网络中心化C4ISR系统结构“五环”及其效能表征研究

2015-06-19蓝羽石毛少杰雷邓克波张金锋

系统工程与电子技术 2015年1期

关键词：系统结构五环网络化

蓝羽石，王珩，易侃，毛少杰雷鸣，邓克波，张金锋

（1．中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏南京210007；2．信息系统工程重点实验室，江苏南京210007）

网络中心化C4ISR系统结构“五环”及其效能表征研究

蓝羽石1，2，王珩1，2，易侃1，2，毛少杰1，2雷鸣1，2，邓克波1，2，张金锋1，2

（1．中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏南京210007；2．信息系统工程重点实验室，江苏南京210007）

针对网络中心化C4ISR系统结构的定量设计与分析问题，以网络中心战结构模型和观察、调整、决策以及行动（observe，orient，decide，act，OODA）过程模型为理论依据，建立了系统结构“五环”概念，采用网络化效能因子（coefficient of networked effectiveness，CNE）衡量系统结构的网络化效能，形成系统结构“五环”效能表征模型，并给出了指导网络中心化C4ISR系统结构设计的若干推论，仿真实验验证了表征模型的有效性。

网络中心化；C4ISR系统；网络化效能；五环；表征方法；系统结构

0 引言

随着军事变革深入和信息技术迅猛发展，C4ISR系统经过50多年的发展建设，已全面进入“以网络为中心”的一体化建设阶段［12］。相比于以往几代系统，网络中心化C4ISR系统［3］组成要素种类扩大、数量剧增，系统越来越复杂，更加要求系统具备一种适应性强、灵活性高、抗毁性好的系统结构，甚至要具备一些“自适应”的结构特性，从而适应系统任务和战场环境不断变化的需要［45］。结构决定功能，不同系统结构的网络化效能各不相同，如何表征网络中心化C4ISR系统结构的网络化效能，描述和建模系统结构的本质特性，从而为系统结构定量设计与分析提供科学依据，已成为系统结构设计中的一个崭新而又复杂的问题［4，6］。

本文在网络中心化C4ISR系统结构的网络模型基础上，结合网络中心战结构模型和观察、调整、决策以及行动（observe，orient，decide，act，OODA）过程模型，建立了系统结构“五环”概念，采用网络化效能因子（coefficient of networked effectiveness，CNE）衡量系统结构的网络化效能，形成系统结构“五环”效能表征模型，结合系统应用给出了实例分析，仿真实验进一步验证了表征模型的有效性。

1 基本定义

定义1 网络中心化C4ISR系统：指基于“网络中心、面向服务”技术体制［79］，依托栅格化的军事信息基础设施［10］，综合集成预警探测、情报侦察、电子对抗、指挥控制、后勤保障等功能的一体化军事电子信息系统。为行文方便，下文中的“系统”如无特殊说明，均指网络中心化C4ISR系统。

定义2 网络中心化C4ISR系统结构：指网络中心化C4ISR系统各组成要素及要素之间的相互关系。系统单元是指完成系统功能，在物理上独立部署的系统组成要素。系统单元之间的关系主要包括：情报保障、指挥协同等信息交互关系、网络连接关系和指挥业务处理关系等。

定义3 基本单元：根据网络中心化C4ISR系统的功能组成和一般运作流程，将系统单元抽象为4类基本单元，各级各类各域的各种粒度的系统单元都可由4类基本单元或其组合后实例化产生。4类基本单元包括：

（1）信息获取单元（observer，O）：也称传感探测单元，定义为一类能够探测或侦察战场空间各类目标特征的功能实体，采用雷达、光电／红外、信号情报侦察等手段的传感器，收集战场目标信息；

（2）信息处理单元（processor，P）：定义为一类能够对战场目标情报进行综合／融合处理的功能实体，其主要功能是将多个信息获取单元获取的战场目标探测数据进行误差校正、时间统一、关联、特征提取与识别等处理，形成实时、连续、清晰、准确的战场目标情报，并用于生成战场统一态势；

