基于圖論的C4ISR系統的網絡構建和效能分析*

李 軍

(海軍駐武漢地區七〇九所軍事代表室 武漢 430205)

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基于圖論的C4ISR系統的網絡構建和效能分析*

李 軍

(海軍駐武漢地區七〇九所軍事代表室 武漢 430205)

C4ISR系統是一個多種技術結合的、開放的、復雜的系統。它的網絡結構是決定其使用效能的重要指標。論文根據C4ISR的特征,以圖論為基礎對C4ISR系統進行建模,將系統中的單元映射為圖中的節點,單元之間的連接映射為圖中的邊。然后,通過分析鄰接矩陣最大特征值和效能因子,得出添加反饋使C4ISR系統環路增加的方法可以提高C4ISR系統的穩定性和戰場的反應速度。

指揮控制; 反饋; 環路結構

Class Number E83

1 引言

C4ISR(Command,Control,Communication,Computing,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance)系統是涉及到指揮控制、情報偵察、預警探測、通信導航、電子對抗、綜合保障以及作戰人員等多種軍事資源的分布、異構的復雜軍事信息系統[1]。它的主要作用是軍事信息的獲取、處理、傳遞、決策支持、對部隊實施指揮與控制以及戰場管理等。在現代戰爭中,C4ISR系統起到了越來越重要的作用。

為了縮短研發周期,提高研發效率,利用先進的仿真技術構建C4ISR系統,進行作戰效能綜合評估,是現在研究C4ISR系統的普遍做法[2]。隨著C4ISR系統的不斷發展,其規模越來越大,功能和結構也越來越復雜,系統仿真的規模和復雜度也隨之增加,仿真應用中所包含的模擬器也越來越多,為使投入大量經費研制的仿真系統能適應多種試驗要求,結構和規模上的靈活性、擴展性和重用性成為C4ISR仿真系統建設的重要因素。

現代社會網絡技術發達,因此,C4ISR系統也全面進入“以網絡為中心”的一體化建設階段[3]。網絡中心化C4ISR系統是一個典型的開放復雜系統,具備“即插即用,柔性重組,協同運行,按需服務”等新的能力[4]。相比于以往幾代系統,網絡中心化C4ISR系統組成要素種類大、數量多,系統更加復雜,更加要求C4ISR具備一種適應性強、靈活性高、抗毀性好的系統結構,從而適應系統任務和戰場環境的不斷變化的需要[5]。系統結構決定系統功能,不同的系統結構呈現出的網絡化效能各不相同,如何表征網絡中心化C4ISR系統結構的網絡化效能,描述和建模系統結構的本質特性,從而為系統結構定量設計與分析提供科學依據,已成為系統結構設計中的一個重要的問題[6]。

2 C4ISR系統結構

系統各單元以及它們之間的相互關系稱為系統結構。不同階段的C4ISR系統,其系統單元由作戰應用需求和相關技術發展決定,因此系統單元的種類、范疇、內涵都在不斷變化。對于網絡中心化C4ISR系統而言,系統單元指具有一定職責權限、完成特定功能、物理上獨立模塊,是C4ISR系統的組成要素。

系統單元之間的關系主要包括:網絡連接關系、信息交互關系、上級指揮關系、業務處理關系等,其中信息交互關系還可以細分,如情報保障信息關系、指揮協同信息關系等。

2.1 基本單元

根據網絡中心化C4ISR系統的功能組成和一般運作流程,將系統抽象為四類基本單元,即情報獲取單元、情報處理單元、決策控制單元和響應執行單元,各級各類各域的系統單元都可由上述四類基本單元或其組合后實例化產生。

1) 情報獲取單元(observer,O):能夠探測或偵察戰場空間各類目標特征的功能實體,采用雷達、光電/紅外、信號情報偵察等手段的傳感器,收集戰場目標信息;

2) 情報處理單元(processor,P):能夠對戰場目標情報進行處理的功能實體。將多個情報獲取單元獲取的戰場目標探測數據進行誤差校正、規范格式、特征提取與識別等處理,形成實時、連續、清晰、準確的戰場目標情報,并用于生成戰場統一態勢;

3) 決策控制單元(decision,D):能夠根據戰場情況形成作戰方案并對武器平臺實施指揮控制的功能實體,其主要功能是能夠根據情報處理單元或情報獲取單元上報的情報進行判斷和分析,形成戰場態勢和作戰方案,并根據作戰方案對武器平臺下達作戰計劃和指令,實時監控作戰過程;

