基于超網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)保障體系能力評(píng)估

葛萌萌，楊 鋒

（1.西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

0 引言

情報(bào)保障是體系作戰(zhàn)的重要組成部分，是能打仗、打勝仗的關(guān)鍵因素［1］。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，情報(bào)保障體系組成結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，工作模式愈發(fā)多樣。因此，對(duì)于愈加復(fù)雜的情報(bào)保障體系，如何科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)估其體系能力對(duì)于情報(bào)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)以及體系建設(shè)等具有重要意義。

傳統(tǒng)的體系能力評(píng)估方法大多通過(guò)建立具體的指標(biāo)體系，利用多層次指標(biāo)聚合方法實(shí)現(xiàn)體系能力評(píng)估［2-5］，這類(lèi)方法可以較好地反映裝備性能對(duì)體系能力的影響，但是無(wú)法體現(xiàn)裝備間的相互作用。隨著復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、超網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論的發(fā)展，學(xué)者發(fā)現(xiàn)超網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)模型可以用于分析裝備間相互作用對(duì)體系能力的影響，因此，基于超網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的體系能力評(píng)估得到了廣泛關(guān)注［6-7］。文獻(xiàn)［7］基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出了基于作戰(zhàn)環(huán)的裝備體系方法，為后續(xù)基于作戰(zhàn)環(huán)的體系能力評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［8］利用熵權(quán)法計(jì)算作戰(zhàn)環(huán)中邊的權(quán)重，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈裝備體系效能評(píng)估。文獻(xiàn)［9］將作戰(zhàn)環(huán)與改進(jìn)信息熵相結(jié)合，對(duì)作戰(zhàn)武器裝備體系效能進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)［10］將圖示評(píng)審技術(shù)（graphical evaluation and review technique，GERT）引入作戰(zhàn)環(huán)中，通過(guò)推導(dǎo)等價(jià)傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)武器裝備體系能力評(píng)估，但是該方法假設(shè)裝備節(jié)點(diǎn)效能是一個(gè)服從一定概率分布的隨機(jī)變量，這個(gè)假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

針對(duì)情報(bào)保障體系能力評(píng)估問(wèn)題，文獻(xiàn)［11］對(duì)預(yù)警情報(bào)保障體系進(jìn)行超網(wǎng)絡(luò)建模，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的角度分別對(duì)體系情報(bào)效能、節(jié)點(diǎn)重要度以及抗毀性進(jìn)行衡量評(píng)價(jià)，并提出情報(bào)效能環(huán)的概念。文獻(xiàn)［12］利用情報(bào)效能環(huán)的數(shù)量和路徑長(zhǎng)度作為體系能力的評(píng)估指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算平均情報(bào)效能環(huán)長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)情報(bào)保障體系能力評(píng)估，但是該方法沒(méi)有考慮效能環(huán)中裝備節(jié)點(diǎn)的性能。

本文針對(duì)情報(bào)保障體系能力評(píng)估問(wèn)題，在文獻(xiàn)［12］的基礎(chǔ)上，考慮裝備節(jié)點(diǎn)性能，提出了基于超網(wǎng)絡(luò)的體系能力評(píng)估方法。根據(jù)情報(bào)保障流程，對(duì)情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)中的裝備節(jié)點(diǎn)以及交互關(guān)系進(jìn)行建模。利用改進(jìn)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算情報(bào)效能環(huán)能力值，從而實(shí)現(xiàn)體系能力評(píng)估，并將其應(yīng)用于體系能力增量評(píng)估。通過(guò)案例分析驗(yàn)證所提方法的有效性和合理性。

1 情報(bào)保障體系的超網(wǎng)絡(luò)建模

1.1 情報(bào)保障體系的網(wǎng)絡(luò)抽象

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)，情報(bào)保障的一般流程為：通過(guò)對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行偵察探測(cè)，獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理分析，形成情報(bào)產(chǎn)品，最終將情報(bào)產(chǎn)品分發(fā)給各情報(bào)用戶(hù)，以支持用戶(hù)做決策，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行處置，其信息流轉(zhuǎn)圖如圖1 所示［11］。

圖1 情報(bào)保障體系信息流轉(zhuǎn)圖Fig.1 Information flow chart of the intelligence support system-of-systems（SoS）

根據(jù)各裝備實(shí)體在情報(bào)保障體系中發(fā)揮的功能作用，可以將其抽象為4 類(lèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即搜集節(jié)點(diǎn)（S）、處理節(jié)點(diǎn)（P）、用戶(hù)節(jié)點(diǎn)（U）和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（T）。根據(jù)這4 類(lèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及各節(jié)點(diǎn)間的相依關(guān)系，可以構(gòu)成包含搜集網(wǎng)、處理網(wǎng)、用戶(hù)網(wǎng)以及目標(biāo)網(wǎng)的情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)模型，其示意圖如圖2 所示。

