面向聯(lián)合作戰(zhàn)的賽博態(tài)勢關(guān)鍵技術(shù)研究

王璟 賀筱媛 吳琳 張大永

1.國防大學(xué)信息作戰(zhàn)與指揮訓(xùn)練教研部,北京100091

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,原本局限于傳統(tǒng)空間的戰(zhàn)爭行為逐步延伸至虛擬的賽博空間,并且日益成為聯(lián)合作戰(zhàn)中越來越重要的現(xiàn)實作戰(zhàn)樣式,這將對未來的作戰(zhàn)指揮活動產(chǎn)生新的影響.因此,聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員必須加強對賽博空間的關(guān)注.

賽博空間作為不同于傳統(tǒng)作戰(zhàn)空間的“第二類”空間,其依托于信息基礎(chǔ)設(shè)施作為主要物質(zhì)基礎(chǔ),通過能量、信息等載體將物理空間與虛擬空間融合為一個有機整體.賽博空間的出現(xiàn),將帶來作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)樣式的新變革.

作戰(zhàn)指揮活動中,戰(zhàn)場態(tài)勢是指揮員認知戰(zhàn)場、做出判斷、指揮作戰(zhàn)的基礎(chǔ).賽博空間作為感知和控制戰(zhàn)場的通道,為聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員提供了觀察戰(zhàn)場的新視角.未來作戰(zhàn)中,聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員應(yīng)關(guān)注包括賽博空間在內(nèi)的戰(zhàn)場態(tài)勢,本文認為,與傳統(tǒng)空間相比,賽博空間具有實體抽象虛擬、空間多維廣闊、戰(zhàn)機稍縱即逝等特點,因此,目前賽博態(tài)勢的研究面臨3個主要問題:1)如何處理抽象數(shù)據(jù)或者概念元素;2)如何對海量數(shù)據(jù)進行可視化;3)如何為決策者快速地提供態(tài)勢并進行相應(yīng)的分析.

針對上述問題,本文分析了賽博空間在聯(lián)合作戰(zhàn)中的地位作用,提出了聚合級賽博態(tài)勢描述方法,并從賽博態(tài)勢系統(tǒng)工作流程出發(fā),進行了數(shù)據(jù)變換、態(tài)勢表現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)的研究.

1 面向聯(lián)合作戰(zhàn)的賽博態(tài)勢

賽博空間依托電磁裝備,聯(lián)網(wǎng)而成,是建立在物理空間之上的一類新型作戰(zhàn)空間[1].賽博空間對于聯(lián)合作戰(zhàn)體系能力的形成和發(fā)揮起基礎(chǔ)作用,它是構(gòu)成體系作戰(zhàn)能力的核心要素.

賽博空間是一個虛實結(jié)合的人造空間,它由實在空間(物理空間)和虛擬空間兩部分構(gòu)成,其實體抽象程度高、聚合程度強、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜.賽博空間的出現(xiàn),將原先孤立存在、單獨作用的各類實體、電子信息系統(tǒng)關(guān)聯(lián)聚合在一起,以一種新的形式對聯(lián)合作戰(zhàn)體系產(chǎn)生影響.

基于以上判斷,本文在“EBNI”(Entity,Behavior,Network-Interaction,簡稱EBNI[2])模型框架基礎(chǔ)上,提出聚合級賽博態(tài)勢描述模型的概念.所謂聚合級,是指將分布在賽博空間的多個實在、虛擬實體抽象成一類具有特定作戰(zhàn)意義的戰(zhàn)役層實體,例如,某指揮所內(nèi)有多臺接入通信網(wǎng)的計算機、多種信息系統(tǒng)等細小粒度的實在、虛擬實體,本文將這些實體聚合成一個指揮決策節(jié)點進行描述.

