基于圖論的C4ISR系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和效能分析*

李 軍

(海軍駐武漢地區(qū)七〇九所軍事代表室 武漢 430205)

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基于圖論的C4ISR系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和效能分析*

李 軍

(海軍駐武漢地區(qū)七〇九所軍事代表室 武漢 430205)

C4ISR系統(tǒng)是一個(gè)多種技術(shù)結(jié)合的、開放的、復(fù)雜的系統(tǒng)。它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是決定其使用效能的重要指標(biāo)。論文根據(jù)C4ISR的特征,以圖論為基礎(chǔ)對(duì)C4ISR系統(tǒng)進(jìn)行建模,將系統(tǒng)中的單元映射為圖中的節(jié)點(diǎn),單元之間的連接映射為圖中的邊。然后,通過分析鄰接矩陣最大特征值和效能因子,得出添加反饋使C4ISR系統(tǒng)環(huán)路增加的方法可以提高C4ISR系統(tǒng)的穩(wěn)定性和戰(zhàn)場(chǎng)的反應(yīng)速度。

指揮控制; 反饋; 環(huán)路結(jié)構(gòu)

Class Number E83

1 引言

C4ISR(Command,Control,Communication,Computing,Intelligence,Surveillance,Reconnaissance)系統(tǒng)是涉及到指揮控制、情報(bào)偵察、預(yù)警探測(cè)、通信導(dǎo)航、電子對(duì)抗、綜合保障以及作戰(zhàn)人員等多種軍事資源的分布、異構(gòu)的復(fù)雜軍事信息系統(tǒng)[1]。它的主要作用是軍事信息的獲取、處理、傳遞、決策支持、對(duì)部隊(duì)實(shí)施指揮與控制以及戰(zhàn)場(chǎng)管理等。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,C4ISR系統(tǒng)起到了越來越重要的作用。

為了縮短研發(fā)周期,提高研發(fā)效率,利用先進(jìn)的仿真技術(shù)構(gòu)建C4ISR系統(tǒng),進(jìn)行作戰(zhàn)效能綜合評(píng)估,是現(xiàn)在研究C4ISR系統(tǒng)的普遍做法[2]。隨著C4ISR系統(tǒng)的不斷發(fā)展,其規(guī)模越來越大,功能和結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,系統(tǒng)仿真的規(guī)模和復(fù)雜度也隨之增加,仿真應(yīng)用中所包含的模擬器也越來越多,為使投入大量經(jīng)費(fèi)研制的仿真系統(tǒng)能適應(yīng)多種試驗(yàn)要求,結(jié)構(gòu)和規(guī)模上的靈活性、擴(kuò)展性和重用性成為C4ISR仿真系統(tǒng)建設(shè)的重要因素。

現(xiàn)代社會(huì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá),因此,C4ISR系統(tǒng)也全面進(jìn)入“以網(wǎng)絡(luò)為中心”的一體化建設(shè)階段[3]。網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)是一個(gè)典型的開放復(fù)雜系統(tǒng),具備“即插即用,柔性重組,協(xié)同運(yùn)行,按需服務(wù)”等新的能力[4]。相比于以往幾代系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)組成要素種類大、數(shù)量多,系統(tǒng)更加復(fù)雜,更加要求C4ISR具備一種適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、抗毀性好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),從而適應(yīng)系統(tǒng)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的不斷變化的需要[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)功能,不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的網(wǎng)絡(luò)化效能各不相同,如何表征網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化效能,描述和建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特性,從而為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定量設(shè)計(jì)與分析提供科學(xué)依據(jù),已成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要的問題[6]。

2 C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)各單元以及它們之間的相互關(guān)系稱為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。不同階段的C4ISR系統(tǒng),其系統(tǒng)單元由作戰(zhàn)應(yīng)用需求和相關(guān)技術(shù)發(fā)展決定,因此系統(tǒng)單元的種類、范疇、內(nèi)涵都在不斷變化。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)而言,系統(tǒng)單元指具有一定職責(zé)權(quán)限、完成特定功能、物理上獨(dú)立模塊,是C4ISR系統(tǒng)的組成要素。

系統(tǒng)單元之間的關(guān)系主要包括:網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系、信息交互關(guān)系、上級(jí)指揮關(guān)系、業(yè)務(wù)處理關(guān)系等,其中信息交互關(guān)系還可以細(xì)分,如情報(bào)保障信息關(guān)系、指揮協(xié)同信息關(guān)系等。

2.1 基本單元

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)的功能組成和一般運(yùn)作流程,將系統(tǒng)抽象為四類基本單元,即情報(bào)獲取單元、情報(bào)處理單元、決策控制單元和響應(yīng)執(zhí)行單元,各級(jí)各類各域的系統(tǒng)單元都可由上述四類基本單元或其組合后實(shí)例化產(chǎn)生。

