基于任務流的網絡化指揮信息系統抗毀性分析*

冉淏丹，李建華，崔 瓊，南明莉，3

（1.空軍工程大學信息與導航學院，西安 710077；2.國防科技大學信息通信學院，西安 710106；3.解放軍95801部隊，北京 100095）

0 引言

網絡化指揮信息系統是體系作戰的核心支撐，在實時化情報獲取、一體化指揮控制和精確化火力打擊等方面發揮不可或缺的作用。在復雜戰場環境中，指揮信息系統面臨物理打擊和網絡攻擊雙重威脅，必須具備一定的抗毀性才能保障使命任務的順利完成。因此，研究指揮信息系統結構抗毀性在提升體系作戰效能具有重要意義。

網絡化指揮信息系統結構抗毀性研究，在一定意義上屬于復雜網絡結構抗毀性研究的范疇，國內外學者就復雜網絡抗毀性展開了一系列研究。Jeong等從結構角度對隨機網絡和無標度網絡的抗毀性進行了研究[1]；吳俊提出不完全信息條件下的復雜網絡抗毀性，通過建模、分析、優化和應用，對復雜網絡抗毀性進行了系統研究[2]；胡焰智等通過優化網絡拓撲的思想研究了無標度網絡的抗毀性[3]；彭興釗等重點研究了無標度網絡在節點發生故障情況下，網絡的級聯抗毀性[4]。在研究復雜網絡抗毀性的基礎上，Grant等將指控系統網絡抽象成一種無尺度網絡，通過移除節點驗證了網絡抗毀性與節點關鍵性有關[5]；任清輝等從攻擊目標選擇策略的角度，通過確定物理節點攻擊概率確定節點重要性[6]；王欣等從服務能力的角度，通過研究網絡拓撲結構與節點間的服務關系，對系統抗毀性進行分析[7]；易侃等從攻擊模式的角度，對不完全信息攻擊下的系統抗毀性進行分析[8-10]。上述文獻側重對網絡及網絡系統的物理網絡拓撲結構展開抗毀性研究，對系統結構功能抗毀性研究較少。網絡化指揮信息系統雖具備復雜網絡特性，但因其軍事任務的獨特性和作戰節點的功能性[11]，其抗毀性研究重點應不止于物理網絡拓撲結構本身的抗毀性，還應結合具體使命任務考慮其功能抗毀性。本文將指揮信息系統抗毀性定義為：指揮信息系統在遭受外界軟硬攻擊，或內部要素故障失效的情況下，能夠完成作戰任務的能力。在此基礎上提出基于任務流的網絡化指揮信息系統結構模型，引入系統結構抗毀度對抗毀性進行定量分析，找出在任務流驅動下的動態網絡中影響功能實現的關鍵節點，以期為增強指揮信息系統抗毀性提供有益參考。

1 指揮信息系統雙層網絡結構

網絡化指揮信息系統是依托通信基礎網，由情報系統、指控系統和武器系統等軍事信息系統共同構建的復雜軍事信息系統。廣義上講，指揮信息系統由指揮信息系統各組成要素及要素之間的相互關系構成[12]。從任務功能角度分析，指揮信息系統基于通信基礎網絡形成物理通信連接結構，各作戰要素根據作戰任務目標產生信息交互連接關系，形成功能連接拓撲，集物理網絡和功能網絡于一體，是承載多業務系統的層級復雜系統。由于單層網絡結構無法全面準確描述層級復雜系統，對研究系統功能特性也存在一定局限性，因此，本文將指揮信息系統結構定義為由物理網絡層和功能網絡層構成的雙層耦合網絡結構，如圖1所示。

圖1 指揮信息系統雙層網絡結構

其中，物理網絡由物理節點（作戰單元）和通信鏈路構成，每個物理節點代表一個具體的作戰單元，并且具有一種或多種功能（例如電子偵察機具有情報偵察功能、預警機具有指控和情報功能）。功能網絡由功能節點和節點間的信息連接關系構成，每個功能節點只具備單一功能。物理節點和功能節點之間為“一對一”或“一對多”的映射關系（如電子偵察機映射為情報節點、預警機映射為指控節點和情報節點）。

