面向網絡中心戰的指揮信息系統網絡結構評估

田 田，胡焰智，尹才華，鄭 瑜

(1．重慶通信學院通信指揮系，重慶400035;2．重慶通信學院信息工程系，重慶400035)

狹義的指揮信息系統與美軍C4ISR系統概念相近，是以保障各級指揮機構對所屬部隊及武器平臺實施科學高效的指揮控制為目的，實現作戰信息從獲取、傳輸、處理到利用的自動化，且具有指揮、控制、通信、信息處理、情報、偵察與監視功能的軍事信息系統［1］。隨著系統范圍的拓展，國防信息基礎設施建設和武器系統信息化建設也逐步納入其中。指揮信息系統要素眾多、組成復雜，屬于復雜系統或體系［2］，對其難以進行完整的形式化分析和數學模型解析，但是能夠對指揮信息系統部分問題和特定方面進行建模，從而實現定量與定性相結合的分析。在當前從平臺中心戰轉向網絡中心戰的大環境下，必須要求指揮信息系統網絡結構隨之轉變，面向使命任務構建作戰體系時，指揮信息系統的網絡結構影響著整個體系效能，針對網絡結構存在的多樣性和差異性，需要合適的定量分析與評估手段［3］。

針對這一問題，鄧宏鐘等［4］基于現代網絡中心戰中 C4ISR系統的特點，從復雜網絡的角度對C4ISR系統結構進行了網絡分析。李俊等［5］在以無標度網絡模型構建戰術通信網時，基于網絡節點的多樣性引入3類節點吸引系數，得到了更加均勻化的網絡結構，從而改善了網絡抗毀性。Li等［6］將C4ISR系統區分為指控、情報和通信，按照人工規劃與隨機生成相結合的方式生成了C4ISR系統拓撲結構模型。田旭光等［7-8］對指揮控制系統中的實體及其邏輯關系進行了形式化抽象和描述，建立了C2(Command and Control)系統的復雜網絡模型，并對網絡靜態統計特征進行了分析;針對C2系統在對抗環境下的自適應重構機制，基于復雜網絡理論和作戰指揮原則，從重構觸發機制、邊修復策略、結構重量策略和重構評價機制等方面建立了模型。上述研究均基于復雜網絡理論，主要關注指揮信息系統網絡結構的“小世界”、“無標度”等統計特征和魯棒性問題。而Dekker［9-11］借鑒社會網絡理論對該問題進行了大量研究，提出了 FINC(Force，Intelligence，Networking and C2)的C4ISR網絡結構分析方法。該方法強調指揮與控制是網絡的核心，建立由指揮控制、情報信息、作戰力量等單元構成的系統網絡模型，采用信息利用效率、單元協同能力、網絡中心度和情報信息總收益等參數來衡量網絡的性能。該方法的優勢是可以針對網絡結構大的變化或小的調整進行比較分析與評估，從而研究指揮信息系統網絡結構的優化方案;然而該方法沒有考慮廣泛存在于網絡中的信息融合處理，也缺乏嚴格的數學描述［12］，并且其有限的節點類型難以表征以網絡為中心的系統結構。

本文針對網絡中心戰的指揮信息系統網絡建模，在FINC模型基礎上提出了指揮信息系統網絡結構定量分析方法，基于同一使命任務構建了傳統和網絡化指揮信息系統部署示例，驗證了該方法的有效性。

1 指揮信息系統組織結構模型描述

對于由指揮信息系統連接各作戰要素構成的體系，從中抽象出3類節點:1)指控節點集合H={h1，h2，…，hk}，主要是實現指揮控制功能，對應處理延時為 {d1，d2，…，dk};2)信息節點集合 I={i1，i2，…，im}，包括各類情報資源和偵察信息，其作用區域范圍為 {A1，A2，…，Am}，對應的信息質量為 {p1，p2，…，pm}，且 pj∈［0，1］，j=1，2，…，m;3)作戰單元節點集合C={c1，c2，…，cr}，包括作戰人員和打擊平臺，其作用區域范圍為{a1，a2，…，ar}，這里假設基于任務分解得到各作戰單元節點對應的子任務區域無交叉重疊。而將所有節點之間的連接關系構成網絡的邊集合E={e1，e1，…，eq}，對應鏈路延時為{l1，l2，…，lq}，其中信息節點到指揮節點為單向連接，而其他節點之間為雙向連接，因此該網絡是一個有向賦權網絡，記為 G=(H，I，C，E)。

定義1:對于?ij∈I和?ct∈C，若存在從 ij到ct的鏈，該鏈的延時為所經過的指揮節點延時和邊延時之和;若存在多條鏈，則取延時最小者，稱為從ij到ct的信息流。而整個網絡G的信息流系數為所有信息流延時之和的平均值倒數，即為