定義1.聚合級賽博態(tài)勢描述模型

采用四元組CS={E,B,NI,L}表示聚合級賽博態(tài)勢描述模型,其中:

1)E=e1,e2,···,em表示賽博實體要素;由于態(tài)勢實體要素是由偵察探測獲取的源數(shù)據(jù)中表示的實體單元映射而來的,因此,要建立態(tài)勢模型的結(jié)構(gòu),首先要解決實體要素多元屬性的分類和多域空間映射問題.通常賽博實體信息能力都具有多活性特點,因此,實體信息用屬性集合表示,設(shè)戰(zhàn)場空間中有真實實體N,且有:

其中n為實體N的某個屬性類型,下標(biāo)中的α和β表示該屬性所屬的空間,且有(nα1,nα2,···,nαi)T(nβ1,nβ2,···,nβi)=φ,則N可以同時映射為不同戰(zhàn)場空間Lα和Lβ中的實體,即:

通常情況下,戰(zhàn)場態(tài)勢實體數(shù)量大于等于感知數(shù)據(jù)所屬主體表示的實體數(shù)量.例如來源于一輛指揮車的偵察數(shù)據(jù),既可能包含信息設(shè)備屬性或指揮關(guān)系信息,從而映射為一個賽博空間實體,也可能包括車輛屬性,從而映射為物理空間中的一個裝甲目標(biāo)節(jié)點.

2)B={b1,b2,···,bm}表示賽博行為要素,b1,b2,···,bm表示行為要素的屬性.

3)NI={ni1,ni2,···,nim}表示賽博空間網(wǎng)絡(luò)化交互要素,ni1,ni2,···,nim表示網(wǎng)絡(luò)化交互要素的屬性.

4)L={l1,l2,···,lm}表示各態(tài)勢要素之間的關(guān)系,l1,l2,···,lm表示不同關(guān)系的屬性.

通過建立賽博態(tài)勢的描述模型,明確了賽博態(tài)勢系統(tǒng)需要表現(xiàn)的內(nèi)容,為后續(xù)的研究打下基礎(chǔ).

2 聚合級賽博態(tài)勢關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 可視化模型簡介

信息可視化是網(wǎng)絡(luò)信息空間形成與發(fā)展的產(chǎn)物,其起源于20世紀80年代出現(xiàn)的科學(xué)計算可視化[3],是指將抽象數(shù)據(jù)用直觀圖示顯示,以利于數(shù)據(jù)分析、發(fā)現(xiàn)規(guī)律和支持決策.

信息可視化表現(xiàn)為抽象數(shù)據(jù)到可視化圖形的映射過程,其對信息對象的特征值進行抽取、變換、映射、抽象與聚合,用圖形、圖像等方式表示信息對象內(nèi)容的特征和語義.為了建立數(shù)據(jù)的可視化映射,Card等人提出了可視化模型[4],圖1描述了原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)表格、可視化結(jié)構(gòu)和視圖間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,以及用戶通過人機界面進行數(shù)據(jù)交換、可視化映射、視圖變換等操作.

圖1 可視化模型

上述參考模型描述了信息可視化的基本流程,本文在此基礎(chǔ)上,提出了聚合級賽博態(tài)勢參考模型,并對數(shù)據(jù)變換及態(tài)勢表現(xiàn)兩個核心環(huán)節(jié)進行了重點分析.

2.2 聚合級賽博態(tài)勢參考模型

通常認為,賽博態(tài)勢應(yīng)是多層次、多視圖的方式,參照美空軍提出的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢系統(tǒng)參考模型框架[5]及可視化參考模型,本文認為賽博態(tài)勢分3個層次:原始數(shù)據(jù)、態(tài)勢要素識別與表現(xiàn)、態(tài)勢的理解和分析,對應(yīng)圖2中從左到右“數(shù)據(jù)到知識”的變換過程.賽博態(tài)勢面向的是聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員,其外部數(shù)據(jù)來源于多源感知系統(tǒng),包括接入各類軍用信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)傳感器,以及傳統(tǒng)的偵察探測平臺.

如圖2所示,實現(xiàn)面向指揮員的態(tài)勢表現(xiàn)需完成以下工作:

步驟1.指揮員根據(jù)作戰(zhàn)計劃需要,下達戰(zhàn)場數(shù)據(jù)獲取需求;

圖2 可視化模型

步驟2.戰(zhàn)場感知,獲取外部多源感知系統(tǒng)獲取的戰(zhàn)場數(shù)據(jù),存入外部感知數(shù)據(jù)庫;

步驟3.數(shù)據(jù)變換,根據(jù)賽博態(tài)勢要素基本集,基于賽博態(tài)勢元數(shù)據(jù),將多元異構(gòu)的戰(zhàn)場數(shù)據(jù)聚合為分層的態(tài)勢要素,實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)到態(tài)勢信息的轉(zhuǎn)換;

