C4ISR系统结构时效性的仿真评估*

邓克波，楚 威，程文迪，孙丰鑫，刘力力

（信息系统工程重点实验室，南京 210007）

C4ISR系统结构时效性的仿真评估*

邓克波，楚 威，程文迪，孙丰鑫，刘力力

（信息系统工程重点实验室，南京 210007）

时效性是评价C4ISR系统结构优劣的重要标准。为了支撑C4ISR系统结构的分析评估与优化设计，提出了系统结构时效性的评估指标体系和指标评估模型，基于Agent建模方法建立了情报获取、情报处理、决策控制和响应执行等系统结构单元的仿真模型，设计并实现了C4ISR系统结构仿真评估软件。开展了三类仿真实验，分析了影响系统结构时效性的因素，比较了不同类型系统结构的优劣，验证了此方法的有效性。

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引言

系统结构是指系统组成要素及要素之间的关系。C4ISR系统结构包括底层通信网络的物理连接结构和上层信息交互的逻辑关系结构。作为军力倍增器的C4ISR系统，其结构的优劣对系统能否有效发挥作战效能具有重要影响。特别是随着“网络中心战”和“空海一体战”等概念的提出［1-2］，C4ISR系统具有“平台为中心”向“网络为中心”的发展趋势，系统结构也从集中式、树型结构向扁平化、网络化转型［3-4］。然而，如何定量评估C4ISR系统结构的性能，以及如何分析系统结构性能的各种影响因素，目前缺少有效的方法和工具支撑。采用实兵演练的方式，受到环境、经费和安全等诸多因素的限制，通过建模分析评估C4ISR系统结构则是一种有效方法。

目前，基于模型的C4ISR结构分析评估大致分为两个主要方向。一是通过建立系统结构的数学模型和理论计算完成分析评估［5-10］。例如，文献［5］基于复杂网络理论，计算分析了系统结构的聚系数和平均路长等指标。文献［6-7］基于信息熵理论，分析了信息承载量最大的最优系统结构。文献［8］通过建立舰艇编队C3I系统结构的有色Petri网模型，理论分析了匹配作战任务的最优系统结构。文献［9］借助体系结构视图［10］，建立了通信网络结构的数学优化模型，并给出了求解方法。由于实际C4ISR系统受到诸多战场环境因素影响，建立逼真的数学模型比较困难。二是建立C4ISR系统的仿真可执行模型，通过运行仿真系统和分析实验数据完成系统结构评估。文献［11］研究了将C4ISR体系结构视图映射为仿真可执行模型的方法。文献［12-14］通过仿真实验分析了C4ISR系统的通信网络结构。文献［15］利用ELICIT仿真平台对系统中信息共享交互结构进行了实验分析。目前在综合考虑底层通信网络和上层信息交互关系的系统结构仿真实验方面研究较少。

1 时效性评估指标

C4ISR系统结构时效性是指支持情报、指控命令和共享态势等信息在系统单元间快速交互的能力，是系统完成作战任务的基本要求。建立的C4ISR系统结构时效性评估指标如图1所示。下文给出指标的定义、评估模型及数据获取方法。

图1 系统结构高效性评估指标体系

情报保障时间定义为从信源（情报获取单元或情报处理单元等）发送情报到情报用户节点（决策控制单元、响应执行单元或其他情报处理单元）接收到该情报的平均时间间隔，具体分为情报处理单元、决策控制单元和响应执行单元获得情报信息的时效性，评估模型如下所示，

以情报处理单元获取情报信息为例，N情处单元表示系统中情报处理单元的总个数，M情处单元i表示情报处理单元i在指定的评估时段内接收的情报信息总次数，tij1（情处单元）表示接收到第j个情报信息的时刻，该数据可以通过对接收的情报报文打上接收时戳获得；tij0（情处单元）表示第j个情报报文从信源节点发出的时刻，同样可以通过对发送的情报报文打上发送时戳获得。系统结构的情报保障时效性是系统内所有情报处理单元、决策控制单元和响应执行单元在整个评估时段内获取情报保障时效性的平均值，即在空间和时间上的平均。

