基于任务流的网络化指挥信息系统抗毁性分析*
冉淏丹1，2，李建华1，崔 琼1，南明莉1，3
（1.空军工程大学信息与导航学院，西安 710077；2.国防科技大学信息通信学院，西安 710106；3.解放军95801部队，北京 100095）
摘 要： 针对传统系统抗毁性分析方法在研究面向任务的指挥信息系统抗毁性时存在的片面、静态问题，提出了基于任务流的动态功能网络抗毁性分析理念。在指挥信息系统双层网络结构的基础上，建立基于任务流的多子网结构模型，引入抗毁性测度对抗毁性进行分析。通过构建仿真想定，进行功能子网和功能网络整体抗毁性分析，找出动态变化的关键节点。实验结果验证了该方法的有效性。
关键词： 网络化，指挥信息系统，任务流，抗毁性
0 引言
网络化指挥信息系统是体系作战的核心支撑，在实时化情报获取、一体化指挥控制和精确化火力打击等方面发挥不可或缺的作用。在复杂战场环境中，指挥信息系统面临物理打击和网络攻击双重威胁，必须具备一定的抗毁性才能保障使命任务的顺利完成。因此，研究指挥信息系统结构抗毁性在提升体系作战效能具有重要意义。
通过上述情景模拟分析结果表明，假如废渣填埋场以现有污染情景排放，不采取防渗措施条件下将造成该区地下水不同程度的污染，尤其是一旦特征污染物下渗至下伏岩溶含水层之后，污染物将迅速向南侧迁移，对地下水产生严重污染。
网络化指挥信息系统结构抗毁性研究，在一定意义上属于复杂网络结构抗毁性研究的范畴，国内外学者就复杂网络抗毁性展开了一系列研究。Jeong等从结构角度对随机网络和无标度网络的抗毁性进行了研究[1]；吴俊提出不完全信息条件下的复杂网络抗毁性，通过建模、分析、优化和应用，对复杂网络抗毁性进行了系统研究[2]；胡焰智等通过优化网络拓扑的思想研究了无标度网络的抗毁性[3]；彭兴钊等重点研究了无标度网络在节点发生故障情况下，网络的级联抗毁性[4]。在研究复杂网络抗毁性的基础上，Grant等将指控系统网络抽象成一种无尺度网络，通过移除节点验证了网络抗毁性与节点关键性有关[5]；任清辉等从攻击目标选择策略的角度，通过确定物理节点攻击概率确定节点重要性[6]；王欣等从服务能力的角度，通过研究网络拓扑结构与节点间的服务关系，对系统抗毁性进行分析[7]；易侃等从攻击模式的角度，对不完全信息攻击下的系统抗毁性进行分析[8-10]。上述文献侧重对网络及网络系统的物理网络拓扑结构展开抗毁性研究，对系统结构功能抗毁性研究较少。网络化指挥信息系统虽具备复杂网络特性，但因其军事任务的独特性和作战节点的功能性[11]，其抗毁性研究重点应不止于物理网络拓扑结构本身的抗毁性，还应结合具体使命任务考虑其功能抗毁性。本文将指挥信息系统抗毁性定义为：指挥信息系统在遭受外界软硬攻击，或内部要素故障失效的情况下，能够完成作战任务的能力。在此基础上提出基于任务流的网络化指挥信息系统结构模型，引入系统结构抗毁度对抗毁性进行定量分析，找出在任务流驱动下的动态网络中影响功能实现的关键节点，以期为增强指挥信息系统抗毁性提供有益参考。
流感由传染性极强的流感病毒引起，流行期为秋冬到初春。发热症状比感冒严重，持续高烧，婴幼儿一般还会有呕吐、腹泻等肠胃不适的症状。严重的流感引发肺炎及脑部疾病并发症的可能性也比较高。
1 指挥信息系统双层网络结构
网络化指挥信息系统是依托通信基础网，由情报系统、指控系统和武器系统等军事信息系统共同构建的复杂军事信息系统。广义上讲，指挥信息系统由指挥信息系统各组成要素及要素之间的相互关系构成[12]。从任务功能角度分析，指挥信息系统基于通信基础网络形成物理通信连接结构，各作战要素根据作战任务目标产生信息交互连接关系，形成功能连接拓扑，集物理网络和功能网络于一体，是承载多业务系统的层级复杂系统。由于单层网络结构无法全面准确描述层级复杂系统，对研究系统功能特性也存在一定局限性，因此，本文将指挥信息系统结构定义为由物理网络层和功能网络层构成的双层耦合网络结构，如图1所示。
