信息支援下的作战体系多层网络建模

鲁统亮, 陈文豪, 葛冰峰, 邓祁零

(国防科技大学系统工程学院, 湖南 长沙 410073)

0 引 言

随着军事高科技手段的发展和作战样式的不断革新,作战体系中装备的种类、功能趋向复杂性、多样性,网络中心战作为现代信息化战争的主要形式,体系对抗的重心也从传统意义上的兵力规模、火力强度转移到各类节点之间的联系、相互作用的强弱，并以此作为衡量一场战斗的主要因素。现有作战建模仿真研究中缺少对通信网络对整个作战体系的影响和作用的研究。同时,对于装备节点的功能性能考虑不够全面导致构建的作战网络模型精确性大大降低,从而影响仿真分析的结果。因此,本文研究中,根据复杂网络的相关理论,通过建模分为目标节点(T)、传感节点(S)、指控节点(D)、通信节点(C)和打击节点(A)5类,在文献[3]基础上,构建了各类节点的战技性能指标体系。

目前,指控系统等武器装备平台(或系统)大多具备侦察、传感、通信、指控、打击等功能,作战体系是由多种武器装备(单元)组成,通信网络作为体系中沟通的桥梁,使得作战体系的整体涌现性得以发挥。通信网络将独立的武器装备平台(或系统)连接起来,实时收集、共享、协同处理多种信息、指令,从而对整个作战网络协调控制,实现能量流、物质流和信息流的传输,达到提升整体作战能力的效果。

因此,在作战网络建模过程中,需要对作战网络中的每个实体单元进行建模,从而构建其对应的能力指标。

1 节点的建模

由于作战网络节点的异质性和边的不确定性,这里将作战体系划分为指控网、传感网、打击网和通信网。指控网是由指挥人员组成的具有指挥控制功能的指挥机构作为网络节点,指控网节点之间所构成的关系即指控关系，构成了指控网节点与节点之间的边,且指控关系具有一定的组织层次网络结构,是各种作战单元形成体系能力的核心。传感网络是由战场中各类具有传感探测功能的作战单元作为网络节点,传感网路中作战单元之间的信息交互形成了网络节点与节点之间的边,主要为指控网中的节点提供情报支援,连接了战场上所有的网络结构。打击网是由具有火力打击能力的武器装备作为网络节点,火力打击节点之间的能量交互作为节点的边。通信网络构成了指控网、传感网和打击网3个网络之间的通信链路,是网络之间的连接纽带,对网络形成作战体系能力具有重要的作用。作战体系中信息流、能量流的方向如图1所示。

图1 作战体系信息流、能量流向示意Fig.1 Information flow and energy flow directions of the combat systems

1.1 目标节点的建模

敌方目标是我方作战体系攻击或干扰的对象,要对目标进行针对性打击,必须分析敌方目标节点之间的关联关系,从目标节点所具有的特征属性中选取我方所关注的主要特征属性。因此,这里将目标节点定义为敌方的作战单元(实体),可以作为己方攻击的各类装备目标。

1.2 传感节点的建模

本文中传感节点的建模与传统的侦察设备有一定的区别,前者不仅包含了侦察搜索装备,还包括了情报处理和信息传输装备,其范围更加广泛。也就是说,传感节点主要功能是对目标进行侦察搜索、定位识别等,然后将侦察搜集的数据和信息通过通信网传输给作战网络中的其他节点,为指控节点提供态势信息或为打击节点采取有效行动提供信息支持。基于此,这里主要关注通信相关的战技指标，包括:

(1) 通信覆盖范围:为定量指标,是指2个通信节点之间进行通信传输的最大距离;

(2) 传输速率:通信节点之间信息传输的速率,为定量指标;

(3) 通信质量:话务、文电等系统能为雷达提供信息的能力,通信质量的影响因素与信道的多少、传输协议等有关,为定量指标;

(4) 通信时延:是指报文从进入节点到离开节点之间的时间。通信时延主要有发送延迟、传输延迟和处理延迟,为定量指标。

1.3 指控节点的建模

指控系统是信息化战争的核心装备。外军日新月异的各类数字化指挥设备、通信电子系统及实时态势感知和指控信息确保了信息的完整性、保密性和可用性。因此,指控系统是整个作战网络中重要的组成部分,指控能力对于提高军队整体的作战能力具有重要影响。

这里将指控节点(decision,D节点)定义为:集指挥等功能于一体的武器平台,能够实现对情报信息的接收、处理、分发等功能,并根据信息作出相应决策,通过发出指令信息控制其他节点。

