面向联合作战的赛博态势关键技术研究

王璟 贺筱媛 吴琳 张大永

1.国防大学信息作战与指挥训练教研部,北京100091

随着信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用,原本局限于传统空间的战争行为逐步延伸至虚拟的赛博空间,并且日益成为联合作战中越来越重要的现实作战样式,这将对未来的作战指挥活动产生新的影响.因此,联合作战指挥员必须加强对赛博空间的关注.

赛博空间作为不同于传统作战空间的“第二类”空间,其依托于信息基础设施作为主要物质基础,通过能量、信息等载体将物理空间与虚拟空间融合为一个有机整体.赛博空间的出现,将带来作战理念和作战样式的新变革.

作战指挥活动中,战场态势是指挥员认知战场、做出判断、指挥作战的基础.赛博空间作为感知和控制战场的通道,为联合作战指挥员提供了观察战场的新视角.未来作战中,联合作战指挥员应关注包括赛博空间在内的战场态势,本文认为,与传统空间相比,赛博空间具有实体抽象虚拟、空间多维广阔、战机稍纵即逝等特点,因此,目前赛博态势的研究面临3个主要问题:1)如何处理抽象数据或者概念元素;2)如何对海量数据进行可视化;3)如何为决策者快速地提供态势并进行相应的分析.

针对上述问题,本文分析了赛博空间在联合作战中的地位作用,提出了聚合级赛博态势描述方法,并从赛博态势系统工作流程出发,进行了数据变换、态势表现等关键技术的研究.

1 面向联合作战的赛博态势

赛博空间依托电磁装备,联网而成,是建立在物理空间之上的一类新型作战空间[1].赛博空间对于联合作战体系能力的形成和发挥起基础作用,它是构成体系作战能力的核心要素.

赛博空间是一个虚实结合的人造空间,它由实在空间(物理空间)和虚拟空间两部分构成,其实体抽象程度高、聚合程度强、关联关系复杂.赛博空间的出现,将原先孤立存在、单独作用的各类实体、电子信息系统关联聚合在一起,以一种新的形式对联合作战体系产生影响.

基于以上判断,本文在“EBNI”(Entity,Behavior,Network-Interaction,简称EBNI[2])模型框架基础上,提出聚合级赛博态势描述模型的概念.所谓聚合级,是指将分布在赛博空间的多个实在、虚拟实体抽象成一类具有特定作战意义的战役层实体,例如,某指挥所内有多台接入通信网的计算机、多种信息系统等细小粒度的实在、虚拟实体,本文将这些实体聚合成一个指挥决策节点进行描述.

定义1.聚合级赛博态势描述模型

采用四元组CS={E,B,NI,L}表示聚合级赛博态势描述模型,其中:

1)E=e1,e2,···,em表示赛博实体要素;由于态势实体要素是由侦察探测获取的源数据中表示的实体单元映射而来的,因此,要建立态势模型的结构,首先要解决实体要素多元属性的分类和多域空间映射问题.通常赛博实体信息能力都具有多活性特点,因此,实体信息用属性集合表示,设战场空间中有真实实体N,且有:

其中n为实体N的某个属性类型,下标中的α和β表示该属性所属的空间,且有(nα1,nα2,···,nαi)T(nβ1,nβ2,···,nβi)=φ,则N可以同时映射为不同战场空间Lα和Lβ中的实体,即:

通常情况下,战场态势实体数量大于等于感知数据所属主体表示的实体数量.例如来源于一辆指挥车的侦察数据,既可能包含信息设备属性或指挥关系信息,从而映射为一个赛博空间实体,也可能包括车辆属性,从而映射为物理空间中的一个装甲目标节点.

2)B={b1,b2,···,bm}表示赛博行为要素,b1,b2,···,bm表示行为要素的属性.

3)NI={ni1,ni2,···,nim}表示赛博空间网络化交互要素,ni1,ni2,···,nim表示网络化交互要素的属性.

4)L={l1,l2,···,lm}表示各态势要素之间的关系,l1,l2,···,lm表示不同关系的属性.

通过建立赛博态势的描述模型,明确了赛博态势系统需要表现的内容,为后续的研究打下基础.

2 聚合级赛博态势关键技术研究

2.1 可视化模型简介

信息可视化是网络信息空间形成与发展的产物,其起源于20世纪80年代出现的科学计算可视化[3],是指将抽象数据用直观图示显示,以利于数据分析、发现规律和支持决策.

信息可视化表现为抽象数据到可视化图形的映射过程,其对信息对象的特征值进行抽取、变换、映射、抽象与聚合,用图形、图像等方式表示信息对象内容的特征和语义.为了建立数据的可视化映射,Card等人提出了可视化模型[4],图1描述了原始数据、数据表格、可视化结构和视图间的转换关系,以及用户通过人机界面进行数据交换、可视化映射、视图变换等操作.

图1 可视化模型

上述参考模型描述了信息可视化的基本流程,本文在此基础上,提出了聚合级赛博态势参考模型,并对数据变换及态势表现两个核心环节进行了重点分析.

