網絡信息體系復雜性及建模仿真研究

彭 軍， 張明智

(國防大學 信息作戰與指揮訓練教研部, 北京 100091)

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網絡信息體系復雜性及建模仿真研究

彭 軍， 張明智

(國防大學 信息作戰與指揮訓練教研部, 北京 100091)

復雜性是網絡信息體系研究需要關注的重點。從系統論和復雜系統角度闡述了網絡信息體系的復雜性機理，指出這種復雜性主要源于“組成-結構-功能”的復雜性，組分的不確定性、適應性、涌現性，以及體系的對抗性；從建模理論、復雜性仿真、可信性分析和仿真平臺4個方面探討了網絡信息體系建模仿真面臨的主要挑戰及解決的對策措施。

網絡信息體系；復雜性；建模仿真；挑戰及對策

網絡信息體系(NISoS)是集情報偵察監視、通信、指揮決策、武器控制和綜合保障等功能為一體的網絡化信息化電子系統集合。其實質是以網絡為中心，以信息為主導，整合戰斗力諸要素。其目的是實現實時的態勢感知，提高信息共享水平，加快指揮決策速度，達到作戰自主協同，增強生存和響應能力，躍升體系作戰效能。NISoS復雜性是洞悉體系制勝機理的關鍵，是體系研究需要關注的重點[1-7]。本文從系統論和復雜系統的角度闡述了NISoS的復雜性，分析了復雜性對NISoS建模仿真帶來的主要挑戰及解決的對策措施。

1 基于系統論的復雜性

1.1 組成復雜性

根據信息化條件下聯合作戰需要，NISoS將以信息柵格網為基礎，將戰場感知網、指揮決策網、武器控制網、綜合保障網等進行邏輯組網，組成1個基礎網、4個作戰網的信息網絡；以通信系統為支撐，將涵蓋陸?？仗炀W電的情報偵察監視系統、指揮控制系統、武器系統、綜合保障系統聯為一體化的信息系統。NISoS“五網五系統”的基本架構如圖1所示。

圖1 NISoS“五網五系統”基本架構

1) 信息柵格網和通信系統。是將各種通信、數據、安防等要素融合構成柵格化的信息基礎設施，按網絡化服務化機制為戰場感知網、指揮決策網、武器控制網和綜合保障網等提供支撐，形成統一的大數據處理、云計算、大容量傳輸和安全可控的網絡運維環境。

2) 戰場感知網和情報偵察監視系統。是由部署于多維空間的各類傳感器作為網上節點構建的一體化聯合情報偵察監視體系。對各類感知資源進行優化組織、融合處理和共享運用，形成全域一致的戰場聯合情報。

3) 指揮決策網和指揮控制系統。是以各級指揮控制系統作為網上節點構建的一體化聯合指揮體系。通過對各作戰力量組網運用，將戰場分布的戰力融為一體，最大限度掌握作戰空間態勢，實現作戰資源的統一規劃，形成面向任務的聯合決策控制、行動同步能力。

4) 武器控制網和武器系統。是將各類信息化武器系統作為網上節點構建的聯合火力交戰體系。通過對武器系統的傳感器、發射/制導單元進行鉸鏈控制，形成聯合火力規劃及網絡瞄準、精確制導等多武器系統交戰能力，實現基于規則的自組織聯合火力打擊。

5) 綜合保障網和綜合保障系統。是將各種氣象水文、地理信息、頻譜管理、后裝保障等系統作為網上節點構建的一體化綜合保障體系。圍繞作戰任務對相關資源進行統一組織、優化調度、實時監控和管理，形成高效的體系保障能力。

“五網五系統”是構成NISoS的核心要素，NISoS的組分系統及其相互作用存在于物理、信息、認知三域，它們之間的關系包括物理域的網絡連接關系、信息域的信息保障關系(情報信息、指控信息、火力信息、保障信息) 和認知域的組織管理關系等。

1.2 結構復雜性

如果系統中所有節點的價值相同(功能相近)，稱系統結構是價值對稱的；如果某個節點比其他節點有更高價值，稱系統結構是價值非對稱的；如果所有節點類型相同，則稱系統結構是同質的，反之是異質的。NISoS基本結構圖譜如圖2所示，A到G的不同位置代表不同的結構類型。其中，A、E和G是3個特殊情況，它們可以獨立存在，也可以以子網形式存在于B、C、D和F中。

