基于動態優先級的空間信息需求響應過程建模與仿真*

魯 贏，趙 云，李翼鵬，蔡偉偉，蘇 昂

（1.國防科技大學指揮軍官基礎教育學院，長沙 410073；2國防科技大學科研部；長沙 410073）

0 引言

空間信息支援已經成為信息化條件下作戰體系中不可或缺的重要組成部分[1]。空間信息支援的本質，是通過構建一定的需求響應體系，打通空間機構與作戰部隊之間的聯系，輸出空間信息資源和空間裝備的信息支援能力、滿足部隊的信息需求。研究聯合作戰環境下空間信息支援行動的基礎，是對空間信息需求響應的過程進行建模和仿真，可以為分析聯合作戰中的空間信息支援方式、構建合理的空間信息支援體系、并進行空間信息需求響應任務合理規劃，提供有力的支撐。

當前，針對空間信息支援[2]和特定作戰樣式下的空間信息需求分析[3-5]有了一些研究成果，文獻[6-7]分別針對空間信息支援能力量化和空間信息支援力量體系結構進行了研究。但是，對于聯合作戰中的空間信息需求響應過程尚缺乏總體建模仿真研究。因此，通過本文的研究，可以為空間信息支援體系的構建、需求響應任務的規劃等，提供一些基礎。

1 空間信息需求響應體系

空間力量，主要包括各種“空間與地面系統裝備、設施、機構和人員等”[8]，主要“為全軍提供準確高效可靠的信息支撐和戰略支援保障”[9]。空間力量在聯合作戰中的信息支援運用，主要通過發揮空間裝備的信息支援能力、滿足部隊機構提出的空間信息需求來實現。

聯合戰場環境下，空間裝備具備針對一定區域、在一定時間范圍內提供特定參數特征空間信息支援的能力（以下簡稱空間能力）；聯合作戰部隊機構（以下簡稱部隊機構）、空間機構在日常的空間信息處理過程中，均積累有一定的空間信息資源（如衛星圖像數據等，簡稱為空間資源），可以滿足一部分空間信息需求；部隊機構為滿足作戰需要，會從實際出發提出一定的空間信息支援類型、覆蓋范圍、持續時間等方面[10]的具體指標要求，稱之為空間信息需求（以下簡稱空間需求）。

因此，空間需求、部隊機構、空間機構、空間資源、空間裝備、空間能力，以及相互之間的關系，就構成了聯合作戰環境下的整個空間信息需求響應體系。其中，部隊機構相互之間、空間機構相互之間因編制編成關系存在著上下級的指揮關系；空間機構與空間裝備之間存在著一定的控制關系；空間機構對聯合作戰部隊、指揮機構之間，存在著信息支援關系，與地方空間機構之間還可依機制建立能力協調關系；同時，空間能力與空間裝備之間、空間需求與聯合作戰部隊之間、空間資源與各機構之間，還存在著隱性的依附關系。因此，聯合作戰中的空間信息需求響應體系，實際上就是由以上機構、及其關系所組成的空間信息需求響應體系結構網絡。

圖1 空間信息需求響應體系圖

2 空間信息需求響應流程分析

聯合作戰行動中的空間信息需求響應，是經過一定響應流程、遵循一定響應規則的信息處理過程。其基本流程為：

1）情報人員或空間專業人員，在協同聯合作戰計劃制定的過程中，從關鍵信息需求中萃取出空間信息需求；

2）本級部隊機構根據需求的內容和重要度，進行篩選和排序，定義需求重要等級；

3）本級機構對每項需求根據自身擁有空間資源情況進行滿足比對。如果可以滿足，則整理資源、滿足需求；如果不能滿足，則根據需求響應關系上報給上級部隊機構或空間機構（在與空間機構建立支援關系的情況下，優先提報給空間機構）；

4）上級部隊機構在接收、匯總下級所提報的空間需求后，與自身萃取的需求進行匯總，根據所提報機構和需求的重要度重新進行排序，形成帶響應優先級的需求處理清單，并針對每項所需響應的需求，重復3）步驟進行資源比對與需求處理；

5）空間機構在匯總部隊或下級機構上報的空間需求后，根據需求重要度重新進行排序，形成需求處理清單，按照響應優先級比對空間資源、協調空間裝備能力或地方空間機構資源，響應每項所需處理的空間需求；

6）重復4）、5）步驟，各個機構根據規則匯總需求、篩選排序形成需求處理清單、進行資源比對并響應需求，直至沒有響應機構或所有空間需求均已處理完畢為止。

空間需求的響應基本流程如下頁圖2所示。

3 空間信息需求響應過程建模

在以上響應流程的基礎上，為完整描述聯合作戰中空間信息需求響應的過程，分別從需求響應過程各要素方面進行建模，具體內容如下：

3.1 需求描述和滿足判斷

圖2 聯合作戰中空間信息需求響應流程

空間需求的描述，主要包括信息資源類型、覆蓋范圍、有效持續時間等方面的指標要求[11]。由于實際環境中的空間裝備在太空中周期運行，其信息獲取能力一般取決于其軌道根數[12]、載荷特征（如載荷開關機時間、側視角、幅寬等）等。因此，空間裝備針對特定區域、特定時間范圍，可提供的信息支援能力，可以等價于通過以上參數計算得到的預期可獲得空間資源情況。

空間需求可以描述為以下多元組：

其中，di為空間需求描述向量，Ni為需求名稱標識，Si為信息類型需求（比如可見光成像衛星圖片需求等），Pi為信息資源特征參數需求（比如分辨率＜5 m等），Ti為信息有效時間區間需求，Ai為信息覆蓋區域需求，Gi為需求重要度定義，gen_ti為需求產生時間，等等。

