藍羽石，王 珩，易 侃，毛少杰雷 鳴，鄧克波，張金鋒

（1．中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇南京210007；2．信息系統(tǒng)工程重點實驗室，江蘇南京210007）

網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”及其效能表征研究

藍羽石1，2，王 珩1，2，易 侃1，2，毛少杰1，2雷 鳴1，2，鄧克波1，2，張金鋒1，2

（1．中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇南京210007；2．信息系統(tǒng)工程重點實驗室，江蘇南京210007）

針對網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定量設計與分析問題，以網(wǎng)絡中心戰(zhàn)結(jié)構(gòu)模型和觀察、調(diào)整、決策以及行動（observe，orient，decide，act，OODA）過程模型為理論依據(jù)，建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”概念，采用網(wǎng)絡化效能因子（coefficient of networked effectiveness，CNE）衡量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化效能，形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”效能表征模型，并給出了指導網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的若干推論，仿真實驗驗證了表征模型的有效性。

網(wǎng)絡中心化；C4ISR系統(tǒng)；網(wǎng)絡化效能；五環(huán)；表征方法；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

0 引 言

隨著軍事變革深入和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，C4ISR系統(tǒng)經(jīng)過50多年的發(fā)展建設，已全面進入“以網(wǎng)絡為中心”的一體化建設階段［12］。相比于以往幾代系統(tǒng)，網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)［3］組成要素種類擴大、數(shù)量劇增，系統(tǒng)越來越復雜，更加要求系統(tǒng)具備一種適應性強、靈活性高、抗毀性好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至要具備一些“自適應”的結(jié)構(gòu)特性，從而適應系統(tǒng)任務和戰(zhàn)場環(huán)境不斷變化的需要［45］。結(jié)構(gòu)決定功能，不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化效能各不相同，如何表征網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化效能，描述和建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特性，從而為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定量設計與分析提供科學依據(jù)，已成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中的一個嶄新而又復雜的問題［4，6］。

本文在網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡模型基礎上，結(jié)合網(wǎng)絡中心戰(zhàn)結(jié)構(gòu)模型和觀察、調(diào)整、決策以及行動（observe，orient，decide，act，OODA）過程模型，建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”概念，采用網(wǎng)絡化效能因子（coefficient of networked effectiveness，CNE）衡量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化效能，形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”效能表征模型，結(jié)合系統(tǒng)應用給出了實例分析，仿真實驗進一步驗證了表征模型的有效性。

1 基本定義

定義1 網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)：指基于“網(wǎng)絡中心、面向服務”技術(shù)體制［79］，依托柵格化的軍事信息基礎設施［10］，綜合集成預警探測、情報偵察、電子對抗、指揮控制、后勤保障等功能的一體化軍事電子信息系統(tǒng)。為行文方便，下文中的“系統(tǒng)”如無特殊說明，均指網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)。

定義2 網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：指網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)各組成要素及要素之間的相互關(guān)系。系統(tǒng)單元是指完成系統(tǒng)功能，在物理上獨立部署的系統(tǒng)組成要素。系統(tǒng)單元之間的關(guān)系主要包括：情報保障、指揮協(xié)同等信息交互關(guān)系、網(wǎng)絡連接關(guān)系和指揮業(yè)務處理關(guān)系等。

定義3 基本單元：根據(jù)網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)的功能組成和一般運作流程，將系統(tǒng)單元抽象為4類基本單元，各級各類各域的各種粒度的系統(tǒng)單元都可由4類基本單元或其組合后實例化產(chǎn)生。4類基本單元包括：

（1）信息獲取單元（observer，O）：也稱傳感探測單元，定義為一類能夠探測或偵察戰(zhàn)場空間各類目標特征的功能實體，采用雷達、光電／紅外、信號情報偵察等手段的傳感器，收集戰(zhàn)場目標信息；

（2）信息處理單元（processor，P）：定義為一類能夠?qū)?zhàn)場目標情報進行綜合／融合處理的功能實體，其主要功能是將多個信息獲取單元獲取的戰(zhàn)場目標探測數(shù)據(jù)進行誤差校正、時間統(tǒng)一、關(guān)聯(lián)、特征提取與識別等處理，形成實時、連續(xù)、清晰、準確的戰(zhàn)場目標情報，并用于生成戰(zhàn)場統(tǒng)一態(tài)勢；

