天基信息支援指挥控制体系运行机制及复杂网络建模*

罗小明,朱延雷,何　榕

(装备学院,北京　101416)



天基信息支援指挥控制体系运行机制及复杂网络建模*

罗小明,朱延雷,何榕

(装备学院,北京101416)

天基信息支援是当前联合作战的主要样式之一,指挥控制体系是天基信息支援联合作战的核心和神经中枢,构建天基信息支援指挥控制体系运行机制和网络结构模型有助于提升天基信息支援乃至联合作战体系效能。探讨了天基信息支援云作战的基本概念和主要特点、天基信息支援云作战体系的构成和运行机制、以及天基信息支援云作战指挥控制体系的构成和流程,勾画了天基信息支援云作战指挥控制的理论框架,并结合示例构建了天基信息支援云作战指挥控制体系结构的复杂网络模型,并进行了主要参量分析,对开展天基信息支援指挥控制体系建设,指导天基信息支援以及联合作战体系需求论证、结构设计、评估优化等具有积极而现实的参考价值。

天基信息支援;指挥控制体系;运行机制;云作战;复杂网络

指挥控制体系是对各级作战部队实施指挥和对各类武器系统实施控制的天基、临基、空基、海基、陆基信息系统构成的有机整体,它将各种作战要素、作战单元、作战系统综合集成为功能联动、结构敏捷、组织协同、行动控制、效能涌现的作战体系,因而成为提升作战体系作战能力的“孵化器”、“黏合剂”或“倍增器”[1]。天基信息支援是指通过天基信息系统的情报监视与侦察、导弹预警、环境监测、卫星通信、定位导航与授时等5项任务,为联合作战提供信息支援的一种作战行动[2]。天基信息支援是当前联合作战的主要样式之一,指挥控制体系是天基信息支援联合作战的核心和神经中枢。灵活、适应、敏捷的天基信息支援指挥控制体系有助于为联合作战行动提供战场侦察、监视、预警、通信、导航、定位、环境监测等信息支援,是关系到联合作战能力生成、结构演化和效能涌现的重要环节。文献[3-5]研究了“云作战”(Cloud Operations)的基本概念、制胜机理、作战模式、能力生成、运行机制等问题,为“云作战”的实践运用奠定了理论基础。本文基于云作战和复杂网络(Complex Networks)理论,开展天基信息支援指挥控制体系运行机制和网络结构模型研究,对创新航天指挥控制理论,推进航天指挥控制体系建设,指导天基信息支援以及联合作战体系需求论证、结构设计、评估优化等具有积极而现实的参考价值。

1　天基信息支援云作战的基本理论

1.1基本概念和主要特点

“云作战”是指将所有分散的相关作战资源迅速、灵活地聚焦于一个(或多个)目标实施攻击或防御的作战理论与方法体系。“云作战”既是一种理念,也是一种战法,它提供了一种基于作战目标的作战资源高效组织和实践运用的具体路径。

天基信息支援云作战是指在联合指挥机构的统一指挥下,综合运用云作战聚散、机变、隐形等原理,利用天基信息获取系统、天基信息传输系统、天基时空基准系统和天基资源综合应用管理系统为联合作战行动提供信息支援的一种作战行为。

天基信息支援云作战具有以下基本特点:

1)作战力量构成多元。天基信息支援云作战力量既包括军用、民用、商用天基信息支援力量(或常备、后备天基信息支援力量),还包括陆军、海军、空军、导弹部队、网络部队等联合作战力量。陆军、海军、空军、导弹部队、网络部队与天基信息支援部队进行力量组合,不仅可形成一个严密、无缝的作战力量联合体,还能衍生出诸如“天海一体云作战”、“天网一体云作战”、“网天空一体云作战”等新型作战模式及创新战法。

2)作战任务以信息支援为重点。天基信息支援云作战主要是为己方陆军、海军、空军、导弹部队、网络部队等联合作战力量提供战场侦察、监视、预警、通信、导航、定位、环境监测等信息支援,而且支援行动贯穿联合作战全过程。天基信息支援通过夺取战场信息优势、实现联合作战指挥控制、以及提供所需的联合作战支持,从而成倍增强联合部队的体系作战效能。

3)作战行动聚散、机变、隐形。“聚散”、“机变”、“隐形”既是“云作战”的基本特征和核心思想,也是由航天器(卫星)系统的运动特性,以及天基信息支援作战时机选择、作战节奏把握、作战指挥控制的精度及其灵活性、适应性、敏捷性要求所决定的。只有实施“尚谋机变、资源协同、多维攻防、聚散无形”的天基信息支援云作战,实现各种作战资源的优化部署、协同聚散和能量释放,才能适应天基信息支援作战的任务及要求,才能发挥快出战力、扩大战域、提升效能、隐蔽意图、扬己所长等云作战优势。