4) 響應執行單元(actor,A):能夠根據指揮控制單元的作戰計劃或指令完成作戰任務的功能實體,可接收指揮控制單元的作戰計劃或指令,根據作戰計劃或指令完成相應的作戰行動和任務。

2.2 網絡模型

在仿真模擬中,可以將基本單元中的P和D合并,稱為指揮控制單元(Control,C)。指揮控制單元是C4ISR系統資源的指揮者,主要功能是信息處理并進行指揮決策。設C4ISR系統結構所擁有的指揮控制單元的數量為K,那么整個指揮控制單元集合為C={C1,C2,…,CK}

其它單元稱為被指揮控制單元,通常指各類作戰平臺(Operation Platform,OP),是具有某種完成任務的能力的獨立的實體,它受指揮控制單元的指揮來執行任務。設C4ISR系統結構所擁有的被指揮控制單元的數量為N,那么整個作戰平臺單元集合為:OP={OP1,OP2,…,OPN}

為了更好地建模,只考慮兩類指揮控制關系,一是指揮控制單元與被指揮控制單元之間的指揮控制關系,二是指揮控制單元之間的協作關系。即OP只與C發生信息交換,它們之間不進行信息交換。為了避免決策沖突和混亂,每一個OP同一時刻只能受一個C單元的指揮。

所以,一個典型的C4ISR系統結構的指揮控制關系模型如圖1所示。

圖1 C4ISR系統結構的指揮控制關系模型

2.3 有向加權聯通圖

考慮到C4ISR系統單元之間信息交互關系的有向性、流量區分等特點,可以用簡單有向加權連通圖G=(V,E)表示網絡中心化C4ISR系統結構。其中,V={v1,v2,…,vn}表示單元的集合,包括圖1中的C和OP,如情報獲取單元、情報處理單元、決策控制單元、響應執行單元等;其中,n=|V|表示系統單元的總數。連接集(邊集)E={e1,e2,…,em}代表系統單元之間各類信息交互關系,包括圖1中的“協作關系”和“指揮關系”,如情報保障、協同、指揮、備份接替等;其中,m=|E|表示系統單元之間信息交互關系的總數。對于每條邊(vi,vj∈E),定義一組權值(ew1,ew2,…,ewk)表示對系統單元vi和vj之間信息交互關系的度量,邊權值是對系統單元之間信息交互關系強度的差異的一種反映。

2.4 帶反饋環節的過程模型

C4ISR系統的基本單元(情報獲取單元O)必然包含探測模塊。根據自動控制理論,給探測模塊加上反饋環節,可以有效地提高系統的穩定性。典型的帶反饋的作戰指揮過程模型為OODA過程模型,它以指揮控制為核心描述了“觀察-判斷-決策-行動”的作戰過程環路。一般來講,如果環的操作周期越快,反應時間越快,在與對手的對抗中就越容易獲得優勢。隨著信息技術的發展,OODA環的運行速度也變得很快,各級部隊在領會高級指揮官的意圖后能夠積極發揮主觀能動性、自下而上地組織和協同復雜的戰斗活動,將作戰從一步一步的戰斗行動轉變為協調有序、行動快速的體系化作戰[7]。

對于帶反饋環的C4ISR系統的過程的每一步驟而言,除了加快其速度能縮短整個周期之外,提高過程中信息(情報、態勢)質量、決策質量、共享或同步能力等,也是縮短整個操作周期、提高反應速度的重要因素。

3 環路結構的效能量化分析

3.1 模型構建

引入網絡中心化的C4ISR系統結構的鄰接矩陣模型,矩陣的大小為系統單元數量n,矩陣中的數值表示兩個單元之間信息交互的度量(即權值ew)。當只需要考慮兩個系統單元之間是否有信息交互關系時,可用簡化的0-1鄰接矩陣模型來表達系統結構。系統結構的0-1鄰接矩陣A0-1={aij}n×n可以定義為

其中,兩個系統單元只要有信息交互關系則用1表示,否則用0表示。

引入特征值λ,它是綜合參數,反映了矩陣中特征向量在變換時的伸縮倍數。當鄰接矩陣A為0-1矩陣時,其最大特征值λmax有三種不同的取值,無環(λmax=0)、單環(λmax=1)、多環(λmax>1),與結構中環的數量成正相關的關系(如圖2所示)。因此,λmax能反映出結構中環的數量,從而反映系統網絡化效能。在三種不同的取值中,多環(λmax>1)被認為是具有網絡化效能的結構[8]。下文進行效能分析的均為多環結構。

