基于離散事件仿真的防空C4ISR系統結構評估

鄧克波,程文迪,雷鳴,饒佳人

（中國電子科技集團公司第28研究所,江蘇南京 210007）

基于離散事件仿真的防空C4ISR系統結構評估

鄧克波,程文迪,雷鳴,饒佳人

（中國電子科技集團公司第28研究所,江蘇南京 210007）

針對防空C4ISR系統,綜合考慮通信網絡和信息關系結構,提出基于離散事件仿真的系統結構評估方法。通過分析防空C4ISR系統的結構,對防空系統的離散仿真事件進行了定義,給出了事件處理流程、相互邏輯關系和公共基礎數據,建立了防空系統仿真實驗評估指標及其計算模型。通過仿真實驗,在相同想定下比較了樹型與網絡化結構C4ISR系統的目標探測概率和目標分配率等,驗證了文中方法的有效性。

系統評估與可行性分析；離散事件仿真；防空系統；C4ISR結構；系統評估

0 引言

C4ISR系統是指由指揮、控制、通信、信息處理與計算處理、情報、監視和偵察等要素組成的綜合電子信息系統。隨著“網絡中心戰”和“空海一體戰”等概念的提出[1-2],C4ISR系統由“平臺為中心”向“網絡為中心”發展,其結構也從樹型集中式向扁平化、網絡化轉型[3-4],規模和復雜度逐漸增加。

C4ISR系統結構包括節點底層的通信網絡結構以及上層的信息關系結構,其合理與否對于系統作戰效能發揮具有重要影響,目前研究主要是將系統通信網絡和信息關系彼此孤立地分析。針對通信網絡結構的仿真評估,商業軟件包括OPNET[5]、COMNET和BONeS等,開源仿真軟件包括NS-2、GloMo-Sim、OMNET++等。文獻[6-9]研究了軍事通信網絡的建模與仿真方法,并利用商用軟件或自研原型系統進行了實驗評估。在C4ISR系統信息關系結構方面,Dekker建立了FINC模型[10-11],但該模型限于系統結構信息流時效性方面的評估。文獻[12]建立了基于無標度網絡的防空系統模型,這種采用復雜網絡理論高度抽象的結構建模,適用于系統結構統計特性和宏觀規律的分析。文獻[13]研究了網絡化防空系統的特性,并與樹形結構比較了優劣,但沒有涉及定量的評估方法。

本文針對防空C4ISR系統,綜合考慮通信網絡和信息關系結構,提出了基于離散事件仿真的系統結構評估方法。離散事件仿真本質是將系統隨時間的變化抽象成一系列離散時間點上的事件,通過處理事件,驅動系統的演進變化[14]。防空C4ISR系統從作戰應用流程和狀態變化上分析,可以視為離散事件系統,包括周期性的目標檢測判斷、情報發送、目標識別、目標分配和目標攔截等離散事件,采用離散事件仿真方法分析防空C4ISR系統可以兼顧實驗可信度和實驗效率。

首先,基于離散事件仿真,建立了通信網絡和防空C4ISR單元的基本事件類型及其處理流程；然后,從系統反應時間、目標探測、指揮控制和目標分配能力等方面,建立了防空C4ISR系統評估指標及其計算模型；最后,通過仿真實驗,舉例分析了不同類型結構的系統性能,驗證了本文方法的有效性。

1 防空C4ISR系統結構

防空C4ISR系統的組成包括雷達、電子支援措施（ESM）等傳感探測單元,雷達旅團、情報處理中心等情報處理單元,航空兵指揮所、地防指揮所等決策控制單元,以及地導、飛機等響應執行單元。防空C4ISR系統的結構如圖1所示,包括系統單元及其之間通過底層骨干網、接入網等形成的通信連接結構,以及上層完成情報保障、態勢共享、指揮控制和協同執行等所進行的信息交互關系結構,其中交互的信息包括情報態勢、指揮指令和作戰計劃等。

2 防空C4ISR系統離散事件仿真

采用離散事件仿真來模擬防空C4ISR系統運行,首先需要建立基礎的事件類型,然后采用事件掃描法驅動仿真運行。事件掃描法基本過程如下：

圖1 防空C4ISR系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of air defense C4ISR structure

