航母編隊作戰體系超網絡建模

剛建勛，葉雄兵，王 瑋

(1.軍事科學院研究生院，北京 100091；2.軍事科學院聯合作戰實驗中心，北京 100091)

0 引 言

航母編隊作戰體系是未來海上作戰和跨區兵力投送的核心兵力[1]，從整體上看，具有綜合作戰能力強、靈活機動性高、武力威懾效果佳的優勢；從組成上看，是航母、艦載機、水面艦艇、潛艇等多個平臺構成的有機整體；從結構上看，是多個預警探測系統、通信系統、指揮決策系統、火力打擊系統、電子對抗系統的嵌套和疊加。編隊作戰體系的特點：體系機動性、集成性顯著；攻防協同信息地位突出；體系網絡化特征明顯；體系對抗動態多變。信息化條件下，編隊體系中的作戰實體共享作戰空間態勢感知，協同作戰行動機制，使得體系組織突破原有的樹狀結構，編隊作戰過程趨向自動步，從而實現戰斗力的集成，而非“按方向”、“按扇區”的艦艇平臺集結。

目前多采用指數法和層次分析法[1-4]是根據平臺火力和作戰效能之間的數量關系建立作戰效能模型，已不能體現作戰體系的新特性[5-6]。復雜網絡是復雜系統體系結構的一種網絡化抽象表達，已成為研究復雜系統的新方法，而超網絡是復雜網絡理論研究的最新進展，在復雜網絡研究的基礎上，更加突出分析不同網層間的依賴和關聯，使得網絡科學在復雜系統的本質認識上更加深入透徹。

超網絡概念由Sheffi[7]最早提出，在體系超網絡應用建模研究方面，胡曉峰[8]從物理域、信息域與認知域3個視角，構建由戰場空間指控網、信息網和交戰網組成的體系作戰超網絡模型；司光亞[9]提出指揮控制體系多維動態信息網絡仿真模型構建方法以及基于超網絡的指揮控制體系效能評估模型建模方法；王飛[10]在武器裝備體系的異質超網絡模型中，提出武器裝備體系的一種網絡化概念模型，將體系映射為物理網、關系網和交互網，并且規范節點的性質和相互關系；張杰勇[11]在網絡中心化C4ISR系統結構與超網模型中，將超網絡引入網絡中心化C4ISR系統的構建，給出了網絡中心化C4ISR系統結構超網絡模型的研究突破口；李仁見[12]在基于超網的體系效能可視化分析中，給出武器裝備體系超網模型的形式化定義，以OODA環分析和體系中心分析對模型功能進行拓展，提出基于超網的體系效能可視化分析方法；高翔[13]引入加權超網模型，用權重信息表現作戰實體之間聯系的緊密程度，提出一種武器裝備體系的加權超網模型；朱江[14]在作戰超網絡多Agent模型中，將復雜適應系統理論多Agent建模和超網絡建模相結合，提出一種超網絡多Agent模型表示軍事網絡。

目前體系超網絡研究成果較多，但對于航母編隊作戰體系描述存在以下不足：一是編隊作戰實體的特殊性，多域立體式預警探測、扁平化指揮控制、多元全域體系對抗，需要建立多維超網絡編隊模型；二是信息優勢和涌現性表現不突出，編隊共享態勢信息、協同作戰機制在體系結構的影響下，涌現的信息優勢需要建立基于信息系統和體系結構的網絡模型。本文提出一種基于信息系統和體系結構的多視角超網絡航母編隊作戰體系建模方法，更好地從宏觀整體和微觀結構研究編隊作戰體系對抗演化和作戰效能。

1 超網絡建模分析

1.1 編隊作戰體系建模應用需求

對現實的編隊作戰體系網絡進行研究，必須構建一個符合研究對象拓撲結構特征、節點連接機制的網絡模型。因此，作戰體系建模必須反映現實作戰體系的主要特征：

1）體現作戰體系的復雜指控結構，正確描述作戰體系信息流的正確流向。編隊作戰體系在穩定運轉中，指揮決策和指揮控制非常重要，可以說是牽一發而動全身，指控網絡的情報流、指控流、協同流等交互信息流優化對于提高作戰體系能力至關重要。