PS提供了一種信息傳輸效率的度量，它用來表示網絡G中將信息傳遞到執行子任務的作戰單元的效率，對于作戰網絡，該值越大越好。

同理，?ct1，ct2∈C，且 t1≠t2，取 ct1到 ct2延時最小的鏈，稱為從ct1到ct2的協調流。而整個網絡G的協調系數為所有協調流延時之和的平均值倒數，即為

PC用來度量網絡G中作戰單元協同活動的效率，對于作戰網絡，該值也是越大越好。

定義 2:若?vj1，vj2∈(H∪I∪C)，j1≠j2，且存在從vj1到vj2的鏈，則節點vj1的中心度為

Zj1度量該節點離其他所有節點的遠近程度，從而可以找到網絡G中離所有其他節點最近的節點，它用來評價網絡的重心。

定義3:?ij∈I和?ct∈C，若存在從 ij到 ct的鏈，同定義1，則有從 ij到 ct的信息流 flowij，ct。其情報系數為

情報系數表征的是一個信息節點對某個作戰單元節點的效用，它由該鏈路延時和信息質量決定，且該 flowij，ct的情報容量為

式中:Aj∩at表示信息節點ij與作戰單元節點ct交叉的作用區域。

由于信息節點對作戰單元節點的效用作用于后者整個或部分任務區域才有意義，因此情報容量能夠表征該信息節點對某個作戰單元總的收益，式(4)、(5)實質在于反映各因素對目標量的正負效應和邏輯關系。

當需要得到整個網絡的情報容量時，不能直接由∑ij∈I，ct∈CVij，ct累加表示，其原因是:1)無法反映出現實指控節點對多源信息融合處理的影響，它對整個網絡的情報容量是正影響，應增加相應的信息質量值;2)需要忽略同一作戰單元節點得到的重復信息，它對整個網絡的情報容量是負影響。

根據信息流累加來計算整個網絡的情報容量較復雜，而根據多個任務區累加來計算較容易。首先將作戰單元節點ct的作用區域范圍按信息節點覆蓋的來源差異分為多個子區域 Sct，u，且∑uSct，u=at。多個信息節點可能將同一任務子區域的情報信息傳送給同一個指控節點，在該節點產生信息冗余，經過融合處理后會在一定程度上提高信息質量，并形成最終情報信息交給對應的作戰單元節點。假設向同一個作戰單元節點ct傳送相同任務子區域情報信息的信息節點構成的集合為Ict，u，則該作戰單元節點得到本任務子區域信息質量為

則整個網絡G的情報容量為

整個網絡情報容量是網絡對情報信息利用程度的表征，是作戰任務中信息節點集合對作戰單元節點集合的總收益，該值越大，表明網絡中情報信息利用程度越高。

2 網絡化指揮信息系統組織結構模型擴展

在網絡中心戰模式下，指揮信息系統組織形態變化顯著，它組成要素眾多，按照功能可劃分為通信網、感知網、指控網和火力網，如圖1所示。可以看出:指揮信息系統連接關系多樣，構建網絡拓撲結構復雜;但從系統的組織形式來看，其實質就是依托通信網作為基礎傳輸通道，對各類節點或子網進行引接，實現指揮信息系統全網內感知信息流、指控信息流、火力打擊流等各類信息的有效流動。

圖1 指揮信息系統組成

這種“核心+接入”的方式體現了作戰要素入網，上一節組織結構模型中指控、信息和作戰單元3類節點可以對應地表征指控網、感知網和火力網等接入部分，但是完全基于邊來表征3類節點的通信連接難以較好地反映這種網絡化模式。可以采取2種方式進行改進:1)增加一類通信節點，按照類似于其他3類節點的屬性進行設置，并通過通信節點的拓撲連接來表征“核心”部分;2)將“核心”部分抽象為一個特殊的核心網節點，而無需關心內部細節。由于重點關注指揮控制關系和情報信息利用，假設基礎骨干網傳輸條件良好，本文采用第2種方式在上一節基礎上對網絡化指揮信息系統組織結構模型進行擴展，再抽象出一個核心網節點N，網內延遲為ΔT，則擴展后的模型為 G=(H，I，C，E，N)。

