NSHT预警装备体系网络化建模与分析*

朱刚，谭贤四，王红，王流通

（1.空军预警学院，武汉430019；2.解放军94938部队，南京210000）

NSHT预警装备体系网络化建模与分析*

朱刚1，谭贤四1，王红1，王流通2

（1.空军预警学院，武汉430019；2.解放军94938部队，南京210000）

针对NSHT的运动特性和NSHT预警装备网络化趋势，对NSHT情报的分布式碎片化的特点进行了分析，设计了装备体系节点间的信息流向。在此基础上，提出了基于复杂网络理论的NSHT预警装备体系网络模型，并对网络模型的拓扑结构、统计特征等进行了研究，提出了NSHT预警装备体系连接结构的设计建议和应用思路。

高超声速目标，复杂网络，装备体系

0 引言

从国外临近空间高超声速目标（Near Space Hypersonic Target，NSHT）试验以及探测系统发展趋势来看，构建一个集成各种探测资源、多种武器配套并且协同工作的NSHT预警装备体系是解决NSHT探测问题的有效途径［1-3］。然而，NSHT预警装备体系的边界在哪里？具有什么样的内部结构才能具有探测NSHT的能力？与其他武器装备体系又有什么样的关系等等？这些问题给NSHT预警装备体系顶层设计带来了新的挑战。目前，《美国国防部体系结构框架2.0》（Department of Defense Architecture Framework version 2.0，DoDAF2.0）是指导开发体系结构行之有效的方法［4］。然而，除作战理论不同外，DoDAF2.0只是顶层的方法论，可操作性不强，并且偏重于信息系统设计［5］，难以满足NSHT预警装备体系的分析需求。

复杂网络是研究复杂系统结构与功能、行为和性质之间关系的新视角，近年来在军事领域得到了快速发展［6-8］。这些研究成果以顶层抽象的网络模型研究居多，鲜见系统分析方面的研究。本文对NSHT的目标特性进行了分析，对NSHT预警装备体系的构建思想进行了简要阐述，认为NSHT预警装备体系是典型的复杂系统。根据NSHT预警装备体系构建思想对比分析了传统指挥控制网和联合网中情报流的异同，分别构建了传统网和联合网中的NSHT预警装备体系网络模型。根据网络模型分析了NSHT预警装备体系的连接结构、信息处理中心选址等问题。期望为NSHT预警装备体系的顶层设计提供一种新的思路。

1 系统分析与建模

1.1 系统分析

构建NSHT预警装备体系首先要对NSHT的特性进行分析。NSHT飞行轨迹示意图如图1所示［9-12］。

图1 NSHT飞行轨迹示意图

图1中，NSHT的飞行轨迹分为助推段、爬升段、平飞加速段、等速巡航段和俯冲攻击段。飞行高度在在20 km～100 km之间，速度可以达到5 Ma以上。能被探测到的主要有电磁散射和红外特征。

根据NSHT的目标特性可以发现，防御方必须尽可能早地获得预警信息，这样才能为组织探测力量、部署火力打击等工作预留充分的时间。这就要求NSHT预警装备体系能够提供及时准确的情报。然而，NSHT利用其飞行高度和速度优势进行突防，造成了单个探测系统能力覆盖不足、探测数据有限难以形成航迹的局面，无形中增加了NSHT的预警难度。但是在NSHT飞行过程中，相关情报分布在多个探测系统中。如果将这些分布式碎片化的数据统一传输到信息中心进行综合分析，就可以形成多图层叠加的态势信息，在一定程度上可以降低NSHT预警难的问题。因此，将探测系统网络化，形成NSHT预警装备体系势在必行。

从上述分析中可以确定，NSHT预警装备体系是综合天基、空基、陆基和海基平台，综合利用雷达、红外和可见光探测系统，以信息中心为传输枢纽的复杂系统。然而，如何构造NSHT预警装备体系的指挥控制层次？如何选择数据传输路径？如何对信息中心进行选址等等？这些问题是影响NSHT预警装备体系能力生成的关键。

1.2 模型构建

根据1.1节分析，预警作战构想为：根据NSHT飞行轨迹将预警作战分为早期预警、中期预警和末期预警3个阶段，早期预警为助推段和爬升段，中期预警为平飞加速段和等速巡航段，末期预警为俯冲攻击段。早期预警就是利用各种卫星、雷达等探测发射信息，预测去向。中期预警则为卫星接力探测，若进入防区则综合利用卫星和气球载/飞艇等探测系统捕获飞行参数。末期预警则由地基雷达实现。而从装备应用角度来看，这3个阶段的预警并没有严格控制装备使用范围，因此，同一类型的探测装备在3个预警阶段中都有可能存在。

