秦海軍 李敏勇

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

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動態(tài)指揮控制體系研究*

秦海軍 李敏勇

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033)

兵力系統(tǒng)中指揮控制(C2)體系的相對穩(wěn)定性與面對任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性使兩者經(jīng)常處于不匹配的狀態(tài),兩者之間的匹配程度決定兵力系統(tǒng)完成給定任務(wù)的效能,解決不匹配的矛盾是C2創(chuàng)新的需要。針對不匹配的根源,提出了動態(tài)C2體系概念,在建立C2體系空間與任務(wù)構(gòu)成空間的基礎(chǔ)上,設(shè)計了動態(tài)調(diào)節(jié)律,提出的思路和研究方法是構(gòu)建新型C2體系的新途徑,結(jié)論在C2體系設(shè)計和作戰(zhàn)系統(tǒng)效能分析中都具有理論和應(yīng)用意義。

C2體系; 自同步; 指揮方法; 動態(tài)調(diào)節(jié)

Class Number E0-03

1 引言

指揮控制(Command Control,C2)體系是兵力系統(tǒng)中組織結(jié)構(gòu)、信息流程、指揮關(guān)系、指揮方法等相關(guān)要素的總和,它構(gòu)成兵力系統(tǒng)的核心組成部分。傳統(tǒng)上C2體系一旦確定,在訓(xùn)練和應(yīng)用中保持相對穩(wěn)定,以求運(yùn)作流暢和有效。但面對信息時代更為多樣和復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù),靜態(tài)的C2體系已難以滿足完成各種復(fù)雜和瞬變作戰(zhàn)任務(wù)的需求,構(gòu)建動態(tài)C2體系已成為必要的選擇。動態(tài)C2是一種C2構(gòu)成要素能實時適應(yīng)任務(wù)特征、并能動態(tài)匹配調(diào)節(jié)、可最大限度滿足作戰(zhàn)資源發(fā)揮效能的一種未來的C2體系。C2是中性的,不存在最優(yōu)也不存在最差的類型,適應(yīng)任務(wù)的就是最好的,新一代C2體系應(yīng)具備自適應(yīng)和動態(tài)調(diào)節(jié)的特性已逐步成為軍事學(xué)術(shù)界的共識[1～3]和實戰(zhàn)條例[4]。與任務(wù)相匹配的C2體系是其功能有效性的保障,為實現(xiàn)C2體系與任務(wù)的匹配,可通過引入自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)機(jī)制,增強(qiáng)C2體系的靈活性,以應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境因素。依據(jù)C2體系創(chuàng)新需求,下面從定量分析的角度研究動態(tài)C2的機(jī)理,建立框架和模型,并設(shè)計調(diào)節(jié)律。

2 任務(wù)構(gòu)成

動態(tài)C2體系依據(jù)任務(wù)特征調(diào)節(jié)自身參數(shù),因此分析任務(wù)構(gòu)成是設(shè)計動態(tài)C2體系的前提。任務(wù)構(gòu)成可在任務(wù)空間中表述,考慮到C2體系的控制要素、個體對任務(wù)適應(yīng)性等方面,選擇任務(wù)類型和時間壓力兩維分析任務(wù)構(gòu)成。

2.1 任務(wù)類型

軍事任務(wù)的分類與劃分標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),在此分類目的是區(qū)分任務(wù)的復(fù)雜程度,因此涉及影響C2體系效能的任務(wù)特征、履行任務(wù)的個體因素、執(zhí)行任務(wù)的信息支持能力等方面,綜合權(quán)衡后選擇標(biāo)志任務(wù)特征的三個主要因素:

· 任務(wù)變化速率。指作戰(zhàn)任務(wù)的變化跨度和階段轉(zhuǎn)換的多寡,一個任務(wù)可劃分多個階段,每個階段又可分為許多環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)還可分為更細(xì)的不同操作,如果任務(wù)涉及的環(huán)節(jié)多、地域廣、行動轉(zhuǎn)換跨度大等,則任務(wù)的變化速率高,反之變化速率低。

· 對任務(wù)的熟悉程度。反映個體對任務(wù)的適應(yīng)性,任務(wù)復(fù)雜性是相對的,與個體的訓(xùn)練、知識和能力等有關(guān),個體對任務(wù)越熟悉、經(jīng)驗越多,則對其中的相互作用模式理解越透徹,決策權(quán)運(yùn)用越有效率。

· 信息優(yōu)勢度。信息優(yōu)勢度描述關(guān)于任務(wù)的相對信息優(yōu)勢,C2體系的效能更依賴于信息的相對優(yōu)勢,這是競爭性任務(wù)特點決定的。

