基于動態調整的C4ISR系統結構靈活性分析

張萌萌，陳洪輝，羅愛民，劉俊先（國防科學技術大學信息系統工程重點實驗室，湖南　長沙410072）

基于動態調整的C4ISR系統結構靈活性分析

張萌萌，陳洪輝，羅愛民，劉俊先
（國防科學技術大學信息系統工程重點實驗室，湖南長沙410072）

當前網絡和信息技術的發展為C4ISR（co m mand，control，co m m unication co m puter，intelligence，surveillance，reconnaissance，C4ISR）系統的靈活性提出了更大的挑戰。靈活性存在于C4ISR系統的多個方面，其中結構靈活性是系統靈活性的支撐。首先明確了系統結構靈活性的基本內涵，然后采用OPDAR（observer，processor，decision，actor，relationship）模型構建系統結構，改進并應用了制造業中車間-產品模型的靈活性分析思想，提出基于動態調整的C4ISR系統結構靈活性分析方法。最后對兩種聯合防空系統的系統結構進行靈活性分析，證明了方法的可行性。

C4ISR系統；結構靈活性；OPDAR模型；動態調整

網址：www.sys-ele.com

0 引 言

C4ISR系統是以計算機為核心，具有指揮控制、情報偵察、預警探測、通信、電子對抗和其他作戰功能的指揮信息系統［1］。當前，隨著戰場形勢的瞬息萬變，C4ISR系統正面臨著越來越難以應對的挑戰。這種挑戰包括系統所處環境的復雜性、任務的多樣性、結構的動態變化性等等，它們使現代戰場敵我雙方的作戰行為越來越呈現多樣化、動態化與復雜化的特點。這些變化為C4ISR系統的靈活性提出了很高的要求。

靈活性是指系統適應任務或環境變化的能力，表現在C4ISR系統的多個方面：業務流程是否可動態組織；系統要素和系統資源是否可動態配置；系統功能是否具有多樣性；系統結構是否松耦合；系統是否方便接入或退出；系統是否具有良好的機動與響應性能等等。

結構靈活性是C4ISR系統靈活性的主要支撐。系統結構由系統單元與單元之間的關系組成，其中系統單元支撐作戰活動的執行，單元關系表示系統單元之間信息傳遞的關聯方式，包括情報類關系、指控類關系、協同類關系等。

系統結構的組成方式與復雜程度直接影響到C4ISR系統靈活適應任務變化的能力。在系統設計過程中，需要采用一種分析系統結構靈活性的理論方法，從系統結構層面定量分析C4ISR系統的靈活性。

本文首先明確了C4ISR系統結構靈活性的概念內涵，然后分析采用OPDAR模型對系統結構進行建模，進而借鑒制造業中車間產品模型靈活性分析過程，提出C4ISR系統結構靈活性計算步驟與思路，最后通過區域聯合防空系統案例說明方法的可行性。

1 C4ISR系統結構靈活性

當前靈活性的研究存在于化學、制造業、建筑學、企業、軟件、社會等領域。盡管靈活性普遍被認為是一種適應變化的能力，但是由于不同的學科從不同的角度去理解靈活性，至今對靈活性概念的理解仍然很模糊。

制造業領域的靈活性一般從制造部門適應產品需求量動態變化的生產靈活性展開［2-6］。根據車間生產產品的生產結構，Jordan［3］，Iravani［5-6］等人采用圖論最大流算法或排隊論方法分析產品需求量發生變化時車間適應變化的能力。

企業領域的靈活性是指業務流程適應外部環境動態變化的能力［7-8］。通過對業務流程的優化（business process optimization，BPO）或業務流程的重組（business process reengineering，BPR）等研究，對現有的業務流程進行徹底的再思考和根本的再設計，以達到靈活適應用戶需求的目的。

軟件領域的靈活性指軟件適應用戶需求動態變化的能力［9-10］。通過軟件結構設計、模塊設計、面向對象設計、軟件架構、設計模式以及基于組件的工程等方面［9］的研究，以達到軟件更易于設計、更易于維護和更魯棒的目標［10］。

