基于自組織理論的戰略預警指揮信息系統網系結構研究?

高 姝 郭曉波 李冠中

（1.國防大學信指部作戰指揮教研室 北京 110091）（2.北部戰區空軍指揮自動化站 沈陽 110000）

1 引言

戰略預警作為一種新型力量，是聯合作戰的首要環節，已成為聯合作戰指揮員高度關注和有效運用的重要手段［1］。戰略預警行動涉及多種類預警裝備的相互協調，任何單一的預警裝備都不可能做到全維預警。戰略預警指揮信息系統作為戰略預警體系的神經中樞，發揮著預警指揮“戰斗力倍增器”和情報處理“決策力加速器”的作用，其采用高度集中的預警組織指揮模式，分布協同的情報處理方式，對各類預警裝備統一規劃、合理部署，使其密切配合、有序銜接、互補兼顧，形成全域覆蓋的戰略預警網。因此，戰略預警指揮信息系統網系結構的構成方式就成為發揮戰略預警體系作戰效能的關鍵所在。

現代戰爭的多層性和不確定性特點對網系結構的自組織、自協同能力要求越來越高，傳統固定式網系結構已難以有效駕馭紛繁復雜的戰場態勢，動態靈活的網絡拓撲成為應對新型作戰樣式的首選網絡模式［2］。為滿足聯合作戰信息網絡體系聯動高效的作戰需求，基于系統科學的自組織理論，本文提出了戰略預警指揮信息系統網絡自組織合群拓撲結構的設想。并以預警情報處理的合群拓撲為實例，仿真分析了戰略預警指揮信息系統網系結構在網絡時延和吞吐量等方面帶來的效能提升，驗證了其與傳統固定式網系結構相比優勢所在。

2 自組織理論的含義

系統科學中自組織理論主要包括耗散結構論、協同論、超循環理論和突變論。自組織理論創始人之一H·哈肯在《信息與自組織》里指出：自組織就是系統在獲得空間的、時間的或功能的結構過程中，沒有外界特定干預，依靠自身調節能力產生組織性和相關性，完成從無序向有序演化的過程［3］。這種結構和功能的產生并非外界強加于系統，而是系統內部各單元相互非線性作用的結果。

軍事系統的自組織是軍事系統在向新的空間、時間或功能的結構轉化時，依靠軍事系統內部各軍事單元相互作用實現轉化的過程［4］。具體來講是作戰單元圍繞上級預先明確的作戰意圖和實時感知的戰場態勢進行自主判斷和調控。在全域多維戰場空間里根據作戰任務隨機重組作戰力量，自主調整與作戰態勢相匹配的組織結構和功能。當組織結構和功能難以應對作戰態勢時，可依據作戰規則迅速打破原有組織結構及任務框架，形成新的力量組合以適應瞬息萬變的戰場環境；當組織結構和功能能夠應對作戰態勢時，也可主動求變、自主創新以獲取更強的作戰優勢。

3 戰略預警指揮信息系統網系結構的內涵及特征

戰略預警指揮信息系統是開放型、智能型的復雜系統，其內部節點之間存在著非線性的密切聯系，且系統與外部系統、外部環境之間也不斷地發生著相互作用和影響，這些復雜的交互行為極大地促進了戰略預警指揮信息系統網系結構由平面向立體、由靜態向動態的拓撲模式發展演化。

3.1 戰略預警指揮信息系統網系結構的內涵

在自組織理論基礎上，本文提出了戰略預警指揮信息系統網絡自組織合群拓撲結構的設想，其內涵是：將戰略預警體系中各預警探測力量看作是具有自主性和創造性的移動節點，在沒有特定外界干預情況下，戰略預警指揮信息系統網絡中地理位置相近、功能相同的各類預警力量相互作用，以相同或相近的運動趨勢自發組合形成有利于作戰任務完成的合群組，通過合群組內節點間動作交互產生協同合作行為，以完成單個節點所不能完成的任務。各合群組既可以主動調整網絡拓撲結構以獲取更強的預警效能，也可根據作戰需求改變現行網絡拓撲，自主協調形成新的合群結構［5］。合群組中各節點地位平等，都具有網絡控制的功能，各節點根據情況變化輪流擔任控制節點，從而避免一旦主節點被摧毀引起合群組癱瘓的危險，極大地提高了戰略預警網絡的抗毀性和應變能力。

