CN112702208B - 一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，获取敌方作战体系的网络拓扑结构；基于逆渗流理论中的Molly‑Reed准则，确定网络拓扑结构中的敌方目标打击序列；构建我方作战体系的网络拓扑结构；基于地方目标打击序列和我方作战体系的网络拓扑结构，以打击代价最小为目标，确定目标打击序列中每个节点的单目标打击链；基于任务指派理论，以总打击链最短为目标，确定敌方目标打击序列的打击链路；本发明在逆渗流理论和网络化体系作战模型的基础上，结合敌方节点的重要性评估方法和指标，建立了任务层的敌方体系脆弱性分析模型，得到打击目标序列，结合打击代价的计算，建立了“全局路径最短”的多目标打击链路。

Description

一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法

技术领域

本发明属于体系作战技术领域，尤其涉及一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法。

背景技术

近年来，对于异质多层体系作战逐渐成为军事领域的研究热点。随着作战体系逐渐向网络化和信息化的方向发展，战场空间得到了广泛的延伸，作战任务愈来愈复杂，传统的以人工构建为主的作战方式已经不能适应信息化战场条件下的作战要求。如何在战场态势复杂变化的情况下，通过分析侦察单元的情报，对敌方作战网络进行脆弱性分析，得到打击目标的优先级排序，进而在整体打击代价最小的前提下快速确定打击链路是目前体系作战的研究难点之一。

目前，国际上对于打击链生成的研究主要以美国空军少校John Royd于20世纪70年代提出的OODA环军事理论为基础，他将体系作战打击过程分为观察(Observe)—判断(Orient)—决策(Decide)—打击(Act)4个作战环节，作战双方谁能优先完成“OODA循环”，谁就能在作战中取得胜利。体系作战打击过程就是在加速完成我方的OODA循环过程的同时，干扰或者阻断敌方的OODA循环。在单位作战时间内，我方的OODA循环效率高于敌方，即可完成打击并取得胜利。根据OODA循环理论，打击过程的实体由侦察单元、指挥控制单元、火力打击单元、信息传输单元等组成，通过这些作战实体间的关系结合OODA循环中的观察、判断、决策和打击的作战环节构成打击链。

国内学术界关于体系作战打击构建的研究已初步展开，其关键的研究内容在于武器平台分配(WTA)问题，但是却存在没能构建完整打击链路的不足,如何结合实际战场情况，根据关于敌方目标的情报分析和我方作战实体间的关系和实际作战规则的约束，动态、快速且自适应地构建打击代价最小的打击链路，具有重要的理论研究价值和较大的工程实际与军事作战需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，以通过最小的打击代价生成多目标打击链。

本发明采用以下技术方案：一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，包括以下步骤：

获取敌方作战体系的网络拓扑结构；

基于逆渗流理论中的Molly-Reed准则，确定网络拓扑结构中的敌方目标打击序列；

构建我方作战体系的网络拓扑结构；

基于地方目标打击序列和我方作战体系的网络拓扑结构，以打击代价最小为目标，确定目标打击序列中每个节点的单目标打击链；

基于任务指派理论，以总打击链最短为目标，确定敌方目标打击序列的打击链路。

进一步地，确定网络拓扑结构中的敌方目标打击序列包括：

通过

计算网络拓扑结构中每个节点的度分布；其中，κ表示节点的度分布，<k>表示在网络拓扑结构中任意两个节点之间存在边的概率；

将度分布小于等于2的节点进行排序，得到敌方目标打击序列。

进一步地，构建我方作战体系的网络拓扑结构包括：

获取我方作战体系的节点及其作战类型；作战类型包括指控类型、预警类型、防空反导类型、空中先制反制类型；

根据每个节点的作战类型，建立相邻节点之间的指控关系，完成我方作战体系的网络拓扑结构。

进一步地，确定目标打击序列中每个节点的单目标打击链包括：

确定敌方目标打击序列中的待打击目标节点v_k；

根据待打击目标击节点v_k，选择对应的火力打击单元类型，再通过D[j]＝min{D[i]|v_j∈U}选择火力打击单元类型中的火力打击单元v_j；其中U为当前未使用的火力打击单元的集合，D[i]为从侦查单元v₀到火力打击单元v_j的所有路径的长度的集合，D[j]为侦查单元v₀到火力打击单元v_j的路径长度；

