基于效能环的预警情报体系能力评估*

2022-03-23俞锦涛熊家军

火力与指挥控制 2022年2期

俞锦涛，肖兵，熊家军

（1.空军预警学院研究生大队，武汉 430019；2.空军预警学院预警情报系，武汉 430019）

0 引言

预警情报体系是国家空天防御体系的重要组成部分，是观察来袭目标或威胁目标的第一窗口。随着信息化、智能化技术的快速发展，预警情报体系内部之间的要素构成变得越来越复杂，关联关系也愈发密切。怎样合理地描述体系内的系统以及系统之间的关系，构建体系结构描述模型，对于体系的能力评估存以及优化设计具有重要作用。传统的体系能力评估大多采用建立具体指标，再对体系结构进行量化评价的方法，这种方法不能够很好地反映同类型装备之间的相互作用，具有一定的局限性，而复杂网络理论刚好能弥补上述缺陷。利用复杂网络理论，谭跃进提出了装备体系的网络化描述以及基于作战环的建模方法；李际超基于吴俊的自然连通度模型，提出了有向自然连通度指标作为网络能力的测度，这和文献［2］把作战环数量作为体系效能指标实际是等价的。考虑到体系内各个系统具有不同的功能，即包括了不同类型的子网，这种相互交织又高于现存网络的网络称为超网络。研究超网络可以更合适地对装备体系效能进行分析。高翔提出了武器装备体系的加权超网络，并用邻接矩阵的PFE 值评价体系效能；王宏宇基于网络的自然连通度、分类度与分类度分布、子网聚类系数等指标，仿真分析了超网络下的武器装备体系效能；杨迎辉定义了由物理层和逻辑层构成的体系作战信息流转超网络，建立了以物理抗毁性最强、信息流转率最高、整体网络化效能最大为目标的优化模型，从模型优化的角度评估体系的能力优劣。

对预警情报体系的能力评估，基于复杂网络的方法同样适用。针对预警情报体系，本文从体系实体的整体功能出发，构建预警情报体系超网络模型，而后基于不同的测度指标，对情报体系的能力评估进行了仿真分析。

1 预警情报体系超网络模型

1.1 超网络定义

超网络也叫网络的网络，它同体系（系统的系统）在结构上具有很强的相似性，所以用超网络来描述体系结构非常合适。刘忠从超图的视角定义了超网络并据此建立了结构层和属性层相统一的超网络模型；胡晓峰从作战实体及其交互关系出发，构建了含有物理域、信息域和认知域的多层超网络模型。目前关于超网络尚无完全统一的定义，本文根据复杂网络的特点并结合预警情报体系的特征，对超网络进行描述。

定义1 超网络是指用多种连接方式将不同类型的节点连接起来构成的异质多重边网络，它侧重网络的整体功能，可依据不同节点或链路的属性划分成若干交互子网。

1.2 预警情报体系的网络抽象

在预警情报体系中，情报保障的一般流程为：获取目标情报信息——对情报进行处理——情报用户处置/决策，信系流转如图1 所示。

图1 情报保障一般流程的信息流转

根据各实体在预警情报保障中扮演的角色及其功能作用，可以把它们抽象成4 类网络节点：

V：目标节点，主要为敌方各类武器装备等威胁目标或来袭目标，如飞机、舰艇和导弹等。

V：情报获取节点，主要为具有侦察、探测和监视功能的装备，用于获取目标的各类状态信息，如卫星、雷达、声呐和光电侦察设备等。

V：情报处理节点，主要为各类情报处理中心，负责对收集的情报进行处理与分析，如目标综合识别、跟踪、预测、关联分析和态势估计等，能够与其他节点协同，生成情报产品并递交给用户。

V：情报用户节点，主要为根据情报进行决策/处置的用户对象，如指挥控制中心和武器平台等。

考虑到预警情报体系网络节点的异质性，节点之间的也存在不同类型的连边，下面用网络流的概念来描述节点的连接关系。

根据预警情报体系网络的节点类型数量，可知最多有16 种网络流，但是在现实情况中有的连接关系并不存在。通过对实际情报保障流程的分析，本文研究的网络流共有6 种情形，具体内容和含义如表1 所示。

