對抗環境下C4ISR系統作戰進程互操作建模方法研究

董經緯,王智學,禹明剛,李瑞陽,鄧巧雨

(中國人民解放軍陸軍工程大學,江蘇 南京 210007)

互操作性是衡量C4ISR系統性能的關鍵指標,其實質是多個作戰單元間實現服務以及功能的交互共享,從而確保作戰單元之間的協同、作戰資源的整合與共享。通過互操作,一方面可以彌補作戰體系自身戰斗力的缺陷,另一方面可以擴展C4ISR系統功能的作用域,讓各系統實現功能重組,呈現體系的特性,從而使組織者可以通過整合不同系統的不同功能來遂行作戰任務完成最終使命。

然而在實際的對抗環境下,體系內的各成員系統都有可能因受到敵方破壞或干擾而發生不同程度的損耗,指控網絡拓撲結構、作戰節點功能等都有可能因此而發生變化,這將導致體系內各成員系統內部的種種性能、各成員系統之間的協作方式發生變化,對系統間的互操作性造成削弱,進而降低系統的整體戰斗力。如果在系統的建設階段忽視了這一點,所建成的系統將可能在實戰中因互操作能力喪失而失去戰斗力,而在系統建設完成后的組織運用過程中,也應該科學規劃組織運用模式,最大限度地利用系統內部的資源,提高其互操作性在對抗環境下的生存能力。因此,為了使C4ISR系統能夠滿足實戰需求,在系統建設和組織運用中,就必須將保證系統在對抗環境下仍具備足夠的互操作能力作為重要的考慮環節,所以必須要有針對在對抗環境下系統互操作能力的合理的評估機制。

目前,對于對抗環境下C4ISR系統的評估大多集中于對系統的作戰效能評估,例如文獻[1]和[2]為對抗環境系統效能評估進行了威脅分析、建立評估指標、規定效能計算方法,文獻[3]提出了對系統抗毀性評估的方法。文獻[4]、文獻[5]都提出了基于EBI (Entity Behavior Interaction)框架對抗環境下系統的建模方法,這些研究對于對抗環境下系統互操作能力的評估具有借鑒意義。

關于系統互操作性能評估的研究,文獻[6-7]中,James R. Enos等人提出了借鑒社交網絡的思想從圖論的角度來分析體系的互操作性。文獻[8]提出了建立由系統集、操作集、關系集三元組互操作模型,利用數學方法進行評估。文獻[9-10]提出了采用建模仿真來分析系統互操作能力的思想。

綜合上述方法,采用建模仿真評估是一種最準確的互操作能力評估方法,但現有的方法由于缺少對系統內各成員要素性能指標、敵方威脅性能指標、環境影響因素指標等可變變量的描述形式,導致無法對處在瞬息萬變的對抗環境中的系統進行準確評估,因此本文基于SysML語言提出了一種針對對抗環境下系統互操作的建模方法,并給出了仿真評估的結果。

1 作戰進程互操作能力描述框架

在建立C4ISR系統互操作模型之前,需首先對互操作能力的各組成成分進行梳理分析,對能力進行分層,并逐層建立能力指標框架,以此作為建立模型的依據。

1.1 C4ISR系統互操作能力分層模型

文獻[9]結合歐洲互操作框架(European interoperability framework,EIF)框架和ATHENA(Advanced Technologies for Interoperability of Heterogeneous Enterprise Networks and their Application)框架,將C4ISR系統互操作分層框架從上到下分為四個層次:組織互操作層、作戰進程互操作層、服務互操作層、系統互操作層。

組織互操作層:指各系統在組織層面上實現的互操作,即各成員系統在戰略理念、條令條例及作戰經驗等約束下建立、管理和改進的協作關系,并基于ICT(Information Communication Technology)開展作戰進程操作、完成使命任務的能力。

作戰進程互操作層:指各系統之間基于特定的協作約定構建跨組織的協作進程,并動態、靈活、自主地開展作戰行動、遂行作戰任務的能力。

服務互操作層:服務互操作指系統、設備或部隊向(從)其他系統、設備或部隊提供(接受)服務并利用這些服務進行有效作戰的能力。

系統互操作層:指成員系統通過兼容、匹配不同信息系統的接口、標準和協議,從而實現數據和信息交換的能力。

本文借鑒了這種互操作分層思想,重點研究受對抗環境影響最大的作戰進程互操作,并將組織、服務和系統這三個層次的互操作能力視為C4ISR系統固有的能力特性。因為在部隊編制體制、條令條例、使命任務等組織層面的內容都已經制定,系統所擁有的基礎設施都已建成,所有基礎設施所能提供的服務都已準備完畢的情況下,把系統投入戰場時,各系統作戰進程之間的協作能力,將極大程度地決定了其整體的互操作性。