步驟4.可視化映射,基于信息可視化的方法,將態(tài)勢數(shù)據(jù)映射為相應(yīng)的符號、圖形,即將態(tài)勢數(shù)據(jù)庫內(nèi)抽取的信息轉(zhuǎn)換為可視化元素.這一步是態(tài)勢表現(xiàn)的核心,具體分為兩步進行操作,第一步是將各個信息條目轉(zhuǎn)換為視覺標(biāo)識,包括點、線、面積、體積等,例如用點代表態(tài)勢實體,線代表信息流;第二步是將信息條目的屬性轉(zhuǎn)換為標(biāo)識的可視化特征,包括位置、大小、顏色等,例如不同級別的實體用點的不同大小表示,不同粗細的線代表信息流的大小.該步驟需具備兩個基本原則,一是可以表達態(tài)勢數(shù)據(jù)集的所有方面;二是可視化的圖形符合指揮員的認知,即便于理解.

步驟5.視圖轉(zhuǎn)換,根據(jù)指揮員權(quán)限及作戰(zhàn)任務(wù)需求,呈現(xiàn)出符合要求的態(tài)勢圖.本文將態(tài)勢顯示等級設(shè)為初級、中級與高級,初級只允許用戶查看一個數(shù)據(jù)元素;中級可以揭示一組元素的主要信息;高級是指全部數(shù)據(jù)的總體信息.態(tài)勢可視化表現(xiàn)需要兼顧指揮員對多分辨率展示的需求,通過視圖轉(zhuǎn)換對大量信息多層次展示,這樣指揮員就可以按照自身需求查看相關(guān)的信息.

步驟6.用戶交互,用戶利用交互技術(shù)查看態(tài)勢表現(xiàn)結(jié)果,并根據(jù)可視對象的不同改變顯示的內(nèi)容,主要包括導(dǎo)航交互、選擇交互、過濾交互、分辨率切換等方式.

可以看出,數(shù)據(jù)變換和可視化方法是實現(xiàn)賽博態(tài)勢系統(tǒng)功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

2.3 基于元數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)變換

傳統(tǒng)的戰(zhàn)場態(tài)勢表現(xiàn)過程中,戰(zhàn)場感知系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)與客觀戰(zhàn)場實體存在明確的映射關(guān)系,僅需要簡單的數(shù)據(jù)處理即可完成數(shù)據(jù)到可視化元素的轉(zhuǎn)換,而賽博空間中,感知系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)多元、異構(gòu)且并不指向特定的實體要素,需要經(jīng)過抽象變換與賽博態(tài)勢要素進行模式匹配,進而實現(xiàn)外部感知數(shù)據(jù)到聚合級態(tài)勢要素數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,因此,需要重新設(shè)計符合賽博空間特點的數(shù)據(jù)變換方法.

根據(jù)賽博空間感知數(shù)據(jù)的特點,本文設(shè)計了基于元數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)變換方法,主要包括數(shù)據(jù)過濾、聚合及分層抽象等步驟.通過設(shè)計態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型,完成大規(guī)模感知數(shù)據(jù)的聚合預(yù)處理,以降低數(shù)據(jù)處理規(guī)模,得到供可視化表現(xiàn)的數(shù)據(jù)集合.

定義2.賽博態(tài)勢元數(shù)據(jù)模型

賽博態(tài)勢元數(shù)據(jù)(Meta Data of Cyber Situation)模型定義為賽博態(tài)勢要素信息屬性的描述信息,采用一個四元組進行描述:

其中,DCS表示賽博態(tài)勢元數(shù)據(jù),Ne,NO,L,E分別表示“網(wǎng)絡(luò)”、“節(jié)點”、“關(guān)系”和“事件”4個對象.其中“關(guān)系”包括“鏈接關(guān)系”和“承載關(guān)系”兩類,“節(jié)點”包括“全局節(jié)點”和“網(wǎng)內(nèi)節(jié)點”兩類.針對每個對象描述分為基本屬性和擴展屬性兩部分,基本屬性用于刻畫表征多層態(tài)勢關(guān)聯(lián)融合的關(guān)鍵屬性,只有具備了基本屬性對象實例才能用于進行多層態(tài)勢關(guān)聯(lián),否則只能作為孤立的對象存在.