圖2 情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Fig.2 The schematic diagram of the super-network model for the intelligence support system-of-systems

1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建模

在情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)中，搜集節(jié)點(diǎn)S 主要為雷達(dá)、衛(wèi)星等具有目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)搜集功能的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)兼具一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理功能，如目標(biāo)檢測(cè)、定位等；處理節(jié)點(diǎn)P 主要為數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)對(duì)搜集節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合等處理，并加以分析生成各類(lèi)情報(bào)產(chǎn)品；用戶(hù)節(jié)點(diǎn)U 主要為具有情報(bào)需求與指揮控制功能的指揮機(jī)構(gòu)、行動(dòng)分隊(duì)、武器平臺(tái)等節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)決策指揮，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行處置；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)T 主要為敵方目標(biāo)。

對(duì)節(jié)點(diǎn)V 進(jìn)行規(guī)范化描述，為后續(xù)能力增量評(píng)估提供支撐。節(jié)點(diǎn)V 可以表示為：

情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能力指標(biāo)集合I，如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)能力指標(biāo)集合Fig.3 The index set of capability of nodes

1.3 網(wǎng)絡(luò)交互關(guān)系建模

情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)中主要存在3 種交互關(guān)系，即目標(biāo)偵察、信息傳輸和目標(biāo)處置。本節(jié)主要對(duì)這3 種交互關(guān)系進(jìn)行建模。

1.3.1 目標(biāo)偵察交互關(guān)系

目標(biāo)偵察交互關(guān)系在網(wǎng)絡(luò)中涉及的邊為T(mén)→S，衡量搜集節(jié)點(diǎn)對(duì)敵方目標(biāo)的偵察能力，主要與搜集節(jié)點(diǎn)的偵察能力以及目標(biāo)的防御能力有關(guān)。T→S 邊的能力值可以表示為：

1.3.2 信息傳輸交互關(guān)系

信息傳輸交互關(guān)系依賴(lài)于節(jié)點(diǎn)間的通信能力，網(wǎng)絡(luò)中通信能力指標(biāo)集合，如圖4 所示。

圖4 通信能力指標(biāo)集合Fig.4 The index set of communication capability

信息傳輸交互關(guān)系涉及到的邊包括搜集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸給處理節(jié)點(diǎn)S→P、處理節(jié)點(diǎn)間信息交互P→P、處理節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)品傳輸給用戶(hù)節(jié)點(diǎn)P→U 以及用戶(hù)節(jié)點(diǎn)間信息交互U→U。

1）S→P

S→P 邊的能力值僅與搜集節(jié)點(diǎn)和處理節(jié)點(diǎn)間的通信能力有關(guān)，可以表示為：

2）P→P 和P→U

P→P 和P→U 邊的能力值不僅與節(jié)點(diǎn)間的通信能力有關(guān)，還與處理節(jié)點(diǎn)的處理能力有關(guān)。具體地，以邊P1→P2為例，根據(jù)下式計(jì)算處理節(jié)點(diǎn)P1的處理能力：

節(jié)點(diǎn)P1和P2之間的通信能力可以表示為：

P1→P2邊的值為：

同理，P→U 邊的能力值為：

3）U→U

U→U 邊的能力值依賴(lài)于節(jié)點(diǎn)間的通信能力和用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的指揮決策能力。以邊U1→U2為例，其能力值為：

1.3.3 目標(biāo)處置交互關(guān)系

目標(biāo)處置交互關(guān)系主要衡量用戶(hù)節(jié)點(diǎn)對(duì)敵方目標(biāo)的處置能力，在網(wǎng)絡(luò)中涉及的邊為U→T，其能力值主要與用戶(hù)節(jié)點(diǎn)的決策能力和目標(biāo)的防御能力有關(guān)。U→T 邊的能力值可以表示為：

2 情報(bào)保障體系能力評(píng)估方法

本章基于情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)模型，利用情報(bào)效能環(huán)對(duì)情報(bào)保障體系能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)節(jié)點(diǎn)的能力指標(biāo)以及邊的通信能力指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算體系網(wǎng)絡(luò)中每條邊的能力值，通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算情報(bào)效能環(huán)的能力值，從而求得體系能力值，最終實(shí)現(xiàn)體系能力增量評(píng)估。

