基于保障鏈的合成旅指揮信息系統網絡模型

趙律君,魯云軍,陳克斌,郭 亮,許子熙

(國防科技大學信息通信學院,湖北 武漢 430019)

信息化戰爭具有極大的復雜性,顛覆了傳統作戰理論,高強度、快節奏、高精度的特性改變了傳統作戰的信息交互方式[1]。作戰體系呈現越來越強的網絡化、體系化特征。指揮信息系統與信息化戰爭關系密切,同時也是體系作戰能力的核心支撐與關鍵引擎[2]。

指揮信息系統網絡化建模是對其結構、功能和工作機理進行分析的重要手段。2002年，澳大利亞國防科工組織的Dekker[3-4]首次將社會網絡分析法用于指揮信息系統建模,構建了FINC(Force, Intelligence, Networking, Command and Control)模型。姜志平[5]采用Petri網等可執行模型對指揮信息系統進行建模,分析指揮信息系統結構的邏輯性和合理性。時偉、賀正求、李凡[6-8]采用復雜網絡相關方法,從網絡拓撲結構入手,對指揮信息系統建模,分析其網絡性能、功能結構等。張金峰[9]根據指揮信息系統的功能組成和一般運作流程構建了OPDAR(Observer, Processor, Decision Maker, Actor, Relations)指揮信息系統模型。冉淏丹、崔瓊[10-12]等構建了指揮信息系統雙層網絡模型。

目前,指揮信息系統結構建模大多從物理實體出發,聚焦指揮信息系統裝備本身的屬性,割裂了指揮信息系統的保障特性與作戰任務之間的關聯關系,不能很好地服務于指揮員。因此,本文提出基于保障鏈的指揮信息系統網絡建模方法,該方法借鑒功能鏈[13-15]的思想,作為作戰任務與物理實體之間的一層邏輯連接,從作戰視角對指揮信息系統進行建模,可以更貼近實際作戰需求。

1 保障鏈的概念

指揮信息系統是以計算機網絡為核心,用于保障各級指揮機構對所屬部隊和武器實施科學高效指揮控制的軍事信息系統[16]。從指揮信息系統功能的角度,可以看出，指揮信息系統的保障特性是指揮信息系統立足作戰全過程的重要屬性。

ITU(International Telecommunication Union)曾經提出個人通信發展的目標是“5W”,即“任何人(Whoever)可在任何時間(Whenever)、任何地方(Wherever)與任何人(Whomever)進行任何形式(Whatever)的通信”。與此類似,作戰保障也有相應的目標,美軍參聯會在《2020聯合構想》[17]中提出“在恰當的時間、恰當的地點,將恰當的信息,以恰當的形式交給恰當的接收者”。區別于以往的全時域全覆蓋,這種概念的提出是對作戰保障的進一步要求。但是,在實際的保障能力計算中,往往不能很好地涵蓋這幾個“恰當”的方面。保障需求的千差萬別對指揮信息系統保障提出了更多個性化的需求。

學者們對指揮信息系統保障能力的發揮采取了各種等效替代的側面描述方法[18-19],而鮮有人直接對指揮信息系統的保障特性建模。對于指揮信息系統,不同的保障對象往往有不同的信息需求,面對不同的保障任務,根據不同需求采用不同的裝備，構建千變萬化的保障關系。例如,對于打擊信息、指揮信息、后勤保障信息等,有不同的時間要求,通常來講,打擊信息處于最高優先級，而后勤信息處于較低優先級。因此,本文提出保障鏈,以指揮信息系統的作戰保障能力為目標,以信息的不同特性為分類方式,建立不同的保障鏈,以此來更加精準地區分、識別保障關系，并且直接有效地進行指揮信息系統能力的度量。

1.1 情報保障鏈(Observation Chain,OC)

情報保障鏈是指作戰過程中以各類偵察裝備以及情報處理機構為起點,將各類與情報有關的數據、語音、圖像等傳輸至各類情報用戶。具體指裝甲、無人機、紅外等多元偵察力量為情報傳輸任務提供保障過程中形成的鏈路。

1.2 指控保障鏈(Control Chain, CC)

指控保障鏈是指以本級指揮所為起點,以友鄰或者所屬部(分)隊指揮所為終點,以指揮信息為鏈接紐帶,在指揮所各要素、友鄰各群隊的指揮協同等保障任務過程中形成的鏈路。

1.3 打擊保障鏈(Attack Chain, AC)