1.4 打击节点的建模

随着先进信息技术的不断发展,新的技术与常规武器相融合,武器装备的打击范围、打击精度、机动能力以及智能化程度都有了显著的提升,电子战贯穿现代战争的整个阶段,是双方夺取制信息权的重要手段。

本文将打击节点定义为:对对方目标进行直接火力打击或者对对方目标实施干扰使对方目标失去作战能力。打击节点按照打击方式不同分为毁伤类和干扰类2种。毁伤类主要是使用火力对对方目标进行直接火力摧毁使其丧失作战能力,从而达到作战目标；干扰类主要是使用电子干扰等手段使敌方目标丧失作战效能不能正常工作从而达到作战目标。

1.5 通信节点的建模

通信网络作为作战网络中重要的组成部分,具有连接各类节点的作用,按照层级关系和指控关系进行连接。通信网络中存在的部分Hub节点,对网络的稳定性和抗毁性都有着极为重要的影响,一旦受到攻击,会影响整个作战网络的连通性和作战效能。

这里将通信节点(communication,C节点)定义为:将作战体系中具有信息传输、信息共享、信息融合、信息处理的一种或多种效能的装备,称为通信节点。综上,作战实体分类如表1所示。

表1 作战实体分类属性描述

2 边的建模

现代作战循环理论(observe orient decide act,OODA),将作战过程抽象为由传感节点发现目标,通过信息节点将目标信息传至决策节点,决策节点对信息进行分析处理,进而通过信息节点指挥打击节点进行选择性打击。因此,我们可以将作战环定义为:面向特定作战任务,作战体系中的感知、决策、攻击节点与对方目标节点构成的代表作战行为关系的闭合环路,各类节点之间的有向边是节点之间作战关系的抽象,作战环如图2所示,其中图2(a)为标准作战环,图2(b)为广义作战环。

图2 作战环Fig.2 Operation Loop

由此可见,作战环的数量越多意味着作战体系的抗毁性越强,面对不同目标节点的打击手段越多,从而能够在战场环境中发挥出更强的敌我优势。可以选取节点与节点之间的相互关系进行建模和仿真,其中,作战体系的网络模式如图3和表2所示。

图2 7种网络模式Fig.2 Seven kinds of network modes

表2 作战网络模式

去除其中不存在的网络模式,这里仅考虑7种杀伤链，如表3所示,即

={,,,,,,} (1)

表3 作战网络中不同杀伤链的含义

2.1 T→S边

(2)

(3)

式中:(0<<1)是可调节参数；是探测范围的面积；()是指标的权重；()是的隶属函数,常用隶属函数的确定方法可参考文献[14]。

2.2 S→C→D边

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:为侦察传感装备与决策装备的距离。

2.3 D→C→A边

2.4 A→T边

A→T边表示的是打击节点到目标节点的边,分为火力打击 A→T边和电子干扰A→T边。

2.5 S→S边

2.6 D→D边

(9)

(10)

(11)

3 作战网络多层模型构建

作战网络模型反映节点之间作战力量编制上的隶属关系,对于同级之间各节点并没有相互的联系或者信息流转。战场中,作战网路会随着态势的变化而动态演变,作战实体通过通信网络进行层级间的联系,这极大缩短了作战实体之间的信息流转,从而提高了作战体系的快速反应能力。在实际作战过程中,由于作战网络中节点之间的边是对方重点打击的对象,节点之间的通信可能被破坏导致通信中断。因此,需要在作战体系静态结构的基础上,增加一些横向和跨层联系,即在静态网络建模的基础上,探寻动态结构的变化,从而能够准确反映实际战场中作战网络的变化。双方作战体系示意图如图4所示。

图4 双方作战体系示意图Fig.4 Schematic diagram of the combat system of both parties

作战网络:根据己方的战略意图和作战决心,将相关的作战单元按照一定的拓扑结构和指挥关系进行连接,形成的一个具有战斗力的网络。

作战体系:由相关的作战单元、实体、系统组成，具有适应战场环境的系统之系统,体系的规模随着战场环境的变化而变化,具有一定的涌现性和适应性。

体系对抗:是两个相互敌对的巨大作战体系之间发生的大规模联合作战行为。以破坏对方体系为目的,同时最大程度地保存己方体系。

作战体系的(对抗)能力,源自于以下2种机制的共同作用:① 感知、指控、交战、通信节点自身的行为机制;② 作战体系“从传感器到射手”的反映周期或杀伤链的长度。较长的反应周期,必然导致作战行动的迟缓,通常来不及反应就已经被对方歼灭。从网络的观点,第一种表现为节点自身的能力(性能、效能);第二种表现为体系网络平均最短路径的长度与通信节点的性能。在网络规模(联网的节点数)相同的情形下,由于不同的网络拓扑结构,其平均最短距离差异巨大。