1) A型(中心結構)。該結構是價值非對稱和異質的，即有一個高價值中心節點和一些價值相對較低的節點，中心節點為其他節點提供服務。若中心節點被毀，系統將不能正常運行，體系作戰效能將大大降低，這個中心節點被稱為“重心”(Center of Gravity, COG)。如航母編隊就是典型的A型結構，航母為巡洋艦、驅逐艦、潛艇等提供情報、通信和指控服務，是體系的重心。

2) E型(基于需求結構)。該結構是價值對稱和異質的，即節點價值相同，但功能有所區分，每個節點與其他節點協作配合共同完成任務。如導彈防御系統就是典型的E型結構，天基預警衛星探測到敵方導彈發射，向作戰中心發出預警，作戰中心啟動地基預警雷達對來襲目標進行探測跟蹤，作戰中心生成交戰方案，指定導彈基地發射攔截彈，跟蹤制導雷達引導修正攔截彈的機動軌道，最后摧毀目標。

a) NISoS結構圖譜

b) NISoS結構圖表圖2 NISoS的基本結構圖譜

3) G型(集群結構)。該結構是價值對稱和同質的，即節點屬同一類型、價值相同，均有傳感、通信、指控和火力單元，作戰能力有限，節點間需共享信息和協同配合涌現出最大作戰效能。G分G1(涌現集群)和G2(共享集群)2種。G1的代表是無人機蜂群[8]，操作人員不必對每架無人機進行單獨控制，而是對集群進行整體控制；G2的代表是指控系統，各節點的信息融合產生一個共享態勢圖，形成對當前態勢的判斷和生成計劃方案，節點按層級進行指揮控制，層級較高的節點具有大容量處理能力。

4) F型(混合結構)。該結構是E與G的混合，包括2個子類：F1(有限節點類型)和F2(公共類型)。其中：F1的節點類型有限，功能不同，如美陸軍未來作戰系統(Future Combat System, FCS)有16種類型的節點，包括指揮控制車、間瞄火炮、偵察監視與目標探測車、無人機等，同類型節點產生集群效應，不同類型的節點之間互提服務需求；F2中節點類型不同，但有顯著公共性，典型代表如海軍協同作戰(Cooperative Engagement Capability, CEC)，各艦船都有情報偵察與處理系統、通信系統和作戰指揮控制系統，多艦傳感器信息融合極大擴展了單艦的探測范圍，使得物理上分布的編隊能夠支持協同作戰，同時不同類型的艦船還擔負不同的作戰任務。

5) C型(中心集群結構)。該結構是在G型基礎上增加一個高價值的中心節點。這個中心節點使得其他節點的作戰效能倍增，涌現出新的性質，同時還保留集群行為。如貝卡谷空戰中，以軍的機載預警與控制系統(Airborne Warning and Control System, AWACS)與戰斗機配合提高了預警探測能力和作戰能力，擊落敘軍82架戰機，創造了82∶0的奇跡。

6) B型(中心需求結構)。該結構是在E基礎上增加一個高價值的中心節點。這個中心節點為其他節點提供不可或缺的服務，需要重點保護。一旦中心節點被毀，其他節點也不復存在。其他節點同時也為中心節點按需提供服務。如航母為艦載機提供跑道、補給和維修等高價值服務，也是艦載機的情報、通信和指揮控制中心，艦載機為航母提供反潛、空中預警和保護等服務。

7) D型(聯合結構)。該結構是多種類型和不同價值節點的聯合結構。這種結構一般出現在諸軍兵種聯合作戰中，包含了其他所有的結構類型。在聯合結構中，高價值的節點集是中心節點集，同類型的節點集具有涌現行為；另外，不同類型節點之間基于任務需求相互提供服務支持。

