一種分布式指揮控制系統效能評估方法

丁澤柳

(軍事科學院評估論證研究中心,北京 100091)

物聯網、人工智能、云計算等高新技術在軍事領域的快速發展及廣泛應用,正在深刻改變軍事斗爭形式,引發一系列革命性變化,催生出馬賽克作戰、分布式作戰、敏捷作戰等各種新的作戰概念。它們顛覆了傳統作戰思想和方法,運用智能化裝備和手段,依托分布式指揮控制系統,采取動態協同、高度自主的作戰方式,實現高效、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的關鍵技術、體系結構、運行機制等領域相關問題提出了很多解決方法,但在系統效能評估方面仍然以面向傳統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在新型作戰樣式中達成預期作戰目的或任務目標的能力,全方位了解分布式指揮控制系統的作戰效果、薄弱環節及重點建設發展方向,本文從信息傳輸能力、持續運行能力、任務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效能評估方法,可作為各類新型作戰體系分析設計與建設規劃的參考。

1 系統基本構成

分布式指揮控制系統由信息處理、輔助決策、通信指揮等各種功能要素,基于網絡技術,按照特定組織關系與指揮機制相結合,履行分布式聯合作戰指揮控制職能的軍事信息系統。相對于傳統集中式指揮控制系統,分布式指揮控制系統的層次結構更加扁平,任務部署更加柔韌,行動支配更加敏捷,更適合對多類型、多區域分散配置的無人或人機協同的武器裝備進行管控,是各種新型作戰樣式得以有效實施的基礎。

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

圖1 分布式指揮控制系統功能組成關系

從網絡結構角度劃分,分布式指揮控制系統由分散配置于不同區域的指控節點,按照特定拓撲結構通過通信鏈路相互連接構成,如圖2所示。信息傳輸分系統由大量通信鏈路和傳輸設備組成,信息融合分系統和決策支持分系統包含很多網絡接入設備連接到信息傳輸分系統的傳輸設備上,利用各種通信鏈路以有線或無線方式互聯互通,構成了以分散部署的信息融合分系統和決策支持分系統為指控節點、以高效互聯的信息傳輸分系統為通信手段的指控網絡,并成為分布式指揮控制系統的組織形式和運行基礎。

圖2 分布式指揮控制系統網絡結構示意

2 系統評估指標設計

從系統功能和網絡結構角度衡量分布式指揮控制系統效能,評價的依據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效能評估指標體系

指揮控制傳輸性考查分布式指控系統的信息傳輸能力,是對系統網絡建設完善程度的度量,評價指標主要包括網絡吞吐力、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,指控節點數量和關系設置更加合理,網絡拓撲結構布局更加科學,信息傳輸量更大,傳輸效率更高,能夠全面支持作戰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的持續運行能力,是對系統功能執行延續程度的度量,評價指標主要包括系統關聯度、系統聚合度、系統失效概率等?？煽啃愿叩姆植际街笓]控制系統,結構關系設計更加科學,功能分配設置更加均衡,戰場適應性更強,任務執行率更高,能夠充分滿足作戰指控過程的復雜性和多樣性要求。

指揮控制有效性考查分布式指揮控制系統的任務完成能力,是對系統功能作用可實現程度的度量,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,能夠按照系統設計要求和作戰需求,更加正確、及時地執行并實現各種系統功能,任務完成率更高,能夠充分發揮指控系統在作戰過程中的兵力倍增作用。

按照以上評價依據,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)網絡吞吐力

網絡吞吐力是指在各通信鏈路技術條件確定的情況下,指控網絡的最大信息傳輸能力,體現了分布式指揮控制系統總體上可容納的信息流量上限。網絡吞吐力越強,在單位時間內能夠轉發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的信息數據被準確接收的平均比例,體現了分布式指揮控制系統在單位時間內正確傳輸的信息量大小。平均傳輸準確率越高,各指控節點之間出現數據包丟失、解碼錯誤、重組失序等傳輸問題的情況就會越少,系統實際信息傳輸量就會越大。

3)系統關聯度

系統關聯度是指各指控節點之間關聯關系的緊密程度。系統關聯度高的分布式指揮控制系統,擁有更多的通信鏈路連接相同數量的指控節點,這些通信鏈路使得各指控節點之間能夠建立更多的信息傳輸路徑,相互聯系更加緊密,系統運行更加可靠。

4)系統聚合度

系統聚合度是指基于指控節點度數確定的系統聚合化程度。聚合度高的分布式指揮控制系統,擁有更多功能任務集中的指控節點,導致整個系統的任務中心化程度較大,功能配置不均衡,容易出現任務負載不平衡、功能執行瓶頸等降低系統運行效率的情況。

5)信息融合率

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

6)決策匹配率

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

3 系統評估模型建立

3.1 指標解析模型

將處于一地或同一指揮機構內的信息融合分系統、決策支持分系統抽象成指揮控制節點,將信息傳輸分系統抽象成節點連接關系,即可利用復雜網絡理論和網絡分析方法建立各項效能指標解析模型。

1)網絡吞吐力解析模型

指揮控制網絡在單位時間內的總吞吐量等于所有通信鏈路的帶寬之和。將指揮控制網絡中的通信鏈路數量記為,將第條通信鏈路的帶寬記為,將網絡總吞吐量記為,則有

(1)

