張雪松，蘇 辛，王燕敏

(1.中國電子科學研究院，北京 100041;2.電子科技大學,四川 成都 611731)

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基礎理論

軍事信息系統(tǒng)互操作能力評估方法研究

張雪松1，蘇 辛2，王燕敏1

(1.中國電子科學研究院，北京 100041;2.電子科技大學,四川 成都 611731)

軍事信息系統(tǒng)互操作能力是決定未來戰(zhàn)爭勝負的主要因素。研究工作探索了作戰(zhàn)行動的本質和互操作的核心，用“六協(xié)同”模型簡潔地闡述了“作戰(zhàn)云”的具體形態(tài)；面向物理域、信息域、認知域、社會域所構成的“四象域”，提出了一種簡單易用的互操作能力七級評價方法，進而度量了聯(lián)通性、傳播性、一致性、適應性等四項互操作能力指標。研究工作對信息系統(tǒng)互操作能力的拓展認知，有助于軍事信息系統(tǒng)的理論發(fā)展和工程實現(xiàn)。

軍事信息系統(tǒng)；互操作能力；作戰(zhàn)云；六協(xié)同；四象域；

0 引 言

孫子曰：兵者，國之大事，死生之地，存亡之道，不可不察也。面向“地球春秋與戰(zhàn)國”時代的機遇和挑戰(zhàn)，各國如火如荼地展開了新軍事變革。例如，服務于美國“全球警戒—全球到達—全球力量”的使命與任務，其空軍在2015年9月發(fā)布的《Air Force Future Operating Concept》中提出了依賴于靈活、快速、協(xié)調、均衡和力量等五個方面的“敏捷行動”，其海軍在2015年3月發(fā)布的《A Cooperative Strategy for 21st Century Seapower》中提出要建立靈活、敏捷和常備不懈的海上力量，其陸軍在2012年1月發(fā)布的《Sustaining U.S. Global Leadership: Priorities for 21st Century Defense》中提出了打造一支更敏捷、更靈活、集可逆性與可擴展性于一體的全域部隊。再如，中國針對新軍事變革于2015年9月提出了四個方向的四項轉變：世界潮流—“改變機械化戰(zhàn)爭的思維定勢，樹立信息化戰(zhàn)爭的思想觀念”；國家安全—“改變維護傳統(tǒng)安全的思維定勢，樹立維護國家綜合安全和戰(zhàn)略利益拓展的思維觀念”；實戰(zhàn)形態(tài)—“改變單一軍種作戰(zhàn)的思維定勢，樹立諸軍兵種一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的思想觀念”；統(tǒng)籌保障—“改變固守部門利益的思維定勢，樹立全軍一盤棋、全國一盤棋的思想觀念”。由此可見，軍事信息系統(tǒng)的重要性和關鍵性已經(jīng)是各國的共識。

互操作能力[1-5]是軍事信息系統(tǒng)的關鍵特征，關于互操作性等級及其度量，研究人員提出了許多建設性的方法。蔣曉原等依據(jù)ITA體系結構，提供了對指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級進行劃分和評估的方法。羅雪山等采信美軍的LISI(Levels of Information Systems Interoperability，信息系統(tǒng)互操作性等級)模型，提出用對比分析法從技術角度評估信息系統(tǒng)的互操作能力。高阜鄉(xiāng)等通過分析LISI模型、OM(組織結構互操作性等級)模型、LCI(聯(lián)合互操作性)模型、LCM(概念互操作性等級)模型、NC3TA(面向互操作性的技術體系結構)模型等不同組織對互操作性的定義，提出了基于Web Services的互操作性測試方法。韓化冰等基于LISI模型構建了包括目標層、屬性層、子級層、性能指標層等4個層次的模型，采用層次分析法計算子級權重、網(wǎng)絡層次分析法進行綜合計算，從而定量評估信息系統(tǒng)互操作性。綜合分析領域內對軍事信息系統(tǒng)互操作性的研究工作，主流是采用LISI模型，但對LISI模型建模理論方法的深入探究不足，沒有闡明互操作性的核心理念，因而不能按照我國的實際情況，建立自主的軍事信息系統(tǒng)互操作性等級模型。此外，度量方法以采集屬性數(shù)據(jù)、分析評估為主，欠缺數(shù)學模型的支撐，度量方法復雜，不易操作。

