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體系對抗下的跨層協(xié)同指揮與控制網(wǎng)絡(luò)的性能分析
【摘 要】文章以未來信息化戰(zhàn)爭環(huán)境為前提，以傳統(tǒng)的指揮與控制網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對未來一體化聯(lián)合作戰(zhàn)特點進行了分析，構(gòu)建跨層協(xié)同指揮與控制網(wǎng)絡(luò)模型，并采取網(wǎng)絡(luò)建模和仿真的方法對網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)、抗毀能力進行詳細探討。
【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn) 跨層協(xié)同 指揮與控制網(wǎng)絡(luò) 抗毀能力
1 引言
傳統(tǒng)的作戰(zhàn)思想以作戰(zhàn)平臺為中心，編制呈樹狀結(jié)構(gòu)，各個平臺依靠自身的傳感器和武器，平臺之間缺乏信息共享和協(xié)同能力，從而限制了整體作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。
美國國防部提出的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)[1]是一種全新概念的戰(zhàn)爭模式，它是一種典型的網(wǎng)絡(luò)體系之間的對抗作戰(zhàn)。美軍利用強大的信息網(wǎng)絡(luò)將多種類型的偵察定位系統(tǒng)、指揮機構(gòu)、武器裝備等互聯(lián)互通，實現(xiàn)情報信息共享，作戰(zhàn)指揮與控制一體化[2-3]，獲取戰(zhàn)場信息主導(dǎo)權(quán)，快速掌握戰(zhàn)爭的主動權(quán)，實現(xiàn)對敵方關(guān)鍵節(jié)點的確定性打擊，以最短的時間、最小的代價破擊敵方作戰(zhàn)體系。
網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)將系統(tǒng)中的各個作戰(zhàn)平臺網(wǎng)絡(luò)化，極大地增強了平臺間的橫向聯(lián)系，呈扁平化結(jié)構(gòu)，以提高信息獲取和共享能力，增強了戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，加快決策和指揮速度，實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)，提高作戰(zhàn)效能。自上世紀90年代以來，這種信息化戰(zhàn)爭模式在多次戰(zhàn)爭的應(yīng)用效果已充分地展示其強大的打擊能力，目前已被世界各國公認為最先進的作戰(zhàn)模式，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)必然成為未來戰(zhàn)爭的主要形式。
網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)平面模型如圖1所示：
通過基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)將整個作戰(zhàn)空間的各種傳感器和武器裝備(包括陸基、�；⒖栈�、天基等)組成一個包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、指揮與控制網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)武器裝備網(wǎng)絡(luò)的一體化強大網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)從各個傳感器收集信息，并快速生成戰(zhàn)場感知，指揮與控制網(wǎng)絡(luò)根據(jù)戰(zhàn)場感知網(wǎng)絡(luò)提供的態(tài)勢信息以及武器交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)反饋的作戰(zhàn)效果，動態(tài)地調(diào)整作戰(zhàn)命令，保證各交戰(zhàn)單元的同步進行，并動態(tài)分配任務(wù)，最終通過火力打擊網(wǎng)絡(luò)單元實現(xiàn)對目標的實時精確打擊。