1）初始化,置仿真時鐘和系統狀態為初態,生成初始的離散事件,插入事件表。

2）仿真開始,掃描事件表,將仿真時鐘推進到最早發生事件的時間上。

3）處理該事件,相應地改變系統狀態,并生成新的事件,插入事件表。

4）若仿真終止條件未滿足,返回步驟2,否則,結束。

下文重點介紹防空C4ISR系統的基礎事件。

根據防空C4ISR系統的功能組成、作戰應用流程和閉環實驗需求,提出了10種基礎離散事件,包括3種戰場環境事件、4種系統應用處理事件和3種通信網事件,如表1所示。不同類型離散事件對應的配置參數、系統狀態,以及事件之間的生成關系如圖2所示。

表1 防空C4ISR系統離散仿真事件Tab.1 Discrete simulation events of air defense C4ISR system

2.1 戰場環境事件

2.1.1 目標狀態更新事件

圖2 離散事件邏輯關系示意圖Fig.2 Logic relationship among the discrete events

事件數據結構如表2所示,參數配置包括：目標狀態更新周期、目標運動起點、拐點、終點、速度和高度等。事件處理關聯的目標狀態數據為：目標結束標識和目標位置等,其中當目標到達終點或被擊毀時,結束標識置為1,否則為0,目標位置根據目標狀態、速度和更新周期等參數進行計算。

事件時間tk事件類型處理模型

目標狀態更新事件的處理流程如圖3所示,其中,生成的新目標狀態更新事件的事件時間tk+1為當前事件時間tk加上目標更新周期TTUP：

2.1.2 目標擊毀事件

目標擊毀事件是由處理火力單元判斷與打擊事件時產生的,事件數據結構如表3所示。

表3 目標擊毀事件Tab.3 Intercept event

該類事件的處理流程為：

1）判斷事件時間是否大于仿真時間,若大于,不處理。

2）若事件時間不大于仿真時間,根據事件中目標標識遍歷目標列表。

3）在目標列表中找到事件的目標后,將其結束標識置為1,意味著該目標狀態消失,其狀態不再更新。

圖3 目標狀態更新事件處理流程Fig.3 Processing flow of target state update event

2.1.3 系統單元失效事件

系統單元失效事件是根據實驗想定,在仿真初始化階段產生,事件數據結構如表4所示。

表4 系統單元失效事件Tab.4 System unit failure event

該類事件處理流程為：

1）更新系統單元狀態表,根據失效單元標識,在系統單元狀態表中將相應單元的狀態標識置為0,意味著該單元失效。

2）更新信息交互關系表,刪除與失效單元有關的信息交互關系,按照一定規則接替信息交互關系。

3）更新收件箱,刪除收件箱中失效節點接收的所有信息。

2.2 系統應用事件

2.2.1 雷達情報生成與發送事件

事件數據結構如表5所示。事件配置參數包括：雷達位置、探測半徑、探測精度、掃描周期TSP、扇區個數n和接入的通信節點等。事件處理依賴的系統狀態包括：目標狀態、系統單元狀態和信息交互關系等。

表5 雷達情報生成與發送事件Tab.5 Radar intelligence generation and transition event

事件處理流程如圖4所示。

圖4 雷達情報生成與發送事件處理流程Fig.4 Flow chart of radar intelligence generation and sending event

其中,單個雷達的目標探測概率[15]根據（2）式計算：

式中：Pf為虛警概率；Pd為探測概率；SNR為信噪比； K為常系數；d為目標距離。生成新的雷達情報生成與發送事件的事件時間為

2.2.2 空情處理與發送事件

事件數據結構如表6所示。

事件配置參數包括情報發送周期、接入通信節點等。事件處理依賴的系統狀態包括系統單元狀態、信息交互關系和收件箱狀態等。事件處理流程如圖5所示。

表6 空情處理與發送事件Tab.6 Air information processing and sending event

圖5 空情處理與發送事件處理流程Fig.5 Flow chart of air information processing and sending event

2.2.3 防空作戰指揮決策與控制事件

事件數據結構包括事件時間、事件類型、指控節點標識和事件處理模型等。事件配置參數包括指令發送周期、接入通信節點等。事件處理依賴的系統狀態包括系統單元狀態、信息交互關系和收件箱狀態等。事件處理流程如圖6所示,包括目標威脅估計、打擊能力判斷和目標分配方案生成等。其中,指控單元仿真模型利用0或1的狀態值表示是否正常,不正常表示失去決策與控制能力,調用結構自適應算法,確定新的指控關系,更新信息交互關系表,其中結構自適應算法不在此文范圍,不再贅述。

