考虑需求变化的指挥信息系统韧性优化研究.pdf

第2 4卷 第4期空 军 工 程 大 学 学 报V o l.2 4 N o.42 0 2 3年8月J OURNA L O F A I R F O R C E E NG I N E E R I NG UN I V E R S I T YA u g.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 1基金项目:国家自然科学基金(6 2 2 7 1 5 0 0);陕西省自然科学基础研究计划(2 0 2 3-J C-QN-0 7 2 8)作者简介:岳地久(1 9 8 6-),男,陕西镇安人,博士生,研究方向为信息通信组织与运用。E-m a i l:y u e d i j i u 1 6 3.c o m引用格式:岳地久,李建华,王刚,等.考虑需求变化的指挥信息系统韧性优化研究J.空军工程大学学报,2 0 2 3,2 4(4):9 2-1 0 1.YU E D i j i u,L I J i a n h u a,WAN G G a n g,e t a l.R e s e a r c h o n R e s i l i e n c e O p t i m i z a t i o n i n C o mm a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m i n C o n s i d e r a t i o n o f R e q u i r e m e n t C h a n g eJ.J o u r n a l o f A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2 0 2 3,2 4(4):9 2-1 0 1.考虑需求变化的指挥信息系统韧性优化研究岳地久1,2,李建华1,王 刚1,王 哲3(1.空军工程大学信息与导航学院,西安,7 1 0 0 7 7;2.9 4 7 5 5部队,福建漳州,3 6 3 0 0 0;3.国防科技大学信息与通信学院,武汉,4 3 0 0 1 0)摘要 现有指挥信息系统韧性研究忽略了需求变化对其韧性过程的影响,无法反映系统遭受攻击后的韧性能力与任务需求的关系。引入正常功能水平、最低功能水平和预期功能水平3个变量,提出需求显著上升、需求基本持平和需求显著下降3种韧性模式;针对韧性过程中功能水平下降和自适应恢复2个阶段,提出抵抗力增强和冗余度提升策略,定义措施效果函数,建立韧性优化模型,运用分组背包问题的近似动态规划算法求解;以某区域联合防空指挥信息系统为例,进行仿真实验,验证需求变化对指挥信息系统韧性优化的影响。结果表明,为适应复杂恶劣战场环境下不同场景作战需求,指挥信息系统应选用合理的韧性模式,并统筹考虑敌方攻击强度、经费预算和应对策略等相关因素。关键词 韧性优化;指挥信息系统;背包问题D O I 1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 9 1 5.2 0 2 3.0 4.0 1 4中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 7-1 9 1 5(2 0 2 3)0 4-0 0 9 2-1 0R e s e a r c h o n R e s i l i e n c e O p t i m i z a t i o n i n C o mm a n d I n f o r m a t i o n S y s t e mi n C o n s i d e r a t i o n o f R e q u i r e m e n t C h a n g eYU E D i j i u1,2,L I J i a n h u a1,WANG G a n g1,WANG Z h e3(1.I n f o r m a t i o n a n d N a v i g a t i o n S c h o o l,A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 7 7,C h i n a;2.U n i t 9 4 7 5 5,Z h a n g z h o u 3 6 3 0 0 0,F u j i a n,C h i n a;3.I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n