(1)

式中,e1為任務(wù)變化速率因素,取值為1≥e1≥0,任務(wù)的目標(biāo)和環(huán)節(jié)越多,過程越復(fù)雜,e1越大,反之越小;e2為熟悉任務(wù)程度要素,取值為1≥e2≥0,個體對任務(wù)越熟悉,訓(xùn)練越有素,e2越小,反之越大;e3為信息優(yōu)勢度要素,取值為1≥e3≥0,相對信息優(yōu)勢越大,e3越小,反之越大;l1,l2,l3為復(fù)雜性要素的權(quán)重因子,取值為1≥li≥0(i=1,2,3),l1+l2+l3=1,反映各復(fù)雜性要素的影響程度。

(2)

2.2 時間壓力

(3)

式中:Ta為完成任務(wù)的設(shè)定時間,由上級依作戰(zhàn)任務(wù)決定;Te為完成任務(wù)時間的期望值,取決于執(zhí)行節(jié)點的能力,是先驗參數(shù)。

(4)

當(dāng)壓力指數(shù)ux大于0后,時間偏緊,小于0時,時間比較寬松。對于有最后期限的情況,設(shè)定時間應(yīng)小于最后期限。

2.3 任務(wù)構(gòu)成坐標(biāo)系

將任務(wù)類型和時間壓力參數(shù)作為兩維構(gòu)建任務(wù)構(gòu)成坐標(biāo)系,見圖1,任務(wù)構(gòu)成劃分為四象限,每種任務(wù)依據(jù)兩維的量化值,在坐標(biāo)系上占據(jù)一個點。

圖1 任務(wù)構(gòu)成坐標(biāo)系

3 C2體系

在考慮調(diào)控C2體系適應(yīng)任務(wù)構(gòu)成時,需要構(gòu)建C2空間[5～7],其中的關(guān)鍵是要確定C2的可控參量,既要簡潔、可控和易于量化,又要能刻畫C2體系的本質(zhì)。

3.1 C2空間坐標(biāo)系

在考慮任務(wù)特征和分析C2體系可控因素后,確定C2空間的可控參量為指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)和耦合強(qiáng)度,定義如下:

指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)。即指揮相互作用聯(lián)系的總和,可用網(wǎng)絡(luò)圖來描述,指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)具有層級的多寡、環(huán)路的數(shù)量和規(guī)模大小等差別,指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,C2功能和適應(yīng)性則越強(qiáng),靈活性越高。

耦合強(qiáng)度。描述C2體系中指揮關(guān)系的特性,包括節(jié)點之間可容許的緩沖、松馳度和緊密度等內(nèi)容,耦合強(qiáng)度主要與指揮方法有關(guān),涉及權(quán)力配置問題,耦合緊密的系統(tǒng)權(quán)力集中,指令詳盡,命令頻率高,松散的系統(tǒng)的權(quán)力相對分散,指令簡潔,決策權(quán)傾向現(xiàn)場。

以C2體系的指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)和耦合強(qiáng)度為狀態(tài),構(gòu)成C2空間坐標(biāo)系,見圖2,將各維歸一化到區(qū)間[-1,1]后構(gòu)成四象限。各種不同的C2體系可看作空間中的一個點,原則上坐標(biāo)系中的不同點是中性的,沒有優(yōu)劣之分,只有相對于任務(wù)的適用性。

圖2 C2空間坐標(biāo)系

3.2 指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)

指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)是兵力系統(tǒng)中指揮關(guān)系和指揮鏈的集合,可用網(wǎng)絡(luò)圖的形式表示,見圖3,如果兩指揮節(jié)點之間存在指揮關(guān)系,則有指揮鏈相聯(lián),圖中根節(jié)點為第1層指揮節(jié)點,內(nèi)部節(jié)點為各層指揮節(jié)點,葉節(jié)點為執(zhí)行節(jié)點。為適應(yīng)信息化戰(zhàn)爭,常采用自組織、自同步的指揮方法,因此指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)不一定能用嚴(yán)格的樹圖來描述。為反映C2體系中的“自同步”功能,引入自同步指揮鏈路概念,兩個葉節(jié)點非常規(guī)協(xié)調(diào)路徑的長度是自同步指揮鏈路長度。為反映指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)的靈活性,引入扁平度和自同步能力概念。

圖3 C2結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)圖

3.2.1 扁平度

(5)