上述分析可知，指揮信息系統網絡結構是一個由物理網絡和功能網絡耦合而成的雙層網絡結構，物理網絡是指揮信息系統功能實現的載體，對功能網絡形成約束；不同作戰任務需求引起功能節點間的信息供需關系發生變化，形成不同的信息交互關系。因此，在物理連接不發生改變的情況下，功能網絡隨作戰任務的變化呈現出不同的拓撲結構。

2 基于任務流的系統結構建模

2.1 作戰任務流模型

作戰行動圍繞特定作戰目標展開，由一系列作戰任務構成，按照一定的邏輯/時間關系形成作戰任務流，指揮信息系統按照作戰任務流，進行所有信息活動。

指揮信息系統為實現作戰任務目標OT，將OT分解為若干任務，組成作戰任務集，即。作戰過程中，指揮信息系統按照一定的時間/邏輯順序執行T，因此，作戰任務流可以用二元組表示，其中RT-T表示不同作戰任務間的時序/邏輯關系，即指揮信息系統實現作戰目標過程中的任務流動關系；

2.2 基于任務流的功能網絡結構建模

任務流驅動功能節點之間的信息供需關系發生變化，改變信息流轉，從而使功能網絡拓撲隨作戰任務流的變化呈現動態時效性。

圖2 基于任務流的功能網絡結構示意圖

功能網絡Si可以看成是由一系列任務不重疊且按照任務流前后連續的鄰接矩陣，其中aij表示邏輯/時序第n個任務時，節點i和節點j的信息連接關系：

2.3 基于任務流的多子網系統結構建模

基于任務流的網絡化指揮信息系統結構，其上層功能網絡是由多個功能子網構成的復合網絡，即由功能節點和信息連邊構成的具有多個交互子網的超網絡。本文將功能網絡分為3類子網：態勢感知網GI、指揮控制網GC和火力打擊網GK，從而得到指揮信息系統功能網絡模型，其中表示功能子網間的4種信息依賴關系。

如圖3所示，作戰節點根據其業務功能，可分為3類節點：情報節點VI、指控節點VC和火力節點Vk。功能網絡中傳輸的信息分為同類節點之間的協同信息EA，VC向其他節點發送的指控信息EC，以及VI向其他節點發送的情報信息EI。VC向VI發送EC，形成GI對GC的依賴關系，用鄰接矩陣表示；VI向 VC提供 EI，形成 GC對 GI的依賴關系，用鄰接矩陣表示；VC對Vk發出EC，形成GK對GC的依賴關系是GK對GC的依賴，用鄰接矩陣表示；VI向Vk傳送 EI，形成火力打擊網對 GI的依賴關系，用鄰接矩陣表示。指揮信息系統功能網絡模型用矩陣AG表示為：

圖3 指揮信息系統三類功能子網信息連接圖

3 基于任務流的系統結構抗毀性分析

在雙層耦合的網絡化指揮信息系統結構中，上層功能網絡承載態勢感知、指揮決策、火力打擊等業務，下層物理網絡對其起支撐作用。因此，指揮信息系統結構抗毀可分為物理網絡抗毀和功能網絡抗毀，兩者之間通過映射關系相互影響。基于任務流的指揮信息系統抗毀性是在研究物理網絡抗毀性的基礎上，對隨任務變化的功能網絡拓撲結構進行抗毀性研究。基于任務流的功能網絡拓撲隨任務不斷變化，當實體節點遭受打擊故障時，可能會導致功能網絡節點失效，引發網絡擾動，降低網絡效率，進而影響功能網絡能力。因此，本文將采用網絡效率指標來衡量網絡能力的變化情況，借鑒“破壞性等價于重要性”的系統科學思想，在動態變化的功能網絡拓撲中識別關鍵節點，對基于任務流的指揮信息系統結構的功能抗毀性進行分析。