S c h o o l,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,Wu h a n 4 3 0 0 1 0,C h i n a)A b s t r a c t N o w a v a i l a b l e r e s e a r c h o n t h e r e s i l i e n c e i n C o mm a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m i s i n i g n o r a n c e o f t h e i m p a c t o f d e m a n d c h a n g e s o n i t s r e s i l i e n c e p r o c e s s,a n d i s u n a b l e t o r e f l e c t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e r e-s i l i e n c e a b i l i t y o f t h e s y s t e m a f t e r b e i n g a t t a c k e d a n d t a s k r e q u i r e m e n t s.T h r e e v a r i a b l e s o f n o r m a l p e r-f o r m a n c e,l o w e s t p e r f o r m a n c e a n d e x p e c t e d p e r f o r m a n c e a r e i n t r o d u c e d,a n d t h r e e r e s i l i e n c e m o d e l s o f s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d d e m a n d,b a s i c a l l y f l a t d e m a n d a n d s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e d d e m a n d a r e p r o p o s e d.I n v i e w o f t h e t w o s t a g e s o f f u n c t i o n a l l e v e l d e c l i n e a n d a d a p t i v e r e c o v e r y i n t h e p r o c e s s o f r e s i l i e n c e,a s t r a t e-g y o f r e s i s t a n c e e n h a n c e m e n t a n d r e d u n d a n c y e n h a n c e m e n t s t r a t e g i e s i s p r o p o s e d,t h e m e a s u r e e f f e c t f u n c-t i o n i s d e f i n e d,a r e s i l i e n c e o p t i m i z a t i o n m o d e l i s e s t a b l i s h e d,a n d t h e a p p r o x i m a t e d y n a m i c p r o g r a mm i n g a l g o r i t h m o f t h e g r o u p k n a p s a c k p r o b l e m i s u s e d t o s o l v e t h e p r o b l e m.T a k i n g a c e r t a i n o f R e g i o n a l J o i n t A i r D e f e n s e C o mm a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m a s a n e x a m p l e,a s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t