军事信息系统互操作能力评估方法研究

2016-02-08张雪松王燕敏

中国电子科学研究院学报 2016年6期

关键词：互操作性度量一致性

张雪松，苏辛，王燕敏

(1.中国电子科学研究院，北京 100041;2.电子科技大学,四川成都 611731)

基础理论

军事信息系统互操作能力评估方法研究

张雪松1，苏辛2，王燕敏1

(1.中国电子科学研究院，北京 100041;2.电子科技大学,四川成都 611731)

军事信息系统互操作能力是决定未来战争胜负的主要因素。研究工作探索了作战行动的本质和互操作的核心，用“六协同”模型简洁地阐述了“作战云”的具体形态；面向物理域、信息域、认知域、社会域所构成的“四象域”，提出了一种简单易用的互操作能力七级评价方法，进而度量了联通性、传播性、一致性、适应性等四项互操作能力指标。研究工作对信息系统互操作能力的拓展认知，有助于军事信息系统的理论发展和工程实现。

军事信息系统；互操作能力；作战云；六协同；四象域；

0 引言

孙子曰：兵者，国之大事，死生之地，存亡之道，不可不察也。面向“地球春秋与战国”时代的机遇和挑战，各国如火如荼地展开了新军事变革。例如，服务于美国“全球警戒—全球到达—全球力量”的使命与任务，其空军在2015年9月发布的《Air Force Future Operating Concept》中提出了依赖于灵活、快速、协调、均衡和力量等五个方面的“敏捷行动”，其海军在2015年3月发布的《A Cooperative Strategy for 21st Century Seapower》中提出要建立灵活、敏捷和常备不懈的海上力量，其陆军在2012年1月发布的《Sustaining U.S. Global Leadership: Priorities for 21st Century Defense》中提出了打造一支更敏捷、更灵活、集可逆性与可扩展性于一体的全域部队。再如，中国针对新军事变革于2015年9月提出了四个方向的四项转变：世界潮流—“改变机械化战争的思维定势，树立信息化战争的思想观念”；国家安全—“改变维护传统安全的思维定势，树立维护国家综合安全和战略利益拓展的思维观念”；实战形态—“改变单一军种作战的思维定势，树立诸军兵种一体化联合作战的思想观念”；统筹保障—“改变固守部门利益的思维定势，树立全军一盘棋、全国一盘棋的思想观念”。由此可见，军事信息系统的重要性和关键性已经是各国的共识。

互操作能力[1-5]是军事信息系统的关键特征，关于互操作性等级及其度量，研究人员提出了许多建设性的方法。蒋晓原等依据ITA体系结构，提供了对指挥自动化系统互操作性等级进行划分和评估的方法。罗雪山等采信美军的LISI(Levels of Information Systems Interoperability，信息系统互操作性等级)模型，提出用对比分析法从技术角度评估信息系统的互操作能力。高阜乡等通过分析LISI模型、OM(组织结构互操作性等级)模型、LCI(联合互操作性)模型、LCM(概念互操作性等级)模型、NC3TA(面向互操作性的技术体系结构)模型等不同组织对互操作性的定义，提出了基于Web Services的互操作性测试方法。韩化冰等基于LISI模型构建了包括目标层、属性层、子级层、性能指标层等4个层次的模型，采用层次分析法计算子级权重、网络层次分析法进行综合计算，从而定量评估信息系统互操作性。综合分析领域内对军事信息系统互操作性的研究工作，主流是采用LISI模型，但对LISI模型建模理论方法的深入探究不足，没有阐明互操作性的核心理念，因而不能按照我国的实际情况，建立自主的军事信息系统互操作性等级模型。此外，度量方法以采集属性数据、分析评估为主，欠缺数学模型的支撑，度量方法复杂，不易操作。

1 信息系统的军事需求

1.1 军事信息系统的范畴

军事信息系统简称信息系统，也称为军用信息系统、综合电子信息系统等。军事信息系统[5]由信息获取、信息传输、信息处理、信息管理和信息应用等部分组成，是用于保障军队作战和日常活动的信息系统，主要包括指挥信息系统、作战信息系统和日常业务信息系统。信息技术是军事信息系统产生、发展的前提和基础[6]。分析军事信息系统需求，不能脱离信息技术，两者是相辅相成的。

1.2 传感器到射手(Sensor-To-Shooter)

