络弹性随攻击时刻变化曲线

由图6 可知，超网络弹性值随攻击时刻的增加不断下降，在攻击过程中弹性值有递增情况，主要源于被损毁节点数增多，网络中孤立节点数量增加，删除孤立节点有利于增强网络的连通度，即增强超网络的弹性。

介数攻击对网络弹性值的影响最快，最早趋于零；随机攻击次之。接下来分别是按超度攻击和按聚类系数攻击。介数攻击直接反映了近距空中支援超网络中的关键节点，能够直接删除对网络影响大的节点，进一步降低超网络的弹性值。

4 结论

本文提出了即时性近距空中支援信息流转超网络模型，基于超网络理论构建了近距空中支援超网络“两层四网”模型，研究作战信息在作战节点之间的交互传输，通过仿真实验分析该超网络节点的关键指标，考察节点的重要程度及信息的流转效能，验证了模型的合理性和可行性。下一步将优化超网络模型，以提高节点的抗毁性和信息的流转效率。