（3）決策控制單元（decision，D）：定義為一類能夠根據(jù)戰(zhàn)場情況形成作戰(zhàn)方案并對隸屬部隊和武器平臺實施指揮控制的功能實體，其主要功能是能夠根據(jù)信息處理單元或信息獲取單元上報的情報進行判斷和分析，形成戰(zhàn)場態(tài)勢和作戰(zhàn)方案，并根據(jù)作戰(zhàn)方案對隸屬的部隊和武器平臺下達作戰(zhàn)計劃和指令，實時監(jiān)控作戰(zhàn)過程；

（4）響應執(zhí)行單元（actor，A）：定義為一類能夠根據(jù)指揮控制單元的作戰(zhàn)計劃或指令完成作戰(zhàn)任務的功能實體，其主要功能是接收指揮控制單元的作戰(zhàn)計劃或指令，根據(jù)作戰(zhàn)計劃或指令完成相應的作戰(zhàn)行動和任務。

定義4 網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡模型：考慮到C4ISR系統(tǒng)單元之間信息交互關(guān)系的有向性、流量區(qū)分等特點，以及網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)是一個龐大的復雜系統(tǒng)［11］，本文用簡單有向加權(quán)連通圖G＝（V，E）表示網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中，圖中的節(jié)點集V＝｛v1，v2，…，vn｝代表系統(tǒng)單元的集合，包含定義3中的4類基本單元，n＝|V|代表系統(tǒng)單元的總數(shù)；圖中的邊（連接）集E＝｛e1，e2，…，em｝代表系統(tǒng)單元之間各類信息交互關(guān)系，m＝|E|表示系統(tǒng)單元之間信息交互關(guān)系的總數(shù)，?ei∈E，在V中有一對節(jié)點（vi，vj）與之對應，且（vi，vj）和（vj，vi）不是同一條邊。對于每條邊（vi，vj）∈E，定義一組權(quán)值（ew1，ew2，…，ewk）表示對系統(tǒng)單元vi和vj之間信息交互關(guān)系的度量，邊的權(quán)值的數(shù)量和代表的物理意義可以根據(jù)具體分析而定，增加邊權(quán)值是對系統(tǒng)單元之間信息交互關(guān)系強度差異的一種反映。例如：?e＝（vi，vj）∈E，vi，vj∈V，用正實數(shù)權(quán)值delay（e）表示系統(tǒng)單元vi和vj之間信息傳輸?shù)臅r延大??；用正實數(shù)的權(quán)值content（e）表示系統(tǒng)單元vi和vj之間信息量大小?？紤]到C4ISR系統(tǒng)單元的類型區(qū)別和能力大小，對于每個系統(tǒng)單元vi∈V，定義一組節(jié)點的權(quán)值（vw1，vw2，…，vwl）表示對系統(tǒng)單元vi屬性和能力的度量。例如：?vi∈V，用正實數(shù)的權(quán)值delay（vi）表示系統(tǒng)單元vi信息處理的時延大??；用正實數(shù)權(quán)值prec（vi）表示系統(tǒng)單元vi的信息處理精度等。

當只需要刻畫兩個系統(tǒng)單元之間是否有信息交互關(guān)系時，可用圖的0－1鄰接矩陣模型來表達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的0－1鄰接矩陣A0－1＝｛aij｝n×n可 以定義為

其中，兩個系統(tǒng)單元只要有信息交互關(guān)系，則用1表示，否則用0表示。

從作戰(zhàn)應用角度，網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)的網(wǎng)絡化作戰(zhàn)效能越高，說明其越能利用網(wǎng)絡充分共享戰(zhàn)場態(tài)勢、實現(xiàn)作戰(zhàn)行動同步，從而支撐網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的實施。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定其功能，不同的網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)不同，網(wǎng)絡化作戰(zhàn)效能也不同。本節(jié)結(jié)合網(wǎng)絡中心戰(zhàn)結(jié)構(gòu)模型以及OODA過程模型［12］，提出網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中“環(huán)”的概念，進而提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”，并通過定義CNE來反映網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)的網(wǎng)絡化作戰(zhàn)效能。

定義5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的環(huán)：環(huán)是圖論中一種由邊和節(jié)點組成的特殊結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，當有向邊形成閉合回路時，則將該回路稱為“環(huán)”。

“環(huán)”越多，說明C4ISR系統(tǒng)單元之間的共享、協(xié)同、指控、反饋等行為越密切，系統(tǒng)的資源共享與協(xié)同程度越高，反饋優(yōu)化能力越強，即系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能就越大。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中環(huán)的個數(shù)為0，則網(wǎng)絡化效能就為0［13］。