i s c o n d u c t e d,a n d t h e i m p a c t o f d e m a n d c h a n g e s o n t h e r e s i l i e n c e o p t i m i z a t i o n o f t h e C o mm a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m i s v e r i f i e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n o r d e r t o a d a p t t o t h e o p e r a t i o n a l r e q u i r e m e n t s o f d i f f e r e n t s c e n a r i o s i n c o m p l e x a n d h a r s h b a t t l e f i e l d e n v i r o n m e n t,t h e C o mm a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m s h o u l d s e l e c t a r e a s o n a b l e r e s i l i e n c e m o d e,a n d t h e c o m p r e h e n s i v e r e l e v a n t f a c t o r s,s u c h a s e n e m y s a t t a c k i n t e n s i t y,f u n d i n g b u d g e t,c o p i n g s t r a t e g i e s,a n d s o o n,s h o u l d b e t a k e n i n t o a c c o u n t.K e y w o r d s r e s i l i e n c e o p t i m i z a t i o n;c o mm a n d i n f o r m a t i o n s y s t e m;k n a p s a c k p r o b l e m 基于网络信息体系的联合作战中,指挥信息系统起着聚合战场空间各类传感器、指控系统、武器平台等要素的重要作用1,一旦遭敌攻击导致节点失效、链路损毁、结构碎裂,将对整个作战体系带来致命伤害。指挥信息系统韧性是指系统面对攻击破坏,具有的维持一定功能水平以持续完成作战任务的能力2。由于指挥信息系统在军事对抗中容易成为敌方攻击目标,因此如何优化其韧性是指挥信息系统规划设计、运维管理和应急抢修中必须考虑的问题。文献3 提出韧性指挥信息系统的概念、构建机理与实现方法;文献47 研究了指挥信息系统韧性的量化评估方法;文献81 0 从不同角度建立了指挥信息系统韧性分析模型。总的来看,对指挥信息系统韧性优化的研究还较为滞后,缺乏适用于指挥信息系统韧性优化的方法与思路。此外现有研究大多借助“韧性曲线”,采用“评估指标+计算模型”的方法定量评估指挥信息系统韧性,这些为深入理解指挥信息系统韧性过程提供了理论基础,并能够在一定程度上衡量指挥信息系统韧性能力的高低,但是却忽视了一个迫切的问题:指挥信息系统能否在遭受攻击后继续支撑作战任务完成。正常情况下,指挥信息系统和作战任务之间维持着一种动态平衡的关系:指挥信息系统向作战任务提供支撑,而作战任务向指挥信息系统提出需求,牵引指挥信息系统结构、功能不断优化调整1 1。指挥信息系统遭受攻击后,作战任务很有可能发生变化,将对系统提出新的需求,而且任务变化引起的需求变化通常是非常显著且不可忽略的。因此,不能仅仅从指挥信息系统这一个角度出发来分析系统受攻击后的功能水平变化情况,而忽略了由攻击导致的作战任务变化对系统提出的新需求。本文改进以往研究中对需求变化的忽略,着重考虑需求变化对指挥信息系统韧性过程带来的影响,通过引入正常功能水平、最低功能水平、预期功能水平3个变量,把指挥信息系统韧性分为需求显著上升、需求基本持平和需求显著下降3种模式,并分别建立指挥信息系统韧性优化模型。1 指挥信息系统韧性过程的理论分析1.1 传统的指挥信息系统韧性曲线韧性泛指系统能够预测、抵制、吸收、适应扰动,并从扰动中迅速恢复的能力1 2-1 3。