武文，陳永志，王瑜

（空軍空降兵學(xué)院，廣西桂林541003）

基于Extendsim的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能對(duì)比分析*

武文，陳永志，王瑜

（空軍空降兵學(xué)院，廣西桂林541003）

針對(duì)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能評(píng)價(jià)的靜態(tài)量化分析方法存在的不足，提出了基于Extendsim的動(dòng)態(tài)仿真評(píng)估方法。通過信息流程分析，建立評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建傳統(tǒng)和基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心構(gòu)想的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能仿真評(píng)估模型，并結(jié)合實(shí)例對(duì)兩種模型進(jìn)行了評(píng)估分析，為指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)比較和改進(jìn)進(jìn)行了有益探索。

指揮信息系統(tǒng)，組織結(jié)構(gòu)，Extendsim

0 引言

系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素之間相互聯(lián)系、相互作用的方式或秩序，也就是系統(tǒng)各要素在時(shí)間或空間上排列組合的具體形式［1］。指揮信息系統(tǒng)是履行組織職能的復(fù)雜系統(tǒng)，評(píng)價(jià)其整體效能如何，一個(gè)重要方面是分析系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)是否科學(xué)高效［2］。云計(jì)算是并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、虛擬化等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展整合的產(chǎn)物，目前在美軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)作戰(zhàn)模式下得到了廣泛應(yīng)用［3］。云計(jì)算主要優(yōu)勢(shì)在于其基于網(wǎng)絡(luò)有效整合系統(tǒng)資源，打破信息逐級(jí)傳遞的方式，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可平等地成為云的用戶，從而為改變指揮信息系統(tǒng)傳統(tǒng)樹狀組織結(jié)構(gòu)，建立扁平化組織結(jié)構(gòu)提供了可靠依據(jù)。

目前，指揮信息系統(tǒng)效能評(píng)估主要基于解析方法，這類方法的缺點(diǎn)在于主觀性強(qiáng)，計(jì)算過程繁瑣，沒有反映出信息流通的動(dòng)態(tài)特征以及人-機(jī)交互和目標(biāo)、環(huán)境的差異等對(duì)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響［2，4］，對(duì)于指揮信息這一動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的人-機(jī)系統(tǒng)來說，得出的結(jié)果往往與實(shí)際相差較大。本文在確定指揮信息系統(tǒng)信息仿真流程和系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用Extendsim仿真軟件建立傳統(tǒng)和基于云計(jì)算構(gòu)想的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能動(dòng)態(tài)仿真模型，并結(jié)合實(shí)例對(duì)兩種不同系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)效能進(jìn)行對(duì)比分析。模型直觀明了、便于理解，仿真簡(jiǎn)單易行，為檢驗(yàn)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)并進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)提供了量化分析手段。

1 仿真流程及評(píng)估指標(biāo)建立

1.1 仿真流程

根據(jù)指揮信息系統(tǒng)作戰(zhàn)實(shí)際，其信息流程仿真一般包括4個(gè)主要環(huán)節(jié)：一是根據(jù)系統(tǒng)感知信息的時(shí)間及其時(shí)間間隔的不確定性，隨機(jī)產(chǎn)生信息流；二是不同的系統(tǒng)單元（如處理器、業(yè)務(wù)平臺(tái)等）依次加工處理信息；三是通過人機(jī)交互完成指揮決策；四是信息分發(fā)到任務(wù)終端。仿真流程如圖1所示。

圖1 指揮信息系統(tǒng)信息流程仿真邏輯框圖

1.2 評(píng)估指標(biāo)

一般來講，指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能評(píng)估的內(nèi)容，因評(píng)估的目的和角度不同而異。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看，系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能評(píng)估的內(nèi)容應(yīng)包括系統(tǒng)的可靠性、時(shí)效性和有效性等內(nèi)容［5］。

1.2.1 可靠性

指揮信息系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力［6］。在仿真時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)單元的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）已知的情況下，統(tǒng)計(jì)仿真全過程中分發(fā)到任務(wù)部隊(duì)終端的信息實(shí)體數(shù)量（Sc）與感知信息實(shí)體進(jìn)入系統(tǒng)總數(shù)量（Gz）之比，即可得出系統(tǒng)可靠性的度量值K的大?。?］。

需要說明的是，仿真中需要設(shè)置的參數(shù)MTBF值和MTTR值一般會(huì)在系統(tǒng)出廠說明書中給出，也可在演習(xí)演練中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