定義6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”：將網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的環(huán)根據(jù)其作用，劃分為協(xié)同探測環(huán)、協(xié)同決策環(huán)、指揮控制環(huán)和協(xié)同執(zhí)行環(huán)4類基本環(huán)和綜合環(huán)。4類基本環(huán)和綜合環(huán)一起稱為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”。

（1）協(xié)同探測環(huán)是指由多個傳感器節(jié)點和信息處理節(jié)點及它們之間的關(guān)系組成的閉合回路，其主要功能是實現(xiàn)多個傳感器之間的協(xié)同探測并根據(jù)信息處理效果對傳感器進行反饋控制。在傳感器組網(wǎng)狀態(tài)下，功能互補的傳感器協(xié)同探測（如ESM與雷達協(xié)同、預警雷達給火控雷達目標指示），同類型的傳感器聯(lián)合探測（如電子支持措施（electronic support measures，ESM）多個防空預警雷達聯(lián)合探測），以及根據(jù)信息處理效果優(yōu)化配置傳感器資源和控制傳感器工作狀態(tài)，能夠有效提高目標探測能力和質(zhì)量及抗干擾能力，形成信息優(yōu)勢。

（2）協(xié)同決策環(huán)是指由多個決策控制單元及它們之間的關(guān)系組成的閉合回路，其主要功能是完成決策控制單元之間的態(tài)勢共享和協(xié)同決策，它有助于形成高質(zhì)量的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，提高各級指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢理解的一致程度和決策質(zhì)量，從而獲取決策優(yōu)勢。

（3）指揮控制環(huán)是指由多個決策控制單元和響應執(zhí)行單元及它們之間的關(guān)系組成的閉合回路，其主要功能是完成上下級決策控制單元之間，以及決策控制單元與響應執(zhí)行單元之間的作戰(zhàn)計劃和指令下達／上報和狀態(tài)反饋等，有利于作戰(zhàn)進程的實時監(jiān)控和作戰(zhàn)行動的及時調(diào)整。

（4）協(xié)同執(zhí)行環(huán)是指由多個響應執(zhí)行單元及它們之間的關(guān)系組成的閉合回路，其主要功能是實現(xiàn)響應執(zhí)行單元之間的協(xié)同，有利于達到作戰(zhàn)行動同步。指揮控制環(huán)和協(xié)同執(zhí)行環(huán)直接影響作戰(zhàn)行動優(yōu)勢的取得。

（5）綜合環(huán)由信息獲取單元、信息處理單元、指揮決策單元和響應執(zhí)行單元等組成，指從整個OODA過程角度，包括了協(xié)同探測環(huán)、協(xié)同決策環(huán)、指揮控制環(huán)和協(xié)同執(zhí)行環(huán)在內(nèi)的整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的環(huán)。

以某戰(zhàn)術(shù)級防空C4ISR系統(tǒng)為例，系統(tǒng)單元包括4部雷達（O1，O2，O3，O4）、1個雷達情報處理中心（P）、1個聯(lián)合防空指揮所（D1）、1個航空兵指揮所（D2）以及2架攔截飛機（A1，A2），系統(tǒng)單元之間通過信息基礎設施實現(xiàn)信息交互，指揮所和作戰(zhàn)飛機之間通過數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其分解的4類環(huán)如圖1所示。由于“環(huán)”能從一定程度上反映系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務時的網(wǎng)絡化效能，因此在進行環(huán)的分析時，引入與作戰(zhàn)任務相關(guān)的目標節(jié)點（T）。這里，從T到O（傳感器觀測目標）以及從A到T（火力單元打擊目標）的連線為能量流，在圖中用虛線表示。

通過上述分析可見，4類環(huán)能夠有效提高C4ISR系統(tǒng)的能力。環(huán)越多，意味著系統(tǒng)各部分之間的信息交互、共享和反饋控制能力越強，網(wǎng)絡對系統(tǒng)的使能作用越大。文獻［13］在研究分布式網(wǎng)絡化作戰(zhàn)理論時也得出了相同的觀點。

圖1 某戰(zhàn)術(shù)級防空C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本環(huán)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”的效能表征與分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”的效能表征模型

本節(jié)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”的效能進行定量表征，并結(jié)合網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)的特征，從結(jié)構(gòu)上分析每類環(huán)的效能變化情況，探索其中的規(guī)律，以指導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計與分析。