（3）决策控制单元（decision，D）：定义为一类能够根据战场情况形成作战方案并对隶属部队和武器平台实施指挥控制的功能实体，其主要功能是能够根据信息处理单元或信息获取单元上报的情报进行判断和分析，形成战场态势和作战方案，并根据作战方案对隶属的部队和武器平台下达作战计划和指令，实时监控作战过程；

（4）响应执行单元（actor，A）：定义为一类能够根据指挥控制单元的作战计划或指令完成作战任务的功能实体，其主要功能是接收指挥控制单元的作战计划或指令，根据作战计划或指令完成相应的作战行动和任务。

定义4 网络中心化C4ISR系统结构的网络模型：考虑到C4ISR系统单元之间信息交互关系的有向性、流量区分等特点，以及网络中心化C4ISR系统是一个庞大的复杂系统［11］，本文用简单有向加权连通图G＝（V，E）表示网络中心化C4ISR系统结构，其中，图中的节点集V＝｛v1，v2，…，vn｝代表系统单元的集合，包含定义3中的4类基本单元，n＝|V|代表系统单元的总数；图中的边（连接）集E＝｛e1，e2，…，em｝代表系统单元之间各类信息交互关系，m＝|E|表示系统单元之间信息交互关系的总数，∀ei∈E，在V中有一对节点（vi，vj）与之对应，且（vi，vj）和（vj，vi）不是同一条边。对于每条边（vi，vj）∈E，定义一组权值（ew1，ew2，…，ewk）表示对系统单元vi和vj之间信息交互关系的度量，边的权值的数量和代表的物理意义可以根据具体分析而定，增加边权值是对系统单元之间信息交互关系强度差异的一种反映。例如：∀e＝（vi，vj）∈E，vi，vj∈V，用正实数权值delay（e）表示系统单元vi和vj之间信息传输的时延大小；用正实数的权值content（e）表示系统单元vi和vj之间信息量大小。考虑到C4ISR系统单元的类型区别和能力大小，对于每个系统单元vi∈V，定义一组节点的权值（vw1，vw2，…，vwl）表示对系统单元vi属性和能力的度量。例如：∀vi∈V，用正实数的权值delay（vi）表示系统单元vi信息处理的时延大小；用正实数权值prec（vi）表示系统单元vi的信息处理精度等。

当只需要刻画两个系统单元之间是否有信息交互关系时，可用图的0－1邻接矩阵模型来表达系统结构，即系统结构的0－1邻接矩阵A0－1＝｛aij｝n×n可以定义为

其中，两个系统单元只要有信息交互关系，则用1表示，否则用0表示。

从作战应用角度，网络中心化C4ISR系统的网络化作战效能越高，说明其越能利用网络充分共享战场态势、实现作战行动同步，从而支撑网络中心战的实施。系统结构决定其功能，不同的网络中心化C4ISR系统其结构不同，网络化作战效能也不同。本节结合网络中心战结构模型以及OODA过程模型［12］，提出网络中心化C4ISR系统结构中“环”的概念，进而提出系统结构“五环”，并通过定义CNE来反映网络中心化C4ISR系统的网络化作战效能。

定义5 系统结构的环：环是图论中一种由边和节点组成的特殊结构，在网络中心化C4ISR系统结构中，当有向边形成闭合回路时，则将该回路称为“环”。

“环”越多，说明C4ISR系统单元之间的共享、协同、指控、反馈等行为越密切，系统的资源共享与协同程度越高，反馈优化能力越强，即系统网络化效能就越大。如果系统结构中环的个数为0，则网络化效能就为0［13］。

定义6 系统结构“五环”：将网络中心化C4ISR系统结构中的环根据其作用，划分为协同探测环、协同决策环、指挥控制环和协同执行环4类基本环和综合环。4类基本环和综合环一起称为系统结构“五环”。

