王南星,王勁松,李國偉

(解放軍信息工程大學(xué),河南鄭州　450001)

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基于熵理論的網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究*

王南星,王勁松,李國偉

(解放軍信息工程大學(xué),河南鄭州450001)

摘要:作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的優(yōu)劣程度,通常用系統(tǒng)內(nèi)信息傳遞的及時(shí)性和準(zhǔn)確度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行衡量,結(jié)構(gòu)熵理論中時(shí)效和質(zhì)量兩種度量方式可以有效地對這兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定量分析。運(yùn)用這一理論對網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的傳統(tǒng)型構(gòu)建方式和改進(jìn)型構(gòu)建方式分別建立了系統(tǒng)有序度模型,結(jié)合實(shí)例進(jìn)行評價(jià)分析,從而論證兩種作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣程度,為網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮體系的構(gòu)建提供參考。

關(guān)鍵詞:熵理論;網(wǎng)絡(luò)空間；作戰(zhàn)指揮;有序度;優(yōu)化

修回日期： 2015-11-27

王勁松(1965-),男,教授,碩士生導(dǎo)師。

李國偉(1984-),男,碩士研究生。

網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮是指揮員為達(dá)成特定作戰(zhàn)目的,對網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)行動進(jìn)行的決策計(jì)劃、組織指揮、協(xié)調(diào)控制和效能評估等活動。近幾場局部戰(zhàn)爭表明,網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮活動中指揮關(guān)系、指揮手段、指揮方式、指揮環(huán)境等因素決定網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)行動的成敗。運(yùn)用熵理論對網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建進(jìn)行評估分析,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和功能的釋放,對建立網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)具有重要意義。

1概述[1-3]

在傳統(tǒng)的指揮系統(tǒng)中,信息的流通更多地體現(xiàn)在上、下級之間的縱向流通,作戰(zhàn)任務(wù)的下達(dá)基于部隊(duì)武器裝備技戰(zhàn)術(shù)性能,指揮信息的流通呈現(xiàn)出獨(dú)立的線性結(jié)構(gòu)。而網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)行動更加依賴于信息,作戰(zhàn)任務(wù)需要各要素協(xié)力配合完成。信息不僅在指揮系統(tǒng)內(nèi)縱向流通,各要素間的橫向流通也成為網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮的顯著特點(diǎn)。作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)對各要素的協(xié)調(diào)控制和各要素間的相互聯(lián)通使得信息的流通較以往作戰(zhàn)更加復(fù)雜,各要素對信息的共享和分配都提出了更高的需求。總體上看,前者是根據(jù)自身武器裝備性能組織指揮控制;后者是根據(jù)任務(wù)需求協(xié)調(diào)控制各類武器裝備。

1850年,魯?shù)婪颉た藙谛匏故状翁岢鲮氐母拍?用來表示一種能量在空間中分布的混亂程度,能量分布得越混亂,熵就越大。熵理論的不斷發(fā)展使其成為度量與測量組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的研究中一個主要的研究分支。結(jié)構(gòu)熵模型理論是應(yīng)用范圍非常廣泛的一門科學(xué)理論,熵既是一個物理學(xué)概念,又是一個數(shù)學(xué)函數(shù),也是一種自然法則[4]。