4)作战结果影响大。太空既是军事上的“制高点”,又是国家安全的“高边疆”。一方面参战各方对天基信息支援作战行动高度敏感;另一方面天基信息系统在联合作战的情报侦察、导弹预警、指挥控制、战场机动、火力打击、综合保障等各个环节中发挥着越来越重要的作用。离开天基信息支援,将在很大程度上削弱参战各方作战体系的作战效能。因此,实施天基信息支援云作战,一要知天、用天、控天、防天并充分考虑到可能的作战后果,二是采取协同打击或全效防御的方式方法,实现毁点破网的作战功效。

1.2天基信息支援云作战体系构成

按照基于SCAS(Sensor—Controller—Actuator-Supporter)的柔性建模方法,天基信息支援云作战体系可分解为信息系统(传感器类(Sensor),即天基信息获取系统、天基信息传输系统、天基时空基准系统和天基资源综合应用管理系统)、指挥控制系统(控制器类(Controller),包括联合指挥机构和指挥信息系统)、武器系统(执行器类(Actuator),主要指联合作战力量的火力打击平台和主战武器系统)、航天工程支持与保障系统(支持器类(Supporter),包括航天运输系统、航天发射系统、航天测控系统、太空服务系统、以及作战综合保障系统(作战保障、装备保障、后勤保障系统)[6-8],如图1所示。

图1　天基信息支援云作战体系构成

1.3天基信息支援云作战体系运行机制

从复杂网络的角度看,“云作战”体系可视为一个以各种作战资源和作战力量为节点,各种指控关系、组织关系和运行机制为边,并由这些节点和边链接而成的“网络的网络”,是具有多层次(multi-level)、多维度(multi-dimension)、多准则(multi-criterion)、多指标(multiple index)、多方案(multi-plan)等“5多”或“5M”特征的超网络。具体而言,“云作战”体系是由具有自适应/自协同特性的联合指挥部、天基信息系统能力综合分析/天基信息需求综合分析/天基信息产品整编集成/云侦察与监视/云导弹预警/云环境监测/云导航定位/云卫星通信/太空态势感知及显示/指控信息管理及协同、作战(目标/方案)设计部、战力生成部、战效评估平台等多个功能系统,按照一定的指控关系、组织关系和运行机制组成的有机整体,如图2所示。

图2　天基信息支援云作战体系运行机制

具体过程为:1)联合指挥部作为天基信息支援云作战的核心机构,它负责汇聚天基信息系统提供的目标(毁伤)侦察信息、导航定位信息、气象信息、测绘信息、预警信息以及敌方卫星过顶预报信息,提供信息传输(通信保障)服务,确定作战任务,并通过在技术层面上建立天基信息系统能力综合分析、天基信息需求综合分析、天基侦察与监视、天基导弹预警、天基环境监测、天基导航定位、天基信息产品整编集成、太空态势感知及显示、卫星通信保障、指控信息管理及协同等业务平台和网络连接,实现对天基信息系统的统一任务管理[9];2)天基信息支援云作战设计部根据作战任务,设计作战目标和作战方案(包括原案和变案),详细规划侦察与监视云、导弹预警云、环境监测云、卫星通信云、导航定位云、天基资源综合管理云、太空态势感知云、联合指挥控制云以及航天工程支持云的功能配置、任务部署和分散消隐途径及步骤,最终提交天基信息支援云作战联合指挥部定下决心,下达作战命令和调控战局;3)天基信息支援云作战战力生成部领受联合指挥部下达的作战目标和作战方案后,依据编成的陆军、海军、空军、导弹部队、网络部队等联合作战力量、主战装备及作战综合保障体系,融合生成多种类型的作战云以适应联合作战需求,并反馈至联合指挥部;4)经综合分析与决策,通过天基信息支援云作战指控信息管理及协同平台执行作战方案,实时(近实时)指挥控制各类型作战云实施协同打击和全效防御,并经天基信息支援云作战战效评估平台向联合指挥部和设计部反馈作战态势,由天基信息支援云作战设计部和战力生成部实时修订原定方案或启用新生变案,动态调整作战力量及指挥方式或手段,再经指控协同平台完成天基信息支援云作战的实施。