指挥控制时间用来衡量下级决策控制单元和执行单元等能否及时获得上级指控信息，其中指控信息包括作战方案、计划和指令等。指挥控制时间定义为从上级决策控制单元发出指控信息开始到下级决策控制单元或执行单元接收到该指控信息的平均时间间隔，评估模型如下所示，

系统指挥控制时间是系统内所有决策控制单元和执行单元在整个评估时段内获取指控信息时效性的平均值。

订阅分发时间用来衡量系统中信息用户能否通过订阅请求及时获取相关的信息服务，其中信息用户包括情报获取单元和决策控制单元等，为简化评估模型，在此不对信息用户进一步分类。信息订阅分发时间定义为从信息用户发出信息订阅请求开始到接收到信息服务反馈的时间间隔，是系统中所有信息用户在整个评估时段内的平均值：

态势共享时间用来衡量上下级或友邻决策控制单元之间共享态势的时间长度，定义为从一个决策控制单元发出本地形成的态势信息开始到其他节点接收到该态势信息的时间间隔，是对所有节点所有态势共享行为求平均：

ti0（态势共享）表示在选定的评估时段内第i次态势共享行为中分发态势信息的时刻，ti1（态势共享）表示第i次态势共享行为中接收态势信息的时刻。

系统反应时间是指从情报获取单元发现目标到执行单元接收到针对该目标的作战计划或指令的时间间隔，评估模型为：

tk0表示系统中情报获取单元发现目标k的时刻，由于目标k可能会前后或同时被多个情报获取单元发现，因此，tk0取所有情报获取单元中最早发现目标k的时刻；tk1表示系统中所有执行单元最早接收到针对目标k的作战计划或指令的时间；K表示系统发现的目标总数。为了方便实验数据的采集，可以在剧情中为每个目标设置唯一的想定号，通过想定号确定该目标的发现时刻和执行指令接收时刻。

2 系统结构仿真建模

采用统一的Agent模型框架对C4ISR系统结构单元进行仿真建模，单元类型包括情报获取单元、情报处理单元、指挥决策单元、响应执行单元和通信网等。仿真模型均包括感知器、处理器和效应器3个模块，感知器用来感知外部环境变化和与其他系统单元进行交互；处理器用来对接收或感知的信息按照一定的规则进行处理；效应器是根据信息处理结果执行响应的反应动作。

情报获取单元模型属性包括：标识、位置（经纬高）、探测半径、扫描周期、情报输出周期、情报处理容量、探测误差、处理平均时延等。情报获取单元仿真模型的结构及处理流程，如图2所示。

情报处理单元模型的属性包括：标识、位置（经纬高）、情报输出周期、情报处理容量、处理平均时延、处理误差等。情报处理单元仿真模型的结构和处理流程，如图3所示。

图3 情报处理单元仿真模型信息处理流程

决策控制单元模型的属性包括：标识、指挥级别、位置（经纬高）、决策周期、指挥命令格式、态势格式等。决策控制单元仿真模型的基本结构和处理流程，如图4所示。

图4 决策控制单元仿真模型信息处理流程

响应执行单元模型的属性包括：标识、责任区范围、打击半径、弹药数量、毁伤概率等。执行单元仿真模型的结构和处理流程，如图5所示。

图5 响应执行单元仿真模型信息处理流程

通信网仿真模型的属性包括：通信节点位置、处理时延、缓存大小；通信网络邻接矩阵、传输链路类型和带宽、路由选择规则等。为了支持通信网仿真模型运行，设计了公共数据结构，包括路由表、信息交互关系表、通信节点状态表、信息表以及事件表等。基于公共数据，通信网仿真模型采用离散事件仿真方法，基本结构，如图6所示。

图6 通信网仿真模型信息处理流程

3 仿真评估工具设计

从软件模块框架、运行序列图和仿真推进机制介绍了C4ISR系统结构仿真评估工具设计方案。

3.1 软件模块框架

C4ISR系统结构仿真评估工具的模块框架如图7所示。不同类型的系统单元Agent用来模拟C4ISR系统情报获取、处理、传输、决策和执行等基本功能和信息交互过程。人机交互模块用来显示实验系统组成和运行过程，以及人工输入模型参数和仿真运行参数等，如仿真周期和推进速度等。配置管理模块用于实现单元Agent的编辑功能，主要包括Agent基本属性和信息交互关系的编辑和管理，主要功能包括：以图形化的方式，提供单元Agent的编辑功能；可配置单元Agent之间的信息交互关系。软件运行框架提供了供进一步开发用的软件基础架构，负责集成和串联各个软件模块。

