基于云架構(gòu)的軍事信息系統(tǒng)概念及機(jī)理研究

李 丹，黃照祥，盧建春

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041; 2. 94647部隊，350026)

基于云架構(gòu)的軍事信息系統(tǒng)概念及機(jī)理研究

李 丹1，黃照祥1，盧建春2

(1.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041; 2. 94647部隊，350026)

軍事信息系統(tǒng)作為信息化戰(zhàn)爭條件下的戰(zhàn)場“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，是構(gòu)建我軍聯(lián)合作戰(zhàn)力量體系的核心和紐帶。本文探索了未來軍事信息系統(tǒng)內(nèi)涵外延在網(wǎng)絡(luò)、信息、智能等方面的增強(qiáng)和拓展，從技術(shù)結(jié)構(gòu)和部署形態(tài)兩方面設(shè)計基于云計算的軍事信息系統(tǒng)體系架構(gòu)，重點闡述了資源管控、信息和服務(wù)及其部署節(jié)點，并初步研究了以信息流動和信息交互為核心的系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理，以期為未來軍事信息系統(tǒng)的頂層設(shè)計研究工作提供參考。

軍事信息系統(tǒng)；云架構(gòu)；運(yùn)行機(jī)理

0 引 言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、CPS、人工智能等新一代信息技術(shù)發(fā)展，智慧城市、工業(yè)4.0等理念被不斷提出并落地實踐，民用信息系統(tǒng)已經(jīng)率先朝網(wǎng)絡(luò)化、智能化、體系化方向演進(jìn)。在軍事領(lǐng)域，無人作戰(zhàn)、智能作戰(zhàn)等新作戰(zhàn)理念出現(xiàn)，更加促使軍事信息系統(tǒng)從“網(wǎng)絡(luò)中心”轉(zhuǎn)型，不斷向“數(shù)據(jù)中心”、“知識中心”演變，并要求形成彈性、敏捷的系統(tǒng)應(yīng)用模式，以期對各類行動需求做出更加快速、智能的響應(yīng)，在信息優(yōu)勢之上達(dá)到?jīng)Q策優(yōu)勢、行動優(yōu)勢。美軍從國防部、軍種多個層次都對云架構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)用，提出聯(lián)合信息環(huán)境(JIE)、作戰(zhàn)云、戰(zhàn)術(shù)薄云等概念，JIE通過整合全軍共用的數(shù)據(jù)、服務(wù)形成統(tǒng)一共享的運(yùn)行和使用環(huán)境，為敏捷系統(tǒng)構(gòu)建提供支撐，帶動C4ISR系統(tǒng)整體發(fā)展和體系化作戰(zhàn)能力的提升打造堅實的基礎(chǔ)平臺[1]；作戰(zhàn)云、戰(zhàn)術(shù)薄云則是美空軍、海軍在戰(zhàn)術(shù)層次的組織運(yùn)用構(gòu)想。本文以云計算為基礎(chǔ)，聚焦敏捷、適變的資源組織運(yùn)用與體系能力生成，從部署形態(tài)、技術(shù)結(jié)構(gòu)上提出我軍軍事信息系統(tǒng)的適應(yīng)性變革方向。

1 概念內(nèi)涵

軍事信息系統(tǒng)主要是利用綜合集成方法和技術(shù)，將情報偵察、指揮控制等多種功能系統(tǒng)整合為一體的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)。與傳統(tǒng)軍事信息系統(tǒng)相比，基于云計算的軍事信息系統(tǒng)的概念內(nèi)涵進(jìn)一步擴(kuò)展豐富，更加強(qiáng)調(diào)基于網(wǎng)絡(luò)動態(tài)聚能、面向任務(wù)柔性重組，以及在信息推動下向末端延伸(概念范圍如圖1)，重點體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)按需聚能的網(wǎng)絡(luò)能力

網(wǎng)絡(luò)是節(jié)點互連和信息互通的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)也更關(guān)注各平臺之間的相互聯(lián)系而非平臺本身，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)化是新時期軍事信息系統(tǒng)的必備特征[2]。未來，網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步從傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)向基礎(chǔ)資源網(wǎng)擴(kuò)展，并通過安全機(jī)制接入國家民用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，形成通信、計算、存儲、安全、導(dǎo)航定位授時等基礎(chǔ)資源一體化運(yùn)用的增值服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，具備用戶隨遇接入、資源入網(wǎng)聚合、安全抗毀重構(gòu)等一系列新型能力特征，為我軍軍事力量所需之處提供端到端的信息傳輸保障。