从情报传输链路上来看，可分为传统层级结构的作战网和联合作战的联合网2种网络类型。可分别对2种网络做出如下假设：

假设1，传统网下的NSHT预警装备体系组成：

（1）1个总指挥中心，1个军兵种指挥中心。

（2）1军兵种指挥中心下有5个区域指挥中心

（3）1区域指挥中心下有4个旅/团级指挥中心。1个旅团级指挥中心下有12个探测单位

（4）10个天基站，10个卫星地面接收站。24颗侦查卫星和6颗红外卫星等。

通信中继卫星忽略不计，传统网总节点可达到332个。

假设2，联合网下的NSHT预警装备体系组成：

在传统网基础上增加1个联合作战指挥中心，1个总情报中心和5个联合战术指挥中心。

联合网总节点可达到339个。

若上述两种网络假设中的节点全部直接连接，不仅容易造成冗余，经济上也难以承受。可在数据传输的需求上对网络结构进行有偏好的构建，根据上述分析，可设计情报传输流如图2所示。

图2 情报传输流

根据上述分析，参考文献［13］，NSHT预警装备体系可分为预警实体和信息处理实体两类，实体间可分为指挥控制和协同两种关系。实体及实体间关系形式化描述如下：

预警实体（Detector，D）指具有情报获取功能的各类传感器，如预警雷达，侦查卫星等。可描述为：

式（1）中，id表示实体唯一编号，da表示实体数据类型，f表示所属平台信息，cd表示探测范围，di表示情报获取能力，以单位时间内向连接的指挥控制实体发送的信息量描述，C*表示与此探测实体相关联的指挥控制实体。

信息处理实体（Command，C）指具有情报处理功能、信息传输功能和指挥与控制功能的节点。可描述为：

式（2）中，id表示实体唯一编号，cf表示基本信息，cd表示所能处理的数据格式，ci表示单位时间内接收的信息量，cc表示单位时间内实体信息处理能力，co表示单位时间内实体发出的信息量，D*表示与此实体相关联的预警实体，Cc*表示与此实体相关联的信息处理实体。

指挥控制关系（Command relationship，Rc）为预警实体和信息处理实体间的一种二元关系，可形式化描述为

式（3）中，Rc的对称性表明，D向C流动的为情报或者状态反馈信息，C向D流动为下达的指令信息。

协同关系（Coordinate relationship，Rr）是信息处理实体内部的一种特殊关系，是同级别的信息处理实体指挥所属预警实体协同完成任务的一种特殊关系。可形式化描述为

根据上述分析，NSHT预警装备体系网最终可形式化描述为

式（5）中，GNSHT表示NSHT预警装备体系连接结构的复杂网络模型，V表示抽象后的实体集合，E表示抽象后的关系集合，φ表示权重，即信息传输所需的时间。从Rc和Rr描述中可以看出，GNSHT为无向网。

根据传统网和联合网的假设，参照设计的情报传输流，可构建如下网络模型：

网络A：传统网中严格的指挥层级结构。

网络B：传统网中具有协同连接。

网络C：联合网中严格的指挥层级结构。

网络D：联合网中具有协同的连接。

这4种网络结构图如图3所示。

图3 网络结构图

为保证分布式的情报能够传输到统一节点进行综合处理，NSHT预警装备体系的连接结构应该具有较好的鲁棒性和较佳的信息传输路径。这些问题和指挥控制层次以及信息中心的选址相关，可用复杂网络理论的特性进行分析。

2 统计特征分析

2.1 复杂网络特性的军事内涵

根据上述分析可知，情报流的路径、传输时间和同类型情报是否能传输到统一的信息中心，是决定NSHT预警装备体系是否具备预警能力的重要因素，也是衡量连接结构是否合理的重要指标。根据1.2节的作战构想不难发现，在NSHT预警装备体系中存在着3种不同的情报流，即预警情报、态势情报和精确情报。这3种情报分别进入NSHT预警、跟踪和打击3个回路中。其中NSHT预警和跟踪是NSHT预警装备体系的内部回路，而NSHT打击则是NSHT预警装备体系与火力打击系统的共同回路。其中预警情报必须快速地上报到最高决策层，态势情报必须统一传输到指定的信息中心，精确情报在统一传输到信息中心的同时还必须要有大的带宽和最短传输链路确保情报的实时性和精准性。由于NSHT打击的突然性和不可预测性，NSHT预警装备体系必须具有全方位全时段和高覆盖率，其中信息中心的选址必须合理，这就要从顶层上分析NSHT预警装备体系的连接结构。NSHT预警装备体系的连接结构问题可以参照复杂网络统计特征进行分析。

复杂网络重要统计特征有：度、介数、平均路径长度和网络聚集系数。其中度表示与节点连接的边数，说明了节点在网络中的重要程度；介数表示网络中通过节点的最短路径条数；平均路径长度是任意2点间最短路径的平均值。网络聚集系数反映了整个网络的聚集程度［14］。

