信息支援下的作戰體系多層網絡建模

魯統亮, 陳文豪, 葛冰峰, 鄧祁零

(國防科技大學系統工程學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

隨著軍事高科技手段的發展和作戰樣式的不斷革新,作戰體系中裝備的種類、功能趨向復雜性、多樣性,網絡中心戰作為現代信息化戰爭的主要形式,體系對抗的重心也從傳統意義上的兵力規模、火力強度轉移到各類節點之間的聯系、相互作用的強弱，并以此作為衡量一場戰斗的主要因素?，F有作戰建模仿真研究中缺少對通信網絡對整個作戰體系的影響和作用的研究。同時,對于裝備節點的功能性能考慮不夠全面導致構建的作戰網絡模型精確性大大降低,從而影響仿真分析的結果。因此,本文研究中,根據復雜網絡的相關理論,通過建模分為目標節點(T)、傳感節點(S)、指控節點(D)、通信節點(C)和打擊節點(A)5類,在文獻[3]基礎上,構建了各類節點的戰技性能指標體系。

目前,指控系統等武器裝備平臺(或系統)大多具備偵察、傳感、通信、指控、打擊等功能,作戰體系是由多種武器裝備(單元)組成,通信網絡作為體系中溝通的橋梁,使得作戰體系的整體涌現性得以發揮。通信網絡將獨立的武器裝備平臺(或系統)連接起來,實時收集、共享、協同處理多種信息、指令,從而對整個作戰網絡協調控制,實現能量流、物質流和信息流的傳輸,達到提升整體作戰能力的效果。

因此,在作戰網絡建模過程中,需要對作戰網絡中的每個實體單元進行建模,從而構建其對應的能力指標。

1 節點的建模

由于作戰網絡節點的異質性和邊的不確定性,這里將作戰體系劃分為指控網、傳感網、打擊網和通信網。指控網是由指揮人員組成的具有指揮控制功能的指揮機構作為網絡節點,指控網節點之間所構成的關系即指控關系，構成了指控網節點與節點之間的邊,且指控關系具有一定的組織層次網絡結構,是各種作戰單元形成體系能力的核心。傳感網絡是由戰場中各類具有傳感探測功能的作戰單元作為網絡節點,傳感網路中作戰單元之間的信息交互形成了網絡節點與節點之間的邊,主要為指控網中的節點提供情報支援,連接了戰場上所有的網絡結構。打擊網是由具有火力打擊能力的武器裝備作為網絡節點,火力打擊節點之間的能量交互作為節點的邊。通信網絡構成了指控網、傳感網和打擊網3個網絡之間的通信鏈路,是網絡之間的連接紐帶,對網絡形成作戰體系能力具有重要的作用。作戰體系中信息流、能量流的方向如圖1所示。

圖1 作戰體系信息流、能量流向示意Fig.1 Information flow and energy flow directions of the combat systems

1.1 目標節點的建模

敵方目標是我方作戰體系攻擊或干擾的對象,要對目標進行針對性打擊,必須分析敵方目標節點之間的關聯關系,從目標節點所具有的特征屬性中選取我方所關注的主要特征屬性。因此,這里將目標節點定義為敵方的作戰單元(實體),可以作為己方攻擊的各類裝備目標。

1.2 傳感節點的建模

本文中傳感節點的建模與傳統的偵察設備有一定的區別,前者不僅包含了偵察搜索裝備,還包括了情報處理和信息傳輸裝備,其范圍更加廣泛。也就是說,傳感節點主要功能是對目標進行偵察搜索、定位識別等,然后將偵察搜集的數據和信息通過通信網傳輸給作戰網絡中的其他節點,為指控節點提供態勢信息或為打擊節點采取有效行動提供信息支持?；诖?這里主要關注通信相關的戰技指標，包括:

(1) 通信覆蓋范圍:為定量指標,是指2個通信節點之間進行通信傳輸的最大距離;

(2) 傳輸速率:通信節點之間信息傳輸的速率,為定量指標;

(3) 通信質量:話務、文電等系統能為雷達提供信息的能力,通信質量的影響因素與信道的多少、傳輸協議等有關,為定量指標;

(4) 通信時延:是指報文從進入節點到離開節點之間的時間。通信時延主要有發送延遲、傳輸延遲和處理延遲,為定量指標。

1.3 指控節點的建模

指控系統是信息化戰爭的核心裝備。外軍日新月異的各類數字化指揮設備、通信電子系統及實時態勢感知和指控信息確保了信息的完整性、保密性和可用性。因此,指控系統是整個作戰網絡中重要的組成部分,指控能力對于提高軍隊整體的作戰能力具有重要影響。

這里將指控節點(decision,D節點)定義為:集指揮等功能于一體的武器平臺,能夠實現對情報信息的接收、處理、分發等功能,并根據信息作出相應決策,通過發出指令信息控制其他節點。

