联合机动编队作战体系网络化描述

2012-09-02王俐莉侯向阳

指挥控制与仿真 2012年4期

吴柱,王俐莉,侯向阳

(海军指挥学院,江苏南京 210016)

随着信息化技术的飞速发展,各种高新技术装备不断装备部队,体系对抗已经成为未来海战场的主旋律。对作战体系的抽象描述是认识作战体系的关键。其中运用图论的方法,从拓扑的角度,将作战体系的实体抽象为节点,并且将这些实体之间交互的流抽象为边,从而得到作战体系网是认识和理解作战体系的一个重要途径。由于海上联合机动编队兵力多,组织结构复杂,除了一般复杂系统的基本特性外,还有自己独特的特性。在开展海上联合机动编队作战体系研究时,迫切需要一套适合于抽象和描述其作战体系的规则。本文在对作战体系概念及基本要素进行分析的基础上,结合海上联合机动编队特点,对海上联合机动编队作战体系网络化描述的原则和步骤进行了研究,并制定了相关规则。

1 联合机动编队作战体系

目前由于研究背景和研究领域的不同,对体系及作战体系的定义较多。虽然对体系的定义有所差异,但一般都认为体系是由若干系统组成的一个整体,各系统之间存在着相互联系和相互作用,具有独立性、关联性以及涌现性和演化性等特点。文献[1]给出了作战体系的定义“作战体系是一个具有适应威胁环境的动态系统,它是由具有自主特性的传感、指控、通信、火力系统(实体、节点、单元、子网络)组构而成,但这些组分系统本身具有独立功能,规模可伸缩,具有适应性。作战体系与组分系统相比,具有更强的自组织特性和涌现性。”那么海上联合机动编队作战体系指的就是由联合机动编队内部的传感、指控、通信、火力系统根据一定关系组构而成,具有动态性、开放性等特点的复杂系统。该类型系统主要包括要素如图1所示。

图1 作战体系基本要素

1.1 时空变量

时空变量主要描述的是作战体系中的各实体节点和空间流存在的时空位置。如某一舰艇XXX时刻位于东经XXX,北纬XXX。研究作战体系运行问题时,如果采取“时空切片法”——将作战体系运行问题进行分阶段、分海域研究,那么就可以通过“时空串联”将一个分阶段、分海域研究的作战过程完整地联接在一起,从而看出作战体系随时空要素的变化不断演变的过程及结果。

1.2 实体节点

实体节点指的是具备特定功能的系统节点,其不全是实际物理设施,可以是组织机构或作战单元,也可以是根据研究需要建立虚拟或者逻辑节点。在建立实际作战体系网时,节点可以分为“实装节点”和“虚装节点”。“实装节点”指的是在所研究问题中实际存在的物理实体(要素),如某一舰艇。而“虚装节点”指的是在所研究问题中存在的非物理实体(要素)或者非本级存在该功能的实体(要素),如用某舰艇代表了某一雷达的探测功能。“实装节点”突出功能和物理存在,而“虚装节点”则更强调功能。

指控节点指的是具备指挥控制功能的“实体”。现实军事中的指控实体往往都是主要由人组成并用于指挥控制其“下属”的组织,可以临时组建,较实际存在的装备更具灵活性,如XXX编队指挥所、XXX群指挥所等。探测型节点指的是具备探测功能的“人机结合”实体,如XXX雷达。通信型节点指的是具备通信(信息交互)功能的“人机结合”实体,如 XXX 电台。火力型节点指的是具备火力打击功能的“人机结合”实体,如XXX导弹。

1.3 空间流

空间流描述的是实体节点之间的交互关系。如果两个实体节点之间存在某种关系,则表示两者之间存在以某种形式交互的流。其中,物质流在作战体系中主要体现在一个实体节点从一个空间点到另一个空间点的位置改变,如某一舰艇一个点机动到另一个点的过程。能量流在作战体系中主要体现在一个实体节点与另一个实体节点的能量转换,如导弹攻击某一目标的过程。值得注意的是,能量流的出现可能伴随物质流的出现。信息流在作战体系中则主要体现在一个实体节点与另一个实体节点的信息交互,如两个舰艇彼此电台之间的通信过程。在信息流中根据交互载体及交互内容的不同,还可以分为指控型信息、探测型信息和通信型信息。通过节点和空间流的有机组合就构成了作战体系的基本结构框架,如果加上时空变量,就可以描述实时作战体系的运行结果。