另一方面,相同规模数的作战体系,其异质网络中不同种类节点的配比会对网络的整体能力造成较大的影响。比如,杀伤节点太少会导致对于对方体系破击能力不足,而指控节点、通信节点不足则会导致体系反应迟缓、行为节奏慢于对方杀伤周期而遭到对方歼灭,传感节点不足则会导致目标难以发现,进而影响对对方目标的实时打击。作战网络的普遍规律包括:小世界、无标度、高聚集性、幂律分布、 指数分布等。

作战体系超网络:由物理域、信息域和认知域组成的,按照一定的指挥关系组成的复杂网络,3域的关系如图5所示,同时可以用下式来表示体系作战超网络:

SSG=(,,)=
+++++

(12)

图5 作战体系三域关系Fig.5 Three-domain relationship of combat system

3.1 作战体系到复杂网络拓扑模型的映射方法

对作战体系进行建模,可以构建得到作战体系复杂网络拓扑模型。

战场中作战体系的结构不断发生变化,图6表示在体系对抗的场景下,作战双方通过网络将信息传到指挥所,通过决策指令的打击相应目标的体系对抗示意图。

图6 体系对抗网络拓扑图Fig.6 System confrontation network topology diagram

需要说明的是,映射后的节点对应作战体系中的一个实体,当某个节点的功能和属性具有多样性时,这里将分别对其进行映射。例如,对于预警机节点来说,同时具有侦察、通信功能等,这里引入2个不同的节点分别表示预警机上的传感节点和通信节点。利用这种方法,可以将实体映射到不同功能网络上,这样就能够独立地评估和分析某个功能网络而不需要考虑过滤节点和过滤边的问题。

3.2 作战网络各层网络建模

体系作战超网络在物理域上的交战网络,可以表示为

=(,,)

(13)

式中:={,,…,1 }表示红方作战实体的节点集合;={,,…,2}表示蓝方作战实体的节点集合;∩=;代表和之间的交战关系,⊆·。

传感节点、通信节点节点等相互对应。即信息网络是一个二元组有向网络,可描述为

=(,)

(14)

式中:=∪表示信息网络的节点集合;表示和之间的信息流转关系。

决策节点的主要功能是接受来自传感节点的信息与感知态势,因此指控网可以表示为

=(,)

(15)

式中：=表示指控网络中决策节点集合;表示之间的指挥与控制关系

体系作战超网络的网间关系可以形式化描述为

={|∈,∈}

(16)

另一种是由传感器到信息网的信息传递,可以表示为

Flow=flow(→)

(17)

目标信息流Flow的发起端是物理域的节点,接收端是信息域的,不够及时的态势信息势必会影响到指控的有效性和准确性,因此其网间关系可以表示为

={|∈,∈}

(18)

用态势信息流Flow描述该过程,形式化描述如下:

Flow=flow(→)

(19)

式中:Flow表示的是端到端的传感节点所传输的信息。因此,基于指控网到通信网的传递关系可以表示为决策信息流

Flow=flow(→)

(20)

决策信息流Flow涵盖了信息域中火力和信息任务2种,一般都需要先经过信息处理节点。而信息域和物理域之间的网间关系,成为指挥控制信息流,可以表示为

Flow=flow(→)

(21)

