基于自组织理论的战略预警指挥信息系统网系结构研究∗

2018-02-07郭晓波李冠中

舰船电子工程 2018年1期

高姝郭晓波李冠中

（1.国防大学信指部作战指挥教研室北京 110091）（2.北部战区空军指挥自动化站沈阳 110000）

1 引言

战略预警作为一种新型力量，是联合作战的首要环节，已成为联合作战指挥员高度关注和有效运用的重要手段［1］。战略预警行动涉及多种类预警装备的相互协调，任何单一的预警装备都不可能做到全维预警。战略预警指挥信息系统作为战略预警体系的神经中枢，发挥着预警指挥“战斗力倍增器”和情报处理“决策力加速器”的作用，其采用高度集中的预警组织指挥模式，分布协同的情报处理方式，对各类预警装备统一规划、合理部署，使其密切配合、有序衔接、互补兼顾，形成全域覆盖的战略预警网。因此，战略预警指挥信息系统网系结构的构成方式就成为发挥战略预警体系作战效能的关键所在。

现代战争的多层性和不确定性特点对网系结构的自组织、自协同能力要求越来越高，传统固定式网系结构已难以有效驾驭纷繁复杂的战场态势，动态灵活的网络拓扑成为应对新型作战样式的首选网络模式［2］。为满足联合作战信息网络体系联动高效的作战需求，基于系统科学的自组织理论，本文提出了战略预警指挥信息系统网络自组织合群拓扑结构的设想。并以预警情报处理的合群拓扑为实例，仿真分析了战略预警指挥信息系统网系结构在网络时延和吞吐量等方面带来的效能提升，验证了其与传统固定式网系结构相比优势所在。

2 自组织理论的含义

系统科学中自组织理论主要包括耗散结构论、协同论、超循环理论和突变论。自组织理论创始人之一H·哈肯在《信息与自组织》里指出：自组织就是系统在获得空间的、时间的或功能的结构过程中，没有外界特定干预，依靠自身调节能力产生组织性和相关性，完成从无序向有序演化的过程［3］。这种结构和功能的产生并非外界强加于系统，而是系统内部各单元相互非线性作用的结果。

军事系统的自组织是军事系统在向新的空间、时间或功能的结构转化时，依靠军事系统内部各军事单元相互作用实现转化的过程［4］。具体来讲是作战单元围绕上级预先明确的作战意图和实时感知的战场态势进行自主判断和调控。在全域多维战场空间里根据作战任务随机重组作战力量，自主调整与作战态势相匹配的组织结构和功能。当组织结构和功能难以应对作战态势时，可依据作战规则迅速打破原有组织结构及任务框架，形成新的力量组合以适应瞬息万变的战场环境；当组织结构和功能能够应对作战态势时，也可主动求变、自主创新以获取更强的作战优势。

3 战略预警指挥信息系统网系结构的内涵及特征

战略预警指挥信息系统是开放型、智能型的复杂系统，其内部节点之间存在着非线性的密切联系，且系统与外部系统、外部环境之间也不断地发生着相互作用和影响，这些复杂的交互行为极大地促进了战略预警指挥信息系统网系结构由平面向立体、由静态向动态的拓扑模式发展演化。

3.1 战略预警指挥信息系统网系结构的内涵

在自组织理论基础上，本文提出了战略预警指挥信息系统网络自组织合群拓扑结构的设想，其内涵是：将战略预警体系中各预警探测力量看作是具有自主性和创造性的移动节点，在没有特定外界干预情况下，战略预警指挥信息系统网络中地理位置相近、功能相同的各类预警力量相互作用，以相同或相近的运动趋势自发组合形成有利于作战任务完成的合群组，通过合群组内节点间动作交互产生协同合作行为，以完成单个节点所不能完成的任务。各合群组既可以主动调整网络拓扑结构以获取更强的预警效能，也可根据作战需求改变现行网络拓扑，自主协调形成新的合群结构［5］。合群组中各节点地位平等，都具有网络控制的功能，各节点根据情况变化轮流担任控制节点，从而避免一旦主节点被摧毁引起合群组瘫痪的危险，极大地提高了战略预警网络的抗毁性和应变能力。

3.2 战略预警指挥信息系统网系结构的特点

1）动态有序

战略预警指挥信息系统网系结构是一种动态有序的组合。网络中完全对等的移动节点，因任务需要或相近的物理位置汇聚形成合群组，当两个或多个具有相同运动特性合群组足够靠近时，也可以合并成一个新组。遇有新任务时，合并群组内各节点迅速打破原有网络结构框架，重新组合形成时空有序、功能有序的稳定结构，以适应外界环境的动态变化。

