防空反导战术级指控系统体系架构研究*

张家瑞，王 刚，王思远

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

0 引言

防空反导指控系统是防空反导作战指挥与武器控制系统的简称，其主要功能是对各路各型情报综合处理，实现信息的识别、关联、融合，进而辅助指挥决策以及武器的综合控制。现代防空作战是体系的对抗，如何寻求最有效、最合适的指挥控制方法来发挥其最大效用，已经成为防空反导指控系统研究过程中的关键问题［1］。

指挥控制能力成熟度作为一种衡量指控架构水平的标准，主要反应了指控组织影响、应对或利用多变环境的能力，以及对指挥控制系统整体运行效能进行量化评价。对于指挥控制系统体系架构的研究，现阶段主要是对其静态组织结构的研究分析，使用一个或多个成熟度等级来对应一种架构，即等级越高也意味着自组织程度越高，信息共享越多，协同能力越强等，而架构的选择同时也要与实际情况相符合。采用架构评价体系对架构进行定量评价，选择合适的架构来符合不同的任务与作战场景。

本文在防空反导指控系统成熟度的基础上，针对独立式、集中式、分布式、混合式4 种不同的指控架构，在7 个不同维度上进行比较分析，提出一种位于第4 级成熟度的混合式体系架构，并采用合同协调的方式进行任务分配，在此基础上对指控过程中4 个方面进行定量评价，得出实时的指控架构评估指标，对防空反导指控架构的论证研制具有一定参考价值。

1 成熟度与指控方法

北约研究分析与仿真委员会（SAS）SAS-065 小组借鉴软件生产能力成熟度模型，在C2（指挥控制）概念参考模型（CRM）和C2 方法概念基础上，于2010 年提出了网络赋能C2 成熟度模型（NATO NEC C2 Maturity Model，N2C2M2）［2-3］。该模型根据3个维度（实体间信息共享程度、实体间交互频度、实体的决策权委托给集体的程度）之间的交互协同能力，并以5 个级别（冲突、集权、协同、合作、边缘）从低到高来描述指控架构的成熟度［4］。

第1 级网络中心化程度最低，实体间没有统一的目标和合作模式，只能各自为战，相互无法有效配合；第2 级意识到实体需要对C2 的实施采取合理的管控才能取得良好的效果，不断监督具体执行的代价与进度，及时发现C2 过程中出现的问题予以解决，从而使其能够顺利实施；第3 级对指挥的实施赋予了一套完善的执行标准，根据这些标准化数据、指挥条令、指挥体制等，指挥员就更易形成共识，实现合作，达成作战自同步；第4 级在C2 的执行不仅要按照制定出的严格标准执行，还要收集与分析基础实施执行过程中具体的定量数据，对执行过程进行量化的管理评估与监控；作为C2 成熟度最高的C2 方法，第5 级能够根据C2 实施过程中的定量数据不断对实施过程进行改进和完善，是建立一种自同步系统［5］。

成熟度等级是指实体能够针对不同的任务选择合适的C2 方法，较高等级的成熟度可选择的C2 方法也越多，一二级均只有一种C2 方法，第5 级有4种C2 方法［6］，每一种C2 方法的区别如表1 所示。

表1 5 种C2 方法分析

2 指控系统体系架构

防空反导指控系统是多输入、多输出、结构复杂的大系统，不是硬件和软件的简单堆积，系统的各个组成部分相互关联、相互支持、相互协同形成一个有机整体，最大效能发挥传感器及武器能力、减轻指挥员负担去完成各类复杂任务。对指控系统的体系架构从顶层上进行理论研究，关系到防空反导指控系统本身乃至整个防空反导系统性能的优劣。

2.1 典型架构分析

目前，对于战术级防空反导指控系统的体系架构，主要有独立式、集中式、分布式以及混合式［7-9］4 种。

独立式是指作战指挥系统和火力单元之间各自独立，分别各自进行信息的计算，并且各个火力单元也都有自己的火控计算机。该结构火力单元可以在指挥系统发生故障时仍具有一定的战斗力，但其反应时间较长且计算机使用效率低，目前已经被淘汰［10］。

集中式是指作战指挥和火力单元的功能集中由一台或一组计算机来完成，其计算机使用效率高，反应时间较短，具有良好的全局统筹控制能力，但难以适应对战场态势动态变化、快速响应的特点，且一旦中心出现故障，整个系统就会陷入瘫痪。集中式架构在任务分配过程中可以降低问题求解的复杂性，但是在分解后如何有效实现多平台的协调，满足时间、空间和资源等方面的约束增加了难度，忽略了多任务、多平台协同问题本身复杂性。

图1 集中式架构

分布式是指每个火力单元都有其微计算机，相应的功能也划分至每一火力单元，各个节点之间相互连接，能够形成数据共享以及功能和控制上的完全分布，实现了将所有的资源整合共享和分散处理。分布式架构系统的功能主要依靠各个火力单元之间相互协同完成，由火力单元节点之间的通信能力和对任务环境的全局把握能力决定，具有很强的抗毁性，即使单个节点损毁也不会对整个系统功能造成破坏。分布式架构可以在信息不完备的情况下作出合理决策，实现冲突消解，各个火力单元之间能够在没有集中控制的情况下通过交互信息产生整体效应，实现较高程度的自主协同，在尽量减少人的干预下完成预期的作战任务，但是目前研究工作还相对薄弱，面临的挑战主要包括无中心信息处理、无中心决策、受限通信、不确定环境等。

图2 分布式架构

混合式是指采取集中式和分布式系统的优点，相当于是有中心节点的分布式架构，系统分为分布式处理机和中心服务器两部分。中心节点负责任务的分配并且提供各类共享资源的服务，各个火力单元完成分布给它的任务同时也与中心节点相互配合。

