預警作戰體系超網絡建模及結構分析

徐建國, 李孟軍, 姜 江, 李明浩

(國防科技大學系統工程學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

預警作戰是一種提高我軍戰略力量的快速反應能力和戰略威懾能力的新型作戰方式[1],指在敵方來襲戰略導彈引爆之前,組織導彈發射并成功完成對敵重要戰略目標的打擊和摧毀。從體系角度來看,預警作戰體系是參與預警任務的多武器協同的網絡化功能配系。在天基信息支持下,利用信息鏈路構建預警、監視、控制等多種作戰單元,按照任務流程,實現偵察預警、指揮控制、火力攔截的有機集成。目前對于預警作戰體系的組成結構和作戰流程描述取得了階段性成果,開發了作戰視圖、能力視圖、系統視圖等產品模型[2]。但結構合理性和效能的評估等分析有待進一步研究。

預警作戰體系組成要素結構關系分析需要回答兩個問題:一是現有的體系結構是否合理,體系中不同類型節點地位如何;二是當前體系關系結構是否發揮出武器的最大性能,能否通過調整關系結構提高體系作戰效能。

基于多視圖的體系關系結構描述方法已經取得了廣泛的應用,具有能夠重用數據和模型、提高設計效率、減少設計成本等優點。隨著網絡中心戰的不斷深入,美國先后發布指揮信息系統(command, control, communication, computer, intelligence, surveillance and reconnaissance, C4ISR)和美國國防部體系結構框架(department of defense architecture framework, DoDAF)為體系建模提供了規范和指導[3]。國內借鑒DoDAF設計思想進行了大量的應用研究,并開發了相應的支撐工具[4]。

目前的體系結構分析方法主要包括多指標綜合、能力差距分析[5]、體系結構可執行分析[6]、仿真分析、網絡分析[7]等方法。能力差距分析和多指標綜合方法都需要對不同量綱的指標進行去量綱化,并根據專家給出的權重進行綜合,難以消除分析者主觀影響。“可執行分析”主要解決數據之間的邏輯一致性和行為正確性校驗問題,保證了體系結構的質量,是一種基于時間或事件邏輯分析方法,不涉及對于背景的了解,通俗來說能夠正確執行并不能代表模型正確。仿真分析能夠進行精確建模和定量分析,分析粒度較細,結果說明性更強,需要在體系結構基礎上進一步細化。文獻[8]提出基于作戰環的分析方法進行裝備體系的評價。作戰環的本質是通過研究網絡中固定的連接模式進行效能評估,屬于一模網絡分析。以上體系結構分析方法都對應于多視圖框架的某一個階段,沒有分析視圖之間的關聯。文獻[9]對包以德循環(oberve orient decide and act, OODA)環進行了擴展,建立了基于動態仿真數據的超網絡分析算法。文獻[10-11]構建了分層粒度下的“兩層四網”超網絡架構,主要涉及信息流的傳遞。超網絡能夠處理多模式、多鏈路和多時間周期且節點和邊的屬性信息有誤或不全的相關或網絡數據,這與體系結構抽象出的多類型實體元模型和多類型關系元模型有著天然的相似性[12]。

本文針對預警作戰體系節點類型多、數目多、影響因素多,且節點之間還存在影響等問題[13],引入預警作戰體系結構超網絡模型。該模型充分利用預警作戰中的各類信息,綜合考慮裝備(系統)作戰能力以及作戰任務(活動)之間的關系,將多視圖框架中實體元模型抽象為網絡節點,關系元模型抽象為網絡的邊,構建“兩類六網”3層網絡結構模型。通過對模型中武器系統的重要程度的評價,武器在作戰使用和能力建設方面的表現,評估現有預警作戰體系結構的優劣,給出調整現有結構與武器作戰使用的建議。預警作戰超網絡模型是多視圖體系結構的進一步研究,是對預警作戰體系的高度抽象,能夠克服傳統分析信息丟失嚴重,不能清晰表征武器、任務、能力的異質性和它們之間的功能聯系,無法說明體系的整體涌現行為等缺點。

1 預警作戰體系結構與超網絡建模

1.1 體系結構核心數據抽取

預警作戰多視圖體系組成要素關系結構通過數據進行關聯,從這個意義上來講,體系結構的模型和體系結構數據在邏輯上是一個有機的整體[14]。因此，必須根據預警作戰體系的特點,按照一定的設計準則對模型和數據進行設計。主要包括:①針對性原則,在進行體系結構設計時,必須明確預警作戰的目的就是在“盡可能短”的時間內對敵人進行先發制人的軍事打擊;②可擴展原則,在設計體系結構時,需要考慮到體系結構方案的可擴展性,能夠適應快速發展的預警裝備的需求,根據不同的作戰任務進行擴展,包括裝備、戰法等的靈活性;③簡易性原則,體系結構設計成果需要有一種較容易被理解的直觀的方式進行展示;④重用性原則,能夠支撐預警指揮人員、情報人員、裝備操作人員的互聯互通互操作,數據與情報能夠及時共享[15]。

