基于网络结构的武器装备体系能力分析*

赵青松，商慧琳，张小可，熊伟涛

（国防科技大学信息系统与管理学院，长沙 410073）

基于网络结构的武器装备体系能力分析*

赵青松，商慧琳，张小可，熊伟涛

（国防科技大学信息系统与管理学院，长沙 410073）

现代战争以及从“平台为中心”转向以“网络为中心”，强调的是通过各类武器平台通过相互之间的协作配合而形成作战网络来实现体系能力。从宏观和微观两个角度分析了武器装备体系能力的实现机理，构建了武器装备体系的作战网络结构模型，给出了作战网络结构模型中的节点类型和关系类型，提出了能力环的概念，从作战网络结构的角度对武器装备体系的整体能力进行了分析，并给出了具体算例。

能力，武器装备体系，作战网络，分析

0 引言

随着军事科技的飞速发展，战场形态发生深刻变化。战争的胜负越来越取决于敌我双方体系与体系之间的对抗［1-2］。武器装备体系是一个具有适应威胁环境的动态作战系统，它由相互联系紧密的侦察、指控、通信、火力系统（实体、单元、节点、子网络），以及在打击覆盖范围内的敌方目标构建而成。这些组分系统本身具有独立的功能，具有适应性，武器装备体系与组分系统相比，具有更强的自组织特性和涌现性［3］。武器装备体系中各类装备实体通过相互之间的协作配合而形成作战网络，通过作战网络而形成体系能力来支撑体系使命任务的完成。武器装备体系能力与体系的网络结构之间存在内在的必然联系，网络的拓扑结构和构成要素影响着体系能力的形成过程和结果［4-5］。谭跃进等提出了基于作战环的武器装备体系结构描述与建模方法，分析了体系拓扑结构对体系能力的影响［6］。王步云等研究了水面舰艇编队的作战网络结构问题，分析了节点和边对信息质量的影响［7］。彭征明等将信息熵应用到作战过程中，提出了一种作战效能的不确定性度量方法［8-9］。本文就是研究武器装备体系能力形成的宏观和微观机理，构建支撑武器装备体系能力形成的作战网络结构模型并对其进行分析与评价。

1 武器装备体系能力形成机理

能力是完成一系列特定任务的本领，武器装备体系的能力是指武器装备体系遂行一系列特定作战任务的本领。武器装备体系能力的形成是各种作战要素在一定的作战过程下共同作用的结果。

作战要素具体包括火力打击等物理要素、情报资源等信息要素、决策指挥等认知要素和交互协作的组织要素。因此，从宏观上来讲，武器装备体系能力的形成是武器装备体系在物理域、信息域、认知域和组织域上的协同配合来实现的。物理域（Physical Domain，PD）是武器装备体系中战争物质要素构成的场域，关注于体系所涉及的物质的、客观的组成；信息域（Information Domain，ID）是武器装备体系中战争信息要素构成的场域，关注于体系所涉及的、与信息传输和处理相关的组成；认知域（Cognitive Domain，CD）是武器装备体系中认知要素构成的场域，关注于体系所涉及的作战人员、特别是指挥人员的个体认知因素；组织域（Social Domain，SD）是武器装备体系中组织要素构成的场域，关注于体系所涉及的各要素之间的交互协作，以及在此基础上所产生的同步。这4个域之间并不是相互孤立的，而是从物理域→信息域→认知域→组织域，形成层次化的支持关系。低层次行为为高层次行为提供基础数据支持，高层次行为的结果将对低层次行为的执行产生影响。

武器装备体系能力的形成是在一定的作战过程下完成的。现代作战循环理论认为作战过程是一个侦察实体发现目标，而后将目标相关信息传递给决策实体，决策实体通过对形势分析后向攻击类装备下达攻击的过程。因此，从微观上来讲，武器装备体系能力的形成也是由具备不同战技指标的各种武器装备体系构成实体按照对目标的观察（Observe）、决策（Decide）、行动（Act）的循环过程来形成的。

