基于超網絡的空戰場管制體系建模及評估*

文 婧，文 秘，朱奕杰，方 強，張 揚

（1.陸軍防化學院軍事理論教研室，北京 102205；2.空軍指揮學院指揮控制教研室，北京 100097）

0 引言

空戰場管制系統是實現空戰場管制職能所必須的組織、人員、政策、規程和設備的統稱，其中組織形式和運行機制是其核心環節，決定著空戰場管制系統的工作效率和效能的發揮。隨著空戰場越來越受到重視，空戰場管制系統結構研究得到了廣泛關注，如：陳上平［1］等提出按照“戰區空軍空管中心-分區空管中心-機場空管中心”的模式建立空中戰場管制指揮機構；董朝雷［2］等針對聯合防空問題，提出以各級負責空域管制的部門為依托，建立“空域控制中心- 空域控制中心- 空域控制小組”三級空域管制體系；徐維如［3］根據指揮控制機構的系統結構，確定戰時航空管制的崗位應分為戰役決策層、戰術計劃層和執行操作層；李雙峰［4］提出信息化條件下空戰場管制應結合我軍目前指揮體系和空戰場需要，在未來主要方向作戰中，可以構建“空中作戰集團指揮部- 空中作戰集群指揮部- 空中作戰區域管制中心”三級管制指揮體系等。當前，戰區聯合作戰指揮體制建立并運行，空戰場管制系統急需作出相應的設計改變。針對該問題，本文依據空戰場管制系統構建原則，提出了“四級空戰場管制體系”構想，明確了其內外關系；采用超網絡結構建模的方法，對系統結構和信息流轉能力進行了評估，為空戰場管制系統防護和改進提供了依據。

1 空戰場管制系統層次結構設計

1.1 空戰場管制系統構建原則

空戰場管制系統構建主要堅持3 個重要原則［3］：一是堅持空軍主導，與指揮體制相適應。《中華人民共和國飛行基本規則》明確指出：“中華人民共和國對境內所有飛行實行統一的飛行管制，國務院、中央軍事委員會空中交通管制委員會領導全國的飛行管制工作，中國人民解放軍空軍負責統一組織實施。”隨著戰區聯合作戰指揮體制的建立，形成了“軍委管總，軍種主建，戰區主戰”的新格局，戰區成為本方向唯一的最高指揮機構。對于空戰場管制而言，仍要堅持管制委領導，由空軍平戰結合組織空戰場的建設管理，統一組織實施全國飛行管制，以確保管制系統平戰轉換的順利實施。二是軍地結合，堅持平戰一致。空戰場是空中力量遂行作戰任務的空間范圍。空域平時是準戰場，用于日常防空戰備、保衛領空安全，實行準軍事化管理，戰時則是典型的空戰場，實行軍事化管理。空戰場建于平時，用于平時，更用于戰時。因此，空戰場管制系統建設中，要以平時為基礎，并著眼于戰時，著眼于國防，既保證民用飛行暢通，又滿足作戰飛行需求；既有效保證正常飛行，又有利于迅速處置突發事件。三是立足空防安全，空管空防一體。戰區空戰場管制與防空作戰行動是現代戰場上最為突出的矛盾。戰區空戰場管制的目的是組織、協同和控制空域的使用，以增強軍事行動效能的行為。防空作戰是對進入己方上空的敵目標進行攻擊。如果戰區空域管制與防空作戰行動各行其是、獨自展開，那么兩者之間必須發生沖突或相互干擾，甚至出現誤傷的現象。如果兩者能有機地結合起來，空域管制職能的發揮就會與防空作戰行動保持協調一致，提高防空作戰的目標捕捉和敵我識別能力，既可以對空襲之敵進行有力的打擊，又能防止相互干擾和誤傷。

1.2 空戰場管制系統層次結構

空戰場管制系統要與當前的指揮體制相適應，這是管制系統構建的第一原則。由于空戰場管制是由空軍主導，屬于空中作戰指揮控制的一部分，戰區聯合作戰空戰場管制體系更加強調與空中作戰指揮體系相一致。當前，“軍委聯指-戰區聯指-任務部隊”的聯合作戰指揮格局已經基本形成，聯合空中作戰行動指揮控制鏈路（以制空作戰為例）為：戰區聯指（空中作戰分中心）——區域空防作戰基地指揮機構/空中機動指揮所（預警機、指通機）——任務兵力。

