基于體系視角的賽博空間作戰效能評估

胡曉峰 許相莉 楊鏡宇

(國防大學 信息作戰與指揮訓練教研部，北京100091)

1 引言

作戰效能評估，是對作戰力量在作戰過程中發揮有效作用程度進行的評價和估量，是作戰行動分析中不可缺少的重要環節，也是該領域研究的重要難點［1］。近年來隨著戰爭模式的不斷發展演化，賽博空間作為繼陸、海、空、天之后的第五維戰略疆域，其重要的戰略地位日漸凸顯［2，3］，制網電權成為在其他所有作戰領域進行有效行動的先決條件，賽博空間作戰也成為一種全新的作戰模式，并對作戰效能評估的概念和方法提出了全新的挑戰。由于賽博空間作戰是體系作戰，對其進行效能評估需要著重反映其整體、動態和對抗特性，傳統的效能評估方法已經無法適用于全新的賽博空間作戰模式，因此如何對賽博空間作戰效果進行評估是信息時代戰爭中要解決的重要問題，也是作戰效能評估領域面臨的重大難點，目前尚未形成系統有效的解決方案。本文首先對賽博空間及其體系特性進行了深入分析，進而在體系視角下總結探討了賽博空間作戰效能評估的可行方法，并提出了新的思路，為該領域的理論研究和方法實踐提供了可行依據和有效借鑒。

2 賽博空間及其體系特性

2.1 賽博空間

賽博空間一詞根植于維納的控制論以及電子信息與控制科學方面的開創性工作，是信息環境內的全球領域，由相互依賴的信息技術基礎設施網絡組成，包括因特網、電信網、計算機系統以及嵌入式處理器和控制器。主要特征是可以利用電子信息和電磁環境效應技術進行信息的產生、存儲、交換等廣泛應用，實現對物理系統、信息系統的實時管控，進而影響人類認知和社會活動［4，5］。由于賽博空間的電磁學性質集成了一系列感知、聯通、傳輸、處理、控制等能力，使其可以產生諸多與地理位置無關的、虛擬的、實時或延時的溝通和控制能力，賽博空間作戰正是這些能力的運用，其主要目的是在賽博空間內或通過賽博空間實現軍事目標或軍事效果［6］。

2.2 體系與戰爭系統

體系是能夠進一步涌現出新性質的關聯或聯結的獨立系統的集合，是復雜的“系統的系統”［7］。體系具有組分系統獨立、相互依存關聯、軟硬因素綜合、完成共同使命等性質，其核心特點是能夠涌現出新的性質。此外，體系作為一種特殊系統還具有一些特殊性質，導致對其進行效能評估存在一定困難，主要體現在:①體系是復雜系統，具有涌現性，體系的目標是涌現出來的，只能引導，不能確定。②體系是“活”的系統，具有進化性，結構是可變、自組織的，不能建造，只能演化。③體系能力是動態變化的，具有相對性，能力通過要素運動產生，體系效能通過多方對抗展現。

戰爭系統作為最為復雜的系統之一，涉及到作戰體系、國家關鍵基礎設施、社會群體行為等許多不同的體系，可以形式化描述如下:

其中作戰體系、社會體系和賽博空間體系均為復雜系統。由式(1)可以看出，作為戰爭系統的倍增器或倍減器，賽博空間體系的重要性更為凸顯，必須尋找新的方法有針對性地對賽博空間體系進行深入研究。

2.3 賽博空間體系與效能評估

賽博空間體系連接了其他要素和體系，將其組成了一個整體，通過不斷交互演化出新的體系性質和特點。對賽博空間作戰效能進行評估，需要結合賽博空間體系的本質，充分考慮如下三大問題:

首先，賽博空間作戰是與人的認知相關的所有行為和過程，涉及到多種實體、系統過程、作戰行動、作戰效果，要對作戰效能進行評估首先需要對它們進行建模。如何完成對賽博空間的實體、體系仿真建模，以及網絡依賴、級聯等特殊行為的建模是進行賽博空間作戰效能評估的基礎。

