指挥控制协同能力需求体系形式化框架

柴 磊，王智学，何 明

陆军工程大学 指挥控制工程学院，南京210007

1 引言

在现代信息化条件下，联合作战已成为主要作战形式。指挥和控制是联合作战系统制定计划、协调力量、筹划行动、指挥作战编成的两个核心要素。只有发挥各级指挥与控制要素的协同作用，才能够合理利用有限的作战资源，有效地指挥、控制和协调所属作战力量，使战场形势由低级无序状态转向高级有序状态、最大限度发挥出联合作战的整体效果。

目前，对于指挥控制系统协同分析方法的研究，集中在以下三个方面：

一是通过复杂系统效能评估方法分析指挥控制系统的协同性[1-5]，如陆军工程大学张东戈等对影响战场指挥控制时效性的因素进行分析研究，国防大学冉东等从复杂系统理论角度对指挥控制结构效能进行分析，信息系统工程重点实验室对联合作战指挥控制系统效能评估展开仿真实验等。

二是将指挥控制系统置于网络化这一背景下进行各项指标分析[6-10]，如国防科技大学占国熊等对基于能力映射的体系网络化进行建模与分析，国防大学胡晓峰等对基于复杂网络的体系作战指挥与协同机理的分析方法进行研究等。

三是针对指挥控制系统模型本身进行研究，如：空军预警学院朱刚等对复杂信息集成的指挥控制模型进行研究[11-12]等。

现有研究中，从多角度对指挥控制协同体系进行分析研究，目的是为了提升指挥控制协同能力。要提升指挥控制协同能力，明确指挥控制协同能力需求是首要关键，但对于能力及能力需求的概念描述，目前研究领域尚无统一的明确定义，对于能力的语义信息描述，能力概念间的从属关系以及能力属性间的量化关系等，更是缺乏规范的能力概念描述标准。由于大多仍是采用自然语言进行描述，容易造成描述语义产生二义性的现象。因此，需要一套科学规范的指挥控制协同体系形式化框架作为理论基础，在能力描述领域是一个重要的研究课题。

本文提出一种基于进程代数的指挥控制协同能力需求形式化描述框架，给出了指挥控制协同能力需求的基本要素和形式化描述方法，定义了能力合成的基本操作，为指挥控制系统协同能力需求分析和形式化验证奠定理论基础。

2 指挥控制协同能力需求框架

目前，关于指挥控制协同能力概念的描述通常隐含在各类军事类体系框架中，如加拿大军方在2000年在采办国防武器装备中采用了基于能力的规划，颁布了“加军战略能力规划”，美国《国防部体系结构框架》DoDAF2.0[13]也把能力元素以及相关视图加入体系结构描述中。

本文在借鉴课题组前期研究成果[14-15]基础之上，提出针对指挥控制协同能力需求的能力概念框架，从DoDAF Mate-Model（DM2）[13]元概念模型中选取了部分概念为框架的核心元素，根据元素相关属性以及元素之间的关系[16-17]，构建了指挥控制协同能力需求体系结构框架，如图1所示。

在指挥控制协同能力需求体系结构框架中，能力、资源和活动是核心要素。其中，能力是在战略目标引导下，为遂行使命任务而定义的指挥控制系统协同功能/性能需求，其最终效果（即效能）体现在指挥控制协同活动的执行过程中；资源则在指挥控制协同活动的执行过程中为其提供具体的功能/性能支持；活动指为完成使命任务所开展的有序工作。此外，框架还包含实体这一重要概念。实体是指开展指挥控制活动的执行单元，指挥控制实体的划分体现指挥控制活动的业务范围与业务逻辑，本文根据指挥控制协同能力需求的研究需要，将指挥控制协同活动的实体分为情报实体、指挥控制实体、作战实体、以及目标实体四种实体。