文獻(xiàn)[5-9]中使用了結(jié)構(gòu)熵模型對指揮系統(tǒng)進(jìn)行建模,并用時(shí)效和質(zhì)量兩個指標(biāo)對指揮效益進(jìn)行了評價(jià)。文獻(xiàn)[5]的實(shí)例分析在指揮層級和要素組成不一致的情況下得出改進(jìn)后的指揮系統(tǒng)效率高于原始狀態(tài);文獻(xiàn)[6]中在兩作戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成相差懸殊的條件下,得出美軍指揮系統(tǒng)效率高于俄軍;文獻(xiàn)[7]采用了相同的指揮層級和要素組成進(jìn)行對比分析,但在計(jì)算質(zhì)量實(shí)現(xiàn)概率中存在明顯偏差,最終仍得出基于作戰(zhàn)任務(wù)建立的指揮系統(tǒng)比基于武器結(jié)構(gòu)建立的指揮系統(tǒng)效率更高;文獻(xiàn)[8]總結(jié)了早期有關(guān)熵理論文獻(xiàn)中的不足,構(gòu)建了改進(jìn)的時(shí)效有序度模型,闡述了權(quán)重系數(shù)的分配應(yīng)針對不同系統(tǒng)而設(shè)定,并指出“當(dāng)組成系統(tǒng)的元素個數(shù)一定時(shí),結(jié)構(gòu)高時(shí)效有序度和高質(zhì)量有序度不可兼得,總存在一優(yōu)一劣的狀況[8]”。但在文獻(xiàn)[9]中通過多鏈路共享信息的組合模式,使得元素個數(shù)相同時(shí),時(shí)效和質(zhì)量同時(shí)提升存在可能。文獻(xiàn)[9]在時(shí)效和質(zhì)量兩種指標(biāo)的基礎(chǔ)上增加了可靠度指標(biāo),對于綜合效率的評價(jià)采用三者的算術(shù)平均數(shù),沒有對三者的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行討論分配。本文以及時(shí)性和準(zhǔn)確度作為指揮系統(tǒng)衡量標(biāo)準(zhǔn),基于熵理論從時(shí)效和質(zhì)量兩個指標(biāo)建立結(jié)構(gòu)有序度模型,定義各指標(biāo)的含義并依此建立系統(tǒng)特征表達(dá),并進(jìn)行計(jì)算分析得出結(jié)論。

2作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)有序度模型的建立

信息效用指信息滿足需要的能力。信息越能滿足需要,其效用就越大。如采用基數(shù)效用理論,則信息效用是可以度量的,衡量單位為“信息效用量”(information utility)[10-11]。由此,在對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有序度評價(jià)時(shí),可采用時(shí)效性和質(zhì)量性兩個“信息效用量”進(jìn)行定量分析。時(shí)效性表示信息傳遞的及時(shí)性,質(zhì)量性表示信息傳遞的準(zhǔn)確度。在結(jié)構(gòu)熵模型中時(shí)效熵是信息傳遞時(shí)間不確定性的度量,用時(shí)效表示系統(tǒng)在時(shí)效性方面的有序度;質(zhì)量熵是信息傳遞質(zhì)量不確定性的度量,用質(zhì)量表示系統(tǒng)在準(zhǔn)確性方面的有序度。將兩者進(jìn)行綜合對系統(tǒng)組織進(jìn)行整體評價(jià)。

在對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)定量化描述中,系統(tǒng)有序度表示系統(tǒng)的復(fù)雜及有序程度。通常用R=1-H/Hmax表示。其中,R表示系統(tǒng)組織有序度,H表示系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)熵,Hmax表示系統(tǒng)組織最大熵(從數(shù)學(xué)角度分析,存在Hmax=0的情況,但在實(shí)際組織結(jié)構(gòu)中基本不存在點(diǎn)對點(diǎn)的單一指揮關(guān)系結(jié)構(gòu),所以本文不考慮這種極端情況);R越大,表示系統(tǒng)有序化程度越高、結(jié)構(gòu)越優(yōu)。

圖1　聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

圖1為聯(lián)合作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖,在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中共有n個元素和m層指揮層次。其中“—”代表兩元素間存在信息直接聯(lián)系。下面以此模型為例,對系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)中各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定義。

2.1指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)時(shí)效有序度模型

在指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)中,信息的流動指在指揮控制關(guān)系網(wǎng)上的信息流動[10],反映著指揮信息的下達(dá)與反饋。圖2為某防空想定指揮控制圖[11],圖中箭頭表示信息在該指揮控制系統(tǒng)中的流動及方向,從指揮部、武器平臺、探測器到單兵。信息流將指揮命令和反饋信息傳輸至系統(tǒng)的每一個元素,構(gòu)成完整的信息流回路,從而完成指揮控制的整個流程。

系統(tǒng)中任何兩個節(jié)點(diǎn)之間都有可能進(jìn)行信息的交流,那么系統(tǒng)中任意兩元素的時(shí)效熵定義為

(1)

系統(tǒng)總的時(shí)效熵定義為

(2)

n表示系統(tǒng)中總元素個數(shù),定義系統(tǒng)最大時(shí)效熵為

(3)

其中，An為系統(tǒng)中時(shí)效微觀態(tài)總數(shù),時(shí)效微觀態(tài)為系統(tǒng)中兩元素聯(lián)系的狀態(tài)數(shù)。