2）突出現實作戰體系指控實體、感應實體、通信實體、作戰實體4類不同類型作戰實體的作戰特性。編隊作戰體系是由艦艇作戰平臺組成的網絡中心作戰體系，作戰體系機動性、重組性顯著、作戰體系攻防協同的信息地位突出、作戰體系網絡化特征明顯、編隊作戰體系預警打擊靈活多變，但其性能的發揮，依賴于體系內感應實體、通信實體、指控實體、以及作戰實體的相互協同、相互作用，才能發揮作戰體系的涌現性優勢。

3）側重作戰體系網絡的向心性、層次性，節點地位由中心向外依所在指揮層次的下降而降低。編隊作戰體系結構根據作戰任務的不同，呈現靈活多變的特點，但體系構架的框架有規律可循。首先是攻防火力梯次搭配。編隊通常采用遠中近3層攻防配系，其中第1、第2層攻防配系用于對敵進行攻擊和保護整個編隊安全，第3層主要是編隊內各作戰平臺的自身防衛。其次是突出保護核心。編隊的屬艦會沿著“威脅軸線”呈扇形至半圓形、圓形排列，護衛兵力將航母和戰斗支援艦保護在隊形的中央安全地帶。最后是不同層次指揮結構緊密協作，實現編隊偵查預警、指揮決策到攻擊掩護的空艦一體化。

1.2 編隊作戰體系超網絡建模優勢

1）有利于反映真實的體系結構。編隊作戰體系是作戰系統組成的更高層次的系統，各類系統獨立運行、各自管理，在特定的邊界條件下產生系統信息交互。傳統的單一網絡建模方法將作戰體系抽象并視為一個網絡，既不能體現功能網絡內部的特殊關系，也不能反映網絡之間的級聯關系。但超網絡理論按照節點-功能網絡-體系的3層次對作戰體系進行抽象，將體系作為“網絡的網絡”的方法和體系的概念完全對應，采用超網絡研究作戰體系，不僅可以反映體系內各功能網絡的內部結構，還可以探索不同網絡間的級聯關系。

2）有利于反映級聯失效等體系特點。編隊作戰體系的級聯效應、涌現、坍塌等特征源于體系內部系統和系統、系統和外部環境之間的復雜交互。先前的研究大多集中于單一網絡，不和其他網絡發生交互關系，但現實中許多網絡相互關聯、密不可分。當前的研究表明，超網絡的滲透性和單一網絡的的滲透性存在較大的差異。當網絡之間存在強耦合時，滲流變換是一級相變，不連續的，不同于單一網絡的連續的二級相變，合理詮釋了作戰體系涌現、坍塌現象。

2 航母編隊作戰體系建模

2.1 編隊作戰體系超網絡模型設計

編隊作戰體系在抽象為超網絡模型中，涉及感知網絡、通信網絡、指控網絡、打擊網絡、目標網絡5個子網絡。圖1給出作戰體系超網絡建模框架，描述各層網絡的關聯關系、驅動機制及信息流。

圖1 編隊作戰體系超網絡建模框架Fig.1 Hypernetwork modeling frame of formation fighting SoS

從體系作戰的視角來看，基于OODA作戰環表述作戰體系的預警探測能力、指揮控制能力、行動響應能力（立體機動、信火打擊能力）、信息支撐能力等要素能力相互配合、密切協同的過程，任何一種能力下降或者缺失情況下，都將影響OODA作戰環的正常運行，有可能打破連續的循環過程，導致體系整體能力減弱甚至坍塌。因此，編隊作戰體系維持OODA環循環的運轉能力是作戰體系能力整體涌現性的集中體現。

