一種基于虛擬目標(biāo)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)攻擊策略

游航航，余敏建，呂 艷，張小強(qiáng)，曹曉劍

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院， 西安 710051； 2.中國(guó)人民解放軍94563部隊(duì)， 山東 威海 264200)

目標(biāo)攻擊策略是作戰(zhàn)決策的基礎(chǔ)，正確選擇打擊目標(biāo)是“擇要精打，體系癱瘓”的關(guān)鍵。目標(biāo)選擇的關(guān)鍵在于通過(guò)正確選擇突擊目標(biāo)及突擊順序,對(duì)敵作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)施有效的打擊。目標(biāo)攻擊策略的基本理論有“五環(huán)攻擊法”、鏈條效應(yīng)理論、瓶頸效應(yīng)理論、連累效應(yīng)理論、層次效應(yīng)理論、組合理論[1]等，他們分別從不同的側(cè)重點(diǎn)對(duì)目標(biāo)攻擊過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。基于此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出各種目標(biāo)選擇方法。王長(zhǎng)春等提出運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論[2]，鄧志宏等[3-5]指出目標(biāo)的價(jià)值取決于目標(biāo)個(gè)體價(jià)值和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)價(jià)值，將目標(biāo)的這兩種價(jià)值融合在一起，形成了目標(biāo)的最終價(jià)值。雷霆等[6]將目標(biāo)選擇中的多種約束和多種關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行探索，得到一種有效的目標(biāo)選擇建模方法。David Krackhardt等[7]提出了基于5個(gè)主要關(guān)系的PCANS(Precedence, Commitment of resources, Assignment of individuals to tasks, Networks of relations among personnel)模型的元網(wǎng)絡(luò)方法，用“認(rèn)知載荷”和“任務(wù)排他性”兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)中行動(dòng)者的重要程度。在這些方法中，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)目標(biāo)的個(gè)體間的差異性體現(xiàn)不夠明顯，綜合價(jià)值建模方法對(duì)于目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化考慮不足，多約束多關(guān)聯(lián)建模方法較為復(fù)雜，且沒(méi)有體現(xiàn)作戰(zhàn)的階段性特點(diǎn)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展、武器裝備的革新，交戰(zhàn)雙方目標(biāo)的體系化特征也越來(lái)越明顯[8]。很多情況下，個(gè)體價(jià)值要依賴(lài)于系統(tǒng)得到體現(xiàn)和升華，如預(yù)警機(jī)的使用等。同時(shí)，系統(tǒng)個(gè)體之間相互作用，互相協(xié)調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)功能涌現(xiàn)，也發(fā)揮著重要的作用。

1 目標(biāo)攻擊策略基礎(chǔ)問(wèn)題分析

根據(jù)研究，給出目標(biāo)攻擊策略的定義如下：根據(jù)目標(biāo)屬性以及目標(biāo)之間的聯(lián)系性，通過(guò)計(jì)算，確定在打擊行動(dòng)中各目標(biāo)個(gè)體的輕重緩急。

在打擊行動(dòng)中，最終目的是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)功能的摧毀，通常需要實(shí)施多輪次的打擊。傳統(tǒng)方法中，經(jīng)常采用一次性完全決策，是不符合實(shí)際要求的。所以，在實(shí)際作戰(zhàn)中，首要目標(biāo)被打擊之后，次要目標(biāo)的選取就要根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行判斷，進(jìn)行實(shí)時(shí)的決策。在文獻(xiàn)[9]中表述為“利用行動(dòng)中間結(jié)果調(diào)整目標(biāo)”。這一點(diǎn)，對(duì)于作戰(zhàn)指揮人員決策具有重要意義。

在一個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)中，目標(biāo)個(gè)體之間聯(lián)系復(fù)雜緊密，相互作用明顯，在很多情況下會(huì)涌現(xiàn)出新的特性，特別是在作戰(zhàn)系統(tǒng)中，協(xié)同、配合、保障等關(guān)系突出，更加具備涌現(xiàn)的基礎(chǔ)。涌現(xiàn)性分為兩種：同質(zhì)涌現(xiàn)性和異質(zhì)涌現(xiàn)性[10]。同質(zhì)涌現(xiàn)性是指，在原有屬性特征基礎(chǔ)上的增強(qiáng)和擴(kuò)大，如雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)能力的增大；而異質(zhì)涌現(xiàn)性是指，系統(tǒng)原本不具備的能力屬性，在系統(tǒng)內(nèi)部個(gè)體之間的相互作用下，產(chǎn)生了新的功能作用,如雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)能力。

本文對(duì)目標(biāo)攻擊策略的研究，就是基于系統(tǒng)學(xué)思維，在考慮系統(tǒng)中目標(biāo)個(gè)體被移除的情況下，以目標(biāo)系統(tǒng)整體價(jià)值的變化量來(lái)衡量目標(biāo)個(gè)體對(duì)系統(tǒng)的價(jià)值；同時(shí)，根據(jù)階段性特征要求，將次要目標(biāo)的選定放在當(dāng)前現(xiàn)有的目標(biāo)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行，以克服一次性完全決策帶來(lái)的弊端。