在數(shù)學上，特征值λ是一個矩陣計算的數(shù)值，是矩陣的一種綜合參數(shù)［14］，反映了特征向量在變換時的伸縮倍數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鄰接矩陣恰為一種“稀疏非負矩陣”，由Perron-Frobenius定理可知，矩陣至少存在一個實的、非負的最大特征值，即最大特征值λmax。一般來講，當鄰接矩陣為0－1矩陣時，其最大特征值有3種不同取值；無環(huán)（λmax＝0）、單環(huán)（λmax＝1）和多環(huán)（λmax＞1），與結(jié)構(gòu)中環(huán)的數(shù)量成正向關(guān)系。因此，本文將這一參數(shù)引入網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，表達結(jié)構(gòu)中環(huán)的數(shù)量，從而反映系統(tǒng)組網(wǎng)的連接效果，即系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能。圖2給出了3種不同的結(jié)構(gòu)以及對應的0－1鄰接矩陣的最大特征值λmax，其中多環(huán)結(jié)構(gòu)被認為是具有網(wǎng)絡化效能的結(jié)構(gòu)［13］。

圖2 3種結(jié)構(gòu)及對應的鄰接矩陣和最大特征值

定義7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CNE衡量的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中平均每個節(jié)點參與的環(huán)的數(shù)量，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)G的0－1鄰接矩陣A0－1的最大特征值與節(jié)點數(shù)量的比來計算探測組網(wǎng)程度的增加，其CNE不斷提高，平均路徑長度不斷降低。

式中，A0－1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)G的鄰接矩陣；Eig（A0－1）是鄰接矩陣的特征值；λmax為最大特征值。

CNE的取值越大，說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中在同等節(jié)點數(shù)的情況下環(huán)的數(shù)量越多，環(huán)對系統(tǒng)因組網(wǎng)而帶來的網(wǎng)絡化效能提升的貢獻也越大。在圖2的示例中，3種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化效能因子分別為0、0.166 7和0.220 8，也反映出無環(huán)結(jié)構(gòu)、單環(huán)結(jié)構(gòu)和多環(huán)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能的影響程度不同。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”的效能表征分析

下面針對每一類環(huán)，結(jié)合示例觀察CNE變化情況，同時分析說明對系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能的影響。

（1）協(xié)同探測環(huán)

協(xié)同探測環(huán)的基本原理是C4ISR系統(tǒng)多元信息融合［15］。通過信息獲取單元與信息處理單元組網(wǎng)，共享感知探測資源，并進行多源信息融合，形成戰(zhàn)場一致的感知態(tài)勢（情報），提高信息質(zhì)量，提升系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能。研究表明，當來自多個傳感器的信息融合在一起時，合成的軌跡誤差就會迅速收斂到可用的交戰(zhàn)精度。美國海軍協(xié)同作戰(zhàn)能力中心已經(jīng)通過試驗證明了來自多傳感器的信息融合與協(xié)同探測，進一步提高了跟蹤的準確度、連續(xù)性和識別能力，獲得更大的作戰(zhàn)空間感知［16］。

推論1 在協(xié)同探測環(huán)中，如果增加信息處理單元對信息獲取單元的管控，對信息獲取單元進行目標指示、控制和重新探測等指令，實現(xiàn)了多個信息獲取單元的組網(wǎng)協(xié)同探測，可提高系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能，從作戰(zhàn)應用層面提高系統(tǒng)傳感探測的質(zhì)量。

為了印證這一推論，給出了如圖3所示的4種結(jié)構(gòu)示例。這4種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對應的最大特征值、CNE和平均路徑長度［17］如表1所示。

在圖3中，假設O1～O3為同類型信息獲取單元。圖3（a）中的3個信息獲取單元獨立向信息處理單元P上報情報，圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）依次增加了對O1、O2和O3信息獲取單元的管控，使得信息獲取單元協(xié)同探測的組網(wǎng)程度不斷提高。從表1顯然可以看出，隨著信息獲取單元協(xié)同

圖3 協(xié)同探測環(huán)示例1

表1 協(xié)同探測環(huán)CNE示例1

推論2 在協(xié)同探測環(huán)中，對于同一目標，如果增加異類傳感探測手段進行協(xié)同探測，并進行多元情報融合，則系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能增加，從作戰(zhàn)應用層面提升了系統(tǒng)跟蹤和識別目標的能力。

為了印證這一推論，在圖3（d）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎上，增加了另一類信息獲取單元O4及其相應的信息處理單元P2，進而給出了如圖4所示的3種結(jié)構(gòu)示例。這3種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對應的最大特征值、CNE和平均路徑長度如表2所示。

