若干新技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈發(fā)展中的應(yīng)用分析

田萬勇，袁永瓊

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所電子信息網(wǎng)絡(luò)實驗室，西安 710068）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，以體系對抗能力為核心的“信息中心戰(zhàn)”成為主導(dǎo)，作戰(zhàn)優(yōu)勢取決于基于信息網(wǎng)絡(luò)的各種作戰(zhàn)資源的高效聚合，信息控制力成為決定戰(zhàn)爭勝敗的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代信息技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)理念相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)化、自動化信息系統(tǒng)。作為“信息中心戰(zhàn)”的核心基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍崿F(xiàn)信息控制力的紐帶。但現(xiàn)有各種數(shù)據(jù)鏈未能實現(xiàn)一體化設(shè)計與管理，鏈間互聯(lián)互通互操作能力有限，難以有效管控所有作戰(zhàn)要素，尤其是情報偵察信息的實時處理與戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力亟待提升。復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠通信、網(wǎng)絡(luò)管理及生存能力有限，自動化、智能化水平與聯(lián)合作戰(zhàn)對信息系統(tǒng)的需求尚存較大差距。針對數(shù)據(jù)鏈技術(shù)發(fā)展中遇到的問題，國外已開展相關(guān)的研究工作。2014年初，DARPA相繼發(fā)布兩項顛覆性的技術(shù)研究計劃：分布式作戰(zhàn)管理（DBM）和對抗環(huán)境中的通信（C2E），旨在解決復(fù)雜電磁環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的分布式自適應(yīng)規(guī)劃與管理、大量作戰(zhàn)資源的智能化管理與控制、情報數(shù)據(jù)處理與實時戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用以及可靠通信等問題。此外，現(xiàn)有的許多先進(jìn)民用技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、圖片文字化表征等，都可能極大提升數(shù)據(jù)鏈性能，促進(jìn)數(shù)據(jù)鏈的跨越式發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)特征分析

1.1 數(shù)據(jù)鏈特征

數(shù)據(jù)鏈的重要特點是實現(xiàn)將傳統(tǒng)的傳感器單元、指揮控制單元和武器平臺之間的縱向貫通變革為傳感器單元、指控單元和武器平臺之間的橫向組網(wǎng)，并將各戰(zhàn)術(shù)單元融入網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)術(shù)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)各戰(zhàn)術(shù)單元間的戰(zhàn)術(shù)信息共享。數(shù)據(jù)鏈具備以下典型特征：

·實時性：對各類資源進(jìn)行智能化管控，并對信息進(jìn)行分布式實時處理，保證信息交互時效性；

·準(zhǔn)確性：能夠提供準(zhǔn)確的時空信息，以滿足指揮控制及活力控制的需求；

·可靠性：采用綜合抗干擾措施，確保復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)信息的可靠傳輸；

·格式化：將大量原始數(shù)據(jù)經(jīng)消息協(xié)議格式化處理，確保信息可自動識別處理；

·安全性：數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)一般采用數(shù)據(jù)加密手段，確保信息傳輸安全可靠。

圖1分析了數(shù)據(jù)鏈與智能化網(wǎng)絡(luò)資源管理、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的相似點。將這些新技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈，可能會大幅提升數(shù)據(jù)鏈技術(shù)水平。

圖1 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與若干新技術(shù)的相似點

1.2 國外相關(guān)項目分析

從20世紀(jì)50年代開始，美國就著手?jǐn)?shù)據(jù)鏈的研究。經(jīng)過幾十年發(fā)展和建設(shè)，已形成較為完善的數(shù)據(jù)鏈體系。在美軍參與的歷次戰(zhàn)爭中，數(shù)據(jù)鏈極大地提升了作戰(zhàn)平臺的能力，但也暴露出一些亟待解決的問題，主要表現(xiàn)在以下方面：

·復(fù)雜環(huán)境下可靠通信有待提升

·情報信息的實時處理能力不足

·各類作戰(zhàn)要素覆蓋完備性不足

·數(shù)據(jù)鏈間互操作水平需要提升

·作戰(zhàn)要素管控智能化水平不足

針對以上不足，美軍于2014年初相繼開展兩項計劃：分布式作戰(zhàn)管理（DBM）和對抗環(huán)境中的通信（C2E）。

（1）分布式作戰(zhàn)管理（DBM）

在過去幾十年中，美軍在歷次戰(zhàn)爭中面對的主要是非對稱戰(zhàn)爭環(huán)境。在這種情況下，通過衛(wèi)星通信或者戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，將廣域范圍內(nèi)的作戰(zhàn)管理指揮控制平臺和武器平臺聯(lián)系起來，依賴可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，利用人工處理方式協(xié)調(diào)指揮平臺、傳感器平臺和武器平臺，實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)協(xié)同和作戰(zhàn)管理。但未來美軍將面臨更多的對稱戰(zhàn)爭，一是參與的作戰(zhàn)平臺種類和數(shù)量越來越多，作戰(zhàn)功能系統(tǒng)越來越復(fù)雜，人工處理方式已無法有效完成作戰(zhàn)管理；二是電磁對抗越來越強(qiáng)烈，通信網(wǎng)絡(luò)可靠性下降，作戰(zhàn)單元間交互的信息不再完整、可靠，決策單元很難獲得全局信息導(dǎo)致集中式?jīng)Q策處理很難完成有效的作戰(zhàn)管理。