2 海上联合机动编队作战体系网络化描述原则

2.1 适度抽象原则

在构建海上联合机动编队作战体系网时,只有对其建网因素进行适度抽象,才能使抽象做到既符合研究需求,又节省“成本”。要合理看待高“分辨率”与高“成本”之间的辩证关系。其实,根据所研究问题的研究目标,基本上就可以确定所需建立的联合机动编队作战体系网的分辨率。当分辨率对应用目标而言已经足够时,不需要继续分解下去,即只要能清楚地看到描述问题的最小粒度的信息,其抽象程度就可以满足使用的需求。如果所提取的结果已经满足需求,则不需要进一步细化,反之则需要进一步细化。如研究某一战斗问题,作战体系网的节点一般分解到某一“人机结合”的子系统即可满足需求。

2.2 真实可信原则

对海上联合机动编队作战体系进行抽象时,要确保所抽象出来的实体以及描述实体彼此之间关系的空间流真实可信。尤其是描述实体彼此之间关系的空间流,一旦抽象错误,将极有可能导致所建立的海上联合机动编队作战体系网难以真实地描述其内在结构,从而导致对海上联合机动编队作战体系认识发生偏差等。对实体节点和空间流的提取与确定需要做到有据可考,避免主观臆断。

2.3 针对问题原则

在对海上联合机动编队作战体系进行网络化抽象时,只有做到不偏离所关注的问题,才能在对所关注的问题进行合理分解的基础上,提取出能够详细描述问题的建网因素。如研究联合机动编队反潜作战时,抽取的探测节点则应以用于反潜搜索的实体为主,如XXX声纳,而其它辅助反潜作战行动的探测节点可能未必需要抽象提取,如XXX雷达。

3 海上联合机动编队作战体系网络化描述步骤及相关规则

对作战体系进行网络化描述可以分为:关系还原、要素提取、建立网络和校验网络四个步骤。各步骤的主要工作及相关规则如下描述。

3.1 关系还原

关系还原指的是梳理作战体系内部所存在的关系,其目的是还原作战体系结构,从顶层把握作战体系结构,为后续步骤做好准备。关系还原往往采取逐层分解的方式,一般依照指控关系、通信关系、探测关系和火力关系的顺序逐一进行。其中还原作战体系中的指控关系和通信关系至关重要。因为指控关系和通信关系是建立作战体系网的基础,也是校验作战体系网的最佳参照。

通过关系还原不但可以梳理清联合机动编队中各平台/子系统之间存在的关系,了解其内部结构,还可以初步建立一个作战体系内部的实体关系表。虽然这只是一个“草表”,但是这是后续步骤的基础。

图2 实体关系示意图

3.2 要素提取

要素提取指的是根据关系还原的结果,将作战体系中的指控、通信、探测以及火力实体抽象为节点,并且将这些实体之间的交互关系抽象为链路,建立实体关系表。在要素提取过程中,往往是先提取节点,然后根据节点对之间的关系提取链路(边)。在实体关系表中主要记录所抽象的节点对的名称、类型以及存在的关系。其中对节点所在的平台以及节点对之间所存在的关系往往还需加以标识,如表1所示。

表1 实体关系表

3.2.1 节点的提取规则及注意事项

1)提取规则

节点提取时,一般需要:

①将整个编队各级具备指控功能的实体提取为节点,如编队指挥所、群指挥所、舰艇指挥所等;

②将编队内具备探测功能的系统提取为探测节点,如将某一雷达系统、声纳系统等提取为节点;

③将编队内具备通信功能的系统提取为通信节点,如将某一电台系统提取为节点;

④将编队内具备火力打击功能的系统提取为火力节点,如可以将某一导弹系统提取为节点。当然,根据研究需要,也可以将某一鱼雷系统提取为节点。

图3为编队指挥所在A舰艇的关系网示意图。

图3 编队指挥所设在A舰艇的关系网示意图

2)注意事项

①虽然大部分作战平台都可以抽象出指控、通信、探测和火力这4类实体节点,但并非每个作战平台都可以/需要抽象出这 4类节点,往往需要结合具体平台具体分析;如不挂载导弹XXX飞机,往往无需抽象火力节点;

②节点的命名/ID具有唯一性特点。为了便于识别,探测节点、通信节点以及火力节点一般结合所在平台进行命名,如 XXX舰 XXX雷达节点,而指控节点则往往命名为 XXX指挥所节点或 XXX舰/艇/机指控节点;

③由于编队内各级指挥机构往往都是通过通信的手段达成对其它作战平台/系统的指挥,所以在提取指控型节点时,还需要考虑该节点所处的位置,即具体在哪一作战平台;

④任意作战平台均存在指控节点,所以每个作战平台均需要提取一个指控节点,如将飞机的飞行员提取指控节点;

