基于作戰勢和優勢窗口的網絡空間作戰效能評估方法

梁榮曉 司光亞 王艷正 張 陽,3 王 飛

隨著信息技術的高速發展,網絡空間作戰越來越貼近作戰實際,并在聯合作戰中占據越來越重要的地位.2010 年伊朗1 000 臺離心機核設施被“震網”病毒破壞,2016 年烏克蘭和2019 年委內瑞拉的電力系統分別遭受大規模網絡攻擊,2019 年美國對伊朗導彈發射系統發動網絡戰,2022 年俄烏沖突中兩方大量政府機構網站遭到襲擊等,種種跡象表明,網絡空間作戰早已不僅僅限于社會域的網絡攻防,而是成為一種能夠在聯合作戰體系中發揮實際重要作用的作戰樣式.在聯合作戰體系對抗中,網絡空間作戰究竟能發揮什么樣的作用? 產生什么樣的作戰效能? 這是各國軍隊高層以及各級指揮員高度關注的問題,也是擺在作戰研究人員面前的一項亟待解決的研究課題.

通過分析網絡空間作戰效能生成的新機理,得到其效能評估的新方法,即通過關鍵能力指標作戰勢的動態監控及優勢窗口的可視化,對網絡空間作戰效能進行量化及可視化表達.該方法能夠對體系對抗背景下網絡空間作戰效能進行量化評估,并指導網絡空間作戰在聯合作戰中的運用.

1 基本概念與相關研究工作

作戰效能,是指運用武器裝備及相應兵力執行作戰任務,所能達到預期目標的程度及效果.在聯合作戰背景下,網絡空間作戰并不僅僅是網絡安全領域的攻防行為對抗,而是在網絡空間或通過網絡空間進行的各種作戰行動的統稱.所以,網絡空間作戰效能,是在聯合作戰體系對抗背景下,運用網絡空間作戰力量,按照既定作戰方案執行作戰任務時,對基于網絡信息體系的聯合作戰體系所達到的作戰效果.

網絡空間作戰行動對作戰體系產生的影響可以區分為兩個層面: 一是行動對戰場網絡中節點和鏈路狀態產生的直接影響;二是與其他行動的復雜交互作用共同形成對體系整體的累積影響.因此,以往研究分別從網絡空間作戰在網絡空間域內的直接攻防效果,以及以信息網絡為中心的體系整體效能兩個方向進行了有益的探索.

第1 種是聚焦于網絡空間作戰的直接攻防效果,如從網絡安全的角度分析計算機網絡攻防的收益與代價,或是分析病毒攻擊等網絡戰行動的級聯傳播效應等.陳曉楠等將計算機網絡抽象為節點和鏈路拓撲結構,以網絡中節點損毀數量作為評估指標,仿真分析了不同策略下網絡戰的作戰效能[1];潘剛等提出了一種基于攻擊樹和CVSS 的網絡攻擊效果評估方法,能夠有效解決網絡攻擊效果評估中對指標數據的過度依賴性,提高網絡攻擊效果評估的準確性[2];宋晨等提出基于粗糙集和模糊綜合評價的網絡攻擊效果評估模型,并設計實現了網絡攻擊效果評估系統[3].在網絡攻防效果評估指標體系構建方面: 高見等以傳播能力、控制能力、破壞能力、隱蔽能力和數據獲取能力為主要屬性,構建了基于網絡攻擊能力的評估體系[4];邱海等基于網絡層次分析法建立了網絡空間作戰計劃評估指標體系[5];朱兆梁等基于復雜網絡構建了網絡空間攻防方案評估指標體系[6];胡鑫等從信息網絡效能、指揮控制協同效能、信息共享效能和作用效能4 個方面,構建了網絡空間指揮控制效能評估指標體系[7];陳登等構建了網絡空間作戰方案評估指標體系等[8].以上網絡攻防效果指標通常能夠對網絡空間作戰行動的直接效果進行較為清楚的量化分析,并能夠對網絡攻擊策略和行為給予反饋和調整,但由于攻擊效果僅限于網絡空間域內,并沒有考慮到與其他物理作戰行動的協同或影響,因而基本上無法反映出對于整個聯合作戰體系的影響.

