中国指挥与控制学会会刊 
空间信息需求是指用户根据任务需要对空间信息资源的类型、覆盖范围、持续时间等方面提出的具体要求,需要由空间装备的信息获取能力(简称为空间能力)来最终满足。联合作战中空间信息需求的满足过程,主要经由空间装备获取空间信息数据、空间指控机构整理并分发空间信息资源、部队机构获取资源并得到需求满足的过程,期间需遵循一定的响应规则。进行空间信息需求响应过程的仿真,可以为分析、构建和优化空间信息支援体系提供基础条件。目前针对空间信息支援[1⇓⇓-4]和特定作战样式下的空间信息需求分析[5⇓⇓-8]有了一些研究成果,文献[9⇓⇓⇓-13]还针对空间信息支援能力和力量体系结构进行了研究。但是,这些成果没有对空间能力响应空间需求的运行机制和过程进行详细分析,缺乏对空间信息需求响应过程的仿真研究。
本文从空间信息需求响应体系和满足机制出发,根据空间信息需求响应的特点,设计了基于区间数和复杂网络的空间信息需求响应过程仿真方法,并进行了案例试算,检验了方法的可行性,为进一步分析联合作战中空间信息支援体系,探讨体系的构建和优化,提供了具体支撑。
1 问题描述和分析
1.1 空间信息需求响应体系
联合作战背景下,一个典型的空间信息需求响应体系,主要由四部分组成:一是联合作战部队机构及其需求体系;二是空间指控机构及其资源体系;三是地方空间机构及其资源体系;四是空间装备及其能力体系。其中,空间指控机构与联合作战部队机构之间存在支援关系、与地方空间机构存在协调关系;空间能力与空间装备之间、空间信息需求与联合作战部队(机构)之间还存在隐含的依赖关系。联合作战部队机构、空间指控机构之间的层级关系一般根据军队编制体制结构确立;每一个联合作战部队(机构)、空间指控机构都只允许有一个上级机构,每一个地方空间机构也至多与一个空间指控机构之间建立协调联系;所有的空间装备,都分别只由一个空间控制机构进行管理并向其输出能力;受工作负载等影响,空间指控机构与联合作战部队(机构)建立的支援关系数量是有限的,每一个空间指控机构和联合作战部队(机构)每天处理的空间信息需求数量也是有限的。空间信息需求响应体系的基本构成如图1 所示。
1.2 空间信息需求满足判断
空间信息需求在联合作战体系中能否得到满足,取决于所能协调到的空间信息资源及其响应时间等。一般情况下,空间信息资源(能力)可以抽象为能力类型Style、能力特征Char、性能参数Para、作用时间Time、覆盖范围Area、有效度Vali等指标组成的能力区间;空间信息需求也可以描述为针对空间信息资源关键性指标的能力需求区间。因此,空间能力和空间需求在描述指标上具有一致性,通过建立基于一致性指标的关系矩阵,可以得到空间需求是否可以被满足的判断。
比如,联合作战环境下某空间装备对区域A、B的空间信息支援能力可以表示为:
| 能力类型Style | 能力特征 Char | 能力参数 Para | 能力作用 时间Time | 能力覆盖 范围Area | 能力有 效度Vali | 所属装备 代号Name | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 侦察监视能力 | 成像侦察能力 | 分辨率 | 3m | 12-14h | A | 80% | Z1 |
| 电子侦察能力 | 频段 | 50-2500MHz | 8-22h | B | 70% | Z2 | |
某两项空间信息需求可以描述为:
| 需求代号 Index | 能力需求类型Style* | 能力需求 特征Char* | 能力需求 参数Para* | 能力需求 时间Time* | 能力需求 区域Area* | 能力有效度 需求Vali* | 需求优 先级Prio* | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| d11 | 侦察监视能力 | 成像侦察能力 | 分辨率 | 5m | 12-13h | A | 80% | 1 |