1.3 功能復雜性

“結構決定功能”是系統工程和系統論的基本認識。一般根據作戰需求選擇相應的NISoS結構類型，并提供滿足使命任務和體系作戰的有關功能，如實時感知、高效指控、通信傳輸、快反機動、安全防護、電子干擾、信息支援、精確打擊等。正是由于NISoS高效、靈活、魯棒的結構特性，使得NISoS具有“隨遇接入、即插即用、柔性重組、協同運行、按需服務、共享資源”等能力特征[7]。其中：隨遇接入是指其他4個網絡的作戰單元或要素能夠隨時隨地動態接入信息柵格網；即插即用是指傳感、指控、武器、保障等系統單元能快速獲取和使用網絡、信息、數據、服務等資源；柔性重組是指各系統或組分具有按任務需求進行動態重構和擴展的能力；協同運行是指無隸屬關系的武器控制系統之間遂行共同任務時相互協作配合；按需服務是指NISoS根據任務情況，靈活組織、生成用戶所需的通信、數據、軟件等資源，快速高效地為用戶提供資源服務；共享資源是指揮控制系統之間通過信息共享，形成快速統一的態勢感知，提高戰場協同。

2 基于體系理論的復雜性

2.1 不確定性是客觀屬性

不確定性是NISoS的客觀存在。可以從組分性能、系統結構、指揮控制等情況來研究和分析NISoS的不確定性。具體表現在：

1) 隨機因素帶來了系統組分性能的不確定性，一般采用隨機數概率分布進行描述，如信息系統運行過程中的隨機故障和失效概率，戰場環境瞬息萬變，電磁干擾、天擾地擾等偶然因素較多，也存在隨機性。

2) 組成要素隨意接入、即插即用、柔性重組、按需服務帶來了系統結構的不確定性，主要體現在3個方面：(1) 節點根據任務進行“增、刪、改”；(2) 節點(鏈路)遭受軟攻擊或硬毀傷；(3) 節點之間物質、能量、信息交互關系按作戰需求服務發生變化。

3) 人的因素帶來指揮控制的不確定性，這與人的指揮藝術和認知能力等因素有關，如OODA(observation-orientation-decision-action)環是一個態勢感知/信息融合/指揮決策/行動響應的過程，其中每個環節都包含了指揮員作戰經驗和認知行為的參與，個人之間的決策判斷存在差異，帶來了人為的不確定性因素。

2.2 適應性是演化動力

戰爭形態機械化→信息化→網絡中心化的轉變，以及系統結構、功能、技術和作戰需求的更新，NISoS也歷經了C2→C3→C3I→C4I→C4ISR→C4KISR的適應性變化，并且還在不斷演化發展中。復雜適應性系統理論認為“適應性造就復雜性”。對于NISoS來說，主要體現在2個方面：(1) 組分的自適應、自學習、自組織和集群特性，有的還具有人工智能和機器學習的特征，能靈活適應不同戰場環境和任務變化；(2) 網絡中心化(Network-Centric)和面向服務結構(Service-oriented Architecture，SOA) 特征使得網絡化效應更加明顯，系統規模、功能、資源和網絡化交互的增加，帶來系統的更加復雜和不確定。

2.3 涌現性產生體系能力

NISoS的組分按照系統規則運行，組分之間存在復雜的交互作用關系，這些交互在更高層級和更大尺度產生出新的性質和涌現效果，即生成“1+1>2”的體系能力。一是結構涌現。例如，全連通網絡結構具有最高的抗毀性，無標度網絡在面對惡意攻擊時顯得異常脆弱；無人機蜂群(LOCUST)攻擊驅逐艦的模擬結果表明，當無人機由8架增加到20架時，防御系統攔截由5.2架只增加到7架，絕大多數無人機能夠避開雷達和攔截系統。二是交互涌現。例如，武器裝備的單項作戰能力在信息系統支撐下涌現出體系作戰效能，扁平化網狀指控結構加快了OODA環速度，軍用云計算提高了信息處理效率，多傳感器信息融合提高了目標識別率。上述的結構涌現和交互涌現都是有益的涌現性，要謹防避免有害的涌現性。例如，信息過載的級聯故障觸發體系坍塌，系統結構過于復雜導致系統性能降低。

2.4 對抗性是體系作戰本質

NISoS區別于其他復雜體系的地方在于，己方體系內部組分之間具有合作性和協同性，對抗雙方不同體系之間具有明顯的對抗性。體系對抗的主要目的:一是找到己方戰略重心作為防護重點，提高己方體系結構魯棒性，增強己方體系防御能力；二是找出對方要害部位作為作戰重點，發現對方體系脆弱節點，癱瘓對方體系支撐能力。體系對抗基于信息柵格網中的信息基礎設施展開，其他作戰應用網的作戰行動在基礎網內形成從信息、態勢、計劃、決策、執行、評估，再到信息的閉合環路；對抗的行動發生在物理、信息、認知等領域，包括機動、攻防、指控、保障、賽博戰等實體的對抗。