圖1 未來軍事信息系統(tǒng)概念范疇

(2)深度透徹的信息能力

信息是作戰(zhàn)體系運(yùn)行的“血液”，在大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動下，未來軍事信息系統(tǒng)的信息能力將在傳統(tǒng)情報偵察監(jiān)視基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)信息的獲取、處理和運(yùn)用能力，支持信息向廣度、深度、精度方向的延伸和增值。

感知是信息獲取的來源，采用網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同探測及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，并發(fā)展太空、深海、遠(yuǎn)洋、網(wǎng)絡(luò)空間信息探測手段，實現(xiàn)感知范圍全球覆蓋和對象信息精確獲取。信息處理體現(xiàn)信息的深度和精度，利用信息融合、關(guān)聯(lián)分析、深度學(xué)習(xí)等手段，對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析、深度加工，形成具有潛在價值的增值產(chǎn)品，滿足各級用戶的多樣化信息需求，如通過對時敏目標(biāo)全時段的預(yù)警探測和定位跟蹤，實現(xiàn)精準(zhǔn)的目標(biāo)指示，或通過未來態(tài)勢預(yù)測判斷信息輔助制定優(yōu)化的作戰(zhàn)方案等。信息運(yùn)用以信息效用最大化為目標(biāo)，粘合偵控打評要素實現(xiàn)無縫聯(lián)接，通過信息同步實現(xiàn)敏捷控制協(xié)同行動，優(yōu)化作戰(zhàn)流程、加速作戰(zhàn)節(jié)奏、縮短作戰(zhàn)周期，實現(xiàn)信息力向戰(zhàn)斗力的轉(zhuǎn)變。

(3)柔性重組的集成能力

為支持敏捷的戰(zhàn)場資源快速響應(yīng)和優(yōu)化配置，基于云架構(gòu)的軍事信息系統(tǒng)支持按照作戰(zhàn)空間、信息流程、聯(lián)合規(guī)則實現(xiàn)要素的柔性重組，動態(tài)集成面向任務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)。集成方式從傳統(tǒng)“疊加改造式”的系統(tǒng)級綜合集成，向“功能融合式”的要素級動態(tài)集成轉(zhuǎn)變；集成架構(gòu)從業(yè)務(wù)流主導(dǎo)的相對固化的架構(gòu)，向信息流主導(dǎo)的柔性靈活的架構(gòu)演進(jìn)。這就要求將功能資源與作戰(zhàn)單元解耦，通過入網(wǎng)注冊、提供服務(wù)，在要素重組、功能融合實現(xiàn)資源的重新配置和服務(wù)化共享。

(4)知識驅(qū)動的智能能力

知識作為一種特殊的信息，是具有高附加值的、可用于解決問題的結(jié)構(gòu)化信息，主要特征包括隱蔽特征、情境特性、動態(tài)特征、生命特征、行動導(dǎo)向特征、結(jié)果導(dǎo)向特征等[3]。模型、認(rèn)知、經(jīng)驗、規(guī)則等都是屬于知識的范疇。未來軍事信息系統(tǒng)將更加注重在數(shù)據(jù)海洋驅(qū)動下形成跨領(lǐng)域的 “知識中心”，支持支持知識獲取、分類、運(yùn)用、更新和管理。針對特定的作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)和戰(zhàn)場情境，通過靈活運(yùn)用情報、指控、戰(zhàn)場環(huán)境等領(lǐng)域知識模型，構(gòu)建、調(diào)整、優(yōu)化作戰(zhàn)應(yīng)用與活動流程，并支持知識廣泛嵌入各類實體，支持個體、群體具備“情境感知、辨析判斷，自主學(xué)習(xí)”等智能能力，從而形成更加智能的感知、決策、打擊、保障等能力。