表2 協(xié)同探測環(huán)CNE示例2

圖4 協(xié)同探測環(huán)示例2

比較圖4（a）和圖3（d），圖4（a）增加了2個系統(tǒng)單元，由于這2個系統(tǒng)單元并沒有同原有單元產(chǎn)生協(xié)同作用，相比之下其CNE反而降低（從0．265 9降至0．206 8），說明平均每個系統(tǒng)單元參與的環(huán)的數(shù)量減少。圖4（b）增加異類傳感探測手段的多元信息融合能力，相比于圖4（a），降低了信息不確定性，提升了系統(tǒng)的信息質(zhì)量和網(wǎng)絡化效能。圖4（c）在圖4（b）基礎上，又增加了對異類信息處理和獲取單元的協(xié)同能力，故CNE更大。

（2）協(xié)同決策環(huán)

協(xié)同決策環(huán)的基本原理是網(wǎng)絡中心化指揮控制的共享態(tài)勢感知和理解機理［1819］。通過加強決策控制單元之間的共享態(tài)勢感知和理解程度，形成理解一致的高質(zhì)量戰(zhàn)場態(tài)勢圖，從而可以更準確地了解戰(zhàn)場敵我雙方情況，提高決策質(zhì)量和靈活性，進而提高網(wǎng)絡化作戰(zhàn)效能。美國蘭德公司在“空空戰(zhàn)斗”試驗中已經(jīng)檢驗出，在網(wǎng)絡中心化作戰(zhàn)條件下，由于所有參與方都能共享同一個共用戰(zhàn)術(shù)圖，使得態(tài)勢感知和態(tài)勢理解能力得以顯著改進，最終將這種認知優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為任務區(qū)中生存能力和殺傷力的提高［20］。美軍陸軍第5軍及第3機械化步兵師在“自由伊拉克行動”中，通過安裝藍軍跟蹤系統(tǒng)和遠程工程系統(tǒng)，在攻占“目標桃子”的作戰(zhàn)行動中，共享了作戰(zhàn)態(tài)勢圖，提高了部隊的態(tài)勢感知和理解能力，并使得部隊快速做出決策和機械能自我調(diào)整，極大提高了指揮和戰(zhàn)術(shù)靈活性以及作戰(zhàn)任務效率，從而大幅提高網(wǎng)絡化效能［21］。

推論3 在協(xié)同決策環(huán)中，決策控制單元之間橫向協(xié)同和交互越多，網(wǎng)絡化效能越高，從作戰(zhàn)應用層面可提高共享態(tài)勢感知和理解的能力，決策優(yōu)勢越明顯。

下面通過協(xié)同決策環(huán)示例分析來印證上述推論。圖5（a）～圖5（h）給出了8種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，表示D1、D2、D3、D4 4個決策控制單元之間的態(tài)勢共享和協(xié)同情況。其中，圖5（a）表示D1與其他3個單元單向協(xié)同；圖5（b）表示D1與D2雙向協(xié)同；圖5（c）表示D1分別與D2和D3雙向協(xié)同；圖5（d）表示D1分別與D2、D3和D4雙向協(xié)同；圖5（e）在圖5（d）基礎上增加了D3到D4的協(xié)同；圖5（f）增加了D4到D3的協(xié)同；圖5（g）增加了D2和D3之間的協(xié)同；圖5（h）是在4個決策控制單元之間完全協(xié)同。這8種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對應的最大特征值、CNE和平均路徑長度如表3所示。從表3可以看出，隨著決策控制單元之間橫向協(xié)同和交互的增加，CNE逐漸提高，也說明態(tài)勢共享程度越來越高。

圖5 協(xié)同決策環(huán)示例

表3 協(xié)同決策環(huán)CNE示例

（3）指揮控制環(huán)

指揮控制環(huán)的基本原理是網(wǎng)絡中心化條件下作戰(zhàn)力量（行動單元）動態(tài)編組的原理。決策控制單元依據(jù)動態(tài)編組，通過指揮控制結(jié)構(gòu)和指揮權(quán)限的動態(tài)重組，實現(xiàn)對響應執(zhí)行單元及時、精確的指揮決策，確保響應執(zhí)行單元能適應作戰(zhàn)任務和環(huán)境的變化，從而提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡化效能。在“自由伊拉克行動”期間，通過建立藍軍跟蹤系統(tǒng)利益共同體的運用，美陸軍第5軍和第3機械化步兵師享受到的網(wǎng)絡化優(yōu)勢遠遠超過了在“沙漠風暴行動”期間美軍的作戰(zhàn)能力，使部隊能在更為分散的環(huán)境中作戰(zhàn)，移動速度更快，并極大降低了誤傷率，取得了在“沙漠風暴行動”期間所無法想象的協(xié)同和聯(lián)合作戰(zhàn)能力［21］。

