基于復雜網絡的武器裝備體系研究現狀

李　鍇， 吳　緯

(1. 裝甲兵工程學院技術保障工程系， 北京 100072； 2. 北京特種車輛研究所， 北京 100072)

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基于復雜網絡的武器裝備體系研究現狀

李鍇1， 吳緯2

(1. 裝甲兵工程學院技術保障工程系， 北京 100072； 2. 北京特種車輛研究所， 北京 100072)

武器裝備體系(System-of-Systems，SOS)研究的關鍵是對體系中裝備實體及實體間復雜的指揮決策、作戰控制與協同、信息連通與信息保障等關系進行準確描述。從體系的內涵出發，總結了體系及武器裝備體系的內涵和主要特性；從復雜網絡(Complex Network，CN)的建模方法、拓撲結構和動態演化3個方面綜述了武器裝備體系的研究現狀；并展望了下一步的研究方向，為深入研究武器裝備體系提供參考。

體系； 武器裝備體系； 復雜網絡

網絡中心戰(Network Centric Warfare，NCW)于1997年4月在美國海軍年會上被首次提出，從平臺中心戰(Platform Centric Warfare，PCW)轉變為網絡中心戰是現代軍事的飛躍。網絡中心戰充分強調作戰中心由平臺轉向網絡，通過信息網絡實現戰場信息的獲取、處理、傳輸、存儲和分發等，參戰人員共享戰場態勢，從而提高了體系作戰指揮的效能[1-2]。體系作戰是在一體化聯合作戰背景下，在網絡中心戰的基礎上提出的。在體系作戰過程中，各種武器平臺和武器裝備系統通過信息系統與技術構成武器裝備體系，各種作戰資源(尤指信息資源)得到充分的共享利用，偵察預警系統、指揮控制系統、火力打擊系統和綜合保障系統協同合作，出現了信息戰、網絡戰、電子戰以及太空戰等多種形式的體系對抗作戰模式[3]。在多維立體的戰場空間中，體系對抗的進程或勝負結果不僅取決于武器裝備體系的組成元素，而且還取決于各元素的結構形式和相互關系[4]。研究武器裝備體系中復雜的指揮決策、作戰控制與協同、信息連通與信息保障等關系，對認清武器裝備體系的功能結構和信息結構，評估武器裝備體系作戰能力、作戰效能或任務完成效果具有重要意義，同時可為武器裝備體系下一步的發展提供借鑒。

近年來，復雜網絡(Complex Network，CN)理論研究取得了突破性進展[5]，將網絡研究和復雜性有機結合起來，通過統計物理、仿真模擬和動力學演化等方法來研究復雜網絡的本質特性，并廣泛地應用于體系研究中，也取得大量的研究成果[6-7]。筆者從體系、武器裝備體系的內涵及其主要特性出發，對相關研究成果進行綜述，為武器裝備體系的進一步研究提供參考。

1　體系的內涵及其主要特性

1.1體系的內涵

體系(System-of-Systems，SoS)的概念首次由Eisner等[8]在研究多系統集成問題時提出。20世紀90年代初，體系的概念在信息系統、系統工程和人工智能等領域逐漸發展起來，許多學者對體系的組成、內涵、類別和應用等進行了研究，取得了許多成果[9-11]。由于體系應用領域廣泛，不同研究領域的學者均給出了相應的定義，因此關于體系沒有統一的定義，但是各個定義在本質上并無差別。譚躍進[12]定義體系為基于統一的標準，將一組地理分布廣泛且具有獨立功能的系統集成為能完成單個系統所無法完成特定目標的新系統。胡曉峰[13]定義體系是由2個或2個以上已存在的、能夠獨立行動實現自己意圖的系統組成或集成的具有整體功能的系統集合。Maier[14]認為體系是包含元素行為獨立性、元素管理獨立性、元素地理分布性、體系涌現性和體系演化性的復雜巨系統。文獻 [15-16]作者對40多種體系定義進行了總結，得出體系具備獨立性(autonomy)、隸屬性(belonging)、相關性(connective)、多樣性(diversity)和涌現性(emergence)5個特點。在軍事領域，比較典型的定義是Johnson[17]給出的定義：體系是一個應用于網絡中心戰的超系統，它由許多功能獨立的復雜系統構成，這些復雜系統為完成共同的目標相互依賴、協同行動。