3.2 戰略預警指揮信息系統網系結構的特點

1）動態有序

戰略預警指揮信息系統網系結構是一種動態有序的組合。網絡中完全對等的移動節點，因任務需要或相近的物理位置匯聚形成合群組，當兩個或多個具有相同運動特性合群組足夠靠近時，也可以合并成一個新組。遇有新任務時，合并群組內各節點迅速打破原有網絡結構框架，重新組合形成時空有序、功能有序的穩定結構，以適應外界環境的動態變化。

2）自適應性

戰略預警指揮信息系統網系結構具有一定的自適應優化處理能力。首先表現為群組內各節點之間的自適應，當節點表現出足夠的合群特性時，節點自動啟用合群管理方案形成合群組，群內各節點自主協調、相互合作、彼此適應，共同完成任務；當網絡出現地域性、時段性擁塞時，節點可自動探測網絡的拓撲信息，自動更改傳輸路由；其次表現為合群組與外界環境之間的自適應，群組按照規則主動采取與外界環境相匹配的合群方式，靈活調整組織結構，并行同步展開工作，以適應復雜多變的外界環境。

3）自組織性

戰略預警指揮信息系統網系結構是一種高度自組織的拓撲形態。網絡中的個體都是自主的，不受其他個體控制，在沒有外部特定干預下，網絡中各節點根據環境及任務需要，著眼效能提升，動態快速重組，自主選擇連接對象，自行調整組織結構。當組織結構、功能能夠應對環境時，還可以主動求變、創新網絡拓撲以獲取更強的網絡性能［6］。

4 戰略預警指揮信息系統網系結構自組織合群過程

在聯合防空反導作戰過程中，各類預警探測力量面對不確定和偶然突發事件，啟動自治合群管理，圍繞戰略預警中心形成動態變化的合群集合。各預警力量根據感知到的目標屬性和動向，自主調整探測角度與目標方向相匹配，保持戰略預警作戰行動的有序銜接、連續預警。戰略預警指揮信息系統網絡自組織演進的合群過程有如下步驟：

1）選擇群過程

由于大多數戰略預警力量的實體在地理上是分散部署的，物理上是相對獨立的，要想建立適應作戰需求的網系結構，各預警力量應在正確分析和判斷由戰場環境變化帶來的網絡連鎖反應的基礎上，按照分布式網絡協議和網絡管理機制，選擇適當的群組加入或調整補充到所需要的群組中。

2）進入群過程

各預警力量根據群組選擇的結果，預先判斷戰場環境可能引起的網絡拓撲變化，根據變化趨勢分析群組的拓撲連通信息，在系統內部與外部環境非線性作用下，各預警力量自我推動、自我趨同、自主連接、優化結構，迅速組建成群。

3）合群運行過程

一個合群中包含多個群，最大的群就是它本身。群中各作戰要素根據任務動態分配，產生戰術上的多種選擇。各群圍繞戰略預警中心，相互協同、自適應運行。當遇到突發事件時，各群可能會被割裂，被割裂開的作戰要素通過無線方式互傳拓撲結構變化信息，并通過自動拓撲連接功能迅速自愈，重新連通形成新的合群，繼續運行完成作戰任務。