2）自适应性

战略预警指挥信息系统网系结构具有一定的自适应优化处理能力。首先表现为群组内各节点之间的自适应，当节点表现出足够的合群特性时，节点自动启用合群管理方案形成合群组，群内各节点自主协调、相互合作、彼此适应，共同完成任务；当网络出现地域性、时段性拥塞时，节点可自动探测网络的拓扑信息，自动更改传输路由；其次表现为合群组与外界环境之间的自适应，群组按照规则主动采取与外界环境相匹配的合群方式，灵活调整组织结构，并行同步展开工作，以适应复杂多变的外界环境。

3）自组织性

战略预警指挥信息系统网系结构是一种高度自组织的拓扑形态。网络中的个体都是自主的，不受其他个体控制，在没有外部特定干预下，网络中各节点根据环境及任务需要，着眼效能提升，动态快速重组，自主选择连接对象，自行调整组织结构。当组织结构、功能能够应对环境时，还可以主动求变、创新网络拓扑以获取更强的网络性能［6］。

4 战略预警指挥信息系统网系结构自组织合群过程

在联合防空反导作战过程中，各类预警探测力量面对不确定和偶然突发事件，启动自治合群管理，围绕战略预警中心形成动态变化的合群集合。各预警力量根据感知到的目标属性和动向，自主调整探测角度与目标方向相匹配，保持战略预警作战行动的有序衔接、连续预警。战略预警指挥信息系统网络自组织演进的合群过程有如下步骤：

1）选择群过程

由于大多数战略预警力量的实体在地理上是分散部署的，物理上是相对独立的，要想建立适应作战需求的网系结构，各预警力量应在正确分析和判断由战场环境变化带来的网络连锁反应的基础上，按照分布式网络协议和网络管理机制，选择适当的群组加入或调整补充到所需要的群组中。

2）进入群过程

各预警力量根据群组选择的结果，预先判断战场环境可能引起的网络拓扑变化，根据变化趋势分析群组的拓扑连通信息，在系统内部与外部环境非线性作用下，各预警力量自我推动、自我趋同、自主连接、优化结构，迅速组建成群。

3）合群运行过程

一个合群中包含多个群，最大的群就是它本身。群中各作战要素根据任务动态分配，产生战术上的多种选择。各群围绕战略预警中心，相互协同、自适应运行。当遇到突发事件时，各群可能会被割裂，被割裂开的作战要素通过无线方式互传拓扑结构变化信息，并通过自动拓扑连接功能迅速自愈，重新连通形成新的合群，继续运行完成作战任务。

4）退出群过程

合群运行一段时间后，根据作战需要或已完成任务，各预警力量可能会主动退出群组，返回独立状态，合群也随之解散。

5 战略预警指挥信息系统网络自组织合群仿真

以战略预警指挥信息系统网络为背景，采用OPNET仿真软件对其合群拓扑结构建模仿真。OPNET是常用的系统建模及网络仿真工具，其面向对象的建模方式和可视化编辑能直观地反映网系结构的复杂性及网络连接的时变性。从OPNET自带的模型库里逐层选择需要的网络模型、节点模型及进程模型来建立战略预警指挥信息系统网络合群拓扑结构。其中，网络模型描述整个网络的拓扑结构，节点模型描述网络的设备特性，进程模型描述模块功能的实现过程［7］。通过对模型的动态仿真，模拟整个网络的合群行为和运作过程，并结合不同仿真场景对网络平均时延和网络吞吐量这两个网络性能参数进行统计分析。

1）网络模型

建立一个150KM*200KM的矩形区域空网络，定义16个节点，分别为战略预警中心、雷达站、预警卫星、远程预警相控阵雷达、地基多功能相控阵雷达、天波超视距雷达、预警机、海基预警探测系统、空间目标监视力量、临近空间探测系统。将这些节点划分为五个子群，预警机根据作战需要组成预警机群，天基预警探测系统、天波超视距雷达、远程预警相控阵雷达、地基多功能相控阵雷达组成远程预警雷达群，地理位置相近的常规雷达形成雷达群，海基预警探测系统组成海基预警群，这些预警探测群均与战略预警中心相连。各子群内节点按需动态轮流担任控制节点，由控制节点分配任务并控制群内其他节点的业务请求、加入和退出，各子群之间通过中继节点传递或转发消息。

本文设定的场景如下：当蓝方战略目标来袭时，红方预警卫星首先发现目标红外特征，与天波超视距雷达、远程预警相控阵雷达、地基多功能相控阵雷达自动组群，协同接替预警；在重点区域临近空间预警探测系统与空间目标监视力量合群，协同配合预警卫星搜索跟踪目标；空中预警机群、雷达群与海基预警群根据各自不同的预警探测范围和预警能力协同搜索、交替预警、连续跟踪目标。各群组按照统一的作战意图，自主选用适当的路由通信、自动实现网络的控制和管理、自组织合群以适应复杂多变的战场环境，形成具有合群特征的战略预警指挥信息系统网络自组织拓扑结构。