1.2體系的主要特性

目前對體系并無準確、嚴格的定義，但是在不同領域體系表現出一致的特性[5-9,14-18]，對其主要特性進行歸納，具體如表1所示。

表1　體系的主要特性

2　武器裝備體系的內涵及其主要特性

2.1武器裝備體系的內涵

據粗略統計，國內外關于武器裝備體系的定義有10余種。卜廣志[3]認為武器裝備體系是為滿足一定的作戰需求，依據作戰規律，由多種武器和裝備系統按照特定結構組成的功能整體；楊克巍等[19]認為武器裝備體系是為發揮最佳的整體效能，依據一體化作戰規律，由功能上相互聯系、性能上相互補充的各種武器裝備系統，按照一定的體系結構綜合集成為更高的武器裝備巨系統；李仁傳等[20]認為武器裝備體系是為面向作戰需求，由功能上相互聯系和相互作用的多個武器裝備系統組成的更高層次的有機整體；陳文英等[21]將武器裝備體系定義為在不確定環境下，為完成特定的使命或任務，由大量功能相互獨立、操作交互的武器裝備系統按照特定方式構成的更高層次的系統。

筆者定義武器裝備體系為在一定的戰略指導、軍事指揮和綜合保障的前提下，為完成一定的使命任務，按照作戰規律，將一定數量、不同種類與型號的主戰裝備、電子信息裝備和保障裝備等武器裝備系統，通過信息系統與技術有機綜合集成起來的一個功能整體。

從本質上來講，武器裝備體系的核心是各類武器裝備系統，該定義強調武器裝備體系的作戰應用，即武器裝備系統的編配部署或性能改進對使命任務完成的影響。武器裝備體系按編制系列可分為全軍武器裝備體系、軍兵種武器裝備體系和戰區武器裝備體系；按層次結構或作戰功能可分為戰略層次的武器裝備體系、戰區/戰役層次的武器裝備體系和戰術/作戰單元的武器裝備體系；按作戰任務和戰斗編成可分為裝甲突擊裝備體系、航母編隊作戰裝備體系、野戰防空作戰裝備體系和遠程精確打擊裝備體系等。

2.2武器裝備體系的主要特性

基于信息系統的武器裝備體系最大特點是軍事技術實現縱橫雙向一體化集成，即戰場信息實時化、武器裝備智能化、指揮控制一體化、作戰系統網絡化及信息火力一體化[22-23]，其特性突出表現在如下5個方面：

1)元素信息化。采用現代信息技術、戰場信息優勢和全頻譜能力控制，需要實現持續的信息獲取，快捷的信息傳輸、準確的信息內容和較小的處理延遲，以更快速度和更高質量地對戰場空間進行感知和判斷。

2)功能集成化。即在武器裝備體系中，情報偵察、預警探測、信息傳輸，指揮控制、機動作戰、火力打擊和綜合保障(作戰、裝備和后勤保障)等各種復雜要素高度集成化；武器裝備實現功能融合，武器裝備體系效能涌現明顯。

3)指控扁平化。即在武器裝備體系中，指揮控制系統的各元素通過指揮決策、作戰控制與協同和指揮保障彼此連接，構成一個多層次的指揮控制網絡。指揮控制網絡扁平化減少了指揮層次，簡化了指揮控制鏈路。

4)結構網絡化。即武器裝備體系以“網絡為中心”，其元素既能按照各自的職能獨自行動，又可通過指揮決策、作戰控制與協同和信息連通與信息保障彼此連通，實現信息共享和行動協同，構成以信息化武器裝備為節點的復雜網絡。

5)信息火力一體化。即武器裝備體系對戰場態勢具備實時感知能力，由偵察預警系統融合成戰場信息，并通過共享平臺傳遞給各武器裝備系統，指揮控制系統和火力打擊系統協同合作，迅速完成目標打擊任務，突出表現為信息火力一體化。

