信息化條件下情報對抗系統(tǒng)建模與仿真

武赫男，顧 德，陳 健

（1.空軍航空大學，吉林 長春 130022；2.中國人民解放軍31104 部隊，江蘇 南京 210018）

情報對抗是指敵對雙方在情報領域圍繞著情報獲取、傳遞、處理及應用而展開的對抗活動[1]。情報對抗是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的對抗，在研究過程中存在以下困難：系統(tǒng)的參數(shù)關系難以量化、缺少實戰(zhàn)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)難以用結構化模型來描述、描述方程復雜等。系統(tǒng)動力學是一門以信息反饋控制理論為基礎，以計算機仿真技術為手段研究復雜系統(tǒng)問題的學科[2-3]，其特點恰好能夠解決情報對抗系統(tǒng)研究中存在的困難[4]，因此，該文利用系統(tǒng)動力學原理來研究情報對抗問題。

1 情報對抗系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型

1.1 模型建立的前提假設

為了便于模型的建立，在不影響準確性的前提下，該文作出如下假設：①情報對抗是一種接近實時的對抗作戰(zhàn)，沒有時間延遲。②獲取的情報均真實、準確、詳盡。③未考慮邊際效益影響，獲取的情報越多，可為決策提供服務的有用信息越多。④鑒于模型考慮的是情報對抗系統(tǒng)，未考慮戰(zhàn)場指揮及作戰(zhàn)方法等影響因素。⑤未考慮偽裝、欺騙等情報對抗行為。

1.2 情報對抗系統(tǒng)邊界界定

信息化條件下的情報對抗系統(tǒng)按照情報獲取的傳感器平臺劃分，主要包括地面情報系統(tǒng)、空中情報系統(tǒng)、太空情報系統(tǒng)、水下情報系統(tǒng)和海上情報系統(tǒng)[5-6]，雙方的對抗其實質是綜合作戰(zhàn)能力的對抗。綜合作戰(zhàn)能力又分為軟殺傷能力和硬殺傷能力，軟殺傷能力主要是指對敵方指揮系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的打擊、干擾、屏蔽和破壞，硬殺傷主要指對敵方人員、戰(zhàn)艦、坦克、雷達等武器裝備的直接摧毀，也就是物理擊毀。

情報對抗還處于復雜的電磁環(huán)境之中[7]，比如戰(zhàn)場網絡環(huán)境、戰(zhàn)場雷達環(huán)境和戰(zhàn)場無線電環(huán)境等[8-9]。綜上所述，情報對抗系統(tǒng)的邊界如圖1 所示。

圖1 情報對抗系統(tǒng)邊界

1.3 模型因果關系

該文以地面雷達數(shù)量、艦船數(shù)量和飛機數(shù)量為主要研究內容進行分析，根據(jù)情報對抗系統(tǒng)之間相互作用、相互影響的關系以及系統(tǒng)建模的目的，構建各子系統(tǒng)之間的因果關系流程圖[10-13]，圖2 是簡化的情報對抗因果關系圖。

圖2 情報對抗因果關系圖

情報對抗系統(tǒng)因果關系圖中含有多個因果關系回路，這里給出5 個代表性關系回路：

①紅方地面雷達數(shù)量→紅方地面雷達情報獲取能力→紅方情報獲取能力→紅方情報軟殺傷能力→紅方情報綜合作戰(zhàn)能力→藍方情報硬殺傷能力→紅方地面雷達數(shù)量。

②紅方艦船數(shù)量→紅方艦載雷達情報獲取能力→紅方情報獲取能力→紅方情報軟殺傷能力→紅方情報綜合作戰(zhàn)能力→藍方情報硬殺傷能力→紅方艦船數(shù)量。

③紅方艦船數(shù)量→紅方水下聲吶情報獲取能力→紅方情報獲取能力→紅方情報軟殺傷能力→紅方情報綜合作戰(zhàn)能力→藍方情報硬殺傷能力→紅方艦船數(shù)量。

④紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量→紅方機載雷達情報獲取能力→紅方情報獲取能力→紅方情報軟殺傷能力→紅方情報綜合作戰(zhàn)能力→藍方情報硬殺傷能力→紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量。

⑤紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量→紅方作戰(zhàn)飛機遠程打擊能力→紅方情報硬殺傷能力→藍方作戰(zhàn)飛機數(shù)量→藍方作戰(zhàn)飛機遠程打擊能力→藍方情報硬殺傷力→紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量。

這幾個反饋回路均以紅方情報系統(tǒng)為主進行闡述，藍方情報系統(tǒng)的反饋回路與紅方相似，在此不做贅述。

1.4 仿真模型

構建情報對抗系統(tǒng)動力學模型，如圖3 所示，流圖中共有各類變量55 個，其中狀態(tài)變量6 個，速率變量12 個，其他為輔助變量或常量，模型中各參量特點不同，其取值方法也不盡相同，比如情報綜合作戰(zhàn)能力因子、情報獲取能力因子、艦船初始數(shù)量、作戰(zhàn)飛機初始數(shù)量和雷達初始數(shù)量等均采用常量，雷達被發(fā)現(xiàn)率、雷達開機率等均做歸一化處理。同時設定情報對抗持續(xù)了20 T，T 為SD 模型仿真中的時間單位[14]。