通过D[j]+D(j,k)计算v₀至v_k的路径长度，并生成从v₀至v_k的单目标打击链；其中，D(j,k)为v_j与v_k的距离；

重新确定待打击目标节点v_k，直至遍历敌方目标打击序列。

进一步地，确定敌方目标打击序列的打击链路包括：

构建但目标打击链的解空间；

对解空间加入约束条件；

根据约束条件，结合任务指派理论，在解空间上确定总打击链最短时敌方目标打击序列中各个目标对应的最短路径，得到敌方目标打击序列的打击链路。

本发明的有益效果是：本发明在逆渗流理论和网络化体系作战模型的基础上，结合敌方节点的重要性评估方法和指标，建立了任务层的敌方体系脆弱性分析模型，得到打击目标序列；在异质多层作战体系作战模型的基础上，引入了逻辑层和物理层，其中逻辑层用于建立作战体系任务流程关系，物理层用于判断逻辑弧端点任务协作能否达成，逻辑层结合物理层构成了我方作战实体关联关系；引入了“路径最短”的思想，结合打击代价的计算，建立了“路径最短”(打击代价最小)的单目标打击链生成模型；在任务指派理论的基础上，通过加入多目标打击链的约束，并结合单目标打击链的解空间，建立了“全局路径最短”(整体打击代价最小)的多目标打击链路生成模型。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法的流程图；

图2为本发明实施例中移除部分节点时的网络示意图；

图3为本发明实施例中继续移除一部分节点后的网络示意图；

图4为本发明实施例中巨片小时后的网络示意图；

图5为本发明一实施例中系统的原始网络拓扑图；

图6为本发明实施例中系统的原始网络拓扑图移除一个节点后的网络拓扑图；

图7为本发明实施例中再移除一个节点后的网络拓扑图；

图8为本发明实施例中巨片消失后的网络拓扑图；

图9为本发明实施例中逻辑层任务流程链条示意图；

图10为本发明实施例中物理层作战实体间通信关系示意图；

图11为本发明实施例中我方作战体系构建结果图；

图12为本发明实施例中多目标打击链路生成模型的流程图；

图13为本发明实施例中的仿真实验任务层敌方体系脆弱性分析模型得到的打击目标序列结果图；

图14为本发明实施例中的仿真实验逻辑层任务流程链条示意图；

图15为本发明实施例中的仿真实验物理层作战实体间通信关系示意图；

图16为本发明实施例中的仿真实验打击体系构建结果图；

图17为本发明实施例中的打击目标(51)的打击链路可视化表示中多目标打击链路生成模型的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种新的思路，即利用基于异质多层的作战体系来分别从任务层、逻辑层和物理层来对作战任务、我方作战实体任务流程关系进行作战体系构建，在此基础上来进行打击链生成。

如图1所示，根据逆渗流理论和网络化体系作战模型，结合敌方节点的重要性评估方法和指标，建立了任务层的敌方体系脆弱性分析模型，得到了打击目标序列，结合逻辑层和物理层，完成了我方作战实体关联关系和异质多层作战体系构建，引入“路径最短”(打击代价最小)的思想，建立“路径最短”(打击代价最小)的单目标打击链生成模型，加入了约束后，根据任务指派理论，建立了“全局路径最短”(整体打击代价最小)的多目标打击链路生成模型。

步骤一、根据目标作战体系网络模型和网络节点重要性评估模型，结合逆渗流理论中的Molly-Reed准则对网络连接情况的判断，分析目标体系脆弱性节点，进而得到关于敌方目标的打击序列。

逆渗流理论关注从网络中移除节点时巨大节点集群被分割为小节点群的临界条件问题。使用正方形结构来表示网络，用f表示移除节点的个数和总节点个数的比值，逆渗流理论认为网络中巨片存在或消失与一个临界值f_c有关，当敌方作战体系网络中的巨片消失时，可以认为敌方作战体系受到摧毁。如图2所示，虽然已经有一部分节点被移除，但是移除节点的比例f小于临界值f_c，网络中存在巨片，图中被标为黑色部分。继续移除节点，当f达到临界值f_c时，网络中巨片消失，网络的完整性遭到破坏，此时最大的连通节点集群被标为黑色部分，如图3所示。当f大于f_c时，如图4所示，网络被划分成了许多微小部分，此时网络连接被彻底破坏，最大的连通节点集群只包含在图中被标为黑色的4个节点。