图3 混合式架构

2.2 架构差异对比

根据上述3 种典型架构的分析，结合其相应特点，在响应速度、结构灵活性、安全保密性、任务分配、抗毁性、可靠性和应用开发复杂性7 个维度对3种架构进行对比［11］，结果如表2 所示。

表2 典型指控架构对比

从表2 中可以清晰地看出，混合式能够保持分布式架构的优点，并且也能吸收集中式架构的特点，在各个方面混合式架构都能达到有较好的效果，具有强鲁棒性、高可靠性、灵活的架构组织、通用化以及易于修改和扩充，增设不同平台武器等特点。与成熟度等级对应来看，独立式属于冲突型；集中式位于第2 级和第3 级，火力单元节点之间存在有限的协同，属于协同型；分布式和混合式属于第4 级以上，网络化程度达到一定程度后，节点之间有了高度共识和大量持续交互，指控过程可以进行实时评估和主动调整，就属于边缘型。可以说，随着未来对性能的不断提升，混合式架构已经成为一种必然。

3 防空反导体系架构设计

3.1 协同体系架构

从表2 中可以看出，混合式综合了集中式和分布式有价值的优点。资源能够统一管理分配，也能在需要时独享所有资源，用户相应速度也较快，比起分布式来说便于控制，并且其鲁棒性较强，中心节点一旦遭到破坏，对整个系统的影响有限。

现代空防作战作为高技术战争，是体系和体系之间的对抗，具有网络化的资源配置、一体化的火力打击、无缝连接的协同作战等特点，只有对战场信息的获取、分析从而作出正确判断，才能赢得战场上的各种控制权。这就要求指控系统在架构设计上能够适应复杂的战场环境，能够与各子系统及火力单元之间协调一致，构建出防空反导一体化作战体系［12］。本文以第4 级成熟度为基础，提出一种混合式的防空反导指控系统架构，采用初始集中控制，分布协同调整的模式进行任务分配，其基本架构如图4 所示。

整个指控系统根据外部战场环境，按照一套合理的执行标准进行协作，有一套完整的量化评价标准对C2 的基础实施执行过程中进行具体定量数据进行收集与分析，并对指挥控制的过程进行简单评价。指挥信息网、传感器网、武器控制网以网络信息体系为基础，任意的火力单元的通信关系都是双向的，由一个火力单元担任中心节点，同时选择出一个备用中心节点，中心火力单元节点进行数据的集中参数解算、数据分析，一旦因某一原因中心节点遭到破坏，备用节点将接替行使指挥权。在对目标进行任务的分配过程中，对能够探测到但还未进入火力拦截范围内的目标，由中心火力单元采用中心协调方法做高效的集中任务分配，一旦目标进入火力单元拦截范围之后，中心节点也参与到任务协商任务分配的过程当中，与各个分布节点的火力单元一起根据自身掌握的有限态势信息进行数据共享，采用合同网协调的方法不断修正任务分配方案，得到一个最优解，并且分属于不同火力单元的武器系统可以协同进行目标的拦截。但如果高威胁目标来临必须使用集火射击，或者上级指定威胁目标必须由某一节点承担此项拦截任务时发生冲突，则上报中心节点，进行任务的重新分配［13-14］。整个过程以及系统的结构如下页IDEF0 图5 所示［15］。

3.2 合同网任务分配

合同网的任务分配策略，其基本过程是模仿经济行为中的“招标-竞标-中标-签约”，其主体既可以是招标者也可以是竞标者。使得各个分布的火力单元之间通过标值进行相互协作和任务竞争，在局部最优的基础上追求全局的最优，从而以最优的系统配置和最低的代价完成任务。中心火力节点进行作战任务的分解、招标任务书的拟定、投标标书搜集、中标判断签约、流标问题处理等工作，并结合各个分布节点的火力单元对武器装备的实时报告进行任务执行能力的评估，进行投标活动，最终一个或多个火力单元协同完成任务［16-17］。其整个协商流程如图6 所示。

图4 协同体系基本架构

图5 指控过程IDEF0 图

3.3 量化评价标准

在指控系统的实施过程中，采用合理的指标对整个架构的运行进行实时的量化评价，并参考这些标准对指控系统进行管控，能够更好地实现精确化的指挥控制过程。一个良好的指控架构，首先需要具备鲁棒灵活的物理结构，其次能够实现快速良好的通信，实现实体之间完整实时的交互，从而形成快速准确的决策。在广泛征询专家意见的基础上，结合经实践检验过的评价指标，构建一个初步的评估指标体系，采用排队理论确定指标权重，将一些难以评估量化的指标按照1-10 级转化为定量的数字特征，得出最终的综合评价体系，求出综合评价体系与已形成的标准体系的相似度，得出最终的效能评估结果［18］。

根据上文提到了7 个维度的基础上，在实时的指控过程评估体系下，对通信、决策、交互程度、物理结构4 个方面进行衡量［19］。效能评估是对完成任务能力的综合度量，各类指标构建的合理性又是效能评估的关键，我们选择通信、决策、交互程度、系统结构4 个方面，如图7 所示。对实时的指控过程进行衡量评估。

4 结论

本文对指控系统的成熟度作了简单介绍，概述了指控方法和成熟度之间的对应关系，系统分析对比了目前防空反导指控体系下独立式、集中式、分布式和混合式4 种架构，分别简述了其与成熟度之间的对应关系，并在多个方面对架构进行定量评价。在第4 级成熟度的基础上，提出了基于混合式的防空反导指控系统体系架构，采用合同网协议进行任务的分配，并能够实时进行量化评价，对未来防空反导战术级指控系统的建设和发展具有重要的借鉴意义。

图6 任务分配流程图

图7 C2 过程评估指标