| d21 | 电子侦察能力 | 频段 | 200-2000MHz | 10-20h | A | 70% | 2 | |
假设联合战场环境中的空间装备zi(1≤i≤N),分别具备能力类型集{e1,e2,…eM}中的部分空间能力,表示为Ei。则整个空间装备体系的总体能力矩阵E可以表示为
E= Ei= =
其中,ej为空间能力表示向量,Nj为空间装备名称标识,sj为能力类型,cj为能力特征,pj为能力参数,tj为作用时间区间,aj为能力覆盖区域,vj为能力有效度指标,其中1≤j≤M。
根据对空间信息资源的能力指标要求,联合作战部队提出的空间需求dλ可以表示为
dλ=
其中,Iλ为需求代号标识,s'λ为能力类型需求,c'λ为能力特征需求,p'λ为能力参数需求,t'λ为能力时间区间需求,a'λ为能力覆盖区域需求,v'为能力有效度需求,Gλ为需求优先级。
通过对比空间能力、空间需求矩阵中相同指标的可比性量化参数,可以得出空间需求可否得到满足的判断。如果存在j∈(1,M),使得S'λ=Sj、C'λ=Cj、P'λ=Pj,且(T'λ⊆Tj)∧(A'λ⊆Aj)∧(V'λ≤Vj)λ时,表明空间需求dλ能被空间能力E满足;否则不能被满足,记为
=
其中, 表示空间能力E对空间需求dλ的满足结果(能满足用1表示,不能满足用0表示)。同样,其他类型空间需求的提报和满足情况判断也可以照此类比分析。
1.3 空间信息需求响应过程
实际战场环境下,空间信息需求响应的一般过程为:
1)情报专业人员或空间信息处理人员,在协同联合作战部队人员进行作战计划制定或筹划过程中,从关键信息需求中提取出空间信息需求。
2)本级部队机构针对所有提取的空间信息需求,进行需求筛选和排序,确定需求处理优先级。如果某项需求在筛选中被剔除,则该项需求就被过滤而得不到满足;如果该项需求列为需求响应清单内容,则需要进行协调处理。
3)针对需求处理清单中的内容,部队机构首先进行已有空间资源的比对。如果自身空间信息资源能够满足该项空间需求,则整理资源、满足需求;如果不能满足,则判断是否与空间指控机构建立了支援关系。如果建立了支援关系,则直接通过支援关系将需求清单上报给相应的空间指控机构;如果未建立支援关系,则将需求清单上报给上级部队机构。
4)上级部队机构在收到、汇总下级所提报的空间信息需求后,同样是重复步骤2)、3),进行空间信息需求的筛选排序、自身已有资源的比对。如果能够满足需求则直接处理、满足需求;如果不能满足则提交上级部队机构或空间支援指控机构进一步协调处理。
5)空间指控机构在接收到各部队机构上报汇总的空间信息需求后,需根据需求的重要度,进行空间信息需求响应清单的集成规划,主要根据每项空间信息需求的响应时间、对空间能力的要求、以及空间装备控制的可用条件等,进行空间需求响应效益和代价的综合计算,确定所需响应的空间需求清单。
6)在确定空间信息需求响应清单后,空间指控机构同样首先进行自身掌握空间信息资源的比对,如果能够满足则通过支援关系提供资源、满足需求;如果不能满足,则通过下级、或与地方空间机构的协调,来进行空间信息需求的满足。
7)如果某项空间需求不能被支援机构及其下属机构满足,但通过空间装备的机动、变轨等操控可以实现其满足,且满足效益大于代价,则由空间指控机构按级协调进行空间装备的控制,获取空间信息数据、经处理后分发并满足该项需求。
8)如果某项空间需求既不能被部队和空间机构已有资源满足,也不在空间装备资源获取能力之内,或通过空间装备操控的满足效益低于代价,则该项空间需求将得不到满足。
以上空间信息需求的响应处理过程可以表示为如图2 所示:
2 仿真设计与实现方法
2.1 定义和假设
1)假设一个典型的空间信息需求响应体系中,联合作战部队机构体系由l层、W个单位组成,每个层级所拥有的单位数量为ωi(1≤i≤l),分别表示为 (1≤i≤l,1≤j≤ωi);空间指控机构体系由m层、U个机构组成,每个机构层级所拥有的机构数量为ui(1≤i≤m),分别表示为 (1≤i≤m,1≤j≤ui);地方可协调空间机构的数量为V个,分别表示为vi(1≤i≤V);空间装备数量为Z个,表示为zi(1≤i≤Z);则整个空间信息支援体系的机构节点数量(不包括空间装备数量)为A=(W+U+V)。如图3 所示。
