基于超網(wǎng)絡(luò)的空戰(zhàn)場(chǎng)管制體系建模及評(píng)估*

文 婧，文 秘，朱奕杰，方 強(qiáng)，張 揚(yáng)

（1.陸軍防化學(xué)院軍事理論教研室，北京 102205；2.空軍指揮學(xué)院指揮控制教研室，北京 100097）

0 引言

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空戰(zhàn)場(chǎng)管制職能所必須的組織、人員、政策、規(guī)程和設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)，其中組織形式和運(yùn)行機(jī)制是其核心環(huán)節(jié)，決定著空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)的工作效率和效能的發(fā)揮。隨著空戰(zhàn)場(chǎng)越來(lái)越受到重視，空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究得到了廣泛關(guān)注，如：陳上平［1］等提出按照“戰(zhàn)區(qū)空軍空管中心-分區(qū)空管中心-機(jī)場(chǎng)空管中心”的模式建立空中戰(zhàn)場(chǎng)管制指揮機(jī)構(gòu)；董朝雷［2］等針對(duì)聯(lián)合防空問(wèn)題，提出以各級(jí)負(fù)責(zé)空域管制的部門(mén)為依托，建立“空域控制中心- 空域控制中心- 空域控制小組”三級(jí)空域管制體系；徐維如［3］根據(jù)指揮控制機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定戰(zhàn)時(shí)航空管制的崗位應(yīng)分為戰(zhàn)役決策層、戰(zhàn)術(shù)計(jì)劃層和執(zhí)行操作層；李雙峰［4］提出信息化條件下空戰(zhàn)場(chǎng)管制應(yīng)結(jié)合我軍目前指揮體系和空戰(zhàn)場(chǎng)需要，在未來(lái)主要方向作戰(zhàn)中，可以構(gòu)建“空中作戰(zhàn)集團(tuán)指揮部- 空中作戰(zhàn)集群指揮部- 空中作戰(zhàn)區(qū)域管制中心”三級(jí)管制指揮體系等。當(dāng)前，戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)指揮體制建立并運(yùn)行，空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)急需作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)改變。針對(duì)該問(wèn)題，本文依據(jù)空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)構(gòu)建原則，提出了“四級(jí)空戰(zhàn)場(chǎng)管制體系”構(gòu)想，明確了其內(nèi)外關(guān)系；采用超網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模的方法，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信息流轉(zhuǎn)能力進(jìn)行了評(píng)估，為空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)防護(hù)和改進(jìn)提供了依據(jù)。

1 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)構(gòu)建原則

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)構(gòu)建主要堅(jiān)持3 個(gè)重要原則［3］：一是堅(jiān)持空軍主導(dǎo)，與指揮體制相適應(yīng)?！吨腥A人民共和國(guó)飛行基本規(guī)則》明確指出：“中華人民共和國(guó)對(duì)境內(nèi)所有飛行實(shí)行統(tǒng)一的飛行管制，國(guó)務(wù)院、中央軍事委員會(huì)空中交通管制委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)全國(guó)的飛行管制工作，中國(guó)人民解放軍空軍負(fù)責(zé)統(tǒng)一組織實(shí)施?！彪S著戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)指揮體制的建立，形成了“軍委管總，軍種主建，戰(zhàn)區(qū)主戰(zhàn)”的新格局，戰(zhàn)區(qū)成為本方向唯一的最高指揮機(jī)構(gòu)。對(duì)于空戰(zhàn)場(chǎng)管制而言，仍要堅(jiān)持管制委領(lǐng)導(dǎo)，由空軍平戰(zhàn)結(jié)合組織空戰(zhàn)場(chǎng)的建設(shè)管理，統(tǒng)一組織實(shí)施全國(guó)飛行管制，以確保管制系統(tǒng)平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換的順利實(shí)施。二是軍地結(jié)合，堅(jiān)持平戰(zhàn)一致?？諔?zhàn)場(chǎng)是空中力量遂行作戰(zhàn)任務(wù)的空間范圍?？沼蚱綍r(shí)是準(zhǔn)戰(zhàn)場(chǎng)，用于日常防空戰(zhàn)備、保衛(wèi)領(lǐng)空安全，實(shí)行準(zhǔn)軍事化管理，戰(zhàn)時(shí)則是典型的空戰(zhàn)場(chǎng)，實(shí)行軍事化管理。空戰(zhàn)場(chǎng)建于平時(shí)，用于平時(shí)，更用于戰(zhàn)時(shí)。因此，空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)建設(shè)中，要以平時(shí)為基礎(chǔ)，并著眼于戰(zhàn)時(shí)，著眼于國(guó)防，既保證民用飛行暢通，又滿(mǎn)足作戰(zhàn)飛行需求；既有效保證正常飛行，又有利于迅速處置突發(fā)事件。三是立足空防安全，空管空防一體。戰(zhàn)區(qū)空戰(zhàn)場(chǎng)管制與防空作戰(zhàn)行動(dòng)是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上最為突出的矛盾。戰(zhàn)區(qū)空戰(zhàn)場(chǎng)管制的目的是組織、協(xié)同和控制空域的使用，以增強(qiáng)軍事行動(dòng)效能的行為。防空作戰(zhàn)是對(duì)進(jìn)入己方上空的敵目標(biāo)進(jìn)行攻擊。如果戰(zhàn)區(qū)空域管制與防空作戰(zhàn)行動(dòng)各行其是、獨(dú)自展開(kāi)，那么兩者之間必須發(fā)生沖突或相互干擾，甚至出現(xiàn)誤傷的現(xiàn)象。如果兩者能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，空域管制職能的發(fā)揮就會(huì)與防空作戰(zhàn)行動(dòng)保持協(xié)調(diào)一致，提高防空作戰(zhàn)的目標(biāo)捕捉和敵我識(shí)別能力，既可以對(duì)空襲之?dāng)尺M(jìn)行有力的打擊，又能防止相互干擾和誤傷。