第2 種是對網絡空間背景下的網絡化作戰體系進行整體效能評估.由于網絡空間的存在,單一作戰系統或作戰行動都不再是孤立的和局部的,網絡空間的“跨域”效應將導致任何的局部擾動都有可能通過網絡在各域間傳播擴散,從而產生大規模的級聯效應,對整個體系產生影響.胡曉峰等認為對網絡空間作戰效能評估針對的不再是具體行動的結果[9],而是網絡化作戰體系的整體能力.針對網絡化體系,文獻[10-13]分別基于復雜網絡理論對其進行了建模,并提出了網絡化指標體系構建方法,能夠從多個層面反映體系整體作戰效能.基于整體視角的網絡化體系效能評估方法,能夠反映網絡空間對聯合作戰帶來的深刻變化,值得借鑒,但由于其研究對象已經泛化為整個作戰體系,無法追溯網絡空間作戰行動相關聯的作戰效能.

由研究現狀可知,研究網絡空間作戰效能,應該將網絡空間作戰放在體系對抗的背景下通盤考慮,同時建立體系效能與網絡空間作戰行動的聯系,即“知其然也要知其所以然”.

2 網絡空間作戰效能生成的新機理

網絡空間是整體視角下的新型作戰空間,它既獨立于各物理作戰空間,又融合于其中,是唯一一個人造的、發生并使能于整個聯合作戰體系的新型作戰空間.在這個新型作戰空間背景下,網絡空間作戰對體系的影響方式與以往物理空間完全不同,這使得其效能生成也具有完全不同于傳統物理作戰的新機理.

2.1 機理1:網絡空間作戰效果的核心是控制和影響

不同于傳統物理作戰多以摧毀和破壞等戰果為核心作戰效果,網絡空間作戰的重點在于對信息網絡的控制和影響,通過對信息以及信息運行過程施加作用,達到對相應物理實體的間接控制及對作戰指揮人員認知的影響,進而達到癱瘓敵方作戰體系、削弱敵方戰爭潛力、影響敵方指揮決策、降低敵方戰斗意志等目的[14].

網絡空間作戰行動主要包括進攻性行動及防御性行動兩大類,前者的主要目標是控制及影響敵方網絡信息體系,后者的主要目標是保護我方網絡信息體系免受損害或盡快恢復.網絡空間作戰行動的具體手段繁多,但其效果可以基本概括為7 種類型.根據美軍2018 版《網絡空間作戰條令》[15]及部分網絡空間作戰理論研究[16-17],可將網絡空間進攻作戰行動效果劃分為6 大類,分別是: 降級、中斷、竊密、篡改、偽造、非法使用.另外,網絡空間防御作戰行動實質上是對進攻行動的預防以及進攻效果的修復,為簡便起見,只考慮一類防御作戰行動效果,即修復.7 類網絡空間作戰行動對信息網絡和體系的直接影響效果如表1 所示.從表1 可知,7 類網絡空間作戰行動對信息網絡的影響存在共性,即行動的直接效果是使信息網絡中節點和鏈路的狀態發生改變,降低敵方作戰體系的感知、情報、指揮控制、攻擊等一系列以網絡為中心體系作戰能力,并增強我方相應能力,從而產生體系對抗條件下的信息優勢.

表1 網絡空間作戰行動的效果分類Table 1 Effect classification of cyberspace operations

傳統物理空間作戰行動對體系所產生的影響通常是局部的,其效果可以直接落實到具體戰損戰果等“硬毀傷”,容易切分和表達,因此,其直接作戰效果往往就能夠表示其作戰效能.而對于網絡空間作戰行動,其直接效果是對信息和認知層面的“軟毀傷”,不一定能夠直接產生戰果戰損等常規作戰效能,而是通過對信息網絡的控制和影響創造信息優勢,間接造成體系層次的作戰效能.另一方面,網絡空間作戰所產生的信息優勢,可能通過網絡化級聯效應將效果高速級聯擴散,使體系效能大幅躍升,發揮倍增器的作用[18].因此,網絡空間效能評估可以從創造信息優勢的角度,反映出其效能生成的新機理.本文第3 部分將著眼網絡空間作戰創造的信息優勢,以網絡化作戰體系為評估對象,研究提出能夠反映網絡化體系作戰能力的指標作戰勢,支撐體系層面的網絡空間作戰效能評估.