2　天基信息支援云作战指挥控制体系的构建

根据联合作战的特点以及天基信息支援力量运用的使命任务,天基信息支援云作战指挥控制体系的主要功能是对天基信息支援力量所参与的联合作战行动进行掌握和制约。从目前指挥控制体系的使命任务和主要功能来看,天基信息支援云作战指挥控制体系主要由指挥决策系统、武器控制系统、作战管理系统、信息处理与服务系统、通信保障系统、指挥监控系统、文电支持系统、时统支持系统、数据支持系统等组成[1,8]。按照职责任务划分,天基信息支援云作战指挥控制体系的指挥机构主要由国家最高统帅部(国家战略航天指挥机构)、(战区)联合指挥部、战略支援部队(天基信息支援部队)基本指挥所、天基侦察与监视部队指挥所、天基预警部队指挥所、天基通信部队指挥所、天基导航定位部队指挥所、天基环境监测部队指挥所、太空态势感知部队指挥所、综合保障部队指挥所等组成[10]。从指挥活动和指挥控制流程来看,天基信息支援云作战指挥控制体系的主要任务有情况判断、作战决策、任务计划(作战设计)、协同组织、行动控制、战效评估等[11]。天基信息支援云作战指挥控制体系构成如图3所示。

图3　天基信息支援云作战指挥控制体系构成

“结构决定功能”是系统工程和系统论的基本认识。指挥控制结构是作战体系中的指挥控制实体及实体的属性所形成的实体之间的关系(数量关系、空间关系、时间关系、信息连通关系、协同组织关系、行动控制关系)和实体行动关系的规则[12]。信息时代由于通信手段和网络的发达,各个指挥控制实体之间的“距离”大大缩短,指挥员能够指挥控制的部队和武器系统数量大大增加,纵向的指挥层级被压缩,横向的指挥跨度趋于合理,整体指挥效能得到提升。文献[10]将指挥控制体系的结构分为三级、二级和一级3种形式,如图4所示。无论哪一种指挥结构形式,都必需经历“情况判断、作战决策、任务计划、协同组织、行动控制、战效评估”循环(即观察(Observe)、判断(Orient)、决策(Decide)、行动(Act)或侦(察)、控(制)、打(击)、评(估)的过程,简称OODA环)。因此,天基信息支援云作战指挥控制的流程可用图5进行描述。

图4　天基信息支援云作战指挥控制体系的3种结构形式

图5　天基信息支援云作战指挥控制流程

3　基于复杂网络的天基信息支援云作战指挥控制体系建模

3.1复杂网络基本理论

基于复杂网络理论,将天基信息支援云作战指挥控制体系各指挥控制实体抽象成网络节点,实体之间的交互关系抽象成网络边。考虑到指挥控制效能对完整性(Completeness)、准确性(Correctness)和时效性(Currency)的要求,本文所研究的复杂网络为有向加权网络。

根据复杂网络模型的构建原则,天基信息支援云作战指挥控制体系的复杂网络模型可描述为[13]

G=

式中，V={ν1,ν2,…,νN}表示指挥控制实体(联合指挥机构、指挥信息系统)的集合;E={e1,e2,…,eM}表示指挥控制实体之间指控关系、组织关系和运行机制的集合,V、E为非空有限集,令|G|表示G的节点数(|G|=N),e(G)表示G中边的数目(e(G)=M);Q=[qij]n×n为加权信息矩阵,qij表示相邻节点之间的边的权值,它可以是各节点之间的信息保障时效性(信息处理与服务时效性、信息传输(通信保障)时效性)，也可以是信息连通质量(文字、语音、图像的互联互通能力),还可以是作战协同能力(指挥控制周期(OODA环时长)、指挥容量、武器协同控制能力、作战控制成功率),qij>0(i,j=1,2,…,n)。

表征复杂网络结构特性的特征参数有很多,其中最重要的参数是聚集系数、度分布、平均路径长度、网络效率等[14-16],这些参数在当前复杂网络理论的研究过程中发挥了关键作用。

1)聚集系数

(1)

(2)

网络G的聚集系数C：

(3)

式中,N为网络的节点数;且0≤C≤1,当网络中所有的节点均为孤立节点,即没有任何连接边时,C=0;当网络中任意两个节点都直接相连时,C=1。

2)度分布

网络G的平均度,记为〈k〉,即

(4)

式中,入度kiin表示从其他节点指向该节点的边数,出度kiout表示从该节点指向其他节点的边数;网络中节点入度和出度分布情况可分别用分布函数P(k)in和P(k)out来表示,表示网络中其入度值和出度值刚好等于k的节点在整个网络中所占的比例。

3)平均路径长度

网络中任意两个节点之间的距离的最大值称为网络的直径,记为D,即

(5)

网络G的平均路径长度L定义为任意两个节点之间距离的平均值,即

(6)