（1）协同探测环是指由多个传感器节点和信息处理节点及它们之间的关系组成的闭合回路，其主要功能是实现多个传感器之间的协同探测并根据信息处理效果对传感器进行反馈控制。在传感器组网状态下，功能互补的传感器协同探测（如ESM与雷达协同、预警雷达给火控雷达目标指示），同类型的传感器联合探测（如电子支持措施（electronic support measures，ESM）多个防空预警雷达联合探测），以及根据信息处理效果优化配置传感器资源和控制传感器工作状态，能够有效提高目标探测能力和质量及抗干扰能力，形成信息优势。

（2）协同决策环是指由多个决策控制单元及它们之间的关系组成的闭合回路，其主要功能是完成决策控制单元之间的态势共享和协同决策，它有助于形成高质量的战场态势图，提高各级指挥员对战场态势理解的一致程度和决策质量，从而获取决策优势。

（3）指挥控制环是指由多个决策控制单元和响应执行单元及它们之间的关系组成的闭合回路，其主要功能是完成上下级决策控制单元之间，以及决策控制单元与响应执行单元之间的作战计划和指令下达／上报和状态反馈等，有利于作战进程的实时监控和作战行动的及时调整。

（4）协同执行环是指由多个响应执行单元及它们之间的关系组成的闭合回路，其主要功能是实现响应执行单元之间的协同，有利于达到作战行动同步。指挥控制环和协同执行环直接影响作战行动优势的取得。

（5）综合环由信息获取单元、信息处理单元、指挥决策单元和响应执行单元等组成，指从整个OODA过程角度，包括了协同探测环、协同决策环、指挥控制环和协同执行环在内的整个系统结构的环。

以某战术级防空C4ISR系统为例，系统单元包括4部雷达（O1，O2，O3，O4）、1个雷达情报处理中心（P）、1个联合防空指挥所（D1）、1个航空兵指挥所（D2）以及2架拦截飞机（A1，A2），系统单元之间通过信息基础设施实现信息交互，指挥所和作战飞机之间通过数据链组网实现互联，其系统结构及其分解的4类环如图1所示。由于“环”能从一定程度上反映系统完成作战任务时的网络化效能，因此在进行环的分析时，引入与作战任务相关的目标节点（T）。这里，从T到O（传感器观测目标）以及从A到T（火力单元打击目标）的连线为能量流，在图中用虚线表示。

通过上述分析可见，4类环能够有效提高C4ISR系统的能力。环越多，意味着系统各部分之间的信息交互、共享和反馈控制能力越强，网络对系统的使能作用越大。文献［13］在研究分布式网络化作战理论时也得出了相同的观点。

图1 某战术级防空C4ISR系统结构和基本环示意图

2 系统结构“五环”的效能表征与分析

2.1 系统结构“五环”的效能表征模型

本节对系统结构“五环”的效能进行定量表征，并结合网络中心化C4ISR系统的特征，从结构上分析每类环的效能变化情况，探索其中的规律，以指导系统结构的设计与分析。

在数学上，特征值λ是一个矩阵计算的数值，是矩阵的一种综合参数［14］，反映了特征向量在变换时的伸缩倍数。系统结构的邻接矩阵恰为一种“稀疏非负矩阵”，由Perron-Frobenius定理可知，矩阵至少存在一个实的、非负的最大特征值，即最大特征值λmax。一般来讲，当邻接矩阵为0－1矩阵时，其最大特征值有3种不同取值；无环（λmax＝0）、单环（λmax＝1）和多环（λmax＞1），与结构中环的数量成正向关系。因此，本文将这一参数引入网络中心化C4ISR系统结构中，表达结构中环的数量，从而反映系统组网的连接效果，即系统网络化效能。图2给出了3种不同的结构以及对应的0－1邻接矩阵的最大特征值λmax，其中多环结构被认为是具有网络化效能的结构［13］。

图2 3种结构及对应的邻接矩阵和最大特征值

定义7 系统结构CNE衡量的是系统结构中平均每个节点参与的环的数量，通过系统结构G的0－1邻接矩阵A0－1的最大特征值与节点数量的比来计算探测组网程度的增加，其CNE不断提高，平均路径长度不断降低。