C4ISR系統結構靈活性研究的文獻較少，大多從系統結構的魯棒性［11］或抗毀性［12］的角度展開，但魯棒性或抗毀性多從作戰的角度模擬敵我雙方場景的改變，而靈活性不僅需適應戰時作戰環境的動態變化，而且需適應平時內部環境的可能變化。本文在綜合現有文獻關于靈活性定義的基礎上，從我方系統靜態結構適應變化的角度出發，給出C4ISR系統結構靈活性的定義。

定義1 C4ISR系統結構靈活性。為應對外部環境以及C4ISR系統內部發生的各種變化，系統結構動態調整，并保證任務繼續執行以實現最終目標的能力。

靈活的C4ISR系統結構是指能夠盡可能考慮到未來任務或環境變化的多種可能情況，并且將這些變化能夠盡可能的反映在設計好的系統結構中，從而使設計出來的系統結構能夠在將來的運行過程中避免重新設計。本文針對已構建完成的系統結構，參考其他領域的靈活性分析思路，提出基于動態調整的靈活性分析方法。

2 系統結構的OPDAR模型

結構模型的選擇決定構建的系統結構的優劣。當前的系統結構模型有OODA［13］、SDIT［14］、SPC T［15］等等，但它們都旨在模擬打擊雙方的效能，忽略了對自身結構深入的分析。本文采用文獻［16］提出的OPD A R模型構建C4ISR系統結構，其中O代表情報獲取單元，主要負責獲取作戰空間內敵我雙方的各種情報；P代表情報處理單元，主要負責對獲得的情報進行處理，生成決策所需的情報態勢；D代表決策控制單元，主要負責生成作戰方案，對下級單元進行指揮控制；A代表響應執行單元，主要負責實施具體的作戰行動。

R代表系統單元間的信息關系，藍羽石等人［16］把系統結構中存在的關系類型分為以下3類。

第1類 情報類關系。情報類關系傳遞的信息包括通過偵察、監視探測裝備獲取的原始信息，以及通過情報處理產生的綜合后的情報態勢信息。關系實例包括O-＞A，O＞P，O-＞D，P-＞A，P-＞D，P-＞P。

第2類 指控類關系。指控類關系傳遞的信息指指揮機構用于指揮或控制隸屬部隊、武器裝備等過程中產生的信息。關系實例包括D＞A，D-＞P，P-＞O，D＞D，P＞P。

第3類 協同類關系。協同類關系傳遞的信息指各類系統單元將自身及周邊環境狀態上報或與友鄰共享所產生的信息。關系實例包括A-＞P，P-＞A，A-＞D，D-＞A，P-＞D，O＞P，P＞O，D-＞D，P＞P，A＞A，O＞O。

圖1是一個簡單的OPDAR模型，根據各單元的情報層層上傳，指令層層下達，以樹形方式完成任務的執行。

圖1 OPDAR模型舉例

藍羽石［16］認為單元與關系的組合形成的信息流在一定程度上反映任務的執行，因此把任務類型分為以下3類。

第1類 情報類任務。通過對情報類信息的傳遞、處理等操作完成的任務。任務實例包括O-＞A，O-＞P-＞A，P＞D，O-＞P-＞D，O＞D，O＞P，P＞P。

第2類 指控類任務。通過對指控類信息的傳遞、處理等操作完成的任務。任務實例包括D-＞A，D-＞P，D-＞P-＞O，P-＞O，D-＞O，D-＞D，P-＞P。

第3類 協同類任務。通過對協同類信息的傳遞、處理等操作完成的任務。任務實例包括D＞D，P＞P，A＞A，O＞O。

3 基于動態調整的結構靈活性分析方法

結構靈活性的分析是以系統結構適應任務結構變化的程度為突破口。研究對象是系統結構，適應的變化是任務結構的變化，任務結構代表了完成系統任務的處理方式，即單元與關系的不同組合。針對構建好的OPDAR結構，分析結構對變化的適應能力，進而為系統結構的優化提供輸入。

參考國內外對靈活性分析相關文獻，本文從同類作戰單元中某些單元完成的任務量發生變化時，系統結構對這些單元的任務進行靈活調整的能力的角度進行分析。

3.1車間產品模型

本文基于動態調整的靈活性分析方法主要源于制造業中的車間-產品模型。文獻［5］認為靈活性是指產品需求變化不是很大的情況下，動態分配車間生產的產品數目，達到適應市場需求變化的目的的能力。方法思想是根據車間的生產能力以及車間的資源數構建車間與產品生產結構，得到不同產品間動態調整的不相重合的路徑數，進而得到產品的動態調整路徑數矩陣，分析矩陣的平均特征值，即認為是生產結構的靈活性。

