丁澤柳

(軍事科學(xué)院評估論證研究中心,北京 100091)

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算等高新技術(shù)在軍事領(lǐng)域的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用,正在深刻改變軍事斗爭形式,引發(fā)一系列革命性變化,催生出馬賽克作戰(zhàn)、分布式作戰(zhàn)、敏捷作戰(zhàn)等各種新的作戰(zhàn)概念。它們顛覆了傳統(tǒng)作戰(zhàn)思想和方法,運用智能化裝備和手段,依托分布式指揮控制系統(tǒng),采取動態(tài)協(xié)同、高度自主的作戰(zhàn)方式,實現(xiàn)高效、可靠指揮和靈活、精確打擊。

目前,研究者們針對分布式指揮控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、運行機制等領(lǐng)域相關(guān)問題提出了很多解決方法,但在系統(tǒng)效能評估方面仍然以面向傳統(tǒng)集中式指揮控制的評估方法為主。為了能夠綜合判斷分布式指揮控制系統(tǒng)在新型作戰(zhàn)樣式中達成預(yù)期作戰(zhàn)目的或任務(wù)目標的能力,全方位了解分布式指揮控制系統(tǒng)的作戰(zhàn)效果、薄弱環(huán)節(jié)及重點建設(shè)發(fā)展方向,本文從信息傳輸能力、持續(xù)運行能力、任務(wù)完成能力等角度建立評估指標,通過量化解析方式,研究給出一種分布式指揮控制系統(tǒng)效能評估方法,可作為各類新型作戰(zhàn)體系分析設(shè)計與建設(shè)規(guī)劃的參考。

1 系統(tǒng)基本構(gòu)成

分布式指揮控制系統(tǒng)由信息處理、輔助決策、通信指揮等各種功能要素,基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù),按照特定組織關(guān)系與指揮機制相結(jié)合,履行分布式聯(lián)合作戰(zhàn)指揮控制職能的軍事信息系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)集中式指揮控制系統(tǒng),分布式指揮控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)更加扁平,任務(wù)部署更加柔韌,行動支配更加敏捷,更適合對多類型、多區(qū)域分散配置的無人或人機協(xié)同的武器裝備進行管控,是各種新型作戰(zhàn)樣式得以有效實施的基礎(chǔ)。

從系統(tǒng)功能角度劃分,分布式指揮控制系統(tǒng)的基本組成主要包括信息融合分系統(tǒng)、決策支持分系統(tǒng)、信息傳輸分系統(tǒng)以及指揮人員等,其組成關(guān)系如圖1所示。分布式指揮控制系統(tǒng)利用信息融合分系統(tǒng)接收和處理各路戰(zhàn)場情報信息,通過決策支持分系統(tǒng)進行規(guī)則匹配、模型計算、人機交互等操作,形成多個作戰(zhàn)方案,由指揮人員定下決心后,通過信息傳輸分系統(tǒng)下達行動部署、分配作戰(zhàn)任務(wù),并將各作戰(zhàn)單位獲取的戰(zhàn)場信息反饋給信息融合分系統(tǒng)。

圖1 分布式指揮控制系統(tǒng)功能組成關(guān)系

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度劃分,分布式指揮控制系統(tǒng)由分散配置于不同區(qū)域的指控節(jié)點,按照特定拓撲結(jié)構(gòu)通過通信鏈路相互連接構(gòu)成,如圖2所示。信息傳輸分系統(tǒng)由大量通信鏈路和傳輸設(shè)備組成,信息融合分系統(tǒng)和決策支持分系統(tǒng)包含很多網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備連接到信息傳輸分系統(tǒng)的傳輸設(shè)備上,利用各種通信鏈路以有線或無線方式互聯(lián)互通,構(gòu)成了以分散部署的信息融合分系統(tǒng)和決策支持分系統(tǒng)為指控節(jié)點、以高效互聯(lián)的信息傳輸分系統(tǒng)為通信手段的指控網(wǎng)絡(luò),并成為分布式指揮控制系統(tǒng)的組織形式和運行基礎(chǔ)。

圖2 分布式指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

2 系統(tǒng)評估指標設(shè)計

從系統(tǒng)功能和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度衡量分布式指揮控制系統(tǒng)效能,評價的依據(jù)和標準在于指揮控制的傳輸性、可靠性,以及有效性。如圖3所示。