1.2 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)要與當(dāng)前的指揮體制相適應(yīng)，這是管制系統(tǒng)構(gòu)建的第一原則。由于空戰(zhàn)場(chǎng)管制是由空軍主導(dǎo)，屬于空中作戰(zhàn)指揮控制的一部分，戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)空戰(zhàn)場(chǎng)管制體系更加強(qiáng)調(diào)與空中作戰(zhàn)指揮體系相一致。當(dāng)前，“軍委聯(lián)指-戰(zhàn)區(qū)聯(lián)指-任務(wù)部隊(duì)”的聯(lián)合作戰(zhàn)指揮格局已經(jīng)基本形成，聯(lián)合空中作戰(zhàn)行動(dòng)指揮控制鏈路（以制空作戰(zhàn)為例）為：戰(zhàn)區(qū)聯(lián)指（空中作戰(zhàn)分中心）——區(qū)域空防作戰(zhàn)基地指揮機(jī)構(gòu)/空中機(jī)動(dòng)指揮所（預(yù)警機(jī)、指通機(jī)）——任務(wù)兵力。

圖1 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)層次設(shè)計(jì)

按照職能和作用劃分，聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮體系可區(qū)分為戰(zhàn)略籌劃層、戰(zhàn)役籌劃/計(jì)劃層、戰(zhàn)術(shù)計(jì)劃層和戰(zhàn)術(shù)控制層，對(duì)應(yīng)軍委聯(lián)指（空中分中心）——戰(zhàn)區(qū)聯(lián)指（空中分中心）——空中集群——空中群隊(duì)。因此，結(jié)合戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮體系和空戰(zhàn)場(chǎng)需要，依托現(xiàn)行飛行管制機(jī)構(gòu)，可以構(gòu)建“軍委聯(lián)指空戰(zhàn)場(chǎng)管制中心——戰(zhàn)區(qū)聯(lián)指空戰(zhàn)場(chǎng)管制中心——區(qū)域空戰(zhàn)場(chǎng)管制中心- 機(jī)場(chǎng)管制中心”四級(jí)空戰(zhàn)場(chǎng)管制體系（如圖1 所示），各級(jí)管制中心均為本級(jí)指揮機(jī)構(gòu)指揮控制中心內(nèi)部的一個(gè)部門(mén)，受本級(jí)作戰(zhàn)指揮員指揮。各級(jí)管制中心對(duì)下級(jí)管制中心構(gòu)成指揮關(guān)系和業(yè)務(wù)指導(dǎo)關(guān)系，與相關(guān)民航管制部門(mén)構(gòu)成管制協(xié)調(diào)關(guān)系，與本級(jí)作戰(zhàn)、情報(bào)、通信、領(lǐng)航、雷達(dá)、氣象等相關(guān)部門(mén)之間構(gòu)成協(xié)同關(guān)系。

2 空戰(zhàn)場(chǎng)管制體系超網(wǎng)絡(luò)建模

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空戰(zhàn)場(chǎng)管制職能所必須的組織、人員、政策、規(guī)程和設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有典型網(wǎng)絡(luò)化特征的分層、分布式一體化復(fù)雜系統(tǒng)，具有節(jié)點(diǎn)異質(zhì)、鏈路多重、拓?fù)鋾r(shí)變等特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為［5］：網(wǎng)絡(luò)嵌套、多層特征、多級(jí)特征、多維流量、多種屬性、擁塞性、優(yōu)化不一致問(wèn)題等。對(duì)具有這種結(jié)構(gòu)特征的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要采用超網(wǎng)絡(luò)建模的方法進(jìn)行研究。