因此，武器装备体系能力的形成可以从宏观和微观两个角度来解释，如图1所示。宏观上是物理域、信息域、认知域和组织域之间的协同配合来实现的；微观上是各种实体按照侦察、决策、打击的作战过程实现的。

或者说，武器装备体系能力的形成是武器装备体系构成实体在微观层面上执行侦察、决策、打击的作战过程，而在宏观层面上体现出来的物理域、信息域、认知域和组织域上的协同结果，即：

其中，CSoS_Entity代表所有武器装备体系实体的集合，X代表支撑某个体系能力形成的装备实体集合。

图1 武器装备体系能力形成机理

2 武器装备体系的作战网络结构模型

在武器装备体系能力形成过程中可知，如果将武器装备体系的目标加入进来，体系构成实体在作战过程中形成了相互联系的网络结构，如图1中的组织域所描述，称之为作战网络。

如果将武器装备体系构成实体抽象为节点，实体之间的关系抽象成边，那么作战网络可以描述为有向重图：

G=（V，E）

其中，V代表节点（实体）的集合，E代表边（关系）的集合，V和E都是有限的，令|G|代表G的节点数，e（G）代表G中边的数目。

由武器装备体系能力形成机理可知，支撑某项能力形成的武器装备体系构成实体之间形成的网络结构是图G的子图。

根据武器装备体系能力形成机理，此网络结构图中包括4类节点，即：

①侦察、监视、预警类节点 S（Sensor）：主要功能是获取作战空间内敌我双方的各种信息，完成对目标的侦察和搜索任务，简称侦察类节点。

②通信与指挥控制类节点D（Decsion）：主要功能是融合各侦察类节点所获取的信息，并根据融合后的信息分析战场态势，判断敌方意图，作出相应决策，简称决策类节点。

③联合火力打击和干扰类实体I（Influence）：主要功能是实施具体的作战行动，完成作战任务，达成作战目标，简称攻击类节点。

④敌方目标体系中的实体T（Target）：如敌方的武器装备、指挥通信系统以及基础设施等，简称目标类节点。

武器装备体系作战网络中所有侦察节点、决策节点、攻击节点和目标节点的集合分别记为S，D，I，T，满足。

在武器装备体系能力实现过程中，各节点自身战技指标的不同会造成最终能力实现水平的不同。例如，侦察节点侦察精度的不同会造成决策节点对目标认识的不准确，决策节点信息综合的速度和水平会造成打击命令的快慢与是否正确，攻击节点打击的精确度与毁伤率的高低会影响最终能力的实现。记为节点Vi的属性向量。

在武器装备体系能力实现的过程中，4类节点之间存在的关系包括：

①侦察关系T→S：根据侦察类节点S与目标类节点T之间的关系，而生成的从目标指向侦察节点的单向链路。侦察节点往往可以通过多种手段对目标进行侦察，如卫星可以通过可见光和红外等手段对同一目标进行侦察。因此，侦察节点和目标节点之间的单向链路可能会存在多条。侦察行为一般发生在两个时间点，即攻击前的情报侦察与攻击后的毁伤态势侦察。

②情报关系S→D：根据侦察类节点S与决策类节点D之间的关系而生成的从侦察节点指向决策节点的单向链路。侦察节点可以选择不同的技术手段，或者不同的传递途径向决策节点提供情报信息。因此，侦察节点和决策节点之间的单向链路可能会存在多条。

③指控关系D→I：根据指挥类节点D与攻击类节点I之间的关系而生成的从指挥节点指向攻击节点的单向链路。指挥节点可以选择不同的传递途径或者技术手段向攻击类节点下达命令。因此，指挥节点和攻击节点之间的单向链路可能会存在多条。

④打击关系I→T：根据攻击类节点I与目标类节点T之间的关系，而生成的从攻击节点指向目标节点的单向链路。攻击节点可以选择不同的打击方式打击目标节点，如作战飞机可以选择精确制导炸弹或者普通导弹打击地面目标。因此，攻击节点和目标节点之间的单向链路可能会存在多条。