3　基于復雜網絡的武器裝備體系

3.1復雜網絡

近年來，隨著復雜網絡理論及其應用研究的不斷深入，人們開始嘗試利用這種新的理論來研究現實中的大型復雜系統問題。復雜網絡模型研究主要經歷了規則網絡(Regular Network)、隨機網絡(Random Network)、小世界網絡(Small-world Network)和無標度網絡(Scale-free Network)4個階段。規則網絡和隨機網絡為抽象的理論網絡，現實的復雜網絡一般具有小世界和無標度特性。為了表征復雜網絡的特征，相關學者提出了許多特征量，主要有度與度分布、平均路徑長度、聚類系數、介數、連通度、網絡結構熵、特征譜、度秩函數和網絡效率等[24-25]。典型復雜網絡的相關特征如表2所示。

目前，主要從如下3個方面對武器裝備體系進行研究[26]：

1)基于武器裝備體系自組織、自適應和涌現性等宏觀特性，采用小世界模型、無標度模型以及混合模型構建武器裝備體系網絡模型；

2)通過仿真模擬方法研究武器裝備體系網絡的拓撲特征，考察武器裝備體系網絡的抗毀性、魯棒性和可靠性等特性，進一步得到實際武器裝備體系的相關特性；

表2　典型復雜網絡的相關特征

3)從復雜網絡的自適應、自協同特性出發，充分考慮裝備的故障損傷、維修保障等問題，分析武器裝備體系動態演化性，對整個武器裝備體系的動力學行為進行分析研究。

3.2基于復雜網絡的武器裝備體系建模

傳統的作戰模型研究方法主要有Lanchester方程法[27]、Monte Carlo法[28]和指數法[29]，這些方法所構建的模型雖然簡單，但無法體現武器裝備體系的自組織、自適應和涌現性等一系列復雜特性。復雜網絡是具有復雜拓撲結構和動態演化特性的大規模網絡，基于復雜網絡的武器裝備體系建模可對各武器裝備系統間的協同關系和動力學行為進行綜合研究，不僅可刻畫武器裝備系統個體，而且可對武器裝備體系整體的復雜性及涌現性進行描述[30]。基于復雜網絡的武器裝備體系建模的主要過程如圖1所示，其主要通過給定武器裝備體系網絡拓撲結構的生成演化規則進行研究。

圖1　基于復雜網絡的武器裝備體系建模的主要過程

1)明確體系網絡建模需求。即分析武器裝備體系的建模需求，確定武器裝備體系網絡建模的單元數目、顆粒度大小、層次劃分和邊界條件等相關問題。

2)體系網絡宏觀性質分析。即基于復雜網絡理論，分析武器裝備體系的自組織、自適應和涌現性等宏觀性質，明確武器裝備體系網絡建模的目的和方法。

3)體系網絡節點和邊定義。即基于武器裝備體系的宏觀性質，定義復雜網絡中的節點和邊，確定節點和邊的類別、性質，分析節點間的邏輯關系。

4)明確體系網絡演化規則。即基于武器裝備體系的宏觀性質分析結果和武器裝備體系動態同步等動力學特性，定量分析武器裝備體系中節點間的復雜關系，確定武器裝備體系網絡的生長機制。

5)體系復雜網絡模型建立。即依據演化規則生成武器裝備體系網絡模型，分析模型性質，并與武器裝備體系宏觀性質進行比較，改進網絡模型中節點和邊的定義。

6)體系網絡模型校驗與完善。即統計分析武器裝備體系網絡模型的性質，同時對網絡演化規則進行改進和校驗，深入研究武器裝備體系網絡模型的可行性和有效性。

7)體系網絡模型應用與改進。即應用武器裝備體系網絡模型分析實際武器裝備體系的自組織、自適應和涌現性等復雜特性，依據實際武器裝備體系的數據和性質改進武器裝備體系網絡模型。

