面向网络中心战的指挥信息系统网络结构评估

田 田，胡焰智，尹才华，郑 瑜

(1．重庆通信学院通信指挥系，重庆400035;2．重庆通信学院信息工程系，重庆400035)

狭义的指挥信息系统与美军C4ISR系统概念相近，是以保障各级指挥机构对所属部队及武器平台实施科学高效的指挥控制为目的，实现作战信息从获取、传输、处理到利用的自动化，且具有指挥、控制、通信、信息处理、情报、侦察与监视功能的军事信息系统［1］。随着系统范围的拓展，国防信息基础设施建设和武器系统信息化建设也逐步纳入其中。指挥信息系统要素众多、组成复杂，属于复杂系统或体系［2］，对其难以进行完整的形式化分析和数学模型解析，但是能够对指挥信息系统部分问题和特定方面进行建模，从而实现定量与定性相结合的分析。在当前从平台中心战转向网络中心战的大环境下，必须要求指挥信息系统网络结构随之转变，面向使命任务构建作战体系时，指挥信息系统的网络结构影响着整个体系效能，针对网络结构存在的多样性和差异性，需要合适的定量分析与评估手段［3］。

针对这一问题，邓宏钟等［4］基于现代网络中心战中 C4ISR系统的特点，从复杂网络的角度对C4ISR系统结构进行了网络分析。李俊等［5］在以无标度网络模型构建战术通信网时，基于网络节点的多样性引入3类节点吸引系数，得到了更加均匀化的网络结构，从而改善了网络抗毁性。Li等［6］将C4ISR系统区分为指控、情报和通信，按照人工规划与随机生成相结合的方式生成了C4ISR系统拓扑结构模型。田旭光等［7-8］对指挥控制系统中的实体及其逻辑关系进行了形式化抽象和描述，建立了C2(Command and Control)系统的复杂网络模型，并对网络静态统计特征进行了分析;针对C2系统在对抗环境下的自适应重构机制，基于复杂网络理论和作战指挥原则，从重构触发机制、边修复策略、结构重量策略和重构评价机制等方面建立了模型。上述研究均基于复杂网络理论，主要关注指挥信息系统网络结构的“小世界”、“无标度”等统计特征和鲁棒性问题。而Dekker［9-11］借鉴社会网络理论对该问题进行了大量研究，提出了 FINC(Force，Intelligence，Networking and C2)的C4ISR网络结构分析方法。该方法强调指挥与控制是网络的核心，建立由指挥控制、情报信息、作战力量等单元构成的系统网络模型，采用信息利用效率、单元协同能力、网络中心度和情报信息总收益等参数来衡量网络的性能。该方法的优势是可以针对网络结构大的变化或小的调整进行比较分析与评估，从而研究指挥信息系统网络结构的优化方案;然而该方法没有考虑广泛存在于网络中的信息融合处理，也缺乏严格的数学描述［12］，并且其有限的节点类型难以表征以网络为中心的系统结构。

本文针对网络中心战的指挥信息系统网络建模，在FINC模型基础上提出了指挥信息系统网络结构定量分析方法，基于同一使命任务构建了传统和网络化指挥信息系统部署示例，验证了该方法的有效性。

1 指挥信息系统组织结构模型描述

对于由指挥信息系统连接各作战要素构成的体系，从中抽象出3类节点:1)指控节点集合H={h1，h2，…，hk}，主要是实现指挥控制功能，对应处理延时为 {d1，d2，…，dk};2)信息节点集合 I={i1，i2，…，im}，包括各类情报资源和侦察信息，其作用区域范围为 {A1，A2，…，Am}，对应的信息质量为 {p1，p2，…，pm}，且 pj∈［0，1］，j=1，2，…，m;3)作战单元节点集合C={c1，c2，…，cr}，包括作战人员和打击平台，其作用区域范围为{a1，a2，…，ar}，这里假设基于任务分解得到各作战单元节点对应的子任务区域无交叉重叠。而将所有节点之间的连接关系构成网络的边集合E={e1，e1，…，eq}，对应链路延时为{l1，l2，…，lq}，其中信息节点到指挥节点为单向连接，而其他节点之间为双向连接，因此该网络是一个有向赋权网络，记为 G=(H，I，C，E)。

定义1:对于∀ij∈I和∀ct∈C，若存在从 ij到ct的链，该链的延时为所经过的指挥节点延时和边延时之和;若存在多条链，则取延时最小者，称为从ij到ct的信息流。而整个网络G的信息流系数为所有信息流延时之和的平均值倒数，即为