1 信息系統(tǒng)的軍事需求

1.1 軍事信息系統(tǒng)的范疇

軍事信息系統(tǒng)簡稱信息系統(tǒng)，也稱為軍用信息系統(tǒng)、綜合電子信息系統(tǒng)等。軍事信息系統(tǒng)[5]由信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息管理和信息應用等部分組成，是用于保障軍隊作戰(zhàn)和日?；顒拥男畔⑾到y(tǒng)，主要包括指揮信息系統(tǒng)、作戰(zhàn)信息系統(tǒng)和日常業(yè)務信息系統(tǒng)。信息技術是軍事信息系統(tǒng)產生、發(fā)展的前提和基礎[6]。分析軍事信息系統(tǒng)需求，不能脫離信息技術，兩者是相輔相成的。

1.2 傳感器到射手(Sensor-To-Shooter)

“傳感器到射手”是信息化戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式，如圖1，由傳感器、指揮控制、打擊武器等三類節(jié)點構成了打擊鏈。網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的基本作戰(zhàn)概念強調“傳感器到射手”的一體化。[7]

圖1 “傳感器到射手”的打擊鏈

1.3 信息環(huán)境模型

美國國防部建立了由物理域、信息域、認知域和社會域構成的信息環(huán)境模型，認為以網(wǎng)絡為中心的軍事行動發(fā)生在這四個域。這里的“域”是一種啟發(fā)式的思維方法，把影響作戰(zhàn)效能的諸多因素進行抽象、分類，形成易于觀測和管理的要素領域，從而理解復雜現(xiàn)象并建立模型。

圖2 物理域-信息域-認知域-社會域的“四象域”

如圖2所示：物理域是部隊企圖影響的態(tài)勢存在的領域，是打擊、防護、機動等發(fā)生的陸?？仗炀W(wǎng)電環(huán)境，是信息基礎設施部署之處；信息域是信息存在的領域，是信息生成、處理、增值與共享之處，是軍事行動的信息空間；認知域存在于參戰(zhàn)人員的頭腦中，是參與者的感知、曉知、理解、決策、信仰以及價值觀存在之處；社會域是網(wǎng)絡中心行動概念框架的創(chuàng)新，是部隊實體相互作用、交換信息、形成曉知與理解以及做出協(xié)作決策之處[8]。

2 信息系統(tǒng)的互操作性

2.1 全域互操作

互操作性可以從作戰(zhàn)互操作性和技術互操作性兩個角度來認知。作戰(zhàn)互操作性是指系統(tǒng)、單元或部隊與其它系統(tǒng)、單元或部隊之間互相提供服務，并利用這些交換的服務實現(xiàn)系統(tǒng)、單元或部隊共同高效作戰(zhàn)的能力。技術互操作性是指通信-電子系統(tǒng)(設備)和/或它們的用戶之間，能夠直接按需交換信息或服務的狀態(tài)。[9]由此可見，互操作性是具有自主性個體(主體)之間的互動行為，它以互連互通為基礎，不存在“鬼魅”的超距作用。與前述信息環(huán)境模型對照可知，互操作性貫穿物理域、信息域、認知域和社會域所構成的四象域，是全域互操作。

2.2 作戰(zhàn)云的本質

互操作性的最新動態(tài)是“作戰(zhàn)云(Combat Cloud)”?！霸啤笔切畔⒓夹g領域借喻自然界的云(喻體)而形成的一個使本體形象化的概念。借喻“云”的本體主要有三個特點：是一種事物、一種與云本質不同的事物；本體缺乏形象化，不直觀，形態(tài)不具體；與云具有相似性，本體表象像云，如：物理空間形態(tài)多樣、大量組分的聚合體，具有蓋然性、彌漫性、同時性。

2013年，為解決F-22與F-15、F-16、F-35之間無法共享態(tài)勢的問題，美國空軍空戰(zhàn)司令部邁克.霍斯蒂奇將軍提出了“作戰(zhàn)云”概念，意圖將“云計算”引入到協(xié)同作戰(zhàn)領域，將網(wǎng)絡中心戰(zhàn)演進為“作戰(zhàn)云”的信息融合理念，實現(xiàn)各軍兵種之間戰(zhàn)術信息的互連互通互操作。

2014年，美國國防部將作戰(zhàn)云定義為情報/偵察/監(jiān)視、打擊、機動、保障的綜合體，具有三個主要特征：(1)動態(tài)化、虛擬化資源池；(2)云融合?；谠萍夹g實現(xiàn)戰(zhàn)場資源綜合管控，實現(xiàn)時空分散的傳感器協(xié)同探測，完成戰(zhàn)場態(tài)勢實時共享和決策支持，縮短戰(zhàn)術決策時間，提升單元要素之間的協(xié)同能力與整體殺傷效能；(3)分布式“云殺傷鏈”。打破作戰(zhàn)平臺、傳感器、武器系統(tǒng)之間的硬連接，以松耦合方式構建涵蓋發(fā)現(xiàn)、定位、跟蹤、瞄準、交戰(zhàn)、評估(F2T2EA)等過程的打擊鏈。

