基于離散事件仿真的防空C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估

鄧克波,程文迪,雷鳴,饒佳人

（中國電子科技集團公司第28研究所,江蘇南京 210007）

基于離散事件仿真的防空C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估

鄧克波,程文迪,雷鳴,饒佳人

（中國電子科技集團公司第28研究所,江蘇南京 210007）

針對防空C4ISR系統(tǒng),綜合考慮通信網(wǎng)絡和信息關系結(jié)構(gòu),提出基于離散事件仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估方法。通過分析防空C4ISR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),對防空系統(tǒng)的離散仿真事件進行了定義,給出了事件處理流程、相互邏輯關系和公共基礎數(shù)據(jù),建立了防空系統(tǒng)仿真實驗評估指標及其計算模型。通過仿真實驗,在相同想定下比較了樹型與網(wǎng)絡化結(jié)構(gòu)C4ISR系統(tǒng)的目標探測概率和目標分配率等,驗證了文中方法的有效性。

系統(tǒng)評估與可行性分析；離散事件仿真；防空系統(tǒng)；C4ISR結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)評估

0 引言

C4ISR系統(tǒng)是指由指揮、控制、通信、信息處理與計算處理、情報、監(jiān)視和偵察等要素組成的綜合電子信息系統(tǒng)。隨著“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”和“空海一體戰(zhàn)”等概念的提出[1-2],C4ISR系統(tǒng)由“平臺為中心”向“網(wǎng)絡為中心”發(fā)展,其結(jié)構(gòu)也從樹型集中式向扁平化、網(wǎng)絡化轉(zhuǎn)型[3-4],規(guī)模和復雜度逐漸增加。

C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括節(jié)點底層的通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及上層的信息關系結(jié)構(gòu),其合理與否對于系統(tǒng)作戰(zhàn)效能發(fā)揮具有重要影響,目前研究主要是將系統(tǒng)通信網(wǎng)絡和信息關系彼此孤立地分析。針對通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的仿真評估,商業(yè)軟件包括OPNET[5]、COMNET和BONeS等,開源仿真軟件包括NS-2、GloMo-Sim、OMNET++等。文獻[6-9]研究了軍事通信網(wǎng)絡的建模與仿真方法,并利用商用軟件或自研原型系統(tǒng)進行了實驗評估。在C4ISR系統(tǒng)信息關系結(jié)構(gòu)方面,Dekker建立了FINC模型[10-11],但該模型限于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息流時效性方面的評估。文獻[12]建立了基于無標度網(wǎng)絡的防空系統(tǒng)模型,這種采用復雜網(wǎng)絡理論高度抽象的結(jié)構(gòu)建模,適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計特性和宏觀規(guī)律的分析。文獻[13]研究了網(wǎng)絡化防空系統(tǒng)的特性,并與樹形結(jié)構(gòu)比較了優(yōu)劣,但沒有涉及定量的評估方法。

本文針對防空C4ISR系統(tǒng),綜合考慮通信網(wǎng)絡和信息關系結(jié)構(gòu),提出了基于離散事件仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估方法。離散事件仿真本質(zhì)是將系統(tǒng)隨時間的變化抽象成一系列離散時間點上的事件,通過處理事件,驅(qū)動系統(tǒng)的演進變化[14]。防空C4ISR系統(tǒng)從作戰(zhàn)應用流程和狀態(tài)變化上分析,可以視為離散事件系統(tǒng),包括周期性的目標檢測判斷、情報發(fā)送、目標識別、目標分配和目標攔截等離散事件,采用離散事件仿真方法分析防空C4ISR系統(tǒng)可以兼顧實驗可信度和實驗效率。

首先,基于離散事件仿真,建立了通信網(wǎng)絡和防空C4ISR單元的基本事件類型及其處理流程；然后,從系統(tǒng)反應時間、目標探測、指揮控制和目標分配能力等方面,建立了防空C4ISR系統(tǒng)評估指標及其計算模型；最后,通過仿真實驗,舉例分析了不同類型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能,驗證了本文方法的有效性。