本文主要從武器系統的角度進行分析,與武器系統相關聯的包括作戰能力、作戰活動、作戰任務、組織、執行者、資源、系統指標以及其他相關元模型。為簡化分析,主要考慮4類,作戰任務、作戰活動、作戰能力和武器系統,將資源作為作戰活動的屬性,系統性能指標作為武器系統的屬性。關系類元模型包括任務到任務、任務到系統,任務到能力、能力到能力、能力到系統以及系統到系統這6種關系元模型。其中任務到任務元模型表示任務之間的依賴關系,具有可執行的時序邏輯。任務到系統元模型表示任務對于武器裝備的分配,制定某項裝備完成具體任務。任務到能力表示完成任務所需要的能力集合,通常來說,完成一項任務需要多項能力。能力到能力元模型表示能力之間的依賴和包含關系。系統到系統和系統到能力分別表示系統之間的信息流傳遞關系和系統能夠提供的能力。

1.2 預警作戰體系超網絡模型

數據元模型是驅動體系結構分析的數據基礎。將預警作戰的數據核心元模型抽象為節點,系統指標、活動資源抽象為網絡的節點屬性,關系元模型抽象為邊,它的直接展現形式是具有多層多級特征的超網絡模型。一個具體網絡是一個有點集V和邊集E組成的圖G=(V,E)。如果存在節點i指向節點j的邊(i,j),并不意味著存在邊(j,i),那么稱為網絡有向。同時,如果網絡G的節點集V可分為互不相交的兩個非空集合X和Y,并且每條邊(i，j)分別屬于兩個集合,那么稱該網絡為二模網絡。

定義1預警作戰超網絡

描述完成指定預警作戰過程中作戰任務、作戰能力、武器系統等多類型要素節點,以及要素之間多重復雜關系的網絡集。包含“兩類六網”,包括3個一模網絡和3個二模網絡,如表1所示。

將節點集合分別用武器系統(system)、作戰能力(capability)和作戰任務(task)表示。節點之間的網絡關系定義如下。

(1) 系統信息流網(system network),GS以武器系統作為節點,武器系統直接的信息流關系作為連邊,建立武器系統信息流網絡,如中繼衛星系統受到中繼衛星管控中心的控制,同時也為中繼衛星管控中心提供情報信息,GS=(S,ES-S),其中S代表武器系統集合,ES-S={(si,sj)|si,sj∈S}表示信息流集合,當系統i和系統j之間存在信息流時(si,sj)=1,否則為0,其鄰接矩陣用AS表示。

(2) 系統能力網(system-capability network),GSC以武器系統和作戰能力為節點,系統提供的能力關系作為連邊。這里所指的提供的能力是指可以提供的能力,并不一定系統的所有能力都能在預警作戰中發揮作用。如預警衛星除了具備探測敵方來襲戰略導彈的能力以外還能夠提供數據通信,偵查戰場態勢等能力。用GSC=(S,C,ES-C)表示,其中S表示武器系統集合,C表示作戰能力的集合,ES-C表示武器系統到作戰能力的映射集合,鄰接矩陣為ASC。

(3) 能力關聯網(capability network),GC側重描述能力的相互關聯關系,確定能力的邏輯分組。主要包括能力依賴關系和能力包含關系,用GC=(C,EC-C)表示,鄰接矩陣為AC。

(4) 任務分配網(system task network),GST用于描述武器系統與作戰任務之間的映射關系,裝備被分配到相應的任務后,需要與其他裝備進行配合,發射導彈的活動必須發射系統、導彈系統、通信系統一起合作才能夠完成。用GST=(S,T,ES-T)表示,鄰接矩陣為AST。

(5) 任務能力網(task capability network),GCT任務能力網描述作戰任務與作戰能力之間的關系,指作戰任務的實際能力需求,即必須具備什么能力才能完成作戰任務。用GCT=(C,T,EC-T)表示,鄰接矩陣為ACT。

(6) 任務關聯網(task network),GT任務關聯網指作戰任務之間的時序依賴關系,即活動的先后順序。用GT=(T,ET-T)表示,鄰接矩陣為AT。

以上預警作戰體系超網絡模型可以進行擴展,如需要分析預警作戰的技術特性可加入技術網絡,構成四模網絡;需要分析組織的實際能力水平或對于預警作戰的貢獻程度可以引入組織網絡等。