1) 情報(bào)獲取單元(observer,O):能夠探測(cè)或偵察戰(zhàn)場(chǎng)空間各類目標(biāo)特征的功能實(shí)體,采用雷達(dá)、光電/紅外、信號(hào)情報(bào)偵察等手段的傳感器,收集戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)信息;

2) 情報(bào)處理單元(processor,P):能夠?qū)?zhàn)場(chǎng)目標(biāo)情報(bào)進(jìn)行處理的功能實(shí)體。將多個(gè)情報(bào)獲取單元獲取的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正、規(guī)范格式、特征提取與識(shí)別等處理,形成實(shí)時(shí)、連續(xù)、清晰、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)情報(bào),并用于生成戰(zhàn)場(chǎng)統(tǒng)一態(tài)勢(shì);

3) 決策控制單元(decision,D):能夠根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況形成作戰(zhàn)方案并對(duì)武器平臺(tái)實(shí)施指揮控制的功能實(shí)體,其主要功能是能夠根據(jù)情報(bào)處理單元或情報(bào)獲取單元上報(bào)的情報(bào)進(jìn)行判斷和分析,形成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和作戰(zhàn)方案,并根據(jù)作戰(zhàn)方案對(duì)武器平臺(tái)下達(dá)作戰(zhàn)計(jì)劃和指令,實(shí)時(shí)監(jiān)控作戰(zhàn)過程;

4) 響應(yīng)執(zhí)行單元(actor,A):能夠根據(jù)指揮控制單元的作戰(zhàn)計(jì)劃或指令完成作戰(zhàn)任務(wù)的功能實(shí)體,可接收指揮控制單元的作戰(zhàn)計(jì)劃或指令,根據(jù)作戰(zhàn)計(jì)劃或指令完成相應(yīng)的作戰(zhàn)行動(dòng)和任務(wù)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

在仿真模擬中,可以將基本單元中的P和D合并,稱為指揮控制單元(Control,C)。指揮控制單元是C4ISR系統(tǒng)資源的指揮者,主要功能是信息處理并進(jìn)行指揮決策。設(shè)C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所擁有的指揮控制單元的數(shù)量為K,那么整個(gè)指揮控制單元集合為C={C1,C2,…,CK}

其它單元稱為被指揮控制單元,通常指各類作戰(zhàn)平臺(tái)(Operation Platform,OP),是具有某種完成任務(wù)的能力的獨(dú)立的實(shí)體,它受指揮控制單元的指揮來執(zhí)行任務(wù)。設(shè)C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所擁有的被指揮控制單元的數(shù)量為N,那么整個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)單元集合為:OP={OP1,OP2,…,OPN}

為了更好地建模,只考慮兩類指揮控制關(guān)系,一是指揮控制單元與被指揮控制單元之間的指揮控制關(guān)系,二是指揮控制單元之間的協(xié)作關(guān)系。即OP只與C發(fā)生信息交換,它們之間不進(jìn)行信息交換。為了避免決策沖突和混亂,每一個(gè)OP同一時(shí)刻只能受一個(gè)C單元的指揮。

所以,一個(gè)典型的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指揮控制關(guān)系模型如圖1所示。

圖1 C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指揮控制關(guān)系模型

2.3 有向加權(quán)聯(lián)通圖

考慮到C4ISR系統(tǒng)單元之間信息交互關(guān)系的有向性、流量區(qū)分等特點(diǎn),可以用簡(jiǎn)單有向加權(quán)連通圖G=(V,E)表示網(wǎng)絡(luò)中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中,V={v1,v2,…,vn}表示單元的集合,包括圖1中的C和OP,如情報(bào)獲取單元、情報(bào)處理單元、決策控制單元、響應(yīng)執(zhí)行單元等;其中,n=|V|表示系統(tǒng)單元的總數(shù)。連接集(邊集)E={e1,e2,…,em}代表系統(tǒng)單元之間各類信息交互關(guān)系,包括圖1中的“協(xié)作關(guān)系”和“指揮關(guān)系”,如情報(bào)保障、協(xié)同、指揮、備份接替等;其中,m=|E|表示系統(tǒng)單元之間信息交互關(guān)系的總數(shù)。對(duì)于每條邊(vi,vj∈E),定義一組權(quán)值(ew1,ew2,…,ewk)表示對(duì)系統(tǒng)單元vi和vj之間信息交互關(guān)系的度量,邊權(quán)值是對(duì)系統(tǒng)單元之間信息交互關(guān)系強(qiáng)度的差異的一種反映。