1 防空C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

防空C4ISR系統(tǒng)的組成包括雷達、電子支援措施（ESM）等傳感探測單元,雷達旅團、情報處理中心等情報處理單元,航空兵指揮所、地防指揮所等決策控制單元,以及地導、飛機等響應執(zhí)行單元。防空C4ISR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括系統(tǒng)單元及其之間通過底層骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)等形成的通信連接結(jié)構(gòu),以及上層完成情報保障、態(tài)勢共享、指揮控制和協(xié)同執(zhí)行等所進行的信息交互關系結(jié)構(gòu),其中交互的信息包括情報態(tài)勢、指揮指令和作戰(zhàn)計劃等。

2 防空C4ISR系統(tǒng)離散事件仿真

采用離散事件仿真來模擬防空C4ISR系統(tǒng)運行,首先需要建立基礎的事件類型,然后采用事件掃描法驅(qū)動仿真運行。事件掃描法基本過程如下：

圖1 防空C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of air defense C4ISR structure

1）初始化,置仿真時鐘和系統(tǒng)狀態(tài)為初態(tài),生成初始的離散事件,插入事件表。

2）仿真開始,掃描事件表,將仿真時鐘推進到最早發(fā)生事件的時間上。

3）處理該事件,相應地改變系統(tǒng)狀態(tài),并生成新的事件,插入事件表。

4）若仿真終止條件未滿足,返回步驟2,否則,結(jié)束。

下文重點介紹防空C4ISR系統(tǒng)的基礎事件。

根據(jù)防空C4ISR系統(tǒng)的功能組成、作戰(zhàn)應用流程和閉環(huán)實驗需求,提出了10種基礎離散事件,包括3種戰(zhàn)場環(huán)境事件、4種系統(tǒng)應用處理事件和3種通信網(wǎng)事件,如表1所示。不同類型離散事件對應的配置參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài),以及事件之間的生成關系如圖2所示。

表1 防空C4ISR系統(tǒng)離散仿真事件Tab.1 Discrete simulation events of air defense C4ISR system

2.1 戰(zhàn)場環(huán)境事件

2.1.1 目標狀態(tài)更新事件

圖2 離散事件邏輯關系示意圖Fig.2 Logic relationship among the discrete events

事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示,參數(shù)配置包括：目標狀態(tài)更新周期、目標運動起點、拐點、終點、速度和高度等。事件處理關聯(lián)的目標狀態(tài)數(shù)據(jù)為：目標結(jié)束標識和目標位置等,其中當目標到達終點或被擊毀時,結(jié)束標識置為1,否則為0,目標位置根據(jù)目標狀態(tài)、速度和更新周期等參數(shù)進行計算。

事件時間tk事件類型處理模型

目標狀態(tài)更新事件的處理流程如圖3所示,其中,生成的新目標狀態(tài)更新事件的事件時間tk+1為當前事件時間tk加上目標更新周期TTUP：

2.1.2 目標擊毀事件

目標擊毀事件是由處理火力單元判斷與打擊事件時產(chǎn)生的,事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 目標擊毀事件Tab.3 Intercept event

該類事件的處理流程為：

1）判斷事件時間是否大于仿真時間,若大于,不處理。

2）若事件時間不大于仿真時間,根據(jù)事件中目標標識遍歷目標列表。

3）在目標列表中找到事件的目標后,將其結(jié)束標識置為1,意味著該目標狀態(tài)消失,其狀態(tài)不再更新。

圖3 目標狀態(tài)更新事件處理流程Fig.3 Processing flow of target state update event

2.1.3 系統(tǒng)單元失效事件

系統(tǒng)單元失效事件是根據(jù)實驗想定,在仿真初始化階段產(chǎn)生,事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表4所示。

表4 系統(tǒng)單元失效事件Tab.4 System unit failure event

該類事件處理流程為：

1）更新系統(tǒng)單元狀態(tài)表,根據(jù)失效單元標識,在系統(tǒng)單元狀態(tài)表中將相應單元的狀態(tài)標識置為0,意味著該單元失效。

2）更新信息交互關系表,刪除與失效單元有關的信息交互關系,按照一定規(guī)則接替信息交互關系。

3）更新收件箱,刪除收件箱中失效節(jié)點接收的所有信息。

2.2 系統(tǒng)應用事件

2.2.1 雷達情報生成與發(fā)送事件

事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表5所示。事件配置參數(shù)包括：雷達位置、探測半徑、探測精度、掃描周期TSP、扇區(qū)個數(shù)n和接入的通信節(jié)點等。事件處理依賴的系統(tǒng)狀態(tài)包括：目標狀態(tài)、系統(tǒng)單元狀態(tài)和信息交互關系等。