一個簡單的車間-產品模型如圖2所示，其中S代表車間的資源數，分別為1，1，1；D代表產品的需求數，初始值分別為1，1，1，但由于產品需求的變化，D1變為0.5，D2變為1.5，D3仍為1。

圖2車間-產品模型

計算D1與D2之間完成任務的靈活調整能力時，根據圖論中的最大流算法，圖2右圖中存在2條不相重合的路徑（D1＞S1＞D2，D1＞S3＞D3＞S2＞D2）可以把D1減少的0.5需求量轉移給D2，使其滿足變化之后的需求，圖中虛線與實線分別代表不相重合的2條轉移路徑，表示車間動態調整不同產品生產量的2個策略，此時便認為D1與D2之間動態調整值為2，同理，D2與D3之間、D1與D3之間的動態調整值均為2。

當計算D1、D2或D3自身的動態調整值時，由于產品1，2，3分別由2個車間進行生產，所以認為D1、D2、D3自身的動態調整值也為2，表示為生產相應產品的車間數目，這樣得到產品動態調整矩陣為

其中，矩陣的行和列分別表示產品1、產品2、產品3，矩陣內的值表示對應產品之間動態調整的值。最后，通過計算矩陣的平均特征根得到圖2結構的靈活性為2。

3.2 基于動態調整的系統結構靈活性分析方法

制造業中計算車間產品模型的靈活性方法主要包含3個基本特點：車間與產品之間的關系為生產能力；涉及的數據包括車間生產產品的種類與數目、產品的需求量；動態調整蘊含在車間-產品的兩列結構中（車間列、產品列），即任務的完成只經過一條關系。

考慮到O P D A R 系統結構與車間-產品生產結構的相似性，在C4ISR系統結構領域應用車間-產品模型進行分析，同時需要針對車間-產品模型的特點加以改進。

（1）以系統單元間的執行能力代替車間生產產品的生產能力，采用父節點分配不同任務量給子節點執行代替車間生產不同種類的產品數目。

（2）父節點分配的任務量與子節點完成的任務量在C4ISR系統中無法直接給出，假設系統結構單元之間傳輸需求是滿足的，并且認為父節點分配的總任務量與子節點完成的總任務量無論如何是相等的，因此認為在系統結構中同類單元中的某些單元之間只要通過父節點連通，就認為它們是可以動態調整的。

（3）OPD A R系統結構中包含情報、指控、協同3類任務，每類任務的執行都可能是多個單元與多條關系的組合，這時必然會出現多列結構完成某種任務，多列結構的計算方法可以認為是兩列結構的延伸，因此需要對算法做進一步改進。

由上述分析可知，在C4ISR系統結構領域應用車間-產品模型的靈活性分析方法是可行的，這樣既符合系統結構的特點，又從靜態結構蘊含的動態適應能力的角度而不是按照魯棒性、抗毀性等指標從模擬敵方打擊的角度進行分析，具有預先應變的能力。

應用動態調整思想時，應對情報、指控、協同等同一類別的任務單獨展開分析，認為只要不同的系統單元（如不同的單元P）完成的任務是同類任務，就存在任務調整的可能，并且存在同一個父節點連通，它們之間就可以進行動態調整。下面針對完成任務時系統結構中出現的多列結構，分析對應的解決方法，最終完成車間-產品模型到系統結構的轉換。

多列結構時，本文提出按照與任務結束單元的距離由近到遠依次分析每條轉移路徑的調整值；并認為每條路徑的調整值為路徑中每條關系的靈活性的乘積；由于關系可能使用多次，關系的靈活性與關系的使用次數成反比，初始值是1，這樣可保持與兩列結構的計算方法1致。