1.4 打擊節點的建模

隨著先進信息技術的不斷發展,新的技術與常規武器相融合,武器裝備的打擊范圍、打擊精度、機動能力以及智能化程度都有了顯著的提升,電子戰貫穿現代戰爭的整個階段,是雙方奪取制信息權的重要手段。

本文將打擊節點定義為:對對方目標進行直接火力打擊或者對對方目標實施干擾使對方目標失去作戰能力。打擊節點按照打擊方式不同分為毀傷類和干擾類2種。毀傷類主要是使用火力對對方目標進行直接火力摧毀使其喪失作戰能力,從而達到作戰目標；干擾類主要是使用電子干擾等手段使敵方目標喪失作戰效能不能正常工作從而達到作戰目標。

1.5 通信節點的建模

通信網絡作為作戰網絡中重要的組成部分,具有連接各類節點的作用,按照層級關系和指控關系進行連接。通信網絡中存在的部分Hub節點,對網絡的穩定性和抗毀性都有著極為重要的影響,一旦受到攻擊,會影響整個作戰網絡的連通性和作戰效能。

這里將通信節點(communication,C節點)定義為:將作戰體系中具有信息傳輸、信息共享、信息融合、信息處理的一種或多種效能的裝備,稱為通信節點。綜上,作戰實體分類如表1所示。

表1 作戰實體分類屬性描述

2 邊的建模

現代作戰循環理論(observe orient decide act,OODA),將作戰過程抽象為由傳感節點發現目標,通過信息節點將目標信息傳至決策節點,決策節點對信息進行分析處理,進而通過信息節點指揮打擊節點進行選擇性打擊。因此,我們可以將作戰環定義為:面向特定作戰任務,作戰體系中的感知、決策、攻擊節點與對方目標節點構成的代表作戰行為關系的閉合環路,各類節點之間的有向邊是節點之間作戰關系的抽象,作戰環如圖2所示,其中圖2(a)為標準作戰環,圖2(b)為廣義作戰環。

圖2 作戰環Fig.2 Operation Loop

由此可見,作戰環的數量越多意味著作戰體系的抗毀性越強,面對不同目標節點的打擊手段越多,從而能夠在戰場環境中發揮出更強的敵我優勢?？梢赃x取節點與節點之間的相互關系進行建模和仿真,其中,作戰體系的網絡模式如圖3和表2所示。

圖2 7種網絡模式Fig.2 Seven kinds of network modes

表2 作戰網絡模式

去除其中不存在的網絡模式,這里僅考慮7種殺傷鏈，如表3所示,即

={,,,,,,} (1)

表3 作戰網絡中不同殺傷鏈的含義

2.1 T→S邊

(2)

(3)

式中:(0<<1)是可調節參數；是探測范圍的面積；()是指標的權重；()是的隸屬函數,常用隸屬函數的確定方法可參考文獻[14]。

2.2 S→C→D邊

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:為偵察傳感裝備與決策裝備的距離。

2.3 D→C→A邊

2.4 A→T邊

A→T邊表示的是打擊節點到目標節點的邊,分為火力打擊 A→T邊和電子干擾A→T邊。

2.5 S→S邊

2.6 D→D邊

(9)

(10)

(11)

3 作戰網絡多層模型構建

作戰網絡模型反映節點之間作戰力量編制上的隸屬關系,對于同級之間各節點并沒有相互的聯系或者信息流轉。戰場中,作戰網路會隨著態勢的變化而動態演變,作戰實體通過通信網絡進行層級間的聯系,這極大縮短了作戰實體之間的信息流轉,從而提高了作戰體系的快速反應能力。在實際作戰過程中,由于作戰網絡中節點之間的邊是對方重點打擊的對象,節點之間的通信可能被破壞導致通信中斷。因此,需要在作戰體系靜態結構的基礎上,增加一些橫向和跨層聯系,即在靜態網絡建模的基礎上,探尋動態結構的變化,從而能夠準確反映實際戰場中作戰網絡的變化。雙方作戰體系示意圖如圖4所示。

圖4 雙方作戰體系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the combat system of both parties

作戰網絡:根據己方的戰略意圖和作戰決心,將相關的作戰單元按照一定的拓撲結構和指揮關系進行連接,形成的一個具有戰斗力的網絡。

作戰體系:由相關的作戰單元、實體、系統組成，具有適應戰場環境的系統之系統,體系的規模隨著戰場環境的變化而變化,具有一定的涌現性和適應性。

體系對抗:是兩個相互敵對的巨大作戰體系之間發生的大規模聯合作戰行為。以破壞對方體系為目的,同時最大程度地保存己方體系。

作戰體系的(對抗)能力,源自于以下2種機制的共同作用:① 感知、指控、交戰、通信節點自身的行為機制;② 作戰體系“從傳感器到射手”的反映周期或殺傷鏈的長度。較長的反應周期,必然導致作戰行動的遲緩,通常來不及反應就已經被對方殲滅。從網絡的觀點,第一種表現為節點自身的能力(性能、效能);第二種表現為體系網絡平均最短路徑的長度與通信節點的性能。在網絡規模(聯網的節點數)相同的情形下,由于不同的網絡拓撲結構,其平均最短距離差異巨大。