2.2 機理2:網絡空間作戰能夠創造短暫的“優勢窗口”

網絡空間作戰行動通常不是單獨執行,而是與其他網絡空間作戰行動或其他域的作戰行動協同執行.美國參聯會2018 年6 月發布的《網絡空間作戰條令》[14]中指出:“在軍事行動的任何階段網絡空間作戰都要與物理域的殺傷性火力相協調,才能產生最大效能;火力協同并不一定是同時使用火力,通常在殺傷性火力影響的前后,網絡空間攻擊的時機可能是最有利的”.當協同時機合適時,網絡空間作戰行動能夠為火力殺傷行動創造短暫的“優勢窗口”.優勢窗口是一種新的作戰概念,對于聯合作戰背景下的網絡空間作戰運用,它特指網絡空間作戰行動為其他作戰域行動提供的、有利的時間段.比如,為空中編隊提供進入對方防空范圍開啟電子空中走廊的生效時間;為常導武器提供關閉對方防空預警網的突擊窗口等.

網絡空間作戰創造的短暫優勢窗口具有兩個典型特點.一是能力局部性.考慮到網絡空間作戰的目標強依賴性以及現階段網電攻防能力的局限性,網絡空間作戰運用所能開辟的優勢窗口具有局限性,無法像傳統作戰域制權概念側重于保持大范圍作戰空間的絕對和穩定優勢.美軍在“空海一體戰”中指出,這種思想轉變“承認聯合或合成部隊可能無法實現整個戰區的域優勢或持久、持續的優勢,但可以完成有限時間和空間的作戰目標.”未來網絡空間作戰的成功可能取決于某件武器裝備系統能否在一個方向準確介入,以便對其他作戰域產生效果和實現作戰支援目標.二是時間短暫性.網絡空間作戰所開辟的優勢窗口具有偶然性且持續時間短的特點,使跨域作戰的協同速度日益受到重視.美軍在多域戰作戰概念中對此進行了強調,指出速度和以敵人無法跟上的節奏實施作戰,是“多域作戰的關鍵概念”.能以最快的速度創造和利用稍縱即逝的網絡空間作戰機會的部隊將有可能取得勝利,使得體系對抗各方之間的觀察-判斷-決策-行動（observe-orient-decideact,OODA）競爭更加激烈.

優勢窗口是網絡空間作戰行動在體系層次上達到有效協同、達成作戰效能的一種關鍵方式.由于優勢窗口在時間維度上的獨特性,僅僅通過效能指標對其進行衡量是不夠的,需要通過可視化的形式進行綜合展現和分析.本文第4 部分對優勢窗口進行概念建模,并結合第3 部分提出的一種體系能力典型指標作戰勢進行分析評估,綜合實現對網絡空間作戰的可視化評估.

3 典型網絡化體系能力指標:作戰勢

網絡空間作戰對體系的影響,可以通過對體系態勢進行動態測量得到.體系的每個瞬間都可以抽取為一個快照,對體系中的節點和鏈路進行綜合分析,可以得到該瞬時體系達到毀傷效果的潛在能力.本文從信息優勢轉化為攻擊能力的角度,提出一種叫作作戰勢的指標,表征體系每個瞬時的潛在能力.

3.1 攻擊機會的形成

在網絡空間背景下,以信息網絡為中心的作戰體系與傳統以平臺為中心相比效能更高,其原因是網絡化能夠產生更大的信息優勢,并使原來不可用的攻擊機會變得可用.如圖1 所示,F1、F2、F3分別是3 個武器實體,它們都有一定的探測能力,但F1沒有攻擊能力,另外T 是攻擊目標,圖1（a）、圖1（b）分別是平臺中心模式和網絡中心模式.在圖1（a）平臺中心模式下,F1的探測范圍能覆蓋到目標T,但自身不具有攻擊能力,而F2和F3雖然攻擊距離足夠但卻探測不到,所以它們對T 均沒有形成攻擊機會.而在圖1（b）網絡中心模式下,盡管F1自身不具有攻擊能力,但它對T 的探測信息可通過網絡共享給F2和F3,這樣就幫助F2和F3形成了攻擊機會.相比平臺中心模式,網絡中心模式將攻擊機會從0 個提高到2 個.

圖1 平臺中心模式和網絡中心模式的對比Fig.1 Comparison between platform-centric mode and network-centric mode

攻擊機會反映了網絡化作戰體系將信息優勢轉換為戰果的潛力,從某種程度上反映了體系的發展趨勢,與物理學中反映物體所具有能量的勢能概念有相似之處.因此,可借鑒物理學概念,將這種潛力稱之為體系作戰勢,簡稱作戰勢.

