2013.2复杂网络及其在军事领域中的应用研究综述_杨宏伟

* 第 21 卷 第 1 期 2013 年 2 月 系 统 科 学 学 报 JOURNAL OF SYSTEMS SCIENCE Vol． 21 No． 1 Feb． 2013 复杂网络及其在军事领域中的应用研究综述 杨宏伟 张 勇 杨学强 黄 俊 (装甲兵工程学院 技术保障工程系 北京 100072) 摘 要:作为一门综合性的学科理论，复杂网络近年来发展迅速，其在军事领域中的应用也成 为当前许多学者的研究热点。论文在对复杂网络与军事领域有关问题的相似性简单论述的基础 上，重点回顾了复杂网络理论在军事领域中的研究进展，最后对研究过程中存在的问题和发展趋势 进行了总结和展望。 关键词:复杂网络;军事领域;相似性;综述 中图分类号:N949 文献标识码:A 文章编号:1005-6408(2013)01-0084-04 1 引言 自从 20 世纪 90 年代初战争系统复杂性获得关 注以来，针对战争系统复杂性的研究不断深入，然而 战争系统复杂性的挑战却有增无减，其原因之一在 于信息化战争比以往任何战争更加复杂，之二在于 复杂性科学还并不完善［1］。这是因为传统的建立 在古典战争理论基础上的机械、静态、孤立的作战思 想和方法已经无法解释和指导信息化战争的涌现、 协同现象及自演化规律。如同制造飞机没有空气动 力学，目前我军尚无庞大的、覆盖全军范围内的 复杂作战(保障)体系并在建设之前预测其行为的 科学，缺乏指导信息化建设的科学或理论基础。可 以说，迅速发展的复杂网络理论为军事领域中的应 用，特别是在作战指挥、体系优化、效能评估等方面 打开了一扇大门。 2 军事领域复杂网络性质分析 2. 1 复杂网络简介 复杂网络简而言之即呈现高度复杂性的网络， 目前还没有统一明确的概念。但一般认为，由顶点 和顶点之间的连线(边)组成的具备一定功能的复 杂系统就称之为复杂网络。其中，顶点代表所研究 的对象，边代表对象之间的相互作用、相互关联［1］。 1998 年 6 月美国康奈尔大学 Watts 和其导师 Strogatz教授在 Nature 上发表题为“‘小世界’网络 的集体动力学”的文章［2］，文中构造了一个小世界 网络模型，该模型反映了社会关系网络的一种特性: 较短的平均路径长度和较高的聚类系数。紧接着， 1999 年 10 月，美国印第安纳州圣母大学物理系教 授 Barabsi在 Science上发表题为“随机网络中标度 的涌现”的文章［3］，文章指出许多实际的复杂网络 的连接度分布具有幂律形式，由于幂律分布没有标 志性的特征长度，因而这类网络被称为无标度网络 (BA)。而复杂网络在军事领域的应用可以说才刚 刚起步。 2. 2 问题相似性分析 复杂网络理论以其固有的开放性和灵活性为战 争复杂系统提供了新的融合空间和机遇，特别是网 络模型的天然可视性，使人类特有的视觉或直觉成 为一种强大的信息处理工具，这不但为理论研究提 供了新手段，也为领域专家，特别是军事家，直接参 与战争建模创造了条件，借鉴复杂网络的研究成果， 可以创造性地解决作战(保障)体系的多种问题。 例如，传统的作战研究采用兰彻斯特(Lanchester)方 程，考虑作战系统结构特征不足，其仿真结果往往呈 线性发展。其实，军事领域的许多特征都可以借助 于复杂网络的相关理论进行描述。从大的方面来 —48— * 收稿日期:2012-12-20 基金项目:国防科研项目(2010CX02) 作者简介:杨宏伟(1960 －) ，男，教授，博导，装甲兵工程学院技术保障工程系，研究方向:装备保障系统运行与优化; 张 勇(1984 －) ，男，博士研究生，装甲兵工程学院研究生管理大队 78 队，研究方向:装备保障系统运行与优化。 