其次，大量賽博空間實體組成了基于信息系統的賽博空間體系，賽博空間的范圍是大尺度和網絡化的，賽博空間行動的范圍涉及到所有戰爭相關的信息感知與控制領域，是國家間的體系對抗。對賽博空間作戰效能進行評估針對的不再是具體行動的結果，而是體系的整體能力，因此在效能評估過程中如何反映賽博空間作戰行動的體系特點，包括體系整體效應和級聯失效效應等，是要解決的首要問題。

第三，賽博空間是唯一的人造和人控的空間，它依托電子裝備，通過聯網生成，實現人感人控，是建立在物理空間之上為認知服務的虛擬空間。作為對空間與物理空間進行認知的第二種途徑，賽博空間并不是簡單的空間擴展，其作戰行為和作戰效果均與以往的常規作戰有較大差別。因此，根據賽博空間行動的特點描述行動的效果和結果，在傳統的作戰效能評估方法基礎上設計和創新更為合理的評估方法，是進行賽博空間作戰效能評估的關鍵。

本文針對上述問題分別進行了深入研究，在傳統的效能評估方法基礎上，結合賽博空間作戰的本質特征，總結了面向賽博空間體系作戰效能評估的可行方法，并提出了新思路和新方法。

3 基于數學解析計算的評估方法

解析的方法是效能評估中最常用的傳統方法，但用來評估賽博空間作戰行動，還必須考慮更多的復雜性問題。

3.1 面向單項作戰行動或單一裝備的評估

對于單項賽博空間作戰行動或單一裝備行動進行效能評估，仍然可以采用傳統的分析法。效能評估中常用的傳統方法包括:層次分析、TOPSIS評估法、系統動力學方法、遺傳算法、排隊論、ADC分析法、數據庫分析方法、指數法、卡爾曼濾波器、Petri網、系統效能分析SEA、博弈論、探索性分析法、馬爾可夫模型、最優化方法、模糊綜合評估法、決策樹方法、貝葉斯網絡、數學規劃方法、多屬性效用分析法、灰色白化權函數聚類、事件/故障樹法、復雜理論方法、蒙特卡洛試驗法、神經網絡方法等。

3.2 面向武器裝備系統或體系的效能評估

對賽博空間體系的效能進行評估與單項評估有很大不同，首先需要建立指標體系進行單項評估，然后再進行綜合評估。確定效能指標應遵循針對性、獨立性、完備性、可測性、客觀性、簡明性的基本原則。傳統的效能評估指標體系采用的是樹狀結構，但是賽博空間作戰是體系作戰，各指標之間實質是網狀結構而非樹狀關系，各指標之間是相互關聯的而不是獨立的，賽博空間體系產生的綜合效能不是“簡單和”關系，而是涌現出的整體性效果，不能用局部指標簡單求和來得到整體效能。對賽博空間體系進行效能評估應該建立在動態、整體、對抗的基礎上，傳統的樹狀指標體系無法滿足這些要求，必須尋找新的方法展開對賽博空間體系的效能評估。

通過對賽博空間體系、網絡科學、戰爭復雜性等方面的初步研究發現，網絡科學整體論與體系涌現論在內在機理上具有很大的相似性，具體表現見表1。

表1 網絡科學整體論與體系涌現論對比

表2 利用復雜網絡方法進行效能評估的示例

因此，研究賽博空間體系效能可以借鑒網絡科學，賽博空間效能評估關注的耦合交互作用效果以及涌現出的新性質和整體效能均可以通過復雜網絡理論進行更準確的研究。表2為利用復雜網絡方法將網絡中心戰思想轉化為分布式網絡化作戰模型進行效能研究的示例［9］。

可以看出，復雜網絡方法能夠更準確地對效能進行量化，在作戰效能評估領域具有很好的應用潛力。

1.1 研究對象 選取2017年3-7月在中國醫科大學附屬第一醫院行麥默通微創旋切術的126例患者為研究對象，隨機分為干預組(65例)和對照組(61例)。對照組年齡18～65歲，平均(37.12±9.11)歲，平均BMI(22.41±2.05)kg/m2。觀察組年齡18～65歲，平均(37.11±9.87)歲，平均BMI(22.38±2.12)kg/m2。 兩組一般資料比較，差異無統計學意義(P>0.05)，具有可比性。本研究獲得醫院倫理委員會批準，所有研究對象對本研究知情并簽署知情同意書。