作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)是由超大規(guī)模的傳感、指揮、交戰(zhàn)實體或系統(tǒng)經(jīng)由射頻等各種無線或光/電纜等有線連接形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[4]。從圖論拓撲[5]角度，在該系統(tǒng)中，傳感、作戰(zhàn)和指揮實體抽象為節(jié)點，這些實體間的信息/物質(zhì)/能量交互可以抽象為鏈接邊。
(1)傳感節(jié)點：獲取戰(zhàn)場信息，發(fā)現(xiàn)、鎖定和跟蹤目標，并將目標信息傳給其它節(jié)點。
(2)指揮與控制節(jié)點：是作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)的核心。對戰(zhàn)場環(huán)境信息和作戰(zhàn)雙方軍事實力進行綜合分析，形成指揮決策，再交由其它節(jié)點進行執(zhí)行。它接受上級任務(wù)，對下級進行指揮決策，從全局層次上協(xié)調(diào)、監(jiān)督、控制各個交戰(zhàn)單元，對系統(tǒng)的目標、資源等進行合理安排和調(diào)度。
(3)交戰(zhàn)節(jié)點：由硬殺傷和軟殺傷武器組成。交戰(zhàn)單元只接受唯一指揮與控制節(jié)點指揮控制。交戰(zhàn)節(jié)點要與其它交戰(zhàn)節(jié)點進行作戰(zhàn)協(xié)同，必須通過與其連接的指揮與控制節(jié)點間接實現(xiàn)協(xié)同。交戰(zhàn)網(wǎng)是指由部署在陸、海、空、天的各種武器系統(tǒng)以及干擾設(shè)備經(jīng)由有線或無線通信協(xié)議聯(lián)結(jié)而成的受指揮控制網(wǎng)絡(luò)支配的網(wǎng)絡(luò)。
在信息化戰(zhàn)爭條件下，作戰(zhàn)一方通過傳感器網(wǎng)絡(luò)偵察探測敵方目標信息，這些感知信息包括反射光、紅外信號、無線電頻譜能量、通信或音頻能量等，然后通過信息網(wǎng)絡(luò)傳輸與分發(fā)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合、分析與處理后，傳遞到指揮所加以利用，從而形成作戰(zhàn)方案、計劃和命令，實施火力打擊。
作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點之間的信息流主要特點如下：
(1)體系對抗之初，所有節(jié)點都是可控的。傳感節(jié)點和交戰(zhàn)節(jié)點必須在指揮與控制單元的控制下，各指揮與控制單元都有上下級關(guān)系。
(2)指揮與控制單元同時指揮控制多個傳感單元和交戰(zhàn)單元。指揮控制依托信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)直接地鏈接到重要/關(guān)鍵節(jié)點[6]。重要節(jié)點是連接度大的節(jié)點，如前方指揮所;關(guān)鍵節(jié)點是連接度不高的節(jié)點，但擔(dān)負重要的任務(wù)，如衛(wèi)星站。
(3)傳感單元為多個指揮與控制單元提供傳感信息，實現(xiàn)目標信息共享。
(4)傳感單元之間共享目標傳感信息，減少自身獲取信息的時間，提高傳感信息質(zhì)量。
(5)傳感單元對己方交戰(zhàn)單元的探測、跟蹤和定位等信息感知，并將感知信息發(fā)送到指揮與控制單元，便于指揮與控制單元及時掌握其任務(wù)完成和毀傷等信息。
(6)交戰(zhàn)單元只能執(zhí)行唯一確定的指揮與控制單元發(fā)出的指令，避免命令沖突。
2 指揮與控制網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)
主要的網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)如下：
(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)。其定義為網(wǎng)絡(luò)中所包含的全部節(jié)點數(shù)量，反映了作戰(zhàn)雙方的參戰(zhàn)規(guī)模。
(2)網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)。其定義為網(wǎng)絡(luò)中所包含邊的總數(shù)，反映了作戰(zhàn)體系中各單元之間關(guān)系的復(fù)雜程度。但是，指揮與控制系統(tǒng)中的有線或無線通信裝備數(shù)量、指揮與控制機構(gòu)和裝備的信息處理能力以及信道傳輸能力都受到限制，因此網(wǎng)絡(luò)的邊數(shù)也不宜過多。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中邊的總數(shù)與節(jié)點總數(shù)的比值超過一定限度時，網(wǎng)絡(luò)有可能由于過多的向前或向后的反饋環(huán)路導(dǎo)致癱瘓。