3.2 一對一格斗中的作戰勢建模

為了對作戰勢進行量化建模,考慮一對一格斗的基本情況.基于以上分析可知,對于攻擊實體F 和目標實體T,攻擊機會的形成有兩個條件: 一是要么武器實體F 直接探測到目標T,要么其他實體探測到目標T 并基于網絡將信息傳輸給該武器實體F,即F擁有T 的有效信息,記為條件A;二是目標T 處在武器實體F 攻擊范圍之內,記為條件B.

根據攻擊機會的形成條件,一對一格斗中武器實體F 對目標T 形成的攻擊機會可區分為以下4種基本情況,如表2 所示.

表2 一對一格斗中攻擊機會的4 種情況Table 2 Four circumstances of attack opportunity in one-to-one combat

表2 中A 表示A 的對立事件.情況1 可認為是完全沒有攻擊機會,情況4 形成了完整的攻擊機會,情況2 和3 則是表中具備部分形成攻擊機會的條件.因此,情況1 的攻擊機會最低,情況4 的攻擊機會最高,情況2 和3 的攻擊機會介于以上兩者之間.據此,可將武器實體F 對目標T 形成的攻擊機會劃分為4個等級,攻擊機會等級Φ 的取值分別為Φ0、Φ1、Φ2、Φ3,并滿足:

在實際計算中,通?？闪瞀?=0,Φ3=1,Φ1、Φ2為0.5 或其他介于0 和1 之間的值.

攻擊機會需要落實到實際的攻擊中才能發揮效用,除了不同的攻擊機會等級Φ,一對一格斗中的作戰勢還與另外兩個因素成正比: 一是武器對目標的毀傷概率e,表示武器對目標發射一定數量的彈藥（以單位時間內發起飽和攻擊的彈藥消耗數量為基準）情況下能夠對目標造成的毀傷程度,具體的影響因素包括發射彈藥數量k、命中概率p1、毀傷概率p2等,可根據

式（6）算出;二是目標的重要程度ψ,同時也表示對目標造成毀傷所能產生的效能,例如對1 個高價值指揮控制中心的攻擊所產生的效能當然比1 架普通戰斗機目標要高得多.因此,一對一格斗中武器實體F對目標T 的作戰勢Q 可表示為

其中,φft表示F 對T 的攻擊機會等級系數;eft表示武器F 對T 的毀傷概率;ψt表示目標重要程度指數.

3.3 體系作戰勢的計算

從前述一對一格斗情況下作戰勢Q 的計算公式可知,作戰勢主要由攻擊機會等級、武器攻擊能力及目標重要程度確定.考慮紅方對藍方的體系作戰勢的計算.設紅方可用武器實體的集合為RF={r1,r2,…,rm},藍方目標實體的集合為BT={b1,b2,…,bn},其中,m 和n 分別表示兩個集合中所包含實體的數量.需要注意的是,篡改和偽造行為產生的假信息可能會導致假目標的出現,因而藍方目標實體集合還包含一定數量的假目標,這些假目標可由假信息和偽造的節點得到.

在武器與目標各自不存在重疊的理想情況,體系作戰勢Q（R）可以看作一對一格斗作戰勢的線性累加

其中,Qri表示紅方武器實體ri對藍方目標實體集合的整體作戰勢;φij為紅方實體ri對藍方實體bj的攻擊機會等級系數（φij∈[0,1]）;eij為ri對bj的毀傷概率（eij∈[0,1]）,ψj為bj的重要性指數.

式（8）顯然沒有考慮的一種典型情況是: 每個武器實體單個攻擊輪次內能發射的彈藥數量有限,可能不足以覆蓋所有目標.設武器實體ri能夠攻擊的實體最大數量為ai（可以根據實體所含彈藥數量計算出）,具有一定攻擊機會的目標個數為ni（即獲取到目標信息或目標在攻擊范圍內,攻擊機會等級包括Φ1、Φ2、Φ3）,則實際可能攻擊（包括未探測到但處于攻擊范圍內的）的最大數量為min（ai,ni）.