图1 指挥信息系统双层网络结构
其中，物理网络由物理节点（作战单元）和通信链路构成，每个物理节点代表一个具体的作战单元，并且具有一种或多种功能（例如电子侦察机具有情报侦察功能、预警机具有指控和情报功能）。功能网络由功能节点和节点间的信息连接关系构成，每个功能节点只具备单一功能。物理节点和功能节点之间为“一对一”或“一对多”的映射关系（如电子侦察机映射为情报节点、预警机映射为指控节点和情报节点）。
上述分析可知，指挥信息系统网络结构是一个由物理网络和功能网络耦合而成的双层网络结构，物理网络是指挥信息系统功能实现的载体，对功能网络形成约束；不同作战任务需求引起功能节点间的信息供需关系发生变化，形成不同的信息交互关系。因此，在物理连接不发生改变的情况下，功能网络随作战任务的变化呈现出不同的拓扑结构。
庐山西海周边客源市场较多，有武宁、修水、南昌、九江、武汉等地。又因庐山西海与世界名山庐山相邻,在庐山的影响下客源市场得到进一步提高。因此,从庐山西海长远发展来看,随着近年来老龄化的加剧和人们对身体健康更加关注,使得养生旅游的发展前景十分可观。
2 基于任务流的系统结构建模
2.1 作战任务流模型
作战行动围绕特定作战目标展开，由一系列作战任务构成，按照一定的逻辑/时间关系形成作战任务流，指挥信息系统按照作战任务流，进行所有信息活动。
蛋白质是动物饲料中非常重要的营养源，但受不同蛋白饲料来源和动物的不同生理阶段(如断奶、疾病、应激条件下)影响，机体对蛋白质的消化、吸收往往存在一定的障碍，因此，对蛋白原料进行体外预消化处理十分必要。饲料预消化处理即采用体外模拟动物消化过程，根据不同原料所具有的不同特征进行一定的加工处理，使其转变成易于动物机体吸收的营养成分，同时消除原料中有毒有害物质，提高机体对营养物质的消化、吸收和利用的一种新型饲料加工技术[1]。
指挥信息系统为实现作战任务目标OT，将OT分解为若干任务，组成作战任务集
，即
。作战过程中，指挥信息系统按照一定的时间/逻辑顺序执行T，因此，作战任务流可以用二元组
表示，其中RT-T表示不同作战任务间的时序/逻辑关系，即指挥信息系统实现作战目标过程中的任务流动关系；
2.2 基于任务流的功能网络结构建模
任务流驱动功能节点之间的信息供需关系发生变化，改变信息流转，从而使功能网络拓扑随作战任务流的变化呈现动态时效性。
将功能网络G建模为三元组
，其中，
表示为实现作战目标所要完成作战任务的集合，N为任务数；S表示不同任务阶段指挥信息系统功能网络集合，即按照任务切片的功能网络集合，
表示逻辑/时序第i个任务对应的功能网络结构，可用
表示。其中，
表示功能网络节点集合，
表示网络节点间信息连边的集合，eij为节点i与和节点j之间的信息关系。
图2 基于任务流的功能网络结构示意图
功能网络Si可以看成是由一系列任务不重叠且按照任务流前后连续的邻接矩阵
，其中aij表示逻辑/时序第n个任务时，节点i和节点j的信息连接关系：
2.3 基于任务流的多子网系统结构建模
若不考虑态势感知网、指挥控制网和火力打击网之间的信息关联关系，可分别得到3个功能子网中节点对子网抗毁度的影响，确定节点在功能子网中的重要性，从而通过关键节点防护和调整子网内部的信息连接关系等方法，增强功能子网内部的结构抗毁性。
其中，INV（A）为指挥信息系统对攻击A的抗毁度，E表示指挥信息系统功能网络的效率，EA表示系统在受到攻击A时功能网络的效率。
图3 指挥信息系统三类功能子网信息连接图
3 基于任务流的系统结构抗毁性分析
