張 煒 張千宇,2 張明亮
(1.國防大學聯(lián)合勤務學院 北京 100858)(2.海軍航空大學 煙臺 264001)
艦載機反艦裝備體系是基于反艦作戰(zhàn)任務而構建的任務裝備體系,該裝備體系以艦載機為主要打擊平臺,以預警機為空中作戰(zhàn)指揮核心,以基礎信息柵格為依托,集偵察預警系統(tǒng)、??樟α恐笓]控制系統(tǒng)、信息對抗系統(tǒng)、作戰(zhàn)評估系統(tǒng)[1]為一體,是高度融合、綜合集成的有機整體。從復雜網(wǎng)絡角度去分析艦載機反艦裝備體系,能夠發(fā)現(xiàn)該體系在運行中呈現(xiàn)出的網(wǎng)絡特征,這對于分析該裝備體系的體系架構具有重要的意義。
艦載機反艦裝備體系的偵察預警網(wǎng)絡、指揮控制網(wǎng)絡、火力打擊網(wǎng)絡、信息對抗網(wǎng)絡、作戰(zhàn)評估網(wǎng)絡及綜合保障網(wǎng)絡組成了一個復雜網(wǎng)絡。顯然,艦載機反艦裝備體系的各組成系統(tǒng)分布于不同空間,作戰(zhàn)平臺、傳感器連接成復雜的網(wǎng)絡,艦載機反艦裝備體系運行時呈現(xiàn)出典型的復雜網(wǎng)絡特征。運用復雜網(wǎng)絡理論,研究艦載機反艦裝備體系的網(wǎng)絡圖模型和運行柔性,其模型更貼近實戰(zhàn),其效能評估更準確。
艦載機反艦裝備體系內各傳感器節(jié)點、指揮控制節(jié)點、火力打擊節(jié)點、電子對抗節(jié)點、作戰(zhàn)評估節(jié)點、綜合保障節(jié)點通過基礎信息柵格連接在一起,信息傳輸呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結構,空中平臺之間以及空中平臺與海上平臺、太空平臺[2]等處的信息節(jié)點之間都能實時共享信息。
艦載機反艦裝備體系在完成反艦作戰(zhàn)任務時,各信息節(jié)點通過基礎信息柵格實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作[3~4],進而綜合整個體系的能力實現(xiàn)能力涌現(xiàn)。裝備體系各信息節(jié)點以基礎信息柵格為依托,以信息流來互相交互,形成了典型的復雜網(wǎng)絡結構,如圖2所示。
圖1 艦載機反艦裝備體系復雜網(wǎng)絡圖模型
圖2 艦載機反艦裝備體系復雜網(wǎng)絡結構圖
基礎信息柵格是裝備體系互聯(lián)互通的基礎,火力打擊網(wǎng)絡、指揮控制網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡是裝備體系完成作戰(zhàn)任務的核心[5~7],信息對抗網(wǎng)絡及綜合保障網(wǎng)絡作用于作戰(zhàn)任務的全程,是裝備體系完成任務的必要條件。各個信息節(jié)點通過基礎信息格柵提供的接口組成了左右互聯(lián),上下通達的復雜網(wǎng)絡。
艦載機反艦裝備體系在完成反艦作戰(zhàn)任務時,指揮控制網(wǎng)絡是裝備體系的大腦中樞??刂浦溆嗑W(wǎng)絡完成各自基本功能的同時,實時動態(tài)調整裝備體系的操作指令,保證裝備體系整體運行,動態(tài)分配各節(jié)點任務,協(xié)力完成艦載機反艦裝備體系的任務。指揮控制網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡、火力打擊網(wǎng)絡、信息對抗網(wǎng)絡與綜合保障網(wǎng)絡的拓撲模型可構建如圖3所示。
圖3中,艦載機反艦裝備體系各網(wǎng)格單元構成了網(wǎng)絡模型的節(jié)點,單元之間的交互關系構成了節(jié)點之間的連接,其結構組成具有較為明顯的復雜網(wǎng)絡特性。對此拓撲模型結構進行分析可以發(fā)現(xiàn):該復雜網(wǎng)絡具有小世界現(xiàn)象、無尺度網(wǎng)絡的基本結構特征。并出現(xiàn)了“自然成長”和“擇優(yōu)連接”的原則。
圖3 裝備體系復雜網(wǎng)絡拓撲模型
反映網(wǎng)絡結構特征的參數(shù)有很多,如:節(jié)點(node)、邊(edge)、節(jié)點的度k、節(jié)點的度分布P(k)、節(jié)點之間的距離dij、網(wǎng)絡的直徑D、平均路徑長度L、聚類系數(shù)等[8~10]。其中最重要的是度分布(de?gree distribution)、平均路徑(average path length)和聚類系數(shù)(clustering coefficient)[11]。