武器裝備體系網絡建模的核心內容是在分析武器裝備體系宏觀特性的基礎上，明確體系網絡中節點和邊的定義，確定體系網絡演化規則。依據復雜網絡理論，通過建模分析武器裝備體系特性，并通過武器裝備體系網絡性質來表征實際武器裝備體系的復雜特性。

3.3基于復雜網絡拓撲結構的武器裝備體系

利用復雜網絡理論分析現代戰爭機理時，通常將武器裝備體系抽象為圖G=(V,E)，節點集合V={v1,v2，…，vn}，代表戰場空間中的裝備實體，如偵察預警裝備、武器平臺和指揮控制中心等；有向邊集合E={e1,e2，…，en}，代表裝備實體之間的信息流、物質流和能量流，以及裝備實體間各種指揮控制、作戰控制與協同、信息連通與信息保障等關系，如指揮控制系統與火力打擊系統間的指揮決策、作戰控制與協同關系。這樣，整個戰場空間的裝備實體及實體間的交互關系就組成了一個復雜網絡。圖2、3分別為平臺中心戰和網絡中心戰的網絡拓撲結構示意圖。

圖2　平臺中心戰網絡拓撲結構示意圖

圖3　網絡中心戰網絡拓撲結構示意圖

利用復雜網絡理論研究武器裝備體系時，首先要建立符合實際的武器裝備體系拓撲模型。Cares[31-32]于2004年首先將復雜網絡引入戰斗模型建模中，并首次提出作戰環的概念，用復雜網絡鄰接矩陣的P-F特征值來度量網絡的效能；譚躍進等[33]在Cares的基礎上，給出了武器裝備體系網絡化描述與建模方法，并提出了作戰環綜合評價指數的概念；陳麗娜等[34]將傳統的作戰樹網絡和隨機網絡相結合，構造了網絡化戰爭的網絡拓撲結構模型；Dekker[35]從復雜網絡的拓撲結構出發，重點考察了網絡的平均路徑和整個體系的關系；張強等[36]提出了基于復雜網絡的防空反導系統的網絡模型，對網絡模型的拓撲結構進行了深入分析；朱剛等[37]針對武器裝備體系的復雜性和網絡化趨勢，提出了以目標為中心的武器裝備體系模型；王步云等[38]采用復雜網絡方法建立了水面艦艇編隊反艦作戰的網絡模型，并采用遺傳算法對網絡結構進行了優化；王飛等[39]基于超網絡理論提出了武器裝備體系的一種網絡化概念模型，利用該模型可對體系中的多種動態、靜態因素進行有效描述。

武器裝備體系效能評估是武器裝備體系研究的重點內容之一，主要評估方法有主觀評定法、統計分析法、數學解析法和仿真模擬法等，主要內容包括武器裝備體系的可靠性、魯棒性和抗毀性以及武器裝備體系中元素的重要度等。江式偉等[40]提出了一種基于時間Petri網流程分析的武器裝備體系可靠性建模和評估方法；陳曄等[41]針對復雜網絡的拓撲結構和魯棒性進行了研究，并對典型分層復雜網絡艦艇編隊進行了仿真；Ender等[42]利用Surrogate模型對彈道導彈防御體系進行了建模，并采用仿真方法進行了效能評估；張勇等[43]基于復雜網絡中節點的重要度方法，提出了武器裝備體系的重要度評估模型；路建偉等[44]建立了基于無標度網絡的防空反導體系模型，并對其魯棒性和抗毀性進行了研究；于桓凱等[45]建立了基于復雜網絡的武器裝備體系結構模型，并進行了仿真分析和效能評估；鐘季龍等[46]提出了一種兼具無標度和小世界特性的混合模型來描述武器裝備體系，并對該武器裝備體系結構可靠性進行了評估；Guariniello等[47]提出了復雜網絡相關性的計算方法，并應用于武器裝備體系中；羅小明等[48]構建了基于不確定性自信息的防空反導裝備體系作戰的網絡結構模型和評估指標體系；李際超等[49]通過比較有向自然連通度與Laplace矩陣譜半徑2種抗毀性測度指標來研究體系網絡的抗毀性；曹強等[50]基于復雜網絡理論提出了基于矩陣運算的武器裝備體系能力評估方法。

