战场网关键节点仿真与分析

孙 鹏，孙金标，王夙颖

（1.空军指挥学院，北京 100041；2.解放军93656 部队，北京 101100）

0 引言

以“网络中心战”为核心的作战样式的出现，改变了以往平台对抗作战的模式［1］。平台中心战时代，作战行动主要依靠各作战平台自身的探测设备和打击单元形成战斗力，完成作战任务。“网络中心战”时代将平台之间的壁垒打破，通过战场网络将各传感器、指挥控制元素、软硬打击各种平台连接起来，形成了一个有机整体，信息充分共享，各作战元素共享统一的作战态势［2-5］，可以说，单个装备离开战场网络支撑则无法形成战斗力。以网络为基础的体系对抗逐步代替平台对抗，C4ISR 系统的出现，作战模式上的改变要求单纯对付平台的传统电子对抗作战样式也随之改变，破坏或打击对手战场网络成为当前应对网电作战的唯一出路［6］。

复杂网络是研究复杂系统的一个非常重要的工具，任何现实的系统都可以抽象为一个网络［7］，研究战场网攻击的首要任务是将战场网抽象为网络模型。复杂网络分析方法要按照“体系构成-要素分类-关键节点-价值判断”的基本步骤来解析。对敌作战体系网络的分析主要是对其侦察预警、指挥控制、信息攻防、火力打击、综合保障等进行分析，一是对网络体系构成进行分析，判明网络运行机理，二是对要素进行分类分析，重点对侦察、情报、指控、火力能力分析，三是对关键节点的强弱点进行分析，分析各要素单元的优势、劣势和变化，四是对关键要素的价值进行分析，重点对支撑网络的关键节点和链路在战场网中的重要程度进行分析。

1 战场网体系构成

网电作战归根结底是体系的对抗，是由双方的传感器、指控系统、作战单元和平台、通信基础设施等实体建立起来的复杂系统之间的激烈对抗［8］，在不增加投入的情况下，作战元素组网要比增加平台带来更大的价值和效益，因此，网电作战的主要对象就是对手的复杂战场网［9］。从网络拓扑的角度，将作战体系中的实体抽象为节点，实体之间的关系抽象为边，这样得到的网络成为战场网络。

因此，网络体系结构S 可以抽象地表示为［10］

以典型作战背景为例来说明战场网络体系的构成，美对我实施空袭，其主要要素全体包括：天基卫星系统，主要是侦察卫星、导航卫星、通信卫星等；空中骨干网，主要是E-2、E-3 预警机、E-8 战场监视机、RC-135 侦察机等；作战平台F-35、F-22、F-18A、临近空间高超声速战斗机，KC-135 加油机，EA-18G电子战飞机，察打一体无人机、无人作战飞机等；通用型分布式地面系统（DCGS）［11］；海上航母打击群等。美空袭战场网络体系示意图如图1 所示。

各类系统组成要素通过有线和无线通信设备互联，形成了组成要素之间客观存在的信息流动关系［12］。信息流动主要是由下至上流动的情报、由上至下流动的态势分发和指令，以及同级之间流动的协同信息，实现跨战区、跨兵种系统之间的信息交互。根据各组成要素之间的信息流动关系，可以分为情报信息流动、态势信息流动、指控信息流动、协同信息流动4 类［13］。

情报信息流动，主要是各作战单元获取的对手位置、信号参数等情报，同时包括作战闭环中的最后一环，即打击的效果评估情报；态势信息流动，主要是根据各作战单元获取的情报，最终形成的整体战场态势图；指控信息流动，主要是指对各作战单元传递的指挥和控制指令；协同信息流动，主要是指各作战单元之间为共同完成战术任务而进行的协同数据传递。

从情报获取、处理到态势生成，体现了情报信息流动、态势信息流动关系；从决策到网电作战与火力打击，再到打击效果评估，体现了指控信息流动、协同信息流动、情报信息流动关系；上下级节点之间、同级节点之间的信息流转，体现了整个作战体系的运行机理。

2 战场网要素分类

根据功能可以将战场网要素分为战场感知要素、情报处理要素、指挥控制要素、武器控制要素、后装保障要素等。

战场感知要素（Perceive），是通过技侦、雷达、网电侦察、卫星侦察、无人机侦察等多种手段获取作战环境中的各种信息，并将信息发送给情报处理要素（Intelligence）进行处理，或者直接提供给指挥控制要素（C2）进行辅助决策，或者直接提供给武器控制要素（Arms）进行攻击的各类传感器的统称。

