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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(lái)信息化戰爭環(huán)境為前提，以傳統的指揮與控制網(wǎng)絡(luò )為基礎，對未來(lái)一體化聯(lián)合作戰特點(diǎn)進(jìn)行了分析，構建跨層協(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 )模型的結構、抗毀能力進(jìn)行詳細探討。
【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò )中心戰 跨層協(xié)同 指揮與控制網(wǎng)絡(luò ) 抗毀能力
1 引言
傳統的作戰思想以作戰平臺為中心，編制呈樹(shù)狀結構，各個(gè)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效能的發(fā)揮。
美國國防部提出的網(wǎng)絡(luò )中心戰[1]是一種全新概念的戰爭模式，它是一種典型的網(wǎng)絡(luò )體系之間的對抗作戰。美軍利用強大的信息網(wǎng)絡(luò )將多種類(lèi)型的偵察定位系統、指揮機構、武器裝備等互聯(lián)互通，實(shí)現情報信息共享，作戰指揮與控制一體化[2-3]，獲取戰場(chǎng)信息主導權，快速掌握戰爭的主動(dòng)權，實(shí)現對敵方關(guān)鍵節點(diǎn)的確定性打擊，以最短的時(shí)間、最小的代價(jià)破擊敵方作戰體系。
網(wǎng)絡(luò )中心戰將系統中的各個(gè)作戰平臺網(wǎng)絡(luò )化，極大地增強了平臺間的橫向聯(lián)系，呈扁平化結構，以提高信息獲取和共享能力，增強了戰場(chǎng)態(tài)勢感知能力，加快決策和指揮速度，實(shí)現協(xié)同作戰，提高作戰效能。自上世紀90年代以來(lái)，這種信息化戰爭模式在多次戰爭的應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(jìn)的作戰模式，網(wǎng)絡(luò )中心戰必然成為未來(lái)戰爭的主要形式。
網(wǎng)絡(luò )中心戰平面模型如圖1所示：
通過(guò)基礎信息網(wǎng)絡(luò )將整個(gè)作戰空間的各種傳感器和武器裝備(包括陸基、�；�、空基、天基等)組成一個(gè)包括傳感器網(wǎng)絡(luò )、指揮與控制網(wǎng)絡(luò )、作戰武器裝備網(wǎng)絡(luò )的一體化強大網(wǎng)絡(luò )。傳感器網(wǎng)絡(luò )從各個(gè)傳感器收集信息，并快速生成戰場(chǎng)感知，指揮與控制網(wǎng)絡(luò )根據戰場(chǎng)感知網(wǎng)絡(luò )提供的態(tài)勢信息以及武器交戰網(wǎng)絡(luò )反饋的作戰效果，動(dòng)態(tài)地調整作戰命令，保證各交戰單元的同步進(jìn)行，并動(dòng)態(tài)分配任務(wù)，最終通過(guò)火力打擊網(wǎng)絡(luò )單元實(shí)現對目標的實(shí)時(shí)精確打擊。
作戰體系網(wǎng)絡(luò )是由超大規模的傳感、指揮、交戰實(shí)體或系統經(jīng)由射頻等各種無(wú)線(xiàn)或光/電纜等有線(xiàn)連接形成的復雜網(wǎng)絡(luò )系統[4]。從圖論拓撲[5]角度，在該系統中，傳感、作戰和指揮實(shí)體抽象為節點(diǎn)，這些實(shí)體間的信息/物質(zhì)/能量交互可以抽象為鏈接邊。
(1)傳感節點(diǎn)：獲取戰場(chǎng)信息，發(fā)現、鎖定和跟蹤目標，并將目標信息傳給其它節點(diǎn)。
(2)指揮與控制節點(diǎn)：是作戰體系網(wǎng)絡(luò )的核心。對戰場(chǎng)環(huán)境信息和作戰雙方軍事實(shí)力進(jìn)行綜合分析，形成指揮決策，再交由其它節點(diǎn)進(jìn)行執行。它接受上級任務(wù)，對下級進(jìn)行指揮決策，從全局層次上協(xié)調、監督、控制各個(gè)交戰單元，對系統的目標、資源等進(jìn)行合理安排和調度。
(3)交戰節點(diǎn)：由硬殺傷和軟殺傷武器組成。交戰單元只接受唯一指揮與控制節點(diǎn)指揮控制。交戰節點(diǎn)要與其它交戰節點(diǎn)進(jìn)行作戰協(xié)同，必須通過(guò)與其連接的指揮與控制節點(diǎn)間接實(shí)現協(xié)同。交戰網(wǎng)是指由部署在陸、海、空、天的各種武器系統以及干擾設備經(jīng)由有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議聯(lián)結而成的受指揮控制網(wǎng)絡(luò )支配的網(wǎng)絡(luò )。