由式（7）可知,ri將單個攻擊機會分配給目標bj得到的一對一作戰勢為Qij=φijeijψj.為計算方便,假設武器實體ri知道所有目標的重要性（實際作戰中也可以大致判斷出）,則將Qij（j=1,…,n）可按照由大到小重新排序形成一個序列{Q'i1,Q'i2,…,Q'in}.在計算ri勢能和時只能取前min（ai,ni）個.由此可得ri形成的勢能和為

考慮到篡改和偽造行動可能會產生假目標,設序列{Q'i1,Q'i2,…,Q'in} 所對應的目標真假性序列為{c'i1,c'i2,…,c'in}（其中,Q'i1對應假目標時c'ij=0,否則c'ij=1）.則最終修正后的體系作戰勢為

4 優勢窗口的度量方法

4.1 優勢窗口概念模型

優勢窗口的時間短暫性特征和能力局部性特征是網絡空間作戰的關鍵.其過程可以看作在網絡空間作戰影響下,敵方作戰體系短暫時間內能力下降后恢復的一個局部過程.如圖2 所示,網絡空間作戰對敵方體系的影響主要包括3 個階段: 能力降級階段、降級效果保持階段、能力恢復階段.基于此提出“優勢窗口”概念分析模型如圖2 所示.

圖2 網絡空間作戰創造的“優勢窗口”概念模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the conceptual model of“superiority window”created by cyberspace operations

4.1.1 能力降級階段（ta-td）

面對突然的網絡空間作戰行動,敵方作戰體系如果準備不足,將直接受到干擾、致盲、欺騙、阻塞等影響,致使體系相應局部作戰能力出現下降.

4.1.2 降級效果保持階段（td-tr）

在敵方體系局部作戰能力下降到一定程度時,由于網絡空間作戰行動的突然性,敵方通常還未來得及采取相應的修復行動,因此,在體系作戰能力的最低點會持續一段時間.這段時間就是我方獲得局部作戰優勢的窗口期.

4.1.3 能力恢復階段（tr-ts）

敵方體系發現遭到網絡空間作戰行動攻擊后,通過冗余備份節點替代、指揮關系重組、網絡防御修復等方式,試圖恢復體系能力.由于受攻擊的強度和恢復策略的不同,敵方體系能力恢復的速率和程度也將有所不同,恢復程度既可能達到甚至超過原來水平,也可能無法達到原來水平.

示意圖畫出了以上3 個階段.圖中的直線僅僅是示意,實際情況可能并不是標準直線.因此,實際使用中,應當根據“優勢窗口”的含義靈活掌握和判別.

4.2 優勢窗口度量指標

網絡空間作戰行動對敵方作戰體系的影響,具體體現在“優勢窗口”的3 個階段.其中,第1 階段體現網絡空間作戰的降級效果,第2 階段體現降級效果保持能力,第3 階段體現網絡空間作戰效果的恢復難度.

為了度量敵方作戰體系受到的影響,需要確定體系各階段中的能力值,以Q（t）表示.需要注意的是,該體系能力值僅僅代表體系在某一方面的能力,而不是體系能力的全貌.如圖3 所示,t0表示作戰開始時刻,ta表示遭到網絡空間作戰行動攻擊的時間,td表示體系能力下降結束時間,tr表示體系能力開始恢復的時間,ts表示體系能力完成恢復的時間,te表示作戰結束時刻.設Q（t）為體系在t 時刻的能力,則Q（ta）、Q（td）和Q（ts）分別表示敵方體系在遭受網絡空間作戰攻擊前時刻、能力下降時刻和能力恢復時刻的能力.網絡空間作戰所創造的“優勢窗口”主要集中在ta-ts時間段內.

圖3 “優勢窗口”度量方法Fig.3 Measuring method of superiority window

4.2.1 降級效果

降級效果Db,表示網絡空間作戰行動對敵方體系直接造成降級的程度和效率的綜合衡量.可用降級程度b 與降級效率vb的函數表示

降級效果指標Db越高,網絡空間作戰效果越好.

4.2.2 窗口時間

窗口時間TW,反映的是受到網絡空間作戰影響后的敵方體系,停留在局部低作戰能力的時間.即

窗口時間指標TW越高,網絡空間作戰效果越好.

4.2.3 恢復難度

恢復難度Rr,反映的是受到網絡空間作戰影響后的敵方體系,通過冗余備份、指揮接替、網絡修復等恢復策略,恢復原有作戰能力的困難程度.恢復難度與恢復效率負相關,因此,Rr可用敵方體系能力的恢復程度r 和恢復速度vr的負指數函數表示,即

恢復難度指標Rr越高,網絡空間作戰效果越好.

