羅穎光，鄒自力，倪 倩

(國防科技大學信息通信學院，湖北 武漢 430010)

開展指揮對抗模擬訓練，合成指揮員需要根據(jù)上級指示及敵情、我情、戰(zhàn)場情況，擬制作戰(zhàn)計劃，組織部隊開展各項準備工作和具體實施作戰(zhàn)指揮[1]。為確保整個作戰(zhàn)過程順利實施，信息通信部門和通信部(分)隊需要按時機動至作戰(zhàn)地域開通機固一體的通信網(wǎng)系，并進行執(zhí)勤維護。作為合成指揮員，通常情況下并不關心復雜的通信組織關系、通信網(wǎng)系拓撲結構和信息如何流動等通信領域的專業(yè)內容，只需要在盡可能短的時間內從總體上掌握通信網(wǎng)系組織運用的能力即可。目前軍內外眾多學者均對該問題進行了相關研究，如文獻[2]采用模糊綜合評估的方法對指揮控制系統(tǒng)組織運用效能進行評估；文獻[3]采用層次分析法對一體化信息系統(tǒng)作戰(zhàn)運用效能進行評估。但是上述方法均是采用定性的方法開展系統(tǒng)整體研究，并沒有突出系統(tǒng)內部指標體系之間的關系以及各指標數(shù)值的變化對系統(tǒng)的影響。據(jù)此，本文針對合成指揮員對于通信網(wǎng)系組織運用的“特殊”需求，選取相應指標，采用改進的冪指數(shù)法構建通信網(wǎng)系組織運用能力模型，在獲取一些戰(zhàn)場實時數(shù)據(jù)的基礎上，將通信網(wǎng)系組織運用情況以指數(shù)形式提供給合成指揮員，以便于對聯(lián)合作戰(zhàn)實施精準指揮控制。

1 冪指數(shù)法原理

指數(shù)法是評估武器裝備作戰(zhàn)效能時，提出的一個統(tǒng)一的度量標準，是在對武器系統(tǒng)充分了解的基礎上使用的方法[4]。目前，該方法適用于宏觀分析及快速評估，且作戰(zhàn)能力建立在武器系統(tǒng)自身的技戰(zhàn)術指標的基礎上，解決了指標量綱不一致的問題，因而在系統(tǒng)工程領域被廣泛應用[5]。本文采用冪指數(shù)法時，針對指標聚合關系的不同，對冪指數(shù)法進行了改進，分別是相加冪關系、相加乘關系。

1.1 相加冪關系

(1)

這類指標聚合關系，體現(xiàn)了不同指標可分別獨立作用于上層指標，即同一指標層內的指標可全部存在，也可部分存在，對上層指標沒有影響。

1.2 相加乘關系

(2)

這類指標聚合關系，體現(xiàn)了不同指標對于上層指標的總貢獻大小，即同一指標層互為補充關系，任一零值不能導致上層指標為零。

2 模型體系結構設計

模型構建的一般原則是先確定總目標，然后再逐層分析下一層影響因素，采用分級分類，層層遞進聚合的方式，直到底層因素[6]。即只要知道系統(tǒng)的內容及層次結構，就可以按照分類及層次遞進關系構建模型。根據(jù)組織運用包含的具體內容，組織運用能力可分為通信兵力機動能力和網(wǎng)系能力。

2.1 通信兵行動能力

通信兵行動能力主要描述的是通信部隊執(zhí)行通信保障任務時結合通信裝備遂行通信網(wǎng)系開設任務的行動，主要有機動能力、網(wǎng)系開設能力、搶通能力、通信網(wǎng)系調整能力等四個方面。