3.1 功能網絡分析

指揮信息系統在執行不同的任務時，功能網絡的拓撲呈現出不同結構。圖3所示為3個任務階段，指揮信息系統物理網絡拓撲映射3種不同功能網絡拓撲的情況。

如下頁圖4所示，針對同一物理網絡，在完成3項不同任務時，指揮信息系統所呈現出不同的功能網絡拓撲結構，因此，應綜合多任務條件下的功能網絡拓撲，對功能網絡進行抗毀性分析。

圖4 3個任務階段物理拓撲和功能拓撲映射圖

3.2 改進的網絡效率指標

基于任務流的功能網絡效率如式（4）所示：

其中，N是網絡中節點個數，定義di，j（T）為節點Vi到節點Vj的最短信息連邊距離，為節點Vi到節點Vj的網絡效率。在功能網絡中εij（T）隨任務T而變。在式（4）的基礎上，將態勢感知網、指揮控制網和火力打擊網3個功能子網的網絡效率分別用表示。

3.3 抗毀性分析

指揮信息系統在執行任務過程中，功能節點遭受攻擊會使功能網絡受損，影響網絡連通能力。系統抗毀度用于描述系統受損后，其結構保持聯通的能力，是量化指揮信息系統抗毀程度的重要指標。

其中，INV（A）為指揮信息系統對攻擊A的抗毀度，E表示指揮信息系統功能網絡的效率，EA表示系統在受到攻擊A時功能網絡的效率。

4 仿真分析

以某區域聯合防空指揮信息系統抗毀性為例，進行仿真分析。

4.1 想定設置

假設該區域聯合防空力量包括：1個聯合指揮中心，1個戰術指揮中心，1個雷達指揮中心控制5個雷達單元，2個高炮指揮控制中心，4個高炮單元，2輛導彈指揮車控制4個導彈發射單元，1個情報處理中心，1架預警機，2架電子干擾機和3架殲擊機，共29個物理節點，包含41條通信鏈路，其中預警機和殲擊機主機為復合節點。上層功能網絡中有 31 個節點，其中 V1～V9為情報節點，V10～V18為指控節點，V19～V31為火力節點。該指揮信息系統結構如圖5所示。

根據區域聯合防空的作戰目標，其主要任務包括：情報偵察T1、電子攻擊T2、空中突擊T3、防空反導 T4等。T1階段，指控節點對偵察節點（V1～V9）發送情報偵察指令，情報節點收集情報信息，經情報處理中心V11匯總處理后上報聯合指揮中心V10和戰術指揮中心V12；T2階段，指控節點在情報支持下，對電子干擾機（V27V28）下達對敵電子攻擊指令，對敵空中力量進行電子干擾；T3階段，指控節點結合空中態勢信息，對殲擊機（V29V30V31）下達空中突擊指令，對敵實施空中火力打擊；T4階段，戰術指揮中心V12綜合空地態勢，通過高炮指控中心（V15V16）和導彈指揮車（V13V14）下達火力打擊指令，實施防空反導作戰行動。

根據任務之間的時序/邏輯關系，得到區域聯合防空作戰任務流，如圖6所示。

區域聯合防空作戰任務流驅動其指揮信息系統上層功能網絡拓撲結構動態演化，根據，構建功能網絡拓撲，如圖7所示。

4.2 仿真分析

圖7 指揮信息系統功能網絡拓撲演化圖

為簡化分析，將指揮信息系統功能網絡抽象為無向加權圖，連邊權值均設為1。本文采用MATLAB仿真軟件分別對執行4項不同任務時（拓撲如圖7所示），分別對指揮信息系統單個功能子網抗毀性與功能網絡整體抗毀性進行分析，記錄節點損毀后網絡抗毀度的變化情況，繪制抗毀度變化曲線，通過節點毀傷后系統抗毀度的變化情況，并結合圖7，對仿真結果進行分析。

4.2.1 功能子網抗毀性分析

若不考慮態勢感知網、指揮控制網和火力打擊網之間的信息關聯關系，可分別得到3個功能子網中節點對子網抗毀度的影響，確定節點在功能子網中的重要性，從而通過關鍵節點防護和調整子網內部的信息連接關系等方法，增強功能子網內部的結構抗毀性。