4.2.4 優勢窗口效能指數

以上3 個指標都與優勢窗口的綜合效果正相關.以網絡空間作戰影響下敵方體系某一局部能力受負面影響的優勢窗口,定義網絡空間作戰創造的優勢窗口效能指數

要計算優勢窗口效能指數,關鍵是獲得網絡空間作戰影響下不同時刻的敵方體系能力值Q（t）,該值可以通過對體系態勢指標值進行動態監測得到.

5 實驗驗證及進一步分析

為了驗證評估方法和指標的有效性,本文基于某網絡空間作戰綜合仿真試驗系統,進行了聯合作戰背景下典型網絡空間作戰體系對抗仿真實驗.該系統集成了體系在陸、海、空、天各作戰域的主要作戰模型,并將網絡空間作戰行動放在聯合作戰體系對抗背景下,支持綜合仿真試驗和分析評估.

5.1 實驗設計

想定以紅藍雙方在某海域發生小規模沖突為背景.設想雙方在某海域發生對峙,為占領先機,紅方利用電子戰飛機和網電無人蜂群,對藍方偵察預警體系實施網絡空間作戰行動,達到短暫致盲效果,創造優勢窗口,掩護導彈對藍方主力艦船實施突防打擊.其中,網電無人蜂群由有人機為載體釋放,釋放后的蜂群自主指定其中1 架無人機作為領機,統一分配蜂群內各無人機的網電攻擊任務目標,并承擔與有人機之間的指揮與通信中繼、數據分發等任務.當領機被摧毀時,蜂群自主選擇新的領機替代.基本想定行動設計如下:

T 時刻,紅方派出2 架D1 電子戰飛機,對藍方預警機Y1 實施遠距離電子干擾行動,壓制其預警探測雷達的探測范圍;藍方視情發動反電子干擾行動.

T+220 s,紅方在實施電子壓制空域由1 架有人機釋放無人蜂群向藍方艦艇T1 實施抵近網電攻擊.

T+800 s,紅方無人蜂群到達藍方艦艇X1 附近,實施抵近、分布、認知化的網絡對抗行動,嘗試接入、擾亂甚至控制艦載武器裝備.藍方艦載無人機蜂群防御裝備對于無人機蜂群進行電子干擾壓制與網絡控制.

T+850 s,紅方H 海導彈部隊分別從2 個方向向N 號航母各發射10 枚DD1 型彈道導彈,在無人機蜂群網絡對抗行動的掩護下展開突防.同時,藍方N 號航母編隊的艦船對DD1 型導彈進行反導攔截.

為進行對比分析和驗證,在基本想定方案的基礎上設計了3 個對比案.各作戰方案設計具體如表3所示.

表3 實驗方案設計Table 3 Experimental scheme design

5.2 實驗結果及分析

5.2.1 作戰勢指標動態監控結果

想定中網絡空間作戰行動的目的是掩護導彈打擊,因此,可用導彈命中概率作為最終作戰效能評估指標.但在導彈命中前的作戰過程中,無法得到導彈命中概率,此過程中可以用本文提出的作戰勢指標,反映導彈對目標體系的攻擊潛力,從而間接估計導彈命中概率.需注意的是,在導彈發射前,由于作為被攔截攻擊的導彈目標未就位,無法直接計算作戰勢,此時可采用假想條件法進行計算.即假定導彈已經到達藍方航母編隊最近可攔截距離,在此基礎上計算藍方航母編隊對紅方導彈的作戰勢.

想定中網絡空間作戰行動直接效果可以用網絡接入率來表示,網絡接入率具體指發起網絡攻擊的實體成功接入的比率.網絡接入率和作戰勢指標分別能夠表示網絡空間作戰的直接效果和體系效能.圖4 是基本案0 中兩個指標的動態監控結果.

圖4 基本案0 的網絡接入率與作戰勢指標動態監控結果Fig.4 Dynamic monitoring results of network access rate and the combat potential indicators of the basic scheme of 0

由圖4 可見,階段2 中網絡接入生效時間約為T+1 000 s,此時網絡接入率指標開始迅速攀升,同時作戰勢指標開始急劇下降;T+1 050 s 后,藍方遭紅方導彈攻擊,損失較大,此時由于目標毀傷,網絡接入鏈路斷開,導致網絡接入率指標急劇下降,同時作戰勢指標也繼續下降;T+1 200 s 后,藍方未受攻擊的武器平臺狀態逐漸恢復,紅方網絡接入率指標繼續下降至0,同時作戰勢指標略有回升.通過關鍵指標的動態監控,能夠幫助對戰場態勢形成清晰準確的認識.