关于指挥控制协同能力需求体系结构框架中核心元素的具体含义如表1所示。

利用上述提出的指挥控制协同能力需求体系框架以及核心元素概念，能够完整描述指挥控制协同体系的能力需求以及各组成实体的能力构成情况，同时能够清晰表达当前能力配置计划对指挥控制协同体系的业务逻辑运行的能力支撑状况。利于在多变的指挥控制协同作战环境下，指挥控制实体及时掌握战场上各组成要素的能力组成及其能力变化情况，方便其根据作战计划以及战场形势的能力需求，做出合理有效的能力配置计划，提升整体指挥控制协同作战能力。

3 指挥控制协同能力需求框架形式化

对于体系框架的形式化研究，大多采用Petri 网、有限状态机和进程代数的方法[18]。

有限状态机能详细描述体系框架的状态变迁以及业务逻辑，但是描述范围有限，同时缺乏对活动过程中相关语义的刻画。

图1 指挥控制协同能力需求体系结构框架

表1 指挥控制协同能力需求体系结构的核心元素概念表

Petri 网只适合对中小型系统进行形式化建模与分析，面对大型复杂系统时，Petri 网不能控制其模型在状态变迁以及事件触发中产生的大量涌现行为，容易造成状态空间爆炸问题。

与经典的有限状态机和Petri网模型不同，进程代数描述体系框架不受规模限制，进程代数模型是采用组合的方法来描述和生成复杂体系的马尔可夫转移过程，其独有的等价合并技术能够有效地压缩连续时间马尔可夫链一级状态空间大小，可以在一定程度上解决体系模型在性能评价过程中的状态空间爆炸问题。

同时采用进程代数描述指挥控制协同体系模型结构，可以在系统功能模型基础上加入性能数量指标，使所得到的模型不但能够在定性上描述指挥控制协同系统的行为，在定量上反映系统的某些性能特征，而且进程代数中的随机扩展的进程代数TIPP、性能评价进程代数PEPA 等都具有完善的形式化语义定义语言，方便根据研究需要进行选择并扩展使用。

本文采用进程代数对指挥控制协同能力需求体系框架进行形式化描述。

3.1 指挥控制协同能力需求定义

指挥控制是指各作战实体为达成作战目的，计划决策，发布命令，并对作战行动进行掌握、支配和操纵的活动。协同是在特定的时间以及空间环境背景下，两个或两个以上的实体，为共同完成某一任务而进行的有计划、有组织的相互配合，通常有战场感知协同、指挥控制协同以及火力打击协同三种协同方式。指挥控制协同则是指挥控制体系中各实体为遂行共同的指挥控制作战任务而进行的协调配合。指挥控制协同能力是指挥控制体系在特定的时间以及空间环境背景下，各协同实体之间通过综合运用各种有效手段相互配合，合理配置资源，最大限度地发挥各实体作战效果的本领。指挥控制协同能力需求则是指为遂行指挥控制作战任务，根据现实指挥控制作战活动的需要，从功能属性以及非功能属性上对协同中各实体的能力及其有效规划与合理配置等方面的需求描述。它包含以下两层涵义：

（1）在当前能力上下文环境下，任何一方实体因具备能力有限都不足以单独完成使命任务，需要其他实体提供满足相应的功能和性能指标的能力予以支撑。因此，指挥控制协同体现为各实体之间的能力供需的关系，一方为能力提供实体，一方为能力需求实体。

（2）为顺利遂行使命任务，有效执行作战活动，各实体之间的相互配合需要在时间、空间等因素约束下进行，因此指挥控制协同能力是指各实体提供具备满足时间、空间等非功能属性需求的能力。

由上所述，依据能力分解特性，可以将指挥控制协同能力看成是不同实体在各自特定的时间、空间环境背景下的能力合成，即由多个实体提供各自能力在当前作战上下文环境下合成的复杂能力。能力上下文是指对当前战场条件下，进行能力合成时，对当前能力之间的“需求-提供”关系的能力合成环境描述，具体包括能力之间的合成规则、能力的接口环境描述等。能力合成的基本要求是提供能力的系统接口相吻合。合成后的复杂能力仍然可以作为子能力进一步合成为一个新能力。指挥控制协同能力与子能力之间是一种需求与供给的关系，指挥控制协同能力需要子能力进行合成，子能力提供具备功能属性以及非功能属性的能力满足指挥控制协同能力的合成需求。