指挥信息系统韧性体现为:系统尽管不是坚不可摧不会被破坏,而是在遭受攻击后能够快速适应与恢复,持续保障作战任务完成。指挥信息系统韧性曲线描述了其功能水平在攻击前后的变化过程,如图1所示。据此曲线,部分学者把指挥信息系统韧性划分为攻击预防、破坏扩散和响应恢复3个阶段1 4-1 5;也有学者指出,对应上述3个阶段,指挥信息系统韧性主要包含3种能力:抵抗能力、吸收能力和恢复能力1 6。但传统韧性曲线未反映出需求变化和恢复能力之间的关系。图1 考虑需求变化的指挥信息系统韧性曲线首先,没有体现出指挥信息系统遭受攻击后短时间内自适应恢复能力。指挥信息系统具有复杂网络结构,自适应恢复能力是其典型属性,源于系统结构对环境变化的一种“弹性”。遭受攻击后,指挥信息系统自适应恢复和长期恢复是截然不同的2个阶段,自适应恢复是系统借助其已有的冗余机制,进行备份接替、任务调整等,不需要额外投入外部资源;而长期恢复需要依靠外部力量和资源进行恢复。图1中系统功能水平从B点恢复至原水平,多指投入外部资源的长期恢复。其次,没有体现出指挥信息系统对于需求变化所采取的相应功能水平的调整。指挥信息系统遭受攻击后作战任务可能发生变化,为保障作战任务继续完成,不同的需求下系统应当恢复至不同的功能39第4期 岳地久,等:考虑需求变化的指挥信息系统韧性优化研究水平,真正体现出“韧性”的含义。系统遭受攻击后需求 功 能 水 平 可 大 致 分 为3种 情 况,初 始 水 平(E0)、高于初始水平(E1)、低于初始水平(E2)。由于需求不同,指挥信息系统自适应恢复的要求也存在差异,传统的韧性曲线没有涵盖自适应恢复阶段,更不能反映自适应恢复水平及其和需求的平衡关系。考虑需求变化的韧性曲线如图1所示,系统有时候要自适应恢复到一个很高的水平,有时可能需要不高,或者有时完全不需要。1.2 指挥信息系统韧性过程中3个功能水平变量为了弥补传统的指挥信息系统韧性曲线不足,这里引入如下3个功能水平变量:正常功能水平(n o r m a l p e r f o r m a n c e,N P):指挥信息系统正常情况下的功能水平,也就是攻击发生以前各个时刻功能水平。对指挥信息系统而言,遭受攻击是低概率事件,N P可用指挥信息系统现有功能水平表示,可通过一段时间的实测数据得到。最低功能水平(l o w e s t p e r f o r m a n c e,L P):指挥信息系统遭攻击后短时间内功能水平下降至的最低值。指挥信息系统是网络化结构,系统功能具有涌现性,这个最低功能水平应充分考虑级联失效的影响。可以通过作战仿真、兵棋推演等获得。预期功能水平(e x p e c t e d p e r f o r m a n c e,E P):指挥信息系统在遭受攻击后短时间内的预期功能水平,是指挥信息系统自适应需要达到的目标。攻击发生后,指挥信息系统作战任务可能发生变化,需求也会跟着变化。E P通常无法直接测量,由需求预测或者目标设定得到。1.3 指挥信息系统遭攻击后短时间内的韧性过程如图2(a)所示,当攻击发生时,指挥信息系统由于本身的脆弱性,其功能水平在极短时间内由N P下降至L P。攻击造成功能水平下降瞬时完成,由于指挥决策、命令传递等,作战任务调整具有一定的时延,因此需求的变化会晚于指挥信息系统功能水平的下降。为适应需求变化,指挥信息系统需要在攻击后的短时间内,迅速自适应恢复至E P,以支撑作战任务完成。其中从N P到L P的直线下降是指挥信息系统内部对攻击的反应,而L P到E P的反弹回升是指挥信息系统对作战任务变化的适应。L P和N P的差距单纯描述了指挥信息系统本身的脆弱性,L P和N P的差距越大,指挥信息系统应对攻击的抵抗能力越差。如果指挥信息系统能够尽量抵抗攻击,使L P不要远离N P,并且短时间内自适应得尽量多以达到E P,那么其在攻击后短时间内的韧性就比较强。指挥信息系统向作战任务提供所需的信息功能支撑,然而由于攻击后作战任务变动的复杂性,有些功能属于完成任务急需的核心功能,需求会显著上升;有些功能属于完成任务所需的一般功能,保持原有水平即可保障任务完成,需求可能基本持平;而有些功能可能与作战任务关系不大,需求会有所下降。下文从需求与功能水平之间关系进行分析。(a)模式1(b)模式2(c)模式3图2 指挥信息系统受攻击后短时内韧性过程1.4 基于需求变化的指挥信息系统韧性分类N PL P,根据E P对于N P、L P的相对大小关系,如图2所示,区分以下3种模式。模式1:需求显著上升,E PN PL P。