“传感器到射手”是信息化战争的作战模式，如图1，由传感器、指挥控制、打击武器等三类节点构成了打击链。网络中心战的基本作战概念强调“传感器到射手”的一体化。[7]

图1 “传感器到射手”的打击链

1.3 信息环境模型

美国国防部建立了由物理域、信息域、认知域和社会域构成的信息环境模型，认为以网络为中心的军事行动发生在这四个域。这里的“域”是一种启发式的思维方法，把影响作战效能的诸多因素进行抽象、分类，形成易于观测和管理的要素领域，从而理解复杂现象并建立模型。

图2 物理域-信息域-认知域-社会域的“四象域”

如图2所示：物理域是部队企图影响的态势存在的领域，是打击、防护、机动等发生的陆海空天网电环境，是信息基础设施部署之处；信息域是信息存在的领域，是信息生成、处理、增值与共享之处，是军事行动的信息空间；认知域存在于参战人员的头脑中，是参与者的感知、晓知、理解、决策、信仰以及价值观存在之处；社会域是网络中心行动概念框架的创新，是部队实体相互作用、交换信息、形成晓知与理解以及做出协作决策之处[8]。

2 信息系统的互操作性

2.1 全域互操作

互操作性可以从作战互操作性和技术互操作性两个角度来认知。作战互操作性是指系统、单元或部队与其它系统、单元或部队之间互相提供服务，并利用这些交换的服务实现系统、单元或部队共同高效作战的能力。技术互操作性是指通信-电子系统(设备)和/或它们的用户之间，能够直接按需交换信息或服务的状态。[9]由此可见，互操作性是具有自主性个体(主体)之间的互动行为，它以互连互通为基础，不存在“鬼魅”的超距作用。与前述信息环境模型对照可知，互操作性贯穿物理域、信息域、认知域和社会域所构成的四象域，是全域互操作。

2.2 作战云的本质

互操作性的最新动态是“作战云(Combat Cloud)”。“云”是信息技术领域借喻自然界的云(喻体)而形成的一个使本体形象化的概念。借喻“云”的本体主要有三个特点：是一种事物、一种与云本质不同的事物；本体缺乏形象化，不直观，形态不具体；与云具有相似性，本体表象像云，如：物理空间形态多样、大量组分的聚合体，具有盖然性、弥漫性、同时性。

2013年，为解决F-22与F-15、F-16、F-35之间无法共享态势的问题，美国空军空战司令部迈克.霍斯蒂奇将军提出了“作战云”概念，意图将“云计算”引入到协同作战领域，将网络中心战演进为“作战云”的信息融合理念，实现各军兵种之间战术信息的互连互通互操作。

2014年，美国国防部将作战云定义为情报/侦察/监视、打击、机动、保障的综合体，具有三个主要特征：(1)动态化、虚拟化资源池；(2)云融合。基于云技术实现战场资源综合管控，实现时空分散的传感器协同探测，完成战场态势实时共享和决策支持，缩短战术决策时间，提升单元要素之间的协同能力与整体杀伤效能；(3)分布式“云杀伤链”。打破作战平台、传感器、武器系统之间的硬连接，以松耦合方式构建涵盖发现、定位、跟踪、瞄准、交战、评估(F2T2EA)等过程的打击链。

2015年，美军将作战云作为第三次抵消战略的能力基础。其核心是整合陆海空天电等多维作战力量，各作战平台、传感器、武器系统组成虚拟存在的“云”，在体系层面实现战场资源的动态高效管控及海量信息高速、实时、分布式处理与共享，构建跨域、跨军种、分布式、网络化的“云杀伤”协同作战能力。

分析作战云概念的发展过程，可以类比云计算理解作战云。综合战场内所有作战资源，视为一个整体(云)，并行运用各种各样的作战资源遂行使命任务。每个作战任务都可以按照规则分解为作战行动，分配给不同的作战资源同时实施，每个作战资源只需要做少量的细化任务(行动)。最后将这些资源执行的结果整合，完成大的整体任务。对指战员而言，直接面对的不是众多作战资源，而是一个好像真实存在的作战能力超强的武器装备系统。作战云的本体是一个作战资源分布的一体化联合作战体系。