定义1 一个完整的能力（CC）定义为一个六元组，CC ∷( O wner,Type,Con,P,I,Res )，其中：

（1）Owner 描述拥有该能力的实体。

（2）Type 描述该能力所属类型。

（3）Con 描述该能力在进行能力合成时对上下文环境的要求，包括合成规则以及接口需求，它定义为一个二元组：

Con ∷( )

RR,IR

RR，即rule_required ，指进行能力合成时子能力对合成规则的需求；IR，即interface_required ，指进行能力合成时该能力的上下文接口需求，包括与该能力前件接口ip对接的输入接口cip以及与后件接口ir对接的输出接口cir。

（4）P 描述该能力可提供的相关属性（称为供给），包括功能属性、性能指标以及其他非功能属性等，它定义为一个四元组：

P ∷( )

Fun,T,S,Pf

Fun 描述该能力具备的功能在输入和输出的量化关系，它定义为一个三元组：

Fun ∷( )

input,output,description

input 指功能输入，output 指功能输出，description 指功能相关描述。

T 和S 分别描述该能力具备的时间特性和空间特性，它们分别定义为一个三元组和一个二元组：

T ∷( )

begin_time,end_time,description S ∷( )

own_location,target_location

begin_time 指该能力在开始时间上的特性，end_time 指该能力在结束时间上的特性，description 指时间其他相关特性，如执行功能的耗时；own_location 指能力实体的位置，target_location 指目标实体位置，对own_location具有定位参考作用。

Pf 指能力的性能指标向量，将它定义成如下格式：Pf=＜pf1,pf2,…,pfn＞

其中pfi(1 ≤i ≤n)为能力的某一具体性能指标的量化描述。

（5）I 描述提供该能力的系统所拥有的输入/输出接口；其中，前件接口ip描述输入接口，后件接口ir描述了输出接口。

（6）Res 描述该能力具备的资源，它定义成一个三元组：

Res ∷( )

name,type,quantity

name 指具备资源的名称，type 指该资源所属类型，quantity 指具有该资源的数量。

定义2 一个完整的协同能力合成需求(CR)定义为一个四元组CR ∷( )

Sub,Con,R,Res ；其中：

（1）Sub 描述进行协同相关实体之间的能力供需关系，它定义为一个四元组：

Sub ∷(C_provider,C_requirer,C_required,Type)C_provider 指协同活动中提供某种能力的实体，C_requirer 指协同活动中需要某种能力的实体，C_required 指协同活动所需要的子能力，Type 指该子能力所属类型。

（2）Con 描述当前协同能力合成上下文环境中子能力之间的合成规则以及环境可提供的输入/输出接口集合，它定义为一个二元组：

Con ∷( )

RP,IP

RP ，即rule_provided ，指该协同能力合成需求提供的各子能力之间的合成规则；IP ，即interface_provided ，指上下文环境为能力合成所提供的接口集合，包括与待合成子能力前件接口ip对接的输入接口cip以及与后件接口ir对接的输出接口cir。

（3）R 描述该协同能力对各子能力在相关属性上的约束，包括功能属性、非功能属性以及其他性能指标等，它定义成一个四元组：

R ∷( )