基于上述能力，未來軍事信息系統(tǒng)支持建立高度靈活的作戰(zhàn)組織運(yùn)用模式，面向不同作戰(zhàn)任務(wù)需求及實時戰(zhàn)場情境，作戰(zhàn)任務(wù)相關(guān)的戰(zhàn)場資源和作戰(zhàn)節(jié)點能夠以網(wǎng)絡(luò)為中心自組織，通過將信息流程、作戰(zhàn)流程、業(yè)務(wù)流程緊密結(jié)合，實現(xiàn)通信、計算、存儲、安全等基礎(chǔ)功能及情報、指控、保障等業(yè)務(wù)功能的按需聚合與智能協(xié)同，形成根據(jù)實際情況不斷學(xué)習(xí)的作戰(zhàn)環(huán)路，支持作戰(zhàn)要素與作戰(zhàn)單元根據(jù)當(dāng)前任務(wù)上下文靈活調(diào)整行動，推動作戰(zhàn)組織運(yùn)用模式由集中式控制向分散式增強(qiáng)型智能控制轉(zhuǎn)變，支撐作戰(zhàn)部隊高效遂行陸?？仗旒熬W(wǎng)電空間各類作戰(zhàn)任務(wù)。

2 體系架構(gòu)

2.1 技術(shù)結(jié)構(gòu)

借鑒云計算IasS、PaaS、SaaS架構(gòu)理念及其在智慧城市中的應(yīng)用[4]，考慮到未來軍事系統(tǒng)的開放性與敏捷性，以“功能解耦、邏輯分層”為原則，設(shè)計的未來軍事信息系統(tǒng)技術(shù)分層結(jié)構(gòu)如圖2，在邏輯上由基礎(chǔ)資源(網(wǎng))、共享服務(wù)(云)、端應(yīng)用(端)三層組成，支持根據(jù)作戰(zhàn)需求從不同層次中選取功能服務(wù)，柔性組合構(gòu)建系統(tǒng)。

圖2 未來軍事信息系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)想

(1)基礎(chǔ)資源層

借鑒美軍GIG技術(shù)架構(gòu)思想[5]，基礎(chǔ)資源層包括基礎(chǔ)設(shè)施、資源提取與控制兩部分。考慮到物理設(shè)施在基礎(chǔ)功能多元化、一體化發(fā)展趨勢，提出“資源節(jié)點”概念，即聚合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、安全甚至綜合管理(如網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控)、時空基準(zhǔn)(如定位導(dǎo)航)等基礎(chǔ)設(shè)施功能為一體的物理節(jié)點?；A(chǔ)資源層在物理形態(tài)上由一個個資源節(jié)點構(gòu)成，也包含具備單一功能的基礎(chǔ)設(shè)施。資源提取與控制對文獻(xiàn)[4]和[5]中提到的管控對象進(jìn)行了擴(kuò)充，一方面實現(xiàn)對物理基礎(chǔ)設(shè)施資源的虛擬化管理和資源控制管理，另一方面考慮到裝備入網(wǎng)、統(tǒng)一管控的問題，面向全軍裝備資源(傳感器、武器平臺、單兵終端等)形成包括名稱、型號、參數(shù)、功能、位置等信息的能力目錄表，支持上層應(yīng)用面向任務(wù)進(jìn)行裝備調(diào)配、部署與控制。

(2)共享服務(wù)層

由面向用戶、功能解耦的服務(wù)體系(基礎(chǔ)服務(wù)、智能服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù))、信息資源及云平臺組成。

云平臺主要提供服務(wù)及信息資源的注冊、發(fā)布、管理、授權(quán)等功能，同時提供服務(wù)部署、服務(wù)聚類與發(fā)現(xiàn)、服務(wù)組合編排、門戶界面編排等功能，并為上層應(yīng)用快速集成部署提供應(yīng)用集成軟件及部署環(huán)境。

信息資源主要保證數(shù)據(jù)/知識的連通性、一致性和可用性，由數(shù)據(jù)資源、知識資源、軟件資源等組成。知識資源包括裝備類、環(huán)境類、保障類、決策類、行動類、部署類等領(lǐng)域的知識規(guī)則、模型等，支撐智能業(yè)務(wù)分析與理解；同時還提供各類可安裝、部署、運(yùn)行的軟件程序資源，包括衛(wèi)星云圖軟件、頻譜計算軟件等。

服務(wù)體系中，資源服務(wù)基礎(chǔ)資源及信息資源服務(wù)。智能服務(wù)主要是基于認(rèn)知理解、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，進(jìn)行服務(wù)智能增值，如提供基于知識圖譜進(jìn)行自主路由轉(zhuǎn)發(fā)的知識路由服務(wù)，支持深度學(xué)習(xí)的類腦計算服務(wù)，基于心智模型、行為模型等的認(rèn)知管理服務(wù)，以及虛擬現(xiàn)實、腦機(jī)融合[6]等新型用戶服務(wù)；業(yè)務(wù)服務(wù)主要提供情報偵察監(jiān)視、態(tài)勢生成、作戰(zhàn)籌劃、方案推演、武器控制、作戰(zhàn)評估、物流保障等我軍業(yè)務(wù)活動所需功能。