2)定义联合作战部队(机构)内部之间的指挥关系矩阵为R部指=RBW×W,空间指控机构内部(涵盖空间控制机构对空间装备的控制关系)的指控关系矩阵为R空指=RKU×U,空间指控机构与联合作战机构之间的支援关系矩阵为R支援=RZU×W,地方空间机构与空间指控机构之间的协调关系矩阵为R协调=RXU×V。则整个空间信息需求响应体系图可以表示为
M=
其中,M为空间信息需求响应体系图的邻接矩阵。
3)空间装备具备的空间信息获取能力,可以描述为针对特定的能力类型,在一定的空间、时间等区间范围内,所能够提供的空间能力特征及参数。因此,定义某一类型空间能力(资源)可以表示为针对该型能力(资源)si在时间、空间等参数指标上的满足度区间数Ei=[ , ],(1≤i≤Z),其中 、 分别表示满足度区间的上下界。同理,空间需求也可描述为针对某型能力的参数指标需求区间数dλ=[e ,e ],其中e 、e 分别表示需求度区间的上下界。
4)定义符号 表示空间需求dλ能够被空间能力(资源)Ei所满足,即当dλ Ei时,有s'λ=si,且[e ,e ]⊆[ , ]。并记初始条件下各部队机构积累的空间信息资源分别表示为ESj=[e ,e ],(1≤j≤A)。由于所有机构平时空间信息资源的积累都是来自于空间装备的,因此有ESj⊆E,即e-≤e ≤e ≤e+,其中e+、e-分别表示总体能力E中对应于esj能力类型的值区间上下界。
5)联合作战部队机构单位每天需处理的空间信息需求,由本级产生需求和下级汇总需求共同组成。受编制体制和工作负载等限制,每一个部队(机构)每天处理的空间信息需求数量是有限的,每个机构空间需求响应清单的筛选主要依据各项空间需求在联合作战中的作战影响效益排序。空间需求所能达成的作战影响效益,一般由所提报部队(机构)的重要度、该项空间信息需求的提报优先等级决定。
6)定义联合作战机构 每天本级产生需求为 ={d1,d2,,…, },下级汇总上报的需求为 ={ , ,,…, },其中 、 分别表示本级产生需求数和下级汇总需求数。定义空间信息需求的提报优先等级为集合ϕ={1,2,…K}中的元素,第i层第j个联合作战机构的重要度为 。则每项空间需求在联合作战中的影响效益 可以表示为 =ρ× × ,其中ρ为空间信息需求效益系数。假设部队(机构)每天可处理空间需求数量为d ,则机构 需要进行协调处理的空间信息需求可以表示为 =prio d (其中prio表示合并本级需求矩阵 和下级需求矩阵 后,根据需求优先度排序提取靠前的d 个空间需求组成需求处理矩阵)。
2.2 仿真程序设计
在以上定义和假设的情况下,将图3 中的部队机构、空间指控机构、地方空间机构和空间装备分别抽象为节点,将相互之间的关系抽象为连线,将空间信息资源在机构间处理流转的时间消耗定义为边的权重,可以将联合作战中的空间信息需求响应体系用复杂网络图进行表示;空间需求对空间能力(资源)的满足判断,可以基于区间数进行能力(资源)包含分析的基础上,结合需求对能力的响应时间要求和规则,进一步得出空间信息需求的响应路径分析。
该部分程序设计及实现步骤为:
3 案例分析
假设一个典型的空间信息需求响应体系如下。其中联合作战部队(机构)由3层、10个单位组成,空间指控机构由3层、8个构成,地方空间机构有2个可供协调,空间装备由9个组成,分别隶属于军队和地方空间机构。各种指挥关系、控制关系、支援关系、协调关系如图4 所示。
假设每一个空间装备只具备一种能力载荷,其空间能力如表1 所示。
表1 空间装备能力表 |
| 装备zi | 能力类型si | 能力区间数Ei |
|---|---|---|
| Z1 | 2 | [3.657037 8.906870] |
| Z2 | 2 | [3.724339 9.461336] |
| Z3 | 1 | [0.647985 6.125339] |