图7 C4ISR系统结构仿真评估工具模块框架图

3.2 运行序列图

系统结构仿真评估软件运行序列如图8所示，其驱动核心是目标状态推演。目标状态推演软件模块负责根据配置参数和规则脚本文件，形成待处理的离散事件，以离散事件驱动的方式，周期性地产生和推演目标，并将目标输出信息送至信息分发软件模块。

图8 C4ISR系统结构仿真评估工具运行序列图

3.3 仿真推进机制

仿真评估工具的时钟管理采用本地虚拟时钟管理，仿真时钟的推进方法采用固定步长的方法，仿真引擎的伪代码如下：

4 系统结构实验分析案例

利用研制的系统结构分析评估工具，设计并开展了三类实验科目，对影响C4ISR系统结构时效性的因素进行了仿真实验分析，考察因素包括：通信网传输能力、战场环境态势和系统信息关系结构。

基本仿真实验参数：仿真周期为100 ms、仿真步长为1 ms、仿真结束时间为20 000个仿真步长。情报获取单元探测半径为500 km，扫描周期为5 s，情报处理单元情报发送周期为1 s，决策控制单元指令发送周期为2 s。

仿真实验系统基本配置如下页图9所示，其中粗线连线代表通信网络，细线有向连线代表应用节点之间的信息交互关系，细线多边形代表应用节点的责任区。

4.1 实验科目一

在不改变系统信息关系和战场环境的情况下，实验系统结构高效性随通信网传输能力的变化情况。

在多次实验中，战场环境的目标个数设为80个不变，通信网络的链路带宽统一由50 kb/s递增到2.0 Mb/s，系统结构高效性部分指标的实验结果如图10所示。

图9 仿真实验系统基本配置界面

图10 系统结构时效性指标VS通信链路带宽

由图10可见，系统结构性能随链路带宽的增加而逐渐提高，但当链路带宽增加到一定程度，系统性能变化微弱。因此，在实际系统构建时，应避免单纯追求通信能力，应在性能需求和建设成本之间优化考虑。

4.2 实验科目二

在不改变系统信息关系和通信网传输能力的情况下，实验系统结构高效性指标随战场环境目标个数的变化情况。

通信链路带宽统一设置为200 kb/s，战场环境中目标个数由10个递增到160个，系统结构高效性部分指标的实验结果如图11所示。

由图11可见，系统结构的高效性指标随战场环境的目标增加而逐渐变差，因为目标个数的增加意味着系统结构承载的信息传输负担增加；当目标超出一定数量，部分指标急剧恶化，因此，在给定系统结构参数和性能要求的条件下，可以分析系统结构大致满足的目标容量。

图11 系统结构高效性指标VS目标个数

4.3 实验科目三

在不改变通信网传输能力和战场环境目标个数的情况下，实验系统结构随单元个数和单元信息关系的变化情况。

首先，通信链路带宽统一设置为200 kb/s，战场环境中目标个数设置为80个，系统结构中情报获取单元个数从5个递增到20个，决策控制单元个数从3个递增到6个，系统结构高效性指标实验结果如下页图12所示。

由图12可见，在通信网能力不变的情况下，随着系统单元增多，系统时效性逐渐变差，因为通信资源竞争加剧，因此，为了保证系统性能，需要控制系统单元规模或者提高通信网络传输能力。

其次，在底层通信网结构和能力不变的情况下，改变上层部署的应用系统信息关系结构，如下页图13所示，分别对树型结构和网络化结构的系统进行仿真实验。

两种不同类型信息关系的系统结构指标实验结果如下页表1所示，以结构1实验数据为标准进行归一化处理后，如下页图14所示。由表1和图14可见，与树型结构相比，网络化/扁平化的信息交互关系有效提高了系统结构支持情报保障、指挥控制、态势共享和系统反应等的时效性。

