基于復雜網絡的海上大型編隊指揮控制信息協同模型

黃 康，任 重，孫杜娟，張海憶，蔣林芝

(海軍大連艦艇學院，大連116018)

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基于復雜網絡的海上大型編隊指揮控制信息協同模型

黃 康，任 重，孫杜娟，張海憶，蔣林芝

(海軍大連艦艇學院，大連116018)

針對海上大型編隊發展需求，基于復雜網絡理論研究了海上大型編隊指揮控制信息協同模型,在分析復雜網絡概念和特征的基礎上，以美軍航母編隊為例構建其指揮控制信息協同模型，并給出其網絡拓撲圖，為研究海上大型編隊指揮控制信息系統提供新的研究思路。

海上大型編隊；指揮控制；復雜網絡

0 引 言

國內外研究結果表明，現實世界中存在大量復雜系統，這些系統都具有小世界、自相似性、高聚集性、無尺度特性、魯棒性等復雜網絡特征[1]。而近年興起的復雜網絡理論為復雜網絡提供了全新的分析工具。將復雜網絡理論引入軍事領域，從復雜網絡的角度來分析軍事信息系統的規律與特征，特別是研究如何提高網絡化作戰行動中的指揮控制信息協同效率，已成為國內外研究熱點[2-4]。

伴隨著我國海軍力量的不斷壯大，特別是海上大型編隊的發展，編隊體系日趨呈現復雜性和網絡性，必須針對編隊網絡節點間指揮信息協同網絡展開研究。論文將復雜網絡理論引入海上大型編隊指揮信息系統研究中，并構建海上大型編隊的指揮控制信息協同模型，以期為研究未來海上大型編隊指揮控制信息系統提供新的研究思路和方法。

1 復雜網絡概述

復雜網絡是具有復雜拓撲結構和動力學行為的大規模網絡，主要采用數學圖論作為理論基礎，結合統計物理學的基本方法和工具，對網絡的特性、形成機制以及演變規律等展開分析[4]。目前，比較成熟的復雜網絡模型有規則網絡模型、隨機網絡模型、層次網絡模型、確定網絡模型、自相似網絡模型等幾種。分析比較上述模型的特點，編隊指揮控制信息協同網絡研究更適宜采用層次網絡模型。

大量實證表明很多自然網絡和社會網絡具有2個普遍的特性：冪律度分布和層次模塊性[5]。通常情況下，層次網絡是由若干彼此相連的模塊組成的。所謂模塊是在物理或功能上連接在一起的、共同完成某個獨立功能的節點。例如，計算機的硬件模塊、DNA染色體等。對于海上大型編隊，具有指揮控制功能的艦艇甚至航母同樣可以看作模塊。將上述功能模塊按照一定的關系連接后，就構成了更高效、更復雜且應用更廣泛的結構。在不同的結構層次上，層次網絡往往還具有自相似性[5]。

2 指揮控制信息協同模型構建

2.1 大型編隊指揮控制信息協同的特征分析

以美軍航母編隊為例，一種典型編成為1艘現役航空母艦、2艘導彈巡洋艦、4艘導彈驅逐艦、1艘護衛艦、1～2艘攻擊型核潛艇和1艘供應艦。編隊以航母作為編隊的中心，是指揮控制信息協同網絡的關鍵節點，可以直接接受上級命令，并協調指揮編隊各作戰單元。各個作戰單元承擔著不同的任務，分別起到防空、對海防御及攻擊和反潛的功能，構成如圖1所示的大型防御圈[6]。

圖1 美軍航母編隊防御圈

大型編隊的指揮控制信息協同主要涉及指揮控制系統、情報系統、武器系統以及通信系統等多個系統，具有明顯的復雜性和網絡性，是一個典型的復雜系統。圖2所示為美軍所提出的C4ISR系統，就是一個集情報獲取、傳輸、加工處理、計算、顯示、決策、指揮與控制于一體的復雜系統[7-9]。

圖2 C4ISR系統網絡中心架構

2.2 建模步驟

對海上大型編隊的指揮控制網絡進行描述，需要給出各指揮層次間的指控關系以及信息流傳輸途徑。本文按照如下步驟構建指揮信息協同模型：

第1步，定義網絡節點V={v1,v2,… ,vn}，vi代表各級指揮中心、情報中心和武器中心。

這里按照美軍的編隊系統模式，將編隊分為3級節點：一級節點包括航母指揮控制系統、情報系統、武器控制系統和通信系統；二級節點包括由數條水面艦艇和潛艇組成子系統的指揮控制系統、情報系統、武器控制系統和通信系統；三級節點包括編隊內各艦艇或潛艇內部的指揮控制系統、情報系統、武器控制系統和通信系統。