如图2(a)所示,系统提供的功能对于作战任务来说是关键核心功能,攻击后短时间内功能需求迅速上涨,然而系统本身具有一定的脆弱性。这是指挥信息系统最具挑战的模式,攻击发生后,即便指挥信息系统完全回弹至攻击前功能水平,也不能适应攻击后迅猛增长的需求。模式2:需求基本持平,N PE PL P。如图2(b)所示,尽管系统提供的功能很重要,但攻击后短时间内的需求变化不大,造成系统韧性无法满足需求的原因是抵抗能力不足。这种模式,意味着指挥信息系统如果尽量抵抗攻击,保证L P49空军工程大学学报2 0 2 3年接近N P,那么攻击后指挥信息系统功能水平就能满足需求,也就不需要额外关注自适应过程;反之如果指挥信息系统无法有效抵抗攻击,导致L P远离N P,那么自适应也一样必不可少。模式3:需求显著下降,N PL PE P。如图2(c)所示,系统提供的功能并不紧急,即使攻击导致功能水平有所降级,但依然能够保障任务完成,符合需求。该模式存在的原因是因为指挥信息系统功能水平的过度冗余。2 指挥信息系统韧性优化模型2.1 指挥信息系统韧性增强措施B r u n e a u等1 7在基础设施系统韧性研究中,提出了韧性的4个维度:鲁棒性(r o b u s t n e s s)、冗余性(r e d u n d a n c y)、资源充足性(r e s o u r c e f u l n e s s)和快速性(r e p i d i t y)。该韧性4 R框架获得了各领域学者们的广泛认可1 8,本文主要从这4个维度分析指挥信息系统韧性增强措施。定义韧性增强措施的效果为,采取措施前后系统韧性水平的变化情况。定义措施水平为措施的实施程度。建立措施效果函数措施水平函数,大致可以划分为凹函数、线性函数和凸函数3类1 9。针对不同的韧性提升措施,选用不同的措施效果函数。瞬时下降与自适应恢复是指挥信息系统韧性过程中的2个不同阶段。前者体现了指挥信息系统本身的脆弱性。换言之,遭受攻击后,指挥信息系统功能水平会下降到什么程度,这种下降的程度取决于系统本身的“抗打击”能力。为减小下降程度,韧性增强措施必须是针对指挥信息系统自身抵抗能力的。在韧性4 R框架下,增强指挥信息系统抵抗力的措施。对于抵抗力提升措施来说,无论优化到何种程度,直观看,面对攻击,系统功能水平还是会下降,特别是遭受高强度攻击时,系统加强的再坚固也无法保证功能水平完全不下降。优化后L P越是接近N P,每单位措施水平提升效果也就越低,直至趋近于零。根据这样的趋势,抵抗力提升措施效果函数选择凹函数的形式:vs=fls (1)式中:vs为抵抗力提升措施的效果;ls为措施水平;f是关于ls的凹函数,满足ls=0(初始状态)时vs=fls =L P,当 ls?时vs=fls N P。自适应恢复阶段针对的是指挥信息系统适应需求变化的能力。换言之,攻击致使系统功能水平下降时,指挥信息系统为适应需求,运用自身应变机制快速恢复功能水平。提升系统自适应恢复能力的方法主要是提高系统的冗余度,当需求增长时,指挥信息系统能够运用储备、备份等,以迅速适应增长的需求。在韧性4 R框架下,这类措施对应于冗余性、资源充足性和快速性的一部分措施。最为常用的就是提升指挥信息系统的冗余度,常见的措施有节点备份、链路冗余、物资储备等。对于冗余度提升措施来说,直观看,措施水平每提升一个层次,备用手段就会多一点,则会起到额外的措施效果。因此,冗余度提升措施效果函数选择线性函数的形式:vt=glt (2)式中:vt表示冗余度提升措施效果;lt表示措施水平;g是关于lt的某个线性函数,满足当lt=0时vt=glt =0。2.2 指挥信息系统韧性优化模型构建对指挥信息系统韧性进行优化分析,就是通过定量优化模型的方法在备选措施中进行选择,使韧性增强效果最好。韧性优化的目标函数为最大化韧性增强效果,即:m a xnss=1xsvs+ntt=1xtvt(3)式中:xs,xt是布尔变量,表示韧性增强措施s(或t)是否被最优措施组合选中:若措施s被选中,xs=1,反之,xs=0;ns,nt分别是抵抗力提升措施和冗余度提升措施的个数,vs,vt分别是措施s,t的效果。为了增强指挥信息系统韧性,保证指挥信息系统遭受攻击后至少能满足需求,3种模式下韧性优化约束条件是不同的。第1、2种模式,系统都需要做到功能水平瞬时损失尽量小,而且短时间内回弹尽量大,区别在于,第1种模式这2种效果叠加在一起要大于E P且越大越好,而第2种模式这2种效果叠加在一起要大于E P但不超过N P。