對作戰進程互操作層的合理規劃設計,能夠有效地提高整個系統在對抗環境下的互操作保持能力,在系統遭到一定程度的破壞時,靈活多變的作戰進程協作模式,可以最大程度地降低系統戰損對于系統互操作能力帶來的不利影響。相反如果進程層規劃的進程協作模式不合理,系統在對抗環境中經受一定的戰損就會導致系統整體互操作能力的喪失,進而導致系統整體戰斗力的銳減。

1.2 作戰進程互操作能力指標框架

為了正確地評估作戰進程的互操作能力,首先需要針對對抗環境,建立完備的互操作能力描述框架,對系統中能夠影響整體互操作性的作戰單元及其相關性能進行描述,為下一步模型的建立提供指導。表1給出了系統的作戰進程互操作能力描述的基本框架,將在作戰過程中的系統的作戰進程互操作能力通過以下三方面來體現:獲得信息能力,主要是指揮部對情報的獲取、處理能力;決策能力,主要是指揮部與上級機關的聯絡效率和作戰方案的制定效率;行動能力,主要是指揮部對火力打擊單位的指揮能力和對打擊效果的評估能力。表2給出了對抗環境對系統產成的影響力描述框架,反映了系統內成員要素可能因對抗環境造成的各種影響情況。

表1 系統作戰進程互操作能力描述框架

表2 對抗環境對系統產成的影響力描述框架

系統的互操作性為獲得信息能力、決策能力和行動能力三者之和,各項互操作能力指標均以完成任務的時間作為衡量依據。

2 對抗環境C4ISR系統進程互操作能力建模

2.1 模型組成要素及其語義

對抗環境下建立的C4ISR系統模型S(system)可表示為:S=(E,C,B,I,R),各組成元素語義如下:

E(Entity)為作戰實體,是系統中遂行作戰任務的主體,例如作戰體系中各級指揮所、作戰單元、主戰裝備、信息系統等。每個實體可由一個三元組構成{Name,{property 1…propertyn},{action 1…actionn}},分別對應實體名稱、實體的性質參數、實體所能發出的動作。

C(Connection)連接線:連接線是實體之間的連接關系,在實際C4ISR系統中,它表示各實體之間的信息鏈路連接方式。

P(Process)作戰進程:作戰進程描述的是兩個實體之間的相互作用,從進程的視角描述了由實體所執行或發出的各種作戰活動,可分為內部進程和外部進程。內部行為進程發生在同一個系統的實體之間,外部行為進程則發生于不同系統中的實體之間。行為進程通常可以改變實體的屬性,從而影響整個系統的結構。每個行為進程可用三元組表示{Name,{input 1…inputn},{output 1…outputn}},分別對應行為進程名稱、輸入集合、輸出集合。

I(Interaction)交互:交互通常由進程發出,描述系統內各實體所發出的進程之間信息的溝通交流,交互也可分為內部交互和外部交互,內部交互發生在系統內部的進程之間,外部交互指存在于不同系統中的不同進程之間的信息交流情況。可用二元組表示{Name,{data 1…datan}},分別對應交互名稱,交互的內容。

R(Rules)規則:指系統在戰場上需要遵循的各種規則和約束,包括技術規則、條令法規、戰場環境因素三個方面。

技術規則(Technique Confine):描述組成系統的各種裝備的技術參數,對于各種裝備所發揮的作用具有限制作用。

條令法規(Laws and Regulations):描述各種事先制定的條令條例、規章制度、部隊的編制模式等。

戰場環境因素(Battleground Environment Factor):描述戰場自然環境如地理條件、氣象條件、電磁環境等能夠對進程互操作性造成影響的因素。

對抗環境下系統進程互操作模型各要素之間關系如圖1所示。

條令法規、戰場環境影響因素、技術條件對于每個C4ISR系統具有限定作用,每個系統由實體構成,不同實體之間通過連接線來進行連接。每個實體都具有需要執行的進程,進程之間的交互可沿連接線來實現。有時某實體的進程還可以改變另一系統中實體的特征,如對另一系統中實體實施了火力打擊。