(3)節(jié)點的度。其定義為該節(jié)點與其它節(jié)點鏈接的數(shù)量。在交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的度在一定程度上反映了它的重要程度，度值越大表明節(jié)點越重要，是己方保護的重點，更是敵方打擊的重點目標。
(4)節(jié)點/網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)。在傳統(tǒng)層級樹狀指揮與控制網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點之間不具有區(qū)域協(xié)同能力，只能通過間接方式進行作戰(zhàn)組織協(xié)同，在遭到打擊時，不能有效地自主網(wǎng)絡(luò)重建。節(jié)點的聚類系數(shù)定義為所有與該節(jié)點相鄰接的節(jié)點之間的實際連邊數(shù)目占它們之間可能的最大連邊數(shù)目的比例。網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)即網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的聚類系數(shù)的平均值。聚類系數(shù)的含義在兩個方面得到充分體現(xiàn)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間需要共同完成某一任務(wù)時，節(jié)點聚類系數(shù)大小反映出相互協(xié)同能力的強弱;網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)反映了交戰(zhàn)單元之間的區(qū)域協(xié)同能力以及網(wǎng)絡(luò)在通信故障或遭到毀傷時的自重建能力。當(dāng)一些交戰(zhàn)單元通信故障或損毀，聚類系數(shù)較高的其它交戰(zhàn)單元則通過鄰近節(jié)點與重要節(jié)點鏈接，從而有效地完成網(wǎng)絡(luò)重建。
(5)平均路徑長度。即網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點間距離的平均值。兩個節(jié)點間距離定義為兩個節(jié)點之間的最短路徑上的邊數(shù);網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度表征網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的能力。一般地，路徑長度與信息傳遞的延遲時間呈線性關(guān)系，路徑長度短，信息的實時性程度高，情報信息的共享程度高，組織協(xié)同時效性高，從而獲得更好的作戰(zhàn)效能。因此，交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度需要設(shè)計得盡量短小。
3 指揮與控制網(wǎng)絡(luò)的特點
網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的指揮與控制網(wǎng)絡(luò)取決于軍事體制編制、作戰(zhàn)規(guī)則、指揮機構(gòu)、作戰(zhàn)平臺、作戰(zhàn)武器裝備性能等因素，它是一個特殊的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一體化聯(lián)合作戰(zhàn)是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)思想的具體體現(xiàn)，它是兩個或兩個以上軍兵種的統(tǒng)一作戰(zhàn)行動，在傳統(tǒng)的層級樹狀垂直的指揮體系的基礎(chǔ)上增加橫向聯(lián)系，具有作戰(zhàn)體系橫向鏈接的特征，以縱向聯(lián)通為前提，強調(diào)橫向聯(lián)通。在戰(zhàn)時將所需要的作戰(zhàn)力量，快速地拼接成為一個具有整體作戰(zhàn)能力的作戰(zhàn)系統(tǒng)[7]。目前各國軍隊都普遍地在橫向上擴大指揮跨度的數(shù)量，在縱向上壓縮指揮層次。如美軍指揮跨度由原來的5～6個增加到9個，空軍指揮層次由原來的5級減少到4級。在指揮方式上，從集中/委托式指揮向多級跨越、上下互動轉(zhuǎn)變，從單級封閉式集中決策向多級開放式分布決策轉(zhuǎn)變，從計劃控制向動態(tài)控制轉(zhuǎn)變。因此，未來的指揮與控制網(wǎng)絡(luò)具備以下主要特點：