第3种模式已经满足需求,暂不需要优化。因此前2种模式下,约束条件分别为:nss=1xsvs+ntt=1xtvtE P-L P(4)nss=1xsvs+ntt=1xtvtE P-L P nss=1xsvs+ntt=1xtvt N P (5)各类措施均需要消耗人力、物力和财力,本文统一转化为需要花费资金。采取各类措施的总花费不能超过预算,增加关于预算的约束条件:nss=1xscs+ntt=1xtctC(6)59第4期 岳地久,等:考虑需求变化的指挥信息系统韧性优化研究式中:cs,ct分别是措施s,t的成本。至此,指挥信息系统韧性优化问题可以归结为,针对系统面临的攻击,在一定经费预算约束下,借由韧性增强措施,改善指挥信息系统瞬时下降和短时间内自适应2个阶段,使指挥信息系统韧性符合需求。指挥信息系统韧性优化步骤为:1)建立指挥信息系统模型,选定合适的功能水平度量指标,确定指挥信息系统的N P;2)分析攻击的特点,比如强度、作用方式等,建立攻击模型;3)在指挥信息系统模型中模拟攻击的发生和蔓延,充分考虑级联失效,确定指挥信息系统的L P;4)通过需求分析或者目标设定的方法,确定指挥信息系统的E P;5)设定总预算约束C;6)分别收集抵抗力提升措施s和措施水平ls,冗余度提升措施t和措施水平lt,要求各项措施相互独立;分别运用措施效果函数估计措施的效果vs,vt;分别估算措施成本cs,ct;7)根据指挥信息系统韧性的不同模式建立如下韧性优化模型:第1种:m a xnss=1xsvs+ntt=1xtvts.t.nss=1xscs+ntt=1xtctC nss=1xsvs+ntt=1xtvtE P-L P xs 0,1 ,xt 0,1 (7)第2种:m a xnss=1xsvs+ntt=1xtvts.t.nss=1xscs+ntt=1xtctC nss=1xsvs+ntt=1xtvtE P-L P nss=1xsvs+ntt=1xtvt N P xs 0,1 ,xt 0,1 (8)2.3 指挥信息系统韧性优化模型求解背包问题(k n a p s a c k p r o b l e m)2 0-2 1是运筹学中典型的N P-h a r d问题,广泛应用在资源分配、货物装载和投资管理等方面。本文运用背包问题算法对上述优化模型进行求解,即:现有一个确定容量c a-p a c i t y(对应预算)的背包;把不同类型不同水平的韧性增强措施看作一系列给定的项目(i t e m),每个项目都有着自身的重量w e i g h t(措施的成本)和价值v a l u e(措施的效果);把同一类型不同水平的措施分为一组(g r o u p),组内项目相互冲突,至多能入选一项;在不超过背包容量情况下,如何选定项目装入背包,使项目组合价值最大。运用近似动态规划算法2 2来求解该分组背包问题。假设背包容量C,分组数量K,w k,i ,vk,i 分别表示组合k中项目i的重量和价值,ARC+1,初始为零向量,用j=1,2,C进行编号。通过如下3个F O R循环,得到A C+1 为问题最优值,即项目组合的最大价值。通过回溯算法,即可确定问题最优解。f o r k=1,2,K f o r j=C+1,C,C-1,1 f o r i=1,2,N i f jw k,i i f A j-w k,i +vk,i A v A v =A j-w k,i +vk,i e n di f e n di f e n df o r e n df o re n df o r3 仿真实验3.1 指挥信息系统实例以红方某战役方向区域联合防空指挥信息系统为例。系统结构如图3所示,包含9个指挥节点,4个情报处理节点,1 2个感知节点以及8个执行节点。各节点明细如表1所示。图3 某区域联合防空指挥信息系统结构示意图69空军工程大学学报2 0 2 3年表1 红方区域联合防空指挥信息系统节点明细指挥信息系统节点节点类型节点编号上级指挥机构区域控制中心航空1 0 1,1 0 2,1 0 3,1 0 4旅指挥所地导2 0 1,2 0 2,2 0 3,2 0 4旅指挥所决策控制单元D0D1D2,D4,D6,D8D3,D5,D7,D9战区情报中心雷达3 0 1,3 0 2,3 0 3,3 0 4旅指挥所情报处理单元P0P1,P2,P3,P4各雷达站情报获取单元O1,O2,O3,O4,O5O6,O7,O8,O9,O1 0,O1 1,O1 21 1 1,1 1 2,1 1 3,1 1 4战机编队2 1 1,2 1 2,2 1 3,2 1 4地导营响应执行单元A1,A3,A5,A7A2,A4,A6,A8 该指挥信息系统存在的问题主要有:面临蓝方多元化手段攻击威胁,如超高声速武器穿透性打击、强电磁干扰、赛博攻击等;蓝方攻击的不确定性,如攻击强度、攻击目标、攻击时间尚不可知等;系统内各节点紧密相关,存在级联效应,一个节点失效,可能导致整个系统功能受损;系统抵抗能力还存在薄弱环节,如部分节点伪装防护效果不佳,部分装备抗电磁干扰能力不强,部分系统防护工事还不完善;系统对攻击的应对准备还不充分,虽然部分节点、链路、装备和物资等预设有冗余备份,但是不成体系,缺乏优化。