圖3 分布式指揮控制系統(tǒng)效能評估指標體系

指揮控制傳輸性考查分布式指控系統(tǒng)的信息傳輸能力,是對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完善程度的度量,評價指標主要包括網(wǎng)絡(luò)吞吐力、平均傳輸率、平均傳輸時延等。傳輸性高的分布式指揮控制系統(tǒng),指控節(jié)點數(shù)量和關(guān)系設(shè)置更加合理,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)布局更加科學(xué),信息傳輸量更大,傳輸效率更高,能夠全面支持作戰(zhàn)指控過程中的海量信息交互與傳輸。

指揮控制可靠性考查分布式指揮控制系統(tǒng)的持續(xù)運行能力,是對系統(tǒng)功能執(zhí)行延續(xù)程度的度量,評價指標主要包括系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度、系統(tǒng)聚合度、系統(tǒng)失效概率等。可靠性高的分布式指揮控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)關(guān)系設(shè)計更加科學(xué),功能分配設(shè)置更加均衡,戰(zhàn)場適應(yīng)性更強,任務(wù)執(zhí)行率更高,能夠充分滿足作戰(zhàn)指控過程的復(fù)雜性和多樣性要求。

指揮控制有效性考查分布式指揮控制系統(tǒng)的任務(wù)完成能力,是對系統(tǒng)功能作用可實現(xiàn)程度的度量,評價指標主要包括信息融合率、決策匹配率、決策生成時間等。有效性高的分布式指揮控制系統(tǒng),能夠按照系統(tǒng)設(shè)計要求和作戰(zhàn)需求,更加正確、及時地執(zhí)行并實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能,任務(wù)完成率更高,能夠充分發(fā)揮指控系統(tǒng)在作戰(zhàn)過程中的兵力倍增作用。

按照以上評價依據(jù),可選取的指標還有很多,這里僅選取以下幾項較為重要且可量化的指標做重點分析。

1)網(wǎng)絡(luò)吞吐力

網(wǎng)絡(luò)吞吐力是指在各通信鏈路技術(shù)條件確定的情況下,指控網(wǎng)絡(luò)的最大信息傳輸能力,體現(xiàn)了分布式指揮控制系統(tǒng)總體上可容納的信息流量上限。網(wǎng)絡(luò)吞吐力越強,在單位時間內(nèi)能夠轉(zhuǎn)發(fā)的總的信息量就越大,傳輸效率就會越高。

2)平均傳輸準確率

平均傳輸準確率是指各通信鏈路上傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)被準確接收的平均比例,體現(xiàn)了分布式指揮控制系統(tǒng)在單位時間內(nèi)正確傳輸?shù)男畔⒘看笮?。平均傳輸準確率越高,各指控節(jié)點之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、解碼錯誤、重組失序等傳輸問題的情況就會越少,系統(tǒng)實際信息傳輸量就會越大。

3)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度

系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度是指各指控節(jié)點之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的緊密程度。系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度高的分布式指揮控制系統(tǒng),擁有更多的通信鏈路連接相同數(shù)量的指控節(jié)點,這些通信鏈路使得各指控節(jié)點之間能夠建立更多的信息傳輸路徑,相互聯(lián)系更加緊密,系統(tǒng)運行更加可靠。

4)系統(tǒng)聚合度

系統(tǒng)聚合度是指基于指控節(jié)點度數(shù)確定的系統(tǒng)聚合化程度。聚合度高的分布式指揮控制系統(tǒng),擁有更多功能任務(wù)集中的指控節(jié)點,導(dǎo)致整個系統(tǒng)的任務(wù)中心化程度較大,功能配置不均衡,容易出現(xiàn)任務(wù)負載不平衡、功能執(zhí)行瓶頸等降低系統(tǒng)運行效率的情況。

5)信息融合率

信息融合率是指信息融合分系統(tǒng)對接收到的多路信息源進行有效融合的程度,體現(xiàn)了分布式指揮控制系統(tǒng)的信息分析處理能力。信息融合率越高,對各路信息源的關(guān)聯(lián)分析和融合處理能力就越強,信息的轉(zhuǎn)換和利用率會更高,得出的戰(zhàn)情判斷結(jié)果更為真實有效。