2015年，美軍將作戰(zhàn)云作為第三次抵消戰(zhàn)略的能力基礎。其核心是整合陸?？仗祀姷榷嗑S作戰(zhàn)力量，各作戰(zhàn)平臺、傳感器、武器系統(tǒng)組成虛擬存在的“云”，在體系層面實現(xiàn)戰(zhàn)場資源的動態(tài)高效管控及海量信息高速、實時、分布式處理與共享，構建跨域、跨軍種、分布式、網(wǎng)絡化的“云殺傷”協(xié)同作戰(zhàn)能力。

分析作戰(zhàn)云概念的發(fā)展過程，可以類比云計算理解作戰(zhàn)云。綜合戰(zhàn)場內所有作戰(zhàn)資源，視為一個整體(云)，并行運用各種各樣的作戰(zhàn)資源遂行使命任務。每個作戰(zhàn)任務都可以按照規(guī)則分解為作戰(zhàn)行動，分配給不同的作戰(zhàn)資源同時實施，每個作戰(zhàn)資源只需要做少量的細化任務(行動)。最后將這些資源執(zhí)行的結果整合，完成大的整體任務。對指戰(zhàn)員而言，直接面對的不是眾多作戰(zhàn)資源，而是一個好像真實存在的作戰(zhàn)能力超強的武器裝備系統(tǒng)。作戰(zhàn)云的本體是一個作戰(zhàn)資源分布的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)體系。

2.3 作戰(zhàn)云與六協(xié)同

既然對指戰(zhàn)員，可以構建一個資源層，并進行“透明化”管理，那么還可以從應用角度這樣來理解作戰(zhàn)云。交互一般發(fā)生在兩者之間(同一時間)，當有三者以上同時相互作用時，一般將其建模為“場”，如引力場、電磁場、信息場，“云”近似于場，用于表述復雜的互操作關系。每個主體既是構成場(云)的一部分，又是場(云)的作用對象。這種自反性也是復雜系統(tǒng)的一個重要特征。每個平臺作為一個云節(jié)點，既向云端提供信息，也從云端獲取信息，目標探測跟蹤數(shù)據(jù)在云端實時共享，融合成火控級的目標航跡，云端各平臺可向戰(zhàn)斗機發(fā)送打擊指令，目標照射和導彈制導也可由第三方完成。因此，整個體系具有自我修復功能，即使單個平臺或局部平臺被擊毀，也不會造成整個體系的瓦解。如圖3，多對多的作用可以細分為六類，即六協(xié)同：協(xié)同探測、協(xié)同情報、協(xié)同指揮、協(xié)同控制、協(xié)同火力、協(xié)同打擊。由此作戰(zhàn)云可視為六協(xié)同，其目標是形成網(wǎng)絡化的打擊鏈。

圖3 作戰(zhàn)云與六協(xié)同

3 互操作能力等級

3.1 節(jié)點與連接

全域互操作模型的不同之處在于分領域/層，將互操作性首先分成四個領域，從下到上分別是物理域、信息域、認知域和社會域，而后在每個領域內細化互操作性。在同一領域內，將互操作性抽象建模，按照連接的拓撲類型，區(qū)分為點、線、樹、網(wǎng)，同時為了定量度量，分別對應定義為0、1、2、3。其中，點和線在拓撲結構中是非連通的形式，樹和網(wǎng)是連通的形式。[10]

物理域中，連接的節(jié)點是一個個物理實體，節(jié)點之間的連接關系有：宇宙孤兒(點)、點對點(線)、點對多點(樹)、多點對多點(網(wǎng))。信息域中，數(shù)據(jù)/信息的交互關系有：信息孤島(點)、單播(線)、廣播(樹)、多播(網(wǎng))。認知域中，連接的節(jié)點是一個個邏輯概念，節(jié)點之間的連接關系有：獨立概念(點)、關聯(lián)概念(線)、層級派生概念(樹)、交織概念(網(wǎng))。社會域中，節(jié)點的主題是行為，個體行為之間的關系有：獨立行為(點)、主從控制行為(線)、組織層級行為(樹)、自主協(xié)同行為(網(wǎng))。

