复杂系统与复杂电磁环境及其度量0812课件.ppt

1、12 说文解字说文解字中，中，“复复”即重复、繁复，即重复、繁复，这其实暗指蕴含了某种规律，这其实暗指蕴含了某种规律，“杂杂”即混合、即混合、聚 集 、 错 杂 等 ， 这 是 指 多 因 素 。聚 集 、 错 杂 等 ， 这 是 指 多 因 素 。 辞海辞海对对“复杂复杂”的解释为事物或系的解释为事物或系统的多因素性、多层次性、多变性以及相互统的多因素性、多层次性、多变性以及相互作用所形成的整体行为和演化。一般认为，作用所形成的整体行为和演化。一般认为，非线性、不确定性、不稳定性是复杂性的根非线性、不确定性、不稳定性是复杂性的根源。源。3 在在英语英语中，中，“复杂复杂”对应对应“Compl

2、ex”一一词，词源为拉丁语词，词源为拉丁语“Complexus”，它是拉丁，它是拉丁语动词语动词“Complecti”和词根和词根“Plexus”的组的组合，合，“Complecti”意为拥抱、围绕、编织等，意为拥抱、围绕、编织等， “plexus”对应希腊语对应希腊语“plektos”，意为编织，意为编织在一起。在一起。 牛津科学词典牛津科学词典对对“Complex”的解释是的解释是系统自组织的水平的衡量。系统自组织的水平的衡量。4 可见，从字典解释，可见，从字典解释，“复杂复杂/ /Complex”的本意即是指的本意即是指“多种事物组合在一起，多种事物组合在一起，并以某种难以理解的、不清晰

3、的、内在并以某种难以理解的、不清晰的、内在的规律发生着相互作用的规律发生着相互作用”。5军语军语20112011年版中给出的定义：年版中给出的定义：n 电磁环境电磁环境：在一定空间内所有的电磁辐射形：在一定空间内所有的电磁辐射形成的环境。分为人为电磁环境和自然电磁环境。成的环境。分为人为电磁环境和自然电磁环境。n 复杂电磁环境复杂电磁环境：电磁辐射源种类多、辐射强：电磁辐射源种类多、辐射强度差别大、信号分布密集、信号形式多样，能度差别大、信号分布密集、信号形式多样，能对作战行动、武器装备运用产生严重威胁和影对作战行动、武器装备运用产生严重威胁和影响的电磁环境。响的电磁环境。6 军语的定义给出了

4、复杂电磁环境的外在形军语的定义给出了复杂电磁环境的外在形态和表现，但没有说明其产生原因和过程。态和表现，但没有说明其产生原因和过程。 如果从产生机理的角度来理解，复杂电磁如果从产生机理的角度来理解，复杂电磁环境可认为是环境可认为是战场上众多用频装备在相互作战场上众多用频装备在相互作用、相互影响的过程中所涌现出的一种电磁用、相互影响的过程中所涌现出的一种电磁现象现象。类似于用气味进行交流的生物群上空。类似于用气味进行交流的生物群上空弥漫的混合气味。弥漫的混合气味。7当把复杂电磁环境作为研究对象时当把复杂电磁环境作为研究对象时，需注意：，需注意：不能只研究复杂电磁环境这个不能只研究复杂电磁环境这个

5、“表象表象” ” ，而应更多关注复杂电磁环境的而应更多关注复杂电磁环境的生成系统生成系统，即，即战场上相互作用与影响的用频装备所组成的战场上相互作用与影响的用频装备所组成的系统，这里可以将其命名为系统，这里可以将其命名为战场电磁博弈系战场电磁博弈系统统，它同时也是，它同时也是受体系统受体系统。8当把复杂电磁环境作为研究对象时当把复杂电磁环境作为研究对象时，需注意：，需注意：不能只研究战场全局层面上的电磁环境，不能只研究战场全局层面上的电磁环境，而应具体到不同的受体系统，充分考虑而应具体到不同的受体系统，充分考虑电磁电磁环境与其受体的相关性环境与其受体的相关性。 不能只研究复杂电磁环境的不能只研

6、究复杂电磁环境的“杂杂”，而应，而应重点研究复杂电磁环境的重点研究复杂电磁环境的“复复”，即，即规律发规律发现现。9 因此，从科学研究的角度，可以把作为研因此，从科学研究的角度，可以把作为研究对象的复杂电磁环境定义为：究对象的复杂电磁环境定义为：由战场电磁由战场电磁博弈系统和无线电波信号组成的开放巨系统博弈系统和无线电波信号组成的开放巨系统。 该系统的组分并不是空间信号，而是该系统的组分并不是空间信号，而是“人人+ +用频装备用频装备”的动态组合体的动态组合体，即具有能动性的，即具有能动性的用频设备，而无线电波信号只是组合体之间用频设备，而无线电波信号只是组合体之间相互作用的一种媒介或工具。相