PS提供了一种信息传输效率的度量，它用来表示网络G中将信息传递到执行子任务的作战单元的效率，对于作战网络，该值越大越好。

同理，∀ct1，ct2∈C，且 t1≠t2，取 ct1到 ct2延时最小的链，称为从ct1到ct2的协调流。而整个网络G的协调系数为所有协调流延时之和的平均值倒数，即为

PC用来度量网络G中作战单元协同活动的效率，对于作战网络，该值也是越大越好。

定义 2:若∀vj1，vj2∈(H∪I∪C)，j1≠j2，且存在从vj1到vj2的链，则节点vj1的中心度为

Zj1度量该节点离其他所有节点的远近程度，从而可以找到网络G中离所有其他节点最近的节点，它用来评价网络的重心。

定义3:∀ij∈I和∀ct∈C，若存在从 ij到 ct的链，同定义1，则有从 ij到 ct的信息流 flowij，ct。其情报系数为

情报系数表征的是一个信息节点对某个作战单元节点的效用，它由该链路延时和信息质量决定，且该 flowij，ct的情报容量为

式中:Aj∩at表示信息节点ij与作战单元节点ct交叉的作用区域。

由于信息节点对作战单元节点的效用作用于后者整个或部分任务区域才有意义，因此情报容量能够表征该信息节点对某个作战单元总的收益，式(4)、(5)实质在于反映各因素对目标量的正负效应和逻辑关系。

当需要得到整个网络的情报容量时，不能直接由∑ij∈I，ct∈CVij，ct累加表示，其原因是:1)无法反映出现实指控节点对多源信息融合处理的影响，它对整个网络的情报容量是正影响，应增加相应的信息质量值;2)需要忽略同一作战单元节点得到的重复信息，它对整个网络的情报容量是负影响。

根据信息流累加来计算整个网络的情报容量较复杂，而根据多个任务区累加来计算较容易。首先将作战单元节点ct的作用区域范围按信息节点覆盖的来源差异分为多个子区域 Sct，u，且∑uSct，u=at。多个信息节点可能将同一任务子区域的情报信息传送给同一个指控节点，在该节点产生信息冗余，经过融合处理后会在一定程度上提高信息质量，并形成最终情报信息交给对应的作战单元节点。假设向同一个作战单元节点ct传送相同任务子区域情报信息的信息节点构成的集合为Ict，u，则该作战单元节点得到本任务子区域信息质量为

则整个网络G的情报容量为

整个网络情报容量是网络对情报信息利用程度的表征，是作战任务中信息节点集合对作战单元节点集合的总收益，该值越大，表明网络中情报信息利用程度越高。

2 网络化指挥信息系统组织结构模型扩展

在网络中心战模式下，指挥信息系统组织形态变化显著，它组成要素众多，按照功能可划分为通信网、感知网、指控网和火力网，如图1所示。可以看出:指挥信息系统连接关系多样，构建网络拓扑结构复杂;但从系统的组织形式来看，其实质就是依托通信网作为基础传输通道，对各类节点或子网进行引接，实现指挥信息系统全网内感知信息流、指控信息流、火力打击流等各类信息的有效流动。

图1 指挥信息系统组成

这种“核心+接入”的方式体现了作战要素入网，上一节组织结构模型中指控、信息和作战单元3类节点可以对应地表征指控网、感知网和火力网等接入部分，但是完全基于边来表征3类节点的通信连接难以较好地反映这种网络化模式。可以采取2种方式进行改进:1)增加一类通信节点，按照类似于其他3类节点的属性进行设置，并通过通信节点的拓扑连接来表征“核心”部分;2)将“核心”部分抽象为一个特殊的核心网节点，而无需关心内部细节。由于重点关注指挥控制关系和情报信息利用，假设基础骨干网传输条件良好，本文采用第2种方式在上一节基础上对网络化指挥信息系统组织结构模型进行扩展，再抽象出一个核心网节点N，网内延迟为ΔT，则扩展后的模型为 G=(H，I，C，E，N)。