在數(shù)據(jù)變換過程中需對數(shù)據(jù)進行分析,試圖最大限度地從紛繁復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)中最大化提取有用信息.除了地址、名稱、屬方等顯性知識外,可視化還需抽取戰(zhàn)場數(shù)據(jù)中未明確的隱性知識.變換后的數(shù)據(jù)成為結(jié)構(gòu)化的態(tài)勢數(shù)據(jù),這一過程的本質(zhì)是創(chuàng)建合理的態(tài)勢信息數(shù)據(jù)庫以存儲供可視化的態(tài)勢信息.

如圖3所示,數(shù)據(jù)變換主要完成4個方面的工作:

圖3 數(shù)據(jù)變換處理流程

步驟1.數(shù)據(jù)清洗是指消除源數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)間的相互沖突、不完整的數(shù)據(jù)集及多源數(shù)據(jù)庫共有的不兼容性.主要包括一致性檢查、完整性檢查、重復(fù)項刪除、缺失項處理等步驟.例如,當(dāng)前獲取了關(guān)于某一節(jié)點的數(shù)據(jù),首先檢查數(shù)據(jù)來源是否可信、數(shù)據(jù)項目是否完整,而后對于源數(shù)據(jù)中重復(fù)的項目進行刪除,對于存在的缺失項進行處理.

步驟2.一致性處理指在數(shù)據(jù)檢查的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行一致性處理,以規(guī)范目標(biāo)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)集.主要包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拼接處理、數(shù)據(jù)項校驗等步驟.例如,源數(shù)據(jù)由于來自不同的探測源,其數(shù)據(jù)存儲格式差異較大,需進行格式轉(zhuǎn)換,并對數(shù)據(jù)項值的類型進行統(tǒng)一,而后將表征相同態(tài)勢要素的數(shù)據(jù)合并組合,最后校驗是否存在未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù).

步驟3.抽象聚合是指針對所要解決的軍事問題對數(shù)據(jù)集進行結(jié)構(gòu)和語義上的抽象,并將數(shù)據(jù)從戰(zhàn)術(shù)層映射到戰(zhàn)役層.主要包括屬性項匹配、特征項選擇、特征項抽取、聚合計算等步驟,第三步的目的是得到聚合級的態(tài)勢要素.

步驟4.數(shù)據(jù)分層處理是指按照不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求,將數(shù)據(jù)按照不同的態(tài)勢類型進行分類,并經(jīng)過降維編碼處理,得到可以進行可視化映射的數(shù)據(jù)集.主要包括數(shù)據(jù)分類、降維處理、概念分層、編碼處理等步驟.

2.4 聚合級賽博態(tài)勢表現(xiàn)方法設(shè)計

賽博空間是傳統(tǒng)物理空間與虛擬信息空間的混合體,是實在與虛擬的結(jié)合,同時賽博空間涉及的是多粒度的實體類型,因此,賽博空間態(tài)勢需要進行多尺度的可視化表達.本文根據(jù)賽博態(tài)勢信息特點和現(xiàn)實技術(shù)手段,提出了“分層多尺度,專題多樣化(1+N)”的賽博態(tài)勢表現(xiàn)方法.其中“1”是指一幅基于地理布局的拓撲結(jié)構(gòu)圖,供指揮員宏觀掌握賽博空間結(jié)構(gòu);“N”是指多幅專題態(tài)勢圖,采用多樣的信息可視化技術(shù)針對不同特點的態(tài)勢信息進行可視化,以多視圖、多角度、多尺度的方式表現(xiàn)賽博作戰(zhàn)對作戰(zhàn)指揮帶來的影響.

根據(jù)目前的研究,可以將賽博態(tài)勢信息類型分為一維信息、多維信息、層次信息、時態(tài)信息、文本信息、網(wǎng)狀信息等.針對每一種信息類型,選擇已有的信息可視化技術(shù)中可與之對應(yīng)的可視化方法,如圖4所示每一類態(tài)勢信息可以通過一種或多種可視化方法進行表現(xiàn),以滿足指揮員對于賽博態(tài)勢表現(xiàn)的多種需求.

3 聚合級賽博態(tài)勢系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計的賽博態(tài)勢系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)抽取與生成、后臺輔助分析和前臺綜合顯示3個功能模塊,模塊基本情況和模塊間的邏輯關(guān)系如圖5所示.