4）退出群過程

合群運行一段時間后，根據作戰需要或已完成任務，各預警力量可能會主動退出群組，返回獨立狀態，合群也隨之解散。

5 戰略預警指揮信息系統網絡自組織合群仿真

以戰略預警指揮信息系統網絡為背景，采用OPNET仿真軟件對其合群拓撲結構建模仿真。OPNET是常用的系統建模及網絡仿真工具，其面向對象的建模方式和可視化編輯能直觀地反映網系結構的復雜性及網絡連接的時變性。從OPNET自帶的模型庫里逐層選擇需要的網絡模型、節點模型及進程模型來建立戰略預警指揮信息系統網絡合群拓撲結構。其中，網絡模型描述整個網絡的拓撲結構，節點模型描述網絡的設備特性，進程模型描述模塊功能的實現過程［7］。通過對模型的動態仿真，模擬整個網絡的合群行為和運作過程，并結合不同仿真場景對網絡平均時延和網絡吞吐量這兩個網絡性能參數進行統計分析。

1）網絡模型

建立一個150KM*200KM的矩形區域空網絡，定義16個節點，分別為戰略預警中心、雷達站、預警衛星、遠程預警相控陣雷達、地基多功能相控陣雷達、天波超視距雷達、預警機、海基預警探測系統、空間目標監視力量、臨近空間探測系統。將這些節點劃分為五個子群，預警機根據作戰需要組成預警機群，天基預警探測系統、天波超視距雷達、遠程預警相控陣雷達、地基多功能相控陣雷達組成遠程預警雷達群，地理位置相近的常規雷達形成雷達群，海基預警探測系統組成海基預警群，這些預警探測群均與戰略預警中心相連。各子群內節點按需動態輪流擔任控制節點，由控制節點分配任務并控制群內其他節點的業務請求、加入和退出，各子群之間通過中繼節點傳遞或轉發消息。

本文設定的場景如下：當藍方戰略目標來襲時，紅方預警衛星首先發現目標紅外特征，與天波超視距雷達、遠程預警相控陣雷達、地基多功能相控陣雷達自動組群，協同接替預警；在重點區域臨近空間預警探測系統與空間目標監視力量合群，協同配合預警衛星搜索跟蹤目標；空中預警機群、雷達群與海基預警群根據各自不同的預警探測范圍和預警能力協同搜索、交替預警、連續跟蹤目標。各群組按照統一的作戰意圖，自主選用適當的路由通信、自動實現網絡的控制和管理、自組織合群以適應復雜多變的戰場環境，形成具有合群特征的戰略預警指揮信息系統網絡自組織拓撲結構。

網絡拓撲模型如圖1所示。

圖1 網絡拓撲模型

2）節點模型

限于篇幅，本文只對戰略預警中心節點模型進行描述。戰略預警中心節點接收應用層各預警探測系統的合群請求信息，把信息轉換成MAC層能處理的格式，根據信息中目的地址字段的數據，將數據包經MAC層轉發至目的地址，同時也接收來自MAC層發來的數據包，并把包傳送到更高一層進程，完成合群請求信息的傳遞與反饋，同時還控制節點模塊的收發時隙等。需要說明的是，由于無線信道中信號傳輸的損耗對整個網絡信息傳遞影響不大，網絡性能參數變化不明顯，可近似認為信息在理想的自由空間里傳遞［8］。節點模型如圖2所示。

圖2 節點模型

3）進程模型

對節點MAC模塊進行分析。節點MAC模塊負責傳遞廣播信息、轉換數據格式、統計丟包率等任務。MAC進程模型如圖3所示。

圖3 MAC模塊的進程模型

圖中有五種狀態，灰色狀態表示非強制性進程，白色狀態表示強制性進程；直線表示無條件轉移，虛線表示有條件轉移［9］。各狀態的作用描述如下：

init狀態：是整個模型的入口［10］。完成節點模塊的初始化，包括戰略預警中心到各子群的距離，各子群中主節點到其余節點的距離，離主節點最近的節點作為群的備份節點。節點的失效時間、時隙參數、數據包延時、信道吞吐量等初始化設置。完成初始化工作后進入ready狀態。

