基于复杂网络的海上大型编队指挥控制信息协同模型

黄 康，任 重，孙杜娟，张海忆，蒋林芝

(海军大连舰艇学院，大连116018)



基于复杂网络的海上大型编队指挥控制信息协同模型

黄 康，任 重，孙杜娟，张海忆，蒋林芝

(海军大连舰艇学院，大连116018)

针对海上大型编队发展需求，基于复杂网络理论研究了海上大型编队指挥控制信息协同模型,在分析复杂网络概念和特征的基础上，以美军航母编队为例构建其指挥控制信息协同模型，并给出其网络拓扑图，为研究海上大型编队指挥控制信息系统提供新的研究思路。

海上大型编队；指挥控制；复杂网络

0 引 言

国内外研究结果表明，现实世界中存在大量复杂系统，这些系统都具有小世界、自相似性、高聚集性、无尺度特性、鲁棒性等复杂网络特征[1]。而近年兴起的复杂网络理论为复杂网络提供了全新的分析工具。将复杂网络理论引入军事领域，从复杂网络的角度来分析军事信息系统的规律与特征，特别是研究如何提高网络化作战行动中的指挥控制信息协同效率，已成为国内外研究热点[2-4]。

伴随着我国海军力量的不断壮大，特别是海上大型编队的发展，编队体系日趋呈现复杂性和网络性，必须针对编队网络节点间指挥信息协同网络展开研究。论文将复杂网络理论引入海上大型编队指挥信息系统研究中，并构建海上大型编队的指挥控制信息协同模型，以期为研究未来海上大型编队指挥控制信息系统提供新的研究思路和方法。

1 复杂网络概述

复杂网络是具有复杂拓扑结构和动力学行为的大规模网络，主要采用数学图论作为理论基础，结合统计物理学的基本方法和工具，对网络的特性、形成机制以及演变规律等展开分析[4]。目前，比较成熟的复杂网络模型有规则网络模型、随机网络模型、层次网络模型、确定网络模型、自相似网络模型等几种。分析比较上述模型的特点，编队指挥控制信息协同网络研究更适宜采用层次网络模型。

大量实证表明很多自然网络和社会网络具有2个普遍的特性：幂律度分布和层次模块性[5]。通常情况下，层次网络是由若干彼此相连的模块组成的。所谓模块是在物理或功能上连接在一起的、共同完成某个独立功能的节点。例如，计算机的硬件模块、DNA染色体等。对于海上大型编队，具有指挥控制功能的舰艇甚至航母同样可以看作模块。将上述功能模块按照一定的关系连接后，就构成了更高效、更复杂且应用更广泛的结构。在不同的结构层次上，层次网络往往还具有自相似性[5]。

2 指挥控制信息协同模型构建

2.1 大型编队指挥控制信息协同的特征分析

以美军航母编队为例，一种典型编成为1艘现役航空母舰、2艘导弹巡洋舰、4艘导弹驱逐舰、1艘护卫舰、1～2艘攻击型核潜艇和1艘供应舰。编队以航母作为编队的中心，是指挥控制信息协同网络的关键节点，可以直接接受上级命令，并协调指挥编队各作战单元。各个作战单元承担着不同的任务，分别起到防空、对海防御及攻击和反潜的功能，构成如图1所示的大型防御圈[6]。

图1 美军航母编队防御圈

大型编队的指挥控制信息协同主要涉及指挥控制系统、情报系统、武器系统以及通信系统等多个系统，具有明显的复杂性和网络性，是一个典型的复杂系统。图2所示为美军所提出的C4ISR系统，就是一个集情报获取、传输、加工处理、计算、显示、决策、指挥与控制于一体的复杂系统[7-9]。

图2 C4ISR系统网络中心架构

2.2 建模步骤

对海上大型编队的指挥控制网络进行描述，需要给出各指挥层次间的指控关系以及信息流传输途径。本文按照如下步骤构建指挥信息协同模型：

第1步，定义网络节点V={v1,v2,… ,vn}，vi代表各级指挥中心、情报中心和武器中心。

这里按照美军的编队系统模式，将编队分为3级节点：一级节点包括航母指挥控制系统、情报系统、武器控制系统和通信系统；二级节点包括由数条水面舰艇和潜艇组成子系统的指挥控制系统、情报系统、武器控制系统和通信系统；三级节点包括编队内各舰艇或潜艇内部的指挥控制系统、情报系统、武器控制系统和通信系统。