2.2 通信網(wǎng)系能力

通信網(wǎng)系能力是通信裝備和通信兵力的有機結合，在作戰(zhàn)行動中體現(xiàn)的通信保障任務的能力。由于基于指揮信息系統(tǒng)的指揮對抗模擬訓練系統(tǒng)中，合成指揮員并不關心通信網(wǎng)系的組網(wǎng)模式，所以本文不對通信網(wǎng)系具體組網(wǎng)模式進行深入研究，只是在已經(jīng)建立好的通信網(wǎng)系基礎上，對于通信網(wǎng)系的性能進行分析。本文重點從信息傳輸能力、指揮控制能力、頻譜管理能力、服務支持能力和安全防御能力五個方面綜合評價通信網(wǎng)系的能力。

1)信息傳輸能力，是通信網(wǎng)系最重要的能力，主要用于描述指揮所之間、指揮所與作戰(zhàn)部隊之間數(shù)據(jù)互通、交換能力。包括廣域覆蓋能力、寬帶傳輸能力、互連互通能力和隨遇接入能力。

2)指揮控制能力，主要用于描述在作戰(zhàn)過程中輔助指揮員對部隊進行指揮控制的能力。包括態(tài)勢融合能力、籌劃決策能力、行動控制能力和平臺鉸鏈能力。

3)頻譜管理能力，主要用于描述通信網(wǎng)系在頻譜管理使用方面的科學和理性，主要包括資源統(tǒng)籌能力、頻譜感知能力、頻譜管控能力和頻譜信息服務能力。

4)服務支持能力，主要包括計算存儲能力、軟件服務能力、信息服務能力和數(shù)據(jù)保障能力。

5)安全防御能力，主要用于描述通信網(wǎng)系自身抵御敵方網(wǎng)絡攻擊、火力打擊能力，包括信息安全能力、網(wǎng)電防御能力、抗毀頑存能力和自主可控能力。

3 模型構建

由模型體系結構設計可知，組織運用能力模型構建應分為通信兵行動能力模型和通信網(wǎng)系能力模型分別構建。

3.1 通信兵行動能力建模

由模型體系結構可知，通信兵行動能力模型可分為機動能力、網(wǎng)系開設能力、搶通能力、通信網(wǎng)系調整能力等四個方面。這四種能力可分別獨立作用于通信兵行動能力，因而可通過改進的相加冪指數(shù)模型來進行計算：

(3)

式中，Io1為通信兵行動能力指數(shù)，oi為通信兵行動子能力指數(shù)(經(jīng)規(guī)范化處理)；wi為第i種能力對于通信兵行動能力總體的權重，wi滿足下面的關系：

(4)

通信兵行動能力子能力中的通信機動能力、網(wǎng)系開設能力、搶通能力和轉移能力的取值可以從方案中讀取，經(jīng)規(guī)范化處理后代入公式計算。

3.2 通信網(wǎng)系能力建模

由模型體系結構可知，通信網(wǎng)系能力模型可分為信息傳輸能力模型、指揮控制能力模型、頻譜管理能力模型、服務支持能力模型以及安全防御能力模型等五部分。對一般通信網(wǎng)系而言通常情況下包含這五種能力中的全部或一部分，例如：光纖、微波鏈路以及衛(wèi)星通信主要是作為主干信息傳輸通道使用，那么信息傳輸能力的權重就應當加大，而指揮控制能力和頻譜管理能力所占的權重就適當減小。在實際計算中可以根據(jù)具體建立的各類網(wǎng)系，結合不同類型通信網(wǎng)系的特點用途來計算各子能力的權重，必要時也可直接對權重進行相應的調整。

計算通信網(wǎng)系能力首先應計算底層能力指數(shù)，然后逐步聚合得到上層能力指數(shù)，由于模糊數(shù)學主要解決認知不確定問題，其研究對象具有內涵明確、外延不明確特點，因此本文采用模糊綜合評判方法思想，通過確定子能力因素的隸屬度和權重，將底層多個因素綜合為上層因素，最后計算通信網(wǎng)系能力。