(4)

Lij為系統(tǒng)中i,j兩元素間的聯(lián)系長度,以兩者間取得聯(lián)系的最短路徑來計(jì)算。由于效率表示單位時(shí)間信息的流通量,所以取系統(tǒng)內(nèi)直接關(guān)聯(lián)的兩元素長度為1,每次信息中轉(zhuǎn)后長度加1。如在圖1中,“作戰(zhàn)指揮部”與“情報(bào)中心”的聯(lián)系長度為“1”,“作戰(zhàn)指揮部”與“地面?zhèn)刹榱α?”的聯(lián)系長度為“m-1”。

定義i,j實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的概率:

(5)

圖2　某防空想定指揮控制圖

(6)

2.2作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)質(zhì)量有序度模型

(7)

(8)

Ek為系統(tǒng)中指揮聯(lián)系的跨度數(shù),即聯(lián)系個數(shù),表示在系統(tǒng)中與第k個元素有直接聯(lián)系的元素個數(shù),如在圖1中與“作戰(zhàn)指揮部”直接存在信息來往的有“情報(bào)中心”、“通信中心”、“火控中心”、“保障中心”,那么其聯(lián)系個數(shù)就為“4”;Aq為系統(tǒng)質(zhì)量微觀態(tài)總數(shù),質(zhì)量微觀態(tài)為聯(lián)系個數(shù)與該類元素的個數(shù)的乘積。系統(tǒng)總質(zhì)量熵表示為

(9)

系統(tǒng)最大質(zhì)量熵:

(10)

則該作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)質(zhì)量可表示為

(11)

(12)

系統(tǒng)質(zhì)量越大,表示系統(tǒng)內(nèi)信息在產(chǎn)生轉(zhuǎn)移時(shí)準(zhǔn)確性越高,系統(tǒng)的質(zhì)量有序度越高。

2.3指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)有序度的綜合評定

指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的有序度,要綜合考慮其時(shí)效和質(zhì)量兩個指標(biāo)對于系統(tǒng)內(nèi)不確定性因素的度量。在文獻(xiàn)中,將時(shí)效與質(zhì)量的相加取算術(shù)平均值,顯然這與實(shí)際作戰(zhàn)指揮需求不相符。特別是在網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮中,情況瞬息萬變,戰(zhàn)機(jī)稍縱即逝;且不同的作戰(zhàn)任務(wù)要求也不盡相同,所以不能對評價(jià)指標(biāo)一概而論。這里定義系統(tǒng)綜合有序度R為

R=αRt+βRq;α+β=1

(13)

α,β為系統(tǒng)中時(shí)效和質(zhì)量的權(quán)重系數(shù),根據(jù)不同情況對作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的要求定義不同的權(quán)重系數(shù)以得出合理的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)有序度。權(quán)重系數(shù)具體數(shù)值可通過專家綜合運(yùn)用層次分析法進(jìn)行計(jì)算得出。

R的數(shù)值越大,說明系統(tǒng)有序度和指控效率越高。

3應(yīng)用實(shí)例

3.1情況說明

圖3表示基于傳統(tǒng)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)建立的網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng),其中信息的傳遞只在各要素及其下屬要素間進(jìn)行,高級平臺與次級平臺間的信息交流僅限于有直接隸屬關(guān)系的各要素，所有信息最終匯總于頂層,由頂層完成決策計(jì)劃、指揮協(xié)同，屬于典型的頂層設(shè)計(jì)、部門分工合作式的指揮控制系統(tǒng)。圖中“①”表示第1種元素的標(biāo)號序號,與下圖含義相同。

圖3　傳統(tǒng)型網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)示意圖

圖4在原有基礎(chǔ)上,加強(qiáng)了相鄰層級間的信息交流,使上級平臺的信息能夠與所有次級平臺要素共享,增加了信息向下傳達(dá)和向上反饋的通信鏈路。如信息偵查組獲取通信遭到干擾的信息需將此信息傳遞至通信保障組,在傳統(tǒng)型系統(tǒng)中需經(jīng)過作戰(zhàn)指揮部再轉(zhuǎn)達(dá)至信息保障組;在改進(jìn)型系統(tǒng)中信息偵查組可將信息同時(shí)向作戰(zhàn)指揮部和通信保障組傳遞,提高了指揮的效率。這種系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠充分體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)信息高度的互聯(lián)互通,同時(shí)多通信鏈路的存在能夠增強(qiáng)指揮系統(tǒng)的抗毀性能。亦可以理解為網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)任務(wù)非單一作戰(zhàn)單元能夠完成,需要參戰(zhàn)各要素共享信息,協(xié)力完成同一作戰(zhàn)目標(biāo)。