2.1 指標(biāo)歸一化處理

在計(jì)算邊的能力值時(shí)，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的能力指標(biāo)以及邊的通信能力指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。本文的能力指標(biāo)可以分為效益型和成本型［14］，其中，效益型指標(biāo)歸一化函數(shù)為：

成本型指標(biāo)歸一化函數(shù)為：

2.2 情報(bào)效能環(huán)的能力值計(jì)算

2.2.1 情報(bào)效能環(huán)

借鑒OODA（observe-orient-decide-act）作戰(zhàn)環(huán)理論，根據(jù)情報(bào)保障流程，可以構(gòu)建以敵方目標(biāo)為起始節(jié)點(diǎn)的情報(bào)效能環(huán)［11-12］，如圖5 所示。

情報(bào)效能環(huán)分為標(biāo)準(zhǔn)情報(bào)效能環(huán)和廣義情報(bào)效能環(huán)，其中，標(biāo)準(zhǔn)情報(bào)效能環(huán)描述了情報(bào)網(wǎng)絡(luò)中最基本的情報(bào)保障過(guò)程，包含搜集、處理、用戶(hù)和目標(biāo)等節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)偵察、信息傳輸和目標(biāo)處置等交互關(guān)系。在實(shí)際情報(bào)保障體系中，處理節(jié)點(diǎn)之間可能存在信息共享、協(xié)同處理的關(guān)系，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)之間可能存在多級(jí)指揮控制關(guān)系等，因此，定義包含多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)協(xié)同處理或多個(gè)決策節(jié)點(diǎn)相互指揮控制的情報(bào)效能環(huán)為廣義情報(bào)效能環(huán)。

2.2.2 情報(bào)效能環(huán)能力值計(jì)算

以標(biāo)準(zhǔn)情報(bào)效能環(huán)T→S→P→U→T 為例，網(wǎng)絡(luò)中該類(lèi)型的效能環(huán)總能力值為：

2.2.3 體系能力增量評(píng)估

通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算出每一類(lèi)情報(bào)保障效能環(huán)總能力值后，則該情報(bào)保障體系能力值為：

其中，NH為體系中情報(bào)效能環(huán)的類(lèi)型數(shù)。

假設(shè)存在兩個(gè)情報(bào)保障體系G1和G2，其中，G1為舊體系；G2為新體系，則新體系G2相對(duì)于G1的體系能力增量為：

其中，C1和C2分別為體系G1和G2的能力值。

綜上，基于超網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)保障體系能力增量評(píng)估流程，如圖6 所示。

圖6 基于超網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)保障體系能力增量評(píng)估算法流程圖Fig.6 The flow chart of capability increment evaluation algorithm for intelligence support system-of-systems based on super-network

3 示例分析

本章以典型情報(bào)保障體系為例，對(duì)提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證分析，進(jìn)一步說(shuō)明方法的有效性。

3.1 場(chǎng)景想定

假設(shè)敵方分別從?？张汕矓硻C(jī)T1和艦船T2對(duì)我方沿海軍事港口進(jìn)行襲擊，我方偵察飛機(jī)S1、預(yù)警機(jī)S2、衛(wèi)星S3、巡洋艦S4以及沿海岸基雷達(dá)S5對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行偵察搜索，并將其偵察信息傳輸至地面機(jī)動(dòng)式處理中心P1，處理中心通過(guò)綜合處理分析后，將目標(biāo)的位置等信息分別發(fā)送至前方指控中心U1和后方指控中心U2，各用戶(hù)對(duì)敵目標(biāo)進(jìn)行處置打擊，其作戰(zhàn)概念圖如圖7 所示。

圖7 作戰(zhàn)概念圖Fig.7 The map of operational concept

根據(jù)上述作戰(zhàn)概念圖，可以構(gòu)建如下頁(yè)圖8 所示的情報(bào)保障網(wǎng)絡(luò)，由于預(yù)警機(jī)同時(shí)具備搜索偵察和處理功能，因此，將預(yù)警機(jī)抽象為搜集節(jié)點(diǎn)S2和處理節(jié)點(diǎn)P2。

圖8 情報(bào)保障體系超網(wǎng)絡(luò)模型Fig.8 The super-network model of the intelligence support system-of-systems

各搜集節(jié)點(diǎn)、處理節(jié)點(diǎn)、用戶(hù)節(jié)點(diǎn)以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的功能指標(biāo)分別如表1～表4 所示。

表1 搜集節(jié)點(diǎn)功能指標(biāo)Table 1 The function indexes for collection nodes

表3 用戶(hù)節(jié)點(diǎn)功能指標(biāo)Table 3 The function indexes for user's nodes

表4 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)功能指標(biāo)Table 4 The function indexes for target nodes