在武器装备体系能力实现过程中，各种关系所代表的物理水平属性的不同也会造成最终能力实现水平的不同。例如，在情报关系以及指控关系中选择不同的信息传递渠道会造成信息延迟或者损失的不同。记为侦察关系、情报关系、指控关系和打击关系上的属性向量。

武器装备体系的作战网络中所有侦察关系、情报关系、指控关系和打击关系的集合分别记为：

图2 武器装备体系的作战网络结构

3 基于网络结构的武器装备体系能力分析

在武器装备体系的作战过程中，能力是通过侦察节点发现目标，到决策节点根据情报信息做出决策，再到指挥攻击节点对目标进行攻击的一个完整的过程来实现的。在武器装备体系的作战网络结构中，此过程体现为一个包含了目标节点、侦察节点、决策节点和攻击节点的闭合回路，称此回路为一个能力环（Capability Loop）。

在给定的武器装备体系作战网络结构G=（V，E）中，能力环定义为G中的一个节点序列Γ=TiSjDlImTi，如果满足条件：Ti∈T，Sj∈S，Dl∈D，Im∈I，并且存在边

构建武器装备体系的目的是为了完成其使命任务，而使命任务的完成是通过武器装备体系构成的作战网络提供的能力来实现的。由于武器装备体系作战环境的复杂性等因素的影响，武器装备体系作战网络完成使命任务是具备不确定性的。因此，武器装备体系作战网络能力的大小可以通过其完成任务的不确定性来度量。

如果用R（x）表示武器装备体系作战网络中影响因素 x对使命任务的支撑度（R（x）∈［0，1］），则可以用自信息量 I（x）=-lnR（x）来度量该影响因素完成使命任务的不确定性。

在一个能力环中，影响因素包括节点和边。节点所代表实体性能指标的不同会影响能力环完成使命任务完成的程度，即I，T}。例如采用具备更高性能指标的侦察卫星可以更好地发现和定位目标，有利于攻击节点摧毁目标。同时，节点之间的边所代表的关系的质量和数量也会影响能力环完成使命任务的程度，即：例如，在侦察卫星和指挥部之间采用保密程度高的通信线路就可以更好地避免地方的干扰，有利于决策节点作出正确的决策；在战斗机上同时对目标进行电子干扰和火力打击，能够提升对目标的摧毁概率。

在一个能力环Γ中，侦察、决策、攻击和目标各节点完成使命任务的不确定性分别定义为

各节点之间的支撑关系完成使命任务的不确定性分别定义为：

能力环Γ完成使命任务的不确定性定义为：

在武器装备体系的作战网络结构中，能力环的数量越多，说明对目标的打击方式和途径越多，完成使命任务的不确定性越低，但是这种不确定性的变化并不是简单的叠加。

定义武器装备体系作战网络G完成使命任务的不确定性为：

其中，H为作战网络G中能力环的数量。

设武器装备体系作战网络G的能力为P（0≤P≤1），则P包含了G完成使命任务的所有不确定性，即I（G）=-lnP，从而：

P=exp（-I（G））

在武器装备体系作战网络结构中，能力的形成依靠多种装备实体相互之间通过各种配合来实现，因此，是一种网络效应，这也就决定了不同的实体和配合关系对于网络能力的影响是不同的。在上述模型中可以看出，这种影响度取决于它们所处于的能力环的数量。