(1)指揮機構(gòu)在縱向上呈現(xiàn)層次關(guān)系。指揮機構(gòu)由上至下具有層次區(qū)分，由上至下節(jié)點的等級由高到低。指揮層次數(shù)是指揮機構(gòu)上下級所區(qū)分的層級，不同層次的指揮與控制節(jié)點所需的協(xié)同態(tài)勢信息并不相同。指揮與控制節(jié)點隨著層次等級的提高，所需要的態(tài)勢信息更加全面。
(2)交戰(zhàn)單元在橫向上呈現(xiàn)協(xié)同關(guān)系。在同一作戰(zhàn)集團內(nèi)部，同一級別交戰(zhàn)單元之間協(xié)同關(guān)系;在不同作戰(zhàn)集團之間，它們的同一級別交戰(zhàn)單元之間也有協(xié)同關(guān)系。
(3)跨級指揮。在同一作戰(zhàn)集團內(nèi)部，上級指揮與控制單元可以對其內(nèi)部的指揮單元進行跨級指揮�？缂壷笓]主要對重要/關(guān)鍵的節(jié)點進行越級指揮。指揮跨度是指揮機構(gòu)在同級的每一層所指揮和管轄單位的數(shù)量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)量固定時，指揮跨度越小，指揮層次越少，意味著橫向指揮的單元越多，因此對指揮與控制節(jié)點提出了更高的要求，需要節(jié)點具有更強的信息處理能力，穩(wěn)健的信息傳輸需要得到更強的抗干擾技術(shù)支持。此外，一旦某些節(jié)點遭受打擊，受其影響的節(jié)點將會更多，所以需要加強隱藏偽裝防護措施。
(4)指揮決策時間開銷受到嚴格限制。由于協(xié)同作戰(zhàn)過程為一個相互嵌套的“觀察→評估→決策→行動→觀察”循環(huán)，每一個循環(huán)都必須在規(guī)定的時間窗口內(nèi)完成。戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，指揮決策機構(gòu)在對所掌握的戰(zhàn)場情報信息進行分析研究時，可能情報信息所反映的戰(zhàn)場情況已經(jīng)失去了部分真實性甚至完全失效，而新的戰(zhàn)場環(huán)境信息不斷產(chǎn)生和起效用。指揮決策機構(gòu)根據(jù)敵我雙方作戰(zhàn)態(tài)勢適時調(diào)整作戰(zhàn)行動，快速決策，縮短“目標發(fā)現(xiàn)→指揮決策→打擊目標”的周期。
4 指揮與控制網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力
作戰(zhàn)指揮與控制網(wǎng)絡(luò)是作戰(zhàn)體系對抗的重要部位，也是體系破壞的主要打擊對象。信息化條件下的體系攻擊作戰(zhàn)主要采取精確打擊的方式，破壞敵方作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)速勝的目標。
4.1 指揮與控制網(wǎng)絡(luò)可靠性度量指標
作戰(zhàn)指揮可靠性定義為在體系對抗中，當(dāng)指揮控制機構(gòu)受到敵方攻擊、摧毀、干擾、壓制時，能夠持續(xù)指揮并完成任務(wù)的可靠程度。對作戰(zhàn)指揮體系結(jié)構(gòu)的指揮可靠性研究，其重點在于分析指揮體系結(jié)構(gòu)節(jié)點損毀，以及節(jié)點之間信息傳輸通路遭破壞情況下指揮的穩(wěn)定性，即在刪除網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點或鏈接邊的情況下，網(wǎng)絡(luò)整體的連通性能，也就是網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力分析。
從指揮與控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的角度分析，指揮與控制網(wǎng)絡(luò)在遭受攻擊后的網(wǎng)絡(luò)可靠性取決于三個方面因素的綜合結(jié)果：網(wǎng)絡(luò)中最大連通分量中節(jié)點的數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)中連通分量的個數(shù)和平均路徑長度。其中，連通分量定義為無向圖中的極大連通子圖。網(wǎng)絡(luò)中最大連通分量中的節(jié)點個數(shù)越多，說明網(wǎng)絡(luò)在遭受打擊后的可連通性越好，整體作戰(zhàn)效能發(fā)揮越充分，初始狀態(tài)時最大連通分量就是整個網(wǎng)絡(luò)，所有指揮與控制節(jié)點都是連通的;各連通分量的平均路徑越小，說明信息流在該連通分量中的傳輸時效性越高，指揮與控制信息效能發(fā)揮越好;各連通分量的節(jié)點數(shù)越多，說明在節(jié)點總數(shù)一定的情況下連通分量越少，網(wǎng)絡(luò)的破碎程度越小，網(wǎng)絡(luò)可靠性越高。