7、互作用的一种媒介或工具。 什么是复杂性什么是复杂性：至今尚未有统一定义，只至今尚未有统一定义，只能相对简单性而言。能相对简单性而言。大英百科全书大英百科全书中关于系统科学中的中关于系统科学中的“复杂复杂性性”的属性描述了的属性描述了8种特征种特征：不可预测性；连通性；非集中控制性；不可预测性；连通性；非集中控制性；不可分解性；奇异性；不稳定性；不可分解性；奇异性；不稳定性；不可计算性；涌现性。不可计算性；涌现性。 钱学森钱学森认为认为“复杂性复杂性”寓于系统之中，是寓于系统之中，是系系统复杂性统复杂性，其具有以下，其具有以下4 4个特征个特征：系统的子系统间有各种方式的通讯；系统的子系统间有各

8、种方式的通讯；子系统的种类多，各有其定性模型；子系统的种类多，各有其定性模型；各子系统的知识表达不同，以各种方式获取各子系统的知识表达不同，以各种方式获取知识；知识；系统中子系统的结构随着系统演变会变化，系统中子系统的结构随着系统演变会变化，所以系统的结构是不断改变的。所以系统的结构是不断改变的。 什么是复杂系统？什么是复杂系统？具有复杂性特征的系统。具有复杂性特征的系统。 钱学森把子系统众多并有层次结构、子系统钱学森把子系统众多并有层次结构、子系统之间关系复杂、并且与环境连通的系统命名为之间关系复杂、并且与环境连通的系统命名为开放的复杂巨系统开放的复杂巨系统。 显然，由战场电磁博弈系统和无线

9、电波信号显然，由战场电磁博弈系统和无线电波信号组成的组成的复杂电磁环境是开放的复杂巨系统复杂电磁环境是开放的复杂巨系统，其，其复杂性主要体现在系统规模、层次结构、子系复杂性主要体现在系统规模、层次结构、子系统的自适应能力、开放性和不确定性等方面。统的自适应能力、开放性和不确定性等方面。 源于源于系统规模的复杂性系统规模的复杂性 复杂电磁环境是由成百上千的各种类型的电复杂电磁环境是由成百上千的各种类型的电子信息系统、电子设备、武器装备、战场地理子信息系统、电子设备、武器装备、战场地理环境、无源干扰设备等共同作用而形成的。因环境、无源干扰设备等共同作用而形成的。因此其具有源于系统规模的复杂性。表现

10、在电磁此其具有源于系统规模的复杂性。表现在电磁信号上，就是在时域、频域、空域、能域、调信号上，就是在时域、频域、空域、能域、调制域和极化域上分布密集、数量繁多、样式复制域和极化域上分布密集、数量繁多、样式复杂、动态交替。杂、动态交替。 源于源于层次结构的复杂性层次结构的复杂性 现代战争中，敌我双方都具有各自的指挥体现代战争中，敌我双方都具有各自的指挥体系结构，所有构成复杂电磁环境的子系统或子系结构，所有构成复杂电磁环境的子系统或子系统的组合（体系）都按照一定的作战意图组系统的组合（体系）都按照一定的作战意图组成特定的等级层次结构；另一方面，在战争进成特定的等级层次结构；另一方面，在战争进程中这

11、种等级层次结构是不断变化的。因此系程中这种等级层次结构是不断变化的。因此系统具有源于等级层次结构的复杂性。统具有源于等级层次结构的复杂性。 源于源于功能种类的复杂性功能种类的复杂性 现代战争中的用频装备种类繁多，如雷达、现代战争中的用频装备种类繁多，如雷达、通信、导航、敌我识别、干扰、侦察等，各类通信、导航、敌我识别、干扰、侦察等，各类装备所实现的功能也多种多样，如压制干扰、装备所实现的功能也多种多样，如压制干扰、欺骗干扰，这些用频装备对信号的利用机理不欺骗干扰，这些用频装备对信号的利用机理不同，无线电波信号对装备的作用机理也不同，同，无线电波信号对装备的作用机理也不同，各功能展现的指标也不同

12、。各功能展现的指标也不同。 源于不确定性的复杂性源于不确定性的复杂性 复杂电磁环境是瞬息万变的，战争迷雾永远复杂电磁环境是瞬息万变的，战争迷雾永远存在。复杂电磁环境与敌我双方用频装备的分存在。复杂电磁环境与敌我双方用频装备的分布情况、战场态势、各子系统的主观能动性能布情况、战场态势、各子系统的主观能动性能力、自然环境的变化等各种因素相关，是一个力、自然环境的变化等各种因素相关，是一个非线性的动态随机变化过程，因此存在着源于非线性的动态随机变化过程，因此存在着源于不确定性因素的复杂性。不确定性因素的复杂性。 源于适应性的复杂性源于适应性的复杂性 战场上的子系统都是由人来直接或间接指挥、战场上的子