3 NISoS復雜性給建模仿真帶來的主要挑戰及對策措施

3.1 建模理論問題

主要挑戰 (1) 相似性。NISoS是典型的非線性復雜系統，各子系統間交互和系統狀態沒有明確的因果關系和疊加性，結果不可重復。也就是說，NISoS模型與真實系統演化存在失真，如何體現仿真現實的相似性？(2) 整體和還原。對于簡單系統可以按照劃分子系統分別研究的方法展開，但采用還原思想去解決NISoS時，容易喪失整體性和涌現性，是拋棄還原思想還是兼顧整體論和還原論兩者的結合？

對策措施 相似性理論是研究事物間相似規律、表現及其應用的理論。相似性強調的是系統結構與功能等多個特性綜合的相似，而不是個別現象的相似。對于NISoS而言，無法建立完全精確的模型，可以分而治之研究各子系統的特性，最后綜合得到整體仿真模型。本文提出的“五網五系統”模型就是一種系統相似分解的方法。相似性建模需注意：(1) 根據研究目的對現實系統做某種簡化，兼顧模型的精確性和復雜性；(2) 整體模型難以構建時，可分成多子系統分別建模，對于重要子系統提高分辨率和精確度，對于次要子系統降低分辨率和復雜度，以提高關鍵模型的真實性；(3) 建立的模型應符合客觀相似規律，不能整體相似時可局部相似，不能結果相似時可過程相似，重在實體、行為和交互過程的相似。另外，對NISoS建模必須同時兼顧整體論和還原論相結合，在不同層級設計不同的模型和實體。例如，在體系層和系統層采用整體建模，在部件層和元素層采用還原建模，底層向上層聚合涌現出整體性質，上層向下層分解還原出細粒度模型。NISoS的基礎理論除模型理論、相似性理論外，還涉及系統論、網絡科學、復雜適應性系統、體系工程、體系結構、多目標優化等多種理論和方法。

3.2 復雜性仿真問題

主要挑戰 NISoS的不確定性、適應性、涌現性、對抗性等復雜特性能否仿真？如何描述系統故障和隨機攻擊？如何描述作戰單元的自主適應行為？如何界定涌現的組分、類型、規模，涌現的層次及其關系，以及描述涌現行為？如何找到體系的脆弱節點？如何描述級聯失效過程？

對策措施 仿真是繼理論研究和實驗研究后認識事物的重要科學手段。NISoS的復雜特性是可以被仿真研究的。其中：(1) 對于不確定性問題，要得到確定性的仿真結果是不現實的，傳統概率模型在一定范圍內(如描述系統故障和隨機攻擊)仍適用，探索性分析可以對不確定因素進行整體研究，數據耕耘研究參數改變引起的整體變化，大數據更強調關聯關系的重要性，這些方法都是對不確定性研究的一些有益嘗試；(2) 對于適應性問題，基于Agent的模型和網絡動力學通過仿真實體與環境的交互，有助于描述實體的自主適應性行為；(3) 對于涌現性問題，不能簡單從分解和獨立考察組分行為來確定，而要放在一定時空環境中，按照整體論和還原論相結合的方法，區別系統類型、功能特征和結構規模，由上而下網間逐層分解，自下而上網內逐層涌現；(4) 對于對抗性問題，應在“整體、動態、對抗”[2]三位一體中去研究，模型應具有演化的變結構能力，避免靜態單一的脆弱節點和體系重心，防止發生網絡級聯失效和體系坍塌。復雜網絡和多智能體相結合的建模仿真方法可能是最有希望揭示體系復雜性的仿真途徑。

3.3 可信性分析問題

主要挑戰 NISoS仿真可信性的主要難點有2個：一是找到可行解，這個解是一次可信，還是統計可信？是部分時段和區域可信，還是整體可信？二是進行預測，仿真能否反映和揭示體系運行的客觀規律？能否發現體系演化的異常狀態？能否支持回溯驗證和復盤推演？能否通過當前狀態對未來演化進行預測，進而達到可控？