第2步，定义边集E={e1,e2,… ,en}，ei描述各指挥机构之间的指挥和信息协同关系。如果同层次节点之间存在情报信息交互，则将它们相连；对于不同的指挥层次，如果存在指挥信息流的直接交互，则将它们相连。任意2个节点之间至多存在1条边。

第3步，根据海上大型编队指挥控制系统特征，做出如下假设：

(1) 一级指控中心节点(即航母指挥控制系统)必须与所有二级指控中心节点(二级节点中的指挥控制系统)相连；

(2) 二级指控中心节点必须与其下属所有三级指控中心节点(三级节点中的指挥控制系统)相连；

(3) 各指控中心节点与其配套指挥控制系统、情报系统、武器控制系统和通信系统节点相连；

(4) 网络中不存在任何孤立的节点；

(5) 各节点的属性与人员、时间、环境等因素无关。

2.3 模型构建

基于图1、图2，按照上节给出的模型构建方法，构建海上大型编队指挥控制信息协同模型概念图,如图3所示。

图3 网络拓扑图

图3中，中心三角A1B1C1代表航母，其中心O1为航母指挥控制系统，A1、B1、C1节点分别代表航母的情报系统、武器控制系统和通信系统。以O1为中心，向外“辐射”与各二级指控中心O21、O22、O23等相连。图中A2i、B2i、C2i分别为二级指控中心Oi对应的情报系统、武器控制系统和通信系统等二级节点。而后二级指控中心节点O2i分别与其对应的各三级指控中心O3i相连，依此构成指挥控制信息系统协同网络。

可见，海上大型舰艇指挥控制信息协同网络呈现出层次性和相似性特征，基于此模型，可以利用复杂网络的理论算法对其做深层次分析。

3 结束语

海上大型编队指挥控制系统是一个复杂的系统，而信息化条件下的网络化作战发展趋势对编队指挥控制信息协同提出了新的要求。本文将复杂网络理论引入海上大型编队指挥控制信息协同问题研究中，以美军航母为例，针对海上大型编队指挥控制信息协同特点，构建了一种图示模型，为深入研究分析海上大型编队指挥控制信息系统奠定了基础。

[1] 陈丽娜，黄金才，张维明.网络化战争中复杂网络拓扑结构模型研究[J].电光与控制，2008,15(6)：4-6.

[2] 朱涛，常国岑，张水平,等.基于复杂网络的指挥控制级联失效模型研究[J].系统仿真学报，2010,22(8):1817-1820.

[3] 田旭光，朱元昌，罗坤,等.基于复杂网络理论的指挥控制系统自适应重构模型[J].系统工程与电子技术，2013,35(1)：91-96.

[4] 朱涛，常国岑，张水平,等.基于复杂网络的指挥控制信息协同模型研究[J].系统仿真学报，2008,22(8):6058-6060.

[5] 金伟新.体系对抗复杂网络建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.

[6] 刘晓，刘忠，侯文姝,等.美航母编队网络化反导作战建模[J].火力与指挥控制，2012，37(7)：28-30.

[7] 张金锋，易侃.信息流的网络化C4ISR系统结构关键节点挖掘方法[J].火力与指挥控制,2014,39(8)：61-64.

[8] 涂拥军，李敬辉，黄高明.基于对象Petri网的水面舰艇编队网络中心战系统建模[J].通信与信息技术，2007(17)：14-21.

[9] 丁晓剑，孙丰鑫.C4ISR系统概念模型元素研究[J].微电子学与计算机，2014,31(5)：79-82.

Command and Control Information Cooperation Model of Large-scale Maritime Formation Based on Complex Network

HUANG Kang,REN Zhong,SUN Du-juan,ZHANG Hai-yi，JIANG Lin-zhi

(Dalian Naval Academy，Dalian 116018,China)

Aiming at the developing demand of large-scale maritime formation,this paper studies a large-scale maritime formation's command and control information cooperation model based on computer network theory,based on analyzing the concept and characteristic of complex network,establishes the command and control information cooperation model taking US carrier formation as an example,and gives the network topology picture,which provides new ideas for studying the command and control information system of large-scale maritime formation.

large-scale maritime formation;command and control;complex network

2015-02-02

TN97

A

CN32-1413(2015)04-0030-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.008