2.2.4 火力單元判斷與打擊事件

事件數據結構包括事件時間、事件類型、火力單元標識、分配目標標識和事件處理模型等。事件處理流程如圖7所示。在判斷火力單元狀態正常的情況下,判斷收件箱有無本地信息。根據目標信息和打擊規則判斷是否進行目標打擊。在滿足打擊條件情況下,估計目標擊毀時間和目標擊毀概率,生成目標擊毀事件。遍歷目標結束后,刪除收件箱中本地信息,生成下一個判斷與打擊事件。

圖6 防空作戰指揮決策與控制事件Fig.6 Air-defense decision and control event

圖7 火力單元判斷與打擊事件處理流程Fig.7 Processing flow of fire unit decision and fighting event

2.3 通信傳輸事件

2.3.1 通信節點轉發事件

雷達、情報處理單元和指揮決策單元在完成處理與決策后,將生成的情報或指令等通過接入的通信節點發送到通信網絡上。因此,由圖2可見,初始的通信節點轉發事件是在處理雷達情報生成與發送事件、空情處理與發送事件和防空作戰指揮決策與控制事件的過程中產生的。通信節點轉發事件的數據結構如表7所示。

處理通信節點轉發事件依賴的通信網參數包括：通信節點位置、處理時延、緩存大小、傳輸鏈路帶寬、路由表等。相關的系統狀態數據為通信節點忙閑狀態。通信節點轉發事件處理流程如圖8所示。

表7 通信節點轉發事件Tab.7 Sending event of communication node

圖8 通信節點轉發事件處理流程Fig.8 Processing flow of sending event of communication node

其中,生成轉發事件1意味著由于通信節點狀態忙導致的本地等待轉發事件,事件時間tk+1等于事件列表中該通信節點變閑事件的時間（設置變閑事件比轉發事件優先級高,以解決事件時間相同時的處理順序）,轉發事件1的其他數據項不變。通信節點轉發事件2意味著傳輸到下一跳通信節點的轉發事件,該事件的數據項中事件時間取決于處理時延TPD、發送時延TTD和傳播時延TBD,其中發送時延由信息長度LIL和傳輸帶寬STB決定,傳播時延由鏈路長度DLL和傳播速度vBV決定,如（4）式所示。

通信節點標識為下一跳節點,其他數據項不變。

2.3.2 通信節點變閑事件

通信節點變閑事件是在處理通信節點轉發事件時產生,事件數據結構包括：事件時間、事件類型、通信節點標識和事件處理模型。處理該事件時只需查找通信節點狀態表,將相應通信節點的狀態置為閑。

2.3.3 傳輸結束事件

傳輸結束事件是在處理通信節點轉發事件時產生,意味著信息經過若干轉發后出通信網,傳輸結束。事件數據結構包括：事件時間、事件類型、信宿標識、信息標識和事件處理模型。處理該事件只需將相應信息寫入收件箱。

3 系統性能評估指標

系統結構直接影響著防空C4ISR系統的高效性和抗毀性。從結構層面,防空系統發展包括：一是縮短了情報保障和指揮控制的層次,從樹型結構向扁平化結構轉變,有利于時效性的提高；二是增強了系統單元間協同,當某單元失效情況下,可以通過協同和功能接替抑制態勢感知和指揮控制能力的波動。為了分析系統結構的優劣,建立的系統性能評估指標包括：系統反應時間、目標探測概率、目標覆蓋系數和目標分配率。

