防空反導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)級(jí)指控系統(tǒng)體系架構(gòu)研究*

張家瑞，王 剛，王思遠(yuǎn)

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

0 引言

防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)是防空反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮與武器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，其主要功能是對(duì)各路各型情報(bào)綜合處理，實(shí)現(xiàn)信息的識(shí)別、關(guān)聯(lián)、融合，進(jìn)而輔助指揮決策以及武器的綜合控制。現(xiàn)代防空作戰(zhàn)是體系的對(duì)抗，如何尋求最有效、最合適的指揮控制方法來發(fā)揮其最大效用，已經(jīng)成為防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)研究過程中的關(guān)鍵問題［1］。

指揮控制能力成熟度作為一種衡量指控架構(gòu)水平的標(biāo)準(zhǔn)，主要反應(yīng)了指控組織影響、應(yīng)對(duì)或利用多變環(huán)境的能力，以及對(duì)指揮控制系統(tǒng)整體運(yùn)行效能進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。對(duì)于指揮控制系統(tǒng)體系架構(gòu)的研究，現(xiàn)階段主要是對(duì)其靜態(tài)組織結(jié)構(gòu)的研究分析，使用一個(gè)或多個(gè)成熟度等級(jí)來對(duì)應(yīng)一種架構(gòu)，即等級(jí)越高也意味著自組織程度越高，信息共享越多，協(xié)同能力越強(qiáng)等，而架構(gòu)的選擇同時(shí)也要與實(shí)際情況相符合。采用架構(gòu)評(píng)價(jià)體系對(duì)架構(gòu)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，選擇合適的架構(gòu)來符合不同的任務(wù)與作戰(zhàn)場(chǎng)景。

本文在防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)成熟度的基礎(chǔ)上，針對(duì)獨(dú)立式、集中式、分布式、混合式4 種不同的指控架構(gòu)，在7 個(gè)不同維度上進(jìn)行比較分析，提出一種位于第4 級(jí)成熟度的混合式體系架構(gòu)，并采用合同協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行任務(wù)分配，在此基礎(chǔ)上對(duì)指控過程中4 個(gè)方面進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，得出實(shí)時(shí)的指控架構(gòu)評(píng)估指標(biāo)，對(duì)防空反導(dǎo)指控架構(gòu)的論證研制具有一定參考價(jià)值。

1 成熟度與指控方法

北約研究分析與仿真委員會(huì)（SAS）SAS-065 小組借鑒軟件生產(chǎn)能力成熟度模型，在C2（指揮控制）概念參考模型（CRM）和C2 方法概念基礎(chǔ)上，于2010 年提出了網(wǎng)絡(luò)賦能C2 成熟度模型（NATO NEC C2 Maturity Model，N2C2M2）［2-3］。該模型根據(jù)3個(gè)維度（實(shí)體間信息共享程度、實(shí)體間交互頻度、實(shí)體的決策權(quán)委托給集體的程度）之間的交互協(xié)同能力，并以5 個(gè)級(jí)別（沖突、集權(quán)、協(xié)同、合作、邊緣）從低到高來描述指控架構(gòu)的成熟度［4］。

第1 級(jí)網(wǎng)絡(luò)中心化程度最低，實(shí)體間沒有統(tǒng)一的目標(biāo)和合作模式，只能各自為戰(zhàn)，相互無法有效配合；第2 級(jí)意識(shí)到實(shí)體需要對(duì)C2 的實(shí)施采取合理的管控才能取得良好的效果，不斷監(jiān)督具體執(zhí)行的代價(jià)與進(jìn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)C2 過程中出現(xiàn)的問題予以解決，從而使其能夠順利實(shí)施；第3 級(jí)對(duì)指揮的實(shí)施賦予了一套完善的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)、指揮條令、指揮體制等，指揮員就更易形成共識(shí)，實(shí)現(xiàn)合作，達(dá)成作戰(zhàn)自同步；第4 級(jí)在C2 的執(zhí)行不僅要按照制定出的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，還要收集與分析基礎(chǔ)實(shí)施執(zhí)行過程中具體的定量數(shù)據(jù)，對(duì)執(zhí)行過程進(jìn)行量化的管理評(píng)估與監(jiān)控；作為C2 成熟度最高的C2 方法，第5 級(jí)能夠根據(jù)C2 實(shí)施過程中的定量數(shù)據(jù)不斷對(duì)實(shí)施過程進(jìn)行改進(jìn)和完善，是建立一種自同步系統(tǒng)［5］。