6)決策匹配率

決策匹配率是指決策支持分系統(tǒng)對信息融合后得出的作戰(zhàn)情況進行有效決策匹配的程度,取決于決策支持分系統(tǒng)中各類知識、規(guī)則和模型的匹配作用,體現(xiàn)了分布式指揮控制系統(tǒng)的決策生成能力。決策匹配率越高,對作戰(zhàn)情況的框定會越準確,生成的決策方案會更符合作戰(zhàn)要求。

3 系統(tǒng)評估模型建立

3.1 指標解析模型

將處于一地或同一指揮機構(gòu)內(nèi)的信息融合分系統(tǒng)、決策支持分系統(tǒng)抽象成指揮控制節(jié)點,將信息傳輸分系統(tǒng)抽象成節(jié)點連接關(guān)系,即可利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和網(wǎng)絡(luò)分析方法建立各項效能指標解析模型。

1)網(wǎng)絡(luò)吞吐力解析模型

指揮控制網(wǎng)絡(luò)在單位時間內(nèi)的總吞吐量等于所有通信鏈路的帶寬之和。將指揮控制網(wǎng)絡(luò)中的通信鏈路數(shù)量記為,將第條通信鏈路的帶寬記為,將網(wǎng)絡(luò)總吞吐量記為,則有

(1)

為了避免網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和結(jié)構(gòu)特征對評估結(jié)果產(chǎn)生影響,引入網(wǎng)絡(luò)最大信息傳輸速率需求,并對網(wǎng)絡(luò)總吞吐量與最大信息傳輸速率需求取比值,作為網(wǎng)絡(luò)吞吐力的指標度量。

將指揮控制節(jié)點數(shù)量記為,如果其中第個指揮控制節(jié)點與第個指揮控制節(jié)點之間存在通信需求,由于受到各通信鏈路的帶寬限制,和之間的信息傳輸速率最大等于其通信路徑中的最小鏈路帶寬。假設(shè)指控節(jié)點之間均通過最短路徑通信,將和之間最短路徑包含的所有鏈路的序號集合記為,將和之間的最大信息傳輸速率記為,則有

=min{|∈,≠}

(2)

假設(shè)滿負荷運行情況下,任意兩個指揮控制節(jié)點之間均存在通信需求,則指控網(wǎng)絡(luò)的最大信息傳輸速率需求可由式(3)給出,記為′：

(3)

其中，和的取值范圍分別設(shè)置為1≤≤-1和+1≤≤,是為了使與取值不同,且不會被重復(fù)計算。

在獲得總吞吐量和最大信息傳輸速率需求′后,對其求比值即可得到分布式指揮控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐力,記為,則有

=′

(4)

將式(1)、式(2)和式(3)代入式(4)得

(5)

在求取′的過程中,每條通信鏈路的帶寬至少會被計算一次,可知≤′,即0<≤1,當指控網(wǎng)絡(luò)為全連通網(wǎng)絡(luò)時，取值等于1。

2)平均傳輸準確率解析模型

每條通信鏈路的傳輸準確率等于單位時間內(nèi)接收端正確接收的信息量相對發(fā)送端發(fā)出的信息量的比例。各通信鏈路可能會采用不同的通信方式、收發(fā)信設(shè)備或傳輸介質(zhì),加上戰(zhàn)場環(huán)境等多種因素的影響,導(dǎo)致通信鏈路的傳輸準確率也會各不相同。

在全雙工通信條件下可忽略信息傳輸方向,將第條通信鏈路的傳輸準確率記為,將分布式指揮控制系統(tǒng)的平均傳輸準確率記為,則有

(6)

的取值范圍為0≤≤1。當受到敵方電磁干擾或天氣影響時,取值將會降低,尤其對于無線網(wǎng)絡(luò)。

3)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度解析模型

系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度表現(xiàn)為通信鏈路相對于指控節(jié)點的數(shù)量大小,可利用通信鏈路數(shù)量與指控節(jié)點數(shù)量的比值計算。

將分布式指揮控制系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)度記為,則有

=×

(7)

其中，為修正系數(shù),由于通信鏈路數(shù)量最多為(-1)2；當=1時,的取值范圍為0≤≤(-1)2。

為了使取值歸一化,可令=2(-1),代入式(7)得

=2(×(-1))

(8)