2.1 節(jié)點(diǎn)與關(guān)系描述

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)是由功能節(jié)點(diǎn)和信息連邊構(gòu)成的。定義了系統(tǒng)的功能節(jié)點(diǎn)和信息連邊，就能對(duì)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述［6］。對(duì)于任意一個(gè)功能節(jié)點(diǎn)V，可以定義為：

顯然，任意一條超邊都是由節(jié)點(diǎn)和關(guān)系構(gòu)成的。

2.2 管制體系信息流模體

按照空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)中3 類(lèi)基本信息類(lèi)型：情報(bào)信息、指控信息和狀態(tài)信息產(chǎn)生、處理和使用過(guò)程對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中所有的信息流總結(jié)提煉，提出空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的情報(bào)信息流模體（I-Flow）、指控信息流模體（C-Flow）、協(xié)同信息流模體（S-Flow）3類(lèi)信息流模體［7］，見(jiàn)下頁(yè)表1。

2.3 流模體超網(wǎng)絡(luò)模型

表1 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)中的流模體

在空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)中，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間都可能相互關(guān)聯(lián)或者通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，但在這些關(guān)系中，只有一部分是有關(guān)鍵意義的，比如能完成一定功能的鏈路，基于流模體的建模就是基于這種考慮。

以區(qū)域級(jí)別的空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)為例，其基于信息流模體的超網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于信息流模體的空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)超網(wǎng)絡(luò)建模

其中，管制指控節(jié)點(diǎn)：區(qū)域管制中心、預(yù)警機(jī)及機(jī)場(chǎng)；信息處理節(jié)點(diǎn)：情報(bào)處理融合中心；信息獲取節(jié)點(diǎn)：雷達(dá)；管制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)：飛行器。

3 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性度量

未來(lái)空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)起到維護(hù)戰(zhàn)場(chǎng)秩序，提高空域資源使用效率和增強(qiáng)作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵作用，面臨著大容量、高時(shí)效和激烈的對(duì)抗性，是對(duì)手重點(diǎn)攻擊的目標(biāo)，因此，為保證管制活動(dòng)的連續(xù)、有序、有效，空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)必須具備靈活性、高效性和魯棒性。

3.1 節(jié)點(diǎn)重要性

對(duì)于管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)重要性排序是一個(gè)非常重要的分析過(guò)程，通過(guò)節(jié)點(diǎn)重要性排序分析，能夠確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)H 中重要節(jié)點(diǎn)，從而加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的防護(hù)和備份，對(duì)于維持系統(tǒng)的持續(xù)性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。反之，對(duì)敵管制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的重要性分析，能夠便于發(fā)現(xiàn)敵管制系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)敵重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選擇性攻擊，實(shí)現(xiàn)破敵管制體系的作用。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)重要性分析還是系統(tǒng)魯棒性分析的基礎(chǔ)。

3.2 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)靈活性

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)靈活性是對(duì)空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)內(nèi)外部環(huán)境變化的能力度量。系統(tǒng)的靈活性由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的適變空間大小，及相應(yīng)的適變代價(jià)決定，適變空間越大，適變代價(jià)越小，則系統(tǒng)的靈活性越大。用空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)流模體組合性度量適變空間，用其流模體的平均時(shí)延度量適變代價(jià)，則空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)的靈活性可以表述為：

3.3 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)高效性

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)高效性是對(duì)空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行效率的綜合度量。一般采用空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成任務(wù)的平均時(shí)延，來(lái)反映其在完成任務(wù)的高效性?？諔?zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)H 完成任務(wù)的平均時(shí)延，應(yīng)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中3 類(lèi)信息流模體平均時(shí)延的加權(quán)平均，即：

顯然，空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完成任務(wù)的平均時(shí)延越小，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越高效。

3.4 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)魯棒性

空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)魯棒性是指系統(tǒng)單元及單元關(guān)系不確定（失效或降效）情況下仍保持原有效能的能力。如果空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)H 受到攻擊后，變?yōu)镠'，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中信息流模體損毀度可用下式衡量：

由于不同類(lèi)型的空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)流模體，表達(dá)的含義有所區(qū)別，因此，總的損毀程度可看作是各種類(lèi)流模體損毀程度的加權(quán)求和。即：

其中，δ≥0 用以控制不同等級(jí)之間抽樣概率的間隔密度。當(dāng)δ=0 時(shí)，各等級(jí)目標(biāo)的抽樣概率相同，抽樣過(guò)程等同于等概率抽樣，代表了隨機(jī)攻擊模式；當(dāng)δ＞0 時(shí)，隨著δ 的不斷增大，排名靠后的抽樣概率變小，排名靠前的節(jié)點(diǎn)的抽樣概率不斷增大。因此，δ 反應(yīng)的是對(duì)系統(tǒng)認(rèn)知的程度，δ 越大認(rèn)知準(zhǔn)確度越高。