逆渗流理论认为随机移除网络中的节点时，网络的崩溃不是一个渐进的过程，删除一小部分节点对网络完整性的影响是有限的。但是，一旦移除的节点达到临界阈值，网络就会突然断开连接，此时的现象被称作网络发生了从连接到崩溃的相变。

逆渗流理论主要关注的是节点具有相同度的规则网络，或者节点具有相似度的随机网络。而实际中的网络结构往往不会是如图2～图4所示的规则，各节点的度可能存在较大差异，对于这种情况，可以应用渗流理论中的Molly-Reed准则进行网络连接情况的判断，接下来对Molly-Reed准则进行详细描述。

引入几个概念以便对Molly-Reed准则进行描述。

网络拓扑结构可以用图G＝(V,E)来进行描述。其中，V表示网络的节点集，E表示节点的边集。

定义1.邻域系统：将邻域系统N定义为：

式中，N_i表示节点i的邻居节点集，相邻关系的特点如下：

1)任意一个节点i与其自身不存在邻居关系：

2)相邻关系在无向图中是相互的:

定义2.链路可用性：网络节点间的链路可能会受到各种干扰而损失，链路可用性就是当一条通信链路在被干扰后依然可用的概率，记为P_ij，其中i∈V,j∈N_i。

定义3.节点的度：与节点i之间存在边的节点个数，记为k_i，其中i∈V。

定义4.节点的度分布：节点i的度为k的概率，记为P_i(k)，其中i∈V。

显然，节点的度分布与其所有的链路可用性有关。假定节点i有m个邻居，它的度为k，以链路可用性表示节点与其邻居之间存在链路的概率，则节点的度分布可以使用二项分布计算：

定义5.网络的度分布：在网络中随机选择一个节点，该节点的度为k的概率，记为P(k)。假设一个含有N个节点的网络，显然：

网络中每个节点的度差异较大，用图5表示系统的原始拓扑结构。在图5中，当圆圈中的节点被移除后，其拓扑结构变为图6所示的形式，这时全网仍处于连通状态。在图6中，如果再移除一个圆圈内的节点，拓扑结构变化为图7所示的形式。在图7中，已经出现了个别节点成为了孤立节点或孤立子网的情况，但网络中的大部分节点仍然是相互连通的。再从图7中移除一个圆圈内的节点，网络拓扑结构变成了如图8所示的形式，可见此时的网络已经被拆分为四个规模大小不一的连通子图，网络完整性遭到了破坏。

因此，可以认为从图7到图8的变化就是网络发生了从连通到崩溃的相变，在这种相变发生之前，网络中存在包含了全网大部分节点的巨大连通片，这一连通片被称为巨片，而当相变发生后，网络中这样的巨片消失。认为在巨片存在时，网络的大部分节点是连通的，巨片不存在时，网络的整体连通性已经遭到了破坏。进而可以将巨片的存在与否作为网络连通情况的判断标准，对于网络中巨片是否存在，可以通过Molly-Reed准则进行判断。

对于一个存在巨片的网络，大部分节点应该至少存在两个相连节点，即该网络中节点的边应当大于2条，可以表示为

其中，i为网络中任意节点，j为网络巨片中的节点。根据贝叶斯定理：

在网络中选中节点i的概率是：

而网络中任意两个节点之间存在边的概率可以用平均度<k>表示，所以选中节点i且与节点j之间存在边的概率可以表示为：

进一步可知

从而有：

用κ表示上式的结果：

当κ＞2时，可以认为网络中巨片存在，此网络是连通的。因此，可以通过对敌方网络节点的度分布进行计算，得到受到摧毁时能使敌方作战体系网络不满足κ＞2的脆弱节点，达到对敌“体系破击”的效果，进而得到关于敌方目标的打击序列。

步骤二、根据异质多层作战体系作战模型，结合逻辑层的作战体系任务流程关系和物理层关于逻辑弧端点任务协作能否达成的判断，建立体系作战时的我方作战实体关联关系，并结合步骤一的打击目标序列，完成异质多层作战体系构建。

步骤2.1、根据作战体系的任务流程，确定图结构的起点(侦察实体)v_s和终点v_ei∈V_E(火力打击实体)，根据实体的功能和体系的作战任务确定逻辑层节点关联边的方向性，根据逻辑层的侦察、火力单元(陆基、海基、空基)、战略支援和指控关系，形成任务流程链条。