2.4 帶反饋環(huán)節(jié)的過程模型

C4ISR系統(tǒng)的基本單元(情報(bào)獲取單元O)必然包含探測(cè)模塊。根據(jù)自動(dòng)控制理論,給探測(cè)模塊加上反饋環(huán)節(jié),可以有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。典型的帶反饋的作戰(zhàn)指揮過程模型為OODA過程模型,它以指揮控制為核心描述了“觀察-判斷-決策-行動(dòng)”的作戰(zhàn)過程環(huán)路。一般來講,如果環(huán)的操作周期越快,反應(yīng)時(shí)間越快,在與對(duì)手的對(duì)抗中就越容易獲得優(yōu)勢(shì)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,OODA環(huán)的運(yùn)行速度也變得很快,各級(jí)部隊(duì)在領(lǐng)會(huì)高級(jí)指揮官的意圖后能夠積極發(fā)揮主觀能動(dòng)性、自下而上地組織和協(xié)同復(fù)雜的戰(zhàn)斗活動(dòng),將作戰(zhàn)從一步一步的戰(zhàn)斗行動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)調(diào)有序、行動(dòng)快速的體系化作戰(zhàn)[7]。

對(duì)于帶反饋環(huán)的C4ISR系統(tǒng)的過程的每一步驟而言,除了加快其速度能縮短整個(gè)周期之外,提高過程中信息(情報(bào)、態(tài)勢(shì))質(zhì)量、決策質(zhì)量、共享或同步能力等,也是縮短整個(gè)操作周期、提高反應(yīng)速度的重要因素。

3 環(huán)路結(jié)構(gòu)的效能量化分析

3.1 模型構(gòu)建

引入網(wǎng)絡(luò)中心化的C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鄰接矩陣模型,矩陣的大小為系統(tǒng)單元數(shù)量n,矩陣中的數(shù)值表示兩個(gè)單元之間信息交互的度量(即權(quán)值ew)。當(dāng)只需要考慮兩個(gè)系統(tǒng)單元之間是否有信息交互關(guān)系時(shí),可用簡(jiǎn)化的0-1鄰接矩陣模型來表達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的0-1鄰接矩陣A0-1={aij}n×n可以定義為

其中,兩個(gè)系統(tǒng)單元只要有信息交互關(guān)系則用1表示,否則用0表示。

引入特征值λ,它是綜合參數(shù),反映了矩陣中特征向量在變換時(shí)的伸縮倍數(shù)。當(dāng)鄰接矩陣A為0-1矩陣時(shí),其最大特征值λmax有三種不同的取值,無環(huán)(λmax=0)、單環(huán)(λmax=1)、多環(huán)(λmax>1),與結(jié)構(gòu)中環(huán)的數(shù)量成正相關(guān)的關(guān)系(如圖2所示)。因此,λmax能反映出結(jié)構(gòu)中環(huán)的數(shù)量,從而反映系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化效能。在三種不同的取值中,多環(huán)(λmax>1)被認(rèn)為是具有網(wǎng)絡(luò)化效能的結(jié)構(gòu)[8]。下文進(jìn)行效能分析的均為多環(huán)結(jié)構(gòu)。

(a) 無環(huán)結(jié)構(gòu),λmax=0

(b) 單環(huán)結(jié)構(gòu),λmax=1

(c) 多環(huán)結(jié)構(gòu),λmax=1.3

定義CNE為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化效能因子,它通過下式來計(jì)算。

其中,A0-1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)G的0-1鄰接矩陣,Eig(A0-1)是鄰接矩陣的特征值,maxEig(A0-1)=λmax為最大特征值。CNE越大說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中在同等節(jié)點(diǎn)數(shù)年的情況下環(huán)的數(shù)量越多,環(huán)對(duì)系統(tǒng)因組網(wǎng)而帶來的網(wǎng)絡(luò)化效能提升的貢獻(xiàn)也越大。

3.2 實(shí)驗(yàn)與仿真

假設(shè)C4ISR系統(tǒng)單元包括五部情報(bào)獲取單元(R1,R2,R3,R4,R5)、1個(gè)情報(bào)處理中心(P),1個(gè)聯(lián)合指揮所(D1)、1個(gè)艦載機(jī)指揮所(D2)以及3架作戰(zhàn)飛機(jī)(A1,A2,A3)。其中,3部情報(bào)獲取單元與P建立了含反饋的信息交互,另2部與P只存在單向信息傳輸,D2和作戰(zhàn)飛機(jī)之間通過數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。最后,引入T作為與作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)的目標(biāo)。C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[9～10],從T到R(傳感器觀測(cè)目標(biāo))以及從A到T(火力單元打擊目標(biāo))的連線為能量流,用虛線表示。與圖1不同的是,此系統(tǒng)假設(shè)三個(gè)作戰(zhàn)單元A1、A2、A3之間也能進(jìn)行信息交互。