成熟度等級(jí)是指實(shí)體能夠針對(duì)不同的任務(wù)選擇合適的C2 方法，較高等級(jí)的成熟度可選擇的C2 方法也越多，一二級(jí)均只有一種C2 方法，第5 級(jí)有4種C2 方法［6］，每一種C2 方法的區(qū)別如表1 所示。

表1 5 種C2 方法分析

2 指控系統(tǒng)體系架構(gòu)

防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)是多輸入、多輸出、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大系統(tǒng)，不是硬件和軟件的簡(jiǎn)單堆積，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分相互關(guān)聯(lián)、相互支持、相互協(xié)同形成一個(gè)有機(jī)整體，最大效能發(fā)揮傳感器及武器能力、減輕指揮員負(fù)擔(dān)去完成各類復(fù)雜任務(wù)。對(duì)指控系統(tǒng)的體系架構(gòu)從頂層上進(jìn)行理論研究，關(guān)系到防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)本身乃至整個(gè)防空反導(dǎo)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

2.1 典型架構(gòu)分析

目前，對(duì)于戰(zhàn)術(shù)級(jí)防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)的體系架構(gòu)，主要有獨(dú)立式、集中式、分布式以及混合式［7-9］4 種。

獨(dú)立式是指作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)和火力單元之間各自獨(dú)立，分別各自進(jìn)行信息的計(jì)算，并且各個(gè)火力單元也都有自己的火控計(jì)算機(jī)。該結(jié)構(gòu)火力單元可以在指揮系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)仍具有一定的戰(zhàn)斗力，但其反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)且計(jì)算機(jī)使用效率低，目前已經(jīng)被淘汰［10］。

集中式是指作戰(zhàn)指揮和火力單元的功能集中由一臺(tái)或一組計(jì)算機(jī)來完成，其計(jì)算機(jī)使用效率高，反應(yīng)時(shí)間較短，具有良好的全局統(tǒng)籌控制能力，但難以適應(yīng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，且一旦中心出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)陷入癱瘓。集中式架構(gòu)在任務(wù)分配過程中可以降低問題求解的復(fù)雜性，但是在分解后如何有效實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的協(xié)調(diào)，滿足時(shí)間、空間和資源等方面的約束增加了難度，忽略了多任務(wù)、多平臺(tái)協(xié)同問題本身復(fù)雜性。

圖1 集中式架構(gòu)

分布式是指每個(gè)火力單元都有其微計(jì)算機(jī)，相應(yīng)的功能也劃分至每一火力單元，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互連接，能夠形成數(shù)據(jù)共享以及功能和控制上的完全分布，實(shí)現(xiàn)了將所有的資源整合共享和分散處理。分布式架構(gòu)系統(tǒng)的功能主要依靠各個(gè)火力單元之間相互協(xié)同完成，由火力單元節(jié)點(diǎn)之間的通信能力和對(duì)任務(wù)環(huán)境的全局把握能力決定，具有很強(qiáng)的抗毀性，即使單個(gè)節(jié)點(diǎn)損毀也不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能造成破壞。分布式架構(gòu)可以在信息不完備的情況下作出合理決策，實(shí)現(xiàn)沖突消解，各個(gè)火力單元之間能夠在沒有集中控制的情況下通過交互信息產(chǎn)生整體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高程度的自主協(xié)同，在盡量減少人的干預(yù)下完成預(yù)期的作戰(zhàn)任務(wù)，但是目前研究工作還相對(duì)薄弱，面臨的挑戰(zhàn)主要包括無中心信息處理、無中心決策、受限通信、不確定環(huán)境等。

圖2 分布式架構(gòu)

混合式是指采取集中式和分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)于是有中心節(jié)點(diǎn)的分布式架構(gòu)，系統(tǒng)分為分布式處理機(jī)和中心服務(wù)器兩部分。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)任務(wù)的分配并且提供各類共享資源的服務(wù)，各個(gè)火力單元完成分布給它的任務(wù)同時(shí)也與中心節(jié)點(diǎn)相互配合。

圖3 混合式架構(gòu)