Fun,T,S,Pf

各元组的定义与子能力相关属性供给(CC.P)相关元组定义一致，其含义略有不同，本定义描述的是协同能力的需求约束，而后者描述的是子能力的供给属性。

（4）Res 描述能力需求在资源上的约束，它定义成一个四元组，与子能力的CC.Res 一致。

利用上述定义可以将指挥控制协同活动中各实体要素之间的协同关系以及能力需求清晰描述出来。

3.2 能力合成的关系运算

能力合成涉及它们之间的合成关系操作。为了便于定义这种关系运算，先给出能力元素操作符号说明，如表2所示。

定义3 供给并关系∪P，用来表示满足协同活动所需要的多个子能力的线性叠加，记为CCi∪PCCj：

CCi∪PCCj∷{pi|pi∈CCi.P ∨pi∈CCj.P}

定义4 需求包含关系⊆R，用来表示在指挥控制系统中某个协同能力的合成需求(CRj)包含了另一个协同能力的合成需求(CRi)，记为CRi⊆RCRj：

定义5 供给包含关系⊆P，用来表示在指挥控制系统中某个能力(CCj)所能够提供的供给要素完全覆盖了另一个能力(CCi)，记为CCi⊆PCCj：

表2 能力元素操作符号说明

定义6 满足关系⊆S，用来表示在指挥控制协同能力合成中某个子能力作为供给方(CCi.P)部分或完全满足协同能力合成需求(CRj.R)。如果该子能力供给是在某个功能/性能属性(pi)上部分满足协同能力合成需求，记为pi⊆SCRj.R：

如果该子能力供给完全满足协同能力合成需求，则记为CCi⊆SCRj：

定义7 冲突关系⊆C，用来表示在指挥控制协同能力合成中某个子能力在功能供给(CCi.P.Fun)上部分或完全不满足协同能力合成功能需求(CRj.R.Fun)。如果该子能力供给是在某个功能属性(funi)上不满足协同能力合成的功能需求（或者说，协同能力不需要该功能），记为funi⊆CCRj.R.Fun：

如果该子能力供给完全不满足协同能力合成的功能需求（或者说，协同能力不需要该子能的任何功能，它对于协同能力合成没有任何价值），记为CCi⊆CCRj：

限于篇幅限制，这里仅给出本文所用到的能力合成的基本操作。

3.3 协同能力合成操作

在指挥控制协同能力合成需求中通常涉及两种操作[12]：

（1）能力的添加或删除：在当前分析的协同能力中添加集成某种需要的子能力或删除某种不需要的子能力，以合成新的协同能力。

（2）能力的更新：由于追求性价比、技术发展产品升级等原因，用性价比更高或性能更强的子能力去替换当前协同能力中的子能力。

3.3.1 能力的添加或删除

以符号“⊕”来表示能力添加操作。当前能力记为CCold，在CCold中添加子能力CCn，形成新的能力CCnew，记为CCold⊕CCn=CCnew。CRadd给出了合成需求描述。能力添加操作分为以下步骤完成：

（1）检查该子能力是否满足合成需求：

①检查接口满足，即子能力CCn的上下文需求接口cip和cir存在于当前能力添加需求CRadd的接口集合CRadd.Con.IP 中；分别记为CRadd.Con.IP.cip和CRadd.Con.IP.cir：

∀cip,cir∈CCn.Con.IR,cip,cir∈CRadd.Con.IP ⇔CRadd.Con.IP ⊆SCCn.Con.IR

②检查子能力的兼容性，即CCn不会提供与能力添加需求CRadd相冲突的能力，且其资源满足CRadd对资源的需求：

(∀funi∈CCn.P.Fun,funi∈CRadd.R.Fun)&&

(∀resi∈CCn.Res,resi∈CRadd.Res)⇔

CCn⊈CCRadd&&CCn.Res ⊆SCRadd.Res

③检查子能力CCn在时间、空间等非功能属性以及相关性能指标上满足能力添加需求CRadd的要求：

(∀ti∈CCn.P.T,ti∈CRadd.R.T)&&

(∀si∈CCn.P.S,si∈CRadd.R.S)&&

(∀pfi∈CCn.P.Pf,pfi∈CRadd.R.Pf)⇔

CCn.P.T ⊆SCRadd.R.T&&

CCn.P.S ⊆SCRadd.R.S&&

CCn.P.Pf ⊆SCRadd.R.Pf

（2）添加子能力CCn.将CCn在CRadd上下文中的需求接口CRadd.Con.IP.cip和CRadd.Con.IP.cir分别与CCn的前件接口和后件接口对接起来：

CRadd.Con.IP.cip≫CCn.I.ip

CCn.I.ir≫CRadd.Con.IP.cir

（3）更新新能力CCnew资源信息以及能力上下文信息：

CCnew.Res=CCold.Res+CCn.Res

CCold.Con ⇒CCnew.Con

以符号“⊖”来表示能力删除操作，删除操作与添加操作类似且相对简单，这里不再赘述。

3.3.2 能力的更新

以符号“⊘”来表示能力更新操作。当前能力记为Cold，用性能更好、版本更高的新的子能力CCnew去替换CCold中具有相同功能的CCold，记为CCnew⊘CCold，更新后的能力记为Cnew。CRupgrd给出了更新需求描述，更新操作分为以下步骤完成：