3.2.1 信息傳輸能力指數(shù)模型

信息傳輸能力是衡量通信網(wǎng)系最主要的能力因素，通常通過廣域覆蓋能力、寬帶傳輸能力、互連互通能力和隨遇接入能力等四個方面進行度量，具體如圖1所示。

于是可得信息傳輸能力指數(shù)計算模型為

(5)

式中，d為信息傳輸能力指數(shù)；di為第i種能力指數(shù)(經(jīng)規(guī)范化處理)；mi為第i種能力權重，mi滿足下面的關系：

(6)

廣域覆蓋能力指數(shù)di計算公式如下：

(7)

式中，di為第i種能力指數(shù)；dij為量化值對指標理想值的隸屬度；γij為第i種能力的第j點的權重，并滿足下面的關系：

(8)

同理可得，寬帶傳輸能力、互聯(lián)互通能力和隨遇接入能力指數(shù)計算模型。

3.2.2 指揮控制能力指數(shù)模型

指揮控制能力包括了態(tài)勢融合能力、籌劃決策能力、行動控制能力和平臺鉸鏈能力，具體如圖2所示。

指揮控制能力指數(shù)計算模型可參照公式(5)至公式(8)構建。

3.2.3 頻譜管理能力指數(shù)計算模型

通信網(wǎng)系的頻譜管理能力包含了資源統(tǒng)籌能力、頻譜感知能力、頻譜管控能力和頻譜信息服務能力，具體如圖3所示。

頻譜管理能力指數(shù)計算模型可參照公式(5)至公式(8)構建。

3.2.4 服務支持能力指數(shù)計算模型

服務支持能力主要體現(xiàn)在計算存儲能力、軟件服務能力、信息服務能力和數(shù)據(jù)保障能力四個方面，具體如圖4所示。

服務支持能力指數(shù)計算模型可參照公式(5)至公式(8)構建。

3.2.5 安全防御能力指數(shù)計算模型

通信網(wǎng)系的安全防御能力是較為重要的一項能力，包括了信息安全能力、網(wǎng)電防御能力、抗毀頑存能力和自主可控能力，具體如圖5所示。

安全防御能力指數(shù)計算模型可參照公式(5)至公式(8)構建。

3.2.6 通信網(wǎng)系能力綜合計算模型

確定通信網(wǎng)系各能力指數(shù)后，考慮到不同通信網(wǎng)系五種能力的區(qū)別，并能夠最大化地體現(xiàn)同一網(wǎng)系中不同作戰(zhàn)階段五種能力值變化對綜合能力影響，構建單網(wǎng)系能力綜合計算模型為

(9)

式中，I單網(wǎng)系為通信網(wǎng)系能力指數(shù)；pi為第i種能力指數(shù)；wi為第i種能力權重，wi滿足下面的關系：

(10)

通過以上分析得出了單網(wǎng)系能力指數(shù)模型，指揮對抗模擬訓練中通常需要建立多個網(wǎng)系共同作用下完成信息通信保障任務，多個通信網(wǎng)系之間雖然存在信息交互，但從邏輯上分析可認為均獨立作用于總的通信網(wǎng)系能力，通過能力指數(shù)疊加的方法，可建立通信網(wǎng)系能力指數(shù)模型為

(11)

式中，Io2為通信網(wǎng)系能力指數(shù)；n為建立的網(wǎng)系數(shù)量；δn為第i個網(wǎng)系的調整因子。

3.3 組織運用能力聚合建模

組織運用能力是通過兵力行動建立通信聯(lián)絡的能力，其中通信兵行動能力指數(shù)和通信網(wǎng)系能力指數(shù)之間不是簡單相加或乘積關系，而是通過有機結合共同涌現(xiàn)的結果，任意一項能力指數(shù)極小時，組織運用能力指數(shù)均會受其影響而取極小值，因此，組織運用能力指數(shù)計算建?？刹捎脦缀纹骄枷脒M行計算[6]。此外需要考慮到兩個重要因素：一是組織運用能力是在人員、裝備能力基礎上體現(xiàn)出的能力；二是通信網(wǎng)系能力在戰(zhàn)場電磁環(huán)境影響下一定程度上會降低。