4 基于歷史數據和實驗的統計評估方法

目前基于實驗的統計評估主要分為基于實際數據、基于實驗環境和基于賽博空間演習三個類別。

4.1 基于實際數據的評估

該類評估方法根據已經發生的網絡事件的歷史數據進行分析和挖掘，從而預測賽博空間攻擊及其對計算機信息系統的潛在影響［10，11］，包括各種模型的研究，如弱點模型、攻擊模型、威脅模型、效果模型、風險模型等。美國明尼蘇達陸軍高性能計算機研究中心研發的MINDS入侵檢測系統采用數據挖掘技術自動檢測計算機網絡和系統的攻擊［12］，彌補了以前研究中定量不足和未經真實數據驗證的缺陷。近年來新興的大數據(Big Data)技術和現實挖掘技術通過對巨量的賽博空間作戰數據進行分析，研究組織行為及作戰效能，從中得到效能數據結果，在對賽博空間作戰效能評估方面也具有一定的潛力和優勢［13，14］。

4.2 基于實驗環境的評估

基于實驗環境評估的主要實現形式是構建賽博靶場(Cyber Range)［15，16］，通過構建的實物、半實物仿真環境，模擬賽博空間中各種信息化要素的屬性和行為，支持開展賽博空間對抗技術研究、裝備試驗、部隊訓練和戰法演練。目前美軍諸多部門已經展開這方面的研究和實踐。美國國防部先進研究項目局提出了國家賽博靶場(National Cyber Range，NCR)［17］計劃，為美國國家賽博安全綜合倡議(CNCI)提供創新的、安全的、可控的環境，為各種網絡技術和構想的安全進行定量和定性的評估，進而開發和部署革命性的賽博空間試驗能力。CWEID(Cyber Warfare，Exploitation and Information Dominance)實驗室推出了用于賽博空間作戰支撐技術的研究、開發、試驗和革新的賽博靶場核心資助項目SHARCNet［18］，該項目通過構建紅、白、藍賽博空間網絡進行賽博空間攻擊、分析和防御的研究。洛斯阿莫斯國家實驗室開發了CyberSim網絡仿真分析系統［19］，面向郵箱、網絡社區等在線社交網絡，采用基于規則、神經網絡、支持向量機等方法，分析網絡中軟件的脆弱性和惡意軟件的傳播，并對傳播過程進行了可視化展示。辛迪亞國家實驗室開發了VCSE系統［20］，構建了現實設備與虛擬實體相結合的大型綜合性虛擬環境，對賽博空間威脅下的系統弱點以及受攻擊后的系統表現進行分析。西點軍校開發了由黑客攻擊網、被攻擊目標網、指揮控制網、研究網四個子網構成的網絡作戰實驗環境，通過實驗數據研究賽博空間行動及系統的效能。可以看出，美軍對賽博靶場的構建已經全面展開，也為我們在該方面的研究提供了一定的經驗借鑒。

4.3 基于賽博空間演習的評估

基于賽博空間演習的評估方法根據演習獲得的數據在戰略戰役層面對賽博空間作戰效能進行評估，進而從戰爭體系的角度，來研究賽博空間的性質及特點，以及未來國家及社會應對賽博空間對抗的能力。美軍已經舉行了多次基于賽博空間的典型演習。美國國土安全部從2006年起舉行了三次“賽博風暴”系列演習［21］，演習內容涉及互聯網身份認證系統和域名系統的攻防戰等，旨在測試和鍛煉各組織應對潛在賽博空間攻擊威脅的能力，探索國家基礎設施保護戰略。演習采用賽博空間想定建模及分析工具CyberSMART，以低分辨率行動建模、宏觀事件響應等機制，進行賽博空間仿真，并采用大量實際的網絡設備和半實物的仿真系統進行作戰效果的評估。美國兩黨政策中心于2010年發起了“賽博閃電”演習［22］，演習內容涉及賽博空間攻擊效應傳播、計算機病毒傳播等，旨在突出反映電腦網絡中存在的問題，展示政府應對賽博空間攻擊的策略。演習采用戰略對抗演習方法進行策略研究與評估，通過虛擬事件、系統模擬、角色研討和集體研究得出結論。美國空軍空間司令部自2001年至今發起了七次施里弗演習［23］，并在“施里弗5”演習中首次引入賽博空間對抗，得出了賽博空間具有全球效應、快速攻擊、信息獲取和超遠程打擊等特點。