另一方面,相同規模數的作戰體系,其異質網絡中不同種類節點的配比會對網絡的整體能力造成較大的影響。比如,殺傷節點太少會導致對于對方體系破擊能力不足,而指控節點、通信節點不足則會導致體系反應遲緩、行為節奏慢于對方殺傷周期而遭到對方殲滅,傳感節點不足則會導致目標難以發現,進而影響對對方目標的實時打擊。作戰網絡的普遍規律包括:小世界、無標度、高聚集性、冪律分布、 指數分布等。

作戰體系超網絡:由物理域、信息域和認知域組成的,按照一定的指揮關系組成的復雜網絡,3域的關系如圖5所示,同時可以用下式來表示體系作戰超網絡:

SSG=(,,)=
+++++

(12)

圖5 作戰體系三域關系Fig.5 Three-domain relationship of combat system

3.1 作戰體系到復雜網絡拓撲模型的映射方法

對作戰體系進行建模,可以構建得到作戰體系復雜網絡拓撲模型。

戰場中作戰體系的結構不斷發生變化,圖6表示在體系對抗的場景下,作戰雙方通過網絡將信息傳到指揮所,通過決策指令的打擊相應目標的體系對抗示意圖。

圖6 體系對抗網絡拓撲圖Fig.6 System confrontation network topology diagram

需要說明的是,映射后的節點對應作戰體系中的一個實體,當某個節點的功能和屬性具有多樣性時,這里將分別對其進行映射。例如,對于預警機節點來說,同時具有偵察、通信功能等,這里引入2個不同的節點分別表示預警機上的傳感節點和通信節點。利用這種方法,可以將實體映射到不同功能網絡上,這樣就能夠獨立地評估和分析某個功能網絡而不需要考慮過濾節點和過濾邊的問題。

3.2 作戰網絡各層網絡建模

體系作戰超網絡在物理域上的交戰網絡,可以表示為

=(,,)

(13)

式中:={,,…,1 }表示紅方作戰實體的節點集合;={,,…,2}表示藍方作戰實體的節點集合;∩=;代表和之間的交戰關系,?·。

傳感節點、通信節點節點等相互對應。即信息網絡是一個二元組有向網絡,可描述為

=(,)

(14)

式中:=∪表示信息網絡的節點集合;表示和之間的信息流轉關系。

決策節點的主要功能是接受來自傳感節點的信息與感知態勢,因此指控網可以表示為

=(,)

(15)

式中：=表示指控網絡中決策節點集合;表示之間的指揮與控制關系

體系作戰超網絡的網間關系可以形式化描述為

={|∈,∈}

(16)

另一種是由傳感器到信息網的信息傳遞,可以表示為

Flow=flow(→)

(17)

目標信息流Flow的發起端是物理域的節點,接收端是信息域的,不夠及時的態勢信息勢必會影響到指控的有效性和準確性,因此其網間關系可以表示為

={|∈,∈}

(18)

用態勢信息流Flow描述該過程,形式化描述如下:

Flow=flow(→)

(19)

式中:Flow表示的是端到端的傳感節點所傳輸的信息。因此,基于指控網到通信網的傳遞關系可以表示為決策信息流

Flow=flow(→)

(20)

決策信息流Flow涵蓋了信息域中火力和信息任務2種,一般都需要先經過信息處理節點。而信息域和物理域之間的網間關系,成為指揮控制信息流,可以表示為

Flow=flow(→)

(21)