(3)端應(yīng)用層

主要包括各類傳感器、終端、武器平臺、指揮所等應(yīng)用端系統(tǒng)，各類端系統(tǒng)具備應(yīng)用集成框架和服務(wù)插件、本地應(yīng)用，各類端在前出執(zhí)行任務(wù)時通過服務(wù)編排、界面編排、信息同步、服務(wù)包加載等方式，動態(tài)集成各類應(yīng)用系統(tǒng)，并通過運(yùn)用知識、智能服務(wù)，支持形成自主信息關(guān)聯(lián)、情報精準(zhǔn)分發(fā)、態(tài)勢生成預(yù)測等信息支援能力，任務(wù)快速分析、預(yù)案優(yōu)選推演等智能決策支持能力，無人化、可臨機(jī)調(diào)整行為、協(xié)同打擊的武器控制能力，以及基于物聯(lián)網(wǎng)的一體化采購、運(yùn)輸、部署分發(fā)、工程維護(hù)等后勤保障能力。

2.2 部署形態(tài)

基于云架構(gòu)的軍事信息系統(tǒng)是一個依托泛在網(wǎng)絡(luò)連接了眾多節(jié)點的分布式系統(tǒng)，按照“網(wǎng)-云-端”技術(shù)結(jié)構(gòu)，結(jié)合作戰(zhàn)應(yīng)用，各服務(wù)功能、信息資源分布式部署于陸、海、空、天各作戰(zhàn)節(jié)點或系統(tǒng)節(jié)點(如各級服務(wù)中心、機(jī)動服務(wù)單元、傳感器、武器平臺、單兵等)，形成以“網(wǎng)”為基礎(chǔ)、以“云”為核心、柔性集成向端賦能的作戰(zhàn)體系，典型的系統(tǒng)部署形態(tài)如圖3所示。

圖3 未來軍事信息系統(tǒng)部署形態(tài)構(gòu)想

其中，固定服務(wù)中心采用集中式計算存儲設(shè)備，主要部署元數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、共用知識等信息資源以及基礎(chǔ)服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)、智能服務(wù)軟件等，并通過云平臺為傳感器、指揮所、武器平臺、單兵等節(jié)點提供基礎(chǔ)資源保障及全面的服務(wù)能力?？紤]到移動指揮所、指揮艦、預(yù)警機(jī)等機(jī)動單元的計算存儲能力及服務(wù)應(yīng)用需求，部署與作戰(zhàn)相關(guān)的部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、知識模型和服務(wù)客戶端軟件，支持通過固定云獲取資源并通過輕量級云平臺服務(wù)與本地應(yīng)用軟件集成，面向作戰(zhàn)應(yīng)用提供信息保障及服務(wù)共享能力。傳感器、武器平臺等通常采用嵌入式計算模塊或桌面計算存儲設(shè)備，部署作戰(zhàn)應(yīng)用所需的基礎(chǔ)服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)客戶端軟件(插件)及專業(yè)應(yīng)用軟件，以及作戰(zhàn)所需的數(shù)據(jù)、知識等，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令進(jìn)行偵察、打擊等行動，形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并上傳到云上，實現(xiàn)信息、服務(wù)能力向武器裝備的延伸；單兵終端(如移動終端、穿戴式智能終端等)可通過接入云下載所需服務(wù)的客戶端軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或業(yè)務(wù)活動。

在這種模式下，未來軍事信息系統(tǒng)的用戶將不局限于作戰(zhàn)機(jī)構(gòu)或相關(guān)人員，也包括了作戰(zhàn)體系中的傳感器、有人/無人武器平臺等。決策人員、作戰(zhàn)人員、保障人員及傳感器、有人/無人武器裝備在統(tǒng)一的認(rèn)證機(jī)制下，通過人-機(jī)接口(即各級各類實體應(yīng)用系統(tǒng)、終端)、物-機(jī)接口安全接入，作為資源提供者共享本地服務(wù)化功能或數(shù)據(jù)，作為資源使用者按權(quán)限獲取作戰(zhàn)任務(wù)/日?；顒铀璧墓δ芎托畔⒎?wù)，通過交互、融合、利用實現(xiàn)更加智能的協(xié)同應(yīng)用。