表1 预警情报体系超网络的网络流及含义

1.3 情报效能环

根据预警情报体系网络中各边、节点关系，基于OODA（Observe Orient Decide Act）循环作战理论构建相应的作战环路如图2 所示。

图2 预警情报网络的网络流

预警情报体系的作战环路又称情报效能环，它是情报保障流程中围绕目标形成的闭合环路，具体定义为：

定义3 情报效能环是指在预警情报体系超网络中，根据情报保障流程，由特定功能的节点和边针对目标节点V组成的闭合环路。

在实际情况中，预警情报体系实体的连接关系不尽相同，因而预警情报网络中情报效能环也有不同的含义，表2 给出了几种情报效能环及其含义。

表2 预警情报体系超网络的不同情报效能环及含义

2 预警情报体系效能评估方法

装备体系效能是指在一定条件下，装备体系能够完成相应任务的各子系统能力的度量，亦是构成体系的所有子系统效能贡献值的总和，因此，可以从整个体系的角度来进行效能评估。关于网络的整体能力测度，常用的有自然连通度和PFR 值两种指标，可将其作为预警情报体系超网络的能力评估指标；另外围绕目标的闭环路从情报保障流程上度量了体系的能力，据此利用情报效能环对预警情报体系进行能力评估，这几种方法具体如下。

2.1 基于自然连通度的方法

李际超证明了自然连通度和有向自然联通度一样，能适用于有向网络，它通过网络邻接矩阵特征谱来刻画网络内部结构的冗余性。以自然连通度为指标计算体系能力的方法为

2.2 基于PFE 值的方法

高翔通过构建体系模型的对称邻接矩阵，计算矩阵的PFE 值（非负最大特征值）来对体系的整体效能进行评估。该特征值的大小衡量了整个体系网络的总效能，易知它满足单调性，即当网络存在节点或者边失效时，邻接矩阵的PFE 值也随之减小（非严格单调递减）。在本文讨论的超网络的邻接矩阵大多是实非对称的，可能会出现共轭的复特征根，但是由Perron-Frobrnius 定理可知非负矩阵一定存在为非负实数的最大特征值，故基于PFE 值可以定义由个节点组成的预警情报体系超网络模型的效能为

2.3 基于情报效能环的方法

情报效能环表明预警情报体系获得目标信息，然后把处理后的情报传递给了用户，并且用户对目标进行了处置。情报效能环越多，冗余性越好，路径越短，情报保障的实时性越好，因此，体系的能力可以用情报效能环的数量和长度来衡量，情报效能环越多，环路长度越短，效能越好，将其量化为

其中，C是关于第个目标节点的情报效能环集合，是某个情报效能环长度，N为目标节点的数目。

其中，N为情报用户节点的数目。

上述计算方法虽然减少了计算量，但在一定程度上损失了信息，下面利用前文给出的几种实际情况下情报效能环，给出一种改进的体系能力计算方法，该方法一方面能避免环的数目随网络规模呈指数级增大的问题，能减少式计算量，另一方面比式（4）包含了更多的信息，首先明确几个概念。

定义5 称通过相邻转移矩阵之间的运算得到的起点和终点类型相同的矩阵为到达矩阵。

根据转移矩阵和到达矩阵，可计算关于目标的情报效能环的数量，以典型情报效能环为例，节点V在该情报效能环下的到达矩阵为

这里情报效能环数量就是矩阵的迹

根据式（3）的定义规则，预警情报体系能力表示为

2.4 几种方法的比较

通过比较上述几种方法可以看出，自然连通度这一指标只是考虑了网络的闭合路径即环的度量，一定程度上忽略了预警情报体系在实际作战过程中能力体现；PFR 值也仅从网络邻接矩阵的数学特征上对体系能力进行描述，物理意义不明确；而情报效能环基于情报保障流程将特定的节点和网络流连接起来，利用它的数量和长度对体系的冗余性和实效性进行描述，能够更好地符合实战中的情况。为了进一步论证这几种方法的优劣，从而选择最合适的预警情报体系能力评估指标，下面利用仿真实验进行深入分析。