1.2.2 時(shí)效性

時(shí)效性是指信息在系統(tǒng)各基層元素（系統(tǒng)單元）間的傳遞過程中，信息流通過系統(tǒng)的效率［8］。根據(jù)信息流程分析和排隊(duì)論，信息從進(jìn)入系統(tǒng)到退出系統(tǒng)，需要經(jīng)過不同系統(tǒng)單元并進(jìn)行排隊(duì)、接收、處理、傳輸，消耗的時(shí)間即為信息在系統(tǒng)中的周轉(zhuǎn)時(shí)間T。

由于信息流通速率的大小反映了信息流通的時(shí)效。在仿真系統(tǒng)中多次運(yùn)行仿真模型，對(duì)任一終端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)后得出信息的周轉(zhuǎn)時(shí)間，則可根據(jù)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)算出系統(tǒng)時(shí)效性度量值S。

1.2.3 有效性

有效性評(píng)估是將測(cè)得的系統(tǒng)性能與任務(wù)要求比較，得出反映系統(tǒng)符合要求的程度［4］。對(duì)于指揮信息系統(tǒng)而言，信息在系統(tǒng)流通時(shí)的準(zhǔn)確性高低是系統(tǒng)性能與任務(wù)需求符合程度的關(guān)鍵指標(biāo)。由于在實(shí)際通信中，信息傳輸不可能實(shí)現(xiàn)完全無失真地傳輸信源的信息［9］，因此，信息到達(dá)任務(wù)終端的信息質(zhì)量（保真度）即反映了系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的有效性。

對(duì)信息保真度造成影響的系統(tǒng)單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若相應(yīng)信息保真度為Mi（i=1，2，…，n），則可得出系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的有效性度量值Y。

2 仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 Extendsim仿真軟件簡(jiǎn)介

Extendsim是由美國(guó)Imagaine That公司開發(fā)的仿真軟件，它采用C語言開發(fā)，具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性，可對(duì)指揮信息系統(tǒng)信息流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真；采用交互式建模方式，利用可視化工具和可重用的模塊能快速構(gòu)建系統(tǒng)模型［11］。為了使模型易于理解，本文采用實(shí)體類型（Item）模塊，賦予其相關(guān)屬性，用來模擬指揮信息系統(tǒng)的指揮終端和信息感知、處理及決策平臺(tái)等組成單元，并控制模型實(shí)現(xiàn)仿真；采用值類型（Value）模塊對(duì)評(píng)估指標(biāo)度量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

2.2 仿真模型建立

為便于研究，將本文仿真模型作如下簡(jiǎn)化：一是不考慮信息經(jīng)過各系統(tǒng)單元進(jìn)行融合的情況，認(rèn)為產(chǎn)生的信息實(shí)體總數(shù)在系統(tǒng)流動(dòng)時(shí)不發(fā)生改變；二是不考慮系統(tǒng)自身延時(shí)對(duì)仿真結(jié)果造成的影響；三是由于將連、排或班作為任務(wù)終端會(huì)使模型變得非常復(fù)雜，因此，為便于仿真分析，本文以師規(guī)模指揮信息系統(tǒng)效能仿真模型為例，將營(yíng)作為任務(wù)終端。

2.2.1 傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能仿真模型

傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)一般是按照“師-團(tuán)-營(yíng)”這種信息層層加工處理，逐級(jí)傳遞的方式排列的。為了統(tǒng)計(jì)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能各評(píng)估指標(biāo)的度量值，根據(jù)Extendsim仿真原理，利用條件設(shè)置模塊、計(jì)數(shù)模塊和統(tǒng)計(jì)模塊3個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)模塊，對(duì)信息實(shí)體的屬性進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)單元層級(jí)數(shù)量、信息周轉(zhuǎn)時(shí)間、流經(jīng)的系統(tǒng)單元數(shù)量進(jìn)行累加和統(tǒng)計(jì)。具體模型如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能仿真模型

2.2.2 構(gòu)想指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能仿真模型

本文采用云計(jì)算技術(shù)和理念構(gòu)想基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)而言，構(gòu)想系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的前瞻性和優(yōu)越性在于：一是各指揮終端通過縱橫交織的通信基礎(chǔ)網(wǎng)連接到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，可平等地獲取戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和上級(jí)的指揮信息，有效改變了傳統(tǒng)系統(tǒng)的信息逐級(jí)傳遞方式，使指揮關(guān)系實(shí)現(xiàn)扁平化。二是使指揮信息系統(tǒng)的指揮終端與服務(wù)器等其他單元徹底分離，信息的融合處理統(tǒng)一交由云計(jì)算數(shù)據(jù)中心完成，提高了計(jì)算資源的利用率及信息的處理能力。三是云計(jì)算數(shù)據(jù)中心可為各作戰(zhàn)單位提供一體化的指揮決策平臺(tái)，使各級(jí)指揮員根據(jù)指揮權(quán)限快速了解上級(jí)決策、共同制定本級(jí)決策，并及時(shí)進(jìn)行意見反饋，為實(shí)現(xiàn)分布聯(lián)動(dòng)作戰(zhàn)指揮提供了可靠條件。具體模型如下頁圖3所示。