圖3 模擬C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本環(huán)示意圖

為了便于仿真,將圖3中的A1、A2、A3簡(jiǎn)化為A,D1、D2簡(jiǎn)化為D,如圖4(a)。只考慮情報(bào)獲取模塊的效能,圖4(a)為圖3中模擬C4ISR系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu);圖4(b)將原系統(tǒng)中只與情報(bào)處理單元P建立單向信息的情報(bào)獲取單元R4和R5加上反饋環(huán)節(jié)(即加強(qiáng)對(duì)情報(bào)獲取單元的管控),變成帶環(huán)的結(jié)構(gòu);圖4(c)在圖4(b)的基礎(chǔ)上,增加了一個(gè)情報(bào)處理單元P2(即增加異類傳感探測(cè)手段進(jìn)行協(xié)同探測(cè)),然后R1～R5分別與P1、P2建立雙向信息聯(lián)系;圖4(d)在圖4(c)的基礎(chǔ)上,讓兩個(gè)情報(bào)處理單元P1和P2之間建立雙向信息聯(lián)系(即增加異類傳感探測(cè)手段的多元信息融合能力)。

圖4 示例比較

圖4中各結(jié)構(gòu)最大特征值和網(wǎng)絡(luò)化效能因子的值如表1所示。

表1 不同探測(cè)環(huán)網(wǎng)絡(luò)效能因子示例

由表1可以看出,隨著情報(bào)獲取單元協(xié)同探測(cè)組網(wǎng)程度的增加,其網(wǎng)絡(luò)化效能因子不斷提高。

在協(xié)同探測(cè)環(huán)中,對(duì)于同一目標(biāo),如果增加異類傳感探測(cè)手段進(jìn)行協(xié)同探測(cè),并進(jìn)行多元情報(bào)融合,則系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化效能增加,從作戰(zhàn)應(yīng)用層面提升了系統(tǒng)跟蹤和識(shí)別目標(biāo)的能力。

比較圖4(c)和4(b),由于增加了系統(tǒng)單元(P2),而P1和P2之間沒有產(chǎn)生協(xié)同作用,相比之下其網(wǎng)絡(luò)化效能因子反而降低,說明平均每個(gè)系統(tǒng)單元參與的環(huán)數(shù)量減少。當(dāng)P1和P2之間開始產(chǎn)生協(xié)同作用后,網(wǎng)絡(luò)化效能因子又得以增高。這說明系統(tǒng)單元之間建立反饋環(huán)路聯(lián)系能增加對(duì)異類情報(bào)處理和獲取單元的協(xié)同能力,降低信息的不確定性,提升系統(tǒng)的信息質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)化交通。

4 結(jié)語

本文基于圖論,通過建立C4ISR系統(tǒng)的鄰接矩陣,求取矩陣的最大特征值和網(wǎng)絡(luò)化效能因子的方法,對(duì)C4ISR系統(tǒng)進(jìn)行初步的定量分析,并以此作為系統(tǒng)穩(wěn)定性和反應(yīng)快速性的指標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)得出:增加控制“反饋化”機(jī)制,即賦予響應(yīng)執(zhí)行單元處理各種突發(fā)情況的時(shí)間和空間,形成“信息-反饋-控制”的良性控制循環(huán)體系,是提升指揮控制能力的有效手段。也是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的“權(quán)利邊緣化(Power to the edge)”的重要體現(xiàn)。

不過,本文對(duì)C4ISR的定量分析也僅是最基礎(chǔ)的,模型和矩陣都很簡(jiǎn)單,變量也較少。在今后的研究中,會(huì)將C4ISR模型復(fù)雜化,使其更貼近實(shí)際,同時(shí)給模型添加更多的變量,將信息交互關(guān)系的度量(即權(quán)值)代替0-1二值進(jìn)行仿真,從而使仿真結(jié)果更加精確,給C4ISR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供更好的參考。

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Network Construction and Effectiveness Analysis of C4ISR System Based on Graph Theory

LI Jun

(Navy Representative Office in 709thResearch Institute, Wuhan 430205)

C4ISR system is open, complex and combined with multiple technologies. Its net structure is a key feature to its performance. C4ISR system is modeled with a basis of graph theory according to the characteristic of the system in the proposed article. The units in the system are mapped as nodes, and the connection between the units is mapped as edges. By analyzing the largest eigenvalue and coefficient of networked effectiveness of neighboring matrixes, there is a conclusion that increasing loop number by introducing feedback could enhance the stability and reaction speed in the battlefield.

command and control, feedback, loop structure

2015年4月6日,

2015年5月27日

李軍,男,碩士,工程師,研究方向:指控系統(tǒng),信息系統(tǒng)。

E83

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.027