系統反應時間指從情報獲取單元發現目標到決策控制單元形成對該目標的作戰計劃或作戰指令并下達給響應執行單元的時間間隔。

目標探測概率是指空中入侵目標被防空C4ISR系統所有傳感單元探測的聯合發現概率。假設共有M個入侵目標、N個傳感探測單元,目標平均探測概率可以表示為

式中：pij表示目標i被傳感器j探測到的概率,與傳感器j威力范圍和目標i距離等有關。對于雷達,可以通過公式法或查表法等進行計算。

目標覆蓋系數是指入侵目標被防空C4ISR系統所有探測單元威力范圍同時覆蓋的次數。目標平均覆蓋系數可以表示為

式中：ri表示目標i坐標；rj表示傳感器j坐標；Rj表示傳感器j威力半徑。

目標分配率β是指被防空C4ISR系統分配給作戰平臺的藍方目標個數M″占入侵目標總數M的比例,M″在處理防空作戰指揮決策與控制事件過程中進行統計。

4 系統結構仿真實驗案例

共開展了兩組仿真實驗：一是對特定結構的防空C4ISR系統進行了仿真實驗；二是對不同類型系統結構進行了實驗與對比分析。通過上述實驗驗證本文方法的可行性與有效性。

4.1 特定系統結構仿真實驗

系統結構仿真實驗配置如圖9所示,其中粗的連線代表通信網絡,細的有向連線代表應用節點之間的信息交互關系,藍色連線代表應用節點到通信節點的接入關系。系統單元包括5部雷達、4個雷達旅團、2個情報處理中心、2個航空兵指揮所、2個地防指揮所、4個機場、4個地導火力單元。設置60批入侵目標,目標運動航跡由遠及近,速度為800 km/h,雷達探測半徑為250 km,掃描周期為10 s,情報處理單元情報發送周期為1 s,仿真時間設置為2 200 s.

圖9 仿真實驗系統基本配置界面Fig.9 Basic configuration interface of simulation system

在仿真實驗過程中,系統的目標探測質量指標隨仿真時間的變化如圖10所示。隨著仿真運行,入侵目標逼近防空系統,目標探測質量逐漸提高,最終達到相對穩定的取值。目標平均探測概率從初始的0逐漸提高到大約等于1.目標平均覆蓋系數從0逐漸提高到大約等于3.當時間大于1 200 s,幾乎所有目標均被發現。防空作戰任務對特定區域目標有特定的探測質量要求,基于此可以判斷系統結構能否滿足探測需求。假設要求越過警戒線的目標探測概率不能低于90%,覆蓋系數不能低于3,那么在本實驗中如圖10（b）所示,可以初步估計當前的系統結構難以滿足任務對目標探測能力的需求。上述實驗結果與根據參數與想定設置的理論分析結果基本一致,說明了本文離散事件仿真方法的可行性。

圖10 目標探測質量隨仿真時間變化情況Fig.10 Target detection quality as function of simulation time

4.2 不同系統結構對比分析

在系統單元組成相同的前提下,對兩種系統結構分別進行了仿真實驗。如圖11所示,兩種系統結構均包括2個綜合類指揮所、4個航空兵師指揮所、4個地防指揮所,2個情報融合中心、4個雷達旅團和雷達站。與結構1相比,結構2增加了扁平化的情報保障和指揮控制關系,以及友鄰系統單元間的協同（功能接替）關系。

首先,在相同的實驗參數和目標想定條件下對兩種系統結構的時效性進行了仿真實驗,柵格網通信帶寬設為1 M,在信息傳輸完整性同為100%的情況下,結構1的情報保障時效性和系統反應時間實驗結果分別為2.23 s和6.43 s,結構2的情報保障時效性和系統反應時間實驗結果分別為1.26 s和4.98 s.通過仿真實驗,扁平化的信息關系結構能夠有效提高系統情報保障和指揮控制的時效性。

其次,在相同的系統單元毀傷事件條件下對兩種系統結構進行仿真實驗,毀傷事件為：在仿真時刻00h：18m：20s,2個旅團級情報處理單元失效；在00h：33m：20s,2個航空兵師指揮所失效。在上述想定事件條件下,兩種系統結構的實驗結果如圖12所示。由圖12可見,與結構1相比,結構2協調關系結構能夠有效抑制單元毀傷帶給系統的能力波動。

圖11 單元組成相同條件下的兩種系統結構Fig.11 Different structures with the same units

圖12 相同想定條件下兩種結構的系統性能對比Fig.12 Performance comparison between two structures in the same scenario

需要說明的是,文中實驗數據取決于實驗場景,重在驗證本文仿真實驗方法用在防空系統結構評估的可行性和有效性。

5 結論

在將防空C4ISR系統結構分為底層通信網絡和上層信息關系結構的基礎上,本文采用離散事件仿真方法,提出實現系統結構仿真評估的基礎離散事件類型,并給出不同事件的處理流程和數據依賴。建立了防空系統度量指標及評估模型。通過仿真實驗,本文方法有效支持了系統結構的仿真實驗和性能評估,并為進一步對比分析和優化設計系統結構提供了支撐。

（References）

[1] Alberts D S,Garstka J J,Stein F P.Network centric warfare：developing and leveraging information superiority[M].Washingtong DC：Command and Control Research Program Publication Series, 1999.