因此，通信保障組織運用能力指數(shù)模型如下：

(12)

式中，Io為組織運用能力指數(shù)；Ib為人員、裝備基礎通信能力指數(shù)；kb為人員、裝備能力指數(shù)在組織運用能力中的調整因子；Io1、Io2為通信兵行動能力指數(shù)和通信網(wǎng)系能力指數(shù)；φ為電磁環(huán)境復雜度。

計算時，為了簡化模型的復雜度，可設人員、裝備基礎通信能力指數(shù)為常數(shù)。

4 仿真分析

4.1 權重計算

組織運用能力模型的44項三級指標能力均可以通過讀取方案中的數(shù)據(jù)和規(guī)范化處理后得到，實際使用中需要計算的是各底層能力指數(shù)的權重，具體可采用層次分析法計算[7]。

1)構造兩兩判斷矩陣，首先進行專家咨詢，然后利用層次分析法群組決策方法構造兩兩比較判斷矩陣。

設有S名專家參與評估，他們的判決矩陣分別為A1、A2、…、As，其中

Ak=(aij,k)i=1,2,…m;j=1,2,…n;k=1,2,…S

(13)

將S個判決矩陣，用幾何平均的方法獲得一個綜合判決矩陣Ak=(aij)。

式(13)中的aij通過下式計算得到：

i=1,2,…m;j=1,2,…n

(14)

2)確定各層能力的權重

采用乘積方根法計算權重，公式如下：

(15)

3)計算判決矩陣的最大特征根λmax

(16)

其中，

(17)

4)判決矩陣一致性檢驗

若CR<0.1，認為判決矩陣的一致性是可以接受的；否則，應對判決矩陣進行適當修改。

4.2 仿真實現(xiàn)

為簡化計算，通信兵力、裝備基礎通信能力指數(shù)設置為0.75，電磁環(huán)境復雜度指數(shù)設置為0.5。同時計算權重時，結合某演習，采用層次分析法計算的通信兵行動能力權重為[0.3317 0.3317 0.1972 0.1394]，通信網(wǎng)系能力權重為[0.3229 0.2447 0.1854 0.1405 0.1065]，信息傳輸能力權重為[0.3317 0.3317 0.1972 0.1394]，指揮控制能力權重為[0.4393 0.3107 0.1464 0.1036]，頻譜管理能力權重為[0.3905 0.2761 0.1953 0.1381]，服務支持能力權重為[0.4225 0.2699 0.1725 0.1351]，安全防御能力權重為[0.4393 0.3107 0.1464 0.1036]。由此，可以計算得出在指揮對抗模擬訓練開始20分鐘時通信網(wǎng)系組織運用能力指數(shù)為672.3。隨著模擬訓練時間推進至4小時，通信網(wǎng)系組織運用能力指數(shù)下降至385，具體如圖6所示。

4.3 結果分析

由圖6可以看出，組織運用能力指數(shù)變化起伏較大，主要原因是隨著作戰(zhàn)時間推進，通信網(wǎng)系的節(jié)點、鏈路等受敵打擊毀傷較為嚴重，而由于通信網(wǎng)系及時調整和搶修搶通，組織運用能力指數(shù)可以基本恢復到之前的水平。但是，隨著作戰(zhàn)時間向前推進，組織運用能力指數(shù)還是存在下降趨勢，一方面是通信網(wǎng)絡和節(jié)點受敵方的硬摧毀和軟打擊，毀傷嚴重，己方網(wǎng)系已沒有備份可供調整以及現(xiàn)有力量已不能及時搶修搶通，造成組織運用能力下降；另一方面是己方通信網(wǎng)系受戰(zhàn)場電磁環(huán)境及用頻裝備的干擾，性能下降嚴重，一定程度上制約了組織運用能力中的頻譜管理能力。