為了避免網絡規模和結構特征對評估結果產生影響,引入網絡最大信息傳輸速率需求,并對網絡總吞吐量與最大信息傳輸速率需求取比值,作為網絡吞吐力的指標度量。

將指揮控制節點數量記為,如果其中第個指揮控制節點與第個指揮控制節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。假設指控節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)

假設滿負荷運行情況下,任意兩個指揮控制節點之間均存在通信需求,則指控網絡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置為1≤≤-1和+1≤≤,是為了使與取值不同,且不會被重復計算。

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的網絡吞吐力,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,當指控網絡為全連通網絡時，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接收端正確接收的信息量相對發送端發出的信息量的比例。各通信鏈路可能會采用不同的通信方式、收發信設備或傳輸介質,加上戰場環境等多種因素的影響,導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,尤其對于無線網絡。

3)系統關聯度解析模型

系統關聯度表現為通信鏈路相對于指控節點的數量大小,可利用通信鏈路數量與指控節點數量的比值計算。

將分布式指揮控制系統的關聯度記為,則有

=×

(7)

其中，為修正系數,由于通信鏈路數量最多為(-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,當通信鏈路數量為(-1)2,即指控網絡為全連通網絡時,取值等于1,此時分布式指揮控制系統的連通性最強,節點互聯關系最為緊密。

4)系統聚合度解析模型

將指控網絡中第個指控節點的度數記為,它等于與節點直接相連的節點數量,這里將節點的聚合度定義為節點的度數與節點數量的比值,記為,則有

=

(9)

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

′=max{}-

(10)

在此基礎上，定義分布式指揮控制系統的聚合度等于1與平均任務中心化差異的差值,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,當指揮控制網絡為全連通網絡時,每個節點的度數都相等,取值等于1,此時分布式指揮控制系統的任務中心化程度最低。

5)信息融合率解析模型

不同的信息融合分系統,其硬件配置、信息處理技術可能各不相同,導致每個指控節點的信息融合率也不盡相同。

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

=

(14)

對所有指揮控制節點的信息融合率取平均值,即可得到分布式指揮控制系統的信息融合率,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,其知識庫、規則庫、模型庫的規模大小、匹配方式往往各不相同,導致各個指揮控制節點的決策匹配率也不盡相同。

將第個指揮控制節點的知識匹配率、規則匹配率、模型匹配率分別記為、、,將該指揮控制節點的決策匹配率記為,由于知識、規則、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)

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

(17)

將式(16)代入式(17)得

(18)

的取值范圍為0≤≤1,當所有指控節點的知識匹配率、規則匹配率、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

在分析解算出網絡吞吐力、平均傳輸準確率、系統關聯度、系統聚合度、信息融合率、決策匹配率等指標的基礎上,對各項指標取值進行加權求和,可進一步判斷求取分布式指揮控制系統的綜合效能。

(19)

其中，0<≤1。當取值越大時,表示分布式指揮控制系統越能夠充分發揮其作戰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

設某分布式指揮控制系統由分散部署的9個指揮控制節點和相應的通信鏈路組成,節點連接關系及鏈路帶寬設置如圖4所示。

圖4 某分布式指揮控制系統節點及帶寬設置

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

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

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置為:“節點1-節點2”=090,“節點2-節點3”=093,“節點1-節點4”=089,“節點2-節點4”=095,“節點3-節點5”=090,“節點4-節點5”=092,“節點1-節點6”=092,“節點6-節點7”=1,“節點1-節點8”=098,“節點3-節點9”=098。根據(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,在實際應用中容易受到環境等各種因素影響,尤其是無線通信鏈路,導致取值<1,因此這里將參數范圍設置在08～1,僅作為輸入數據對前述方法進行說明。

指揮控制網絡的節點數量為=9,鏈路數量為=10。當修正系數設置為2(-1),即=025時,根據式(8)得出網絡關聯度效能指標取值為=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λ增長的變化情況

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

將各指揮控制節點接收的信息源數量,以及可融合處理的信息源數量,分別設置為如表1第二行和第三行所示。根據式(14)計算出各指控節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 各指控節點信息融合設置

將各指揮控制節點的知識匹配率、規則匹配率、模型匹配率mod分別設置為如表2第二行、第三行、第四行所示。根據式(16)計算出各指揮控制節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。當各指揮控制節點的三項原始匹配率由設定值逐漸降低時,的變化情況如圖7所示。

表2 各指控節點決策匹配設置

圖7 c6取值隨各節點原始匹配率降低的變化情況

已求得=032、=094、=028、=080、=082、=072,根據式(19),依次將、、、、、的權重設為05,其余指標權重均設為01,即僅賦予某一項指標較高權重,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重后的結果。通過比較可以發現，當某項指標取值較低(如、)或較高(如)時,該項指標的權重設置對綜合效能的判斷會有較大影響。

圖8 C取值因指標權重設置而變化的情況

5 結束語

本文針對分布式指揮控制系統效能評估問題,根據系統結構關系和運行過程,分析建立了效能評價指標體系,研究設計了相應的評估模型和解析計算方法以及系統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體系分析設計與建設規劃的參考。