對策措施 判斷仿真模型及結果的可信性，可以通過評估NISoS的各個子系統來對可信性進行整體逼近。比如，通過短期和局部行為的綜合，實現對長期和全局行為的預測；將實際模型和仿真模型相結合，進行綜合仿真和平行仿真，達到仿真校驗的目的。在仿真NISoS時，會受到各個方面因素的影響，仿真過程和結果不可能與實際完全相同。但在仿真模型中，只要它的可行解中隱含著這樣的可信性結果，或可行解與實際結果具有相似性，就可以認為這個結果是部分可信的。另外，可對仿真實驗產生的數據進行大數據分析和數據挖掘，找到影響體系的關鍵指標和交互事件，研究OODA因果鏈的回溯分析和關聯分析，通過復盤推演和中間干預預測體系的演化狀態。如果體系仿真按照真實系統演進，則仿真結果具有一定可信度。

3.4 仿真平臺問題

主要挑戰 目前，雖然采用建模與仿真方法開展體系研究已成為業界共識,但如何用仿真方法分析評估體系能力，特別是輔助解決高層決策者關心的頂層問題，尚缺乏好用、管用、耐用、實用的手段和仿真平臺。

對策措施 國外，美軍提出并構建了多個大型綜合集成建模仿真平臺，對體系能力和武器裝備效能進行評估，如試驗床、賽博靶場、Plan X等，并應用于年度“網絡衛士”與“網旗”等聯合網絡演習；國內，多個軍內研究院(所)組成“1+5”實驗室開展武器裝備體系聯合實驗相關研究。國防大學胡曉峰團隊提出的基于信息系統的武器裝備體系綜合仿真試驗床，能支持基于信息系統的武器裝備體系論證評估，面向高層在體系論證和發展上提供科學的輔助手段。基本思想是“基于既定‘背景體系’，‘焦點裝備’快插即仿，按需開展‘聚焦實驗’，‘多維比對’綜合效果”；實驗流程由想定準備環、想定提煉環、仿真實驗環、數據分析環4個小環和聚焦實驗環1個大環組成；理論創新包括：拋棄能力指標獨立假設，將“指標樹”轉為“指標網”；拋棄能力可分解假設，將“簡單和”轉為“涌現和”；拋棄能力結果單一假設，將“單一值”轉為“結果云”。體系綜合仿真試驗床的目標、對象及理論基礎與NISoS相近，可作為NISoS研究的仿真平臺。

4 結 束 語

通過仿真實驗描述NISoS的結構、功能、運行及演化，可以進一步探究NISoS的復雜性和體系作戰能力生成機理。本文從NISoS的復雜性理解建模與仿真中的關鍵問題，從有關基礎理論方法和仿真平臺等幾個方面探討了NISoS建模仿真研究的有關問題，下一步要在模型構建、指標設計、仿真實驗、體系作戰效能分析等方面進行更深一步的研究。

References)

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[8]CRANE T.UAV swarm attack: protection system alternatives for destroyers[D]. Monterey:Navy Postgraduate School, 2013:37-43.

(編輯：李江濤)

Study of Complexity, Modeling and Simulation of Network Information Systems of System

PENG Jun， ZHANG Mingzhi

(Department of Information Operation& Command Training, National Defense University, Beijing 100091， China)

Complexity is a key concern in network information systems of system study. This paper illustrates the fundamentals of complex of the network information systems of system based on Systematology and in the view of complex system, and points out this complexity is mainly originated from the complexity of “composition-structure-feature”, uncertainty, adaptability and emergence of components and the antagonism of the system. The paper discusses the major challenges and solutions to modeling and simulation of network information systems of system from four aspects: modeling theory, complexity simulation, creditability analysis and simulation platform.

network information systems of system (NISoS); complexity; modeling and simulation (M&S); challenges and countermeasures

2016-06-15

國家自然科學基金資助項目(71401168，61403400，U1435218，61403401，61374179)

彭 軍(1985-)，男，工程師，博士研究生，主要研究方向為軍事系統分析與建模。 張明智，男，教授，博士生導師。

TP391.3

2095-3828(2016)06-0106-06

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2016.06.020