图1 美空袭战场网络体系示意图

情报处理要素（Intelligence），是将战场感知要素获取的情报信息进行分析和判断，提供给指挥控制要素，或者直接对武器控制要素提供实时准确的情报信息。

指挥控制要素（C2），根据战场感知要素和情报处理要素传送过来的信息进行分析和判断，进行决策，并对武器控制要素进行协调和控制。

武器控制要素（Arms），接收指挥控制要素的指令信息，完成具体的作战任务，执行具体的作战行动。

后装保障要素（Support），根据战场感知要素的情报信息和指挥控制要素的指令，实现对武器的后装保障。

5 类基本要素是网络化作战体系的基本要素，可将其称为PICAS 模型。具体到首都联合防空网电作战的主要对象——美军的指挥信息系统来说，战场感知要素，主要为美军电子侦察机、预警机、无人侦察机、侦察卫星等；情报处理要素，主要是美军的预警机、大型空中骨干飞机等；指挥控制要素，主要是美军空中指挥通信机和地面的空中作战中心等；武器控制要素主要为美军的软硬杀伤武器之间的武协链等，后装保障要素主要是空中加油机等。

建立物理系统结构的基础上，可以对美空袭系统结构模型进行抽象建模，敌空袭体系中的各作战单元均可以抽象为5 类基本要素。

3 战场网关键节点和链路评价指标

如何通过“打击关键节点和关键链路”达成“破击体系”的目的，成为网电作战研究的重要研究问题，破击敌战场网的重点在于通过打击关键节点和关键链路，以实现破击体系的目的。关键节点指的是信息网络系统的交汇点、控制点、信息交换中心，关键链路指的是作战要素之间的关键联系，任何信息网络都有节点和链路［14］。当前，信息关键节点和链路已经称为美军致命的薄弱环节，大量交互使用的信息系统均可以为我网电作战所用。

评价指标的选取要遵守的原则为，一是确定性原则，指标必须要明确含义，要求准确一致；二是典型性原则，指标能够反应关键节点或链路的效能；三是互不相关原则，不同指标之间应互不相关；四是客观性原则，网络性能指标应当客观反映网络状态，与人为影响关系不大；五是可测性原则，指标应当是可以测量和评价的；六是适应性原则，指标应适应各种网络环境。

研究战场网关键节点时，可引用社会网研究关于“度数中心度”、“接近中心度”、“中间中心度”等概念［12］。因此，本文提出了利用社会网分析的网络分析手段对战场网进行研究的一种方法。

首先介绍点的度数中心度的概念，设网络的规模为n，点i 的绝对中心度指的是与i 直接相连的其他点的个数，用CAD（i）来表示。对于有向网络来说，包括点i 的入度和出度，点的出度是指从该点指向其他点的数目，入度是从其他点指向该点的边的数目。当网络的规模不同时，不同网络的中心度概念无法比较，因此，引入了相对度数中心度的概念，即点i 的绝对中心度与点i 的最大可能的度数之比，用CRD（i）表示，具体公式为：

其次介绍点的接近中心度的概念，一个点i 的接近中心度是该点与网络中所有其他点的捷径距离之和，表示为：

式中，dij是点i 与点j 之间捷径中包含的线条数，同样是绝对接近中心度，在星型网络中，达到最小值为n-1，则相对接近中心度定义为：

最后介绍点的中间中心度的概念，假设网络中点j 和点k 之间存在着gjk条捷径，点j 和点k 之间存在的经过点i 的捷径数目为gjk（i）表示，i 能够控制j 和k 两点的通信能力，用其处于点j 和点k 之间捷径上的概率表示，即：

把点i 相对于图中全部点对的bjk（i）相加，就得到点i 的绝对中间中心度，即：

式（7）的取值范围在0 到1 之间，当CRB（i）为0时，说明点i 不能控制任何其他元素，当CRB（i）为1 时，说明点i 可以完全控制其他元素，拥有很大的权利。