2.2 聚合级赛博态势参考模型

通常认为,赛博态势应是多层次、多视图的方式,参照美空军提出的网络态势系统参考模型框架[5]及可视化参考模型,本文认为赛博态势分3个层次:原始数据、态势要素识别与表现、态势的理解和分析,对应图2中从左到右“数据到知识”的变换过程.赛博态势面向的是联合作战指挥员,其外部数据来源于多源感知系统,包括接入各类军用信息网络的网络传感器,以及传统的侦察探测平台.

如图2所示,实现面向指挥员的态势表现需完成以下工作:

步骤1.指挥员根据作战计划需要,下达战场数据获取需求;

图2 可视化模型

步骤2.战场感知,获取外部多源感知系统获取的战场数据,存入外部感知数据库;

步骤3.数据变换,根据赛博态势要素基本集,基于赛博态势元数据,将多元异构的战场数据聚合为分层的态势要素,实现感知数据到态势信息的转换;

步骤4.可视化映射,基于信息可视化的方法,将态势数据映射为相应的符号、图形,即将态势数据库内抽取的信息转换为可视化元素.这一步是态势表现的核心,具体分为两步进行操作,第一步是将各个信息条目转换为视觉标识,包括点、线、面积、体积等,例如用点代表态势实体,线代表信息流;第二步是将信息条目的属性转换为标识的可视化特征,包括位置、大小、颜色等,例如不同级别的实体用点的不同大小表示,不同粗细的线代表信息流的大小.该步骤需具备两个基本原则,一是可以表达态势数据集的所有方面;二是可视化的图形符合指挥员的认知,即便于理解.

步骤5.视图转换,根据指挥员权限及作战任务需求,呈现出符合要求的态势图.本文将态势显示等级设为初级、中级与高级,初级只允许用户查看一个数据元素;中级可以揭示一组元素的主要信息;高级是指全部数据的总体信息.态势可视化表现需要兼顾指挥员对多分辨率展示的需求,通过视图转换对大量信息多层次展示,这样指挥员就可以按照自身需求查看相关的信息.

步骤6.用户交互,用户利用交互技术查看态势表现结果,并根据可视对象的不同改变显示的内容,主要包括导航交互、选择交互、过滤交互、分辨率切换等方式.

可以看出,数据变换和可视化方法是实现赛博态势系统功能的关键环节.

2.3 基于元数据模型的数据变换

传统的战场态势表现过程中,战场感知系统获取的数据与客观战场实体存在明确的映射关系,仅需要简单的数据处理即可完成数据到可视化元素的转换,而赛博空间中,感知系统获取的数据多元、异构且并不指向特定的实体要素,需要经过抽象变换与赛博态势要素进行模式匹配,进而实现外部感知数据到聚合级态势要素数据的转换,因此,需要重新设计符合赛博空间特点的数据变换方法.

根据赛博空间感知数据的特点,本文设计了基于元数据模型的数据变换方法,主要包括数据过滤、聚合及分层抽象等步骤.通过设计态势元数据模型,完成大规模感知数据的聚合预处理,以降低数据处理规模,得到供可视化表现的数据集合.

定义2.赛博态势元数据模型

赛博态势元数据(Meta Data of Cyber Situation)模型定义为赛博态势要素信息属性的描述信息,采用一个四元组进行描述:

其中,DCS表示赛博态势元数据,Ne,NO,L,E分别表示“网络”、“节点”、“关系”和“事件”4个对象.其中“关系”包括“链接关系”和“承载关系”两类,“节点”包括“全局节点”和“网内节点”两类.针对每个对象描述分为基本属性和扩展属性两部分,基本属性用于刻画表征多层态势关联融合的关键属性,只有具备了基本属性对象实例才能用于进行多层态势关联,否则只能作为孤立的对象存在.

在数据变换过程中需对数据进行分析,试图最大限度地从纷繁复杂、非结构化的数据中最大化提取有用信息.除了地址、名称、属方等显性知识外,可视化还需抽取战场数据中未明确的隐性知识.变换后的数据成为结构化的态势数据,这一过程的本质是创建合理的态势信息数据库以存储供可视化的态势信息.

如图3所示,数据变换主要完成4个方面的工作:

图3 数据变换处理流程

步骤1.数据清洗是指消除源数据中数据间的相互冲突、不完整的数据集及多源数据库共有的不兼容性.主要包括一致性检查、完整性检查、重复项删除、缺失项处理等步骤.例如,当前获取了关于某一节点的数据,首先检查数据来源是否可信、数据项目是否完整,而后对于源数据中重复的项目进行删除,对于存在的缺失项进行处理.

步骤2.一致性处理指在数据检查的基础上对数据进行一致性处理,以规范目标数据和数据集.主要包括数据格式转换、数据类型转换、数据拼接处理、数据项校验等步骤.例如,源数据由于来自不同的探测源,其数据存储格式差异较大,需进行格式转换,并对数据项值的类型进行统一,而后将表征相同态势要素的数据合并组合,最后校验是否存在未转换的数据.