為使仿真過程更為直觀，模型將信息處理和指揮決策單元較為復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)整合為層級(jí)結(jié)構(gòu)模塊，基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，各指揮終端通過通信節(jié)點(diǎn)可從云數(shù)據(jù)中心獲取相應(yīng)的系統(tǒng)資源和服務(wù)。這與云計(jì)算數(shù)據(jù)中心將軟、硬件資源集中整合，構(gòu)建為資源池的理念是一致的。

信息處理層級(jí)結(jié)構(gòu)高層模塊是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)眾多服務(wù)器的綜合集成。為保證仿真模型與云計(jì)算數(shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)隨機(jī)調(diào)用服務(wù)器資源的技術(shù)理念相符，將仿真模型中任務(wù)分配路由的信息出口概率進(jìn)行平均分配。指揮決策層級(jí)結(jié)構(gòu)高層模塊主要利用Information模塊、Decision模塊和Gate模塊模擬實(shí)現(xiàn)按級(jí)決策。

3 實(shí)例分析

3.1 基本情況

某師在聯(lián)合作戰(zhàn)集團(tuán)的編成內(nèi)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。假設(shè)此次作戰(zhàn)任務(wù)預(yù)計(jì)持續(xù)的總時(shí)間為60 h，在進(jìn)行的若干次決策過程中，設(shè)定師級(jí)指揮員每次分析判斷情況、定下決心的時(shí)限為13 min；團(tuán)級(jí)指揮員每次分析判斷情況、定下決心時(shí)限設(shè)定為8 min；各營(yíng)為任務(wù)最終執(zhí)行實(shí)體。聯(lián)合作戰(zhàn)集團(tuán)可采取有利措施建立各類指揮專網(wǎng)并取得制信息權(quán)，確保通信暢通和各類指揮信息系統(tǒng)有效運(yùn)行。

3.2 仿真分析

3.2.1 數(shù)據(jù)輸入

為便于仿真，本文取0.95作為每個(gè)系統(tǒng)單元的平均信息保真度；取系統(tǒng)單元的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）分別為符合密度為100和0.1的指數(shù)分布。將實(shí)例中的已知數(shù)據(jù)分別賦予模型，以確保兩種模型在相同的條件下運(yùn)行，如圖4所示。

圖3 構(gòu)想系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能仿真模型

3.2.2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

按照前面介紹的獲取仿真運(yùn)行結(jié)果的方法，為使仿真結(jié)果盡量可靠，將仿真次數(shù)設(shè)為10 000次，得到的仿真運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

3.2.3 結(jié)果分析

一是構(gòu)想系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能明顯大于傳統(tǒng)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能。若認(rèn)為可靠性、時(shí)效性及有效性指標(biāo)在指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能評(píng)估中應(yīng)具有同等重要的地位，則各指標(biāo)權(quán)重在整個(gè)的評(píng)估體系中占1/3。將效能評(píng)估量值劃分為4個(gè)等級(jí)的數(shù)值范圍，如表1所示。

圖4 兩種模型的數(shù)據(jù)輸入界面

圖5 兩種模型的仿真運(yùn)行結(jié)果界面

根據(jù)圖5中的仿真結(jié)果，分別計(jì)算傳統(tǒng)和基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能值E傳和E構(gòu)：

表1 評(píng)估等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)照表1的評(píng)估等級(jí)對(duì)兩種組織效能進(jìn)行評(píng)估，可知傳統(tǒng)的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能屬于一般層次，而構(gòu)想的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能屬于較高層次。

二是基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的組織結(jié)構(gòu)增加了信息處理和分發(fā)的路徑，使指揮信息系統(tǒng)可靠性得到明顯提升。由于可靠性與系統(tǒng)單元的故障時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間相關(guān)，較傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)而言，基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的各系統(tǒng)單元平行分布，各單元之間具有相互冗余備份的作用，避免了“毀點(diǎn)斷鏈”的情況，大大提高了系統(tǒng)生存能力，從而使構(gòu)想系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)在可靠性方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