3.1.1 節(jié)點的度分布P(k)
節(jié)點的度分布是P(k)指隨機選擇網(wǎng)絡中任意一個節(jié)點,該節(jié)點的度恰好為k的概率,反映了網(wǎng)絡拓撲的連接情況。在現(xiàn)實網(wǎng)絡中不同的分布函數(shù)反映了個體地位的差異程度,并表現(xiàn)出截然不同的網(wǎng)絡容忍性[12]。
3.1.2 平均路徑長度L
網(wǎng)絡的平均路徑長度L定義為任意兩個節(jié)點之間的距離的平均值[13],其一般表達式如下所示:
其中,N為網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)。
3.1.3 聚類系數(shù)
節(jié)點的聚類系數(shù)定義為與該節(jié)點連接的各節(jié)點之間實際存在的邊數(shù)和總的可能的邊數(shù)之間的比值[14],其一般表達式如下所示:
整個網(wǎng)絡的平均聚類系數(shù)定義為
其中,Ei是實際存在的邊數(shù)。整個網(wǎng)絡的聚類系數(shù)C就是所有節(jié)點聚類系數(shù)的平均值。在現(xiàn)實網(wǎng)絡中一般當聚類系數(shù)大時,個體之間的聯(lián)系愈加緊密。
假設艦載機反艦裝備體系含1個A平臺,6個B平臺,20個C平臺,1個D平臺,將裝備體系中的各種傳感器、指揮控制臺、通信設備和武器裝備抽象成節(jié)點,各節(jié)點之間的信息傳輸抽象成邊時,整個系統(tǒng)可以看成一個網(wǎng)絡[15]。假設A平臺任務節(jié)點共70個,B平臺N(N=1,2,3,4,5,6)任務節(jié)點34~42個(型號不同),D平臺任務節(jié)點31個,C平臺M(M=1,2,…,20)任務節(jié)點30個。
以艦載機反艦裝備體系的指揮控制網(wǎng)絡為核心,將裝備體系范圍內的各作戰(zhàn)平臺連成一個開放、動態(tài)、近實時的復雜網(wǎng)絡。若該網(wǎng)絡中兩個節(jié)點存在著(有線或無線的)通信鏈路,則我們稱該兩個節(jié)點存在物理連接。根據(jù)艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡結構,畫出該網(wǎng)絡的拓撲結構如圖4所示,其中節(jié)點旁邊的數(shù)字表示節(jié)點的序號,黑色節(jié)點分別表示A平臺、B平臺、D平臺、C平臺的網(wǎng)絡交換機。該網(wǎng)絡通過節(jié)點a、b、c、d與友鄰兵力進行通信。
圖4 艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡的拓撲結構
由圖4可以知道,艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡節(jié)點度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。
如圖4所示,艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡構成了一個有921個節(jié)點、有2336條邊的復雜網(wǎng)絡,不同的作戰(zhàn)平臺連接成網(wǎng)絡產(chǎn)生單個作戰(zhàn)平臺所不具備的功能,具有復雜網(wǎng)絡的很多典型的特性,這些特性可以揭示艦載機反艦裝備體系運行的網(wǎng)絡特性。運用網(wǎng)絡復雜性理論對艦載機反艦裝備體系進行研究,是研究艦載機反艦裝備體系的一種新視角和新方法。
表1 網(wǎng)絡節(jié)點度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)
3.3.1 裝備體系網(wǎng)絡的度分布特性
復雜網(wǎng)絡中,度分布是一個很重要的統(tǒng)計特性。觀察表1,51.1%的節(jié)點的度為1,而占網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)2.9%的28個節(jié)點(核心網(wǎng)絡交換機)卻占有網(wǎng)絡的絕大部分連接。對表1的數(shù)據(jù)進行處理后可判斷該網(wǎng)絡具有無尺度網(wǎng)絡特性。根據(jù)相關文獻的研究可知,大型戰(zhàn)爭網(wǎng)絡也是無尺度網(wǎng)絡,可以推斷,該信息網(wǎng)絡也是無尺度網(wǎng)絡。