在信息化戰爭條件下，作戰一方通過(guò)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(wú)線(xiàn)電頻譜能量、通信或音頻能量等，然后通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò )傳輸與分發(fā)，經(jīng)過(guò)數據融合、分析與處理后，傳遞到指揮所加以利用，從而形成作戰方案、計劃和命令，實(shí)施火力打擊。
作戰體系網(wǎng)絡(luò )內部節點(diǎn)之間的信息流主要特點(diǎn)如下：
(1)體系對抗之初，所有節點(diǎn)都是可控的。傳感節點(diǎn)和交戰節點(diǎn)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(shí)指揮控制多個(gè)傳感單元和交戰單元。指揮控制依托信息網(wǎng)絡(luò )系統直接地鏈接到重要/關(guān)鍵節點(diǎn)[6]。重要節點(diǎn)是連接度大的節點(diǎn)，如前方指揮所;關(guān)鍵節點(diǎn)是連接度不高的節點(diǎn)，但擔負重要的任務(wù)，如衛星站。
(3)傳感單元為多個(gè)指揮與控制單元提供傳感信息，實(shí)現目標信息共享。
(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(shí)間，提高傳感信息質(zhì)量。
(5)傳感單元對己方交戰單元的探測、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(shí)掌握其任務(wù)完成和毀傷等信息。
(6)交戰單元只能執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
主要的網(wǎng)絡(luò )特征參數如下：
(1)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數。其定義為網(wǎng)絡(luò )中所包含的全部節點(diǎn)數量，反映了作戰雙方的參戰規模。
(2)網(wǎng)絡(luò )邊數。其定義為網(wǎng)絡(luò )中所包含邊的總數，反映了作戰體系中各單元之間關(guān)系的復雜程度。但是，指揮與控制系統中的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信裝備數量、指揮與控制機構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 )的邊數也不宜過(guò)多。當網(wǎng)絡(luò )中邊的總數與節點(diǎn)總數的比值超過(guò)一定限度時(shí)，網(wǎng)絡(luò )有可能由于過(guò)多的向前或向后的反饋環(huán)路導致癱瘓。
(3)節點(diǎn)的度。其定義為該節點(diǎn)與其它節點(diǎn)鏈接的數量。在交戰網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)的度在一定程度上反映了它的重要程度，度值越大表明節點(diǎn)越重要，是己方保護的重點(diǎn)，更是敵方打擊的重點(diǎn)目標。
(4)節點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò )的聚類(lèi)系數。在傳統層級樹(shù)狀指揮與控制網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)之間不具有區域協(xié)同能力，只能通過(guò)間接方式進(jìn)行作戰組織協(xié)同，在遭到打擊時(shí)，不能有效地自主網(wǎng)絡(luò )重建。節點(diǎn)的聚類(lèi)系數定義為所有與該節點(diǎn)相鄰接的節點(diǎn)之間的實(shí)際連邊數目占它們之間可能的最大連邊數目的比例。網(wǎng)絡(luò )的聚類(lèi)系數即網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的聚類(lèi)系數的平均值。聚類(lèi)系數的含義在兩個(gè)方面得到充分體現：當網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)節點(diǎn)之間需要共同完成某一任務(wù)時(shí)，節點(diǎn)聚類(lèi)系數大小反映出相互協(xié)同能力的強弱;網(wǎng)絡(luò )聚類(lèi)系數反映了交戰單元之間的區域協(xié)同能力以及網(wǎng)絡(luò )在通信故障或遭到毀傷時(shí)的自重建能力。當一些交戰單元通信故障或損毀，聚類(lèi)系數較高的其它交戰單元則通過(guò)鄰近節點(diǎn)與重要節點(diǎn)鏈接，從而有效地完成網(wǎng)絡(luò )重建。
(5)平均路徑長(cháng)度。即網(wǎng)絡(luò )中任意兩個(gè)節點(diǎn)間距離的平均值。兩個(gè)節點(diǎn)間距離定義為兩個(gè)節點(diǎn)之間的最短路徑上的邊數;網(wǎng)絡(luò )的平均路徑長(cháng)度表征網(wǎng)絡(luò )傳遞信息的能力。一般地，路徑長(cháng)度與信息傳遞的延遲時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系，路徑長(cháng)度短，信息的實(shí)時(shí)性程度高，情報信息的共享程度高，組織協(xié)同時(shí)效性高，從而獲得更好的作戰效能。因此，交戰網(wǎng)絡(luò )的平均路徑長(cháng)度需要設計得盡量短小。