表5 雷達情報生成與發(fā)送事件Tab.5 Radar intelligence generation and transition event

事件處理流程如圖4所示。

圖4 雷達情報生成與發(fā)送事件處理流程Fig.4 Flow chart of radar intelligence generation and sending event

其中,單個雷達的目標探測概率[15]根據(jù)（2）式計算：

式中：Pf為虛警概率；Pd為探測概率；SNR為信噪比； K為常系數(shù)；d為目標距離。生成新的雷達情報生成與發(fā)送事件的事件時間為

2.2.2 空情處理與發(fā)送事件

事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表6所示。

事件配置參數(shù)包括情報發(fā)送周期、接入通信節(jié)點等。事件處理依賴的系統(tǒng)狀態(tài)包括系統(tǒng)單元狀態(tài)、信息交互關系和收件箱狀態(tài)等。事件處理流程如圖5所示。

表6 空情處理與發(fā)送事件Tab.6 Air information processing and sending event

圖5 空情處理與發(fā)送事件處理流程Fig.5 Flow chart of air information processing and sending event

2.2.3 防空作戰(zhàn)指揮決策與控制事件

事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括事件時間、事件類型、指控節(jié)點標識和事件處理模型等。事件配置參數(shù)包括指令發(fā)送周期、接入通信節(jié)點等。事件處理依賴的系統(tǒng)狀態(tài)包括系統(tǒng)單元狀態(tài)、信息交互關系和收件箱狀態(tài)等。事件處理流程如圖6所示,包括目標威脅估計、打擊能力判斷和目標分配方案生成等。其中,指控單元仿真模型利用0或1的狀態(tài)值表示是否正常,不正常表示失去決策與控制能力,調(diào)用結(jié)構(gòu)自適應算法,確定新的指控關系,更新信息交互關系表,其中結(jié)構(gòu)自適應算法不在此文范圍,不再贅述。

2.2.4 火力單元判斷與打擊事件

事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括事件時間、事件類型、火力單元標識、分配目標標識和事件處理模型等。事件處理流程如圖7所示。在判斷火力單元狀態(tài)正常的情況下,判斷收件箱有無本地信息。根據(jù)目標信息和打擊規(guī)則判斷是否進行目標打擊。在滿足打擊條件情況下,估計目標擊毀時間和目標擊毀概率,生成目標擊毀事件。遍歷目標結(jié)束后,刪除收件箱中本地信息,生成下一個判斷與打擊事件。

圖6 防空作戰(zhàn)指揮決策與控制事件Fig.6 Air-defense decision and control event

圖7 火力單元判斷與打擊事件處理流程Fig.7 Processing flow of fire unit decision and fighting event

2.3 通信傳輸事件

2.3.1 通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件

雷達、情報處理單元和指揮決策單元在完成處理與決策后,將生成的情報或指令等通過接入的通信節(jié)點發(fā)送到通信網(wǎng)絡上。因此,由圖2可見,初始的通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件是在處理雷達情報生成與發(fā)送事件、空情處理與發(fā)送事件和防空作戰(zhàn)指揮決策與控制事件的過程中產(chǎn)生的。通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表7所示。

處理通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件依賴的通信網(wǎng)參數(shù)包括：通信節(jié)點位置、處理時延、緩存大小、傳輸鏈路帶寬、路由表等。相關的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)為通信節(jié)點忙閑狀態(tài)。通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件處理流程如圖8所示。

表7 通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件Tab.7 Sending event of communication node

圖8 通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件處理流程Fig.8 Processing flow of sending event of communication node

其中,生成轉(zhuǎn)發(fā)事件1意味著由于通信節(jié)點狀態(tài)忙導致的本地等待轉(zhuǎn)發(fā)事件,事件時間tk+1等于事件列表中該通信節(jié)點變閑事件的時間（設置變閑事件比轉(zhuǎn)發(fā)事件優(yōu)先級高,以解決事件時間相同時的處理順序）,轉(zhuǎn)發(fā)事件1的其他數(shù)據(jù)項不變。通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件2意味著傳輸?shù)较乱惶ㄐ殴?jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)事件,該事件的數(shù)據(jù)項中事件時間取決于處理時延TPD、發(fā)送時延TTD和傳播時延TBD,其中發(fā)送時延由信息長度LIL和傳輸帶寬STB決定,傳播時延由鏈路長度DLL和傳播速度vBV決定,如（4）式所示。