因此,亟需对该指挥信息系统韧性进行优化,以采取最有效的措施,增强指挥信息系统韧性,使其在面对攻击时能够持续保障作战任务完成。此外,该指挥信息系统是红方最主要的作战指挥工具,专家做出如下评估:“由于指挥所受损以及缺乏有效的准备和反应,是面临攻击时造成指挥中断的两大主要因素”。其中,前一个因素“指挥所受损”对应了指挥信息系统对攻击的抵抗阶段,而后一个因素“有效的准备和反应”则对应了指挥信息系统的自适应恢复阶段。这也印证了前文提出的指挥信息系统受攻击后短时间内韧性过程包含2个阶段的合理性。3.2 指挥信息系统3个功能水平变量计算指挥信息系统对空指挥引导容量,是指在整个战斗过程中,在可用截击地段内经过多次引导,指挥信息系统最多能够引导的我机作战单元批数2 3。对空指挥引导容量,由区域情报探测质量、指控系统辅助决策能力、通信系统容量、战机出动数量等决定(这里假设指挥人员数量足够),可以综合反映出指挥信息系统的运行状态。本文用指挥信息系统的对空指挥引导容量来表征系统的功能水平。经统计,N P为1 5 0批。指挥信息系统遭受攻击的受损程度与蓝方攻击强度有关。根据蓝方攻击的精度、广度、烈度,把攻击强度由弱至强,依次划分为11 0个等级,其中1 0级为“一切精心构筑的防御设施被摧毁”。通过数据统计、案例分析和模拟仿真,调整并拟合出该指挥信息系统的脆弱性函数f(q),得到:L P=N Pf q =1 5 011+q/5 5(9)式中:q为攻击强度,q 1,2,1 0 ;f q 为系统的脆弱性函数,反映了系统面对攻击时功能水平下降的趋势。E P通常由需求预测或目标设定的方法得到。蓝方攻击强度越大,则红方反击的力度也越大,出动兵力规模也就越大。根据这样的趋势,结合专家对航空弹药和兵力出动数量的需求预测,本文采用指数型关系模拟攻击后对空指挥引导容量需求和攻击强度的大致关系,得到:E P=N Pq =1 5 0eq/1 2(1 0)式中:q 为需求预测函数,即攻击发生后,指挥信息系统对空指挥 引导容量要 达 到 正 常 状 态 下 的eq/1 2倍。由式(1 0)可得,该指挥信息系统韧性过程呈现出模式一所描述的特点,即当攻击发生后,系统有E PN PL P,这对韧性优化提出了很高的要求。3.3 指挥信息系统韧性增强措施该指挥信息系统韧性增强措施主要集中在设施设备加固、物资储备、应急预案这几方面,共收集到了如表2所示的韧性增强措施。表2 指挥信息系统韧性增强措施分类措施名称措施水平措施成本/百万元抵抗力提升加固各个指挥机构s1换装抗干扰对空电台s2提高设备预防性保养频率s3l1:防护能力提升2 0%1 5.0l2:防护能力提升5 0%3 0.0l3:防护能力提升6 0%5 0.0l1:部分更换3.0l2:更换半数以上5.0l3:全部更换1 0.0l1:提高至1年1次6.0l2:提高至半年1次9.8l3:提高至1季度1次1 2.0冗余度提升重要节点冗余备份t1通信链路冗余t2物资器材储备t3l1:只备份区域控制中心9.0l2:备份旅以上指挥机构 3 2.0l3:全部节点建立备份 5 0.0l1:现有冗余水平 1 1.0l2:现有水平增1倍 2 5.0l3:现有水平增2倍 6 0.0l1:优化现有储备种类4.0l2:现有储备水平加倍8.0l3:现有储备水平3倍 1 4.079第4期 岳地久,等:考虑需求变化的指挥信息系统韧性优化研究 以上抵抗力提升措施,如采用抗干扰电台,可降低地空通信被干扰的机率;提高装备预检维护的频率,能提升装备可用度。这些措施主要作用是提升L P。以上冗余度提升措施,如指挥节点备份,通信链路冗余和物资器材储备,主要是用来提升指挥信息系统自适应恢复能力。两类措施很大程度上也会受到蓝方攻击强度的影响,采用类似脆弱性函数对其进一步修正。综合考虑历史数据、实际经验和建模仿真,本文对各措施效果函数参数进行了合理的估计,各措施效果曲面如图4所示,其中x轴为措施水平,y轴为攻击强度,z轴为措施效果。