3.3.2 裝備體系網(wǎng)絡的平均路徑長度特性
在艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡中,可以用網(wǎng)絡平均路徑長度表示不同作戰(zhàn)平臺間進行信息傳遞所需要的連接這兩個節(jié)點的最短路徑上的邊數(shù),平均路徑長度越長,說明網(wǎng)絡層次越多,網(wǎng)絡中信息的流動、共享與同步將會越困難,使得信息網(wǎng)絡為各作戰(zhàn)平臺提供迅速、準確、有效的共享態(tài)勢感知,進而實現(xiàn)作戰(zhàn)效能的協(xié)同和同步的目的越難實現(xiàn)。本文中,由式(1)算出該網(wǎng)絡的平均路徑長度L=2.864,該網(wǎng)絡具有小的平均路徑長度,網(wǎng)絡有時效性強的優(yōu)點,能為各作戰(zhàn)平臺提供迅速、準確、有效的共享態(tài)勢感知,從而實現(xiàn)X任務作戰(zhàn)的協(xié)同與同步。
3.3.3 裝備體系網(wǎng)絡的聚類系數(shù)特性
在信息網(wǎng)絡中,聚類系數(shù)有2個方面的含義:第一,它表示編隊內各個節(jié)點之間的相互協(xié)調能力;第二,它在網(wǎng)絡的重建中有著重要意義,例如作戰(zhàn)系統(tǒng)在遭受敵方的打擊時一些節(jié)點被刪除,一些邊被去除,而聚類系數(shù)較高的節(jié)點可以通過其他的路徑與網(wǎng)絡的重要節(jié)點取得聯(lián)系而有效完成網(wǎng)絡重建。本文中,由式(2)、(3)算出網(wǎng)絡的聚類系數(shù)C=0.188,遠大于BA網(wǎng)絡的聚類系數(shù)0.072,所以任務作戰(zhàn)網(wǎng)絡的聚類系數(shù)較強,遭受打擊損失節(jié)點后的網(wǎng)絡重建能力較強。
艦載機反艦裝備體系具有無尺度特性。無尺度網(wǎng)絡對隨機節(jié)點故障具有極高的魯棒性,因為其網(wǎng)絡的度分布具有極端的非均勻性。從圖4中可以直觀地看出,該模型多數(shù)節(jié)點的連接數(shù)很少,而少數(shù)節(jié)點的連接數(shù)很多,故該網(wǎng)絡存在少量的“關鍵”節(jié)點和大量的“末梢”節(jié)點,這種現(xiàn)象與復雜網(wǎng)絡無尺度的基本特性一致。度分布反映了網(wǎng)絡拓撲中節(jié)點的連接情況,也是區(qū)別于隨機網(wǎng)絡和規(guī)范網(wǎng)絡的重要特征之一。對該網(wǎng)絡的度進行統(tǒng)計,其結果可以看出,系統(tǒng)中存在少量的關鍵節(jié)點(集散節(jié)點),它們具有很高的連接度,在整個網(wǎng)絡中具有舉足輕重的作用。一旦這些關鍵節(jié)點(集散節(jié)點)故障或被攻擊,就足以使整個網(wǎng)絡癱瘓,這是非均勻網(wǎng)絡的致命缺陷。
艦載機反艦裝備體系具有小世界網(wǎng)絡特性。這種既具有較短的平均路徑長度又具有較高的聚類系數(shù)的網(wǎng)絡,在實際作戰(zhàn)中,某種武器裝備被攻擊(即某個節(jié)點被破壞)后,若重新連接該武器裝備的概率很小,網(wǎng)絡的平均路徑長度將下降很快,若能重新連接,得到的網(wǎng)絡與原始的網(wǎng)絡的局部屬性差別不大,從而網(wǎng)絡的聚類系數(shù)變化也不大。在緊張的實戰(zhàn)中若非必要可不用立即連接該武器裝備。
拓撲圖對應的網(wǎng)絡平均路徑長度L=2.864,聚類系數(shù)C=0.188,可以看出:網(wǎng)絡的平均路長較短,這主要與部隊“扁平化體制”需求有關,直接縮短了信息處理和傳達的步驟;同時,網(wǎng)絡的聚類系數(shù)相對較大,這與加強艦機協(xié)同作戰(zhàn)與信息共享有著直接的關系。通過與文獻中收集的各種網(wǎng)絡拓撲相應的參數(shù)進行比較可以發(fā)現(xiàn):該網(wǎng)絡與小世界現(xiàn)象的特性要求基本近似。