3 指揮與控制網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)
網(wǎng)絡(luò )中心戰的指揮與控制網(wǎng)絡(luò )取決于軍事體制編制、作戰規則、指揮機構、作戰平臺、作戰武器裝備性能等因素，它是一個(gè)特殊的復雜網(wǎng)絡(luò )系統。一體化聯(lián)合作戰是網(wǎng)絡(luò )中心戰思想的具體體現，它是兩個(gè)或兩個(gè)以上軍兵種的統一作戰行動(dòng)，在傳統的層級樹(shù)狀垂直的指揮體系的基礎上增加橫向聯(lián)系，具有作戰體系橫向鏈接的特征，以縱向聯(lián)通為前提，強調橫向聯(lián)通。在戰時(shí)將所需要的作戰力量，快速地拼接成為一個(gè)具有整體作戰能力的作戰系統[7]。目前各國軍隊都普遍地在橫向上擴大指揮跨度的數量，在縱向上壓縮指揮層次。如美軍指揮跨度由原來(lái)的5～6個(gè)增加到9個(gè)，空軍指揮層次由原來(lái)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(dòng)轉變，從單級封閉式集中決策向多級開(kāi)放式分布決策轉變，從計劃控制向動(dòng)態(tài)控制轉變。因此，未來(lái)的指揮與控制網(wǎng)絡(luò )具備以下主要特點(diǎn)：
(1)指揮機構在縱向上呈現層次關(guān)系。指揮機構由上至下具有層次區分，由上至下節點(diǎn)的等級由高到低。指揮層次數是指揮機構上下級所區分的層級，不同層次的指揮與控制節點(diǎn)所需的協(xié)同態(tài)勢信息并不相同。指揮與控制節點(diǎn)隨著(zhù)層次等級的提高，所需要的態(tài)勢信息更加全面。
(2)交戰單元在橫向上呈現協(xié)同關(guān)系。在同一作戰集團內部，同一級別交戰單元之間協(xié)同關(guān)系;在不同作戰集團之間，它們的同一級別交戰單元之間也有協(xié)同關(guān)系。
(3)跨級指揮。在同一作戰集團內部，上級指揮與控制單元可以對其內部的指揮單元進(jìn)行跨級指揮�？缂壷笓]主要對重要/關(guān)鍵的節點(diǎn)進(jìn)行越級指揮。指揮跨度是指揮機構在同級的每一層所指揮和管轄單位的數量。當網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)總數量固定時(shí)，指揮跨度越小，指揮層次越少，意味著(zhù)橫向指揮的單元越多，因此對指揮與控制節點(diǎn)提出了更高的要求，需要節點(diǎn)具有更強的信息處理能力，穩健的信息傳輸需要得到更強的抗干擾技術(shù)支持。此外，一旦某些節點(diǎn)遭受打擊，受其影響的節點(diǎn)將會(huì )更多，所以需要加強隱藏偽裝防護措施。
(4)指揮決策時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)受到嚴格限制。由于協(xié)同作戰過(guò)程為一個(gè)相互嵌套的“觀(guān)察→評估→決策→行動(dòng)→觀(guān)察”循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)都必須在規定的時(shí)間窗口內完成。戰場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，指揮決策機構在對所掌握的戰場(chǎng)情報信息進(jìn)行分析研究時(shí)，可能情報信息所反映的戰場(chǎng)情況已經(jīng)失去了部分真實(shí)性甚至完全失效，而新的戰場(chǎng)環(huán)境信息不斷產(chǎn)生和起效用。指揮決策機構根據敵我雙方作戰態(tài)勢適時(shí)調整作戰行動(dòng)，快速決策，縮短“目標發(fā)現→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
作戰指揮與控制網(wǎng)絡(luò )是作戰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主要采取精確打擊的方式，破壞敵方作戰體系網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現速勝的目標。
4.1 指揮與控制網(wǎng)絡(luò )可靠性度量指標