在圖5中,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)抽取與生成模塊負責(zé)將外部感知數(shù)據(jù)按照需求抽取到本系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中,抽取的數(shù)據(jù)可以組合成基本的態(tài)勢數(shù)據(jù);后臺輔助分析模塊主要完成的任務(wù)就是解決賽博空間中信息不完整的問題,即進行不完全信息下的態(tài)勢還原,在已有基本態(tài)勢數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,還原出更加完整的態(tài)勢數(shù)據(jù);前臺綜合顯示模塊在綜合考慮基本態(tài)勢數(shù)據(jù)和后臺輔助分析后得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,基于ECharts[6]開源平臺實現(xiàn)態(tài)勢可視化,并將得到的賽博態(tài)勢圖呈現(xiàn)給指揮員.

圖4 態(tài)勢信息與可視化方法對應(yīng)關(guān)系

圖5 系數(shù)模塊間關(guān)系圖

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用實例

應(yīng)用實例以聯(lián)合作戰(zhàn)背景條件的兩方對抗為基本想定內(nèi)容.假設(shè)紅方對藍方軍用信息網(wǎng)絡(luò)實施監(jiān)控,通過獲取的數(shù)據(jù)構(gòu)建賽博空間態(tài)勢,并可視化呈現(xiàn)給己方指揮員.當(dāng)前,紅方指揮員期望發(fā)現(xiàn)敵方應(yīng)對威脅飛行物時的指揮過程,以輔助制定火力打擊敵指揮鏈的作戰(zhàn)計劃.

指揮作戰(zhàn)過程可以用一個完整的OODA環(huán)描述,OODA環(huán)由決策節(jié)點、探測節(jié)點、情報節(jié)點、打擊節(jié)點構(gòu)成.通過賽博空間態(tài)勢的呈現(xiàn),指揮員能夠感知到賽博作戰(zhàn)對聯(lián)合作戰(zhàn)帶來的影響,同時,能夠從賽博視角發(fā)現(xiàn)影響敵作戰(zhàn)體系效能的關(guān)鍵節(jié)點.

圖6展示了上述背景下的賽博態(tài)勢,其中,不同大小、顏色的點表示不同類型的賽博空間實體,不同顏色的有向線段表示不同類型的信息流(即實體發(fā)起的行為),點的閃爍和有向線段的出現(xiàn)、消失表示交互效果.從圖中可以看出,紅方飛行物在藍方探測系統(tǒng)的感知范圍外時,藍方軍用通信網(wǎng)絡(luò)處于低業(yè)務(wù)量運行狀態(tài),即態(tài)勢圖上所有點未閃爍、有向線段未出現(xiàn),節(jié)點之間連邊呈現(xiàn)半透明狀;一旦飛機進入藍方雷達探測范圍,代表探測節(jié)點的點開始閃爍(即發(fā)起探測行為),并且按照藍方既定的作業(yè)流程向其上級的決策節(jié)點和其保障的打擊節(jié)點發(fā)送探測信息(即發(fā)起信息傳輸行為),圖中顯示為出現(xiàn)有向線段,其中綠色表示探測節(jié)點至情報節(jié)點發(fā)送的信息流,黃色表示探測節(jié)點到打擊節(jié)點的信息流,紅色表示情報節(jié)點到打擊節(jié)點的信息流.隨著飛機位置的不斷改變,藍方被激活的節(jié)點及有向線段按照一定規(guī)則不斷變化.本文認為,圖上點、線的變化規(guī)則表示敵方應(yīng)對威脅時的工作流程,即敵應(yīng)對威脅時的指揮控制模式.

圖6 賽博態(tài)勢可視化實例

4 結(jié)論

目前,信息可視化主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢表現(xiàn)、工業(yè)控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等商業(yè)方面,并沒有在軍事領(lǐng)域得到有效應(yīng)用,本文從信息可視化的流程出發(fā),設(shè)計了賽博態(tài)勢系統(tǒng)框架,并對態(tài)勢系統(tǒng)中數(shù)據(jù)變換和可視化方法兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了闡述,最后設(shè)計實現(xiàn)了態(tài)勢系統(tǒng).通過對指揮控制模式等邏輯層信息的可視化表現(xiàn),體現(xiàn)了賽博空間的信息域特點,使指揮員能夠根據(jù)態(tài)勢圖直觀地發(fā)現(xiàn)對方的信息行為、關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵鏈路,以及敵方指揮控制過程,據(jù)此指揮員能夠在較短時間內(nèi)選擇出最優(yōu)的打擊目標(biāo).實驗結(jié)果達到了預(yù)期效果,展示了一種新的態(tài)勢表現(xiàn)方法.