一般來講，在網(wǎng)絡化作戰(zhàn)體系中，增加控制“反饋化”機制，即賦予響應執(zhí)行單元處理各種突發(fā)情況的時間和空間，形成“信息-反饋-控制”的良性控制循環(huán)體系，是提升指揮控制能力的有效手段，這也是網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的“權(quán)利邊緣化”［22］的重要體現(xiàn)。

推論4 在指揮控制環(huán)中，在相同的動態(tài)編組情況下，如果響應執(zhí)行單元具備向決策控制節(jié)點反饋信息的機制，能增強系統(tǒng)的網(wǎng)絡化效能，從作戰(zhàn)應用層面能使決策控制單元具備精確控制的能力，從而提高協(xié)同指揮的靈活性、適應性。

圖6 指揮控制環(huán)示例

表4 指揮控制環(huán)CNE示例

圖6給出了3種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說明這一推論，3種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對應的最大特征值、CNE和平均路徑長度如表4所示。其中，圖6（b）和圖6（c）是在圖6（a）的基礎上，依次增加了A1和A2向D的反饋功能。從表4可以看出，當響應執(zhí)行單元A1和A2分別具備控制“反饋化”機制后，CNE增加，說明其協(xié)同控制能力將更加精準，網(wǎng)絡化性能也逐步增強。步原理［2324］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中2個以上的響應執(zhí)行單元，圍繞指揮員意志及同一目標，根據(jù)自身能力和戰(zhàn)場情況變化，自行調(diào)節(jié)作戰(zhàn)行動與行為，提高指揮的持續(xù)能力和速率，從而提升系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。美軍在上世紀末進行的Δ號艦隊作戰(zhàn)實驗［7］已經(jīng)有效驗證了網(wǎng)絡中心化條件下自同步的巨大潛力。與傳統(tǒng)平臺為中心作戰(zhàn)相比，通過使陸軍直升機、P-3、LAMPS、AC- 130以及路基和航空母艦艦載飛機之間協(xié)同和自同步，漏網(wǎng)數(shù)量降低了一個數(shù)量級，作戰(zhàn)任務可在一半時間內(nèi)完成。

推論5 在協(xié)同執(zhí)行環(huán)中，對某一決策控制單元而言，如果參與的響應執(zhí)行單元之間協(xié)同越緊密，則系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能越高，從作戰(zhàn)應用層面說明響應執(zhí)行單元之間的自同步能力越強，指揮的敏捷性越強。

圖7（a）～圖7（f）給出了6種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說明協(xié)同執(zhí)行環(huán)的原理，6種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別代表了3個響應執(zhí)行單元A1、A2和A3之間的協(xié)同與同步程度。表5給出了6種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對應的最大特征值、CNE和平均路徑長度。可以看出，隨著3個響應執(zhí)行單元之間的協(xié)同程度越來越緊密，其結(jié)構(gòu)的CNE值逐步增加，也說明響應執(zhí)行單元之間的自同步能力越來越強。

圖7 協(xié)同執(zhí)行環(huán)示例

表5 協(xié)同執(zhí)行環(huán)CNE示例

2.3 實驗分析與結(jié)論

第2．2節(jié)已通過示例對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”效能表征進行了分析，本節(jié)通過仿真實驗進一步分析，并提出對網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)設計的指導策略。利用研究團隊自研的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表征分析與設計工具開展仿真實驗，選取無尺度特征與小世界特征2類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［25］，在節(jié)點規(guī)模分別為100、250、300、350、400、500、600和700條件下，比較了這2種不同特征的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在不同連邊概率條件下的CNE和平均路徑長度變化情況，仿真實驗結(jié)果如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可以看出，在各種節(jié)點數(shù)情況下，隨著連邊概率的增加，2種特征的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的CNE不斷增大，平均路徑長度不斷減小。這是因為連邊概率增大，形成“環(huán)”的概率增加，CNE增大；同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的“捷徑”也隨之增多，節(jié)點間的路徑長度變小，平均路徑長度減小。從作戰(zhàn)應用角度來講，連邊概率越大代表著節(jié)點之間的協(xié)同程度越高，說明系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能越高。