圖3 情報對抗系統(tǒng)動力學流圖

模型中的狀態(tài)變量方程為：

紅方艦船數(shù)量＝INTEG(紅方艦船數(shù)量增加-紅方艦船數(shù)量減少,初始數(shù)量)；

紅方地面雷達數(shù)量＝INTEG(紅方地面雷達數(shù)量增加-紅方地面雷達數(shù)量減少,初始數(shù)量)；

紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量＝INTEG(紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量增加-紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量減少,初始數(shù)量)；

紅方情報軟殺傷能力＝INTEG（紅方情報獲取能力+紅方情報利用能力）；

紅方情報獲取能力＝INTEG（紅方艦船數(shù)量+紅方地面雷達數(shù)量+紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量）×紅方情報獲取能力因子[15]。

其中，INTEG 是積分運算符。藍方相關參數(shù)方程同上，其他變量間的運算關系及具體算式由于篇幅關系，在此不再詳述。

2 基于SD的情報對抗系統(tǒng)仿真

2.1 仿真的參數(shù)設置和策略序列

在紅藍雙方情報對抗中，對抗雙方都致力于打擊、干擾、破壞對方的情報系統(tǒng)，使對方綜合作戰(zhàn)能力得不到整體發(fā)揮。對抗伊始，紅方即對藍方展開硬殺傷和軟殺傷的進攻，設定情報對抗持續(xù)20 min，對抗開始后最初3 min 為藍方反應時間，進行作戰(zhàn)準備，從第3 分鐘開始紅藍雙方展開全面對抗。仿真算法采用四階Runge-Kutta 法，選用Vensim 作為仿真平臺，設定模型的初始參數(shù)：INITIAL TIME=0 T；FINAL TIME=20 T；TIME STEP=1 T；SAVEPER=1 T。模型設置參數(shù)的前提是紅方在武器裝備上弱于藍方，但是軟殺傷能力強于藍方。參考信息化條件下近幾場局部戰(zhàn)爭中參戰(zhàn)武器的相關數(shù)據(jù)，對紅藍雙方的具體參數(shù)設置如表1 所示[16]。

表1 紅方和藍方主要變量初始值

策略1：原始策略方案。雙方在初始綜合作戰(zhàn)能力、初始飛機數(shù)量、初始艦船數(shù)量等原始參數(shù)設置條件下實施對抗。

策略2：在采取策略1的基礎上，紅方提高硬殺傷能力，對藍方情報系統(tǒng)實施硬摧毀。

策略3：在采取對策2 的基礎上，紅方運用欺騙、對抗、干擾和破壞等軟殺傷手段對抗藍方的情報系統(tǒng)。

對不同策略均進行相應的參數(shù)調整，設置不同策略的目的就是通過模型仿真，分析情報對抗系統(tǒng)內部運行機制，找到情報對抗中的關鍵因素，提升情報對抗系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能。

2.2 仿真結果分析

在對抗之初，紅藍雙方的初始艦船數(shù)量分別為150、200，紅藍雙方的初始飛機數(shù)量分別為800、1 000，紅方硬殺傷武器處于劣勢，如果不采取有效措施，紅方艦船數(shù)量、飛機數(shù)量將快速下降。該文選取“紅方飛機數(shù)量”這個重要變量在三種策略下的仿真結果進行比較，如圖4 和表2 所示，不難發(fā)現(xiàn)，紅方將軟殺傷和硬殺傷手段結合，綜合多個作戰(zhàn)平臺的情報能力，使得綜合作戰(zhàn)能力逐漸提升，情報對抗向有利于紅方的態(tài)勢發(fā)展。

表2 紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量的仿真結果

圖4 紅方作戰(zhàn)飛機數(shù)量仿真結果的比較

信息化條件下的對抗是全維立體對抗，各個作戰(zhàn)平臺相互支撐和融合，各指揮機構和部隊在探測、偵察、跟蹤、火控和指揮方面進行協(xié)調，均通過各作戰(zhàn)平臺進行信息的無縫鏈接和情報的實時傳輸。這種全維立體作戰(zhàn)不僅包括傳統(tǒng)的火力打擊、物理摧毀等硬殺傷，還包括干擾、對抗、欺騙等軟殺傷，軟殺傷能力和硬殺傷能力共同構成綜合作戰(zhàn)能力。仿真結果表明，軟殺傷武器是戰(zhàn)斗力的倍增器，可以作為反制手段，更好地發(fā)揮作戰(zhàn)效能，提高在識別、判斷、決策、發(fā)射中的戰(zhàn)術使用，逐步扭轉不利態(tài)勢。