5 基于計算機仿真分析的評估方法

賽博空間體系已成為作戰及裝備體系的核心。由于賽博空間的“一次性”特點，不允許“先試再用”，同時賽博空間作戰體系能力分析需要采用“動態、整體、對抗”三位一體的方法，因此對其體系效能進行研究，需要新型的賽博空間仿真方法支持。

5.1 探索性仿真分析方法

體系探索性仿真分析方法［24］，是將探索性分析和體系對抗仿真模型相結合，通過計算機構建敵我雙方作戰體系，并在特定想定環境中，以動態、整體、對抗的方式分析體系作戰能力。主要分為如下三個步驟:

(1)可視化。通過可視化分析對復雜電磁環境、復雜信息環境、防空體系能力、信息網絡能力等體系能力進行分析和結果的可視化顯示，使看不見的東西“看得見”。

(2)找重心。通過知識發現等動態分析方法對交戰、探測、通信等數據進行高層次體系分析，尋找體系能力的關鍵點、脆弱點，發現體系的異常。

(3)提效率。通過數據耕耘、并行仿真等技術提高大規模仿真的效率，使仿真可行并且高效。

探索性仿真分析方法已在探測賽博空間體系關鍵節點等方面取得了成功的應用［25］，是進行賽博空間作戰效能評估的一種可行途徑。

5.2 體系仿真試驗方法

體系仿真試驗方法是我們近年來研究的一種進行體系效能評估的新方法。該方法首先建立一個信息化條件下聯合作戰的體系對抗仿真環境，將需要進行驗證的作戰行動或新型武器裝備加入其中，進而通過快速試驗得出相關的體系性效果，一般通過比對達成支持決策的目的。其核心思想包括如下四個部分:

(1)體系試驗是從既有的基礎體系模型開始，根據背景情況、戰略重點構建一個涵蓋聯合作戰和裝備關系背景，符合紅、藍、綠等多方體系對抗要求的背景體系，為體系仿真實驗提供條件。

(2)針對需要試驗的賽博空間作戰行動或裝備，利用已有模型庫資源和工具實現快速構模，使其能夠快速進入背景體系，并與背景體系實現交互，產生影響。

(3)在由背景體系與實驗對象組成的新體系模型環境下，根據研究需要，針對需要試驗的賽博空間作戰行動或裝備展開對體系能力影響的實驗，完成仿真過程。實驗條件根據需求進行性能改變、對象更換和裝備加減的調整，并在動態、對抗、整體的體系仿真環境中不斷測試，最終得出實驗結果。

(4)面向體系研究者和決策者，對仿真過程和結果進行多尺度、多角度、動態對抗的對比式綜合研討，最終得出體系的相對能力綜合效果。實驗結果可以通過多維度、多視角、多空間進行直觀展示，最終達到探索體系能力變化的目的。

6 結論

本文在體系視角下對賽博空間作戰效能評估方法進行了總結，明確了研究賽博空間作戰效能評估需要重點關注的幾個問題，歸納了可用于賽博空間作戰效能評估的基于數學解析計算的評估方法、基于歷史數據和實驗的統計評估方法和基于計算機仿真分析的評估方法。并指出適用于賽博空間作戰效能評估的指標體系是網狀結構而非樹狀結構，復雜網絡方法是能夠有效解決這一問題的重要可行途徑。最后提出了一種進行“對比式”效能評估的體系仿真試驗方法，該方法能夠有效體現賽博空間體系作戰的整體、動態、對抗特性。

賽博空間作戰方式的出現給戰爭研究領域提出了新的課題，目前的研究還遠不夠成熟。如何應對基于賽博空間的體系對抗挑戰，找到賽博空間效能評估的更好方法，進而達成應對賽博空間體系對抗的目的，是值得在未來很長時間進行深入探討的問題。

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