5.2.2 優勢窗口可視化監控結果

對比基本案0 和對比案1 的作戰勢指標動態監控結果.以T+800 s 時刻作戰勢指標值作為基準,進行歸一化處理后得到的動態監控結果如圖5 所示.

圖5 基本案0 和對比案1 的作戰勢指標動態監控結果Fig.5 Dynamic monitoring results of the combat potential indicators of the basic scheme of 0 and the comparison scheme of 1

基本案0 和對比案1 的區別在于后者沒有發射導彈.從對比案1 的作戰勢指標監控結果來看,明顯出現一段狹窄的優勢窗口,該窗口持續期約為100 s.由優勢窗口概念可知,這段時間對于導彈攻擊行動最有優勢.基本案0 的作戰勢指標監控結果展示了在優勢窗口期進行導彈攻擊行動所達到的效果,導彈對航母編隊的突防命中概率較高,對航母編隊造成了較好的毀傷效果,因此,在短暫優勢窗口期之后,藍方作戰勢指標也保持在一個較低水平.

對比案2 和案3 分別在基本案0 的基礎上,將導彈發射時間提前和延后了100 s,3 個方案的作戰勢指標動態監控結果對比如圖6 和圖7 所示.

圖6 基本案0 和對比案2 的作戰勢指標動態監控結果Fig.6 Dynamic monitoring results of the combat potential indicators of the basic scheme of 0 and the comparison scheme of 2

圖7 基本案0 和對比案3 的作戰勢指標動態監控結果Fig.7 Dynamic monitoring results of the combat potential indicators of the basic scheme of 0 and the comparison scheme of 3

由基本案0 和對比案2 的指標動態監控結果對比可知,在優勢窗口期之前到達的導彈雖然仍然能夠造成一定的毀傷,但突防概率相對更低,且在優勢窗口期過后作戰勢指標仍會恢復到一定值;由基本案0 和對比案3 的指標動態監控結果對比可知,在優勢窗口期結束后到達的導彈雖然仍然能夠造成一定的毀傷,但毀傷效果明顯不如在優勢窗口期內到達的導彈.

分別對基本案0、對比案2、對比案3 重復運行20 次,得到導彈命中數平均值（想定共發射20 枚導彈）分別為18.7、8.8 和12.1,命中概率平均值結果對比如圖8 所示.

圖8 3 個方案的導彈命中概率平均值Fig.8 Average value of the missile hit probability of three schemes

從結果來看,基本案0 的導彈命中概率最高,接近100%,其他兩個對比案的命中率都只有一半左右.但對比案3 的命中概率要高于對比案2,通過對作戰勢指標監控結果分析后發現,原因是對比案3 在比基本案0 晚100 s 發射的情況下,到達攻擊目標時雖然已過最佳優勢窗口期,但網絡攻擊效果仍未完全消失,對導彈攻擊仍有一定支援作用;而對比案2 在導彈到達時,網絡攻擊尚未起效,對導彈攻擊并無支援作用.

5.2.3 優勢窗口效能指數結果分析

通過動態測量對優勢窗口進行了可視化呈現和分析,但并未給出優勢窗口的量化評價結果.此時,對于兩個網絡空間作戰行動所創造的優勢窗口,將無法比較其優劣.本實驗根據優勢窗口度量方法,繼續研究優勢窗口的量化結果并進行對比分析.

由圖5 中對比案1 的作戰勢指標監控圖可知,其優勢窗口較為清晰可見.因此,考慮以對比案1 為基準,修改網絡攻擊的強度（可通過增減網絡攻擊無人機蜂群規模來實現）,進行探索性仿真實驗,研究優勢窗口效能指數的量化及其規律.實驗共進行10次,其中,第i 次實驗的無人機蜂群規模為2×i,所有實驗中無人蜂群僅有1 架領機.顯然,網絡攻擊強度與無人機蜂群規模成正相關.根據前述優勢窗口度量方法,可由作戰勢指標動態監控值,計算得到優勢窗口效能指數.10 次實驗的結果如表4 所示.