研究战场网关键链路时，本文引用社会网研究关于“线的中间中心度”的概念。设i 是网络中的一条连接线，也叫作“边”，bjk（i）是连接点j 和点k，并且经过边i 的捷径与连接点j 和点k 的捷径总数之比，边i 的中间中心度就是各个bjk（i）的总和，即：

与点的中间中心度不同的是，点的中间中心度中的i 是点，边的中间中心度中的i 是边。且边的中间中心度只有绝对中间中心度的概念，不存在相对中间中心度的概念。

总之，CRD（i）度数中心度测量的是一个点与其他点发展直接联系的能力；接近中心度和CRB（i）中间中心度刻画了网络中的一个点控制其他行动者之间发生联系的能力，它依赖于行动者与网络中所有行动者之间的关系，不仅仅是相邻点的直接关系。需要说明的是，3 种点的中心度指标在一般情况下计算结果相差不大，能够一致地反应某一元素在网络中的重要地位。LAB（i）边的中间中心度测量的是一条连接线出现在一条捷径上的次数，测量的是一条线对信息的控制程度。如果重点关注两点之间的直接联系，则采用度数中心度CRD（i）；如果重点关注对两点联系的控制，则采用点的中间中心度CRB（i）或线的中间中心度LAB（i）；如果重点关注相对于信息传递的独立性或有效性，则采用接近中心度。3 种点的中心度测量和一种线的中心度测量都是判断某一元素或某一联系在整体网络中，处于何种中心地位，整体网络在何种程度上围绕某个或某几个特殊元素构造起来，这是寻找战场网攻击的关键所在。

4 美典型战场网关键节点重要性分析

关键节点也成为高价值目标，是对目标系统或体系整体功能发挥重要意义的要素。战场网络属于复杂网络的范畴，对于复杂网络评价的经典表述就是社会网络分析领域的“重要性等价于显著性”［15］。通过计算分析网络结构的基本特征参数，反应节点在网络结构中的重要程度。

以一个典型美空袭作战体系为例来说明，美军依靠各种作战力量，通过战场网连接起来，形成如图1 所示的整体作战体系。根据对战场网要素的分类，可以将美空袭作战力量与战场网的PICAS 五要素一一对应，如表1 所示。

作战网络分析的重要工具为邻接矩阵，按照战场网体系构成中的信息流动关系，分为情报信息流动、态势信息流动、指控信息流动、协同信息流动4类，以度数中心度为例来仿真战场网4 类信息流动的关键节点。分别构造邻接矩阵并利用网络工具对其分别仿真得到：

表1 美空袭作战力量与战场网要素对应关系

情报信息流战场网体系架构如图2 所示。

图2 情报信息流战场网体系架构

态势信息流战场网体系架构图如图3 所示。

图3 态势信息流战场网体系架构

图4 指控信息流战场网体系架构

图5 协同信息流战场网体系架构

指控信息流战场网体系架构图如图4 所示。协同信息流战场网体系架构图如下页图5 所示。以上只是针对度数中心度进行了仿真，接近中心度与中间中心度的仿真结果与度数中心度类似。由以上仿真结果可以看出：1）所有作战元素都参与了情报信息和指控信息的传递。2）侦察卫星、导航卫星、巡航导弹没有参与态势信息的传递，只负责各自的侦察、导航和打击任务。3）情报信息传递过程中，空中骨干网中的预警机、战场监视机、天基的通信导航卫星、海面航母、天基通信卫星为情报信息传递的关键，其度数中心度明显高于其他作战元素。4）态势信息传递则主要以空中骨干网的预警机和战场监视机为主。5）指控信息传递主要以通信卫星、地面通信站、航母、空中预警机为主。6）协同信息传递网络更像均衡网络，战术作战单元的协同信息传递呈现出分布性特征。

5 结论

利用复杂网络研究战场网的关键节点或链路，对作战对手战场网组成要素之间的信息获取、传递、处理、存储、分发、利用等信息交互行为进行建模，成为网电作战体系最重要的考虑因素。针对对手日益庞大的战场网，利用复杂网络研究的手段对其进行分析、筛选，是网电作战目标选择的一种新方法、新途径。未来网电作战装备必将向人工智能和自适应发展，利用网络建模工具构建对手战场网络，自动识别战场网络的关键因素，自动列出网电作战攻击目标排序，是未来构建自适应网电作战体系的必然趋势。