在双层耦合的网络化指挥信息系统结构中，上层功能网络承载态势感知、指挥决策、火力打击等业务，下层物理网络对其起支撑作用。因此，指挥信息系统结构抗毁可分为物理网络抗毁和功能网络抗毁，两者之间通过映射关系相互影响。基于任务流的指挥信息系统抗毁性是在研究物理网络抗毁性的基础上，对随任务变化的功能网络拓扑结构进行抗毁性研究。基于任务流的功能网络拓扑随任务不断变化，当实体节点遭受打击故障时，可能会导致功能网络节点失效，引发网络扰动，降低网络效率，进而影响功能网络能力。因此，本文将采用网络效率指标来衡量网络能力的变化情况，借鉴“破坏性等价于重要性”的系统科学思想，在动态变化的功能网络拓扑中识别关键节点，对基于任务流的指挥信息系统结构的功能抗毁性进行分析。
3.1 功能网络分析
指挥信息系统在执行不同的任务时，功能网络的拓扑呈现出不同结构。图3所示为3个任务阶段，指挥信息系统物理网络拓扑映射3种不同功能网络拓扑的情况。
如下页图4所示，针对同一物理网络，在完成3项不同任务时，指挥信息系统所呈现出不同的功能网络拓扑结构，因此，应综合多任务条件下的功能网络拓扑，对功能网络进行抗毁性分析。
通过采用单例模式对数据采集系统软件模块进行设计之后，可以保证采集卡的对象只有开始时实例化一次并容易对它们进行统一管理，同时又方便高层组件获取设备对象进行相应操作[9]。
图4 3个任务阶段物理拓扑和功能拓扑映射图
3.2 改进的网络效率指标
基于任务流的功能网络效率如式（4）所示：
该任务流模型为
可用矩阵
表示。
如图8所示，图中横坐标为毁伤节点编号，其中横坐标编号1～9表示情报节点V1～V9，属于态势感知网中的功能节点；横坐标编号10～18表示指控节点V10～V18，属于指挥控制网中的功能节点；横坐标编号19～31表示火力节点V19～V31，属于火力打击网中的功能节点。纵坐标表示功能子网结构的抗毁度。结合图7中的拓扑结构，功能子网结构的抗毁度由式（5）～式（8）计算得到。
3.3 抗毁性分析
指挥信息系统在执行任务过程中，功能节点遭受攻击会使功能网络受损，影响网络连通能力。系统抗毁度用于描述系统受损后，其结构保持联通的能力，是量化指挥信息系统抗毁程度的重要指标。
如图3所示，作战节点根据其业务功能，可分为3类节点：情报节点VI、指控节点VC和火力节点Vk。功能网络中传输的信息分为同类节点之间的协同信息EA，VC向其他节点发送的指控信息EC，以及VI向其他节点发送的情报信息EI。VC向VI发送EC，形成GI对GC的依赖关系
，用邻接矩阵
表示；VI向 VC提供 EI，形成 GC对 GI的依赖关系
，用邻接矩阵
表示；VC对Vk发出EC，形成GK对GC的依赖关系
是GK对GC的依赖，用邻接矩阵
表示；VI向Vk传送 EI，形成火力打击网对 GI的依赖关系
，用邻接矩阵
表示。指挥信息系统功能网络模型用矩阵AG表示为：
4 仿真分析
以某区域联合防空指挥信息系统抗毁性为例，进行仿真分析。
4.1 想定设置
假设该区域联合防空力量包括：1个联合指挥中心，1个战术指挥中心，1个雷达指挥中心控制5个雷达单元，2个高炮指挥控制中心，4个高炮单元，2辆导弹指挥车控制4个导弹发射单元，1个情报处理中心，1架预警机，2架电子干扰机和3架歼击机，共29个物理节点，包含41条通信链路，其中预警机和歼击机主机为复合节点。上层功能网络中有 31 个节点，其中 V1～V9为情报节点，V10～V18为指控节点，V19～V31为火力节点。该指挥信息系统结构如图5所示。
氢气吸入——氢气治疗的传统手段。氢气是小分子气体，最直接的使用方法是经呼吸道吸入，通过肺泡的换气作用可迅速经血液循环到达机体各个部位。因此，氢气吸入作为一种疾病治疗手段较早地出现在氢气医学领域。研究发现，吸入低浓度氢气能够改善脑、心脏、肺以及肠道等脏器的缺血再灌注损伤。在临床上，长期卧床的病人常常会出现机械通气肺损伤，主要由呼吸机的使用引起，如果通气中给予低浓度的氢气可以有效减少这种损伤并且能够改善气体交换。此外，吸入低浓度氢气还可以降低肿瘤化疗过程中的副作用，例如听力损失。目前，氢气吸入不仅仅可以在医院内实现，家庭制氢仪也已经问世，人们可以足不出户进行日常保健或者疾病治疗。