对于各项措施成本,由相关领域专家进行估算,计入表2。图4 指挥信息系统韧性增强措施效果示意图3.4 韧性优化实验及结果分析1)实验1:韧性优化效果验证。根据红方指挥信息系统3个功能水平变量和蓝方攻击强度之间的函数关系,韧性优化目标如图5所示,其中红色区域为抵抗力提升措施的作用域,绿色区域为冗余度提升措施作用域。以中等攻击强度q=5,总预算为1 5 0时,进行优化实验。模式1中,优化模型目标函数最大值2 2 0,措施组合为2,3,3,3,2,3,即:加固各个指挥机构,使其防护能力提升5 0%;全部换装抗干扰对空电台;提高设备预防性保养频率至1季度1次;全部节点建立备份;通信链路冗余水平增加1倍;现有物资储备水平增加3倍。模式2中,优化模型目标函数最大值1 5 0,措施组合为3,2,3,0,0,3。模式2中,冗余度提升措施t1、t2未入选,入选措施为:加固各个指挥机构,使其防护能力提升6 0%;换装一半抗干扰对空电台;提高设备预防性保养频率至1季度1次;现有物资储备水平增加3倍。假设t=2时系统遭受攻击,根据该优化结果,蓝方攻击强度为5时,红方指挥信息系统遭受攻击后3种模式下韧性过程如图6所示。模式1:系统在韧性增强措施作用下,功能水平短暂下降后回弹至一个更高的水平,达到任务需求标准;模式2:系统在韧性增强措施作用下,系统功能水平短暂下降后,虽然恢复到了初始水平,但是由于任务需求上涨,未能满足需求;模式3,系统功能水平明显下降,不再恢复,无法保障任务完成。图5 指挥信息系统韧性增强措施作用域由实验结果可得,如果不考虑需求变化,指挥信息系统遭受攻击后虽然功能水平也表现出“韧性曲线”特性,但是仍然无法满足任务需求,不能保障任务完成。因此在进行韧性优化时,应该综合考虑攻击带来的任务变化引起的需求变化,合理设定目标。89空军工程大学学报2 0 2 3年图6 指挥信息系统韧性优化效果2)实验2:检验攻击强度对指挥信息系统韧性优化的影响。假设预算充足,所有备选措施都不会受到预算的约束,攻击强度逐渐增加,韧性优化结果如图7所示。可以看出,随着攻击强度提高,同样预算下,韧性增强措施效果逐渐降低,直至为0。2种模式下曲线走势一致,但由于模式2中需求要低于模式1,其韧性优化效果也要低一些。模式1中,当攻击强度达到7时,优化效果为0,问题无解,意味着即使采用现有韧性增强措施的最高措施水平,也无法弥补L P和E P之间的鸿沟,因此必须挖掘更多新的韧性增强措施,来应对蓝方高强度的攻击。模式2中,攻击强度达到9时,优化效果为0。由实验可得,为应对高强度攻击,现有韧性增强措施还不能完全达到任务需求,还需挖掘更多韧性增强措施,综合施策。3)实验3:检验预算对指挥信息系统韧性优化的影响。设定攻击强度分别为2(低强度),5(中等强度),7(高强度),预算从0开始,以1 0为步长逐次增加到2 5 0,韧性优化结果如图8所示。可以看出,预算对优化效果有明显影响,当预算逐渐提高时,同样攻击强度下的韧性提升措施效果单调上升,尤其是在预算增加的初期,优化效果提高非常迅速;而当预算增加到一定程度时,优化效果已满足需求,优化效果不再上升,不同攻击强度下几条曲线均存在“拐点”。而同样的预算,攻击强度越高,则优化效果越差,尤其是在高强度攻击下,韧性优化问题始终无解。由实验结果可得,无论面对何种攻击强度,显著提升系统韧性优化效果的阶段都是初期投入阶段。此外,不同韧性模式下,系统韧性优化效果不同,应该准确区分系统韧性的不同模式,选择正确的韧性优化模型,避免无法满足需求或者资源过度浪费。图7 不同攻击强度下指挥信息系统韧性优化结果图8 预算对指挥信息系统韧性优化的影响4)实验4:检验指挥信息系统韧性提升措施的作用区别和效费比。为探究这一问题,假设预算充足,比较不同攻击强度下2类韧性提升措施的效果和费效比,实验结果如图9所示。刚开始攻击强度较小时,抵抗力措施占的比重较大,此时,指挥信息系统满足需求,大部分得益于功能水平瞬时下降这个阶段的改善;而当攻击强度持续增大时,抵抗力措施占的比重逐渐减小,指挥信息系统满足需求主要归功于短时间内自适应这个水平的改善。而从整体情况看,冗余度提升措施占的比重大部分超过5 0%,这说明冗余度措施占据着主导地位。而从措施的效费比来看,攻击强度较低时,措施2费效比最高,但随着攻击强度增加,抵抗力措施的效费比下降程度明显要快于冗余度提升措施,这说明抵抗力提升措施受攻击强度影响更大。也就是说,2类韧性提升措