3.2 能力等級劃分

基于節(jié)點與連接關系進行分類，每個領域用0、1、2、3表示連接關系，四個領域可以有256級互操作能力。但是，由于領域內和領域間的限制條件，具體分析了57級、35級、7級等三種劃分方法。

圖4是層級之間受點-線-樹-網(wǎng)限制而生成的能力等級，限制條件是下層孤點則上層必定是孤點、下層非連通則上層必定是非連通，得到實際的互操作能力等級數(shù)為57級。

圖4 點-線-樹-網(wǎng)限制的互操作能力等級

如果遵循下層的連接度大于等于上層連接度的領域間限制，有效的互操作能力等級數(shù)為35級，如圖5所示。

圖5 層域間限制的互操作能力等級

考慮到軍事信息系統(tǒng)的演進特性，即上層的連接度緊跟下層的連接度直至最大值，如表1所示是研究工作推薦的劃分方法，互操作能力等級數(shù)為7級。按照這種7級的互操作能力等級劃分方法，很容易確定一個信息系統(tǒng)的等級。

表1 軍事信息系統(tǒng)互操作能力等級

4 互操作能力度量

4.1 聯(lián)通性

互操作能力用等級評估只是定量分析信息系統(tǒng)的開始，點-線-樹-網(wǎng)的拓撲僅僅粗略描述了一個信息系統(tǒng)的互操作能力，尚不能全面揭示信息系統(tǒng)的性能。評估一個信息系統(tǒng)，在劃分互操作等級之后，可以進一步度量聯(lián)通性、傳播性、一致性、適應性等四項互操作能力指標。

聯(lián)通性(多)表征信息系統(tǒng)中節(jié)點間的連接程度，用網(wǎng)絡中實際邊數(shù)與可能存在邊數(shù)的比值來度量，這里的節(jié)點可以是物理域、信息域、認知域和社會域中任何一個域的個體(主體)。聯(lián)通性的度量公式如下：

聯(lián)通度D=2E/N(N-1)

(1)

對于一個有N個節(jié)點的無向圖網(wǎng)絡，理論上可能存在邊數(shù)為N(N-1)/2，實際邊數(shù)為E。聯(lián)通度的提升目標是“多”。

此外，研究工作對信息系統(tǒng)互操作能力還有兩點預期：快速達成一致和對抗穩(wěn)定性。與此密切相關的指標有三個：傳播性(快)、一致性(好)、適應性(省)。

4.2 傳播性

軍事信息系統(tǒng)中信息、認知、行動等的傳播性用傳播速度度量，公式如下：

傳播速度V=物理速度v/拓撲空間形變率t

(2)

其中：物理速度是指信息、認知、行動等在兩個節(jié)點之間傳遞的速度，其數(shù)值取決于物理規(guī)律。

拓撲空間形變率是對網(wǎng)絡在拓撲空間的結構度量，研究工作中采用網(wǎng)絡平均路徑長度t。網(wǎng)絡平均路徑長度(又稱特征路徑長度)定義為：網(wǎng)絡中任意兩個節(jié)點之間最小路徑長度的平均值[11]。路徑長度的單位是“跳數(shù)”，網(wǎng)絡的平均路徑長度大于等于1，即兩個節(jié)點之間的距離至少是1跳以上。

傳播速度表征了信息、認知、行動等在軍事信息系統(tǒng)中任意兩個節(jié)點之間傳遞的平均速度，展示了網(wǎng)絡的拓撲空間結構，就像物理空間結構展示了粒子間作用力關系的統(tǒng)計規(guī)律，傳播速度的提升目標是“快”。

4.3 一致性

一致性是另外一種對拓撲空間結構的度量，主要關注拓撲空間結構的穩(wěn)定性，表征了信息、認知、行動等在軍事信息系統(tǒng)中同步并達成一致的程度。研究網(wǎng)絡同步性也就是研究網(wǎng)絡穩(wěn)定性。當所有的節(jié)點要么鎖定步調一同前進，要么安靜下來等于同一個值，網(wǎng)絡就達到了穩(wěn)定。以鎖定步調方式一同前進的網(wǎng)絡稱為震蕩，網(wǎng)絡包含能到達同一個穩(wěn)定值的節(jié)點稱為同步。[11]研究工作中，采用聚類系數(shù)來度量網(wǎng)絡的一致性。聚類系數(shù)是對“有多少節(jié)點與它們的鄰接節(jié)點形成三角子圖”的一種測量。一個節(jié)點的聚類系數(shù)是三角子圖的實際數(shù)與最大可能數(shù)之比。整個網(wǎng)絡的聚類系數(shù)就是所有節(jié)點聚類系數(shù)的平均。

