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体系对抗下的跨层协同指挥与控制网络的性能分析
【摘 要】文章以未来信息化战争环境为前提，以传统的指挥与控制网络为基础，对未来一体化联合作战特点进行了分析，构建跨层协同指挥与控制网络模型，并采取网络建模和仿真的方法对网络模型的结构、抗毁能力进行详细探讨。
【关键词】网络中心战 跨层协同 指挥与控制网络 抗毁能力
1 引言
传统的作战思想以作战平台为中心，编制呈树状结构，各个平台依靠自身的传感器和武器，平台之间缺乏信息共享和协同能力，从而限制了整体作战效能的发挥。
美国国防部提出的网络中心战[1]是一种全新概念的战争模式，它是一种典型的网络体系之间的对抗作战。美军利用强大的信息网络将多种类型的侦察定位系统、指挥机构、武器装备等互联互通，实现情报信息共享，作战指挥与控制一体化[2-3]，获取战场信息主导权，快速掌握战争的主动权，实现对敌方关键节点的确定性打击，以最短的时间、最小的代价破击敌方作战体系。
网络中心战将系统中的各个作战平台网络化，极大地增强了平台间的横向联系，呈扁平化结构，以提高信息获取和共享能力，增强了战场态势感知能力，加快决策和指挥速度，实现协同作战，提高作战效能。自上世纪90年代以来，这种信息化战争模式在多次战争的应用效果已充分地展示其强大的打击能力，目前已被世界各国公认为最先进的作战模式，网络中心战必然成为未来战争的主要形式。
网络中心战平面模型如图1所示：
通过基础信息网络将整个作战空间的各种传感器和武器装备(包括陆基、海基、空基、天基等)组成一个包括传感器网络、指挥与控制网络、作战武器装备网络的一体化强大网络。传感器网络从各个传感器收集信息，并快速生成战场感知，指挥与控制网络根据战场感知网络提供的态势信息以及武器交战网络反馈的作战效果，动态地调整作战命令，保证各交战单元的同步进行，并动态分配任务，最终通过火力打击网络单元实现对目标的实时精确打击。
作战体系网络是由超大规模的传感、指挥、交战实体或系统经由射频等各种无线或光/电缆等有线连接形成的复杂网络系统[4]。从图论拓扑[5]角度，在该系统中，传感、作战和指挥实体抽象为节点，这些实体间的信息/物质/能量交互可以抽象为链接边。
(1)传感节点：获取战场信息，发现、锁定和跟踪目标，并将目标信息传给其它节点。
(2)指挥与控制节点：是作战体系网络的核心。对战场环境信息和作战双方军事实力进行综合分析，形成指挥决策，再交由其它节点进行执行。它接受上级任务，对下级进行指挥决策，从全局层次上协调、监督、控制各个交战单元，对系统的目标、资源等进行合理安排和调度。
(3)交战节点：由硬杀伤和软杀伤武器组成。交战单元只接受唯一指挥与控制节点指挥控制。交战节点要与其它交战节点进行作战协同，必须通过与其连接的指挥与控制节点间接实现协同。交战网是指由部署在陆、海、空、天的各种武器系统以及干扰设备经由有线或无线通信协议联结而成的受指挥控制网络支配的网络。
在信息化战争条件下，作战一方通过传感器网络侦察探测敌方目标信息，这些感知信息包括反射光、红外信号、无线电频谱能量、通信或音频能量等，然后通过信息网络传输与分发，经过数据融合、分析与处理后，传递到指挥所加以利用，从而形成作战方案、计划和命令，实施火力打击。
作战体系网络内部节点之间的信息流主要特点如下：
(1)体系对抗之初，所有节点都是可控的。传感节点和交战节点必须在指挥与控制单元的控制下，各指挥与控制单元都有上下级关系。
(2)指挥与控制单元同时指挥控制多个传感单元和交战单元。指挥控制依托信息网络系统直接地链接到重要/关键节点[6]。重要节点是连接度大的节点，如前方指挥所;关键节点是连接度不高的节点，但担负重要的任务，如卫星站。
(3)传感单元为多个指挥与控制单元提供传感信息，实现目标信息共享。
(4)传感单元之间共享目标传感信息，减少自身获取信息的时间，提高传感信息质量。
(5)传感单元对己方交战单元的探测、跟踪和定位等信息感知，并将感知信息发送到指挥与控制单元，便于指挥与控制单元及时掌握其任务完成和毁伤等信息。
(6)交战单元只能执行唯一确定的指挥与控制单元发出的指令，避免命令冲突。
2 指挥与控制网络的特征参数
主要的网络特征参数如下：
(1)网络节点数。其定义为网络中所包含的全部节点数量，反映了作战双方的参战规模。