（1）更新操作首先在CRupgrd中的能力上下文环境中，找出分别与CCold前后件接口的链接的接口，分别记为CRupgrd.Con.IP.cip和CRupgrd.Con.IP.cir。

（2）检查该子能力是否满足更新需求：

①检查子能力CCnew有而CCold没有的功能不会与能力更新需求CRupgrd相互冲突，而能力CCold有而CCnew没有的功能属于可选功能，同时CCnew中的资源满足CRupgrd对资源的需求：

②检查子能力CCnew在时间、空间等非功能属性以及相关性能指标上满足能力添加需求CRupgrd的需求：

（3）进行能力添加。将CCnew在CRupgrd上下文中的需求接口CRupgrd.Con.IP.cip和CRupgrd.Con.IP.cir分别与CCnew的前件接口和后件接口对接起来，完成新能力CCnew的添加：

（4）删除旧能力CCold，完成更新操作：

（5）更新新能力Cnew资源信息以及能力上下文信息：

4 案例研究

为了说明指挥控制协同能力的合成以及相关操作，结合地方应急响应体系[19]以及军事防御系统体系[20]等安全案例[21]，通过某城市空中防御协同来对其进行详细描述：

基本想定：某内陆城市战时要遂行空中防御任务，敌方最近的导弹基地距离该城市2 000 km，导弹飞行大约10 min，若敌方采用导弹攻击该城市，要求我方导弹拦截部队要在敌方导弹距离该城市400 km区域外进行拦截；若我方拦截导弹未能成功拦截敌方导弹，敌方导弹以及空中单位将进入该城市领空区域，在敌方空中单位距离该城市200～400 km时，我方空军部队应出动，与敌方单位进行空中战斗；最后，若敌方导弹突破我空军部队的防线，此时要求我方高炮部队在敌方空中单位距离该城市200 km范围以内时进行密集炮火打击。

由上所述，该城市防空指挥部HQ 进行空中防御时需要进行空军部队(AF)、导弹部队(MB)以及炮兵部队(AT)三者的协同防御，根据现实需要，制定协同规则如下：

（1）若要我方导弹成功将敌方导弹拦截，要求我方导弹部队具备导弹拦截能力(CCMI)，且距离该城市不能超过1 200 km，作战时间不超过8 min，命中概率不低于0.6。

（2）空军部队具备空中战斗能力（CCAF），与敌方空中单位战斗时，要求我方战斗机作战半径大于150 km小于250 km，载弹量不低于5 000 kg，数量不低于7 架，不多于13架。

（3）我方高炮部队应具备空中打击能力(CCATA)，以便在敌方空中单位距离该城市200 km范围内时对其进行打击，为了使空中打击效果不波及到城市安全，要求高炮部队在该城市前方且距离超过100 km但不超过170 km，作战时间不超过1.5 min，命中概率不低于0.7。

假设该城市附近驻军情况如下：

有两支导弹部队（MB1和MB2），其中MB1距离该城市2 200 km，作战时间不低于9 min，导弹命中概率0.5；MB2距离该城市1 000 km，作战时间不超过7 min，导弹命中概率0.7。

有一支空军部队(AF)：空军部队有标准型(ATS)以及高配型(ATA)两种型号的战斗机，其中ATS作战半径为240 km，载弹量5 300 kg，数量10 架；ATA作战半径为500 km，载弹量5 800 kg，数量7架。

有两支炮兵部队（AT1和AT2）：两支部队均在城市前方阵地，其中AT1属于高炮部队，距离城市150 km，主要遂行空中打击任务，作战时间不超过1 min，打击概率0.75；AT2属于地炮部队，距离城市100 km，主要遂行地面打击任务（如反坦克制导等），作战时间不超过1 min，打击概率0.8。