2.2 架構(gòu)差異對(duì)比

根據(jù)上述3 種典型架構(gòu)的分析，結(jié)合其相應(yīng)特點(diǎn)，在響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)靈活性、安全保密性、任務(wù)分配、抗毀性、可靠性和應(yīng)用開發(fā)復(fù)雜性7 個(gè)維度對(duì)3種架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比［11］，結(jié)果如表2 所示。

表2 典型指控架構(gòu)對(duì)比

從表2 中可以清晰地看出，混合式能夠保持分布式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并且也能吸收集中式架構(gòu)的特點(diǎn)，在各個(gè)方面混合式架構(gòu)都能達(dá)到有較好的效果，具有強(qiáng)魯棒性、高可靠性、靈活的架構(gòu)組織、通用化以及易于修改和擴(kuò)充，增設(shè)不同平臺(tái)武器等特點(diǎn)。與成熟度等級(jí)對(duì)應(yīng)來看，獨(dú)立式屬于沖突型；集中式位于第2 級(jí)和第3 級(jí)，火力單元節(jié)點(diǎn)之間存在有限的協(xié)同，屬于協(xié)同型；分布式和混合式屬于第4 級(jí)以上，網(wǎng)絡(luò)化程度達(dá)到一定程度后，節(jié)點(diǎn)之間有了高度共識(shí)和大量持續(xù)交互，指控過程可以進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估和主動(dòng)調(diào)整，就屬于邊緣型?？梢哉f，隨著未來對(duì)性能的不斷提升，混合式架構(gòu)已經(jīng)成為一種必然。

3 防空反導(dǎo)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)同體系架構(gòu)

從表2 中可以看出，混合式綜合了集中式和分布式有價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)。資源能夠統(tǒng)一管理分配，也能在需要時(shí)獨(dú)享所有資源，用戶相應(yīng)速度也較快，比起分布式來說便于控制，并且其魯棒性較強(qiáng)，中心節(jié)點(diǎn)一旦遭到破壞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響有限。

現(xiàn)代空防作戰(zhàn)作為高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)，是體系和體系之間的對(duì)抗，具有網(wǎng)絡(luò)化的資源配置、一體化的火力打擊、無縫連接的協(xié)同作戰(zhàn)等特點(diǎn)，只有對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息的獲取、分析從而作出正確判斷，才能贏得戰(zhàn)場(chǎng)上的各種控制權(quán)。這就要求指控系統(tǒng)在架構(gòu)設(shè)計(jì)上能夠適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，能夠與各子系統(tǒng)及火力單元之間協(xié)調(diào)一致，構(gòu)建出防空反導(dǎo)一體化作戰(zhàn)體系［12］。本文以第4 級(jí)成熟度為基礎(chǔ)，提出一種混合式的防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)架構(gòu)，采用初始集中控制，分布協(xié)同調(diào)整的模式進(jìn)行任務(wù)分配，其基本架構(gòu)如圖4 所示。

整個(gè)指控系統(tǒng)根據(jù)外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，按照一套合理的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行協(xié)作，有一套完整的量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)C2 的基礎(chǔ)實(shí)施執(zhí)行過程中進(jìn)行具體定量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，并對(duì)指揮控制的過程進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。指揮信息網(wǎng)、傳感器網(wǎng)、武器控制網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)信息體系為基礎(chǔ)，任意的火力單元的通信關(guān)系都是雙向的，由一個(gè)火力單元擔(dān)任中心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)選擇出一個(gè)備用中心節(jié)點(diǎn)，中心火力單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中參數(shù)解算、數(shù)據(jù)分析，一旦因某一原因中心節(jié)點(diǎn)遭到破壞，備用節(jié)點(diǎn)將接替行使指揮權(quán)。在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行任務(wù)的分配過程中，對(duì)能夠探測(cè)到但還未進(jìn)入火力攔截范圍內(nèi)的目標(biāo)，由中心火力單元采用中心協(xié)調(diào)方法做高效的集中任務(wù)分配，一旦目標(biāo)進(jìn)入火力單元攔截范圍之后，中心節(jié)點(diǎn)也參與到任務(wù)協(xié)商任務(wù)分配的過程當(dāng)中，與各個(gè)分布節(jié)點(diǎn)的火力單元一起根據(jù)自身掌握的有限態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，采用合同網(wǎng)協(xié)調(diào)的方法不斷修正任務(wù)分配方案，得到一個(gè)最優(yōu)解，并且分屬于不同火力單元的武器系統(tǒng)可以協(xié)同進(jìn)行目標(biāo)的攔截。但如果高威脅目標(biāo)來臨必須使用集火射擊，或者上級(jí)指定威脅目標(biāo)必須由某一節(jié)點(diǎn)承擔(dān)此項(xiàng)攔截任務(wù)時(shí)發(fā)生沖突，則上報(bào)中心節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行任務(wù)的重新分配［13-14］。整個(gè)過程以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下頁IDEF0 圖5 所示［15］。