的取值范圍為0<≤1,當通信鏈路數(shù)量為(-1)2,即指控網(wǎng)絡(luò)為全連通網(wǎng)絡(luò)時,取值等于1,此時分布式指揮控制系統(tǒng)的連通性最強,節(jié)點互聯(lián)關(guān)系最為緊密。

4)系統(tǒng)聚合度解析模型

將指控網(wǎng)絡(luò)中第個指控節(jié)點的度數(shù)記為,它等于與節(jié)點直接相連的節(jié)點數(shù)量,這里將節(jié)點的聚合度定義為節(jié)點的度數(shù)與節(jié)點數(shù)量的比值,記為,則有

=

(9)

對所有節(jié)點的聚合度取最大值max{|1≤≤},再分別與各個節(jié)點的聚合度相減,即可得到單個節(jié)點的任務(wù)中心化差異,記為′,則有

′=max{}-

(10)

在此基礎(chǔ)上，定義分布式指揮控制系統(tǒng)的聚合度等于1與平均任務(wù)中心化差異的差值,記為,以保證該項指標度量與指揮控制效能成正比,則有

(11)

將式(10)代入式(11)得

(12)

將式(9)代入式(12)得

(13)

的取值范圍為0<≤1,當指揮控制網(wǎng)絡(luò)為全連通網(wǎng)絡(luò)時,每個節(jié)點的度數(shù)都相等,取值等于1,此時分布式指揮控制系統(tǒng)的任務(wù)中心化程度最低。

5)信息融合率解析模型

不同的信息融合分系統(tǒng),其硬件配置、信息處理技術(shù)可能各不相同,導(dǎo)致每個指控節(jié)點的信息融合率也不盡相同。

將第個指控節(jié)點接收的信息源數(shù)量記為,可融合處理的信息源數(shù)量記為,將該指控節(jié)點的信息融合率記為,則有

=

(14)

對所有指揮控制節(jié)點的信息融合率取平均值,即可得到分布式指揮控制系統(tǒng)的信息融合率,記為。

(15)

的取值范圍為0≤≤1,當所有指揮控制節(jié)點的信息融合率均為1時,取值等于1,此時分布式指揮控制系統(tǒng)的信息融合能力達到最高。

6)決策匹配率解析模型

受到指揮體制、軟硬件配置等因素的影響,不同的決策支持分系統(tǒng),其知識庫、規(guī)則庫、模型庫的規(guī)模大小、匹配方式往往各不相同,導(dǎo)致各個指揮控制節(jié)點的決策匹配率也不盡相同。

將第個指揮控制節(jié)點的知識匹配率、規(guī)則匹配率、模型匹配率分別記為、、,將該指揮控制節(jié)點的決策匹配率記為,由于知識、規(guī)則、模型三者不屬于同一測量緯度,這里利用、、的平方均值計算,則有

(16)

對所有指揮控制節(jié)點的決策匹配率取平均值,即可得到分布式指揮控制系統(tǒng)的決策匹配率,記為：

(17)

將式(16)代入式(17)得

(18)

的取值范圍為0≤≤1,當所有指控節(jié)點的知識匹配率、規(guī)則匹配率、模型匹配率均為1時,取值等于1,此時分布式指揮控制系統(tǒng)的決策匹配能力達到最高。

3.2 綜合評估模型

在分析解算出網(wǎng)絡(luò)吞吐力、平均傳輸準確率、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度、系統(tǒng)聚合度、信息融合率、決策匹配率等指標的基礎(chǔ)上,對各項指標取值進行加權(quán)求和,可進一步判斷求取分布式指揮控制系統(tǒng)的綜合效能。

(19)

其中，0<≤1。當取值越大時,表示分布式指揮控制系統(tǒng)越能夠充分發(fā)揮其作戰(zhàn)指揮和行動控制能力,更加高效完成情報處理、形成決策建議、實施計劃部署。

4 算例分析

設(shè)某分布式指揮控制系統(tǒng)由分散部署的9個指揮控制節(jié)點和相應(yīng)的通信鏈路組成,節(jié)點連接關(guān)系及鏈路帶寬設(shè)置如圖4所示。