方法通過圖3進行說明。圖3為完成情報類任務的多列結構，可以分析該結構的情報類任務的靈活性。當分析D1與D2之間的動態調整值時，首先D1與D2完成的任務可以由P2動態調整（D1＞P2＞D2），關系的靈活性均為1，該路徑的動態調整值為1；也可以由P1動態調整（D1＞P1＞D2），關系的靈活性均為1，該路徑的動態調整值也為1；也可以由O1動態調整（D1＞P1＞O1＞D2），此時由于第2次使用關系P1＞D1，P1＞D1關系的靈活性變為0.5，路徑中其他關系的靈活性仍為1，則該條路徑的動態調整值為為0.5，這樣得到D1與D2之間的動態調整值為2.5（3條轉移路徑求和）。同時，由圖可知D1自身的動態調整值為2（2條不同關系可達），D2自身的動態調整值為3（3條不同關系可達）。因此可得到多列結構的動態調整矩陣。

圖3 多列結構舉例

總之，當完成的某類任務未出現多列結構時，可直接按照車間-產品模型的方法進行分析；當完成的任務包含多列結構時，按照圖3的過程進行分析。這樣可遍歷系統結構中出現的多種任務包含的多種情況，完成車間-產品模型到系統結構的轉換。

3.3 靈活性分析步驟

根據O P D A R系統結構特點，基于動態調整的靈活性分析步驟主要分為以下3個步驟。

步驟1 遍歷系統結構中所有類型的單元（O，P，D，A），以某類型的單元為研究對象，遍歷得到以該類型單元為任務結束單元的所有類型的任務，以該類型單元完成的某類任務為研究對象。

步驟2 根據該類單元完成該類任務經過的單元與關系提取出對應的系統子結構，得到如圖3所示的完成單一類型任務的系統結構。利用本文提出的動態調整方法，計算系統子結構的靈活性，表示該類單元完成的該類任務的靈活性。

步驟3 同理，計算得到所有類型的單元完成所有類型任務的靈活性，求和所有類型的單元完成的某類任務的靈活性，即為系統結構完成該類任務的靈活性，求和所有類型任務的靈活性，即為系統結構的靈活性。

圖4表示所有類型單元完成的所有類型任務的各種情況，根據各種情況對應的任務實例，求得所需的靈活性數據。

圖4 動態調整實例

4 案例研究

本文以聯合防空為想定設計具有不同特征的聯合防空系統結構，然后根據上文提出的靈活性分析方法，對比分析這些具有不同特征的系統結構的靈活性，并得出結論。聯合防空任務包括：具有防空任務的雷達旅團發現敵目標入侵時，立即組織航空兵和地防部隊聯合行動，對敵目標進行攔截驅逐。

4.1 系統結構構建

本文基于聯合防空系統任務，設計了如圖5所示的樹形化系統結構（稱為系統結構1）和如圖6所示的扁平化系統結構（稱為系統結構2），這兩種結構均能夠滿足聯合防空任務要求。

系統結構1中，首先情報通過雷達單元上報到情報融合中心單元形成綜合情報，繼續上傳給前指單元進行決策，然后形成計劃、命令等信息層層下發，最后武器系統單元進行火力打擊。

系統結構2在結構1的基礎上，添加了越級指控、態勢共享等扁平化因素，使系統結構呈現出網絡化特征。主要通過以下4個方式添加。

方式1 同類節點形成環，表明同類節點之間可以動態協同及信息共享，表現在圖6中為情報處理節點R P1、R P2與R P3分別相連，稱作網絡因素1。

方式2 同類節點中以某節點為中心，表明該節點可以和其他節點協同，表現在圖6中為情報處理節點R P1、R P3分別與R P3相連，稱作網絡因素2。

方式3 指揮控制節點進行越級指控，表明指控方式應對突發狀況時的措施，表現在圖6中為F D分別與第三級指控節點相連，稱作網絡因素3。

方式4 情報處理節點進行越級保障，表明情報傳輸應對突發狀況時的措施，表現在圖6中為R P節點分別于響應執行節點相連，稱作網絡因素4。

圖5 系統結構1

圖6 系統結構2

4.2 靈活性分析

按照第3.3節系統結構靈活性分析步驟，對圖5和圖6兩種結構的靈活性進行計算。

首先根據不同節點類型，提取以該節點類型為終點的各種類型任務的子結構，如圖7是樹形結構中以P為終點的情報類任務子結構。

圖7 結構1中以P為終點的情報類任務子結構

然后計算該子結構的靈活性。由圖可知R P1、R P2、R P3之間不存在動態調整關系，所以它們之間動態調整值為0，同時分別有3個情報獲取節點到達R P1、R P2與R P3，所以它們自身的動態調整值為3，得到R P1、R P2與R P3的動態調整矩陣如下：