式中,dij定义为连接两个节点vi和vj之间的最短路径上的边数。一般地,平均路径长度越大,说明该体系层次越多,体系中信息的流动、共享、同步将会越困难和低效。

4)网络效率

网络G的全局效能(网络效率)的计算公式为

(7)

3.2天基信息支援云作战指挥控制体系结构的复杂网络模型

以天基信息支援弹道导弹反航母作战为示例,对其指挥控制体系结构、指挥关系、信息流程及作战过程进行分析,其复杂网络模型如图6所示[17-19]。其中,21个系统单元组成了节点集V={ν1,ν2,…,ν21},31条有关目标与环境、指控协同、支援保障等的信息交互关系组成了边集E={e1,e2,…,e31}。

假设示例GA为图6所示的天基信息支援弹道导弹反航母作战体系,示例GB为无天基信息支援的弹道导弹反航母作战体系,示例GC为去掉导弹旅2指挥所的天基信息支援弹道导弹反航母作战体系(模拟作战时敌方对己方指挥机构的指向性攻击),示例GD为去掉发射点(车)6的天基信息支援弹道导弹反航母作战体系(模拟作战时敌方对基层作战单元的指向性攻击)。通过复杂网络各参量的计算方法,计算网络的直径、聚集系数、平均路径长度和网络效率,得到如表1所示的分析结果。

图6　天基信息支援弹道导弹反航母作战指挥控制体系结构的复杂网络模型

节点数边数直径聚集系数平均路径长度网络效率GA213160.2043.1860.472GB141960.1433.3680.387GC162270.1253.4950.347GD203060.2043.1370.461

从表1的计算结果可以看出:

1)对比GA和GB。GA较GB具有更明显的“扁平化”结构、较小的平均路径长度、较高的聚集系数和网络效率,因而GA比GB呈现出更好的灵活性、高效性和健壮性。从提升网络效率的角度来讲,天基信息支援系统对弹道导弹反航母作战体系的结构相对贡献度为

2)对比GA和GC。假若战时己方作战体系的指挥机构遭受攻击,导致降能或失能,将造成己方作战体系网络直径和平均路径长度的增加,聚集系数和网络效率的降低,极有可能造成整个作战体系网络的瘫痪。因而,加强对战时指挥机构的防护或加固是提升整个作战体系效能的核心环节。这也验证了战时开展云作战的必要性和高效性。

3)对比GA和GD。假若战时己方作战体系的基层作战单元遭受攻击,导致降能或失能,此时整个作战体系的网络效率虽有降低,但效果不太明显。这也验证了加强战时作战设计和战效评估工作,提升作战体系协同组织和行动控制能力的重要性。

4　结束语

指挥控制体系是天基信息支援联合作战的核心和神经中枢,构建天基信息支援指挥控制体系运行机制和网络结构模型是提升天基信息支援乃至联合作战体系效能的重要举措。本文将云作战和复杂网络的基本理论运用到天基信息支援指挥控制体系建模研究中,并对天基信息支援云作战的基本概念和主要特点、天基信息支援云作战体系的构成和运行机制、以及天基信息支援云作战指挥控制体系的构成和流程等进行了初步探讨。下一步需要重点研究航天云作战模式、航天云作战指挥控制机制、航天云作战网络信息体系结构建模及评估方法等问题,充分发挥航天指挥控制理论在未来航天作战和联合作战中的先导作用。

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Command and Control System’s Operating Mechanism of Space-based Information Support and Complex Network Model

LUO Xiao-ming,ZHU Yan-lei,HE Rong

(Academy of Equipment,Beijing 101416,China)

Space-based information support is one of the main joint operation style.Command and control system is the core and nerve center of the Space-based information support’s joint operation.Constructing operating mechanism of command and control system and network structure model can help improving the operational effectiveness of the Space-based information support’s joint operation.The paper discusses the some key problems of the Space-based information support’s cloud battle including the basic concept and main features,operational system construction and operating mechanism,the construction and the process of command and control system.It also delineates the command and control theoretical framework of the cloud battle,and then,it builds the complex network model of command and control system’s architecture with examples.Finally,the paper analyzes the main parameters.It has positive and realistic reference value for command and control system of Space-based information support and guiding system requirement demonstration,structural design and evaluation optimization of Space-based information support’s joint operation.

space-based information support; command and control system; operating mechanism; cloud battle; complex network

1673-3819(2016)05-0001-07

2016-04-26

2016-06-20

总装武器装备军内科研重点项目

罗小明(1966-),男,教授,博士生导师,研究方向为军事运筹、作战模拟。

朱延雷(1983-),男,博士研究生,工程师。

何榕(1983-),女,博士研究生,讲师。

E072

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.001