网络拓扑模型如图1所示。

图1 网络拓扑模型

2）节点模型

限于篇幅，本文只对战略预警中心节点模型进行描述。战略预警中心节点接收应用层各预警探测系统的合群请求信息，把信息转换成MAC层能处理的格式，根据信息中目的地址字段的数据，将数据包经MAC层转发至目的地址，同时也接收来自MAC层发来的数据包，并把包传送到更高一层进程，完成合群请求信息的传递与反馈，同时还控制节点模块的收发时隙等。需要说明的是，由于无线信道中信号传输的损耗对整个网络信息传递影响不大，网络性能参数变化不明显，可近似认为信息在理想的自由空间里传递［8］。节点模型如图2所示。

图2 节点模型

3）进程模型

对节点MAC模块进行分析。节点MAC模块负责传递广播信息、转换数据格式、统计丢包率等任务。MAC进程模型如图3所示。

图3 MAC模块的进程模型

图中有五种状态，灰色状态表示非强制性进程，白色状态表示强制性进程；直线表示无条件转移，虚线表示有条件转移［9］。各状态的作用描述如下：

init状态：是整个模型的入口［10］。完成节点模块的初始化，包括战略预警中心到各子群的距离，各子群中主节点到其余节点的距离，离主节点最近的节点作为群的备份节点。节点的失效时间、时隙参数、数据包延时、信道吞吐量等初始化设置。完成初始化工作后进入ready状态。

ready状态：表示初始化后系统等待事件发生的状态。

idle状态：根据转移条件判断进程的具体走向。如果信息源发送的数据包到达，则进入tx_ar⁃rival状态；如果下层有数据包发来，则进入rx_com⁃pletion状态；如果主节点发生中断，则进入备份节点接管状态。

backup状态：备份节点升级为主节点状态。当主节点故障或中断时，离主节点最近的节点即备份节点立即升为主节点，接替主节点的工作保持群正常运行。同时将tx_arrival和rx_completion模块的数据包存储到相应的缓冲队列中。

tx_arrival状态：判断仿真时间是否能完成整个包的发送，如果条件满足则发送数据包。

rx_completion状态：判断仿真时间是否在该节点的时隙内完成，如果完成则接收数据包。

4）仿真结果分析

设定仿真时间为800s，远程预警相控阵雷达群主节点失效时间为300s，数据分组大小240bits，数据开始发送时间0s，数据结束发送时间Infinity。

场景一仿真，当网络连通时，分析静态网系结构和的动态网络自组织合群结构的平均时延，仿真结果如图4所示。

图4 网络时延仿真结果

网络平均时延是衡量网络时效性的重要指标，是一个报文或数据包从网络的一端传送到另一端所需要的时间［11］。平均时延越小，说明单位时间内网络传输信息的速率越快，网络性能越好。在上图中，实线曲线表示静态网系结构平均时延的变化趋势，虚线曲线表示动态网络自组织合群结构平均时延的变化趋势。由仿真结果可以看出，实线曲线的网络时延指标比虚线曲线高，两条曲线开始时都有波动，且虚线曲线波动要大些，随着仿真的运行，蓝色曲线和虚线曲线都趋于平稳，说明静态网系结构的平均时延高于动态网系结构，动态网系结构随着节点自组织合群以后网络平均时延趋于稳定，形成有序的网络拓扑。

场景二仿真，当远程预警相控阵雷达群主节点失效时，分析静态网系结构和的动态网络自组织合群结构中网络吞吐量的变化，仿真结果如图5所示。

图5 网络吞吐量仿真结果

网络吞吐量是指在没有帧丢失的情况下，每秒能接受并转发的最大比特数［12］。由于网络中每个节点每秒只发送30字节数据，因此刚开始两种结构的网络吞吐量都不是很高，随着仿真运行，每秒达到发送1200字节数据，两种网系结构的最大吞吐量达到近4200kbps。当仿真进行到300s时，网络中一个主节点失效，实线曲线表示的静态网系结构由于主节点故障，少了一个节点发送数据，网络的吞吐量大幅下降。虚线曲线表示的动态网系结构在主节点中断后，群中最近的节点自动接管主节点工作，虽然网络吞吐量有所下降但仍能保持网络的连通、信息的传递。随着仿真的进行，动态合群网系结构的网络吞吐量又趋于平稳，说明网络自组织合群结构在一个主节点失效后，其余节点可自动接替主节点工作，保持网络正常运行，网络性能良好。

通过对两种场景的仿真可以得出网络自组织合群结构在网络时延和网络吞吐率等指标都优于固定式网系结构，具有组网灵活、自愈自调节、可扩展等优势，能够在短时间内根据作战需要形成动态的战略预警网络，有组织、有次序地实现各作战要素自主协同的预警行动，产生巨大的预警效能。