圖8 不同節(jié)點規(guī)模下的CNE變化情況

圖9 不同節(jié)點規(guī)模下的平均路徑長度變化情況

分析上述仿真實驗結(jié)果，相比小世界網(wǎng)絡，同等條件下，無尺度特征的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的CNE更大，這是因為由于潛在結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，邊數(shù)的增加導致網(wǎng)絡的突增性，其中90%的網(wǎng)絡快速增長是由10%的邊的連接引起的。隨著邊和節(jié)點的增加，從起始點到突增之間的邊存在一種潛在結(jié)構(gòu)，在這個潛在結(jié)構(gòu)中包含這一些邊將節(jié)點串聯(lián)成一個個小簇，最終完全連接，形成網(wǎng)絡化效能較高的結(jié)構(gòu)。而創(chuàng)建這個潛在結(jié)構(gòu)的機制之一就是優(yōu)先附加增長機制［12］。很顯然，由于無尺度網(wǎng)絡生成的機制之一就是“優(yōu)先附加增長”，因此其CNE較大。

3 結(jié)束語

如何對網(wǎng)絡中心化條件下C4ISR系統(tǒng)網(wǎng)絡化效能進行描述和定量分析是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設計中的重點和難點。本文圍繞這一問題，從網(wǎng)絡中心戰(zhàn)結(jié)構(gòu)模型和OODA過程模型出發(fā)，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“環(huán)”的概念，提出了網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)“五環(huán)”效能表征模型，結(jié)合實例給出了指導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的5個推論，為網(wǎng)絡中心化C4ISR系統(tǒng)總體設計和研制建設提供了科學依據(jù)。

［1］Lan Y S，Wang H，Zhang G N，et al．Network-centric architecture for C4ISR system［J］．Command Information System and Technology，2013，4（6）：1- 6．（藍羽石，王珩，張剛寧，等．C4ISR系統(tǒng)網(wǎng)絡中心體系架構(gòu)［J］．指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2013，4（6）：1- 6．）

［2］Curtis R J，F(xiàn)rizzell J P．Implementing network-centric command and control［C］∥Proc.of the 10th International Command and Control Research and Technology Symposium，2005：1- 30．

［3］Lan Y S．Understanding the network-centered command information system［J］．Command Information System and Technology，2010，1（1）：1- 4．（藍羽石．對網(wǎng)絡為中心指揮信息系統(tǒng)的認識［J］．指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2010，1（1）：1- 4．）

［4］Lan Y S，Yi K，Wang H，et al．Delay assessment method for network C4ISR system architecture［J］．Systems Engineering and Electronics，2013，35（9）：1908- 1914．（藍羽石，易侃，王珩，等．網(wǎng)絡化C4ISR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時效性分析方法［J］．系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（9）：1908- 1914．）

［5］Rajib B，Debnath B，Samir K B．Command and control（C2）network for disaster management［C］∥Proc.of the International Conference on Communication Systems and Network Technologies，2012：945- 949．

［6］Huo J H，Zhang G H，Cai H L，et al．Research on an quantitative method for C4ISR system effectiveness evaluation［C］∥Proc.of the 3rd International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics，2011：23- 26．

［7］Alberts D S，Garstka J J，Stein F P．Network centric warfare：developing and leveraging information superiority［M］．Washington，DC：Command and Control Research Program，1999．

［8］Wang H，Zhu L X，Mao SJ，et al．Research on information sharing method for future C2 in network centric environment［C］∥Proc.of the 16th International Command and Control Research and Technology Symposium，2011．

［9］Zhou X M，Guo C H，Zhao K J，et al．The research on C2 system in networked environment［C］∥Proc.of the 15th International Command and Control Research and Technology Symposium，2010：1- 10．

［10］Lan Y S，Ding F，Wang H，et al．Military information infrastructure of the information age［M］．Beijing：Military Science Publishing House，2011．（藍羽石，丁峰，王珩，等．信息時代的軍事信息基礎設施［M］．北京：軍事科學出版社，2011．）

［11］Mao SJ，Deng K B，Wang H，et al．Complexity of net-centric and service-oriented C4ISR system［J］．Command Information System and Technology，2012，3（4）：1- 6．（毛少杰，鄧克波，王珩，等．網(wǎng)絡化和服務化C4ISR系統(tǒng)復雜性［J］．指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2012，3（4）：1- 6．）

［12］Brrndt B．The dynamic OODA loop：amalgamating Boyd’s OODA loop and the cybernetic approach to command and control［C］∥Proc.of the 10th International Command and Control Research and Technology Symposium，2005．

［13］Cares J R．Distributed networked operations：the foundation of network centric warfare［M］．Newport：Alidade Press，2005．

［14］Sanjay J，Sandeep K．Graph theory and the evolution of autocatalytic networks［EB／OL］．［2014- 03- 01］．http：∥ar Xiv．org／abs／nlin．AO／0210070．