打擊保障鏈是指諸兵種各級作戰力量在遂行火力打擊行動時,依據力量編成、任務區分,各級指揮所為起點,各類火力打擊單元為終點,與火力打擊行動直接有關的信息鏈路。與其他鏈路相比,打擊保障鏈通常具有最強的時效性。具體包含坦克、火炮等武器平臺在進行打擊保障任務過程中形成的鏈路。

1.4 支援保障鏈(Support Chain, SC)

支援保障鏈是指支撐指揮員及指揮機關獲取保障態勢，掌控保障力量，指控保障行動的信息鏈路,通常以作戰單元為起點,指揮所后裝保障要素為中間節點,后勤保障單元為終點,主要為傷員救治，裝備搶修，彈藥供應，物資補給，力量投送等行動提供支援。具體包含各庫、所、站等進行相關保障過程中形成的鏈路。

2 指揮信息系統網絡模型構建

美軍提出網絡中心戰，并且認為其主要在物理域、信息域、認知域和社會域這四個域活動。由此，信息時代背景下，指揮信息系統廣泛存在于物理域、信息域、認知域和社會域。不同的作用域內，指揮信息系統有不同的系統結構，但是這些系統結構之間也可以相互映射，互相影響。指揮信息系統網絡模型就是從指揮員視角出發，以指揮信息系統情報保障、指控保障、打擊保障和支援保障“四鏈”為核心，基于物理域的指揮信息系統裝備及其所構建的“四鏈”，在信息域內通過抽象“四鏈”保障能力對指揮信息系統進行網絡化建模，用于一體化表達認知域內指揮信息系統保障能力的模型。如圖1所示。本模型通過將指揮信息系統抽象為節點和邊組成的網絡，既充分考慮了指揮信息系統組織運用的原則，又兼顧了物理裝備實體，可以較好地用于分析和研究指揮信息系統的整體保障能力。此外，因研究內容的側重點不同，本模型未考慮社會域的指揮信息系統建模。

圖1 指揮信息系統網絡模型構建

2.1 基本定義

定義1:指揮信息系統網絡模型是由各相互聯系的指揮信息系統保障鏈依據作戰任務所形成的戰場信息網絡,可以看作由功能節點和保障關系連邊構成的復雜網絡,記為G=(V,E),V={V1,V2,V3,…,Vn}是功能節點集合,E是網絡中的信息連邊。

定義2:指揮信息系統功能節點是根據指揮信息系統保障鏈的特點以及指揮信息系統物理節點的功能特性,抽象出的節點。指揮信息系統中存在5類功能節點:情報獲取(Observer,O),情報處理(Processor,P),決策控制(Decision Maker, D),響應執行(Actor, A),支援保障(Logistical Supporter, L)。

定義3:連接規則是指揮信息系統網絡節點連接需要遵循的基本規則,即存在于保障鏈之內的信息傳輸。

2.2 模型的元節點

模型元節點是基于保障鏈構建的網絡模型的節點。主體就是指揮信息系統參與作戰保障的單元,主要有各參戰單元、武器裝備等。結合作戰鏈,參考藍羽石指揮信息系統結構[21]將模型節點分為以下幾類。

1)情報獲取單元(Observer,O):指在作戰過程中具有獲取情報信息功能的單元。其主要功能是直接獲取戰場信息,并將信息發送給情報處理單元,主要由對目標發現、跟蹤和定位的傳感器以及偵察人員組成。

2)情報處理單元(Processor,P):指作戰過程中具有情報信息的融合、處理、研判功能的單元。其主要功能是綜合處理上級、友鄰以及所屬偵察力量上報的多源信息,進行融合處理、整編分析,形成情報產品。

3)決策控制單元(Decision Maker, D):指作戰過程中根據上級命令、戰場態勢等生成作戰意圖，形成作戰計劃、指令等信息的單元。其主要功能是接收上級信息,形成本級指令,主要由各級指揮所組成。

4)響應執行單元(Actor, A):響應執行單元是作戰過程中對決策控制單元的作戰意圖、決心進行具體化實施的單元。其主要功能是以對敵方目標直接進行火力打擊、電磁干擾等方式進行壓制或者摧毀的單元,主要由各作戰分隊組成。

5)支援保障單元(Logistical Supporter, L):指作戰過程中為信息流轉、火力打擊等進行物資器材支撐的單元。其主要功能是作戰行動中的傷員救治、裝備搶修、彈藥供應、油料輸送等,主要由后裝保障力量和作戰保障力量組成。