⑤同时扮演多种指挥角色指控节点(担负多项指挥职责),如果为同一人/机构,且物理上位于同一平台,提取时只需要提取一个指控节点即可,即只需要采取节点合并的方式将两个或多个指控节点合为一个即可,无需再提取其它节点。如某飞行员既要操控本机作战,还要扮演战斗机群指挥所的角色指挥其它飞机作战,则只需要将该飞行员提取为 XXX机指控节点即可,当然还需要将其标识为战斗机群指挥所;

⑥无论所提取的节点是“实装节点”还是“虚装节点”,其仅能代表一项功能,应注意节点的分辨率问题。因为如果提取不当将难以真实描述作战体系。如研究 A舰艇与 B舰艇之间的协同打击目标问题,如果将各舰艇分别提取作为节点,那么所建立的关系网如图4所示。

图4 平台关系网示意图

从图4可以看出,如果仅仅用一条链路表示这些关系,势必出现的“关系同轴”问题(就像同轴电缆一样,里面包含了其它线路),从而掩盖了其“真实面目”,即难以描述两舰艇是如何实现协同作战的。即采取这种“分辨率”提取的节点难以反映出作战体系的真实性。而如果进一步提高节点的“分辨率”——将各舰艇的子系统分别提取作为节点,那么所建立的网络就如图5所示.

图5 子系统关系网示意图

由此可见,为了保证真实地反映出作战体系的内部关系,在提取节点时,两节点对之间只能存在一种关系。至于所提取节点的分辨率则应根据研究问题的需求而定。如果参照初步提取方案的分辨率进行提取节点,无法满足“需求”,则应该修改提取方案。

3.2.2 链路的提取规则及注意事项

1)指控型链路

指控型链路指的是根据指控节点与下属节点之间的关系而生成的指控型节点与下属节点之间的双向线路。指控链路承载的是指控信息流。由于指挥关系往往需要通过通信关系来达成,如果需要通过所在平台的通信节点来实现对其它作战平台的指控关系时,无需专门建立一条指控链路,往往由两个平台之间的通信链路来“替代”。因为一条指控关系是可以通过多条通信路径来实现的,这与实际也是相符的。而处于同一作战平台的指控链路由于无需通过通信节点来达成,则需提取。如B舰艇指挥员扮演群指挥所的角色对 A舰艇实施指挥,其指控链路提取如图6所示。

图6 指控链路示意图

2)探测型链路

探测型链路指的是根据探测节点(或具备探测功能的节点)与所被探测目标之间的关系而生成的从被探测目标指向探测节点(或具备探测功能的节点)的单向线路。如某探测节点发现一目标节点,则生成由目标节点指向该探测节点的链路。对于现阶段探测装备的能力而言,某一探测装备发现敌方目标往往只能发现平台,而难以发现该平台上的某一装备。如我方舰艇某一雷达搜索只能发现敌方舰艇,而无法发现敌方舰艇装载的具体导弹。所以为了更好地区分,这里作以下规定:

①如果所发现的目标是不具备“指挥所”的作战平台(指挥所与作战平台不在一起或者远离,如来袭导弹),则生成目标节点指向探测节点的链路;

②如果所发现的目标是具有“指挥所”的作战平台(指挥所与作战平台在一起),则生成目标平台指挥控制节点指向探测节点的链路。如发现某一艘敌水面舰艇,则生成该水面舰艇指挥控制节点指向探测节点的链路。例如,随着红方A舰艇机动,a)若该舰艇的一台雷达节点搜索并发现了蓝方一来袭 XXX型导弹,则产生一条由蓝方来袭导弹节点指向红方雷达节点的链路;b)若该舰艇的一台雷达节点搜索并发现了蓝方一艘 XXX型舰艇,则生成一条由蓝方舰艇上最高一级指挥控制节点指向红方雷达节点的链路(如果该舰艇既存在编队指挥所,又存在舰艇指挥所,则链路由编队指挥所指向雷达)。

3)攻击型链路

攻击型链路指的是根据火力型节点(或具备攻击功能的节点)与所被攻击目标之间的关系而生成的从攻击节点到被攻击节点(目标)的单向线路。当一方作战平台攻击敌方作战平台时,生成一条由该方火力打击节点指向敌方指挥节点的链路。生成攻击链路,以下两点值得注意:

①如果敌方目标是不具备“指挥所”的作战平台(指挥所与作战平台不在一起或者远离,如来袭导弹),则生成武器装备节点指向目标节点的链路;

②如果目标是具备“指挥机构”的作战平台(指挥所与作战平台在一起),则生成武器装备节点指向目标平台上最高一级指挥控制节点的链路。例如 A舰发现某一敌目标并采取措施:a)如果是敌来袭XXX导弹时,如果抗击,则生成一条由 A舰 XXX导弹节点指向来袭导弹的攻击链路;b)如果是敌编队指挥舰时,如果攻击,则生成一条由A舰XXX导弹节点指向敌编队指挥所的攻击链路。