2.2 編隊作戰體系超網絡建模流程

編隊作戰體系超網絡建模分為3個步驟：1）研究對象體系對抗的網絡抽象。在雙方體系交戰過程中抽取真實對抗的關鍵影響因素，利用復雜網絡相似特性，將對抗過程抽象為動態演化的相關要素。2）制定動態演化的約束規則。從不同的視角，研究體系對抗變化過程中的規律和特點，如指揮節點的替代規則、火力節點的交替使用規則等，側重于組織層面的作戰體系對抗演化控制條件，從整體上保證體系演化模型的科學性、有效性。3）構建超網絡模型。從多維度、多視角構建作戰體系異質節點的更替規律，從宏觀和微觀2個方面，把握體系裂解、結構凝聚、體系重組的機理，從而更好地研究編隊作戰體系的動態演化，如圖2所示。

圖2 編隊作戰體系建模流程Fig.2 Modeling process of formation fighting SoS

2.3 編隊作戰體系超網絡模型實現

傳統的航母編隊研究主要以作戰任務為視角，如編隊防空作戰、反潛作戰等牽引相關的作戰能力的需求分析，進而對航母編隊在特定作戰任務下的體系作戰能力進行建模分析，但航母編隊在執勤備戰中是多種作戰任務的復合體，需要從編隊體系作戰的視角，分析信息和體系結構對體系作戰能力的助增作用，進而研究編隊作戰體系對作戰任務的執行程度。從研究的范圍來看，航母編隊的體系結構可以分為作戰實體層（物理層）、邏輯結構層（結構層）、邏輯控制層（組織層），如圖3所示。

圖3 編隊作戰體系超網絡模型Fig.3 Hypernetwork mode of formation fighting SoS

對于物理層，其節點代表物理的、真實存在的實體節點，網絡邊代表節點間的聯系或作用；對于結構層，其節點代表邏輯的、具有相應功能的同質節點，網絡邊代表同層節點間的協同關系；對于組織層，組織網絡是有向網絡，節點和結構層的定義類似，網絡邊是組織主體和客體的關系。就像指控關系，組織網絡邊是由指揮節點指向被指揮節點，理論上，網絡邊的存在和物理層無關，比如指揮主體和指揮客體的關系并不依賴于兩者是否存在通信鏈路。組織網絡從組織制度層面規范了相互交互的時機、信息量和方向。結構層節點、網絡邊和物理層節點、網絡邊之間存在支撐和制約的關系。物理層節點是基礎，結構層節點是物理層節點的不同屬性的邏輯表達，兩者存在一對多的關系，物理層網絡邊是具體的物理鏈路，也是交互信息流的“高速公路”，電磁干擾會嚴重影響物理鏈路的傳輸信息質量，對結構層網絡邊的協同信息流產生嚴重影響，兩者也存在一對多的關系。同樣，網絡結構層的節點和網絡邊對物理層的布局建設有相當大的約束作用，比如結構層的信息流量為100 M/s，對于帶寬為16 M/s的短波數據鏈來說，就滿足不了作戰需求，需對物理層的數據傳輸設備進行升級改造。同理可以分析，組織層節點、網絡邊和結構層節點、網絡邊之間存在影響和規范的關系。

根據上述分析，設物理層的節點集合vtotal-p，結構層的節點集合vtotal-s，組織層的節點集合 vtotal-o，則編隊體系超網絡節點集合|V|是超網絡的節點數，又稱超網絡階數；網絡邊集合E=(ev-v,es-s,eo-o)是同質節點相互關系集合；超邊集合H=(ev-s,es-o,eo-v)，且是不同功能節點信息流的關系集合，|H|是網絡的超邊數，編隊的超網絡模型可以表示為G=(V,E,H)。

結構層網絡可以根據編隊體系作戰流程分析，細分為感知網絡、通信網絡、打擊網絡、指揮決策網絡以及之間的相互關系。OODA環網是從發現感知、信息流轉、指揮決策到行動響應一系列過程的體系殺傷鏈的環路網絡，其節點為殺傷鏈上的異質邏輯節點，分別表示發現感知節點、信息流轉節點、信息決策節點、信息響應節點，網絡邊表示每一個體系殺傷鏈環路連接關系。如圖4所示。

圖4 編隊體系超網絡結構層模型Fig.4 Hypernetwork model on structure layer of formation fighting SoS