［15］Preden J，Llinas J，Rogova G L，et al．On-line data validation in distributed data fusion［C］∥Proc.of the Ground／Air Multisensor Interoperability，Integration，and Networking for Persistent ISR IV，2013：1- 12．

［16］Pitsko R，Verma D．System of system case study-why the network centric command and control system needed to change：lessons from army command and control in operation Iraqi freedom［C］∥Proc.of the 6th International Conference on System of Systems Engineering，2011：335- 340．

［17］Hu Z P，Pramode K V．Impact of network structure on latency in complex networks［C］∥Proc.of the 35th IEEE Sarnoff Symposium，2012：1- 6．

［18］Tian X G，Zhu Y C．A framework for the distributed situation awareness（DSA）in C2 of NCW［C］∥Proc.of the International Conference on Intelligence Science and Information Engineering，2011：230- 234．

［19］Fulya T C，Burcu Y，Yildiray K，et al．Increasing maritime situational awareness with interoperating distributed information sources［C］∥Proc.of the 18th International Command and Control Research and Technology Symposium，2013：9- 22．

［20］Li X Q，Zhan H Y，Kai Y，et al．Fire assignment optimization of network-centric artillery combat based on genetic algorithm［C］∥Proc.of the International Conference of Information Technology，Computer Engineering and Management Sciences，2011：290- 293．

［21］Cammons D，TisserandⅢJ B，Williams D E，et al．Network cnetric warfare case stud y［M］．Singapore：Center for Stragic Leadership，2012．

［22］Alberts D S，Hayes R E．Power to the edge：command control in the information age［M］．Washington，DC：Command and Control Research Program，2003．

［23］Mc Farland J，McConnell D，Reed H，et al．Modeling C2 agility to meet the demands of a distributed force［C］∥Proc.of the 18th International Command and Control Research and Technology Symposium，2013：1- 15．

［24］Anthony H D．Centralisation vs self-synchronisation：an agentbased investigation［C］∥Proc.of the 11th International Command and Control Research and Technology Symposium，2006：26- 28．

［25］Chen G R，Wang X F，Li X．Introduction to complex networks：models，structures and dynamics［M］．Beijing：Higher Education Press，2012．

“Five-loop”model and its effectiveness representation for network-centric C4ISR system structure

LAN Yu-shi1，2，WANG Heng1，2，YI Kan1，2，MAO Shao-jie1，2，LEI Ming1，2，DENG Ke-bo1，2，ZHANG Jin-feng1，2
（1.The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China；2.Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，Nanjing 210007，China）

To address the quantitative design and analysis issues for the network-centric C4ISR structure，a“five-loop”model to define the C4ISR system structure is proposed upon the network-centric warfare and observe，orient，decide，act（OODA）loop models．Along with the“five-loop”model，the coefficient of networked effectiveness（CNE）to represent the networked effectiveness of the C4ISR system architecture is adopted．The deduction for the“five-loop”model is presented as well to guide the architecture design of the network-centric C4ISR system．Extensive simulation results have validated the correctness of the“five-loop”model and its effectiveness representation．

network-centric；C4ISR system；networked effectiveness；five-loop；representation method；system structure

E 919

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．01．16

藍羽石（1954-），男，研究員，博士研究生導師，主要研究方向為電子信息系統(tǒng)總體。

E-mail：lan_ys＠les．cn

王 珩（1977-），通訊作者，男，研究員，博士，主要研究方向為系統(tǒng)總體技術(shù)、信息柵格技術(shù)。

E-mail：nriee_wangh＠126．com

易 侃（1981-），男，高級工程師，博士，主要研究方向為系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、信息柵格和面向服務技術(shù)。

E-mail：yikancn＠gmail．com

毛少杰（1963-），男，研究員，碩士研究生導師，主要研究方向為系統(tǒng)仿真與評估。

E-mail：mao_shao_jie＠126．com

雷 鳴（1984-），男，工程師，碩士，主要研究方向為系統(tǒng)仿真建模。E-mail：leiming＠gmail．com

鄧克波（1980-），男，高級工程師，博士，主要研究方向為系統(tǒng)仿真與評估。

E-mail：dengkebo＠gmail．com

張金鋒（1986-），男，工程師，碩士，主要研究方向為體系設計與評估。

E-mail：zhangjinfeng＠gmail．com

1001-506X（2015）01-0093-08

網(wǎng)址：www．sys-ele．com

2014- 03- 06；

2014- 05- 13；網(wǎng)絡優(yōu)先出版日期：2014- 07- 13。

網(wǎng)絡優(yōu)先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20140713．1501．006．html

總裝預研基金（513060204）資助課題