2 虛擬目標(biāo)建模

2.1 區(qū)間數(shù)的定義與運(yùn)算法則

定義：

a=[a-,a+]={x|a-≤x≤a+，a+∈R}

(1)

b=[b-,b+]={x|b-≤x≤b+，b+∈R}

(2)

為兩個(gè)區(qū)間數(shù)，并根據(jù)其定義，給出如下區(qū)間數(shù)的運(yùn)算公式[13]：

[a-,a+]+[b-,b+]=[a-+b-,a++b+]

(3)

[a-,a+]-[b-,b+]=[a--b+,a+-b-]

(4)

0?[b-,b+]

(5)

[a-,a+]×[b-,b+]=[p,q]

(6)

(7)

其中p、q的值分別為

p=min(a-b-,a-b+,a+b-,a+b+)

q=max(a-b-,a-b+,a+b-,a+b+)

2.2 虛擬目標(biāo)理論

在研究復(fù)雜問(wèn)題時(shí)候，有時(shí)候直接研究會(huì)存在困難，難以表達(dá)關(guān)聯(lián)個(gè)體之間復(fù)雜的關(guān)系，所以通過(guò)映射，將問(wèn)題A1按照一定的映射規(guī)則(根據(jù)具體問(wèn)題確定)，轉(zhuǎn)化為與之具有對(duì)應(yīng)關(guān)系且易于考慮的A2，即建立虛擬研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行研究得到B2，再根據(jù)一定的規(guī)則，將研究結(jié)果映射到研究實(shí)體得到B1，從而達(dá)到簡(jiǎn)化研究過(guò)程的目的。

本文對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的研究，通過(guò)構(gòu)造虛擬目標(biāo)，將目標(biāo)系統(tǒng)中的個(gè)體獨(dú)立化，把對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)中的復(fù)雜關(guān)聯(lián)個(gè)體的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)虛擬目標(biāo)的研究，進(jìn)而得到目標(biāo)的攻擊策略，如圖1所示。其中，目標(biāo)間連線(xiàn)的粗細(xì)表示目標(biāo)之間聯(lián)系的緊密程度。

圖1 虛擬目標(biāo)理論

2.3 攻擊策略生成決策流程

(8)

(9)

步驟2：構(gòu)造虛擬目標(biāo)，確定映射規(guī)則。將原有系統(tǒng)中所有目標(biāo)個(gè)體進(jìn)行編號(hào)，并分別按照兩兩一組，構(gòu)造虛擬目標(biāo)，確保全面性；再根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則，確定映射比例系數(shù)。如圖2所示。

圖2 虛擬目標(biāo)構(gòu)造

其中Tci,Tcj表示目標(biāo)系統(tǒng)中相互聯(lián)系的兩個(gè)目標(biāo)個(gè)體，Cij表示兩個(gè)相關(guān)目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性。在此，討論兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的目標(biāo)個(gè)體映射到虛擬目標(biāo)過(guò)程中的映射規(guī)則。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將各個(gè)目標(biāo)平均分配到相關(guān)虛擬目標(biāo)之上作為此映射的規(guī)則，即確定映射比例系數(shù)為：

(10)

其中Di為目標(biāo)i的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度，即與目標(biāo)i相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)個(gè)數(shù)。

步驟3：確定虛擬目標(biāo)的價(jià)值。定義虛擬目標(biāo)Nij價(jià)值為VNij，其價(jià)值函數(shù)為VNij=f(Ti,Tj,Cij)，通過(guò)映射比例系數(shù)確定虛擬目標(biāo)價(jià)值表達(dá)式為：

VNij=kCiVTci+kCjVTcj+VCij

(11)

步驟4：確定目標(biāo)系統(tǒng)價(jià)值VS。其中n為目標(biāo)系統(tǒng)中目標(biāo)個(gè)體的數(shù)量。

(12)

(13)

步驟6：確定目標(biāo)k對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值Ek。通過(guò)目標(biāo)系統(tǒng)價(jià)值變化前后的差值來(lái)表示。

(14)

注意：在求目標(biāo)個(gè)體對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值時(shí)，如果存在孤立目標(biāo)(此種情況多出現(xiàn)在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中被破壞若干目標(biāo)個(gè)體之后)，其貢獻(xiàn)值就等于目標(biāo)屬性?xún)r(jià)值，而非零。

步驟7：計(jì)算所有目標(biāo)個(gè)體的系統(tǒng)貢獻(xiàn)值，根據(jù)Ek的大小，確定當(dāng)前目標(biāo)系統(tǒng)中最重要目標(biāo)K，Ek越大，目標(biāo)重要度越高。