E-mail:zhywkh@ 163． com 说，将力量单元抽象成节点，相互之间的物质、信息、 能量交流抽象成为边，就可以抽象成如作战体系、保 障体系等。而从细化结构层面，又包括网络节点的 构建、网络体系结构建模、网络有序度同步分析、网 络化作战(保障)任务管理等，这些问题都可以而且 亟待进一步深入研究。 3 复杂网络在军事领域研究进展 自 2004 年开始，军内相关人员尝试应用复杂网 络理论于军事领域，近年来呈现逐年递增的发展趋 势。本文以文献应用领域进行分类，分为基础性研 究、作战指挥领域、后装保障领域等三个方面的研究 工作。 3. 1 基础性研究 综述类研究:2006 年，李德毅院士从学科交叉 的角度分析网络化战争与复杂网络相关研究的相似 性与应用可行性［4］。与此同时，国防科技大学也开 始着手复杂网络抗毁性方面的研究［5］。近年来，国 防大学胡晓锋教授［6］、解放军理工大学卢厚清教 授［7］等人也在一些核心期刊发表文章，论述复杂网 络理论研究军事系统的可行性和有效性，积极倡导 引入、借鉴复杂网络研究成果。特别地，曾宪钊研究 员［8］从美军的角度，分析了其网络科学的发展历 程，重点介绍了美军实施网络战的一些经验教训。 实证性研究:即从复杂网络的角度来论证军事 系统的某些特性，如无标度性、小世界性等。如，有 文献对比分析了传统和网络化作战系统拓扑模型， 得出网络化战争模型具备无标度特性［9］;胡斌等分 析了美军网络中心模型与传统作战模型条件下的效 能区别与不同［10］，还有文献对现代海战网络的复杂 性进行分析并对防空作战网络的无尺度特征进行实 证研究。 军事网络拓扑建模:这里指单纯研究如何构建 与现实军事网络系统更加符合的网络拓扑模型。其 中，从复杂网络动力学角度，对 BA 模型进行扩展， 通过节点分类和连接规则两方面增添假设，构建描 述网络化战争的拓扑模型［11］;有文献通过给出衡量 复杂网络的宏观统计特征———度秩函数，提出了针 对任意度分布的复杂网络拓扑结构建模方法，并以 无标度网络和指数网络为例验证了该方法的有效 性［12］;金伟新等人运用仿真技术，系统研究了信息 化战争作战体系拓扑网络的连接机制与分布规律， 对于作战网络的形成、演化等具有很好的促进作用 和指导意义［13］。 3. 2 作战指挥领域 3. 2. 1 抗毁性研究 由于抗毁性直接关系到复杂网络的安全和可 靠，从复杂网络理论应用到军事领域伊始，抗毁性研 究便迅速成为研究热点。文中归纳军事领域抗毁性 研究情况，将其划分为三个方面: (1)优化网络拓扑结构。Albert 和 Barabasi［14］ 在这方面起到了先驱作用，其基本思想是分析拓扑 结构和攻击策略对复杂网络抗毁性的影响，研究把 ER模型和 BA 模型置于随机失效和选择性攻击两 种类型的打击策略之下的抗毁性，这一研究思路的 关键和难点是如何定义综合性网络抗毁性指标。军 事领域的相关研究则是在此基础上不断深化和延伸 而来，通常从连通性的角度来测度网络拓扑结构的 抗毁性。如，国防科技大学吴俊博士等人［15］引入可 调的攻击信息参数来研究网络的抗毁性，将复杂网 络攻击信息获取过程抽象成无放回的不等概率抽样 问题，并用信息广度参数 α 和信息精度参数 δ 调节 控制描述网络攻击信息对网络抗毁性的影响，并给 出一个新的复杂网络连通性测度 C，引入度秩函数， 给出无标度网络结构熵，研究无标度网络的非均匀 性。 (2)节点重要度评估。寻找军事网络中重要节 点，并施以预先保护(打击) ，从而达到提高(破坏) 网络鲁棒性的目的。