指揮與控制網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標定義為：
(1)
其中，nmax為網(wǎng)絡(luò)中最大連通分量的節(jié)點個數(shù)，m為整個網(wǎng)絡(luò)中連通分量的個數(shù)，nj為第j個連通分量中節(jié)點的個數(shù)，lj為第j個連通分量的平均路徑長度，孤立節(jié)點的最短路徑長度設(shè)定為無窮大。
4.2 跨層協(xié)同指揮與控制網(wǎng)絡(luò)抗毀能力分析
隨著精確制導(dǎo)和遠程攻擊武器的發(fā)展與應(yīng)用，為了達成預(yù)期作戰(zhàn)效果，只需要對某些重要或關(guān)鍵目標實施精確打擊。一方的偵察探測能力和另一方隱藏偽裝的防護能力，是影響精確打擊效果的兩個決定性因素。如果一方的偵察探測能力占據(jù)優(yōu)勢，那么作戰(zhàn)就成為確定性打擊;如果另一方隱藏偽裝的防護能力占據(jù)優(yōu)勢，那么作戰(zhàn)就成為隨機性攻擊。
隨機和確定性攻擊模式的仿真流程如圖2所示。
對作戰(zhàn)指揮與控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗毀能力分析，即對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可靠性的分析，本文不涉及節(jié)點和鏈接邊的自身可靠性，假設(shè)各節(jié)點的信息處理和鏈接邊的傳輸速度相同，各指揮節(jié)點之間的指揮可靠性通過網(wǎng)絡(luò)的連通性和節(jié)點之間的路徑長度來體現(xiàn)。
多級跨層協(xié)同需要較多的有線或無線信息傳輸通路，但網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度非常小，指揮與控制信息傳輸?shù)膶崟r性較好。當(dāng)交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)固定時，在指揮與控制節(jié)點信息處理能力和信息傳輸容量等因素許可的條件下，應(yīng)盡可能增加網(wǎng)絡(luò)的指揮跨度，減少網(wǎng)絡(luò)指揮層次，從而提高指揮與控制網(wǎng)絡(luò)的指揮時效性。相反，指揮跨度越小，指揮層級越多，作戰(zhàn)指揮信息交互時效性越差，很可能錯失最佳戰(zhàn)機。
跨層協(xié)同指揮與控制網(wǎng)絡(luò)抗毀性能仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。
隨機/確定性攻擊模式下的5級跨層協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可靠性如圖3所示。
隨機/確定性攻擊模式下的8級跨層協(xié)同網(wǎng)絡(luò)可靠性如圖4所示。
由上述仿真結(jié)果分析，初步得出以下結(jié)論：
(1)對于多級跨層協(xié)同指揮與控制網(wǎng)絡(luò)，高效能網(wǎng)絡(luò)的跨度大、層次少，同一作戰(zhàn)集團內(nèi)部連接較緊密，不同作戰(zhàn)集團連接較少。
(2)確定性攻擊的效果強于隨機攻擊效果，這個結(jié)論意味著攻擊前目標探測和偵察的準確性在信息化戰(zhàn)爭中起著重要地位。一方面，準確、實時的情報信息是攻擊敵方重要/關(guān)鍵節(jié)點的關(guān)鍵，從而毀壞敵方作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò);另一方面，需要對己方的重要/關(guān)鍵節(jié)點采取隱藏偽裝防護措施，重點加強保護。
5 結(jié)束語
在未來的信息化戰(zhàn)爭中，需要提高偵察與反偵察手段，攻擊敵方重要/關(guān)鍵節(jié)點，同時保護己方重要/關(guān)鍵節(jié)點。從武器裝備研發(fā)角度，需要提高武器裝備的攻擊性能，同時提高戰(zhàn)場環(huán)境下武器裝備的偵察與反偵察能力，加強目標信息探測和信息處理等新技術(shù)、新方法的研究。
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