通信節(jié)點標識為下一跳節(jié)點,其他數(shù)據(jù)項不變。

2.3.2 通信節(jié)點變閑事件

通信節(jié)點變閑事件是在處理通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件時產(chǎn)生,事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：事件時間、事件類型、通信節(jié)點標識和事件處理模型。處理該事件時只需查找通信節(jié)點狀態(tài)表,將相應通信節(jié)點的狀態(tài)置為閑。

2.3.3 傳輸結(jié)束事件

傳輸結(jié)束事件是在處理通信節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)事件時產(chǎn)生,意味著信息經(jīng)過若干轉(zhuǎn)發(fā)后出通信網(wǎng),傳輸結(jié)束。事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括：事件時間、事件類型、信宿標識、信息標識和事件處理模型。處理該事件只需將相應信息寫入收件箱。

3 系統(tǒng)性能評估指標

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接影響著防空C4ISR系統(tǒng)的高效性和抗毀性。從結(jié)構(gòu)層面,防空系統(tǒng)發(fā)展包括：一是縮短了情報保障和指揮控制的層次,從樹型結(jié)構(gòu)向扁平化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,有利于時效性的提高；二是增強了系統(tǒng)單元間協(xié)同,當某單元失效情況下,可以通過協(xié)同和功能接替抑制態(tài)勢感知和指揮控制能力的波動。為了分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣,建立的系統(tǒng)性能評估指標包括：系統(tǒng)反應時間、目標探測概率、目標覆蓋系數(shù)和目標分配率。

系統(tǒng)反應時間指從情報獲取單元發(fā)現(xiàn)目標到?jīng)Q策控制單元形成對該目標的作戰(zhàn)計劃或作戰(zhàn)指令并下達給響應執(zhí)行單元的時間間隔。

目標探測概率是指空中入侵目標被防空C4ISR系統(tǒng)所有傳感單元探測的聯(lián)合發(fā)現(xiàn)概率。假設共有M個入侵目標、N個傳感探測單元,目標平均探測概率可以表示為

式中：pij表示目標i被傳感器j探測到的概率,與傳感器j威力范圍和目標i距離等有關。對于雷達,可以通過公式法或查表法等進行計算。

目標覆蓋系數(shù)是指入侵目標被防空C4ISR系統(tǒng)所有探測單元威力范圍同時覆蓋的次數(shù)。目標平均覆蓋系數(shù)可以表示為

式中：ri表示目標i坐標；rj表示傳感器j坐標；Rj表示傳感器j威力半徑。

目標分配率β是指被防空C4ISR系統(tǒng)分配給作戰(zhàn)平臺的藍方目標個數(shù)M″占入侵目標總數(shù)M的比例,M″在處理防空作戰(zhàn)指揮決策與控制事件過程中進行統(tǒng)計。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真實驗案例

共開展了兩組仿真實驗：一是對特定結(jié)構(gòu)的防空C4ISR系統(tǒng)進行了仿真實驗；二是對不同類型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了實驗與對比分析。通過上述實驗驗證本文方法的可行性與有效性。

4.1 特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真實驗

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真實驗配置如圖9所示,其中粗的連線代表通信網(wǎng)絡,細的有向連線代表應用節(jié)點之間的信息交互關系,藍色連線代表應用節(jié)點到通信節(jié)點的接入關系。系統(tǒng)單元包括5部雷達、4個雷達旅團、2個情報處理中心、2個航空兵指揮所、2個地防指揮所、4個機場、4個地導火力單元。設置60批入侵目標,目標運動航跡由遠及近,速度為800 km/h,雷達探測半徑為250 km,掃描周期為10 s,情報處理單元情報發(fā)送周期為1 s,仿真時間設置為2 200 s.