圖1 空戰場管制系統層次設計

按照職能和作用劃分，聯合空中作戰指揮體系可區分為戰略籌劃層、戰役籌劃/計劃層、戰術計劃層和戰術控制層，對應軍委聯指（空中分中心）——戰區聯指（空中分中心）——空中集群——空中群隊。因此，結合戰區聯合空中作戰指揮體系和空戰場需要，依托現行飛行管制機構，可以構建“軍委聯指空戰場管制中心——戰區聯指空戰場管制中心——區域空戰場管制中心- 機場管制中心”四級空戰場管制體系（如圖1 所示），各級管制中心均為本級指揮機構指揮控制中心內部的一個部門，受本級作戰指揮員指揮。各級管制中心對下級管制中心構成指揮關系和業務指導關系，與相關民航管制部門構成管制協調關系，與本級作戰、情報、通信、領航、雷達、氣象等相關部門之間構成協同關系。

2 空戰場管制體系超網絡建模

空戰場管制系統是實現空戰場管制職能所必須的組織、人員、政策、規程和設備的統稱，其網絡結構是一個具有典型網絡化特征的分層、分布式一體化復雜系統，具有節點異質、鏈路多重、拓撲時變等特點，具體表現為［5］：網絡嵌套、多層特征、多級特征、多維流量、多種屬性、擁塞性、優化不一致問題等。對具有這種結構特征的系統結構，主要采用超網絡建模的方法進行研究。

2.1 節點與關系描述

空戰場管制系統是由功能節點和信息連邊構成的。定義了系統的功能節點和信息連邊，就能對系統的拓撲結構進行描述［6］。對于任意一個功能節點V，可以定義為：

顯然，任意一條超邊都是由節點和關系構成的。

2.2 管制體系信息流模體

按照空戰場管制系統中3 類基本信息類型：情報信息、指控信息和狀態信息產生、處理和使用過程對系統結構中所有的信息流總結提煉，提出空戰場管制系統結構中的情報信息流模體（I-Flow）、指控信息流模體（C-Flow）、協同信息流模體（S-Flow）3類信息流模體［7］，見下頁表1。

2.3 流模體超網絡模型

表1 空戰場管制系統中的流模體

在空戰場管制系統中，任意兩個節點間都可能相互關聯或者通過中間節點進行關聯，但在這些關系中，只有一部分是有關鍵意義的，比如能完成一定功能的鏈路，基于流模體的建模就是基于這種考慮。

以區域級別的空戰場管制系統為例，其基于信息流模體的超網絡拓撲結構如圖2 所示。

圖2 基于信息流模體的空戰場管制系統超網絡建模

其中，管制指控節點：區域管制中心、預警機及機場；信息處理節點：情報處理融合中心；信息獲取節點：雷達；管制執行節點：飛行器。

3 空戰場管制系統網絡結構特性度量

未來空戰場管制系統起到維護戰場秩序，提高空域資源使用效率和增強作戰效能的關鍵作用，面臨著大容量、高時效和激烈的對抗性，是對手重點攻擊的目標，因此，為保證管制活動的連續、有序、有效，空戰場管制系統必須具備靈活性、高效性和魯棒性。

3.1 節點重要性

對于管制系統結構來說，節點重要性排序是一個非常重要的分析過程，通過節點重要性排序分析，能夠確定系統結構H 中重要節點，從而加強節點的防護和備份，對于維持系統的持續性和穩定性至關重要。反之，對敵管制系統節點的重要性分析，能夠便于發現敵管制系統關鍵節點，通過對敵重要節點進行選擇性攻擊，實現破敵管制體系的作用。同時，節點重要性分析還是系統魯棒性分析的基礎。

3.2 空戰場管制系統靈活性

空戰場管制系統靈活性是對空戰場管制系統結構適應內外部環境變化的能力度量。系統的靈活性由系統結構的適變空間大小，及相應的適變代價決定，適變空間越大，適變代價越小，則系統的靈活性越大。用空戰場管制系統流模體組合性度量適變空間，用其流模體的平均時延度量適變代價，則空戰場管制系統的靈活性可以表述為：

3.3 空戰場管制系統高效性

空戰場管制系統高效性是對空戰場管制系統結構運行效率的綜合度量。一般采用空戰場管制系統結構完成任務的平均時延，來反映其在完成任務的高效性。空戰場管制系統結構H 完成任務的平均時延，應為系統結構中3 類信息流模體平均時延的加權平均，即：