2 預警作戰關系結構和能力分析

網絡科學中評價節點的重要程度可以使用節點的影響力、地位或者其他因素的綜合[16]。重要的武器系統指能夠提供多樣化作戰能力,執行不同作戰任務,并且掌握網絡中的重要信息資源的武器系統。對于一模網絡來說,可以分別使用節點度中心性和介數中心性來評價[16]。對于網絡G=(V,E),節點i的度表示為

(1)

式中,aij表示節點i到節點j的關系。介數用來衡量對于信息的控制能力,具體含義為網絡中所有最短路徑中經過節點的數量,記為

(2)

網絡聚類能夠進行網絡結構的劃分,常用模塊度[16]作為衡量網絡結構劃分的標準,能夠得到組內關系密切,組間關系稀疏的社團結構。根據預警作戰超網絡模型的有向無權特征,選取模塊度Q作為評價指標。Q值越大,結構劃分越明顯,效果越好。

(3)

對于二模網絡或者更高維度的網絡,度和介數等局部信息指標意義已經不大,因此本文引入以下超網絡評價指標。

(1) 系統能力水平

指系統設計時具備的能力的大小(包括預警作戰中使用到的能力和沒有使用的能力),使用“系統能力網”中與該系統具有連接關系的能力的數量來衡量。則武器系統i的系統能力水平為

(4)

式中,ASC(i,j)表示系統能力網中系統i到能力j的映射關系;NC為能力的總數。

(2)系統實際能力水平

(5)

(3) 系統能力缺失

(6)

式中,～ASC(i,j)表示系統能力矩陣元素取反,當ASC(i,j)=1時，～ASC(i,j)=0,反之亦然。

(4) 系統能力冗余

(7)

式中,Bool函數條件滿足時值為1,否則為0。

(5) 系統潛在水平

系統能力冗余也可以理解為系統具有繼續使用的潛力,在預警作戰體系中還可以開發出新的戰法來充分的使用系統的性能。因此引入系統可能作戰應用評價指標系統潛在能力水平為

(8)

式中,NT表示作戰任務總數；sum[ACT]表示能力任務網絡的邊的個數。

(6) 系統協同需求

由于武器系統通常不能單獨執行某項任務,因此需要考慮與別的武器的配合。系統協同需求衡量為成功執行所分配的任務活動,需要與其他系統進行配合的需求程度的大小。則武器系統i完成任務需要協同的需求大小為

(9)

3 實例分析

3.1 預警作戰體系體系結構建模

預警作戰體系是指通過互聯互通互操作的信息通信網絡,使用多種類型、多件裝備、多個平臺、多個單元構建的一個無縫連接、橫向一體化的復雜網絡體系[17],如圖1所示。

圖1 預警作戰體系高級概念圖Fig.1 High-level operational concept graphic of warning combat system

本文構建了以下元模型,用于預警作戰體系的任務、能力、系統3個維度的分析,如表2所示。通過在相關的視圖進行信息收集,構建包含13個任務、40個能力、36個系統以及它們之間關聯的預警作戰體系框架。

表2 預警作戰體系元模型列表

3.2 預警作戰體系超網絡分析

根據預警作戰體系超網絡模型,武器系統網絡通過信息流進行連接。根據式(1)和式(2),系統度數中心性和介數中心性結果如圖2所示。圖中,橫坐標表示節點度,縱坐標表示介數,從數據可見,中繼衛星地面站等雖然具有較高的節點度,與多項系統存在關聯,但是對于信息的控制能力卻不是很強,低于指揮與決策系統等節點。

圖2 武器系統重要度排名Fig.2 Ranking of the importance of the weapon systems

系統、能力以及系統與能力的關系構成了系統能力網絡,通過對網絡的聚類計算可以發現,系統能力網具有3個明顯特征：①系統根據提供的能力明顯分成了4個簇類,除了傳統的探測、指控和打擊以外,中繼衛星系統以及配套設備形成了一個衛星簇;②網絡通過現有能力需求和預警能力需求形成一個極大的連通子圖,大部分裝備并不直接提供戰略預警能力,而是提供現有作戰能力和預警作戰能力,因此在負責體系設計和溝通協調的部門必須高度關注這兩項能力;③各導彈本身并不直接提供作戰能力,而是由其他設施進行保障。將系統之間的協作關系加入考慮,很直觀地發現孤立節點消失,系統的總體的聚類結構沒有變化,之前并不直接提供能力的各類導彈通過與發射系統的結合形成實際的作戰能力,如圖3所示。