軍事信息系統(tǒng)中信息、認知、行動等的傳播一致性度量公式如下：

一致性CC(G)=∑i=1CC(vi)/n

(3)

其中：CC(vi)是節(jié)點vi的聚類系數(shù)，一致性是n個節(jié)點聚類系數(shù)的平均。

一致性表征了信息、認知、行動等在軍事信息系統(tǒng)的節(jié)點之間同步的程度，展示了網(wǎng)絡的拓撲空間穩(wěn)定性，網(wǎng)絡一致性的提升目標是“好”。

4.4 適應性

一個網(wǎng)絡信息體系，面對外部的毀傷或者內部的失效，多大程度上能夠保持原有的能力？是否能夠恢復原有的能力？這就是網(wǎng)絡信息體系的適應性問題。如公式(4)，某個節(jié)點的適應性R定義為威脅T、脆弱性V、毀傷效果C這三個變量的乘積。

Ri=TiViCi

(4)

其中：威脅T是對該節(jié)點的攻擊可能發(fā)生的概率。

脆弱性V是該節(jié)點或相關聯(lián)鏈路遭到攻擊后，網(wǎng)絡發(fā)生故障的概率。

成功的攻擊產生毀傷效果C。

具有n個節(jié)點，m條鏈路的網(wǎng)絡適應性定義為：

R=∑n+mTiViCi

(5)

網(wǎng)絡的適應性，可以通過分析關鍵節(jié)點和關鍵鏈路兩種不同的分析方法來計算。降低網(wǎng)絡風險的手段可以是降低毀傷效果、脆弱性或同時降低兩者的過程，考慮到資源的有限性，適應性的提升目標是“省”，也就是資源優(yōu)化，以有限資源獲取最大適應性。

5 結 語

面向作戰(zhàn)云的軍事需求，基于信息系統(tǒng)的“四象域”模型，研究工作揭示了互操作能力對于信息系統(tǒng)的關鍵重要作用，進而提出了互操作能力的提升目標是“多快好省”，給出了聯(lián)通性、傳播性、一致性、適應性等四項指標的度量方法?！岸唷庇脕砗饬抗?jié)點間的聯(lián)通度；“快”用來衡量信息、認知、行動等的傳播速度；“好”用來衡量節(jié)點的一致性；“省”用來衡量對抗威脅和失效的適應性。對一個信息系統(tǒng)就可以評估為：互操作能力等級是幾級，具體的聯(lián)通度、傳播速度、一致性、適應性是多少。順應軍事信息系統(tǒng)發(fā)展趨勢，研究工作有助于軍事信息系統(tǒng)的理論發(fā)展和工程實現(xiàn)。

[1] GJB/Z144—2004 指揮自動化系統(tǒng)互操作性等級及評估[S].

[2] 高阜鄉(xiāng), 馬超, 歐有遠. 軍事電子信息系統(tǒng)互操作性測評研究綜述[J]. 中國電子科學研究院學報, 2009, 1(2): 19-25.

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[9] Department of Defense Dictionary of Military Terms. Accessed June 21 2004.

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Study on Evaluation Method for Military Information Systems Interoperability

ZHANG Xue-song1, SU Xin2, WANG yan-min1

(1.China Academy of Electronic and Information Technology, Beijing 100041, China;2.University of Electronic Science and Technology of China, Sichuan Chengdu 611731, China)

Interoperability of military information systems is one of the decisive factors for future warfare. The essence of operational actions and the core idea of interoperability are discussed，and then the Combat Cloud is illustrated with Six-Cooperation Model. Base on Four Quadrants, which is composed of physics domain, information domain, cognition domain, and sociology domain, a user-friendly evaluation method for Military Information Systems Interoperability is proposed, together with the computation method for four relevant parameters. The exploration of the Interoperability of military information systems is useful to the constriction of military information systems.

Military Information Systems; Interoperability; Combat Cloud; Six-Cooperation; Four Quadrants

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.06.016

2016-09-10

2016-11-30

973基金項目(613314)

張雪松(1972—)，男，北京人，研究員級高級工程師，主要研究方向為信息系統(tǒng)；

E-mail: Cedar_ZH@163.com

蘇 辛(1990—)，男，四川人，主要研究方向為動態(tài)規(guī)劃；

王燕敏(1986—)，女，山東人，博士研究生，主要研究方向為空間網(wǎng)絡與無線通信。

TP14 文獻標識碼：A

1673-5692(2016)06-649-06