李茂林等利用度、介数、紧密度 和特征向量等常规统计特征对作战体系节点的重要 性进行评估，并根据最大连通分支 R 的大小、平均 路径长度 L 和紧中心性对作战体系受到攻击后的 受损程度进行度量，进而选择出最有效的重要性指 标［16］;金鑫等利用复杂网络相关理论对各类卫星信 息对作战效能的影响度进行了评估并排序，区分各 类军事卫星在作战中的重要程度，也是一种变相的 节点重要度评估［17］。 (3)修复性策略研究。其主导思想为对复杂网 络受到的破坏进行修复，从而提高复杂网络可靠性 的一种方法，海军相关科研人员在这方面做了大量 工作。有学者以无标度网络为例，针对三种攻击策 略(随机失效、蓄意攻击和不完全信息下的攻击) ， 并对现实中的修复问题进行抽象、建模，给出并评估 了三种修复策略(平均修复、偏好修复和重点修复) 的优劣［18］;陈晔等则探讨了舰艇作战系统网络在 “随机失效”和“选择性攻击”两种网络损毁方式下 的的鲁棒性，提出了改善舰艇作战系统网络受到 “选择性攻击”时鲁棒性的方法———“接种”法，就是 —58— 提前对未被攻击，但是有被攻击危险的节点采取有 效防御以提高网络鲁棒性［19］。 3. 2. 2 体系对抗性研究 就应用层面而言，抗毁性研究是将攻击作为一 种外部激励，很少考虑战争的对抗性，不是以一种对 抗的观点平等地研究冲突双方的行为与效能。基于 此，有人利用随机映射概念提出了一种新的战斗毁 伤预测模型———Lanchester战斗网络模型，将传统的 基于“集合”交战的 Lanchester 模型符号化，采用一 致的网络模型将“外部的”交战行为与“内部的”网 络行为统一起来，提出一种基于“图”交战的体系对 抗模型，考虑动态战场因素(兵力数量、武器性能、 信息效能)和作战体系结构性质，开创了运用复杂 网络理论研究战斗方程问题［20］。 另一个应用比较典型领域就是评估军事体系网 络效能。如，邓宏钟等基于 MAS 建模仿真技术，对 C4ISR系统结构进行网络分析，讨论信息失真和延 迟对作战效能的影响［21］;任义广等从信息过载的角 度研究了 C3I网络的复杂性，分析其内涵并给出度 量方法［22］;何宝民等分析网络复杂性对决策优势度 量的影响，指出网络节点的协作是决策优势的综合 体现［23］;张国宁等也是将复杂网络理论与 MAS 建 模技术结合，构建联合战斗的复杂网络多 Agent 模 型，不过其过分偏重于用 Agent描述战斗过程，与复 杂网络理论的结合并不十分紧密［24］;还有人从复杂 网络角度出发建立指挥控制信息协同模型，并就不 同规则演化下的网络特征变化进行定量分析，利用 平均路径、聚集系数、度分布三个指标定量分析了信 息协同对指挥控制的影响效果，从而为评估信息协 同对作战效果的影响提供了新的研究思路和方 法［25］。 3. 2. 3 指挥体系结构研究 相对于以往定性(经验)评价方法而言，从网络 科学的观点对信息化条件下作战指挥体系进行建模 和仿真，不失为一种新的探索性研究。其中，李进军 等依据作战指挥体系结构的时效性和可靠性指标， 从指挥跨度、指挥层次、指挥方式对作战指挥体系结 构性能影响进行了定量研究［26］;沈寿林等分析静态 信息化作战指挥系统网络的结构，并运用邻接矩阵 特征值的方法将其与传统作战网络进行了比较，验 证了信息化作战由于信息流动增加而加强了节点之 间的联系，从而产生了更大的网络效果［27］;朱涛等 对组织指挥过程进行分析，提出基于局部信息检测 的多粒度社团的挖掘方法，从而有助于从宏观把握 复杂系统的主体倾向和骨干联系，从而为不同粒度 下的指挥决策提供直观的知识参考［28］。 3. 3 后装保障领域 随着联勤、综合保障等新的保障体制和方式逐 步完善，加上现代战争对后装保障的时间性和准确 性要求，使得传统的保障模式不能够适应未来发展 的需要，一体化网络式保障成为必然。但是后装保 障网络，如果有人恶意攻击连通度值高的少量节点， 比如指挥中心、大型器材仓库等，整个网络很可能迅 速陷入瘫痪。