准备工作：对相关变量定义如下：

能力类型：导弹拦截能力(MI)、空中战斗能力(AB)以及空中打击能力(AT)。

资源类型：武装部队(Arm)、物资装备(Mat)、信息资源(Inf)。

打击目标：aim ，有导弹(Mis)、空中单位(Air)和地面目标(Grd)三个值。

敌方目标距城市距离dE；各部队到城市距离dF；作战时间t；导弹命中率PMI；高炮命中率PAT；战斗机作战半径r；战斗机载弹量m；战斗机数量n。

每个防空部队所具备的能力以及能力需求和资源需求如表3所示。

组织机构具备能力导弹拦截CCMI1导弹基地MB导弹部队MB1导弹部队MB2高炮部队AT1地炮部队AT2导弹拦截CCMI2空中打击CCATA资源需求预警卫星ST 、雷达RD、自动化系统AutoS、武器平台WP预警卫星ST 、雷达RD、自动化系统AutoS、武器平台WP炮兵AM 、武器平台WP、自动化系统AutoS炮兵部队AT空军部队AF地面打击CCATG标准型战斗机空中战斗CCAFS高配型战斗机空中战斗CCAFA能力属性dF=2 200 km；PMI=0.5；aim=Mis；t ≥9 min dF=1 000 km；PMI=0.7；aim=Mis；t ≤7 min dF=150 km；PAT =0.75；aim=Air；t ≤1 min dF=100 km；PAT =0.8；aim=Grd；t ≤1 min r=240 km；m=5 300 kg；aim=Air；n=10 r=500 km；m=5 800 kg；aim=Air；n=7炮兵AM 、武器平台WP、自动化系统AutoS战斗机飞行员FP、战斗机FA、通信系统TS、战场信息Info战斗机飞行员FP、战斗机FA、通信系统TS、战场信息Info

该城市防空协同能力CRAD需求定义：

协同能力合成：

假设该城市防空协同能力需求CRAD已为其需要的能力CCMI、CCATA、CCAF创建好其能力合成所需的上下文环境ConAD，且分别为其预留了这三个子能力上下文必需接口，分别记为cimip、cimir，ciatap、ciatar，ciafp、ciafr。

下面将根据该城市防空协同能力需求CRAD进行导弹拦截能力、空中战斗能力以及空中打击能力的能力添加合成。以导弹拦截能力CCMI添加为例：

由CRAD需求定义上可知，CRAD对导弹拦截能力的需求如下：

导弹部队提供拦截导弹能力CCMI1和CCMI2：

对CCMI1进行能力属性及非功能属性验证：

对CCMI2进行能力属性及非功能属性验证：

对CCMI2进行能力添加：

空中战斗能力CCATA以及空中打击能力CCAFS的添加类似于导弹拦截能力添加，这里不再赘述。合成后的协同能力CCAD资源信息以及能力上下文信息：

结论：通过对协同能力需求的定义，对能力的相关功能属性需求能够进行清晰的形式化描述，同时能够验证各实体部队提供的能力与协同能力需求之间的满足关系与冲突关系，能将抽象的能力需求具体量化，方便现实中指挥控制协同能力的具体实现与操作。

5 结束语

本文针对当前在指挥控制体系的研究领域没有从能力需求角度对指挥控制协同性进行研究，且缺乏科学规范的形式化理论基础的现状，提出将指挥控制体系纳入到科学的军事体系结构框架中进行研究。针对指挥控制协同能力的研究需要，在DoDAF2.0的数据元模型（DM2）基础上提取出相关数据元素，构建了基于指挥控制协同能力需求的体系框架，定义协同能力需求四元组来清晰描述指挥控制协同能力需求，并运用进程代数方法对能力之间的关系以及操作进行形式化定义，消除了采用自然语言描述协同能力合成过程中可能产生的语义二义性。最后通过城市空中防御案例进一步阐述协同能力需求四元组以及能力之间的关系和操作在现实指挥控制协同能力中的应用。

后续将继续研究指挥控制协同能力需求框架中的相关视图产品以及指挥控制协同规则，进而采取合适的建模方式进行建模，为后续的仿真技术的研究以及指挥控制协同效能评估打下基础。