從滿足空間需求的角度，空間資源和空間能力（表現為底層空間機構所能輸出的空間資源情況）也可描述為以下多元組：

其中，ej表示空間資源、空間能力描述向量，N'j為名稱標識，S'j為所能提供的信息支援類型，P'j為信息特征參數，T'j為有效時間區間，A'j為覆蓋區域，等等。

通過對比空間需求、空間資源、空間能力的一致性可比指標，可以得到空間需求能否被響應機構滿足的判斷方法。假設判斷空間需求能否得到滿足的可比性指標為，如果存在（E為需求響應體系中某個機構擁有的總體資源或能力），有，且時，則記該需求di能夠得到E滿足，否則為不滿足。且標記：

3.2 部隊機構

部隊機構是指執行聯合作戰任務的具體部隊單位或作戰機構，是空間需求產生的主要來源。每一個部隊機構的基本屬性包括：

1）部隊機構序號：Bi；

2）部隊機構Bi上層指揮機構UBi，下層隸屬機構集。式中，表示下級隸屬機構序號，NDBi表示下級隸屬機構數量。且有，其中，NB為需求響應體系中部隊機構的總數量；

7）部隊機構并行工作席位：NTBi，表示可并行處理空間需求的席位數量；

8）部隊機構在整個聯合作戰行動中承擔任務的重要度：ξBi用來表征部隊機構在聯合作戰行動中的重要程度，此作為判斷其產生需求對聯合作戰行動總體影響的依據。

3.3 空間機構

空間機構是指從事空間信息資源處理、分發的空間力量專業機構，主要職責在于維控運管空間裝備、響應部隊或機構提出的空間需求，是空間資源輸出的主體，包括軍隊空間機構和地方空間機構。空間裝備的能力可以表現為通過底層空間機構可供輸出的空間資源。

每一個空間機構描述如下：

1）空間機構序號：Ki；

2）機構的上級指揮機構UKi，下級隸屬機構集。式中，表示下級隸屬機構序號，NDKi表示下級隸屬機構數量。且有，其中，NK為需求響應體系中空間機構的總數量；

6）機構擁有的并行工作席位：NTKi，表示可并行處理空間需求的席位數量。

3.4 機構之間關系

空間需求響應體系各機構之間的關系，可以用有向圖的鄰接矩陣進行表示。

3.5 需求動態優先級

某時刻空間需求在某個機構中的響應優先級，取決于其綜合影響效益（可以表示為需求提報重要度及其提報機構重要度的乘積）。由于空間需求的響應處理是根據時間推進不斷變化的，因此，某時刻、某需求在某個機構中的處理優先級是動態變化的。

3.6 響應機構遷移

空間需求響應機構的遷移，按照機構間的關系指向和響應規則推進。某時刻空間需求所在的響應機構序號為，則根據需求響應規則定義其下一步的響應機構序號為：

在信息化作戰條件下，考慮到空間信息資源的分發、傳遞，主要依靠指揮信息系統來進行。因此，空間資源在不同機構間的傳送時間可以忽略不計，即：

3.7 空間需求響應過程

空間需求的響應過程主要是指需求在各個響應機構中的處理情況，主要包含以下關鍵信息：

4 空間信息需求響應過程仿真

在以上模型構建的基礎上，利用Matlab工具編制仿真程序，可以進行實例驗證。假設一個典型的空間信息需求響應體系構成如圖3所示。

圖3 典型空間信息需求響應體系圖

各部隊機構因承擔任務不同在聯合作戰行動中的重要程度如表1所示：

表1 部隊機構重要程度表

記空間需求、資源、能力的描述和比對，簡化為假設在信息類型、在特征參數、覆蓋區域等指標均滿足的情況下，所能提供的信息有效時間區間。并假設空間裝備擁有的能力表2所示。

表2 空間裝備能力表

部隊機構產生的空間需求見下頁表3（需求序號：表示產生于哪個機構、第幾條需求）。

假設各機構因工作效率的不同，處理空間需求的平均耗時見表4。

各機構擁有的工作席位數見表5。

表3 空間需求參數表

表5 各機構工作席位數量

各機構擁有的初始空間資源見下頁表6。

通過Matlab編制仿真程序并運行，可以得出該案例中的空間需求響應路徑表：

根據每項需求在不同機構及其工作席位的處理情況，可以繪制需求響應過程圖（其中紅色代表需求處理過程，綠色代表排隊等待過程）。

通過以上仿真和對比圖4、圖5中的數據可以看出：以上仿真模型可以較好地實現對現實情況下空間信息需求響應過程的仿真，能夠體現空間需求響應的動態遷移、響應優先級動態變化的特征，并可以記錄需求響應過程中的關鍵信息，可以為進一步進行空間信息需求的響應效能分析，構建合理的空間信息支援體系等奠定良好基礎。

5 結論

本文立足于聯合作戰中空間信息需求響應問題，分析了需求響應體系的構成，梳理了需求響應的基本特征，以此為基礎構建了空間信息需求響應的過程仿真模型，并進行了仿真案例運算，檢驗了模型的準確性。本方法為聯合作戰環境下空間信息需求響應過程的分析、空間信息支援體系的構建、評價和優化提供了指導和參考。在后續的研究中，可在此基礎上繼續深化基于一定目標約束的空間信息支援體系構建方法研究，為聯合作戰環境下的空間信息支援體系關系的設置、席位的配置、動態調控等提供解決方案。

表6 各機構初始空間資源

表7 空間需求響應路徑

圖4 空間需求響應過程（空間需求角度）

圖5 空間需求響應過程（機構席位角度）