[2] Alberts D S.The agility advantage：a survival guide for complex enterprises and endeavors[M].Washingtong DC：Command and Control Research Program Publication Series,2011.

[3] David A G,Swati D A,Michael J S.Widely distributed C4ISR[C]∥Defense Transformation and Net-Centric System.Orland,Florida, US：SPIE,2007.

[4] Jefferey R C.Distributed networked operations-the foundation of network centric warfare[M].Newport：Alidade Press,2005.

[5] 孫屹.OPNET通信仿真開發手冊[M].北京：國防工業出版社,2005.

SUN Yi.OPNET communication simulation development manual[M]. Beijing：National Defense Industry Press,2005.（in Chinese）

[6] Lindy E,Dimarogonas J,McConnell J,et al.Representing operational architectures into a modeling and environment for analyzing communications architectures[C]∥Military Communication Conference.Monterey CA：IEEE,2004：1456-1462.

[7] 王智源,丁澤中,胡廣水.軍事通信網絡拓撲結構抗毀性仿真[J].計算機系統應用,2010,19（20）：109-113.

WANG Zhi-yuan,DING Ze-zhong,HU Guang-shui.Invulnerability simulation of military communication networks topology[J]. Computer Systems Applications,2010,19（20）：109-113.（in Chinese）

[8] Li B Q,Si S K,Li B,et al.A method to generate C4ISR architecture framework and cascading failure of constructed network[C]∥2nd International Conference on Artificial Intelligence,Management Science and Electronic.Zhenzhou,China：IEEE,2011：34-37.

[9] 張斌,胡曉峰,姜忠欽.戰場通信網絡環境仿真研究[J].系統仿真學報,2011,23（1）：217-221.

ZHANG Bin,HU Xiao-feng,JIANG Zhong-qin.Study of battlefield communication networks environment simulation[J].Journal of System Simulation,2011,23（1）：217-221.（in Chinese）

[10] Dekker A H.C4ISR architectures,applying social network analysis concepts to military C4ISR architectures[J].Connections, 2001,24（3）：93-103.

[11] Dekker A H.Applying social network analysis concepts to military C4ISR architectures[J].Connections,2002,24（3）：93-103.

[12] 路建偉,姚增建,王濛.基于無標度網絡的防空反導系統構建[J].指揮控制與仿真,2013,35（3）：10-13.

LU Jian-wei,YAO Zeng-jian,WANG Meng.Construction for air defense anti-missile based on scale-free networks[J].Command Control&Simulation,2013,35（3）：10-13.（in Chinese）

[13] 孫家平.網絡化防空系統研究[J].現代雷達,2013,35（5）： 14-17.

SUN Jia-ping.A study on networked air defense system[J]. Modern Radar,2013,35（5）：14-17.（in Chinese）

[14] 班克斯J.離散事件系統仿真[M].肖田元,范文慧,譯.北京：機械工業出版社,2007.

Banks J.Discrete event system simulation[M].XIAO Tianyuan,FAN Wen-hui,translated.Beijing：China Machine Press, 2007.（in Chinese）

[15] 丁鷺飛,陳建春.雷達原理[M].北京：電子工業出版社, 2009.

DING Lu-fei,CHEN Jian-chun.Radar theory[M].Bejing： Publishing House of Electronics Industry,2009.（in Chinese）

Evaluation of Air-defense C4ISR System Structure Based on Discrete-event Simulation

DENG Ke-bo,CHENG Wen-di,LEI Ming,RAO Jia-ren
（The 28th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,Jiangsu,China）

An approach to evaluate the air-defense C4ISR system in the consideration of relationship between communication network and information is proposed based on the discrete-event simulation.Various kinds of discrete events in the air-defense C4ISR are defined,and the event processing flows,logic relations and common basic data are presented.The evaluation indexes and their computation models are constructed for the air-defense C4ISR system,and some experiments are implemented to prove the effectiveness of the proposed method,in which the target detection probabilities and assignment rates of C4ISR systems with tree and network structures are compared in the same scenario.

system assessment and feasibility analysis；discrete-event simulation；air-defense system； C4ISR structure；system evaluation

E917

A

1000-1093（2014）10-1721-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.029

2013-08-19

總裝備部“十二五”預先研究項目（50306010401）

鄧克波（1980—）,男,高級工程師,博士研究生。E-mail：dkb612@163.com；程文迪（1986—）,女,工程師。E-mail：97498126@qq.com