環網信息作戰模型是基于超網絡模型和OODA作戰環，將編隊超網絡結構層的異質節點映射到一個和各網絡平面呈45°夾角的傾斜面上，建立基于信息系統的編隊體系信息鏈路網絡，可以分析信息鏈環路的數量和結構，研究作戰體系信息對作戰行動的支撐作用；可以分析信息鏈路的動態鏈接，研究作戰體系演化的作戰能力和體系效能；可以分析信息鏈路的數據流和物理層節點的供需關系，研究體系作戰需求和編隊建設的優化問題。信息鏈路網絡節點和網絡邊可以視為編隊作戰體系超網絡結構層節點和超邊的對應映射。

設感知網絡節點集合vss，通信網絡節點集合vsc，響應網絡節點集合vsi，指揮控制節點集合vsd，則編隊體系超網絡結構層的節點集合Vs=(vss,vsc,vsi,vsd)，|V|是網絡節點數，稱為結構層超網絡階數；網絡邊集是同質節點相互關系集合；超邊集合且是網絡的超邊數，結構層超網絡模型表示為Gs=(Vs,Es,Hs)。若vij,vpq?est，則vij,vpq節點鄰接；若emn∩ews≠0 ，則emn∩ews網絡超邊鄰接。

對于環網信息作戰模型，環網節點vi,vj?Vs,1≤i,j≤|Vs|，是結構層超網絡節點在環網上的映射，實現微觀結構和宏觀效果的連接樞紐。網絡邊eij是結構層網絡超邊在環網上的映射，表示vi，vj兩節點的信息交互關系，若eij=1，表示2個節點在同一信息鏈路上，否則eij=0。

3 航母編隊作戰體系分析

3.1 編隊體系超網絡信息流轉換

各層網絡之間存在感知流、情報流、態勢流、指控流、協同流、打擊流等信息流，這些信息流在體系內異質節點間流通，并通過異質節點使信息流的功能發生轉變，如對目標網絡探測的感知流通過感知節點后，就會轉化為情報流，通過通信網絡向信息決策節點和打擊節點轉化，從而實現態勢共享和信息協同，將信息優勢轉化為行動優勢。如圖5所示。

圖5 編隊體系信息流轉換圖Fig.5 Information flow chart of formation fighting SoS

依據現實作戰分析，異質節點之間的連接關系需要進行說明：

一個發現感知節點S可以連接到多個信息流轉節點、信息決策節點，即一個發現感知節點可以將目標信息共享給多個其他單元。發現感知節點之間有網絡連接實現協同流、指控流的優化信息流通。

一個信息流轉節點C可以連接到多個信息決策節點、其他信息流轉節點和信息響應節點，即一個信息流轉節點可以控制多個下級節點并向其他信息流轉節點分享目標信息。

信息響應節點I作為體系信息流的末端節點，不向其他異質節點發送信息。這是因為目標的毀傷狀態是發現感知節點得到的信息，武器平臺不可能反饋目標毀傷情況。在模型假設中，體系的行動響應系統都處于可用狀態，其目標選擇由信息決策節點選擇分配，武器平臺不必反饋其可用狀態。武器系統的協同打擊可以看作是在信息決策節點指導下進行的，信息響應節點沒有直接的信息交互關系，所以武器平臺之間不存在協同流。

作戰體系中任意信息節點vi能連接到的節點數取決于信息系統的能力。單個信息決策節點的并行處理能力越強，信息流轉節點的通道越多，發現感知節點的探測雷達靈敏度越高，該信息節點能連接到的節點數就越多。因此，作戰體系的網絡拓撲結構是基于信息系統的能力進行構建。節點間的網絡邊在體系演化中可以重構。當1個信息決策節點vi被毀傷或者功能缺失，原本與其直接相連的S，C，I節點會以一定概率p隨機連接到與vi節點直接相鄰的其他信息決策節點，確保殺傷鏈路的有效性。與現實交戰中，毀傷部分實體后指揮控制關系的重建可以對應起來。