2.3 作战云与六协同

既然对指战员，可以构建一个资源层，并进行“透明化”管理，那么还可以从应用角度这样来理解作战云。交互一般发生在两者之间(同一时间)，当有三者以上同时相互作用时，一般将其建模为“场”，如引力场、电磁场、信息场，“云”近似于场，用于表述复杂的互操作关系。每个主体既是构成场(云)的一部分，又是场(云)的作用对象。这种自反性也是复杂系统的一个重要特征。每个平台作为一个云节点，既向云端提供信息，也从云端获取信息，目标探测跟踪数据在云端实时共享，融合成火控级的目标航迹，云端各平台可向战斗机发送打击指令，目标照射和导弹制导也可由第三方完成。因此，整个体系具有自我修复功能，即使单个平台或局部平台被击毁，也不会造成整个体系的瓦解。如图3，多对多的作用可以细分为六类，即六协同：协同探测、协同情报、协同指挥、协同控制、协同火力、协同打击。由此作战云可视为六协同，其目标是形成网络化的打击链。

图3 作战云与六协同

3 互操作能力等级

3.1 节点与连接

全域互操作模型的不同之处在于分领域/层，将互操作性首先分成四个领域，从下到上分别是物理域、信息域、认知域和社会域，而后在每个领域内细化互操作性。在同一领域内，将互操作性抽象建模，按照连接的拓扑类型，区分为点、线、树、网，同时为了定量度量，分别对应定义为0、1、2、3。其中，点和线在拓扑结构中是非连通的形式，树和网是连通的形式。[10]

物理域中，连接的节点是一个个物理实体，节点之间的连接关系有：宇宙孤儿(点)、点对点(线)、点对多点(树)、多点对多点(网)。信息域中，数据/信息的交互关系有：信息孤岛(点)、单播(线)、广播(树)、多播(网)。认知域中，连接的节点是一个个逻辑概念，节点之间的连接关系有：独立概念(点)、关联概念(线)、层级派生概念(树)、交织概念(网)。社会域中，节点的主题是行为，个体行为之间的关系有：独立行为(点)、主从控制行为(线)、组织层级行为(树)、自主协同行为(网)。

3.2 能力等级划分

基于节点与连接关系进行分类，每个领域用0、1、2、3表示连接关系，四个领域可以有256级互操作能力。但是，由于领域内和领域间的限制条件，具体分析了57级、35级、7级等三种划分方法。

图4是层级之间受点-线-树-网限制而生成的能力等级，限制条件是下层孤点则上层必定是孤点、下层非连通则上层必定是非连通，得到实际的互操作能力等级数为57级。

图4 点-线-树-网限制的互操作能力等级

如果遵循下层的连接度大于等于上层连接度的领域间限制，有效的互操作能力等级数为35级，如图5所示。

图5 层域间限制的互操作能力等级

考虑到军事信息系统的演进特性，即上层的连接度紧跟下层的连接度直至最大值，如表1所示是研究工作推荐的划分方法，互操作能力等级数为7级。按照这种7级的互操作能力等级划分方法，很容易确定一个信息系统的等级。

表1 军事信息系统互操作能力等级

4 互操作能力度量

4.1 联通性

互操作能力用等级评估只是定量分析信息系统的开始，点-线-树-网的拓扑仅仅粗略描述了一个信息系统的互操作能力，尚不能全面揭示信息系统的性能。评估一个信息系统，在划分互操作等级之后，可以进一步度量联通性、传播性、一致性、适应性等四项互操作能力指标。

联通性(多)表征信息系统中节点间的连接程度，用网络中实际边数与可能存在边数的比值来度量，这里的节点可以是物理域、信息域、认知域和社会域中任何一个域的个体(主体)。联通性的度量公式如下：

联通度D=2E/N(N-1)

(1)

对于一个有N个节点的无向图网络，理论上可能存在边数为N(N-1)/2，实际边数为E。联通度的提升目标是“多”。

此外，研究工作对信息系统互操作能力还有两点预期：快速达成一致和对抗稳定性。与此密切相关的指标有三个：传播性(快)、一致性(好)、适应性(省)。

4.2 传播性

军事信息系统中信息、认知、行动等的传播性用传播速度度量，公式如下：

传播速度V=物理速度v/拓扑空间形变率t

(2)

其中：物理速度是指信息、认知、行动等在两个节点之间传递的速度，其数值取决于物理规律。

拓扑空间形变率是对网络在拓扑空间的结构度量，研究工作中采用网络平均路径长度t。网络平均路径长度(又称特征路径长度)定义为：网络中任意两个节点之间最小路径长度的平均值[11]。路径长度的单位是“跳数”，网络的平均路径长度大于等于1，即两个节点之间的距离至少是1跳以上。