这方面研究一般与复杂网络中的级联 失效现象结合，从网络运行机理的角度分析网络的 鲁棒性。如，邓宏钟等提出了一种带过载函数的复 杂负载网络级联失效模型，给每个节点定义一个 “过载函数”，由节点权值变化来推测出网络拓扑结 构的演化［29］;李勇等引入流量强度和流量分布指 数，构建出更加符合实际含有负载的复杂保障网络 模型［30］。 4 总结与展望 针对军事领域复杂网络研究现状，笔者认为以 下几个方面尚需进一步研究: (1)概念研究。概念研究是最基本的问题。一 是复杂网络理论本身有关概念存在需要商榷之处， 例如抗毁性、鲁棒性、脆弱性、可靠性等概念之间相 互交叉又略有区别;二是如何针对军事领域的特点 进行概念建模。例如，节点失效问题，如何考虑节点 本身具备一定的抗攻击能力和自我修复能力。 (2)机理建模。虽然关于级联失效、信息协同 方面的研究已经进行了非常有益的探索，但是大多 从网络的拓扑结构提评价指标，而军事领域的特性 不仅体现在网络的拓扑结构上，还体现在运行状态， 如何把实际网络的物理特性与复杂网络的机理特征 结合，以及如何有效的将网络拓扑和运行状态两者 联系起来作为脆弱性的评估是值得研究的。 (3)优化设计。实证研究的目的是分析已有网 络的性质特征，而设计出更加健壮的军事网络才是 我们研究的最终目的，特别在军事领域战略决策层 面，这里的优化不仅包括系统整体优化，还应包含单 元节点微观层面的优化。 参考文献 ［1］张嗣瀛．复杂网络的演化过程，n(n － 1)律，自聚律［J］．复杂系统 与复杂性科学，2005，2(3) :84-90． ［2］Watts D J，Strogatz S H． Collective Dynamics of“Small － World” Networks［J］． Nature，1998(393) :440-442． ［3］Barabási A L，Albert R． Emergence of Scaling in Random Networks —68— ［J］． Science，1999，286:509-512． ［4］李德毅，王新政，胡钢锋．网络化战争与复杂网络［J］．中国军事 科学，2006，19(3) :111-119． ［5］谭跃进，吴俊．网络结构熵及其在非标度网络中的应用［J］．系统 工程理论与实践，2004(6) :1-3． ［6］胡晓峰，李志强，贺莜媛等．复杂网络:战争复杂系统建模仿真新 途径［J］．装备指挥技术学院学报，2009. 20(2) :1-7． ［7］卢厚清，宋以胜，付成群．复杂网络是军事科学研究的一种新方 法［J］．解放军理工大学学报(综合版) ，2009，10(4) :72-74． ［8］曾宪钊．美军应用网络科学的经验教训及理路探索［J］．中国军 事科学，2010(1) :127-132． 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scholars． In the pa- per，the similarity of complex network and the problem in military field are introduced simply，and it fo- cuses on the development in the sphere of military field． Finally，the open questions and development trend are summarized and discussed． Key words:Complex networks;Military field;Similarity;Summary —78—