圖9 仿真實驗系統(tǒng)基本配置界面Fig.9 Basic configuration interface of simulation system

在仿真實驗過程中,系統(tǒng)的目標探測質(zhì)量指標隨仿真時間的變化如圖10所示。隨著仿真運行,入侵目標逼近防空系統(tǒng),目標探測質(zhì)量逐漸提高,最終達到相對穩(wěn)定的取值。目標平均探測概率從初始的0逐漸提高到大約等于1.目標平均覆蓋系數(shù)從0逐漸提高到大約等于3.當時間大于1 200 s,幾乎所有目標均被發(fā)現(xiàn)。防空作戰(zhàn)任務對特定區(qū)域目標有特定的探測質(zhì)量要求,基于此可以判斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能否滿足探測需求。假設要求越過警戒線的目標探測概率不能低于90%,覆蓋系數(shù)不能低于3,那么在本實驗中如圖10（b）所示,可以初步估計當前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以滿足任務對目標探測能力的需求。上述實驗結(jié)果與根據(jù)參數(shù)與想定設置的理論分析結(jié)果基本一致,說明了本文離散事件仿真方法的可行性。

圖10 目標探測質(zhì)量隨仿真時間變化情況Fig.10 Target detection quality as function of simulation time

4.2 不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比分析

在系統(tǒng)單元組成相同的前提下,對兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別進行了仿真實驗。如圖11所示,兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均包括2個綜合類指揮所、4個航空兵師指揮所、4個地防指揮所,2個情報融合中心、4個雷達旅團和雷達站。與結(jié)構(gòu)1相比,結(jié)構(gòu)2增加了扁平化的情報保障和指揮控制關系,以及友鄰系統(tǒng)單元間的協(xié)同（功能接替）關系。

首先,在相同的實驗參數(shù)和目標想定條件下對兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時效性進行了仿真實驗,柵格網(wǎng)通信帶寬設為1 M,在信息傳輸完整性同為100%的情況下,結(jié)構(gòu)1的情報保障時效性和系統(tǒng)反應時間實驗結(jié)果分別為2.23 s和6.43 s,結(jié)構(gòu)2的情報保障時效性和系統(tǒng)反應時間實驗結(jié)果分別為1.26 s和4.98 s.通過仿真實驗,扁平化的信息關系結(jié)構(gòu)能夠有效提高系統(tǒng)情報保障和指揮控制的時效性。

其次,在相同的系統(tǒng)單元毀傷事件條件下對兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行仿真實驗,毀傷事件為：在仿真時刻00h：18m：20s,2個旅團級情報處理單元失效；在00h：33m：20s,2個航空兵師指揮所失效。在上述想定事件條件下,兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果如圖12所示。由圖12可見,與結(jié)構(gòu)1相比,結(jié)構(gòu)2協(xié)調(diào)關系結(jié)構(gòu)能夠有效抑制單元毀傷帶給系統(tǒng)的能力波動。

圖11 單元組成相同條件下的兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.11 Different structures with the same units

圖12 相同想定條件下兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能對比Fig.12 Performance comparison between two structures in the same scenario

需要說明的是,文中實驗數(shù)據(jù)取決于實驗場景,重在驗證本文仿真實驗方法用在防空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評估的可行性和有效性。

5 結(jié)論

在將防空C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為底層通信網(wǎng)絡和上層信息關系結(jié)構(gòu)的基礎上,本文采用離散事件仿真方法,提出實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真評估的基礎離散事件類型,并給出不同事件的處理流程和數(shù)據(jù)依賴。建立了防空系統(tǒng)度量指標及評估模型。通過仿真實驗,本文方法有效支持了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仿真實驗和性能評估,并為進一步對比分析和優(yōu)化設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了支撐。

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Evaluation of Air-defense C4ISR System Structure Based on Discrete-event Simulation

DENG Ke-bo,CHENG Wen-di,LEI Ming,RAO Jia-ren
（The 28th Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,Jiangsu,China）

An approach to evaluate the air-defense C4ISR system in the consideration of relationship between communication network and information is proposed based on the discrete-event simulation.Various kinds of discrete events in the air-defense C4ISR are defined,and the event processing flows,logic relations and common basic data are presented.The evaluation indexes and their computation models are constructed for the air-defense C4ISR system,and some experiments are implemented to prove the effectiveness of the proposed method,in which the target detection probabilities and assignment rates of C4ISR systems with tree and network structures are compared in the same scenario.

system assessment and feasibility analysis；discrete-event simulation；air-defense system； C4ISR structure；system evaluation

E917

A

1000-1093（2014）10-1721-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.029

2013-08-19

總裝備部“十二五”預先研究項目（50306010401）

鄧克波（1980—）,男,高級工程師,博士研究生。E-mail：dkb612@163.com；程文迪（1986—）,女,工程師。E-mail：97498126@qq.com