(2)网络边数。其定义为网络中所包含边的总数，反映了作战体系中各单元之间关系的复杂程度。但是，指挥与控制系统中的有线或无线通信装备数量、指挥与控制机构和装备的信息处理能力以及信道传输能力都受到限制，因此网络的边数也不宜过多。当网络中边的总数与节点总数的比值超过一定限度时，网络有可能由于过多的向前或向后的反馈环路导致瘫痪。
(3)节点的度。其定义为该节点与其它节点链接的数量。在交战网络中，节点的度在一定程度上反映了它的重要程度，度值越大表明节点越重要，是己方保护的重点，更是敌方打击的重点目标。
(4)节点/网络的聚类系数。在传统层级树状指挥与控制网络中，节点之间不具有区域协同能力，只能通过间接方式进行作战组织协同，在遭到打击时，不能有效地自主网络重建。节点的聚类系数定义为所有与该节点相邻接的节点之间的实际连边数目占它们之间可能的最大连边数目的比例。网络的聚类系数即网络中所有节点的聚类系数的平均值。聚类系数的含义在两个方面得到充分体现：当网络中各个节点之间需要共同完成某一任务时，节点聚类系数大小反映出相互协同能力的强弱;网络聚类系数反映了交战单元之间的区域协同能力以及网络在通信故障或遭到毁伤时的自重建能力。当一些交战单元通信故障或损毁，聚类系数较高的其它交战单元则通过邻近节点与重要节点链接，从而有效地完成网络重建。
(5)平均路径长度。即网络中任意两个节点间距离的平均值。两个节点间距离定义为两个节点之间的最短路径上的边数;网络的平均路径长度表征网络传递信息的能力。一般地，路径长度与信息传递的延迟时间呈线性关系，路径长度短，信息的实时性程度高，情报信息的共享程度高，组织协同时效性高，从而获得更好的作战效能。因此，交战网络的平均路径长度需要设计得尽量短小。
3 指挥与控制网络的特点
网络中心战的指挥与控制网络取决于军事体制编制、作战规则、指挥机构、作战平台、作战武器装备性能等因素，它是一个特殊的复杂网络系统。一体化联合作战是网络中心战思想的具体体现，它是两个或两个以上军兵种的统一作战行动，在传统的层级树状垂直的指挥体系的基础上增加横向联系，具有作战体系横向链接的特征，以纵向联通为前提，强调横向联通。在战时将所需要的作战力量，快速地拼接成为一个具有整体作战能力的作战系统[7]。目前各国军队都普遍地在横向上扩大指挥跨度的数量，在纵向上压缩指挥层次。如美军指挥跨度由原来的5～6个增加到9个，空军指挥层次由原来的5级减少到4级。在指挥方式上，从集中/委托式指挥向多级跨越、上下互动转变，从单级封闭式集中决策向多级开放式分布决策转变，从计划控制向动态控制转变。因此，未来的指挥与控制网络具备以下主要特点：
(1)指挥机构在纵向上呈现层次关系。指挥机构由上至下具有层次区分，由上至下节点的等级由高到低。指挥层次数是指挥机构上下级所区分的层级，不同层次的指挥与控制节点所需的协同态势信息并不相同。指挥与控制节点随着层次等级的提高，所需要的态势信息更加全面。
(2)交战单元在横向上呈现协同关系。在同一作战集团内部，同一级别交战单元之间协同关系;在不同作战集团之间，它们的同一级别交战单元之间也有协同关系。
(3)跨级指挥。在同一作战集团内部，上级指挥与控制单元可以对其内部的指挥单元进行跨级指挥。跨级指挥主要对重要/关键的节点进行越级指挥。指挥跨度是指挥机构在同级的每一层所指挥和管辖单位的数量。当网络节点总数量固定时，指挥跨度越小，指挥层次越少，意味着横向指挥的单元越多，因此对指挥与控制节点提出了更高的要求，需要节点具有更强的信息处理能力，稳健的信息传输需要得到更强的抗干扰技术支持。此外，一旦某些节点遭受打击，受其影响的节点将会更多，所以需要加强隐藏伪装防护措施。
(4)指挥决策时间开销受到严格限制。由于协同作战过程为一个相互嵌套的“观察→评估→决策→行动→观察”循环，每一个循环都必须在规定的时间窗口内完成。战场环境瞬息万变，指挥决策机构在对所掌握的战场情报信息进行分析研究时，可能情报信息所反映的战场情况已经失去了部分真实性甚至完全失效，而新的战场环境信息不断产生和起效用。指挥决策机构根据敌我双方作战态势适时调整作战行动，快速决策，缩短“目标发现→指挥决策→打击目标”的周期。
4 指挥与控制网络的抗毁能力
作战指挥与控制网络是作战体系对抗的重要部位，也是体系破坏的主要打击对象。信息化条件下的体系攻击作战主要采取精确打击的方式，破坏敌方作战体系网络，实现速胜的目标。
4.1 指挥与控制网络可靠性度量指标