圖5 中，紅方艦船損失率最初為0%，經過3 min后，藍方采取措施進行持續(xù)反擊，紅方艦船損失率迅速升高到0.44，如圖4 所示，出現(xiàn)跳躍變化，但是紅方其他作戰(zhàn)平臺仍不斷采用軟殺傷和硬殺傷手段對抗藍方情報系統(tǒng)，使得藍方情報系統(tǒng)對紅方艦船的打擊強度下降，速率變得平緩，雖然紅方艦船數(shù)量仍在下降，但是下降幅度變小，從3 min 到20 min 的時間里，紅方艦船損失率僅僅由0.44 升到了0.58，變化趨勢緩和，未出現(xiàn)藍方最初反擊時的突變狀態(tài)。

圖5 紅方艦船數(shù)量和損失率

圖6 中，藍方艦船數(shù)量隨著戰(zhàn)斗的進行逐漸在減少，但是藍方艦船損失率變化趨向平緩，這是因為藍方的物理摧毀等硬殺傷能力能夠提升其軟殺傷能力，最終促進其綜合作戰(zhàn)能力的提升，形成了艦船損失率比較平緩[16]。

圖6 藍方艦船數(shù)量和損失率

軟殺傷能力和硬殺傷能力能夠相互轉化，軟殺傷能力增強，可以提高武器系統(tǒng)響應速度、毀傷目標概率，對硬殺傷能力具有倍增效應；反之，硬殺傷可以提高數(shù)據(jù)鏈的生存能力，提高通信對抗、電子對抗、雷達對抗等對抗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，硬殺傷能力優(yōu)勢也可促進軟殺傷能力的提升。所以，通過軟、硬殺傷相結合的綜合使用方式，使得軟、硬殺傷系統(tǒng)在頻域、時域和空域通過統(tǒng)一的武器資源調度軟件進行協(xié)同配合，才能最大程度發(fā)揮武器系統(tǒng)的效能。

圖7 是紅方有軟殺傷優(yōu)勢的情況，圖8 是紅方無軟殺傷優(yōu)勢的情況。在對抗之初，紅藍雙方綜合作戰(zhàn)能力分別為1 200、2 000，紅方處于弱勢，但是紅藍雙方軟殺傷能力分別為500、280，情報利用能力分別為3 000、2 000，紅方軟殺傷能力、情報利用能力均處于優(yōu)勢，經過一段時間對抗，紅方綜合作戰(zhàn)能力超越藍方，并取得最終勝利。圖7 中紅方有軟殺傷優(yōu)勢，大約在3 min 左右，紅方的綜合作戰(zhàn)能力數(shù)值即和藍方相當，數(shù)值約為1 000，其軟殺傷能力很快轉化為綜合作戰(zhàn)能力；圖8 中紅方無軟殺傷優(yōu)勢，大約在4.5 min 左右，紅藍雙方綜合作戰(zhàn)能力數(shù)值才相等，數(shù)值約為940，軟殺傷能力轉化相對緩慢。

圖7 綜合作戰(zhàn)能力指數(shù)變化（紅方有軟殺傷優(yōu)勢）

圖8 綜合作戰(zhàn)能力指數(shù)變化（紅方無軟殺傷優(yōu)勢）

以上仿真過程說明紅方雖然最初綜合作戰(zhàn)能力處于劣勢，但是憑借軟殺傷優(yōu)勢，能夠扭轉不利局面，綜合作戰(zhàn)能力逐步趕上藍方，最后戰(zhàn)勝藍方，可見軟殺傷能力在情報對抗中處于關鍵地位。情報對抗中，具有軟殺傷優(yōu)勢的一方，能夠更快地將軟殺傷能力轉化為硬殺傷能力，取得以弱勝強、反敗為勝的效果，提升綜合作戰(zhàn)能力。

3 結論

情報對抗是信息化條件下作戰(zhàn)的重要樣式，同時也是戰(zhàn)場仿真的重要內容，系統(tǒng)動力學為研究情報對抗建模仿真提供了科學可行的手段。該文建立的模型能夠基本還原情報對抗的真實情況，仿真結果也證實了軟殺傷能力是決定情報對抗勝負的關鍵因素。但是在實際作戰(zhàn)中，戰(zhàn)場環(huán)境非常復雜，模型中有諸多因素沒有考慮，如敵方可能通過設置假目標、電子干擾等欺騙、偽裝手段，對對手的情報能力實施蒙蔽、欺騙和干擾，降低對手作戰(zhàn)效能，模型中對這種情況沒有考慮，同時應該注意，信息化條件下情報對抗系統(tǒng)動力學模型具有開放性和獨立性，應該隨著作戰(zhàn)理論的深入，不斷進行模型的修改和完善。