各節(jié)點(diǎn)通信能力指標(biāo)如表5 所示。

表5 各節(jié)點(diǎn)通信能力指標(biāo)Table 5 The capability indexes for communication capability of each node

3.2 體系能力評(píng)估

根據(jù)上述各節(jié)點(diǎn)功能與通信指標(biāo)以及超網(wǎng)絡(luò)模型，可以得到網(wǎng)絡(luò)中各邊的值，如表6 所示。

表6 網(wǎng)絡(luò)中各邊的值Table 6 The values for each side of edge in the network

進(jìn)而，根據(jù)式（16）構(gòu)造改進(jìn)轉(zhuǎn)移矩陣，以處理節(jié)點(diǎn)與用戶(hù)節(jié)點(diǎn)為例，其改進(jìn)轉(zhuǎn)移矩陣可以寫(xiě)為：

通過(guò)觀(guān)察圖8 所示的情報(bào)保障超網(wǎng)絡(luò)，可以發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)中共存在4 種類(lèi)型的情報(bào)效能環(huán)，即：T→S→P→U→T、T→S→P→P→U→T、T→S→P→U→U→T、T→S→P→P→U→U→T，根據(jù)式（17），分別可以求出各類(lèi)型的情報(bào)效能環(huán)的能力值為：

從而，整個(gè)體系的能力值為：

進(jìn)一步驗(yàn)證值的準(zhǔn)確性，本文將每條情報(bào)效能環(huán)的能力值計(jì)算出來(lái)，如下頁(yè)表7 所示。

表7 情報(bào)效能環(huán)能力值列表Table 7 The list for capability values of intelligence effectiveness loops

根據(jù)表7 進(jìn)一步驗(yàn)證了提出算法的有效性，同時(shí)相比需要計(jì)算每一個(gè)情報(bào)效能環(huán)的能力值，提出的算法計(jì)算速度更快，不需要人工參與的程度更高。

為了更直觀(guān)地顯示，將關(guān)于兩個(gè)目標(biāo)的各情報(bào)效能環(huán)能力值按序號(hào)（目標(biāo)T2的序號(hào)值20～38 分別對(duì)應(yīng)于1～19）展示如圖9 所示。

圖9 情報(bào)效能環(huán)能力值Fig.9 The capability values of intelligence effectiveness loops

從圖9 可以觀(guān)察到以下結(jié)論：

目標(biāo)T2的情報(bào)效能環(huán)的能力值整體上大于目標(biāo)T1的能力值，這是由于目標(biāo)T2的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于T1，使得對(duì)T2的偵察能力（T→S）和處置能力（U→T）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T1所造成的；

分別對(duì)比序號(hào)1 和9、2 和11、4 和15、6 和16以及8 和17，可以看出1、2、4、6、8 情報(bào)效能環(huán)的能力值分別大于9、11、15、16、17，這是由于在偵察邊以及處理邊相同的情況下，環(huán)路變長(zhǎng)，時(shí)效性降低，能力值下降。

3.3 能力增量評(píng)估

假設(shè)圖8 為新的情報(bào)保障體系，在面向目標(biāo)T1和T2的舊體系中，假設(shè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)S3損壞，無(wú)法調(diào)用，其余節(jié)點(diǎn)均正常工作，舊的情報(bào)保障體系網(wǎng)絡(luò)模型如下頁(yè)圖10 所示。根據(jù)本文提出的方法，可以算出舊情報(bào)保障體系能力值為：

圖10 舊情報(bào)保障體系網(wǎng)絡(luò)模型Fig.10 The network model of the old intelligence support system-of-systems

進(jìn)而，面向目標(biāo)T1和T2，新情報(bào)保障體系的能力增量為：

4 結(jié)論

本文針對(duì)情報(bào)保障體系評(píng)估難的問(wèn)題，提出了一種基于超網(wǎng)絡(luò)的情報(bào)保障體系能力評(píng)估方法，通過(guò)構(gòu)造面向目標(biāo)的情報(bào)保障超網(wǎng)絡(luò)模型，利用改進(jìn)轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算每類(lèi)情報(bào)效能環(huán)的能力值，進(jìn)而計(jì)算出體系能力值，從而實(shí)現(xiàn)體系能力增量評(píng)估。通過(guò)案例分析進(jìn)一步說(shuō)明了所提方法的有效性，可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的方法計(jì)算速度更快，有利于后續(xù)工程化實(shí)現(xiàn)。