图12 系统结构高效性VS单元个数

图13 两种信息关系结构

表1 两种系统结构时效性实验结果

图14 两种系统结构实验结果归一化

5 结束语

C4ISR系统结构时效性评估对于系统优化设计和建设具有重要意义。本文针对C4ISR系统结构的时效性，提出了度量指标和评估模型，从实验评估角度建立了系统结构单元仿真模型，设计并实现了仿真评估的工具软件。通过仿真实验，分析了影响C4ISR系统结构时效性的因素，并对不同类型的系统结构进行了比较，为系统结构优化设计提供了支撑。

［1］Alberts D S，Garstka J J，Stein F P.Network Centric Warfare: Developing and Leveraging Information Superiority［M］. Washington DC：CCRP，1999.

［2］Alberts D S.The Agility Advantage:A Survival Guide for Complex Enterprises and Endeavors［M］.Washington DC：CCRP，2011.

［3］David A G，Swati D A.Michael J S.Widely Distributed C4ISR［C］//12th ICCRTS，2007.

［4］Jefferey R C.Distributed Networked Operations-The Foundation of Network Centric Warfare［M］.Newport：Alidade Press，2005.

［5］刘 刚，罗爱民，罗雪山，体系结构信息流复杂性评估［J］.指挥信息系统与技术，2012，3（3）:20-24.

［6］Scheidt D，Pekala M.The Impact of Entropic Drag on Command and Control［C］//12th International Command and Control Research and Technology Symposium，2007.

［7］Scheidt D，Kevin S.On Optimizing Command and Control Structures［C］//16th International Command and ControlResearch and Technology Symposium，2011.

［8］徐 佳，夏惠诚.面向作战任务的舰艇编队C3I系统结构优化匹配分析［J］.舰船电子对抗，2011，34（2）:44-50.

［9］丁泽柳，罗爱民，罗雪山.一种C4ISR系统通信网络结构优化方法［J］.火力与指挥控制，2011，36（5）:21-24.

［10］DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 2.0 Volume II:Architect's Guide:Architectural Data and Models［R］.USA: Department of Defense，2009.

［11］Wang Z X，Zhang W Z，Dong Q C，et al.A Light Way of Enterprise Modeling and Simulation for C4ISR System Based on xUML［J］.Journal of Command Information Systems，2012，8（7）:2829-2838.

［12］Lindy E，Dimarogonas J，McConnell J，et al.Representing Operational Architectures into a Modeling and Environment for Analyzing Communications Architectures［C］//Military Communication Conference，2004:1456-1462.

［13］Shaulov G，Patel J.Simulation-based Performance Robustness Studies for Optical Gigabit LAN in Military Applications［C］//Military Communications Conference，Orlando，USA，2007:1-7.

［14］Li B Q，Si S K，Li B，et al.A Method to Generate C4ISR Architecture Framework and Cascading Failure of Constructed Network［C］//2nd International Conference on Artificial Intelligence，Management Science and Electronic Commerce，Zhengzhou，2011:34-37.

［15］Martin D M，McEver J C.Metrics，Analysis and Method for the Exploitation of ELICIT Experimental Data［C］//13th International Command and Control Research and Technology Symposium，WA，USA，2008.

Time-effectiveness Assessment of C4ISR Structure by Simulation

DENG Ke-bo，CHU Wei，CHENG Wen-di，SUN Feng-xin，LIU Li-li
（Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory，Nanjing 210007，China）

Time-effectiveness is an important metric for C4ISR system structure.In order to evaluate and optimize the C4ISR structure，firstly，an index system for its time-effectiveness evaluation and their assessment model are proposed;then，agent models of the C4ISR units are established，including information acquiring unit，information processing unit，command and control unit，and act unit.The design scheme of the simulation tool is also presented.Finally，three kinds of simulation experiments are implemented，in which influencing factors on the time-effectiveness of C4ISR structure are analyzed and different C4ISR structures are also compared.Simulation experiments prove that the proposed method is effective.

C4ISR system，structure，assessment index，model，simulation experiment

E917

A

1002-0640（2014）11-0027-06

2013-08-30

2013-11-10

国家安全重大基础研究基金资助项目

邓克波（1980- ），男，江苏徐州人，博士，高工。研究方向：C4ISR系统仿真与评估。