因此，美軍提出開發(fā)分布式、自動化、智能化的輔助決策方法，實現(xiàn)自適應(yīng)的作戰(zhàn)規(guī)劃、指揮控制、態(tài)勢理解，用于支撐對稱戰(zhàn)爭條件下的作戰(zhàn)管理。分布式作戰(zhàn)管理主要包含三個研究內(nèi)容：分布式自適應(yīng)規(guī)劃與控制、分布式態(tài)勢理解和人機(jī)集成。

（2）對抗環(huán)境中的通信（C2E）

DARPA預(yù)計傳感器系統(tǒng)、無人系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)武器系統(tǒng)將持續(xù)增長，并將驅(qū)動對更大、更泛在網(wǎng)絡(luò)的需求。同時，專家預(yù)測敵人反通信系統(tǒng)能力在不斷提高，敵方攔截、中斷以及利用美軍戰(zhàn)術(shù)通信的相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，對美空中優(yōu)勢和制空權(quán)形成強(qiáng)大威脅。為應(yīng)對這一威脅，美軍提高其數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)鏈路能力，該數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)聚焦于單個節(jié)點性能。然而，這些技術(shù)未能解決整個網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)泛在性所遇到的問題，因此，設(shè)立了C2E項目，旨在發(fā)展抗干擾通信和難探測通信技術(shù)，從而在面臨各種頻譜戰(zhàn)的威脅時，確保戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)功能不被破壞。

2 新技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用分析

未來“信息中心戰(zhàn)”對數(shù)據(jù)鏈的信息保障能力提出了更高的要求。針對現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈存在的問題與能力差距，需要利用新技術(shù)對其進(jìn)行改進(jìn)提升。本節(jié)主要討論可能應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈的幾項新技術(shù)，并對這些新技術(shù)的應(yīng)用做出分析。

2.1 智能化網(wǎng)絡(luò)資源管理與控制

未來戰(zhàn)爭是強(qiáng)對抗戰(zhàn)爭，電磁環(huán)境復(fù)雜多變，聯(lián)合交戰(zhàn)情況下作戰(zhàn)要素眾多，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，需對海量網(wǎng)絡(luò)信息資源實時調(diào)整，傳統(tǒng)集中式、人工操作的資源管理方式無法滿足聯(lián)合交戰(zhàn)下多平臺協(xié)同、多系統(tǒng)聯(lián)合使用的要求，急需發(fā)展智能化數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。

為獲取未來強(qiáng)敵對抗條件下體系作戰(zhàn)的優(yōu)勢，需要綜合組織與運(yùn)用多種數(shù)據(jù)鏈，其中涉及多種資源，如頻率資源、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒙酚少Y源以及各種傳感器信息資源等。這些資源將構(gòu)成一個巨大的決策空間，實時從龐大的資源空間中選擇出最優(yōu)的資源使用與配置方案是不現(xiàn)實的。分布式智能化資源規(guī)劃與控制技術(shù)結(jié)合專家系統(tǒng)和當(dāng)前可用信息，通過信息挖掘和運(yùn)籌規(guī)劃的方式消除資源決策空間各資源要素間的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜度雖高，但可控。通過分布式智能化資源規(guī)劃與控制技術(shù)可充分調(diào)配各節(jié)點不對等的網(wǎng)絡(luò)與信息資源，支撐作戰(zhàn)應(yīng)用。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是通過各種信息傳感設(shè)備，利用現(xiàn)代通信技術(shù)，把待識別物體與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)對物體的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的核心是實現(xiàn)物（包含人）之間的互連，從而能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間的信息交換和通信，實現(xiàn)了物理空間和信息空間的融合。傳感網(wǎng)可以看作是物聯(lián)網(wǎng)的末端延伸網(wǎng)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量隨意分布的、能耗及資源受限的傳感節(jié)點組成，它具有感知能力、計算能力和通信能力，通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作地實時采集和處理物理世界的大量信息，實現(xiàn)全面感知的功能。