| Z4 | 2 | [1.435423 9.637440] |
| Z5 | 1 | [2.963334 5.814495] |
| Z6 | 4 | [0.837805 7.511003] |
| Z7 | 4 | [1.777036 5.235389] |
在某联合作战行动中,各部队机构根据所承担任务的不同,其重要度如表2 所示。
表2 部队机构重要度表 |
| 部队机构 | 重要度 | 部队机构 | 重要度 |
|---|---|---|---|
| 2.136606 | W32 | 6.831888 | |
| 3.978391 | W33 | 9.621138 | |
| W22 | 3.336682 | W34 | 4.379732 |
| W23 | 2.296025 | W35 | 9.403367 |
| W31 | 9.361202 | W36 | 0.058343 |
假设通过随机区间数赋值,各部队机构产生的空间需求如表3 所示。
表3 空间需求表 |
| 部队机构 | 需求序号Iλ | 能力类型需求s'λ | 能力需求区间p'λ | 需求优先级Gλ | 响应时间需求区间t'λ |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | [0.569743 6.554614] | 2 | [05.867975] | |
| W22 | 1 | 2 | [4.400331 7.221652] | 6 | [05.429667] |
| W23 | 1 | 1 | [4.892819 9.242983] | 1 | [04.195817] |
| W23 | 2 | 2 | [3.151026 6.151496] | 5 | [05.428407] |
| W23 | 3 | 3 | [2.242139 5.177117] | 4 | [03.669571] |
| W32 | 1 | 2 | [2.755702 9.027022] | 5 | [07.850120] |
| W32 | 2 | 1 | [1.098407 7.298210] | 7 | [07.110408] |
| W33 | 1 | 2 | [0.295477 8.704527] | 4 | [01.799329] |
| W33 | 2 | 2 | [0.843451 8.758473] | 3 | [08.476360] |
| W35 | 1 | 3 | [2.693733 8.252538] | 6 | [00.850397] |
| W35 | 2 | 4 | [0.071811 6.471513] | 2 | [08.336648] |
| W35 | 3 | 1 | [2.905466 8.185756] | 5 | [07.781598] |
| W35 | 4 | 1 | [4.084276 7.644612] | 5 | [01.911644] |
| W36 | 1 | 3 | [4.782173 7.222711] | 1 | [00.516061] |
| W36 | 2 | 3 | [3.980895 8.455957] | 3 | [08.521350] |
假设其他一些仿真参数设置及其含义如表4 所示。
表4 其他仿真参数设置 |
| 参数含义 | 参数值 |
|---|---|
| 机构每天产生需求最大数n_d | 5 |
| 所有空间装备具备能力类型数n_z | 4 |
| 需求优先等级最大值K | 7 |
| 空间信息需求效益系数ρ | 1 |
| 机构每天可处理空间需求数 | 20 |
| 每个部队机构处理每项需求平均消耗时间t_B | 2 |
| 每个空间指控机构处理每项需求平均消耗时间t_K | 1 |
| 每个地方空间机构处理每项需求平均消耗时间t_D | 4 |