由于平均指揮鏈長度與指揮網(wǎng)的規(guī)模有關(guān),并不完全反映指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)的扁平化程序,還需要作歸一化處理,以使得對指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)的描述具有可比性。引入指揮路徑長度歸一化系數(shù)k=log2(N/2),其中N是圖G的節(jié)點數(shù),可以證明,具有N個節(jié)點的對稱樹圖的最大結(jié)構(gòu)層數(shù)為k,從而指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)的扁平度可定義為

(6)

L″G的取值區(qū)間為[0,1],為方便設(shè)計調(diào)節(jié)律,將其擴(kuò)展到區(qū)間[-1,1]后并倒向后得到扁平度LG為

LG=1-2L″G

(7)

式(7)描述了指揮網(wǎng)的相對扁平程度,數(shù)值越接近1,指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)越扁平。

3.2.2 自同步能力

(8)

Sc=2S′-1

(9)

從式(9)可見,自同步潛力越大,Sc越接近1,反之接近-1。

3.2.3 指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)的靈活性

為了用單一參數(shù)描述指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)的靈活性,引入靈活性參數(shù)sy,它由扁平度和自同步性能力綜合而成。作線性綜合,靈活性參數(shù)為

sy=g1Sc+g2Lcg1+g2=1,g1≥0,g2≥0

(10)

式中:g1為扁平度權(quán)重系數(shù);g2為自同步性能力權(quán)重系數(shù)。

3.3 耦合強(qiáng)度

C2體系中節(jié)點之間的關(guān)系可以是隸屬關(guān)系、磋商關(guān)系、合作關(guān)系等,在這里用耦合強(qiáng)度描述這種關(guān)系的緊密程度,通常集中指揮的耦合較為緊密,分散指揮的耦合較為松散。為定量描述耦合強(qiáng)度,引入越級指揮深度和命令頻度的概念,越級指揮深度指直接命令延伸的平均層級數(shù),深度越大,指揮方法更傾向于集中C2,反之傾向于分散C2。命令頻度描述下達(dá)指揮命令的頻率,頻度越高,越傾向于集中C2,反之傾向于分散C2。

3.3.1 越級指揮深度

為簡化問題,在此只考慮樹網(wǎng)指揮關(guān)系結(jié)構(gòu),見圖4,對其它結(jié)構(gòu)形式可參照調(diào)整算法。在此定義越級指揮深度為越級指揮鏈長度和無越級時指揮鏈長度之比的平均值,即:

(11)

式(11)已進(jìn)行歸一化處理,β的取值區(qū)間為[-1,1],如果沒有越級指揮,則β=-1,越級指揮情況越多,β越大。

圖4 指揮關(guān)系樹網(wǎng)

3.3.2 命令頻度

命令頻度描述上級對下級下達(dá)命令的速率,頻度越高,越趨向集中指揮,命令頻度用單位時間下達(dá)命令的次數(shù)來衡量。由于對不同的指揮層級,命令頻度是有差別的,首先考慮第j層指揮節(jié)點的平均命令頻度:

(12)

通過加權(quán)綜合各層節(jié)點的命令頻度后,指揮系統(tǒng)的命令頻度為

(13)

式中:λ′為指揮系統(tǒng)的綜合指揮命令頻度;aj為第j層指揮節(jié)點關(guān)于命令頻度的權(quán)重系數(shù)。

為適應(yīng)后面的調(diào)節(jié)律設(shè)計,將式(13)中λ′歸一化至區(qū)間[-1,1]:

(14)

從式(14)可見,下達(dá)命令的頻率越高,命令頻度λ越接近-1,反之越近1。

3.3.3 直接評估參數(shù)

由于實際測定指揮網(wǎng)的越級深度和命令頻度有難度,可依據(jù)指揮方法的分類[8]直接設(shè)定,表1給出了指揮方法分類及對應(yīng)的參數(shù),這種設(shè)定是基于對指揮方法譜的線性分割,由于深度和頻度參數(shù)與軍事訓(xùn)練、指揮文化、指揮員個性、條令條例等因素有關(guān),可由統(tǒng)計等方法獲取,并滿足(-1≤βi≤1),(-1≤λi≤1)。

表1 越級深度和命令頻度分級和參數(shù)設(shè)定

3.3.4 耦合強(qiáng)度計算

越級指揮深度和命令頻度反映了耦合強(qiáng)度的兩個側(cè)面,需要綜合考慮,由于沒有決定性的因素,在此作線性影響效果假設(shè),從而耦合強(qiáng)度sx為

sx=h1β+h2λ,h1+h2=1,h1≥0,h2≥0

(15)式中h1和h2分別為越級深度和命令頻度的權(quán)重因子。

4 動態(tài)調(diào)節(jié)