2.3 模型的元邊

通過對保障鏈的分析,本文提取出模型相應的邊。

1)情報保障鏈中的元邊。依據偵察情報力量編成編組、偵察任務分區,情報信息引接的對象、方法等,遵循情報處理原則,圍繞情報信息收集、傳輸、處理、分發等活動,設計情報鏈路要素組成、信息類型、信息流傳與處理關系、分發機制等,將情報保障鏈分為兩類:直達情報鏈和聚合情報鏈,即以情報信息是否需要經過情報融合節點為依據。情報保障鏈分類及情報保障鏈中網絡模型元邊提取如表1所示。

表1 情報保障鏈分類及模型元邊提取

2)指控保障鏈中的元邊。以旅基本指揮所為中心,向上對接上級指揮機構,橫向連接本級各類指揮所以及友鄰指揮所,對下覆蓋各群隊指揮機構,設計指揮鏈路的組成要素，建立時機，信息交互及處理關系等內容,將指控保障鏈分為指揮控制鏈路和作戰協同鏈路。指控保障鏈分類及指控保障鏈中網絡模型元邊提取如表2所示。

表2 指控保障鏈分類及模型邊提取

3)打擊保障鏈中的元邊。以各級各類指揮機構為起點,連接各火力分隊,設計出打擊鏈路的組成要素，建立時機，信息交互關系等,將打擊保障鏈分為自主打擊鏈路和協同打擊鏈路。打擊保障鏈分類及打擊保障鏈中網絡模型元邊提取如表3所示。

表3 打擊保障鏈分類及模型邊提取

4)支援保障鏈中的元邊。與其他鏈明顯不同,支援保障鏈有不同的起點。依據保障對象的不同保障需求,以指揮所、各級作戰單元為信息交互關系起點,設計保障鏈的組成要素，構建時機以及信息內容等,將支援保障鏈分為指揮保障鏈路和勤務保障鏈路。支援保障鏈分類及支援保障鏈中網絡模型元邊提取如表4所示。

表4 支援保障鏈分類及模型邊提取

2.4 指揮信息系統網絡模型

根據上述節點和邊,本文構建指揮信息系統網絡模型如圖2所示。

圖2 指揮信息系統抽象網絡模型

根據用戶需求,情報獲取單元將情報信息分別傳送給情報處理單元和決策控制單元。決策控制單元對信息進行融合處理后,與其他決策控制單元進行信息的流轉與共享,同時,對作戰行動進行相應部署,并對支援保障單元提出相應的物資器材保障需求。響應執行單元收到指控節點的指令后,進行相應作戰行動并對支援保障單元提出需求。

2.5 指標參數

2.5.1 鏈數(cq)

鏈數指的是指揮信息系統網絡模型中所有保障鏈的數目。

cq=∑OC+∑CC+∑AC+∑SC

(1)

式中,OC代表情報保障鏈(O→P→D,O→D)數目,CC代表指控保障鏈(D→D)數目,AC代表打擊保障鏈(D→A,D→A→A)數目,SC代表支援保障鏈(D→L,A→L)數目。深度優先算法被廣泛應用于圖的搜索問題,本文采用深度優先算法同時結合軍事規則對成環節點的遍歷次數進行約束,以此計算保障鏈數。

2.5.2 節點鏈度數(kl)

在復雜網絡理論中,節點的度用來表示該節點和其他節點之間的鏈接個數。度是復雜網絡中用來衡量單個節點對整個網絡影響的重要參數之一。 根據度的定義,結合指揮信息系統保障鏈特性,節點鏈度數定義為:經過某一節點的保障鏈數。節點鏈度數越大,說明該節點在指揮信息系統網絡模型中的重要度越高。

(2)

其中,kli代表節點i的鏈度數,節點i在保障鏈c上,保障鏈c表示所有類型的保障鏈,包括情報保障鏈、指控保障鏈、打擊保障鏈和支援保障鏈。節點鏈度數的計算規則與鏈數相同,使用深度優先算法遍歷計算。

2.5.3 節點支撐率(sr)

節點支撐率用來衡量每個節點對指揮信息系統網絡的支撐程度。參考節點遭受攻擊或自然失效后的指揮信息系統受影響程度[19],定義節點支撐率如下:

(3)

(4)