利用Cytoscape工具绘制图3 中的网络图并生成邻接矩阵,通过Matlab软件编制程序读取表1 -表4 的初始化数据并对该情况下各个部队机构所产生空间需求的响应路径进行仿真计算(其中令体系各节点W11至V2分别编路径序号为1~20号),可以得出各项空间信息需求的响应路径,以及各需求在整个体系中的能力和时间满足结果判断,如表5 所示。
表5 空间需求响应过程情况表 |
| 部队机构 | 需求序号 Iλ | 需求响应路径记录trace | 时间 消耗 | 能力 满足 | 时间 满足 | 能力+ 时间满足 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 11 | 1 | 5 | 0 | 1 | 0 | ||||||
| W22 | 1 | 3 | 2 | 1 | 1 | 1 | |||||||
| W23 | 1 | 4 | 12 | 4 | 1 | 11 | 1 | 10 | 0 | 0 | 0 | ||
| W23 | 2 | 4 | 2 | 1 | 1 | 1 | |||||||
| W23 | 3 | 4 | 12 | 4 | 1 | 11 | 13 | 19 | 13 | 1 | 0 | 0 | |
| W32 | 1 | 6 | 2 | 1 | 1 | 1 | |||||||
| W32 | 2 | 6 | 2 | 1 | 11 | 1 | 9 | 0 | 0 | 0 | |||
| W33 | 1 | 7 | 3 | 1 | 11 | 1 | 9 | 0 | 0 | 0 | |||
| W33 | 2 | 7 | 3 | 1 | 6 | 1 | 1 | 1 | |||||
| W35 | 1 | 9 | 4 | 12 | 4 | 1 | 11 | 13 | 19 | 15 | 1 | 0 | 0 |
| W35 | 2 | 9 | 4 | 12 | 4 | 1 | 11 | 1 | 12 | 0 | 0 | 0 | |
| W35 | 3 | 9 | 4 | 12 | 4 | 1 | 11 | 1 | 12 | 0 | 0 | 0 | |
| W35 | 4 | 9 | 4 | 12 | 4 | 1 | 11 | 1 | 12 | 0 | 0 | 0 | |
| W36 | 1 | 10 | 17 | 20 | 7 | 1 | 0 | 0 | |||||
| W36 | 2 | 10 | 17 | 20 | 7 | 1 | 1 | 1 | |||||
以部队机构W23(编号为节点4)的第3条空间信息需求(表示为 )为例,按照参数初始化结果和响应处理机制,其响应路径为4→12→4→1→11→13→19,能力满足结果为1,时间满足结果为0。以上结果表明:1)该项空间需求被部队机构W23提出后,经资源比对不能被本机构W23、空间支援机构K21及其下级机构满足,后返回并提交至上级部队机构W11(编号为节点1)处理,W11通过支援关系与空间机构K11(编号为节点11)及其下属机构K22(编号为节点13)和地方空间机构V1(编号为节点19)协调,可以利用地方空间能力满足需求;2)但是由于该项需求的响应过程时间消耗为13,超出了时间需求区间[0 3.669571],因此该项需求最终仍然得不到满足。该项需求的响应路径图如图5 所示。
通过以上案例可知:基于区间数和复杂网络的空间信息需求响应路径仿真结果较好地体现了空间信息需求响应的动态特征,考虑到了与实际相吻合的空间信息需求优先级处理、能力与时间对需求满足的约束,可以得出空间信息需求响应的过程仿真结论,为进一步深化分析联合作战中的空间信息支援体系提供了支撑。
4 结束语
本文从联合作战中空间信息需求响应的实际情况分析出发,根据空间能力对空间需求的满足特点,研究了基于区间数和复杂网络的空间信息需求响应过程仿真问题,通过案例分析验证了可行性。本文提到的方法为联合作战环境下空间信息支援体系的构建、评价和优化提供了指导和参考。在后续的研究中,可进一步研究多约束条件下、基于时间序列的不确定需求产生中响应过程的仿真问题,为联合作战动态环境下的空间信息支援体系的构建、评价和优化提供解决方案。