东汉末年，朝廷腐败，战乱频繁，贫苦农民纷纷揭竿而起，他们头扎黄巾，对朝廷军队发动了猛烈攻击，东汉政权因而分崩离析、名存实亡，这就是著名的“黄巾起义”。在镇压黄巾起义的过程中，各地州郡的官吏、地主豪强纷纷组织军队争夺地盘，形成大大小小的割据势力。这些势力彼此之间争权夺利、互相兼并，形成群雄并起的局面。连年征战中，袁绍、曹操两大势力逐步壮大起来。
图5 指挥信息系统网络拓扑结构
根据区域联合防空的作战目标，其主要任务包括：情报侦察T1、电子攻击T2、空中突击T3、防空反导 T4等。T1阶段，指控节点对侦察节点（V1～V9）发送情报侦察指令，情报节点收集情报信息，经情报处理中心V11汇总处理后上报联合指挥中心V10和战术指挥中心V12；T2阶段，指控节点在情报支持下，对电子干扰机（V27V28）下达对敌电子攻击指令，对敌空中力量进行电子干扰；T3阶段，指控节点结合空中态势信息，对歼击机（V29V30V31）下达空中突击指令，对敌实施空中火力打击；T4阶段，战术指挥中心V12综合空地态势，通过高炮指控中心（V15V16）和导弹指挥车（V13V14）下达火力打击指令，实施防空反导作战行动。
⑯爱新觉罗·弘历:《汲惠泉烹竹炉歌叠旧作韵》，裴大中、倪咸生修，秦缃业等纂:《光绪无锡金匮县志》，《中国地方志集成·江苏府县志辑》第24册，第26页。
图6 区域联合防空作战任务流
其中，N是网络中节点个数，定义di，j（T）为节点Vi到节点Vj的最短信息连边距离，
为节点Vi到节点Vj的网络效率。在功能网络中εij（T）随任务T而变。在式（4）的基础上，将态势感知网、指挥控制网和火力打击网3个功能子网的网络效率分别用
表示。
其中，
根据任务之间的时序/逻辑关系，得到区域联合防空作战任务流，如图6所示。
区域联合防空作战任务流驱动其指挥信息系统上层功能网络拓扑结构动态演化，根据
，构建功能网络拓扑，如图7所示。
4.2 仿真分析
图7 指挥信息系统功能网络拓扑演化图
为简化分析，将指挥信息系统功能网络抽象为无向加权图，连边权值均设为1。本文采用MATLAB仿真软件分别对执行4项不同任务时（拓扑如图7所示），分别对指挥信息系统单个功能子网抗毁性与功能网络整体抗毁性进行分析，记录节点损毁后网络抗毁度的变化情况，绘制抗毁度变化曲线，通过节点毁伤后系统抗毁度的变化情况，并结合图7，对仿真结果进行分析。
4.2.1 功能子网抗毁性分析
基于任务流的网络化指挥信息系统结构，其上层功能网络是由多个功能子网构成的复合网络，即由功能节点和信息连边构成的具有多个交互子网的超网络。本文将功能网络分为3类子网：态势感知网GI、指挥控制网GC和火力打击网GK，从而得到指挥信息系统功能网络模型
，其中
表示功能子网间的4种信息依赖关系。
其中，
分别是态势感知网、指挥控制网和火力打击网的网络节点数量。
图8 功能子网独立抗毁度
由图8中可以看出：当情报节点V6损毁时，T3和T4阶段态势感知网的抗毁度明显下降，结合图7（c）和图7（d），两任务阶段V6在态势感知网中除完成自身情报获取的同时，还对V7V8进行信息中转，其损毁严重影响态势感知网的功能实现；T1阶段联合指挥中心V10担负整体决策功能，在指挥控制网络中连接多个指控节点，当V10损毁时，T1阶段指挥控制网络的抗毁度明显下降；当指控节点（战术指挥中心）V12损毁时，所有任务阶段指挥控制网的抗毁度都下降，且除情报侦察T1外，其他3个任务阶段指挥控制网的抗毁度降为0，此时该功能子网已瘫痪，丧失任务执行能力；在火力打击网中，火力节点V19～V26只参与T4，其损毁仅对该任务阶段火力打击网抗毁度造成影响；火力节点V29V30V31只参与T3，损毁后火力打击网抗毁度仅在T3任务阶段明显降低。以上分析说明不同任务阶段，功能子网结构的变化使得同一功能节点对子网抗毁度的贡献不同，节点在子网中的重要程度随子网结构的变化发生改变。