4 管制體系評(píng)估及算例分析

表2 有向連邊的集合及時(shí)延測(cè)度

每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)信息的處理能力和速度不同，存在不同的時(shí)延測(cè)度，見(jiàn)表3。

令（αI，αC，αS）=（0.375，0.375，0.25），對(duì)空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析。

4.1 節(jié)點(diǎn)重要性

根據(jù)表1 中所示流模體模式，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)H 中所有流模體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到情報(bào)信息流模體24 條，指控信息流模體32 條，反饋與協(xié)同信息流模體124條。根據(jù)式（6），計(jì)算各管制節(jié)點(diǎn)的重要程度，如表4所示。

顯然，基于流模體的管制節(jié)點(diǎn)重要性分析方法能夠判斷出節(jié)點(diǎn)在不同流模體中的重要性，從而體現(xiàn)出節(jié)點(diǎn)在不同功能環(huán)節(jié)中發(fā)揮的作用地位。由該重要性程度分析結(jié)果可以看出，區(qū)域管制中心和預(yù)警指揮機(jī)的重要程度最高，要注意該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的隱蔽、防護(hù)和備份。特別是預(yù)警機(jī)作為高價(jià)值目標(biāo)，要在確保安全的前提下，發(fā)揮其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作用。

表3 節(jié)點(diǎn)信息處理時(shí)延

表4 管制節(jié)點(diǎn)重要性排序

4.2 系統(tǒng)靈活性與高效性

將表2、表3 數(shù)據(jù)代入式（7）、式（8），得到空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)的高效性和靈活性指標(biāo)，如表5 所示。

表5 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)高效性和靈活性指標(biāo)

由該結(jié)果可以看出，指控流模體的平均時(shí)延較大，不利于瞬息萬(wàn)變的空戰(zhàn)場(chǎng)空情變化對(duì)管制指揮的需要。因此，要進(jìn)一步梳理優(yōu)化信息流程，降低指控流模體的平均時(shí)延。

4.2 系統(tǒng)魯棒性

設(shè)敵對(duì)我空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)認(rèn)知的程度為：δ=0.5。按照表4 的節(jié)點(diǎn)重要性排序，采用20 次不等概率抽樣，分別對(duì)1、2、3、4 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊的蒙特卡羅仿真結(jié)果，如表6 和圖3 所示。

表6 空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)魯棒性仿真結(jié)果

圖3 不同數(shù)目節(jié)點(diǎn)損毀后的系統(tǒng)有效性

可以看出，該曲線是一個(gè)“反S”曲線，即在已知的信息范圍內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性攻擊，隨著系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)損毀數(shù)目的增加，系統(tǒng)有效性降低的速率先增加后減小。假設(shè)對(duì)于該空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)而言，要正常的發(fā)揮管制作用，需保持55%以上的有效性，利用線性插值法得到對(duì)應(yīng)的損毀節(jié)點(diǎn)數(shù)目為2.14，即為空戰(zhàn)場(chǎng)管制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)H 的魯棒性度量。當(dāng)δ=0.5時(shí)，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為清晰，當(dāng)系統(tǒng)的損毀節(jié)點(diǎn)平均數(shù)超過(guò)2.14 時(shí)系統(tǒng)將失效。

對(duì)于不同的系統(tǒng)而言，利用靈活性、高效性和魯棒性指標(biāo)，能夠?qū)ο到y(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的靈活性、高效性和魯棒性進(jìn)行比較，從而得到較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或者找到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方向。

5 結(jié)論

本文依據(jù)管制系統(tǒng)構(gòu)建原則，提出了“四級(jí)空戰(zhàn)場(chǎng)管制體系”構(gòu)想，能夠較好地契合當(dāng)前戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合作戰(zhàn)，特別是戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合空中作戰(zhàn)指揮體制。采用基于流模體的超網(wǎng)絡(luò)建模方法對(duì)管制系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠從信息流的角度，衡量系統(tǒng)的有效性、高效性和魯棒性，克服了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)度量中出現(xiàn)的“結(jié)構(gòu)冗余”和“無(wú)效連接”評(píng)價(jià)等現(xiàn)象。該方法能給出管制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在不同功能中的重要性程度和結(jié)構(gòu)特性度量結(jié)果，為管制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)防護(hù)或?qū)彻?jié)點(diǎn)打擊選擇提供直接依據(jù)，為管制系統(tǒng)優(yōu)化指明了方向。