如圖8所示，圖中橫坐標為毀傷節點編號，其中橫坐標編號1～9表示情報節點V1～V9，屬于態勢感知網中的功能節點；橫坐標編號10～18表示指控節點V10～V18，屬于指揮控制網中的功能節點；橫坐標編號19～31表示火力節點V19～V31，屬于火力打擊網中的功能節點。縱坐標表示功能子網結構的抗毀度。結合圖7中的拓撲結構，功能子網結構的抗毀度由式（5）～式（8）計算得到。

圖8 功能子網獨立抗毀度

由圖8中可以看出：當情報節點V6損毀時，T3和T4階段態勢感知網的抗毀度明顯下降，結合圖7（c）和圖7（d），兩任務階段V6在態勢感知網中除完成自身情報獲取的同時，還對V7V8進行信息中轉，其損毀嚴重影響態勢感知網的功能實現；T1階段聯合指揮中心V10擔負整體決策功能，在指揮控制網絡中連接多個指控節點，當V10損毀時，T1階段指揮控制網絡的抗毀度明顯下降；當指控節點（戰術指揮中心）V12損毀時，所有任務階段指揮控制網的抗毀度都下降，且除情報偵察T1外，其他3個任務階段指揮控制網的抗毀度降為0，此時該功能子網已癱瘓，喪失任務執行能力；在火力打擊網中，火力節點V19～V26只參與T4，其損毀僅對該任務階段火力打擊網抗毀度造成影響；火力節點V29V30V31只參與T3，損毀后火力打擊網抗毀度僅在T3任務階段明顯降低。以上分析說明不同任務階段，功能子網結構的變化使得同一功能節點對子網抗毀度的貢獻不同，節點在子網中的重要程度隨子網結構的變化發生改變。

4.2.2 整體抗毀性分析

由于態勢感知網，指揮控制網和火力打擊網之間存在信息依賴關系，構成指揮信息系統功能網絡拓撲，因此，在作戰目標達成的過程中，應考慮依賴關系對系統結構的影響，綜合分析功能網絡整體抗毀性。

圖9中橫坐標為毀傷節點編號，與圖8橫坐標含義相同，縱坐標為功能網絡整體抗毀度。結合圖7，通過式（4）、式（8）計算可得功能網絡整體抗毀度。

圖9 功能網絡整體抗毀度

由圖9可以看出：功能網絡整體抗毀度曲線在指控節點V10～V18處的變化幅度最大，其后依次為情報節點、火力節點。說明指控節點損毀對整體功能網絡抗毀度影響最為顯著，在作戰中重要性整體較高。進一步分析可知，4條功能網絡整體抗毀度曲線變化最明顯的點出現在V11V12處：T1階段，情報處理中心V11所有情報節點與之建立直接連接，承擔所有情報進行分析處理工作，以及對指控節點上報情報態勢的重要使命，其重要性尤為突出；T2～T4階段，戰術指揮中心V12對其他指控該節點下達作戰指令，對參與戰斗的各情報節點和火力節點進行指揮控制，該節點損毀會對任務的完成產生嚴重影響。4條功能網絡整體抗毀度曲線在火力節點V19～V26處表現不明顯，說明火力節點在系統中與其他節點的信息交互較少，具有較強的獨立性。

通過上述分析可知，在不同任務階段，能夠動態跟蹤并鎖定關鍵節點位置，針對性地根據任務需要，合理分配資源以及對重要節點加強防護，提升指揮信息系統抗毀性。

5 結論

本文采用基于任務流的系統結構分析思路，建立了指揮信息系統雙層網絡結構模型，針對上層功能網絡的拓撲動態性，提出了系統結構抗毀性分析方法，并結合功能子網抗毀度及功能網絡整體抗毀度對節點的重要性進行了分析，為指揮信息系統關鍵節點識別及抗毀性研究提供了有益參考。下一步將針對網絡化指揮信息系統抗毀性度量問題進行研究。