第二，加强立法，严格执法，全面提升依法治水管水能力。《太湖流域管理条例》颁布后，配合水利部完成了新闻发布会、贯彻实施座谈会的各项工作，制订了《太湖流域管理局学习宣传贯彻〈太湖流域管理条例〉实施计划》，明确了局内各部门、单位职责分工。同时加强与媒体沟通，组织做好《条例》宣传工作。加强水行政执法，会同地方水利部门，加大违法违规项目查处力度。完成了浙闽水事纠纷调处，维护了省际边界地区稳定。组织开展了多次专项执法检查活动，开展了多次流域水利安全生产大检查，不断提高服务流域、服务基层、服务社会的能力和水平。
4.2.2 整体抗毁性分析
由于态势感知网，指挥控制网和火力打击网之间存在信息依赖关系，构成指挥信息系统功能网络拓扑，因此，在作战目标达成的过程中，应考虑依赖关系对系统结构的影响，综合分析功能网络整体抗毁性。
图9中横坐标为毁伤节点编号，与图8横坐标含义相同，纵坐标为功能网络整体抗毁度。结合图7，通过式（4）、式（8）计算可得功能网络整体抗毁度。
图9 功能网络整体抗毁度
由图9可以看出：功能网络整体抗毁度曲线在指控节点V10～V18处的变化幅度最大，其后依次为情报节点、火力节点。说明指控节点损毁对整体功能网络抗毁度影响最为显著，在作战中重要性整体较高。进一步分析可知，4条功能网络整体抗毁度曲线变化最明显的点出现在V11V12处：T1阶段，情报处理中心V11所有情报节点与之建立直接连接，承担所有情报进行分析处理工作，以及对指控节点上报情报态势的重要使命，其重要性尤为突出；T2～T4阶段，战术指挥中心V12对其他指控该节点下达作战指令，对参与战斗的各情报节点和火力节点进行指挥控制，该节点损毁会对任务的完成产生严重影响。4条功能网络整体抗毁度曲线在火力节点V19～V26处表现不明显，说明火力节点在系统中与其他节点的信息交互较少，具有较强的独立性。
通过上述分析可知，在不同任务阶段，能够动态跟踪并锁定关键节点位置，针对性地根据任务需要，合理分配资源以及对重要节点加强防护，提升指挥信息系统抗毁性。
5 结论
本文采用基于任务流的系统结构分析思路，建立了指挥信息系统双层网络结构模型，针对上层功能网络的拓扑动态性，提出了系统结构抗毁性分析方法，并结合功能子网抗毁度及功能网络整体抗毁度对节点的重要性进行了分析，为指挥信息系统关键节点识别及抗毁性研究提供了有益参考。下一步将针对网络化指挥信息系统抗毁性度量问题进行研究。
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Analysis of Invulnerability for Networked Command Information System Based on Task-flow
RAN Hao-dan1，2，LI Jian-hua1，CUI Qiong1，NAN Ming-li1，3
（1.Information and Navigation Institute，Air Force Engineering University，Xi’an 710077，China；2.Information and Communication Institute，National University of Defense Technology，Xi’an 710106，China；3.Unit 95801 of PLA，Beijing 100095，China）