小世界特性使得艦載機反艦裝備體系的時效性強,能夠提高體系架構的柔性特征。由上面的分析,我們知道艦載機反艦裝備體系信息網(wǎng)絡具有小世界特性,網(wǎng)絡的平均路徑長度短,網(wǎng)絡的聚類系數(shù)比隨機網(wǎng)絡要大很多,使得網(wǎng)絡的連接性比隨機網(wǎng)絡要好很多,這樣有利于信息在艦載機反艦裝備體系中的傳播,使得在很短時間內經(jīng)過很少的“跳數(shù)”,就能夠從一個節(jié)點到達另一個節(jié)點,從而提高了艦載機反艦裝備體系架構的柔性特征。
由于集散節(jié)點連接很多其他節(jié)點,所有任何一個遭受病毒入侵的節(jié)點,都可能感染到艦載機反艦裝備體系中的集散節(jié)點。而一旦集散節(jié)點被感染,它就會把病毒傳播給眾多的其它節(jié)點,這就導致了病毒迅速在整個網(wǎng)絡里的傳播。在對網(wǎng)絡進行病毒預防時,通過對關鍵節(jié)點進行免疫等等。這樣可以充分利用網(wǎng)絡本身的特點,順應網(wǎng)絡的進化趨勢,達到事半功倍的效果。
裝備體系網(wǎng)絡的魯棒性,是指艦載機反艦裝備體系作戰(zhàn)中,裝備體系遭受打擊時,體系維持或恢復其性能、效能到一個可接受程度的能力。裝備體系的威脅主要來自敵方的蓄意攻擊。我們采用有關文獻提出的網(wǎng)雜網(wǎng)絡連通性測度來衡量艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡的魯棒性。
其中:u為網(wǎng)絡連通分支數(shù);Ni為第i個連通分支中節(jié)點數(shù)目;N為網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù);li為第i個連通分支的平均最短路徑,即該連通分支中任意2個節(jié)點之間最短連接距離的平均值。
根據(jù)計算可得知,裝備體系網(wǎng)絡對于蓄意攻擊則較為脆弱。這是因為網(wǎng)絡中大多數(shù)節(jié)點的度都為1和2,在實際作戰(zhàn)中,受敵攻擊隨機崩潰的節(jié)點大都是度很小的節(jié)點,去掉這些節(jié)點對整個網(wǎng)絡的連通性不會產(chǎn)生大的影響。而對于蓄意攻擊,特別是有意識地攻擊網(wǎng)絡中極少量度較大的節(jié)點(如中心交換機)就會破壞整個網(wǎng)絡的連通性,該網(wǎng)絡將無法運行,處于崩潰狀態(tài),極大地影響了作戰(zhàn)效率,因此應重點保護好中心交換機,才能發(fā)揮艦載機反艦裝備體系的運行柔性,得到最優(yōu)的作戰(zhàn)效能。
艦載機反艦裝備體系所面臨的最主要威脅是來自對其關鍵節(jié)點的選擇性攻擊。所以在進行安全部署時,著重保護這些關鍵節(jié)點,具體措施包括:增強信息對抗能力;提高艦載機反艦裝備體系中關鍵節(jié)點的抗損毀能力;對關鍵節(jié)點采用多冗余備份;適當增加關鍵節(jié)點的帶寬,提高關鍵節(jié)點的處理速度,從而提高艦載機反艦裝備體系的生存能力。
艦載機反艦裝備體系的架構具有典型的復雜網(wǎng)絡特性,其功能子系統(tǒng)偵察預警系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)、信息對抗系統(tǒng)、作戰(zhàn)評估系統(tǒng)及綜合保障系統(tǒng)組成了典型的復雜網(wǎng)絡。本文通過構建艦載機反艦裝備體系架構的復雜網(wǎng)絡圖模型、復雜網(wǎng)絡結構圖及復雜網(wǎng)絡拓撲模型,利用復雜網(wǎng)絡理論,從裝備體系網(wǎng)絡的節(jié)點度分布特性、平均路徑長度特性、聚類系數(shù)特性等柔性結構特性出發(fā),研究了艦載機反艦裝備體系架構的無尺度網(wǎng)絡特性、小世界網(wǎng)絡特性及魯棒性。結論與對策如下:一是艦載機反艦裝備體系的無尺度網(wǎng)絡特性使得該裝備體系存在少量的關鍵節(jié)點,它們具有很高的連接度,在整個網(wǎng)絡中具有舉足輕重的作用,一旦這些關鍵節(jié)點故障或被攻擊,就足以使整個網(wǎng)絡癱瘓,這是非均勻網(wǎng)絡的致命缺陷;二是艦載機反艦裝備體系的小世界網(wǎng)絡特性賦予體系架構較強的柔性特征,也使得裝備體系面臨病毒傳播性強的缺陷,應針對性對關鍵節(jié)點進行病毒免疫,提高體系抗病毒能力;三是艦載機反艦裝備體系網(wǎng)絡的非均勻性使得網(wǎng)絡對于隨機故障的魯棒性很高,現(xiàn)實威脅主要源自對關鍵節(jié)點的攻擊,應重點加強關鍵節(jié)點的抗損毀能力。