動態(tài)調(diào)節(jié)的功能是依據(jù)任務(wù)構(gòu)成對C2體系進(jìn)行調(diào)整,以最大限度發(fā)揮兵力系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,調(diào)整的目標(biāo)是最大限度地達(dá)成C2體系與任務(wù)構(gòu)成的匹配。

4.1 匹配指數(shù)

C2體系和任務(wù)構(gòu)成的匹配程度是調(diào)節(jié)的依據(jù),這里引入匹配指數(shù)概念描述匹配程度。假定任務(wù)構(gòu)成坐標(biāo)為(ux,uy),C2體系坐標(biāo)為(sx,sy),原則上采用增加C2體系靈活性應(yīng)對任務(wù)復(fù)雜性、降低C2體系的耦合強(qiáng)度應(yīng)對任務(wù)的時間壓力方法,從而可用歐幾里得距離衡量匹配程度,即定義C2體系和任務(wù)構(gòu)成的匹配指數(shù)Ge為

(16)

實際上任務(wù)結(jié)構(gòu)中的兩個要素具有一定的互補(bǔ)性,時間壓力增加和任務(wù)復(fù)雜性增加都會增加完成任務(wù)的難度,這可引入任務(wù)難度指數(shù)Ue來描述這種互補(bǔ)性,采用線性模型,任務(wù)難度指數(shù)可用任務(wù)空間兩要素加權(quán)和來表示:

Ue=kxux+kyuy

(17)

式中kx、ky為加權(quán)系數(shù),假定滿足0≤kx、ky≤1和kx+ky=1。

同樣,C2體系空間中兩要素也有一定的互補(bǔ)性,松散耦合反映了權(quán)力的下放,也增加了C2系統(tǒng)的靈活性,引入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靈活性指數(shù)Se反映這種互補(bǔ)性:

Se=αxsx+αysy

(18)

式中αx、αy為加權(quán)系數(shù),并且滿足0≤αx、αy≤1和αx+αy=1。

考慮互補(bǔ)性因素的任務(wù)和系統(tǒng)的匹配指數(shù)Gc為

Gc=|Ue-Se|

=|kxux+kyuy-(αxsx+αysy)|

(19)

式(16)和式(19)描述C2體系和任務(wù)構(gòu)成的匹配程度,可以利用這個指標(biāo)值調(diào)節(jié)兵力系統(tǒng)中的C2功能。

4.2 調(diào)節(jié)方法

調(diào)節(jié)方法是根據(jù)體系和任務(wù)的匹配指數(shù)Gc(Ge)進(jìn)行,設(shè)定閾值hG,當(dāng)Gc(Ge)≥hG時,對C2體系中的結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,否則不作調(diào)整。調(diào)整的參數(shù)包括:

1) 調(diào)整指揮關(guān)系結(jié)構(gòu)參數(shù):增減指揮層級,增刪自同步鏈路。

2) 調(diào)整指揮方法參數(shù):在集中指揮和分散指揮之間調(diào)整,從而改變越級深度和命令頻度。

5 結(jié)語

通過調(diào)整C2體系以適用任務(wù)特征的思路和實踐或多或少見諸于現(xiàn)實的一些軍事行動特例中,但只停留在定性理解和樸素的實踐階段,動態(tài)C2體系概念的提出、建模和定量分析是開發(fā)未來C2體系的有益嘗試,方法和結(jié)論是首創(chuàng),但模型的粒度、可操作性等方面仍需有改進(jìn)和完善。對模型進(jìn)行仿真分析、確定各參數(shù)調(diào)整的閾值是進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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Research on Dynamic Command and Control Systems

QIN Haijun LI Minyong

(College of Electronic Engineering ,Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Because of the relative stability of command control(C2) system in forces and the diversity, complexity of its facing tasks both are often in the states that do not match. The matching states decide the efficacy to complete the given task for forcessystem, it is necessary to resolve the contradiction for innovation in C2. Aiming at reasons for non-matching, the concept of dynamic C2 systems is put forward, a dynamic regulate law is designed on the basis of that C2 space and task space is constituted. The ideas and research methods develop fresh ways to build a new C2 system. The conclusion have both theoretical and apply value for C2 system design and combat system performance analysis.

C2 system, self-synchronous, command method, dynamic regulation

2014年7月5日,

2014年8月23日

秦海軍,男,碩士研究生,研究方向:信息作戰(zhàn)指揮。李敏勇,男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:信息作戰(zhàn)指揮。

E0-03

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.001