第2步，定義邊集E={e1,e2,… ,en}，ei描述各指揮機構之間的指揮和信息協同關系。如果同層次節點之間存在情報信息交互，則將它們相連；對于不同的指揮層次，如果存在指揮信息流的直接交互，則將它們相連。任意2個節點之間至多存在1條邊。

第3步，根據海上大型編隊指揮控制系統特征，做出如下假設：

(1) 一級指控中心節點(即航母指揮控制系統)必須與所有二級指控中心節點(二級節點中的指揮控制系統)相連；

(2) 二級指控中心節點必須與其下屬所有三級指控中心節點(三級節點中的指揮控制系統)相連；

(3) 各指控中心節點與其配套指揮控制系統、情報系統、武器控制系統和通信系統節點相連；

(4) 網絡中不存在任何孤立的節點；

(5) 各節點的屬性與人員、時間、環境等因素無關。

2.3 模型構建

基于圖1、圖2，按照上節給出的模型構建方法，構建海上大型編隊指揮控制信息協同模型概念圖,如圖3所示。

圖3 網絡拓撲圖

圖3中，中心三角A1B1C1代表航母，其中心O1為航母指揮控制系統，A1、B1、C1節點分別代表航母的情報系統、武器控制系統和通信系統。以O1為中心，向外“輻射”與各二級指控中心O21、O22、O23等相連。圖中A2i、B2i、C2i分別為二級指控中心Oi對應的情報系統、武器控制系統和通信系統等二級節點。而后二級指控中心節點O2i分別與其對應的各三級指控中心O3i相連，依此構成指揮控制信息系統協同網絡。

可見，海上大型艦艇指揮控制信息協同網絡呈現出層次性和相似性特征，基于此模型，可以利用復雜網絡的理論算法對其做深層次分析。

3 結束語

海上大型編隊指揮控制系統是一個復雜的系統，而信息化條件下的網絡化作戰發展趨勢對編隊指揮控制信息協同提出了新的要求。本文將復雜網絡理論引入海上大型編隊指揮控制信息協同問題研究中，以美軍航母為例，針對海上大型編隊指揮控制信息協同特點，構建了一種圖示模型，為深入研究分析海上大型編隊指揮控制信息系統奠定了基礎。

[1] 陳麗娜，黃金才，張維明.網絡化戰爭中復雜網絡拓撲結構模型研究[J].電光與控制，2008,15(6)：4-6.

[2] 朱濤，常國岑，張水平,等.基于復雜網絡的指揮控制級聯失效模型研究[J].系統仿真學報，2010,22(8):1817-1820.

[3] 田旭光，朱元昌，羅坤,等.基于復雜網絡理論的指揮控制系統自適應重構模型[J].系統工程與電子技術，2013,35(1)：91-96.

[4] 朱濤，常國岑，張水平,等.基于復雜網絡的指揮控制信息協同模型研究[J].系統仿真學報，2008,22(8):6058-6060.

[5] 金偉新.體系對抗復雜網絡建模與仿真[M].北京：電子工業出版社，2010.

[6] 劉曉，劉忠，侯文姝,等.美航母編隊網絡化反導作戰建模[J].火力與指揮控制，2012，37(7)：28-30.

[7] 張金鋒，易侃.信息流的網絡化C4ISR系統結構關鍵節點挖掘方法[J].火力與指揮控制,2014,39(8)：61-64.

[8] 涂擁軍，李敬輝，黃高明.基于對象Petri網的水面艦艇編隊網絡中心戰系統建模[J].通信與信息技術，2007(17)：14-21.

[9] 丁曉劍，孫豐鑫.C4ISR系統概念模型元素研究[J].微電子學與計算機，2014,31(5)：79-82.

Command and Control Information Cooperation Model of Large-scale Maritime Formation Based on Complex Network

HUANG Kang,REN Zhong,SUN Du-juan,ZHANG Hai-yi，JIANG Lin-zhi

(Dalian Naval Academy，Dalian 116018,China)

Aiming at the developing demand of large-scale maritime formation,this paper studies a large-scale maritime formation's command and control information cooperation model based on computer network theory,based on analyzing the concept and characteristic of complex network,establishes the command and control information cooperation model taking US carrier formation as an example,and gives the network topology picture,which provides new ideas for studying the command and control information system of large-scale maritime formation.

large-scale maritime formation;command and control;complex network

2015-02-02

TN97

A

CN32-1413(2015)04-0030-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.008