步驟8：判斷目標(biāo)K是否毀傷，如果毀傷則進(jìn)一步判斷任務(wù)是否結(jié)束，如果沒(méi)有，則根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，重復(fù)上述步驟2、3、4、5、6、7，判斷當(dāng)前剩余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最重要目標(biāo)K′，進(jìn)行新一輪的打擊行動(dòng)。

綜合上述分析，目標(biāo)攻擊策略流程如圖3所示。

3 案例分析

為了進(jìn)一步證明該建模方法的有效性，本文針對(duì)某區(qū)域通信基站組網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)內(nèi)部個(gè)體之間網(wǎng)絡(luò)連通系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖3 目標(biāo)攻擊策略流程框圖

圖4 某區(qū)域通信基站組網(wǎng)系統(tǒng)模型

為了減少數(shù)據(jù)誤差，本文所有的數(shù)據(jù)都使用區(qū)間數(shù)來(lái)表示。區(qū)間上下界的相對(duì)大小反應(yīng)相關(guān)屬性的重要程度；區(qū)間跨度的大小反應(yīng)區(qū)間信息的不確定性，區(qū)間跨度越大，不確定性越高。其中必須打擊的目標(biāo)重要性指標(biāo)為100，禁止打擊的目標(biāo)重要性指標(biāo)為0。本文各通信基站的屬性?xún)r(jià)值由相關(guān)專(zhuān)家根據(jù)情報(bào)部門(mén)的信息直接給出。數(shù)據(jù)只是為了證明方法的有效性以及相關(guān)關(guān)系和動(dòng)態(tài)變化，存在人為因素及其他因素的影響，但不影響問(wèn)題的研究，賦值情況如表1所示。

目標(biāo)系統(tǒng)中各個(gè)個(gè)體連接復(fù)雜，在定量分析中，要保證分析結(jié)果的全面性，需要充分考慮各個(gè)個(gè)體之間的聯(lián)系，通常進(jìn)行完全的兩兩關(guān)聯(lián)，分析之間的聯(lián)系，然后根據(jù)目標(biāo)屬性及具體任務(wù)需求，確定約束關(guān)系，篩選后得到目標(biāo)的虛擬映射需求，構(gòu)造虛擬目標(biāo)，并根據(jù)情報(bào)信息，由專(zhuān)家對(duì)聯(lián)邊價(jià)值指標(biāo)區(qū)間進(jìn)行賦值，各聯(lián)邊價(jià)值如表2所示。

表1 各目標(biāo)個(gè)體屬性?xún)r(jià)值

表2 各聯(lián)邊價(jià)值

進(jìn)一步，根據(jù)各虛擬目標(biāo)相應(yīng)映射規(guī)則，對(duì)虛擬目標(biāo)進(jìn)行研究，并通過(guò)式(10)、式(11)確定虛擬目標(biāo)價(jià)值。將問(wèn)題簡(jiǎn)化研究之后，完成了虛擬目標(biāo)理論的第1步。第2步，將虛擬目標(biāo)價(jià)值通過(guò)一定的映射規(guī)則，重新映射到各目標(biāo)實(shí)體上，根據(jù)式(12)、式(13)、式(14)確定目標(biāo)個(gè)體的系統(tǒng)貢獻(xiàn)值如表3所示。

由此得到目標(biāo)個(gè)體的系統(tǒng)貢獻(xiàn)值的區(qū)間數(shù)指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中的方法，計(jì)算得到區(qū)間數(shù)大小指標(biāo)向量如式(15)所示：

δ=(3,9,14,15,5,6,7,13,12,8,10,3,1,10,16,2)

(15)

所以目標(biāo)攻擊策略結(jié)果如下所示：

T15>T4>T3>T8>T9>T11,14>T2>

T10>T7>T6>T5>T12,1>T16>T13

表3 目標(biāo)個(gè)體的系統(tǒng)貢獻(xiàn)值

表4 各類(lèi)算法目標(biāo)攻擊策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表(表4)

4 結(jié)論

本文提出的基于虛擬目標(biāo)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)攻擊策略，綜合考慮目標(biāo)屬性與目標(biāo)系統(tǒng)個(gè)體間的關(guān)聯(lián)，克服以往研究中片面考慮目標(biāo)屬性或目標(biāo)關(guān)聯(lián)的缺陷；考慮系統(tǒng)涌現(xiàn)性，運(yùn)用目標(biāo)個(gè)體對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值來(lái)衡量目標(biāo)個(gè)體在系統(tǒng)中的價(jià)值，避免目標(biāo)屬性與目標(biāo)關(guān)聯(lián)的機(jī)械結(jié)合；根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整行動(dòng)方案，使結(jié)果更加符合實(shí)際特征，相比傳統(tǒng)方法更加準(zhǔn)確有效。在后續(xù)的研究中，將針對(duì)目標(biāo)聯(lián)系性的多級(jí)層次關(guān)系和多樣化的關(guān)聯(lián)類(lèi)型進(jìn)行完善。