在NSHT预警装备体系的网络结构中，度值表示某个武器系统在体系中的重要程度，如指挥控制系统指挥多个探测系统，是信息链路的关键节点，相对于探测系统而言具有较高的度值，因此，在网络结构中具有较重要的地位。具有较高度值的节点并不一定是信息中心的最佳选址地点，为确定信息中心的选址，要引入介数的概念。根据介数定义可知，介数最高的节点是信息传输中最短路径经过最多的节点，因此，某一区域的信息中心应选择在介数相对较高的节点上，这样才能保证态势信息的及时性和综合性。然而，确定了信息中心的地址并不能说明网络的合理性，还得从整体上考虑信息的传输路径问题，这就需要引入平均路径长度概念。网络的平均路径长度从整体上反映了情报流的平均传输路径的长短，对设计网络结构具有重要的参考价值。当然，网络结构还需要有一定的抗毁性以保证网络的连通性，聚集系数就是最佳的衡量参数。

2.2 特征分析

结合上述分析可以认为NSHT预警装备体系具有复杂网络的大规模性和传输行为的统计性、连接结构的复杂性和节点动力学行为的复杂性，结合体系对抗和装备发展建设来看，NSHT预警装备体系还具有时空演化复杂性。这些特征都可以用复杂网络理论进行描述。下面对1.2节中的网络模型进行简单分析。

图3中，网络A～网络D都体现出来了层次性，这是由特殊体制决定的。网络A基本能够满足连接需求，网络B则连通了几个主要的节点。网络C虽然增加了联合指挥控制机构，但是连接方式仍然按照严格的层级结构进行，网络D则在网络C基础上加强了同级间的连接。4种网络模型的主要统计特征如表1所示。

表1 统计特征

表1中G表示网络类型，Nu表示节点数，Ed表示边数，AD表示平均度，AL表示平均路径长度，CC表示聚集系数。表1中，网络A平均度最低，平均路径长度最长，聚集系数最低，这表明网络A中网络连接依赖几个重要节点，信息传输距离长，共享效率慢，且一旦重要节点被摧毁，网络可能较难连接起来。与网络A特征类似的还有网络C；网络D具有最大节点数，最大连接边，最大平均度，最小路径长度和较大聚类系数。这表明网络D中节点有较大连接数，信息传输距离短，共享效率高，且重要节点被摧毁，网络中节点通过其他途径也能相连。这些特征从网络节点度分布情况中能够直观地反映出来。图3中网络模型度分布如图4所示。

图4 网络模型度分布

图4（a） 为4种网络模型节点的度分布情况，图4（b）为4种网络模型度的分布概率。对比分析后可以发现，A和C网中除几个节点具有较高的度值外，其他节点度值较低；B网和D网中节点度普遍高于A和C网。较高的度值和度值分布不仅保证了网络结构的连通性，还给情报流传输链路设计提供了多种可能方案。

通过统计特征可以发现，向联合作战方式转型并不是增加几个所谓的联合作战指挥控制机构就能实现，必须要从连接层次和网络结构等基本特性上进行转变，由层级分明的传统结构，向有利于信息流动和共享的网络结构转化。根据上文分析，可选择D网的连接方式作为NSHT预警装备体系的连接结构方案。下面讨论情报流中信息中心的选址问题。

根据介数的定义，暂不考虑各边权值，计算D网中各节点介数值，然后用Excel制成分布图如下页图5所示。

图5中介数最高的点为联合指挥中心和联合战术指挥中心，分别达到了0.278和0.272，其次为军兵种指挥中心和军兵种区域指挥中心，分别达到了0.05和0.07，最后为旅团级指挥中心和备用指挥中心，达到了0.04和0.03。这说明上述节点是信息传输最短路径经过的节点，是需要重点防御的节点，也是信息中心的最佳设置节点。

图5 D网介数分布图

3 结束语

本文以复杂网络理论为基础，结合NSHT特性探讨了NSHT预警装备体系网络特征，并分析了上述特征在NSHT预警装备体系连接结构设计中的应用，为NSHT预警装备体系连接结构设计提供了一种新思路。下一步将在NSHT预警装备体系连接结构基础上，进一步探讨情报流等系统动力学特征。

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NSHT Early Warning System-of-Systems Networked Modeling and Analyzing

ZHU Gang1，TAN Xian-si1，WANG Hong1，WANG Liu-tong2
（1.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China；
2.94938 Troop of PLA，Nanjing，210000，China）

For the property of NSHT movements and the trend of NSHT early warning systems networked，the characteristic analysis of NSHT information is having distributed and clastic，the information flow of system-of-systems notes is designed.The network model of NSHT early warning system-of-systems is put forward based complex networks theory above all，researching on the topology and statistic of model.In the end，alteration recommendations and application methods for design NSHT early warning system-of-systems is proposed.

near space hypersonic target，complex networks，system-of-systems

E211；TP391

A

1002-0640（2015）02--118-05

2013-12-04

2014-01-23

国家自然科学基金资助项目（61271451）

朱刚（1984-），男，湖北武汉人，博士研究生。研究方向：复杂网络，装备效能评估验证等。