表4 優勢窗口效能指數的實驗計算結果Table 4 Experimental calculation results of the efficiency index of the superiority window

基于計算結果,將窗口時間和優勢窗口效能指數兩個指標作成折線圖,分別如圖9 和圖10 所示.

圖9 優勢窗口時間隨蜂群規模變化圖Fig.9 Diagram of superiority window time variation with swarm size

圖10 優勢窗口效能指數隨蜂群規模變化圖Fig.10 Diagram of efficiency index of superiority window variation with swarm size

可以看到,在本實驗情景下,在無人機蜂群規模較?。ǖ陀?0）,即網絡攻擊強度較低時,提升規模能夠顯著增加優勢窗口時間,并提升優勢窗口效能指數;當無人機蜂群規模超過10 時,提升規模僅能使優勢窗口時間及優勢窗口效能指數略微增長.由此可得: 在本實驗情境下,無人機蜂群規模為10 即可創造優勢窗口,此時效費比最高.

5.2.4 無人蜂群分級協同模式影響分析

上述實驗主要對有人機釋放一個無人機蜂群的情況進行了研究分析.實際上,無人機蜂群在實際作戰中,可能會進一步分化成多個小的子蜂群,子蜂群間松散耦合,基于預先分配的作戰任務各自為戰.該分級協同模式的架構和流程分別如圖11 和圖12 所示.

圖11 無人機蜂群分級協同模式示意圖Fig.11 Schematic diagram of drone swarm hierarchical collaboration mode

圖12 無人機蜂群分級協同模式指揮流程圖Fig.12 Command flowchart of drone swarm hierarchical collaboration mode

為了研究蜂群分級協同模式對實驗結果的影響,本文在單個20 架無人機蜂群實驗基礎上,設計了對比實驗,即蜂群總數量20 架保持不變,將蜂群分別均分為1、2、4、5、10、20 個子群,每個子群中無人機數量分別為20、10、5、4、2、1,子群分別有1 架無人機作為領機,領機各自直接與有人載機進行指揮控制通信.6 次實驗的結果如圖13 和圖14 所示.

圖13 優勢窗口時間隨子群規模變化圖Fig.13 Diagram of superiority window time variation with swarm size

圖14 優勢窗口效能指數隨子群規模變化圖Fig.14 Diagram of efficiency index of superiority window variation with sub-swarm size

當蜂群總規模固定時,蜂群無人機協同模式對實驗結果有一定影響: 當分為2 個子群、子群規模為10 時,優勢窗口效果最好;當分為20 個子群、子群規模為1 時效果最差.這表明子群規模適中是最好的,子群規模過大或過小都不利于協同.同時,當子群規模過小時,直接與有人機通信的數量過多,引起通信過載,這可能是引起作戰效能變差的主要原因.

5.2.5 實驗結論

1）網絡空間作戰能夠在低強度沖突背景下發揮重要作用.由于戰場網絡空間作戰行動通常產生的效果是壓制或軟毀傷,這種作戰效果有一定的持續時間,同時又是可恢復的,這就既對敵方造成威懾又并不會升級戰爭,非常契合低烈度沖突的作戰需求.

2）網絡空間作戰能夠創造短暫優勢窗口.本實驗中,紅方先利用電子干擾機降級藍方預警偵察體系,創造戰斗機突防的空中走廊,繼而無人戰斗機突防后釋放網絡對抗無人機蜂群,最后達到蜂群對敵方關鍵武器裝備產生近距離威脅的效果,這一系列緊密銜接的短暫優勢窗口,充分體現了戰場網絡空間作戰創造戰機和把握戰機的戰法優勢.另外,網電無人機蜂群的協同模式對作戰效果也有一定影響,恰當的分群模式能夠使作戰效果更好.

6 結論

網絡空間作戰效能評估的關鍵在于找出網絡空間作戰行動對體系能力的影響.通過分析網絡空間作戰效能生成的新機理,啟示得到其效能評估的新方法,即通過關鍵能力指標作戰勢的動態監控及優勢窗口的可視化,對網絡空間作戰效能進行量化及可視化表達.設計實驗對新指標和新概念的可行性進行了驗證和分析.該方法能夠建立網絡空間作戰行動本身與體系整體作戰效能關聯關系,“講清楚”網絡空間作戰效能,并最終為“怎么用”網絡空間作戰提供指導.