圖3 系統-能力二模網絡Fig.3 Bipartite network between system and capability

進一步,分析加入作戰任務后的三模網絡。中繼衛星以及相關設施不再是一個單獨的簇,而是連接探測、指控和打擊網絡的連接單元。也就是說,網絡化預警作戰可分為探測跟蹤網、指揮控制網和反擊作戰網3層邏輯網結構,3層邏輯網建立在戰場通信網絡之上。通信是預警的核心,也是預警體系的“神經”。通過路徑的追蹤可以具體追溯系統,如圖4所示。中繼衛星系統通過提供監控、通信能力、監控導彈飛行能力,對于指揮決策能力和通信能力提供支撐,進而完成指揮中心融合、處理判斷目標的任務。

任務與系統網絡直接具有很好的對應關系,大部分任務雖然需要多個系統的協同,一般是系統網絡內部的協同。但是對于導彈自毀任務,必須發射、探測、指控網絡的共同協同作戰,具有最多的連接節點,如圖4左部分所示。在作戰的流程和指揮權限必須設計的非常清晰,以保證任務的順利完成。通常會認為決策打擊任務是比較困難的,通過分析可以看到導彈發射后自毀才是協同程度最高,要求最復雜的。

圖4 三模網絡分析Fig.4 Three-mode network analysis

進一步定量分析,根據式(5)計算系統的實際能力水平,如圖5所示。系統實際能力水平越高,代表對于預警作戰的需求更強烈,更加不可替代。戰略指控系統具有最高的實際能力水平,其次是戰略預警探測系統。指控與調度系統雖然度中心性和介數中心性較高,實際運用的能力分別排名第10和15。這是因為探測系統的每一個功能都被充分的應用于預警作戰,而指揮系統不僅能夠用于預警作戰,同時還具備其他方面的各種能力。

戰略指控系統本身能力水平高,還有繼續開發新戰法的潛力,更加說明了戰略指控系統的重要性。與系統實際能力水平不同,決策支持分系統A等系統具有相對較高的潛在能力水平,可以重點進行作戰應用研究。

中繼衛星系統以及相關配套設施具有較高的能力缺失率,如圖6所示。換句話說,衛星系統被賦予了多項任務,但是只能支撐任務某一個方面。以中繼衛星系統為例,中繼衛星系統被賦予預警衛星偵察目標、導彈自毀等4項作戰任務,然而中繼衛星系統本身只具備通信能力、監控能力和信息傳輸能力。戰略通信系統、調度分系統A、調度分系統C等具有較高的能力冗余率。戰略通信系統本身還具備預警和指控能力,而在實例的設計中只分配了戰略通信系統數據傳輸任務。中繼衛星系統能力缺失較大,能力冗余為零,這說明了系統具有的4項能力都有效利用。在真正的作戰中,如果戰略通信系統受到打擊,是否能夠直接應用戰略指控系統進行信息傳輸,可以進一步研究。

圖5 系統能力水平Fig.5 Capability level of systems

圖6 系統能力缺失率和冗余率Fig.6 Capability need and waste of systems

系統協同需求表示了系統運用時與其他裝備的配合需求程度,如圖7所示。

圖7 系統協同需求Fig.7 System negotiation

組網衛星、中繼衛星地面站和中繼衛星控管中心協同的需求最高,同時也是運用的難度最大,設計時必須保障這些設備具有較高的可靠性和良好的接口設計。

根據三模網絡的分析可以識別出每一個武器系統的實際運用情況,以及評價整個預警作戰體系的結構設計是否合理。從實際的作戰應用來看,傳統的三網結構已經不能滿足體系作戰的需要,傳統的預警系統、戰略指控系統固然重要,以衛星通信系統為代表的戰略支援力量應該被更加重視。就預警作戰體系作戰任務而言,導彈能發射固然重要,同時也應該重視保障導彈自毀程序的可靠性。總體來說,預警作戰體系結構設計必須考慮單個武器性能的局限性,綜合集成各種預警作戰資源,形成一個體系配套且多武器協同的網絡化預警作戰體系。

4 結束語

本文提出了包含6個網絡組成的預警作戰體系超網絡模型。并分別使用一模、二模、三模3個角度以及網絡可視化技術對預警作戰體系結構進行了全方位的分析。實例分析證明,該框架與現實作戰相符合,能夠指導作戰體系的設計。針對特定應用背景,可以擴展現有實體元模型類型,構建更高維度的網絡結構。然而,以上分析均處于靜態層面,預警作戰體系對于時間窗的要求非常嚴格,進行體系結構設計時需要進行系統的演化分析。具體到武器系統在作戰中的應用,本文缺少考慮裝備數量的影響,實例分析中簡化了系統組織、位置等體系結構要素。下一步的研究中將引入動態多維網絡對預警作戰體系結構進行分析,以度量作戰的時間特性。

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