在图2所示的网络中，存在6个环：

Γ1=T1S1D1I1T1，Γ2=T1S1D1I2T1，Γ3=T1S2D1I1T1，

Γ4=T1S2D1I2T1，Γ5=T2S1D1I1T2，Γ6=T2S2D1I1T2。

相应的计算结果如表1～表3所示。

表1 装备实体完成使命任务的不确定性

表2 装备间支撑关系对使命任务完成的支撑度

表3 装备间支撑关系完成使命任务的不确定性

从而：I（Γ1）=0.776，I（Γ2）=0.716，I（Γ3）=0.725，I（Γ4）=0.665，I（Γ5）=0.886，I（Γ6）=0.786。

武器装备体系作战网络G的能力为：

P=exp（-0.041）=0.96

在图 2 中，ρ（D1）=6，ρ（I2）=2。如果将决策节点D1和I2对使命任务完成的支撑度分别从0.96下降到0.95，那么，作战网络的能力分别变为0.958和0.938，也就是说网络结构中的不同实体对能力的影响是不相同的。从武器装备体系构建者的角度来说，应该首选影响度大的装备实体或者关联关系进行提升；而从敌对方而言，应该首先选择影响度大的装备实体或者关联关系进行打击。极端情况下，如果决策节点D1被敌方击毁，则该武器装备体系的作战网络将无法形成能力环，从而无法提供任何作战能力。

4 结论

武器装备体系能力是武器装备体系构成要素及关联关系共同作用而涌现出的结果。本文首先从物理域、信息域、认知域和组织域等宏观层次和侦察、决策、行动等微观过程分析了武器装备体系能力的形成机理，然后对组织域内的作战网络结构进行了建模，在此基础上对武器装备体系能力进行了分析。所提出的方法为体系结构的设计与优化、体系能力的评估提供了一种新思路，还可以推广到其他系统，如能源网络、交通网络、生态系统网络以及社会关系网络等的研究领域。

［1］VALERDI R.A research agenda for systems of systems architecting［J］.Int.J.System of Systems Engineering，2008，2（1）：171-188.

［2］赵青松，杨克巍，陈英武，等.体系工程与体系结构建模方法与技术［M］.北京：国防工业出版社，2013.

［3］张春华.基于作战环的武器装备体系网络化建模与作战效能分析［D］.长沙：国防科学技术大学，2012.

［4］DEKKER A H.C4ISR architectures，social network analysis and the FINC methodology：an experiment in military organizational structure［R］.DSTO Electronics and Surveillance Research Laboratory，DSTO-GD-0313，2002.

［5］ATKINSON S R，MOFFAT J.The agile organization：from informal networks to complex effects and agility［M］.Washington DC：DoD CCRP，2005.

［6］谭跃进，张小可，杨克巍.武器装备体系网络化描述与建模方法［J］.系统管理学报，2012，21（6）：781-786.

［7］王步云，赵晓哲，王军.水面舰艇编队反舰作战中作战网络结构的优化 ［J］. 系统理论与实践，2013，33（9）：2354-2361.

［8］赵青松，王晓攀，熊伟涛.面向演化的装备体系方案选择的不确定性决策方法［J］.四川兵工学报，2005，36（11）：65-69.

［9］彭征明，李云芝，罗小明.用不确定性度量作战效能的评估方法研究 ［J］. 军事运筹与系统工程，2005，19（3）：65-70.

声 明

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特此声明!

《火力与指挥控制》编辑部

2017年6月25日

Capability Analysis for Weapon System of Systems Based on Network

ZHAO Qing-song，SHANG Hui-lin，ZHANG Xiao-ke，XIONG Wei-tao
（School of Information System and Management，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China）

System of System counterwork is a mode of “network centered”instead of“platform centered”and “capability oriented”instead of “function oriented”.Weapon System of Systems capability is the result of complex interactions between the four domains through a sequence of action processes.The combat network model of Weapon System of Systems is described.The capability loop is defined the Weapon System of Systems is analyzed based on the capability loop.Finally，an example is used to illustrate the methodology.

capability，weapon system of systems，combat network，analysis

E145.9；TJ9

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.005

2016-05-09

：2016-06-21

国家自然科学基金（71331008；71571185）；国家社会科学基金军事学基金资助项目（15GJ003-278）

赵青松（1975- ），男，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授。研究方向：装备采办与体系工程管理。

1002-0640（2017）06-0017-05