13、系统都是由人来直接或间接指挥、控制和操纵的。在作战过程中，敌我双方各子控制和操纵的。在作战过程中，敌我双方各子系统或子系统的组合相互激发、相互回应，具系统或子系统的组合相互激发、相互回应，具有一定的自主调节和适应能力。如雷达受到干有一定的自主调节和适应能力。如雷达受到干扰后采取抗干扰措施、变频干扰机随着跟踪频扰后采取抗干扰措施、变频干扰机随着跟踪频率变化而变化、采用认知无线电技术的通信装率变化而变化、采用认知无线电技术的通信装备自动选择可用的频段、信号样式甚至组网方备自动选择可用的频段、信号样式甚至组网方式等。式等。 源于开放性的复杂性源于开放性的复杂性 复杂电磁环境的开放性使其与外界环境发生

14、复杂电磁环境的开放性使其与外界环境发生频繁的关系。这些交互既包括大气、地形、地频繁的关系。这些交互既包括大气、地形、地貌、海面、电离层等对电波传播的影响，太空、貌、海面、电离层等对电波传播的影响，太空、大气层、陆地和海洋等机动载体活动环境对电大气层、陆地和海洋等机动载体活动环境对电子信息系统性能的影响，也包括自然电磁信号子信息系统性能的影响，也包括自然电磁信号的加入，以及释放箔条、核爆炸等对电波传播的加入，以及释放箔条、核爆炸等对电波传播环境的人为改变。环境的人为改变。19 基于复杂性理论的复杂电磁环境研究主要基于复杂性理论的复杂电磁环境研究主要包含以下研究内容：包含以下研究内容： 复杂电磁环

15、境的复杂度度量方法复杂电磁环境的复杂度度量方法 复杂电磁环境的动力学演化特性分析复杂电磁环境的动力学演化特性分析 复杂电磁环境的关键环节分析与识别复杂电磁环境的关键环节分析与识别 复杂电磁环境的动态模拟方法复杂电磁环境的动态模拟方法 复杂电磁环境的控制与反控制复杂电磁环境的控制与反控制 20关联指数：关联指数：表征当前情况下系统因素间相互作用关表征当前情况下系统因素间相互作用关系的标量。系的标量。“系统关联指数越大，复杂度越高系统关联指数越大，复杂度越高”个体关联指数：个体关联指数：用来表征某节点所面临的复杂度。用来表征某节点所面临的复杂度。ABACADpppAABACADABA AB BC

16、CD DE EEAADACABpADpACp关联关系关联关系 是指系统中其他是指系统中其他用频设备（节点）在频域、时用频设备（节点）在频域、时域、空域、能域、极化域、调域、空域、能域、极化域、调制域（码域）等内对节点制域（码域）等内对节点A A的的作用关系，主要包括通联关系、作用关系，主要包括通联关系、干扰关系、互扰关系等。可依干扰关系、互扰关系等。可依对复杂度的贡献取对复杂度的贡献取0/0.5/10/0.5/1等。等。A*触发概率触发概率 是指该关联关系是指该关联关系发生的概率，可通过对某具体发生的概率，可通过对某具体装备与电磁环境的相关性分析装备与电磁环境的相关性分析中来求解，而对具体装备

17、电磁中来求解，而对具体装备电磁环境相关性的辅助数据可通过环境相关性的辅助数据可通过历史试验数据和预测计算来得历史试验数据和预测计算来得到。到。*Ap2111()Nii=Ns系统关联指数：系统关联指数：用来表征整个电磁环境的复杂度。用来表征整个电磁环境的复杂度。当加入复杂电磁环境的动态变化特征时，可用当加入复杂电磁环境的动态变化特征时，可用平均平均关联指数关联指数，即在时间上的统计平均值来度量。，即在时间上的统计平均值来度量。平均个体关联指数：平均个体关联指数：*Disitt=vp*Dssstt=vp平均系统关联指数：平均系统关联指数：场景数场景数v vs s是指复杂电是指复杂电磁环境在单位时间内磁环境在单位时间内的可区分场景数，也的可区分场景数，也即动态变化率。即动态变化率。 22 基于基于多多AgentAgent方法方法对复杂电磁环境（主要是战场电磁博弈对复杂电磁环境（主要是战场电磁博弈系统部分系统部分) )进行建模，进行建模，按照实际场景建立各组分的网络结构，按照实际场景建立各组分的网络结构，设定组分的行为规则设定组分的行为规则，然后运用，然后运用NetLogoNetLogo仿真平台进行仿真，仿真平台进行仿真，剖析复杂电磁环境的生成机理、演变规律等动力学特性。剖析复杂电磁环境的生成机理、演变规律等动力学特性。区域防空电子对抗场景区域防空电子对抗场景及其及其网络结构图网络结构图