3.2 合同網(wǎng)任務(wù)分配

合同網(wǎng)的任務(wù)分配策略，其基本過程是模仿經(jīng)濟(jì)行為中的“招標(biāo)-競(jìng)標(biāo)-中標(biāo)-簽約”，其主體既可以是招標(biāo)者也可以是競(jìng)標(biāo)者。使得各個(gè)分布的火力單元之間通過標(biāo)值進(jìn)行相互協(xié)作和任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)，在局部最優(yōu)的基礎(chǔ)上追求全局的最優(yōu)，從而以最優(yōu)的系統(tǒng)配置和最低的代價(jià)完成任務(wù)。中心火力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)的分解、招標(biāo)任務(wù)書的擬定、投標(biāo)標(biāo)書搜集、中標(biāo)判斷簽約、流標(biāo)問題處理等工作，并結(jié)合各個(gè)分布節(jié)點(diǎn)的火力單元對(duì)武器裝備的實(shí)時(shí)報(bào)告進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行能力的評(píng)估，進(jìn)行投標(biāo)活動(dòng)，最終一個(gè)或多個(gè)火力單元協(xié)同完成任務(wù)［16-17］。其整個(gè)協(xié)商流程如圖6 所示。

圖4 協(xié)同體系基本架構(gòu)

圖5 指控過程IDEF0 圖

3.3 量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在指控系統(tǒng)的實(shí)施過程中，采用合理的指標(biāo)對(duì)整個(gè)架構(gòu)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的量化評(píng)價(jià)，并參考這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指控系統(tǒng)進(jìn)行管控，能夠更好地實(shí)現(xiàn)精確化的指揮控制過程。一個(gè)良好的指控架構(gòu)，首先需要具備魯棒靈活的物理結(jié)構(gòu)，其次能夠?qū)崿F(xiàn)快速良好的通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)體之間完整實(shí)時(shí)的交互，從而形成快速準(zhǔn)確的決策。在廣泛征詢專家意見的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)過的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建一個(gè)初步的評(píng)估指標(biāo)體系，采用排隊(duì)理論確定指標(biāo)權(quán)重，將一些難以評(píng)估量化的指標(biāo)按照1-10 級(jí)轉(zhuǎn)化為定量的數(shù)字特征，得出最終的綜合評(píng)價(jià)體系，求出綜合評(píng)價(jià)體系與已形成的標(biāo)準(zhǔn)體系的相似度，得出最終的效能評(píng)估結(jié)果［18］。

根據(jù)上文提到了7 個(gè)維度的基礎(chǔ)上，在實(shí)時(shí)的指控過程評(píng)估體系下，對(duì)通信、決策、交互程度、物理結(jié)構(gòu)4 個(gè)方面進(jìn)行衡量［19］。效能評(píng)估是對(duì)完成任務(wù)能力的綜合度量，各類指標(biāo)構(gòu)建的合理性又是效能評(píng)估的關(guān)鍵，我們選擇通信、決策、交互程度、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 個(gè)方面，如圖7 所示。對(duì)實(shí)時(shí)的指控過程進(jìn)行衡量評(píng)估。

4 結(jié)論

本文對(duì)指控系統(tǒng)的成熟度作了簡(jiǎn)單介紹，概述了指控方法和成熟度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)分析對(duì)比了目前防空反導(dǎo)指控體系下獨(dú)立式、集中式、分布式和混合式4 種架構(gòu)，分別簡(jiǎn)述了其與成熟度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并在多個(gè)方面對(duì)架構(gòu)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。在第4 級(jí)成熟度的基礎(chǔ)上，提出了基于混合式的防空反導(dǎo)指控系統(tǒng)體系架構(gòu)，采用合同網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行任務(wù)的分配，并能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，對(duì)未來防空反導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)級(jí)指控系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展具有重要的借鑒意義。

圖6 任務(wù)分配流程圖

圖7 C2 過程評(píng)估指標(biāo)