3 指挥信息系统网络结构分析与评估框架

从本质上讲，上述模型及方法反映了作战任务中信息流程、问题域主要事物构成、因素对目标的正负效应和逻辑关系，参与了一些主观思维的评价，部分参数和度量指标没有实际直观的量纲，因此该方法主要意义在于针对网络变化引起结构调整、对多样化网络结构进行比较分析与评估，其框架如图2所示。面向使命任务，构建作战体系，其中包括部署相应指挥信息系统，因此应首先从作战体系及任务中分离出指挥信息系统网络结构，再基于上述模型抽象为图，采用图的基本计算问题得到度量结果，从而进一步进行比较分析与评估。

图2 指挥信息系统网络结构分析与评估框架

4 案例分析

以文献［9］的作战想定为例部署了指挥信息系统，其网络结构如图3所示，这是一个传统的网络组织形态。1旅和2旅分别执行同一使命下2个子任务，其对应的旅指挥所分别为BHQ1和BHQ2，作战单元分别为BC1和BC2，本级情报信息单元分别为S1和S2。旅指挥所与师指挥所DHQ、联合指挥所JHQ形成了传统的树状指挥关系，联合指挥所还掌握着面向整个作战使命的情报信息单元INT，以及空中作战单元AIR，图中以不同形状区分了不同类型的节点。为了进行比较分析与评估，同时还设计了网络化指挥信息系统部署方案，其网络结构如图4所示，其引入了扩展的核心网节点N，对完成使命任务的各作战要素进行引接入网。图3、4中边的权值表征了对应链路的延时。按照以上方法对其他主要参数进行设置，如表1所示。

图3 传统指挥信息系统网络结构示例

图4 网络化指挥信息系统结构示例

表1 2种网络结构主要参数设置

根据上述网络模型及度量指标计算方法，分别对2种指挥信息系统的网络结构进行验证，得到的结果如下。

1)传统方式下网络的信息流系数为0．17，而网络化方式下网络的信息流系数为0．21，改善程度为24%。这表明:基于网络化指挥信息系统的网络结构，信息传递到执行任务的作战单元的效率更高，从而缩短了“传感器到射手”的时间。

2)传统方式下网络的协调系数为0．14，而网络化方式下网络的协调系数为0．18，改善程度为29%。这表明:在网络化指挥信息系统结构下，作战单元之间传递信息的效率更高，同一使命任务的各作战单元协同更加有效，同时验证了网络化指挥信息系统对增强合同作战、联合作战战斗力的作用。

3)传统方式下网络节点中心度最大的是师指挥所DHQ，而网络化方式下网络节点中心度最大的是核心网节点N。这表明:前者支撑的作战体系重心是面向任务部队的;而后者构建的作战体系重心在网络，以网络为中心引接各作战要素。

4)传统方式下情报容量为13 740，网络化方式下情报容量14 720，改善程度为7%。这表明:网络化指挥信息系统支撑作战体系的总情报信息收益更高，但是程度并不显著。其原因是:(1)与效率相比，该度量指标更加强调数量，即利用信息的子任务作战单元越多，情报信息获得的总收益越大，如图5所示，当增加子任务作战单元数时，2种方式下的情报容量均明显上升;(2)本示例较为简单，支撑的作战体系越复杂，网络化方式较传统方式越有优势，如图6所示，当增加子任务作战单元数时，情报容量的改善程度逐步提高。

图5 2种方式下情报容量随子任务作战单元数变化情况

图6 情报容量改善程度随子任务作战单元数变化情况

从上述结果可以看出:网络化指挥信息系统具有的优势主要体现在指挥控制效率上，网络中心战模式下指挥控制由多层次树状向扁平网状转变，这极大地提高了指挥控制的效率，赢得了作战时间，从而加速作战的OODA(Observe-Orient-Decide-Act)循环;同时，在作战要素越来越多、作战体系越来越复杂的情况下，网络化指挥信息系统较传统方式优势越明显。

5 结论

在以网络为中心的作战模式下，指挥信息系统网络结构变化及其存在的多样性需要采用科学评估和定量分析的方法来优化网络结构，从而提高整个作战体系的效能。本文在FINC模型的基础上，针对其存在的问题，提出了指挥信息系统网络结构定量分析方法，通过构建传统和网络化指挥信息系统部署示例，验证了该方法的有效性。从复杂性科学的角度看，对于指挥信息系统这类典型的复杂系统或体系，影响系统变化的不可控因素较多，难以进行严格规范的分析，本文在必要的假设和近似条件下，研究了网络中心战中指挥信息系统的网络结构，下一步应考虑更多的影响因素和更细的粒度来开展研究。

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