圖4　改進(jìn)型網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織示意圖

3.2模型計(jì)算

根據(jù)上述系統(tǒng)有序度計(jì)算步驟,對以上兩種組織結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵和質(zhì)量熵進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1-5所示。

表1　傳統(tǒng)型作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)時(shí)效熵

表2　傳統(tǒng)型作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)質(zhì)量熵

表3　改進(jìn)型作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)時(shí)效熵

表4　改進(jìn)型作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)質(zhì)量熵

計(jì)算過程如下:

在此實(shí)例中,改進(jìn)型系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵與質(zhì)量熵均較傳統(tǒng)型作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)有所提高,為方便計(jì)算,取權(quán)重系數(shù)各為0.5。

表5　各系統(tǒng)綜合有序度

3.3結(jié)果分析

在文獻(xiàn)[8]中分析了線性指揮系統(tǒng)和扁平式指揮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有序度,得出系統(tǒng)時(shí)效和質(zhì)量不可兼得的論斷。但在實(shí)際指揮體系中,單純的線性結(jié)構(gòu)存在甚微,即使是傳統(tǒng)的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng),也存在部門間的相互協(xié)同。在文獻(xiàn)[5,7]構(gòu)建的指揮系統(tǒng)中,存在系統(tǒng)時(shí)效與質(zhì)量不可得兼的情況,在這種情況下需對權(quán)重系數(shù)進(jìn)行討論分析。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的不同,及時(shí)性和準(zhǔn)確度亦有所偏倚。即使是同一系統(tǒng),對其的系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)有序的界定也不是固定的,根據(jù)不同的作戰(zhàn)條件權(quán)重會跟隨變化,以滿足作戰(zhàn)指揮的需求。

通過計(jì)算所得數(shù)據(jù),當(dāng)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的信息傳遞鏈路增加時(shí),信息傳遞的途徑得以增加,系統(tǒng)由金字塔形趨近于扁平型。在時(shí)效上沒有明顯的改變,在質(zhì)量上取得較大幅度的提高。這說明,在不改變指揮層級而增加指揮信息傳遞鏈路,將作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨近于扁平時(shí),指揮系統(tǒng)的綜合效能得到了提高。這也符合網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的建立高度依賴于信息的互聯(lián)互通,信息傳遞渠道的廣泛深入也是網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮的必然需求。

4結(jié)束語

運(yùn)用熵理論對傳統(tǒng)型和改進(jìn)型網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析,在時(shí)效和質(zhì)量兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行評定,建立有序度模型,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,提出了優(yōu)化后的扁平式多鏈路組網(wǎng)模式更適用于網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的構(gòu)建。同時(shí),影響作戰(zhàn)指揮效益的因素還有很多,這里的分析還不夠完整全面,后續(xù)還將結(jié)合更多影響因素對網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行更加深入的論證分析。

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Cyberspace Combat Command System StructureOptimization Based on Entropy Theory

WANG Nan-xing, WANG Jin-song, LI Guo-wei

(PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:The quality of the combat command system is usually judged by the timeliness and the accuracy of the information transformation in the system. These two items can be effectively analyzed quantitatively with the measurements of timeliness and quality in structure entropy theory. Using structure entropy theory, this paper builds up system order degree models for the traditional and the improved constructions of cyberspace combat command system. Then, the models are analyzed using some examples to find out the relevant effectiveness of these two combat command systems so as to assist the construction of the cyberspace combat command system.

Key words:entropy theory； cyberspace； combat command； order degree； optimization

作者簡介：王南星(1988-),男,河南鄭州人，碩士研究生,研究方向?yàn)樾畔⒆鲬?zhàn)指揮理論與應(yīng)用,

*基金項(xiàng)目：全軍軍事類研究生資助課題(2014JY168)

收稿日期：2015-11-04

中圖分類號:E94

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.01.004

文章編號：1673-3819(2016)01-0013-05