作战指挥可靠性定义为在体系对抗中，当指挥控制机构受到敌方攻击、摧毁、干扰、压制时，能够持续指挥并完成任务的可靠程度。对作战指挥体系结构的指挥可靠性研究，其重点在于分析指挥体系结构节点损毁，以及节点之间信息传输通路遭破坏情况下指挥的稳定性，即在删除网络中部分节点或链接边的情况下，网络整体的连通性能，也就是网络的抗毁能力分析。
从指挥与控制网络拓扑结构的角度分析，指挥与控制网络在遭受攻击后的网络可靠性取决于三个方面因素的综合结果：网络中最大连通分量中节点的数目、网络中连通分量的个数和平均路径长度。其中，连通分量定义为无向图中的极大连通子图。网络中最大连通分量中的节点个数越多，说明网络在遭受打击后的可连通性越好，整体作战效能发挥越充分，初始状态时最大连通分量就是整个网络，所有指挥与控制节点都是连通的;各连通分量的平均路径越小，说明信息流在该连通分量中的传输时效性越高，指挥与控制信息效能发挥越好;各连通分量的节点数越多，说明在节点总数一定的情况下连通分量越少，网络的破碎程度越小，网络可靠性越高。
指挥与控制网络可靠性评估指标定义为：
(1)
其中，nmax为网络中最大连通分量的节点个数，m为整个网络中连通分量的个数，nj为第j个连通分量中节点的个数，lj为第j个连通分量的平均路径长度，孤立节点的最短路径长度设定为无穷大。
4.2 跨层协同指挥与控制网络抗毁能力分析
随着精确制导和远程攻击武器的发展与应用，为了达成预期作战效果，只需要对某些重要或关键目标实施精确打击。一方的侦察探测能力和另一方隐藏伪装的防护能力，是影响精确打击效果的两个决定性因素。如果一方的侦察探测能力占据优势，那么作战就成为确定性打击;如果另一方隐藏伪装的防护能力占据优势，那么作战就成为随机性攻击。
随机和确定性攻击模式的仿真流程如图2所示。
对作战指挥与控制网络结构的抗毁能力分析，即对网络拓扑结构可靠性的分析，本文不涉及节点和链接边的自身可靠性，假设各节点的信息处理和链接边的传输速度相同，各指挥节点之间的指挥可靠性通过网络的连通性和节点之间的路径长度来体现。
多级跨层协同需要较多的有线或无线信息传输通路，但网络的平均路径长度非常小，指挥与控制信息传输的实时性较好。当交战网络节点总数固定时，在指挥与控制节点信息处理能力和信息传输容量等因素许可的条件下，应尽可能增加网络的指挥跨度，减少网络指挥层次，从而提高指挥与控制网络的指挥时效性。相反，指挥跨度越小，指挥层级越多，作战指挥信息交互时效性越差，很可能错失最佳战机。
跨层协同指挥与控制网络抗毁性能仿真参数设置如表1所示。
随机/确定性攻击模式下的5级跨层协同网络可靠性如图3所示。
随机/确定性攻击模式下的8级跨层协同网络可靠性如图4所示。
由上述仿真结果分析，初步得出以下结论：
(1)对于多级跨层协同指挥与控制网络，高效能网络的跨度大、层次少，同一作战集团内部连接较紧密，不同作战集团连接较少。
(2)确定性攻击的效果强于随机攻击效果，这个结论意味着攻击前目标探测和侦察的准确性在信息化战争中起着重要地位。一方面，准确、实时的情报信息是攻击敌方重要/关键节点的关键，从而毁坏敌方作战体系网络;另一方面，需要对己方的重要/关键节点采取隐藏伪装防护措施，重点加强保护。
5 结束语
在未来的信息化战争中，需要提高侦察与反侦察手段，攻击敌方重要/关键节点，同时保护己方重要/关键节点。从武器装备研发角度，需要提高武器装备的攻击性能，同时提高战场环境下武器装备的侦察与反侦察能力，加强目标信息探测和信息处理等新技术、新方法的研究。
参考文献：
[1] D S Alberts， J Moffat. 网络中心战与复杂性理论[M]. 北京： 电子工业出版社， 2004.
[2] J R Cares. 分布式网络化作战[M]. 于全，译. 北京： 北京邮电大学出版社， 2006.
[3] 郭武君. 联合作战指挥体制研究[M].北京： 国防大学出版社， 2003.
[4] 汪小帆，李翔，陈关荣. 复杂网络理论及其应用[M]. 北京： 清华大学出版社， 2006.
[5] 谢政，李建平. 网络算法与复杂性理论[M]. 长沙： 国防科技大学出版社， 1995.
[6] 谭跃进，吴俊，邓宏钟. 复杂网络中节点重要度评估的节点收缩方法[J]. 系统工程理论与实践， 2006(11)： 79-83.
[7] 朱涛，常国岑，张水平，等. 基于复杂网络的指挥控制信息协同模型研究[J]. 系统仿真学报， 2008，20(22)： 6058-6060.
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