3 指揮信息系統網絡結構分析與評估框架

從本質上講，上述模型及方法反映了作戰任務中信息流程、問題域主要事物構成、因素對目標的正負效應和邏輯關系，參與了一些主觀思維的評價，部分參數和度量指標沒有實際直觀的量綱，因此該方法主要意義在于針對網絡變化引起結構調整、對多樣化網絡結構進行比較分析與評估，其框架如圖2所示。面向使命任務，構建作戰體系，其中包括部署相應指揮信息系統，因此應首先從作戰體系及任務中分離出指揮信息系統網絡結構，再基于上述模型抽象為圖，采用圖的基本計算問題得到度量結果，從而進一步進行比較分析與評估。

圖2 指揮信息系統網絡結構分析與評估框架

4 案例分析

以文獻［9］的作戰想定為例部署了指揮信息系統，其網絡結構如圖3所示，這是一個傳統的網絡組織形態。1旅和2旅分別執行同一使命下2個子任務，其對應的旅指揮所分別為BHQ1和BHQ2，作戰單元分別為BC1和BC2，本級情報信息單元分別為S1和S2。旅指揮所與師指揮所DHQ、聯合指揮所JHQ形成了傳統的樹狀指揮關系，聯合指揮所還掌握著面向整個作戰使命的情報信息單元INT，以及空中作戰單元AIR，圖中以不同形狀區分了不同類型的節點。為了進行比較分析與評估，同時還設計了網絡化指揮信息系統部署方案，其網絡結構如圖4所示，其引入了擴展的核心網節點N，對完成使命任務的各作戰要素進行引接入網。圖3、4中邊的權值表征了對應鏈路的延時。按照以上方法對其他主要參數進行設置，如表1所示。

圖3 傳統指揮信息系統網絡結構示例

圖4 網絡化指揮信息系統結構示例

表1 2種網絡結構主要參數設置

根據上述網絡模型及度量指標計算方法，分別對2種指揮信息系統的網絡結構進行驗證，得到的結果如下。

1)傳統方式下網絡的信息流系數為0．17，而網絡化方式下網絡的信息流系數為0．21，改善程度為24%。這表明:基于網絡化指揮信息系統的網絡結構，信息傳遞到執行任務的作戰單元的效率更高，從而縮短了“傳感器到射手”的時間。

2)傳統方式下網絡的協調系數為0．14，而網絡化方式下網絡的協調系數為0．18，改善程度為29%。這表明:在網絡化指揮信息系統結構下，作戰單元之間傳遞信息的效率更高，同一使命任務的各作戰單元協同更加有效，同時驗證了網絡化指揮信息系統對增強合同作戰、聯合作戰戰斗力的作用。

3)傳統方式下網絡節點中心度最大的是師指揮所DHQ，而網絡化方式下網絡節點中心度最大的是核心網節點N。這表明:前者支撐的作戰體系重心是面向任務部隊的;而后者構建的作戰體系重心在網絡，以網絡為中心引接各作戰要素。

4)傳統方式下情報容量為13 740，網絡化方式下情報容量14 720，改善程度為7%。這表明:網絡化指揮信息系統支撐作戰體系的總情報信息收益更高，但是程度并不顯著。其原因是:(1)與效率相比，該度量指標更加強調數量，即利用信息的子任務作戰單元越多，情報信息獲得的總收益越大，如圖5所示，當增加子任務作戰單元數時，2種方式下的情報容量均明顯上升;(2)本示例較為簡單，支撐的作戰體系越復雜，網絡化方式較傳統方式越有優勢，如圖6所示，當增加子任務作戰單元數時，情報容量的改善程度逐步提高。

圖5 2種方式下情報容量隨子任務作戰單元數變化情況

圖6 情報容量改善程度隨子任務作戰單元數變化情況

從上述結果可以看出:網絡化指揮信息系統具有的優勢主要體現在指揮控制效率上，網絡中心戰模式下指揮控制由多層次樹狀向扁平網狀轉變，這極大地提高了指揮控制的效率，贏得了作戰時間，從而加速作戰的OODA(Observe-Orient-Decide-Act)循環;同時，在作戰要素越來越多、作戰體系越來越復雜的情況下，網絡化指揮信息系統較傳統方式優勢越明顯。

5 結論

在以網絡為中心的作戰模式下，指揮信息系統網絡結構變化及其存在的多樣性需要采用科學評估和定量分析的方法來優化網絡結構，從而提高整個作戰體系的效能。本文在FINC模型的基礎上，針對其存在的問題，提出了指揮信息系統網絡結構定量分析方法，通過構建傳統和網絡化指揮信息系統部署示例，驗證了該方法的有效性。從復雜性科學的角度看，對于指揮信息系統這類典型的復雜系統或體系，影響系統變化的不可控因素較多，難以進行嚴格規范的分析，本文在必要的假設和近似條件下，研究了網絡中心戰中指揮信息系統的網絡結構，下一步應考慮更多的影響因素和更細的粒度來開展研究。

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