4 模型构建

本节给出的案例来源于真实作战游戏中的作战想定。全球新型冠状病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)流行之际,蓝方趁机公开宣布独立,迫使红方武统,从森林大陆展开了以立体登陆为中心的跨越海峡,陆、海、空、天、电、网联合解放叶岛战役行动。为坚决捍卫国家主权,遏制蓝方军事活动,打压蓝方军事威胁,红方在相关区域展开执行海空联合打击作战任务,具体指挥关系如图7所示。区别于Cares构建的作战环模型,如图8所示,我们把上述海空联合打击作战体系分为以下4类节点:指控节点、传感节点、打击节点、通信节点。作战体系结构示意图如图9所示,其中●表示指控节点,●表示通信节点,●表示打击节点,●表示传感节点。我们可以看到通信子网作为指控子网、传感子网和打击子网的连接桥梁,多功能节点(如战斗机)作为每个子网的融合节点,既具备传感属性,同时又具有打击、指控等属性。由作战网络拓扑结构可知,作战网络具有中心性和层次性,其中最外层叶子节点分别为传感节点和打击节点,中央节点为指控节点,而连接中央节点和叶子节点的为通信节点。其中,通信处理节点处于前3级指控节点层,最外层任务编队(第4层指控节点)无实体指控节点，仅有指控属性,且编队之间不互连。传感网络根据传感节点重要程度进行排序,然后按幂律分布得到权重,根据概率进行自连。打击子网不互连,传感节点和打击节点的互连概率按打击节点的重要排序后按幂律分布得到权重后根据概率进行互连。传感节点和无隶属关系的指控节点按概率进行连接。

图7 海空联合打击指挥关系图Fig.7 Relationship between the sea and air joint strike command organization

图8 作战网络拓扑结构层次图Fig.8 Hierarchical diagram of combat network topology

图9 指控子网的拓扑结构Fig.9 Topology of the command and control subnetwork

指控子网是一个由4层网络组成的网络,前面第1层指控节点D直接与第2层指控节点D、D、D相连,第2层指控又直接与第3层指控节点相连,可知前3层指控节点与通信节点集成在一起,没有单独区分指控节点的通信属性。由拓扑结构图10可知,C在整个网络中起着重要作用,同时第2层指控节点又起着备份的作用,当中央节点收到打击后,可由第2层节点接替发挥职能。这样就保证了指控网络的健壮性。

传感子网是一个开放网络,对外部环境有着较强的感知交互能力,通信网络将传感器获取的信息直接传给指控节点,以实现态势感知。显然,传感子网的度分布不是线性关系,说明传感子网具有一定程度的模块化性,即传感网络是具有社区性的扁平网络,对于网络间信息传输效率的提升具有重要意义,传感节点可以快速加入和退出,降低了网络的故障率,促进了整个作战网络的信息融合。

打击节点处于作战体系的边缘,属于叶子节点。接收传感节点、指控节点的信息和指令完成相关作战任务。流经打击节点的包含目标信息流和指控信息流,在战场各个领域中综合运用各类武器装备或手段来打击敌方目标。由图11可知,打击节点虽然处于作战网络的边缘,但作为战斗单元,通常同时具备传感、通信、指控和打击的属性和功能,例如空中巡逻编队和对地打击编队等。因此,这里不再单独区分打击网络的分属性,而是将研究的颗粒度定义为作战单元,分析其内部多属性的融合与网络中其他类型节点的关系。

图10 传感子网和通信子网的结构示意图Fig.10 Sensors subnetwork and communication subnetwork

图11 打击子网和通信子网的结构示意图Fig.11 Attack subnetwork and communication subnetwork

通信中继节点处于第4层指控节点与传感节点、打击节点之间,而不是直接打断传感节点、打击节点加中继节点。只要不是一个编队的传感之间和传感、打击之间必须要通过中继节点连接,C-C,D-D之间可以按照节点度的分布,以一定概率生成中继节点。只考虑第4层的中继节点,按照最大连通子图增加C,然后按照最短路径的策略给度过大的中继节点增加个数。

5 结 论

通信节点在作战体系中尤为重要,对于指控流、能量流、物质流的传递具有重要的纽带作用,对敌方重要通信节点的打击往往能产生优于打击其他节点的效果。因此,在对抗场景下,哪一方能够充分利用这一特性,对于作战效能的发挥能够起到事半功倍的效果。同时,也为我方在对抗场景下通信节点的保护和伪装提供了依据和参考,重点保护哪些节点和枢纽,优先修复哪些节点,才能使得作战体系作战效能得到最大化的发挥。

通信网络是由具有核心结构的外层和内层组成的小世界网络,外层节点倾向于连接更重要的节点,同时通信网络的层级性使得整个作战网络不会发生信息流的冲突,同时提升了信息流通的效率和成本,将真实作战场景中的武器装备体系一一映射到各个域中并进行分层表述。同时着重考虑了通信节点对整个作战体系的的影响,体现了武器装备体系的功能和属性多样性,对于研究信息支援下的体系对抗作战效能具有重要意义。能够为下一步作战体系计算作战效能提供了依据和参考,在建模与仿真的基础上,定量化分析某一时刻下作战效能的大小。