3 運(yùn)行機(jī)理

基于云架構(gòu)的軍事信息系統(tǒng)依據(jù)作戰(zhàn)活動的內(nèi)在規(guī)律和對信息支撐保障的需求，合理配置信息資源，通過信息流動過程中的不斷反饋交互，優(yōu)化作戰(zhàn)流程、驅(qū)動作戰(zhàn)環(huán)路高效運(yùn)行，實現(xiàn)作戰(zhàn)人員-信息系統(tǒng)-戰(zhàn)場資源深度融合，達(dá)到制勝目標(biāo)，借鑒CPS中的要素互動理念[7]，其信息流動機(jī)理如圖4所示。

圖4 未來軍事信息系統(tǒng)的信息流動機(jī)理

面向具體的任務(wù)上下文，多手段傳感器平臺對作戰(zhàn)空間進(jìn)行持續(xù)、實時的信息采集并上傳至服務(wù)中心。系統(tǒng)對多源多品類數(shù)據(jù)(如探測信號、偵察數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合和分析，形成情報產(chǎn)品、態(tài)勢信息等，按需推送給相關(guān)用戶；同時，信息進(jìn)一步深度加工，形成知識，并與決策經(jīng)驗、心智模型等認(rèn)知數(shù)據(jù)相結(jié)合[8]，共同輔助決策人員基于對實時戰(zhàn)場態(tài)勢的深度理解制定和優(yōu)化作戰(zhàn)方案，形成決策，并通過各種終端(如電腦、手機(jī)甚至智能可穿戴設(shè)備等)將決策意圖轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)節(jié)點和各類應(yīng)用系統(tǒng)的行動指令，對感知、控制和執(zhí)行的回路進(jìn)行干預(yù)，實現(xiàn)更加智能的決策。另一方面，多源信息融合、關(guān)聯(lián)、推理產(chǎn)生的知識被賦予無人平臺，支持其具備復(fù)雜多變戰(zhàn)場環(huán)境下的自主決策、臨機(jī)行為調(diào)整等個體智能能力，大大減少人的參與，提高行動效率；在此基礎(chǔ)上，作戰(zhàn)節(jié)點和各類應(yīng)用系統(tǒng)形成分布式群體智能，支持作戰(zhàn)人員、信息系統(tǒng)、武器平臺三者之間的知識互通與運(yùn)用。在整個偵控打評的作戰(zhàn)回路過程中，信息與知識不斷通過學(xué)習(xí)反饋更新，調(diào)整物理作戰(zhàn)行為與邏輯控制行為，支持實現(xiàn)整體作戰(zhàn)效能的優(yōu)化。

4 結(jié) 語

本文從網(wǎng)絡(luò)、信息、集成、知識等方面，提出了基于云計算的軍事信息系統(tǒng)在內(nèi)涵外延上的擴(kuò)展，面向敏捷適變的系統(tǒng)組織運(yùn)用要求，設(shè)計了包括基礎(chǔ)資源層、共享服務(wù)層、端應(yīng)用層的系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)，以及面向固定云和機(jī)動云的物理部署形態(tài)，并初步研究了信息流動下的核心運(yùn)行機(jī)理。研究工作將在系統(tǒng)頂層設(shè)計方面繼續(xù)深化，以期探索我軍信息系統(tǒng)發(fā)展方向。

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Research on the Concept and Mechanism of Military Information System Based on Cloud Computing Architecture

LI Dan, HUANG Zhao-xiang, LU Jian-chun

(1. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China; 2. 94647 PLA troops, 350026)

As the so-called neural network in the context of information warfare, the military information system is the core and bond of building the joint operation forces system. The paper explores the intension and extension of future military information system from the capability of network, information and intelligence, proposes a conceive of future military information system from both the technical and deployment structure, gives the description of resources control, information and services, researches system operating mechanism under flowing information, to providing references for the future top-level design work.

Military Information System; Cloud Computing Architecture; Mechanism

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.007

2017-05-01

2017-07-01

“十三五”共性技術(shù)類裝備預(yù)先研究項目

李 丹(1986—)，女，甘肅人，工程師，博士，主要研究方向為信息系統(tǒng)總體設(shè)計；

E-mail:lidanbupt@163.com

黃照祥(1976—)，男，云南人，高級工程師，博士，主要研究方向為信息系統(tǒng)總體設(shè)計;

盧建春(1983—)，助理工程師，福建人，主要研究方向為自動化技術(shù)。

TP202;E11

A

1673-5692(2017)04-365-06