編隊超網絡結構模型是所有節點互聯成的多層次拓撲網絡，根據節點間的基本連接關系，發現感知節點和信息響應節點都與信息決策節點連接，說明體系節點在信息決策節點有效控制之下運轉。所有節點都可以與信息流轉節點連接，表明信息流轉節點具有不可替代的信息中繼作用。信息決策節點可以與其他信息決策節點連接，表明不同指揮單元之間的指揮協作關系。在基本連接關系原則的基礎上，按照作戰體系指揮組織的實際情況，2個節點間具備傳遞目標信息的物理設備條件，也在指揮控制協同關系許可的范圍內，說明這2個節點間可能存在作戰信息流，就應該建立相應的信息邏輯連接鏈路。

3.2 編隊體系超網絡演化

信息化戰爭條件下編隊作戰體系對抗，是在各自的信息系統和體系結構支撐下互相進行對抗性演化，雙方被毀傷部分節點后，原來的體系裂解、結構凝聚、體系重組，然后再進行下一輪對抗，直到其中一方達到體系的坍塌點，也就是超網絡模型的關鍵點。體系交戰中對敵方進行對抗毀傷過程可分為：

1）發現感知節點S以一定的概率發現敵方目標。發現敵方節點，在超網絡中對應于依據己方獲取目標的能力選出敵方網絡中的若干節點作為備選節點。

2）信息流轉節點C將感知的態勢信息進行區域態勢信息共享，把指揮控制節點的協同信息進行傳遞。

3）信息決策節點D接收態勢、目標信息，在備選目標中選擇重要目標并進行火力分配。選擇重要目標進行火力分配，在網絡模型中對應于將備選節點進行重要性排序。

4）信息響應節點I進行行動響應，對目標網絡對象造成毀傷。按照我方的對抗毀傷能力，毀傷敵方體系中的節點，在網絡模型中對應刪除敵方網絡節點。

5）體系結構重組。被毀傷目標如果是指揮控制節點，也就是信息決策節點，其所屬的信息流轉節點和信息響應節點重新配屬兄弟單位的指揮控制節點，在網絡模型中對應于節點D被刪除后，與其相連的節點C，I重新與其他節點D連接。

體系交戰過程實質是雙方不斷相互毀傷的過程，以紅藍雙方對抗毀傷為例說明交戰過程，如圖6所示。實線代表紅藍雙方作戰體系內部的目標信息流，虛線箭頭代表紅、藍行動響應節點對另一方進行的對抗毀傷。紅、藍雙方箭頭指向并不是某一個固定的節點，而是以一定的概率指向對方體系的任意一個對抗節點，體系超網絡中的所有節點都是對方對抗毀傷的目標。

圖6 編隊體系交戰示意圖Fig.6 Combat diagram of formation fighting SoS

3.3 編隊體系超網絡關鍵點

編隊體系超網絡關鍵點，是支撐作戰體系正常運轉和對抗毀傷的核心節點，是體系發現感知節點、信息流轉節點、信息決策節點、信息響應節點的某些重要節點的集合。編隊體系超網絡關鍵點出現的時機：當作戰體系處在敵我對抗毀傷階段，雙方作戰體系都經歷著體系裂解、結構凝聚、體系重組的螺旋式循環，如果一方作戰體系的殺傷鏈路中斷或者體系作戰能力和效能驟降，這就是作戰體系將要坍塌的“拐點”。拐點對作戰體系超網絡的影響如圖7所示。

圖7 體系拐點對作戰體系的影響示意圖Fig.7 Influence diagram about system turning-point of fighting SoS

4 結 語

根據航母編隊作戰體系結構特點和作戰流程組成，本文分析了超網絡應用建模研究現狀、編隊作戰體系建模應用需求、建模優勢，提出編隊作戰體系超網絡建模分析的模型設計、建模流程、模型實現，指出編隊作戰體系分析的重點是編隊體系超網絡信息流轉換、編隊體系超網絡演化和編隊體系超網絡關鍵點，為航母編隊量化建模和作戰評估奠定了良好的基礎。編隊作戰體系建模突出信息系統和體系結構，應用復雜網絡理論進行分析，對航母編隊作戰體系能力和效能分析提供了可行的建模方法。