步骤3.抽象聚合是指针对所要解决的军事问题对数据集进行结构和语义上的抽象,并将数据从战术层映射到战役层.主要包括属性项匹配、特征项选择、特征项抽取、聚合计算等步骤,第三步的目的是得到聚合级的态势要素.

步骤4.数据分层处理是指按照不同的作战任务需求,将数据按照不同的态势类型进行分类,并经过降维编码处理,得到可以进行可视化映射的数据集.主要包括数据分类、降维处理、概念分层、编码处理等步骤.

2.4 聚合级赛博态势表现方法设计

赛博空间是传统物理空间与虚拟信息空间的混合体,是实在与虚拟的结合,同时赛博空间涉及的是多粒度的实体类型,因此,赛博空间态势需要进行多尺度的可视化表达.本文根据赛博态势信息特点和现实技术手段,提出了“分层多尺度,专题多样化(1+N)”的赛博态势表现方法.其中“1”是指一幅基于地理布局的拓扑结构图,供指挥员宏观掌握赛博空间结构;“N”是指多幅专题态势图,采用多样的信息可视化技术针对不同特点的态势信息进行可视化,以多视图、多角度、多尺度的方式表现赛博作战对作战指挥带来的影响.

根据目前的研究,可以将赛博态势信息类型分为一维信息、多维信息、层次信息、时态信息、文本信息、网状信息等.针对每一种信息类型,选择已有的信息可视化技术中可与之对应的可视化方法,如图4所示每一类态势信息可以通过一种或多种可视化方法进行表现,以满足指挥员对于赛博态势表现的多种需求.

3 聚合级赛博态势系统设计与实现

3.1 系统架构

本文设计的赛博态势系统主要包括基础数据抽取与生成、后台辅助分析和前台综合显示3个功能模块,模块基本情况和模块间的逻辑关系如图5所示.

在图5中,基础数据抽取与生成模块负责将外部感知数据按照需求抽取到本系统内部的数据库管理系统中,抽取的数据可以组合成基本的态势数据;后台辅助分析模块主要完成的任务就是解决赛博空间中信息不完整的问题,即进行不完全信息下的态势还原,在已有基本态势数据的基础上,还原出更加完整的态势数据;前台综合显示模块在综合考虑基本态势数据和后台辅助分析后得到的数据基础上,基于ECharts[6]开源平台实现态势可视化,并将得到的赛博态势图呈现给指挥员.

图4 态势信息与可视化方法对应关系

图5 系数模块间关系图

3.2 系统应用实例

应用实例以联合作战背景条件的两方对抗为基本想定内容.假设红方对蓝方军用信息网络实施监控,通过获取的数据构建赛博空间态势,并可视化呈现给己方指挥员.当前,红方指挥员期望发现敌方应对威胁飞行物时的指挥过程,以辅助制定火力打击敌指挥链的作战计划.

指挥作战过程可以用一个完整的OODA环描述,OODA环由决策节点、探测节点、情报节点、打击节点构成.通过赛博空间态势的呈现,指挥员能够感知到赛博作战对联合作战带来的影响,同时,能够从赛博视角发现影响敌作战体系效能的关键节点.

图6展示了上述背景下的赛博态势,其中,不同大小、颜色的点表示不同类型的赛博空间实体,不同颜色的有向线段表示不同类型的信息流(即实体发起的行为),点的闪烁和有向线段的出现、消失表示交互效果.从图中可以看出,红方飞行物在蓝方探测系统的感知范围外时,蓝方军用通信网络处于低业务量运行状态,即态势图上所有点未闪烁、有向线段未出现,节点之间连边呈现半透明状;一旦飞机进入蓝方雷达探测范围,代表探测节点的点开始闪烁(即发起探测行为),并且按照蓝方既定的作业流程向其上级的决策节点和其保障的打击节点发送探测信息(即发起信息传输行为),图中显示为出现有向线段,其中绿色表示探测节点至情报节点发送的信息流,黄色表示探测节点到打击节点的信息流,红色表示情报节点到打击节点的信息流.随着飞机位置的不断改变,蓝方被激活的节点及有向线段按照一定规则不断变化.本文认为,图上点、线的变化规则表示敌方应对威胁时的工作流程,即敌应对威胁时的指挥控制模式.

图6 赛博态势可视化实例

4 结论

目前,信息可视化主要应用于网络安全态势表现、工业控制、数据统计等商业方面,并没有在军事领域得到有效应用,本文从信息可视化的流程出发,设计了赛博态势系统框架,并对态势系统中数据变换和可视化方法两个关键环节进行了阐述,最后设计实现了态势系统.通过对指挥控制模式等逻辑层信息的可视化表现,体现了赛博空间的信息域特点,使指挥员能够根据态势图直观地发现对方的信息行为、关键节点、关键链路,以及敌方指挥控制过程,据此指挥员能够在较短时间内选择出最优的打击目标.实验结果达到了预期效果,展示了一种新的态势表现方法.