传播速度表征了信息、认知、行动等在军事信息系统中任意两个节点之间传递的平均速度，展示了网络的拓扑空间结构，就像物理空间结构展示了粒子间作用力关系的统计规律，传播速度的提升目标是“快”。

4.3 一致性

一致性是另外一种对拓扑空间结构的度量，主要关注拓扑空间结构的稳定性，表征了信息、认知、行动等在军事信息系统中同步并达成一致的程度。研究网络同步性也就是研究网络稳定性。当所有的节点要么锁定步调一同前进，要么安静下来等于同一个值，网络就达到了稳定。以锁定步调方式一同前进的网络称为震荡，网络包含能到达同一个稳定值的节点称为同步。[11]研究工作中，采用聚类系数来度量网络的一致性。聚类系数是对“有多少节点与它们的邻接节点形成三角子图”的一种测量。一个节点的聚类系数是三角子图的实际数与最大可能数之比。整个网络的聚类系数就是所有节点聚类系数的平均。

军事信息系统中信息、认知、行动等的传播一致性度量公式如下：

一致性CC(G)=∑i=1CC(vi)/n

(3)

其中：CC(vi)是节点vi的聚类系数，一致性是n个节点聚类系数的平均。

一致性表征了信息、认知、行动等在军事信息系统的节点之间同步的程度，展示了网络的拓扑空间稳定性，网络一致性的提升目标是“好”。

4.4 适应性

一个网络信息体系，面对外部的毁伤或者内部的失效，多大程度上能够保持原有的能力？是否能够恢复原有的能力？这就是网络信息体系的适应性问题。如公式(4)，某个节点的适应性R定义为威胁T、脆弱性V、毁伤效果C这三个变量的乘积。

Ri=TiViCi

(4)

其中：威胁T是对该节点的攻击可能发生的概率。

脆弱性V是该节点或相关联链路遭到攻击后，网络发生故障的概率。

成功的攻击产生毁伤效果C。

具有n个节点，m条链路的网络适应性定义为：

R=∑n+mTiViCi

(5)

网络的适应性，可以通过分析关键节点和关键链路两种不同的分析方法来计算。降低网络风险的手段可以是降低毁伤效果、脆弱性或同时降低两者的过程，考虑到资源的有限性，适应性的提升目标是“省”，也就是资源优化，以有限资源获取最大适应性。

5 结语

面向作战云的军事需求，基于信息系统的“四象域”模型，研究工作揭示了互操作能力对于信息系统的关键重要作用，进而提出了互操作能力的提升目标是“多快好省”，给出了联通性、传播性、一致性、适应性等四项指标的度量方法。“多”用来衡量节点间的联通度；“快”用来衡量信息、认知、行动等的传播速度；“好”用来衡量节点的一致性；“省”用来衡量对抗威胁和失效的适应性。对一个信息系统就可以评估为：互操作能力等级是几级，具体的联通度、传播速度、一致性、适应性是多少。顺应军事信息系统发展趋势，研究工作有助于军事信息系统的理论发展和工程实现。

[1] GJB/Z144—2004 指挥自动化系统互操作性等级及评估[S].

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[11] (美)Ted G Lewis著,陈向阳等译. 网络科学原理与应用[M]. 机械工业出版社, 2011年. P5, P18, P200, P251

Study on Evaluation Method for Military Information Systems Interoperability

ZHANG Xue-song1, SU Xin2, WANG yan-min1

(1.China Academy of Electronic and Information Technology, Beijing 100041, China;2.University of Electronic Science and Technology of China, Sichuan Chengdu 611731, China)

Interoperability of military information systems is one of the decisive factors for future warfare. The essence of operational actions and the core idea of interoperability are discussed，and then the Combat Cloud is illustrated with Six-Cooperation Model. Base on Four Quadrants, which is composed of physics domain, information domain, cognition domain, and sociology domain, a user-friendly evaluation method for Military Information Systems Interoperability is proposed, together with the computation method for four relevant parameters. The exploration of the Interoperability of military information systems is useful to the constriction of military information systems.

Military Information Systems; Interoperability; Combat Cloud; Six-Cooperation; Four Quadrants

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.016

2016-09-10

2016-11-30

973基金项目(613314)