3.4基于復雜網絡動態演化的武器裝備體系

基于復雜網絡拓撲結構和自適應、自協同理論，采用仿真模擬法(如數值模擬法、模擬試驗法、探索性建模與分析方法、基于Agent和復雜網絡的仿真建模方法等)來研究武器裝備體系的動態演化性，重點考察基于不完全信息條件下，體系對抗中隨機攻擊和蓄意攻擊對武器裝備體系動態演化的影響。

王長春等[51]提出了基于復雜網絡的體系破擊仿真分析方法，建立了考慮信息因子和破擊能力的破擊新模型；胡曉峰等[52]提出了基于作戰環的體系同步模型，定義了表征同步的全局序參量和局部序參量；張強等[53-54]設計了擇優演化和隨機演化2種網絡動態演化模型，并采用仿真方法驗證了模型的有效性；溫睿等[55-56]建立了加權拓撲模型來動態模擬體系的演化生長，反映出體系具備自相似性；譚東風[57]提出了統一表示交戰行為與協作行為的網絡隨機戰斗模型，并進行了效能評估；金偉新等[58]運用仿真模擬法探索了在信息化作戰下體系拓撲的連接機制和分布規律，發現該分布是由δ分布、指數分布和冪律分布混合而成的；王華等[59]提出了一種復雜網絡下的混合模型，對武器裝備體系結構的增長和演化進行了描述；張鳳琴等[60]利用動態調整策略提出了裝備能力優先的體系復雜網絡演化模型，并對網絡的魯棒性進行了研究；白亮等[61]提出了控制環和行動節奏的概念，對體系對抗間效能的差異進行了刻畫，并提出了體系網絡的效能指標；田旭光等[62]基于復雜系統重點研究了邊的修復策略和結構重組策略，建立了自適應的重構模型；徐玉國等[63]提出了描述維修保障組織結構的多元加權網絡模型，并給出了5個特征量。

4　研究展望

筆者在總結體系的概念和特性并給出武器裝備體系定義的基礎上，利用復雜網絡理論，從體系網絡的模型建立、靜態分析和動態演化3個方面對武器裝備體系的研究進展進行了綜述。隨著復雜網絡理論研究的不斷深入，武器裝備體系的研究取得了大量的成果，但是仍然還存在許多問題需要進一步研究，展望基于復雜網絡的武器裝備體系的未來研究方向，主要有如下3個方面：

1)探索復雜網絡理論的各種拓撲性質，為研究武器裝備體系提供理論支持，重點是在武器裝備體系的結構設計、優化和效能評估等方面；

2)在武器裝備體系拓撲結構建模中，構建節點、加權有向邊的復雜網絡，研究網絡中信息流、物質流和能量流的傳播機制和算法，為提高武器裝備體系效能提供理論支持；

3)基于武器裝備體系動態演化特征，運用仿真模擬法，研究提升武器裝備體系效能及抗毀性，以及破擊對手作戰體系的主要方法，提高武器裝備體系的對抗能力。

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(責任編輯: 王生鳳)

Research Status of Weapon Equipment System-of-Systems Based on Complex Network

LI Kai1, WU Wei2

(1. Department of Technical Support Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Beijing Special Vehicle Institute, Beijing 100072, China)

The key of the research on weapon equipment System-of-Systems (SoS) is to accurately describe the equipment entities in the SoS and the complex relation among the command decision, combat control and coordination, information connectivity and information security. In this paper, the connotation and main characteristics of SoS and weapon equipment SoS are summarized, the research progress on weapon equipment SoS from three aspects of network modeling, topology structure and dynamic behavior based on complex network theory are discussed. Finally, the future research direction is forecasted, which provides a reference for further study on weapon equipment SoS based on complex network.

System-of-Systems(SoS); weapon equipment SoS; complex network

1672-1497(2016)04-0007-07

2016-04-27

軍隊科研計劃項目

李鍇(1990-)，男，博士研究生。

E917

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.002