式中，A0－1是系统结构G的邻接矩阵；Eig（A0－1）是邻接矩阵的特征值；λmax为最大特征值。

CNE的取值越大，说明系统结构中在同等节点数的情况下环的数量越多，环对系统因组网而带来的网络化效能提升的贡献也越大。在图2的示例中，3种结构的网络化效能因子分别为0、0.166 7和0.220 8，也反映出无环结构、单环结构和多环结构对系统网络化效能的影响程度不同。

2.2 系统结构“五环”的效能表征分析

下面针对每一类环，结合示例观察CNE变化情况，同时分析说明对系统网络化效能的影响。

（1）协同探测环

协同探测环的基本原理是C4ISR系统多元信息融合［15］。通过信息获取单元与信息处理单元组网，共享感知探测资源，并进行多源信息融合，形成战场一致的感知态势（情报），提高信息质量，提升系统网络化效能。研究表明，当来自多个传感器的信息融合在一起时，合成的轨迹误差就会迅速收敛到可用的交战精度。美国海军协同作战能力中心已经通过试验证明了来自多传感器的信息融合与协同探测，进一步提高了跟踪的准确度、连续性和识别能力，获得更大的作战空间感知［16］。

推论1 在协同探测环中，如果增加信息处理单元对信息获取单元的管控，对信息获取单元进行目标指示、控制和重新探测等指令，实现了多个信息获取单元的组网协同探测，可提高系统网络化效能，从作战应用层面提高系统传感探测的质量。

为了印证这一推论，给出了如图3所示的4种结构示例。这4种系统结构对应的最大特征值、CNE和平均路径长度［17］如表1所示。

在图3中，假设O1～O3为同类型信息获取单元。图3（a）中的3个信息获取单元独立向信息处理单元P上报情报，图3（b）、图3（c）和图3（d）依次增加了对O1、O2和O3信息获取单元的管控，使得信息获取单元协同探测的组网程度不断提高。从表1显然可以看出，随着信息获取单元协同

图3 协同探测环示例1

表1 协同探测环CNE示例1

推论2 在协同探测环中，对于同一目标，如果增加异类传感探测手段进行协同探测，并进行多元情报融合，则系统网络化效能增加，从作战应用层面提升了系统跟踪和识别目标的能力。

为了印证这一推论，在图3（d）的系统结构基础上，增加了另一类信息获取单元O4及其相应的信息处理单元P2，进而给出了如图4所示的3种结构示例。这3种系统结构对应的最大特征值、CNE和平均路径长度如表2所示。

表2 协同探测环CNE示例2

图4 协同探测环示例2

比较图4（a）和图3（d），图4（a）增加了2个系统单元，由于这2个系统单元并没有同原有单元产生协同作用，相比之下其CNE反而降低（从0．265 9降至0．206 8），说明平均每个系统单元参与的环的数量减少。图4（b）增加异类传感探测手段的多元信息融合能力，相比于图4（a），降低了信息不确定性，提升了系统的信息质量和网络化效能。图4（c）在图4（b）基础上，又增加了对异类信息处理和获取单元的协同能力，故CNE更大。

（2）协同决策环

协同决策环的基本原理是网络中心化指挥控制的共享态势感知和理解机理［1819］。通过加强决策控制单元之间的共享态势感知和理解程度，形成理解一致的高质量战场态势图，从而可以更准确地了解战场敌我双方情况，提高决策质量和灵活性，进而提高网络化作战效能。美国兰德公司在“空空战斗”试验中已经检验出，在网络中心化作战条件下，由于所有参与方都能共享同一个共用战术图，使得态势感知和态势理解能力得以显著改进，最终将这种认知优势转换为任务区中生存能力和杀伤力的提高［20］。美军陆军第5军及第3机械化步兵师在“自由伊拉克行动”中，通过安装蓝军跟踪系统和远程工程系统，在攻占“目标桃子”的作战行动中，共享了作战态势图，提高了部队的态势感知和理解能力，并使得部队快速做出决策和机械能自我调整，极大提高了指挥和战术灵活性以及作战任务效率，从而大幅提高网络化效能［21］。