圖4 某分布式指揮控制系統(tǒng)節(jié)點及帶寬設(shè)置

利用式(1)計算出網(wǎng)絡(luò)總吞吐量為=16 M/s。利用式(2)計算出任意兩個指揮控制節(jié)點(1≤≤9)與(1≤≤9)之間的最大信息傳輸速率為

在此基礎(chǔ)上，利用式(3)計算出指控網(wǎng)絡(luò)的最大信息傳輸速率需求為′=50 M/s，將與′的取值代入式(4)得出網(wǎng)絡(luò)吞吐力效能指標取值為=032。當圖4中各通信鏈路的帶寬設(shè)置逐漸增長時,的變化情況如圖5所示,說明利用此方法得出的評估結(jié)果較為穩(wěn)定。

圖5 c1取值隨鏈路帶寬增長的變化情況

將各通信鏈路的傳輸準確率設(shè)置為:“節(jié)點1-節(jié)點2”=090,“節(jié)點2-節(jié)點3”=093,“節(jié)點1-節(jié)點4”=089,“節(jié)點2-節(jié)點4”=095,“節(jié)點3-節(jié)點5”=090,“節(jié)點4-節(jié)點5”=092,“節(jié)點1-節(jié)點6”=092,“節(jié)點6-節(jié)點7”=1,“節(jié)點1-節(jié)點8”=098,“節(jié)點3-節(jié)點9”=098。根據(jù)(6)式得出平均傳輸準確率效能指標取值為=094。理論上通信鏈路的傳輸準確率取值≤1,在實際應(yīng)用中容易受到環(huán)境等各種因素影響,尤其是無線通信鏈路,導(dǎo)致取值<1,因此這里將參數(shù)范圍設(shè)置在08～1,僅作為輸入數(shù)據(jù)對前述方法進行說明。

指揮控制網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量為=9,鏈路數(shù)量為=10。當修正系數(shù)設(shè)置為2(-1),即=025時,根據(jù)式(8)得出網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)度效能指標取值為=028。當取值由01增加到1時,的變化情況如圖6所示。

圖6 c3取值隨修正系數(shù)λ增長的變化情況

按照圖4設(shè)置，可知各個指揮控制節(jié)點的度數(shù)分別為:=4、=3、=3、=3、=2、=2、=1、=1、=1,則有max{}==4,與=9一同代入式(13)得出節(jié)點度數(shù)聚合度效能指標取值為=080。

將各指揮控制節(jié)點接收的信息源數(shù)量,以及可融合處理的信息源數(shù)量,分別設(shè)置為如表1第二行和第三行所示。根據(jù)式(14)計算出各指控節(jié)點的信息融合率如表1第四行所示。將與=9代入式(15)得出信息融合率效能指標取值為=082。

表1 各指控節(jié)點信息融合設(shè)置

將各指揮控制節(jié)點的知識匹配率、規(guī)則匹配率、模型匹配率mod分別設(shè)置為如表2第二行、第三行、第四行所示。根據(jù)式(16)計算出各指揮控制節(jié)點的決策匹配率如表2第五行所示。將與=9代入式(17)得出決策匹配率效能指標取值為=072。當各指揮控制節(jié)點的三項原始匹配率由設(shè)定值逐漸降低時,的變化情況如圖7所示。

表2 各指控節(jié)點決策匹配設(shè)置

圖7 c6取值隨各節(jié)點原始匹配率降低的變化情況

已求得=032、=094、=028、=080、=082、=072,根據(jù)式(19),依次將、、、、、的權(quán)重設(shè)為05,其余指標權(quán)重均設(shè)為01,即僅賦予某一項指標較高權(quán)重,得到綜合效能取值的變化情況如圖8所示,其中虛線為平均分配指標權(quán)重后的結(jié)果。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當某項指標取值較低(如、)或較高(如)時,該項指標的權(quán)重設(shè)置對綜合效能的判斷會有較大影響。

圖8 C取值因指標權(quán)重設(shè)置而變化的情況

5 結(jié)束語

本文針對分布式指揮控制系統(tǒng)效能評估問題,根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系和運行過程,分析建立了效能評價指標體系,研究設(shè)計了相應(yīng)的評估模型和解析計算方法以及系統(tǒng)綜合效能評價估算方法,通過算例驗證了方法的有效性,可作為各類新型作戰(zhàn)體系分析設(shè)計與建設(shè)規(guī)劃的參考。