ready狀態：表示初始化后系統等待事件發生的狀態。

idle狀態：根據轉移條件判斷進程的具體走向。如果信息源發送的數據包到達，則進入tx_ar?rival狀態；如果下層有數據包發來，則進入rx_com?pletion狀態；如果主節點發生中斷，則進入備份節點接管狀態。

backup狀態：備份節點升級為主節點狀態。當主節點故障或中斷時，離主節點最近的節點即備份節點立即升為主節點，接替主節點的工作保持群正常運行。同時將tx_arrival和rx_completion模塊的數據包存儲到相應的緩沖隊列中。

tx_arrival狀態：判斷仿真時間是否能完成整個包的發送，如果條件滿足則發送數據包。

rx_completion狀態：判斷仿真時間是否在該節點的時隙內完成，如果完成則接收數據包。

4）仿真結果分析

設定仿真時間為800s，遠程預警相控陣雷達群主節點失效時間為300s，數據分組大小240bits，數據開始發送時間0s，數據結束發送時間Infinity。

場景一仿真，當網絡連通時，分析靜態網系結構和的動態網絡自組織合群結構的平均時延，仿真結果如圖4所示。

圖4 網絡時延仿真結果

網絡平均時延是衡量網絡時效性的重要指標，是一個報文或數據包從網絡的一端傳送到另一端所需要的時間［11］。平均時延越小，說明單位時間內網絡傳輸信息的速率越快，網絡性能越好。在上圖中，實線曲線表示靜態網系結構平均時延的變化趨勢，虛線曲線表示動態網絡自組織合群結構平均時延的變化趨勢。由仿真結果可以看出，實線曲線的網絡時延指標比虛線曲線高，兩條曲線開始時都有波動，且虛線曲線波動要大些，隨著仿真的運行，藍色曲線和虛線曲線都趨于平穩，說明靜態網系結構的平均時延高于動態網系結構，動態網系結構隨著節點自組織合群以后網絡平均時延趨于穩定，形成有序的網絡拓撲。

場景二仿真，當遠程預警相控陣雷達群主節點失效時，分析靜態網系結構和的動態網絡自組織合群結構中網絡吞吐量的變化，仿真結果如圖5所示。

圖5 網絡吞吐量仿真結果

網絡吞吐量是指在沒有幀丟失的情況下，每秒能接受并轉發的最大比特數［12］。由于網絡中每個節點每秒只發送30字節數據，因此剛開始兩種結構的網絡吞吐量都不是很高，隨著仿真運行，每秒達到發送1200字節數據，兩種網系結構的最大吞吐量達到近4200kbps。當仿真進行到300s時，網絡中一個主節點失效，實線曲線表示的靜態網系結構由于主節點故障，少了一個節點發送數據，網絡的吞吐量大幅下降。虛線曲線表示的動態網系結構在主節點中斷后，群中最近的節點自動接管主節點工作，雖然網絡吞吐量有所下降但仍能保持網絡的連通、信息的傳遞。隨著仿真的進行，動態合群網系結構的網絡吞吐量又趨于平穩，說明網絡自組織合群結構在一個主節點失效后，其余節點可自動接替主節點工作，保持網絡正常運行，網絡性能良好。

通過對兩種場景的仿真可以得出網絡自組織合群結構在網絡時延和網絡吞吐率等指標都優于固定式網系結構，具有組網靈活、自愈自調節、可擴展等優勢，能夠在短時間內根據作戰需要形成動態的戰略預警網絡，有組織、有次序地實現各作戰要素自主協同的預警行動，產生巨大的預警效能。

6 結語

本文從網絡自組織演進的角度對戰略預警指揮信息系統網系結構展開研究，其目的是為了增強各種類戰略預警力量協同預警水平，提升戰略預警網絡自我適應與抗毀能力，同時也為建設滿足聯合作戰需要的自組織、分布式、智能型的軍事信息網絡體系提供理論參考。

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