有向边的具体方向由其两端的作战实体的类型决定，如图9所示，其中方形节点表示指控类型实体，圆形节点表示预警类型实体，三角形节点表示防空反导类型实体，五角形表示空中先制反制类型实体，逻辑弧的方向表示实体间的关联关系。

步骤2.2、对逻辑层中的所有相邻节点进行搜索，形成物理层的图结构，根据物理层判断逻辑层对应的逻辑弧端点的任务协作能否达成，确定我方作战实体关联关系。

物理层表示的是作战实体间通信关系，如图10所示，由于通信节点间只要能够具有通信的能力，就能相互通信，所以物理层之间的关系是无向的，其网络结构是无向图。

当作战体系的物理层和逻辑层的网络结构通过图结构进行表示后，两层之间还处在分离状态，在体系作战能力分析过程中，物理层是逻辑层信息传递的基础，逻辑层是各实体任务职能的协作，因此双层结构必须具备关联性。从理论上分析，逻辑层中任意一条弧的端点都应具备通信能力，因此遍历所有逻辑层中的弧，将端点向无向物理层中的端点引接无向边，也就是引接通信关系，实现物理层和逻辑层的连接。

步骤2.3、根据上述的敌方目标打击序列和我方作战实体关联关系来完成我方作战体系构建，如图11所示。

步骤三、引入“路径最短”(打击代价最小)的思想，结合我方的异质多层作战体系构建结果，建立“路径最短”(打击代价最小)的单目标打击链生成模型。

步骤3.1、初始化：设置火力单元集合S为空，从侦查单元v₀出发到火力打击单元v_j的路径长度初值设为D[0]＝0；其中，D为辅助数组，D[i]为当前从侦查单元v₀到火力打击单元v_j的所有路径的长度的集合。

步骤3.2、根据敌方待打击节点v_k，选择对应的火力打击单元类型，再通过D[j]＝min{D[i]|v_j∈U}选择所述火力打击单元类型中的火力打击单元v_j，并将该火力打击单元v_j加入到已用火力打击单元的集合S中，U＝V-S，V为我方作战体系中所有火力打击单元的集合，U为当前未使用的火力打击单元的集合；

其中，min{D[i]}可以为路径长度最短，还可以信号传输时间最短或信号传输消耗最小等等，可以根据实际情况具体选择，进而可知，所选取的v_j就是当前从v₀出发的最短路径的火力打击单元。

步骤3.3、通过D[j]+D(j,k)计算v₀至v_k的路径长度；其中，D(j,k)为v_j与v_k的距离；

步骤3.4、重复步骤3.2和步骤3.3直到敌方目标打击序列为空，完成敌方目标打击序列的单目标打击链。

步骤四、根据多目标打击链的约束和任务指派理论，结合单目标打击链，建立“全局路径最短”(整体打击代价最小)的多目标打击链路，流程图如图12所示。

步骤4.1、根据步骤三求得针对每个打击目标的单目标打击链，构成单目标打击链的解空间；

步骤4.2、在步骤4.1得到的解空间中加入约束，即：

设m是打击目标数，n是火力单元数，

当m＝n时，打击目标数等于火力单元数，对于打击目标来说，每个打击目标必须分配一个火力单元，对于火力单元来说，每个火力单元必须分配一个打击目标；

当m<n时，打击目标数小于火力单元数，对于打击目标来说，每个打击目标必须分配一个火力单元，对于火力单元来说，每个火力单元可能会被分配到一个打击目标，也可能没有分配到打击目标；

当m>n时，打击目标数大于火力单元数，对于打击目标来说，每个打击目标必须分配一个火力单元，对于火力单元来说，每个火力单元可能会被分配到一个或者多个打击目标，但最多不超过打击目标总数。

步骤4.3、在步骤4.2得到的约束的基础上，结合任务指派理论，在步骤4.1得到的单目标打击链的解空间上寻找出总打击链最短时各个目标对应的最短路径，得到敌方目标打击序列的打击链路。

为了说明本发明中的建模精确性和算法的有效性，进行如下实验：

仿真试验中，设置的我方的作战体系参数为1个中枢指挥所，3个区域指挥所，6个战术指挥所，20个侦察单元，20个火力单元，即我方节点数目设置为50个。各作战实体间的类型与关联关系如表1所示。