(a) 無環結構,λmax=0

(b) 單環結構,λmax=1

(c) 多環結構,λmax=1.3

定義CNE為系統結構的網絡化效能因子,它通過下式來計算。

其中,A0-1是系統結構G的0-1鄰接矩陣,Eig(A0-1)是鄰接矩陣的特征值,maxEig(A0-1)=λmax為最大特征值。CNE越大說明系統結構中在同等節點數年的情況下環的數量越多,環對系統因組網而帶來的網絡化效能提升的貢獻也越大。

3.2 實驗與仿真

假設C4ISR系統單元包括五部情報獲取單元(R1,R2,R3,R4,R5)、1個情報處理中心(P),1個聯合指揮所(D1)、1個艦載機指揮所(D2)以及3架作戰飛機(A1,A2,A3)。其中,3部情報獲取單元與P建立了含反饋的信息交互,另2部與P只存在單向信息傳輸,D2和作戰飛機之間通過數據鏈組網實現互聯。最后,引入T作為與作戰任務相關的目標。C4ISR系統結構如圖3所示[9～10],從T到R(傳感器觀測目標)以及從A到T(火力單元打擊目標)的連線為能量流,用虛線表示。與圖1不同的是,此系統假設三個作戰單元A1、A2、A3之間也能進行信息交互。

圖3 模擬C4ISR系統結構和基本環示意圖

為了便于仿真,將圖3中的A1、A2、A3簡化為A,D1、D2簡化為D,如圖4(a)。只考慮情報獲取模塊的效能,圖4(a)為圖3中模擬C4ISR系統的簡化結構;圖4(b)將原系統中只與情報處理單元P建立單向信息的情報獲取單元R4和R5加上反饋環節(即加強對情報獲取單元的管控),變成帶環的結構;圖4(c)在圖4(b)的基礎上,增加了一個情報處理單元P2(即增加異類傳感探測手段進行協同探測),然后R1～R5分別與P1、P2建立雙向信息聯系;圖4(d)在圖4(c)的基礎上,讓兩個情報處理單元P1和P2之間建立雙向信息聯系(即增加異類傳感探測手段的多元信息融合能力)。

圖4 示例比較

圖4中各結構最大特征值和網絡化效能因子的值如表1所示。

表1 不同探測環網絡效能因子示例

由表1可以看出,隨著情報獲取單元協同探測組網程度的增加,其網絡化效能因子不斷提高。

在協同探測環中,對于同一目標,如果增加異類傳感探測手段進行協同探測,并進行多元情報融合,則系統網絡化效能增加,從作戰應用層面提升了系統跟蹤和識別目標的能力。

比較圖4(c)和4(b),由于增加了系統單元(P2),而P1和P2之間沒有產生協同作用,相比之下其網絡化效能因子反而降低,說明平均每個系統單元參與的環數量減少。當P1和P2之間開始產生協同作用后,網絡化效能因子又得以增高。這說明系統單元之間建立反饋環路聯系能增加對異類情報處理和獲取單元的協同能力,降低信息的不確定性,提升系統的信息質量和網絡化交通。

4 結語

本文基于圖論,通過建立C4ISR系統的鄰接矩陣,求取矩陣的最大特征值和網絡化效能因子的方法,對C4ISR系統進行初步的定量分析,并以此作為系統穩定性和反應快速性的指標。仿真實驗得出:增加控制“反饋化”機制,即賦予響應執行單元處理各種突發情況的時間和空間,形成“信息-反饋-控制”的良性控制循環體系,是提升指揮控制能力的有效手段。也是網絡中心戰的“權利邊緣化(Power to the edge)”的重要體現。

不過,本文對C4ISR的定量分析也僅是最基礎的,模型和矩陣都很簡單,變量也較少。在今后的研究中,會將C4ISR模型復雜化,使其更貼近實際,同時給模型添加更多的變量,將信息交互關系的度量(即權值)代替0-1二值進行仿真,從而使仿真結果更加精確,給C4ISR系統的設計提供更好的參考。

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Network Construction and Effectiveness Analysis of C4ISR System Based on Graph Theory

LI Jun

(Navy Representative Office in 709thResearch Institute, Wuhan 430205)

C4ISR system is open, complex and combined with multiple technologies. Its net structure is a key feature to its performance. C4ISR system is modeled with a basis of graph theory according to the characteristic of the system in the proposed article. The units in the system are mapped as nodes, and the connection between the units is mapped as edges. By analyzing the largest eigenvalue and coefficient of networked effectiveness of neighboring matrixes, there is a conclusion that increasing loop number by introducing feedback could enhance the stability and reaction speed in the battlefield.

command and control, feedback, loop structure

2015年4月6日,

2015年5月27日

李軍,男,碩士,工程師,研究方向:指控系統,信息系統。

E83

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.027