Abstract： Focusing on the problem that traditional analysis methods of invulnerability for taskoriented Networked Command Information System （NCIS）have disadvantages such as unilateralism and inactivity，this paper proposes a view of task-flow based dynamic-function-network invulnerability analysis.On the basis of NCIS with double-layer-network structure，this paper proposes a multiplesubnet model structure with task-flow based and analyzes by using invulnerability measurements.By constructing simulation scenario，this paper analyzes the invulnerability of functional-subnets and the integrated functional-network，and it finds the key node of dynamic system.The simulation results show the effectiveness of the proposed method.
Key words： networking，command information system，task-flow，invulnerability
中图分类号： E919；TP393
文献标识码： A
DOI： 10.3969/j.issn.1002-0640.2019.05.012
引用格式： 冉淏丹，李建华，崔琼，等.基于任务流的网络化指挥信息系统抗毁性分析[J].火力与指挥控制，2019，44（5）：55-60.
文章编号： 1002-0640（2019）05-0055-06
收稿日期： 2018-03-25
修回日期： 2018-04-29
*基金项目： 国家自然科学基金资助项目（61401499）
作者简介：
冉淏丹（1990- ），女，甘肃天水人，硕士研究生。研究方向：军事网络信息系统复杂特性度量评估。
2018年7月23日，原浙江省国土资源厅转发《自然资源部关于健全建设用地“增存挂钩”机制的通知》，同时提出工作要求：一是各地要高度重视批而未供、闲置土地消化利用工作，按照省厅统一部署，制订盘活和处置方案，及时做好清理消化工作；二是各地要切实转变观念，树立“增存挂钩”的用地理念，提高土地节约集约利用水平；三是省厅将建立健全省级“增存挂钩”奖惩机制。
成人、青少年及18个月龄以上儿童，符合下列一项者即可诊断HIV感染：（1）HIV抗体筛查试验阳性和HIV补充试验阳性（抗体补充试验阳性或核酸定性检测阳性或核酸定量大于5 000拷贝/mL）；（2）HIV分离试验阳性。
李建华（1965- ），男，教授，博士，博士生导师。研究方向：军事网络信息系统建设与运用。
Citation format： RAN H D，LI J H，CUI Q，et al.Analysis of invulnerability for networked command information system based on task-flow[J].Fire Control&Command Control，2019，44（5）：55-60.
标签：网络化论文; 指挥信息系统论文; 任务流论文; 抗毁性论文; 空军工程大学信息与导航学院论文; 国防科技大学信息通信学院论文; 解放军95801部队论文;