其中,srN代表節點N對指揮信息系統網絡的支撐率,cqN代表從網絡中去掉節點N之后減少的保障鏈數量,i代表第i種保障鏈。

3 典型合成旅指揮信息系統網絡模型

3.1 想定設置

假定某合成旅在一次作戰行動中，指揮機構編成基本指揮所、預備指揮所等指揮所。基本指揮所和預備指揮所編設偵察情報、籌劃決策等要素,其他指揮所編設偵察情報、綜合保障等要素。指揮所外圍設置警衛警戒隊、工程保障隊等保障要素。

指揮所由上級指揮所統一指揮,對下指揮所屬各作戰群隊。作戰群隊有合成攻擊群、偵察情報群、炮兵火力群、戰斗預備隊等。各群隊內包含各自的連級任務群、戰斗單元等,并且相應地配有綜合保障隊。

3.2 模型構建

3.2.1 作戰保障鏈

根據上述想定任務,可以將一個保障任務分解為情報保障、指控保障、打擊保障和支援保障等作戰任務。形成保障鏈如表5所示。

表5 保障任務中的保障鏈

3.2.2 指揮信息系統網絡模型

針對物理實體節點承擔的不同功能，將保障鏈進一步抽象出不同的功能節點,具體內容如圖3所示。

圖3 基于保障鏈的合成旅指揮信息系統網絡模型

對上述網絡模型進行統一編號,具體內容如圖4所示。

圖4 網絡模型節點編號

3.3 模型分析

節點度是對節點間連接統計特性的最重要的描述,是僅從網絡拓撲結構對網絡特性進行分析的指標參數。而節點鏈度數作為節點參與的保障鏈數量的統計特性描述,不僅考慮網絡拓撲,而且兼顧了網絡中傳遞的實際語義信息,即存在不同的節點類型以及關系類型,這些不同的節點類型以及關系類型被聚合為不同的保障鏈,進而體現出考慮保障鏈后節點對指揮信息系統網絡整體的影響。

節點支撐率是在節點鏈度數計算的基礎上衡量節點對整個網絡模型的支撐程度。

針對以上特點,本文分別從節點度數和鏈度數的對比以及節點支撐率兩個方面進行分析。

3.3.1 模型的節點度數和節點鏈度數

為了更好地體現節點鏈度數的特性,計算出上述某合成旅在一次作戰行動中的所有節點度數和節點鏈度數。

節點度數最大的5個節點和節點鏈度數最大的6個節點(第5個節點和第6個節點相同)如表6所示。

表6 節點度數與鏈度數top節點

2號節點與6號節點同為指揮控制節點,但是處于不同的指揮層級,使得2號節點有更多的直接連接,但是6號節點卻有更多的保障功能連接。從圖5可以看出,節點度數較高的點通常具有較高的節點鏈度數,即通常具有較多連接的節點會在作戰網絡中更多地參與作戰任務。但節點鏈度數和節點度數并不是相應地成比例關系,節點度較高的節點并不一定有較高的節點鏈度,同時有少部分節點度數高于節點鏈度的節點。節點鏈度數在作戰任務層面更能精準地刻畫出節點的重要程度,可以體現出在指揮信息系統網絡拓撲結構之中被掩蓋的指揮信息系統對作戰任務的保障強度。

圖5 指揮信息系統網絡模型統計參數對比

3.3.2 節點支撐率

本文計算出某合成旅在一次作戰行動中的所有節點對某單一保障鏈的支撐率如圖6所示，對整個網絡的支撐率如圖7所示。

圖6 節點對各保障鏈支撐率對比圖

圖7 各節點對指揮信息系統網絡整體支撐率

同一節點對不同類型的保障鏈往往有不同的作用,但節點對網絡整體的支撐度依賴于每一種保障鏈。從網絡整體來看,少數節點對指揮信息系統網絡有較為重要的作用,從網絡任務層面來看,指揮信息系統結構具有較高的中心性。

4 結束語

本文針對指揮信息系統建模與實際作戰任務相分離的不足,提出將保障鏈用于指揮信息系統網絡建模,并構建指揮信息系統網絡模型。論文描述了指揮信息系統保障機理,提出了指揮信息系統保障鏈的相關定義,在指揮信息系統保障鏈的基礎上,進行節點和邊的抽象提取,構建指揮信息系統復雜網絡模型。以典型合成旅指揮信息系統為例進行建模,通過分析可以看出,該模型可以反映不同保障鏈在作戰保障作用中的發揮程度,顯示了指揮控制節點在作戰全過程的核心作用,同時也為使用網絡科學方法對指揮信息系統網絡模型進一步分析提供了思路。