推论3 在协同决策环中，决策控制单元之间横向协同和交互越多，网络化效能越高，从作战应用层面可提高共享态势感知和理解的能力，决策优势越明显。

下面通过协同决策环示例分析来印证上述推论。图5（a）～图5（h）给出了8种不同的系统结构，表示D1、D2、D3、D4 4个决策控制单元之间的态势共享和协同情况。其中，图5（a）表示D1与其他3个单元单向协同；图5（b）表示D1与D2双向协同；图5（c）表示D1分别与D2和D3双向协同；图5（d）表示D1分别与D2、D3和D4双向协同；图5（e）在图5（d）基础上增加了D3到D4的协同；图5（f）增加了D4到D3的协同；图5（g）增加了D2和D3之间的协同；图5（h）是在4个决策控制单元之间完全协同。这8种系统结构对应的最大特征值、CNE和平均路径长度如表3所示。从表3可以看出，随着决策控制单元之间横向协同和交互的增加，CNE逐渐提高，也说明态势共享程度越来越高。

图5 协同决策环示例

表3 协同决策环CNE示例

（3）指挥控制环

指挥控制环的基本原理是网络中心化条件下作战力量（行动单元）动态编组的原理。决策控制单元依据动态编组，通过指挥控制结构和指挥权限的动态重组，实现对响应执行单元及时、精确的指挥决策，确保响应执行单元能适应作战任务和环境的变化，从而提高系统的网络化效能。在“自由伊拉克行动”期间，通过建立蓝军跟踪系统利益共同体的运用，美陆军第5军和第3机械化步兵师享受到的网络化优势远远超过了在“沙漠风暴行动”期间美军的作战能力，使部队能在更为分散的环境中作战，移动速度更快，并极大降低了误伤率，取得了在“沙漠风暴行动”期间所无法想象的协同和联合作战能力［21］。

一般来讲，在网络化作战体系中，增加控制“反馈化”机制，即赋予响应执行单元处理各种突发情况的时间和空间，形成“信息-反馈-控制”的良性控制循环体系，是提升指挥控制能力的有效手段，这也是网络中心战的“权利边缘化”［22］的重要体现。

推论4 在指挥控制环中，在相同的动态编组情况下，如果响应执行单元具备向决策控制节点反馈信息的机制，能增强系统的网络化效能，从作战应用层面能使决策控制单元具备精确控制的能力，从而提高协同指挥的灵活性、适应性。

图6 指挥控制环示例

表4 指挥控制环CNE示例

图6给出了3种系统结构来说明这一推论，3种系统结构对应的最大特征值、CNE和平均路径长度如表4所示。其中，图6（b）和图6（c）是在图6（a）的基础上，依次增加了A1和A2向D的反馈功能。从表4可以看出，当响应执行单元A1和A2分别具备控制“反馈化”机制后，CNE增加，说明其协同控制能力将更加精准，网络化性能也逐步增强。步原理［2324］。系统结构中2个以上的响应执行单元，围绕指挥员意志及同一目标，根据自身能力和战场情况变化，自行调节作战行动与行为，提高指挥的持续能力和速率，从而提升系统的作战效能。美军在上世纪末进行的Δ号舰队作战实验［7］已经有效验证了网络中心化条件下自同步的巨大潜力。与传统平台为中心作战相比，通过使陆军直升机、P-3、LAMPS、AC- 130以及路基和航空母舰舰载飞机之间协同和自同步，漏网数量降低了一个数量级，作战任务可在一半时间内完成。

推论5 在协同执行环中，对某一决策控制单元而言，如果参与的响应执行单元之间协同越紧密，则系统网络化效能越高，从作战应用层面说明响应执行单元之间的自同步能力越强，指挥的敏捷性越强。

图7（a）～图7（f）给出了6种系统结构来说明协同执行环的原理，6种系统结构分别代表了3个响应执行单元A1、A2和A3之间的协同与同步程度。表5给出了6种系统结构对应的最大特征值、CNE和平均路径长度。可以看出，随着3个响应执行单元之间的协同程度越来越紧密，其结构的CNE值逐步增加，也说明响应执行单元之间的自同步能力越来越强。