4)通信型链路

通信型链路指的是根据两节点之间存在通信关系而生成的一个节点与另一个节点的单向或双向线路。一般情况通信型链路为双向链路,因为仅有特殊情况才会出现单向通信。如 A舰与 B舰之间通过XXX电台达成了通信关系,则生成一条A舰与B舰的双向通信链路。值得注意的是:

①所有探测节点、通信节点和火力节点均直接与本级指控节点建立指控关系,即生成双向指控链路,虽然流通的也是信息,但是为了区别于一般的信息,将其归为指控链路而非通信链路;

②各级指挥结构往往都是通过通信的手段达成对其它作战平台/系统的指挥,即无需直接建立指控链路,只需要通过通信链路“承载”指控信息即可。

3.3 建立网络

建立网络指的是通过要素提取所建立的联合机动编队作战体系“实体关系表”,采用图论的方式,建立“实体关系邻接矩阵(表)”,而后用网络图形描述软件绘制作战体系网的过程。通过这一过程而得到的作战体系网络图更有利于被人们所理解。其中通过实体关系表建立对应的实体关系邻接矩阵(表)至关重要。在实体关系邻接矩阵(表)中用“0”表示两节点之间没有关系,“1”则表示两节点之间存在某种关系,如表2所示。

表2 体关系邻接矩阵

节点n-1 0 1 …… 1 0节点n 1 0 …… 0 0

实体关系邻接矩阵是开展联合机动编队作战体系结构优化、体系对抗等问题研究的基础。一方面实体关系邻接矩阵(表)描述了联合机动编队作战体系的基本结构;另一方面联合机动编队作战体系的演化——在实体关系邻接矩阵(表)中都可以找到一一对应的关系——也就是节点/链路的演化。根据所建立的初始网络构建后续的演化网络的过程,就是结合所研究问题的需要,根据由各实体以及彼此之间关系的变化,在初始网络中删除(或生成)相关的链路或节点,从而得到新的联合机动编队作战体系网。在构建演化网络时值得注意的是:

1)节点一旦被删除则与之相关的链路就必定删除,而链路被删除与之相关的节点未必要被删除;

2)舰艇、潜艇的指控节点失效后,其它节点未必失效,而飞机的指控节点失效则与其相应的节点往往也失效,因为失去操控人员的飞机显然是难以继续存在;

3)如果某一作战平台被击毁,则在网络中表现为该平台的所有节点被删除,而如果该平台是被击伤,则在网络中表现为受损节点/链路被删除(或功能下降)。

3.4 校验网络

海上联合机动编队作战体系网构建后需要进行校验,以确保所建立的网络符合真实作战体系的特性。结合海上联合机动编队兵力特性制定以下基本校验规则:1)应符合真实编队的指挥控制结构,能够实现各级指挥机构的指控关系,且能保证指控信息流的正确性;2)应符合真实编队的通信结构,能真实反映信息交互过程以及信息交互路径的多样性;3)应能区分不同类型实体,尤其是指控、预警探测、通信和火力打击4类实体的差异;4)应能区分不同的作战平台,能真实反映各作战平台“子系统”的隶属关系;5)应能体现实体节点的物理存在关系,尤其是各级指挥所应能体现其开设于哪一作战平台,并体现其相互关系;6)一旦发现目标(或打击目标),应能通过网络中的探测节点和探测链路(或火力节点和攻击链路)来描述。

4 实例分析

假设联合机动编队由1艘巡洋舰、4艘驱逐舰、2艘护卫舰、1艘核动力潜艇、10架战斗机、1架预警机、1架电子战飞机、1架无人侦察机组成。设立1个编队指挥所(开设在巡洋舰),1个反舰作战指挥所(开设在 1号驱逐舰)、1个水面舰艇群指挥所(开设在2号驱逐舰)、1个空中指挥所(开设在1号预警机)和 2个战斗机群指挥所(战斗机群指挥所 1开设在 1号战斗机,战斗机群指挥所 2开设在 6号战斗机)。其中水面舰艇群指挥所负责指挥4艘驱逐舰和2艘护卫舰;战斗机群指挥所1负责指挥5架战斗机(1号-5号战斗机),战斗机群指挥所2负责指挥5架战斗机(6号-10号战斗机);编队指挥所直接指挥反舰作战指挥所;水面舰艇群指挥所、空中指挥所、1号核潜艇、1号电子战飞机、1号无人机和巡洋舰均受反舰作战指挥所直接指挥。还原联合机动编队的指挥关系和通信关系如图7、8所示。