未來戰(zhàn)爭中，參與的作戰(zhàn)平臺種類和數(shù)量越來越多，傳感器數(shù)量巨大，大量傳感器未能有效接入數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，且數(shù)據(jù)鏈不能高效地管控接入網(wǎng)絡(luò)的各類傳感器，導(dǎo)致傳感器獲得的有價值數(shù)據(jù)難以充分發(fā)揮作用。借鑒物聯(lián)網(wǎng)思想，將包含各類傳感器在內(nèi)的各類作戰(zhàn)要素組成可靠網(wǎng)絡(luò)，通過對各類網(wǎng)絡(luò)信息資源進(jìn)行分布式智能管理，依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)要求，實時決策當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源使用方式，對戰(zhàn)場空間中多種作戰(zhàn)資源統(tǒng)籌管理，大幅度提高復(fù)雜電磁環(huán)境下各節(jié)點對作戰(zhàn)空間態(tài)勢的感知能力、信息共享水平和協(xié)同能力。

2.3 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是指所涉及的資料量規(guī)模巨大到無法通過目前主流軟件工具，在合理時間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理、并整理的資訊。大數(shù)據(jù)包括復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式，囊括了結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的多樣性和海量性，決定了大數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。大數(shù)據(jù)處理需要滿足極高的時效性。數(shù)據(jù)量大意味著計算開銷大，數(shù)據(jù)多樣性意味著算法可擴(kuò)展性要強(qiáng)，二者制約了大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的時效性，大數(shù)據(jù)的實時處理給大數(shù)據(jù)技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。適用于大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)據(jù)挖掘、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分類/聚類、特征提取、數(shù)據(jù)融合、分布式數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等。

大數(shù)據(jù)的海量性、多樣性、非結(jié)構(gòu)化等特點，正是當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈，尤其是情報監(jiān)視偵察數(shù)據(jù)鏈面臨的問題，處理的時效性則是情報信息實現(xiàn)直接戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。圖2所示為大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈的過程。從海量非結(jié)構(gòu)化情報數(shù)據(jù)中分布式挖掘出可能的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取、分類/聚類、融合等處理，識別出目標(biāo)信息之后，再進(jìn)行分布式協(xié)同決策，最終獲得有價值的、能夠在有限帶寬資源的低時延戰(zhàn)術(shù)信息，為各類作戰(zhàn)平臺提供所需的情報信息。

2.4 圖片文字化表征

谷歌工程師利用類似語言翻譯的技術(shù)開發(fā)出了一個用于翻譯圖片主題的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)中的向量空間法提取圖片特征，自動產(chǎn)生能夠準(zhǔn)確描述圖片內(nèi)容的文字。具體做法是：使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)大量的（超過10萬）圖片的數(shù)據(jù)集合及其特征（標(biāo)題），通過特征對圖片的內(nèi)容進(jìn)行分類，進(jìn)而生成一組可以描述圖片的單詞，同時生成代表單詞之間關(guān)系的向量。這個向量和現(xiàn)有的翻譯算法結(jié)合起來即可生成圖片特征即標(biāo)題。圖3所示為利用該方法對某個圖片的識別過程與結(jié)果。

圖2 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈

圖3 圖片文字化表征技術(shù)的識別過程與結(jié)果

現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈的情報偵察信息處理能力與戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的需求尚存很大差距。利用該方法，可以直接對衛(wèi)星、無人機(jī)等情報偵察平臺獲得的大容量圖片進(jìn)行特征提取，再借助數(shù)據(jù)表征與編碼技術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)鏈消息，高效傳送至需要的作戰(zhàn)單元，既可以極大緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，又能滿足戰(zhàn)術(shù)信息的時效性需求，實現(xiàn)直接戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。

3 結(jié)束語

數(shù)據(jù)鏈將戰(zhàn)場空間中分散的作戰(zhàn)資源緊密交鏈，形成一種高效靈活的信息交換與時空統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，在要求的時間內(nèi)，以適當(dāng)?shù)姆绞剑褱?zhǔn)確的信息可靠傳送至需要的作戰(zhàn)單元，達(dá)到“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊”的決策優(yōu)勢和作戰(zhàn)優(yōu)勢。在未來強(qiáng)對抗條件下，作為一項涉及多個學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈需要利用各種先進(jìn)技術(shù)，以提升未來復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的信息保障能力。

[1]DBM:DARPA-BAA-14-17,http://www.fbo.gov,2014.

[2]C2E:https://safe.sysplan.com/confsys/c2e/,2014.

[3]胡雄偉等.大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用綜述[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué),2013,(11).

[4]朱洪波等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2011,31(1).

[5]Oriol Vinyals etal.Show and Tell:A Neural Image Caption Generator[J].Computer Vision and Pattern Recognition,2014.