2.2 多視圖建模框架

結合模型組成要素和各要素相互之間的關系,構建元概念模型如圖2所示。

本文采取多視圖的方法來對模型框架進行描述,包含場景視圖、節點視圖、標準視圖、進程視圖,場景視圖描述了系統所處的環境,所承擔的使命任務。節點視圖描述系統的網絡拓撲結構,包括節點、節點間的連接關系;標準視圖描述技術標準,條令法規的限制;進程視圖描述各子系統內的進程及進程間的協作關系。各視圖之間的關系如圖3所示。

2.3 定義基于SysML擴展的能力需求描述語言

從UML基礎上發展而成的系統工程標準建模語言SysML能夠很好地滿足系統工程的實際需要,這里以SysML來進行建模。將概念模型進行SysML擴展,如表3所示。

表3 概念模型的SysML擴展

3 案例分析

下面將闡述一個模擬海上防空反導系統的互操作能力評估的案例。某艦艇編隊(含導彈驅逐艦2艘、補給船1艘、運輸船1艘)正在執行護航任務,在附近海域有一架預警機,另有本土機場的戰斗機可進行協同作戰。敵國的海空軍可能會對該艦隊發動空襲或使用反艦導彈攻擊。

假設根據條令規定,在偵查單位發現敵情后,立即向艦隊的指揮部報告,指揮部判明敵情后向上級指揮部聯指中心報告,艦隊指揮部得到上級指示后,立即組織艦隊火力準備進行攔阻戰斗,并可通過機場空軍指揮部指揮戰斗機協同作戰。

此時,敵方已經實施電磁干擾,破壞了我方的無線電通信,且對機場進行了轟炸,造成機場部分設施損壞,對處于這種情況下的系統進行互操作能力評估。

3.1 針對該艦隊防空指揮系統構建互操作能力描述框架

艦隊防空指揮系統的互操作能力描述框架如表4所示。

表4 艦隊防空指揮系統的互操作能力描述框架

3.2 構建模型

這里僅從進程視圖出發,截取部分作戰活動過程(從預警機發現敵情到所有防空戰斗單位完成戰斗準備)為例來闡述模型的構建方法和仿真評估方法:結合艦隊防空指揮系統的互操作能力描述框架來構建模型。通過SysML的塊定義圖來描述C4ISR系統的靜態結構,并在塊定義圖中標明各相關參數,構建塊定義圖如圖4所示。另外通過SysML中的活動圖來表示各種作戰進程之間的交互、調用關系。構建活動圖如圖5所示。

采用C++編程,結合Matlab工具,實現圖5的過程,對模型進行仿真。在沒有對抗干擾情況下計算得出理論時間是39.9min,但隨著對抗因素的加入,系統間的通信效率和系統自身的作業效率不斷降低,完成任務的時間逐漸延長。根據案例中描述的情況,影響系統互操作性的對抗因素來自電磁干擾和機場設施的破壞,因此這里調用這兩組模擬數據來進行仿真實驗,電磁干擾導致信道受損程度對無線電通信完成時間的影響關系如表5所示,機場被破壞程度與完成戰機起飛準備的時間關系如表6所示。

以無對抗環境下完成任務的時間和實際完成任務的時間的比值來衡量互操作能力的變化情況,結果如圖6所示。

表5 電磁干擾導致信道受損程度對無線電通信完成時間的影響關系

從圖中可以看出,系統的互操作能力與對抗強弱程度之間的變化關系,對抗激烈程度增加到一定程度時系統基本喪失互操作性,這一方面由于模型中海上指揮部與陸上指揮部之間通信方式單一,完全依賴于無線電通信,另一方面遭到火力打擊造成損失的作戰節點沒有設置能夠補償替換的節點。

表6 機場被破壞程度與完成戰機起飛準備時間的關系

4 結束語

本文針對對抗環境下系統作戰進程互操作能力的評估,提出了一種可行的途徑,通過建立作戰進程互操作能力指標框架、構建模型、仿真評估,得出了系統在對抗環境下互操作性的優劣。除了作戰進程互操作層,在互操作分層模型中的另外三層:組織互操作層、服務互操作層、系統互操作層,都可用此方法進行評估。此外,由于戰場環境、戰爭形式并非一成不變,針對具體不同的復雜對抗環境,應不斷更新完善互操作指標框架,使仿真結果更接近實際結果。對于模型中各類指標參數的設定也應更加貼近實際戰場情況。

在后續研究中,將利用DEVS、Petri網等仿真方法進行更為準確的仿真,并提高從建模到仿真評估的自動化水平。