得到該矩陣平均特征值為3，所以以P為終點的情報類任務動態調整靈活性為3。

進而遍歷以所有類型節點為終點的所有類型任務對應的系統子結構的靈活性，得到系統結構1所有的靈活性數據。進而分析其他4個網絡化因素對應的結構與綜合網絡化結構的靈活性，所有靈活性數據如表1所示。

表1 各個結構對應的靈活性數據

按任務類型對各個結構的數據進行求和，得到如圖8所示的結構中各種任務的靈活性，進而分析靈活性變化趨勢，為系統結構優化提供思路。

由圖8可得出如下結論。

結論1 系統結構動態調整靈活性由優到劣依次為綜合結構、網絡因素1、網絡因素2、網絡因素4、網絡因素3、系統結構1。其中綜合結構的靈活性最高是因為綜合結構中的信息流類型與條數最多，系統結構1靈活性最低也是基于這個原因。案例結果一方面說明靈活性度量值是與信息流類型與數目息息相關，一方面說明本文方法是可行的。

結論2 分析圖8可發現網絡因素1使結構靈活性顯著增高，并且比其他幾種網絡化因素的靈活性都高。因為網絡因素1不僅增加了結構中的情報流，也使結構中出現了協同流。在結構優化中，應使結構中盡量存在較多有價值的邊，這些有價值的邊是指使結構信息流種類或個數顯著增加的邊。

結論3 全連通的結構靈活性是最好的，在案例結果中也能看出邊數與靈活性基本上是呈正相關的（網絡因素1例外）。但在結構靈活性優化時要注意風險、代價對結構復雜性的影響，把握靈活性與風險、代價的折衷，爭取采用最少的邊達到最好的靈活性。

圖8 各系統結構動態調整靈活性變化趨勢

5 結 論

本文首先提出了C4ISR系統結構靈活性分析問題，然后根據O P D A R模型構建系統結構，進而在改進車間-產品模型的靈活性方法的基礎上，提出了基于動態調整的C4ISR系統結構靈活性計算方法。最后對兩種聯合防空系統的系統結構進行靈活性分析，證明了方法的可行性。

本文是對制造業車間生產靈活性在系統結構領域的創新運用，并提出了相關改進及可行性說明。下一步從系統結構優化角度出發，考慮風險、代價等因素對靈活性的制約。

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C4ISR system structure flexibility analysis based on dynamic adjustment

ZHANG Meng-meng，CHEN Hong-hui，LUOAi-min，LIU Jun-xian
（Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，N ational University of Defense Technology，Changsha 410072，China）

The current development of network and information technology proposes unprecedented challenges for the C4ISR（command，control，communication computer，intelligence，surveillance，reconnaissance）system flexibility.Flexibility exists many aspects in system and structure flexibility is the main support.W e first put forward the structure flexibility analysis problem of the C4ISR system，then utilize the OPDAR（observer，processor，decision，actor，relationship）model to build the system structure，improve and apply the flexibility idea of the workshop-product modelin the manufacturing field，and propose a system structure flexibility analysis method based on dynamic adjustment.Finally，we comparatively analyze two kinds of structure of the regionaljoint air defense system，and verify the effectiveness of the proposed analysis method.

C4ISR system；structure flexibility；O P D A R m odel；dynamic adjustment

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.14

1001-506 X（2016）03-0563-06

2015-01-20；

2015-07-18；網絡優先出版日期：2015-11-20。

網絡優先出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20151120.1800.008.html

復雜信息系統體系結構設計中的韌性分析方法研究（71571189）資助課題

張萌萌（1990-），男，博士研究生，主要研究方向為指揮信息系統。

E-mail：18670381635@163.com

陳洪輝（1969-），男，教授，博士，主要研究方向為需求工程、體系結構。

E-mail：chh0808@gmail.com

羅愛民（1970-），女，教授，博士，主要研究方向為指揮信息系統，體系結構。

E-mail：a mluo@nudt.edu.cn

劉俊先（1973-），男，教授，博士，主要研究方向為指揮信息系統、體系結構。

E-mail：18674864900@163.com