顯然，空戰場管制系統結構完成任務的平均時延越小，則系統結構越高效。

3.4 空戰場管制系統魯棒性

空戰場管制系統魯棒性是指系統單元及單元關系不確定（失效或降效）情況下仍保持原有效能的能力。如果空戰場管制系統結構H 受到攻擊后，變為H'，則系統結構中信息流模體損毀度可用下式衡量：

由于不同類型的空戰場管制系統流模體，表達的含義有所區別，因此，總的損毀程度可看作是各種類流模體損毀程度的加權求和。即：

其中，δ≥0 用以控制不同等級之間抽樣概率的間隔密度。當δ=0 時，各等級目標的抽樣概率相同，抽樣過程等同于等概率抽樣，代表了隨機攻擊模式；當δ＞0 時，隨著δ 的不斷增大，排名靠后的抽樣概率變小，排名靠前的節點的抽樣概率不斷增大。因此，δ 反應的是對系統認知的程度，δ 越大認知準確度越高。

4 管制體系評估及算例分析

表2 有向連邊的集合及時延測度

每個節點對信息的處理能力和速度不同，存在不同的時延測度，見表3。

令（αI，αC，αS）=（0.375，0.375，0.25），對空戰場管制系統結構特性進行分析。

4.1 節點重要性

根據表1 中所示流模體模式，對系統結構H 中所有流模體進行統計，得到情報信息流模體24 條，指控信息流模體32 條，反饋與協同信息流模體124條。根據式（6），計算各管制節點的重要程度，如表4所示。

顯然，基于流模體的管制節點重要性分析方法能夠判斷出節點在不同流模體中的重要性，從而體現出節點在不同功能環節中發揮的作用地位。由該重要性程度分析結果可以看出，區域管制中心和預警指揮機的重要程度最高，要注意該類節點的隱蔽、防護和備份。特別是預警機作為高價值目標，要在確保安全的前提下，發揮其關鍵節點作用。

表3 節點信息處理時延

表4 管制節點重要性排序

4.2 系統靈活性與高效性

將表2、表3 數據代入式（7）、式（8），得到空戰場管制系統的高效性和靈活性指標，如表5 所示。

表5 空戰場管制系統高效性和靈活性指標

由該結果可以看出，指控流模體的平均時延較大，不利于瞬息萬變的空戰場空情變化對管制指揮的需要。因此，要進一步梳理優化信息流程，降低指控流模體的平均時延。

4.2 系統魯棒性

設敵對我空戰場管制系統認知的程度為：δ=0.5。按照表4 的節點重要性排序，采用20 次不等概率抽樣，分別對1、2、3、4 個節點進行攻擊的蒙特卡羅仿真結果，如表6 和圖3 所示。

表6 空戰場管制系統魯棒性仿真結果

圖3 不同數目節點損毀后的系統有效性

可以看出，該曲線是一個“反S”曲線，即在已知的信息范圍內，對系統進行針對性攻擊，隨著系統節點損毀數目的增加，系統有效性降低的速率先增加后減小。假設對于該空戰場管制系統而言，要正常的發揮管制作用，需保持55%以上的有效性，利用線性插值法得到對應的損毀節點數目為2.14，即為空戰場管制系統結構H 的魯棒性度量。當δ=0.5時，即系統結構較為清晰，當系統的損毀節點平均數超過2.14 時系統將失效。

對于不同的系統而言，利用靈活性、高效性和魯棒性指標，能夠對系統結構之間的靈活性、高效性和魯棒性進行比較，從而得到較優的系統結構，或者找到系統結構改進的方向。

5 結論

本文依據管制系統構建原則，提出了“四級空戰場管制體系”構想，能夠較好地契合當前戰區聯合作戰，特別是戰區聯合空中作戰指揮體制。采用基于流模體的超網絡建模方法對管制系統進行評價，能夠從信息流的角度，衡量系統的有效性、高效性和魯棒性，克服了復雜網絡模型對網絡結構度量中出現的“結構冗余”和“無效連接”評價等現象。該方法能給出管制系統節點在不同功能中的重要性程度和結構特性度量結果，為管制系統節點防護或對敵節點打擊選擇提供直接依據，為管制系統優化指明了方向。