图7 协同执行环示例

表5 协同执行环CNE示例

2.3 实验分析与结论

第2．2节已通过示例对系统结构“五环”效能表征进行了分析，本节通过仿真实验进一步分析，并提出对网络中心化C4ISR系统设计的指导策略。利用研究团队自研的系统结构表征分析与设计工具开展仿真实验，选取无尺度特征与小世界特征2类系统结构［25］，在节点规模分别为100、250、300、350、400、500、600和700条件下，比较了这2种不同特征的系统结构在不同连边概率条件下的CNE和平均路径长度变化情况，仿真实验结果如图8和图9所示。

从图8和图9可以看出，在各种节点数情况下，随着连边概率的增加，2种特征的系统结构的CNE不断增大，平均路径长度不断减小。这是因为连边概率增大，形成“环”的概率增加，CNE增大；同时系统结构中的“捷径”也随之增多，节点间的路径长度变小，平均路径长度减小。从作战应用角度来讲，连边概率越大代表着节点之间的协同程度越高，说明系统网络化效能越高。

图8 不同节点规模下的CNE变化情况

图9 不同节点规模下的平均路径长度变化情况

分析上述仿真实验结果，相比小世界网络，同等条件下，无尺度特征的系统结构的CNE更大，这是因为由于潜在结构的影响。研究表明，边数的增加导致网络的突增性，其中90%的网络快速增长是由10%的边的连接引起的。随着边和节点的增加，从起始点到突增之间的边存在一种潜在结构，在这个潜在结构中包含这一些边将节点串联成一个个小簇，最终完全连接，形成网络化效能较高的结构。而创建这个潜在结构的机制之一就是优先附加增长机制［12］。很显然，由于无尺度网络生成的机制之一就是“优先附加增长”，因此其CNE较大。

3 结束语

如何对网络中心化条件下C4ISR系统网络化效能进行描述和定量分析是系统结构总体设计中的重点和难点。本文围绕这一问题，从网络中心战结构模型和OODA过程模型出发，给出了系统结构“环”的概念，提出了网络中心化C4ISR系统结构“五环”效能表征模型，结合实例给出了指导系统结构设计的5个推论，为网络中心化C4ISR系统总体设计和研制建设提供了科学依据。

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“Five-loop”model and its effectiveness representation for network-centric C4ISR system structure

LAN Yu-shi1，2，WANG Heng1，2，YI Kan1，2，MAO Shao-jie1，2，LEI Ming1，2，DENG Ke-bo1，2，ZHANG Jin-feng1，2
（1.The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China；2.Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，Nanjing 210007，China）

To address the quantitative design and analysis issues for the network-centric C4ISR structure，a“five-loop”model to define the C4ISR system structure is proposed upon the network-centric warfare and observe，orient，decide，act（OODA）loop models．Along with the“five-loop”model，the coefficient of networked effectiveness（CNE）to represent the networked effectiveness of the C4ISR system architecture is adopted．The deduction for the“five-loop”model is presented as well to guide the architecture design of the network-centric C4ISR system．Extensive simulation results have validated the correctness of the“five-loop”model and its effectiveness representation．

network-centric；C4ISR system；networked effectiveness；five-loop；representation method；system structure

E 919

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．01．16

蓝羽石（1954-），男，研究员，博士研究生导师，主要研究方向为电子信息系统总体。

E-mail：lan_ys＠les．cn

王珩（1977-），通讯作者，男，研究员，博士，主要研究方向为系统总体技术、信息栅格技术。

E-mail：nriee_wangh＠126．com

易侃（1981-），男，高级工程师，博士，主要研究方向为系统体系结构、信息栅格和面向服务技术。

E-mail：yikancn＠gmail．com

毛少杰（1963-），男，研究员，硕士研究生导师，主要研究方向为系统仿真与评估。

E-mail：mao_shao_jie＠126．com

雷鸣（1984-），男，工程师，硕士，主要研究方向为系统仿真建模。E-mail：leiming＠gmail．com