4 模型構建

本節給出的案例來源于真實作戰游戲中的作戰想定。全球新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)流行之際,藍方趁機公開宣布獨立,迫使紅方武統,從森林大陸展開了以立體登陸為中心的跨越海峽,陸、海、空、天、電、網聯合解放葉島戰役行動。為堅決捍衛國家主權,遏制藍方軍事活動,打壓藍方軍事威脅,紅方在相關區域展開執行?？章摵洗驌糇鲬鹑蝿?具體指揮關系如圖7所示。區別于Cares構建的作戰環模型,如圖8所示,我們把上述海空聯合打擊作戰體系分為以下4類節點:指控節點、傳感節點、打擊節點、通信節點。作戰體系結構示意圖如圖9所示,其中●表示指控節點,●表示通信節點,●表示打擊節點,●表示傳感節點。我們可以看到通信子網作為指控子網、傳感子網和打擊子網的連接橋梁,多功能節點(如戰斗機)作為每個子網的融合節點,既具備傳感屬性,同時又具有打擊、指控等屬性。由作戰網絡拓撲結構可知,作戰網絡具有中心性和層次性,其中最外層葉子節點分別為傳感節點和打擊節點,中央節點為指控節點,而連接中央節點和葉子節點的為通信節點。其中,通信處理節點處于前3級指控節點層,最外層任務編隊(第4層指控節點)無實體指控節點，僅有指控屬性,且編隊之間不互連。傳感網絡根據傳感節點重要程度進行排序,然后按冪律分布得到權重,根據概率進行自連。打擊子網不互連,傳感節點和打擊節點的互連概率按打擊節點的重要排序后按冪律分布得到權重后根據概率進行互連。傳感節點和無隸屬關系的指控節點按概率進行連接。

圖7 ?？章摵洗驌糁笓]關系圖Fig.7 Relationship between the sea and air joint strike command organization

圖8 作戰網絡拓撲結構層次圖Fig.8 Hierarchical diagram of combat network topology

圖9 指控子網的拓撲結構Fig.9 Topology of the command and control subnetwork

指控子網是一個由4層網絡組成的網絡,前面第1層指控節點D直接與第2層指控節點D、D、D相連,第2層指控又直接與第3層指控節點相連,可知前3層指控節點與通信節點集成在一起,沒有單獨區分指控節點的通信屬性。由拓撲結構圖10可知,C在整個網絡中起著重要作用,同時第2層指控節點又起著備份的作用,當中央節點收到打擊后,可由第2層節點接替發揮職能。這樣就保證了指控網絡的健壯性。

傳感子網是一個開放網絡,對外部環境有著較強的感知交互能力,通信網絡將傳感器獲取的信息直接傳給指控節點,以實現態勢感知。顯然,傳感子網的度分布不是線性關系,說明傳感子網具有一定程度的模塊化性,即傳感網絡是具有社區性的扁平網絡,對于網絡間信息傳輸效率的提升具有重要意義,傳感節點可以快速加入和退出,降低了網絡的故障率,促進了整個作戰網絡的信息融合。

打擊節點處于作戰體系的邊緣,屬于葉子節點。接收傳感節點、指控節點的信息和指令完成相關作戰任務。流經打擊節點的包含目標信息流和指控信息流,在戰場各個領域中綜合運用各類武器裝備或手段來打擊敵方目標。由圖11可知,打擊節點雖然處于作戰網絡的邊緣,但作為戰斗單元,通常同時具備傳感、通信、指控和打擊的屬性和功能,例如空中巡邏編隊和對地打擊編隊等。因此,這里不再單獨區分打擊網絡的分屬性,而是將研究的顆粒度定義為作戰單元,分析其內部多屬性的融合與網絡中其他類型節點的關系。

圖10 傳感子網和通信子網的結構示意圖Fig.10 Sensors subnetwork and communication subnetwork

圖11 打擊子網和通信子網的結構示意圖Fig.11 Attack subnetwork and communication subnetwork

通信中繼節點處于第4層指控節點與傳感節點、打擊節點之間,而不是直接打斷傳感節點、打擊節點加中繼節點。只要不是一個編隊的傳感之間和傳感、打擊之間必須要通過中繼節點連接,C-C,D-D之間可以按照節點度的分布,以一定概率生成中繼節點。只考慮第4層的中繼節點,按照最大連通子圖增加C,然后按照最短路徑的策略給度過大的中繼節點增加個數。

5 結 論

通信節點在作戰體系中尤為重要,對于指控流、能量流、物質流的傳遞具有重要的紐帶作用,對敵方重要通信節點的打擊往往能產生優于打擊其他節點的效果。因此,在對抗場景下,哪一方能夠充分利用這一特性,對于作戰效能的發揮能夠起到事半功倍的效果。同時,也為我方在對抗場景下通信節點的保護和偽裝提供了依據和參考,重點保護哪些節點和樞紐,優先修復哪些節點,才能使得作戰體系作戰效能得到最大化的發揮。

通信網絡是由具有核心結構的外層和內層組成的小世界網絡,外層節點傾向于連接更重要的節點,同時通信網絡的層級性使得整個作戰網絡不會發生信息流的沖突,同時提升了信息流通的效率和成本,將真實作戰場景中的武器裝備體系一一映射到各個域中并進行分層表述。同時著重考慮了通信節點對整個作戰體系的的影響,體現了武器裝備體系的功能和屬性多樣性,對于研究信息支援下的體系對抗作戰效能具有重要意義。能夠為下一步作戰體系計算作戰效能提供了依據和參考,在建模與仿真的基礎上,定量化分析某一時刻下作戰效能的大小。