表1我方作战体系参数设置

如图13所示，为本实施例中提出的任务层敌方体系脆弱性分析模型得到的敌方作战体系脆弱节点排序，即敌方目标打击序列，我方对敌作战时，为指挥员提选取打击目标供辅助支撑，可按照此打击序列进行逐个摧毁。

如图14和图15所示，给出了逻辑层任务流程链条示意图和物理层作战实体间通信关系示意图，可以看到在逻辑层的作战实体(25,31)、(28,41)、(29,38)、(26,46)是有逻辑关系，在物理层的(25,31)、(28,41)、(29,38)、(26,46)则显示为0，所以此时在我方作战实体关联关系中此处是不相连的。结合逻辑层和物理层，可以得到我方作战实体关联关系。

如图16所示，结合任务层中得到的打击目标序列和逻辑与物理层中得到的我方作战实体关联关系，得到打击体系构建结果。

如表2所示，使用多目标打击链生成算法对打击体系构建结果进行求解，最终得到整体打击链路径最短时各打击目标的打击链。表格中每行为从侦察单元编号到打击目标编号的打击链路。

表1整体打击链路径最短时各打击目标的打击链

表2中，如第1行显示的是打击目标编号51的打击链路：侦察单元(编号6)-中枢指挥所(编号21)-区域指挥所(编号23)-战术指挥所(编号29)-火力单元(编号34)-打击目标(编号51)。表明打击目标(编号51)的打击链路节点构成的链路，可视化表示如图17所示。

Claims (4)

1.一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取敌方作战体系的网络拓扑结构；

基于逆渗流理论中的Molly-Reed准则，确定所述网络拓扑结构中的敌方目标打击序列；

构建我方作战体系的网络拓扑结构；

基于所述敌方目标打击序列和我方作战体系的网络拓扑结构，以打击代价最小为目标，确定所述目标打击序列中每个节点的单目标打击链；

基于任务指派理论，以总打击链最短为目标，确定所述敌方目标打击序列的打击链路；

确定敌方作战体系的所述网络拓扑结构中的敌方目标打击序列包括：

通过

计算敌方作战体系的所述网络拓扑结构中每个节点的度分布；其中，κ表示节点的度分布；

将度分布小于等于2的节点进行排序，得到敌方目标打击序列；

通过

求得；

其中，k_i为与节点i之间存在边的节点的个数，i为网络中任意节点，j为网络巨片中的节点；

通过

求得；

N为敌方作战体系的所述网络拓扑结构中节点的个数；

为节点i与节点j之间存在边的概率，<k>为网络中任意两个节点之间存在边的概率；敌方作战体系的所述网络拓扑结构的平均度；

P(k_i)通过将k_i赋予

中的k求得，

求得，k表示节点i的度，m表示节点i的邻居节点的个数，

为节点i与其第k个邻居节点存在边的概率，

为节点i与其第m个邻居节点存在边的概率。

2.如权利要求1所述的一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，其特征在于，构建我方作战体系的网络拓扑结构包括：

获取我方作战体系的节点及其作战类型；所述作战类型包括指控类型、预警类型、防空反导类型、空中先制反制类型；

根据每个所述节点的作战类型，建立相邻节点之间的指控关系，完成我方作战体系的网络拓扑结构。

3.如权利要求2所述的一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，其特征在于，确定所述目标打击序列中每个节点的单目标打击链包括：

确定所述敌方目标打击序列中的待打击目标节点v_k；

根据所述待打击目标击节点v_k，选择对应的火力打击单元类型，再通过D[j]＝min{D[j]|v_j∈U}选择所述火力打击单元类型中的火力打击单元v_j；其中U为当前未使用的火力打击单元的集合，D[i]为从侦查单元v₀到火力打击单元v_j的所有路径的长度的集合，D[j]为侦查单元v₀到火力打击单元v_j的路径长度；

通过D[j]+D(j,k)计算v₀至v_k的路径长度，并生成从v₀至v_k的单目标打击链；其中，D(j,k)为v_j与v_k的距离；

重新确定待打击目标节点v_k，直至遍历所述敌方目标打击序列。

4.如权利要求3所述的一种基于关系的异质多层作战体系打击链路生成方法，其特征在于，确定所述敌方目标打击序列的打击链路包括：

构建所述单目标打击链的解空间；

对所述解空间加入约束条件；

根据所述约束条件，结合任务指派理论，在所述解空间上确定总打击链最短时所述敌方目标打击序列中各个目标对应的最短路径，得到敌方目标打击序列的打击链路。

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