三是基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的組織結(jié)構(gòu)扁平化是時(shí)效性指標(biāo)產(chǎn)生顯著變化的根本原因。由于時(shí)效性主要與信息經(jīng)過不同系統(tǒng)單元的延遲時(shí)間有關(guān)，一方面，基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)指揮信息系統(tǒng)進(jìn)行層層信息傳遞模式改變?yōu)楸馄交畔鬟f模式，縮短了信息傳輸?shù)穆窂?；另一方面，傳統(tǒng)系統(tǒng)中各單元都需要進(jìn)行“信息排隊(duì)、接收、處理”等流程環(huán)節(jié)，系統(tǒng)單元越多、層級(jí)結(jié)構(gòu)越大，信息周轉(zhuǎn)時(shí)間就越長(zhǎng)。云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建立在柵格化通信網(wǎng)基礎(chǔ)上具備海量信息處理能力，從而使系統(tǒng)終端單元數(shù)量的增加不會(huì)影響信息周轉(zhuǎn)的時(shí)間。

四是基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的組織結(jié)構(gòu)有效性穩(wěn)定，當(dāng)信息流經(jīng)的系統(tǒng)單元層級(jí)數(shù)量大于2時(shí)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。由于本文實(shí)例考慮的是師、團(tuán)、營(yíng)3級(jí)，信息到達(dá)營(yíng)終端同樣需經(jīng)過2個(gè)層級(jí)，根據(jù)有效性度量計(jì)算原理，所分析的2種評(píng)估模型的有效性度量值正好相同。當(dāng)依靠傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)施相鄰層級(jí)的直接指揮時(shí)，流通層級(jí)為1，則傳統(tǒng)的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)有效性好于基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心組織結(jié)構(gòu)的有效性。當(dāng)層級(jí)數(shù)量大于2時(shí)，傳統(tǒng)的指揮信息系統(tǒng)信息流通層級(jí)數(shù)量逐漸增加，而基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的信息流通層級(jí)始終是兩層，因而層級(jí)數(shù)量越多基于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的組織結(jié)構(gòu)有效性優(yōu)勢(shì)越明顯。

3.3 評(píng)估結(jié)論

綜上所述，本文構(gòu)想的指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)無論從可靠性、時(shí)效性、有效性分項(xiàng)指標(biāo)分析，還是從整體組織結(jié)構(gòu)效能來講，都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)指揮信息系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)效能仿真評(píng)估問題，從把握指揮信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征的角度出發(fā)，提供了一種較為科學(xué)合理的量化分析方法。但本文在指揮信息系統(tǒng)的影響因素和模型的細(xì)化、量化等方面還有待于進(jìn)一步深入研究。

［1］馬玉凱.西南地區(qū)空軍作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)建設(shè)問題研究［D］.北京：空軍指揮學(xué)院，2003:34.

［2］高晶，白劍林.一種C4ISR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熵評(píng)價(jià)方法［J］.電光與控制，2007，14（2）:85-87.

［3］王康年.美軍全力推行云計(jì)算以及對(duì)我軍信息化建設(shè)的啟示［C］//北京：信息化理論與指揮信息系統(tǒng)論文集，2011:171-175.

［4］張志峰，肖人彬.基于結(jié)構(gòu)熵的生產(chǎn)系統(tǒng)有序性評(píng)價(jià)的實(shí)證研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（6）:62-66.

［5］童志鵬.綜合電子信息系統(tǒng)（第2版）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010:551.

［6］高崎，宋文淵.可靠性與維修性工程［D］.石家莊：軍械工程學(xué)院，2003:14.

［7］陳志誠，齊歡，楊建軍.基于Extendsim的可靠性建模［J］.火力與指揮控制，2012，37（7）:128-130.

［8］程啟月.基于信息系統(tǒng)的指揮效能評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管理［M］.北京:國(guó)防大學(xué)出版社，2011:75-77.

［9］傅袓蕓.信息論——基礎(chǔ)理論與應(yīng)用（第2版）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:251.

［10］梁甲慧，季新源，陳希林.速射高炮抗擊超音速導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能Extendsim仿真分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014，35（2）：44-48.

［11］秦天保，王巖峰.面向應(yīng)用的仿真建模與分析——使用Extendsim［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011:5.

Comparative Analysis of the Effectiveness of Extendsim-based C4ISR’s Organization Structure

WU Wen，CHEN Yong-zhi，WANG Yu
（Airforce Airborne Academy，Guilin 541003，China）

Due to the deficiency of the static quantitative analysis on C4ISR’s organization structure，this paper puts forward an Extendsim-based dynamic evaluation method.By analyzing the information flow，setting up evaluation index and comparing the traditional C4ISR model with C4ISR’s simulation evaluation model which is based on the cloud computing data，this paper provides a useful and effective way to improve C4ISR’s organization structure.

C4ISR，organization structure，Extendsim

TP391.9

A

1002-0640（2015）01-0049-05

2013-11-05

：2014-02-07

全國(guó)軍事學(xué)研究生課題基金資助項(xiàng)目（2012JY002-603）

武文（1964-），男，安徽宿縣人，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師。研究方向：軍事裝備學(xué)和作戰(zhàn)指揮學(xué)等。