作戰指揮可靠性定義為在體系對抗中，當指揮控制機構受到敵方攻擊、摧毀、干擾、壓制時(shí)，能夠持續指揮并完成任務(wù)的可靠程度。對作戰指揮體系結構的指揮可靠性研究，其重點(diǎn)在于分析指揮體系結構節點(diǎn)損毀，以及節點(diǎn)之間信息傳輸通路遭破壞情況下指揮的穩定性，即在刪除網(wǎng)絡(luò )中部分節點(diǎn)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 )拓撲結構的角度分析，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(gè)方面因素的綜合結果：網(wǎng)絡(luò )中最大連通分量中節點(diǎn)的數目、網(wǎng)絡(luò )中連通分量的個(gè)數和平均路徑長(cháng)度。其中，連通分量定義為無(wú)向圖中的極大連通子圖。網(wǎng)絡(luò )中最大連通分量中的節點(diǎn)個(gè)數越多，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )在遭受打擊后的可連通性越好，整體作戰效能發(fā)揮越充分，初始狀態(tài)時(shí)最大連通分量就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，所有指揮與控制節點(diǎn)都是連通的;各連通分量的平均路徑越小，說(shuō)明信息流在該連通分量中的傳輸時(shí)效性越高，指揮與控制信息效能發(fā)揮越好;各連通分量的節點(diǎn)數越多，說(shuō)明在節點(diǎn)總數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點(diǎn)個(gè)數，m為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中連通分量的個(gè)數，nj為第j個(gè)連通分量中節點(diǎn)的個(gè)數，lj為第j個(gè)連通分量的平均路徑長(cháng)度，孤立節點(diǎn)的最短路徑長(cháng)度設定為無(wú)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(zhù)精確制導和遠程攻擊武器的發(fā)展與應用，為了達成預期作戰效果，只需要對某些重要或關(guān)鍵目標實(shí)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(gè)決定性因素。如果一方的偵察探測能力占據優(yōu)勢，那么作戰就成為確定性打擊;如果另一方隱藏偽裝的防護能力占據優(yōu)勢，那么作戰就成為隨機性攻擊。
隨機和確定性攻擊模式的仿真流程如圖2所示。
對作戰指揮與控制網(wǎng)絡(luò )結構的抗毀能力分析，即對網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可靠性的分析，本文不涉及節點(diǎn)和鏈接邊的自身可靠性，假設各節點(diǎn)的信息處理和鏈接邊的傳輸速度相同，各指揮節點(diǎn)之間的指揮可靠性通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的連通性和節點(diǎn)之間的路徑長(cháng)度來(lái)體現。
多級跨層協(xié)同需要較多的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)信息傳輸通路，但網(wǎng)絡(luò )的平均路徑長(cháng)度非常小，指揮與控制信息傳輸的實(shí)時(shí)性較好。當交戰網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)總數固定時(shí)，在指揮與控制節點(diǎn)信息處理能力和信息傳輸容量等因素許可的條件下，應盡可能增加網(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(shí)效性。相反，指揮跨度越小，指揮層級越多，作戰指揮信息交互時(shí)效性越差，很可能錯失最佳戰機。
跨層協(xié)同指揮與控制網(wǎng)絡(luò )抗毀性能仿真參數設置如表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。
由上述仿真結果分析，初步得出以下結論：
(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，同一作戰集團內部連接較緊密，不同作戰集團連接較少。
(2)確定性攻擊的效果強于隨機攻擊效果，這個(gè)結論意味著(zhù)攻擊前目標探測和偵察的準確性在信息化戰爭中起著(zhù)重要地位。一方面，準確、實(shí)時(shí)的情報信息是攻擊敵方重要/關(guān)鍵節點(diǎn)的關(guān)鍵，從而毀壞敵方作戰體系網(wǎng)絡(luò );另一方面，需要對己方的重要/關(guān)鍵節點(diǎn)采取隱藏偽裝防護措施，重點(diǎn)加強保護。
5 結束語(yǔ)
在未來(lái)的信息化戰爭中，需要提高偵察與反偵察手段，攻擊敵方重要/關(guān)鍵節點(diǎn)，同時(shí)保護己方重要/關(guān)鍵節點(diǎn)。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(shí)提高戰場(chǎng)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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