軍事分析仿真評估系統(tǒng)海軍指揮控制模型設計?

趙鑫業(yè) 孫光明 王 棟

（1.海軍大連艦艇學院 大連 116018）（2.海軍航空工程學院 煙臺 264001）

軍事分析仿真評估系統(tǒng)海軍指揮控制模型設計?

趙鑫業(yè)1，2孫光明1王 棟2

（1.海軍大連艦艇學院 大連 116018）（2.海軍航空工程學院 煙臺 264001）

下一代的軍事仿真分析評估系統(tǒng)將仿真系統(tǒng)與實際指揮控制系統(tǒng)有機結合，為軍事復雜系統(tǒng)提供更準確的分析、預測與控制方法。如何建立真實、可信的海軍指揮控制（Controlamp;Command，C2）模型已成為當前軍事仿真分析評估系統(tǒng)設計的重要任務。海軍指揮控制建模的主要內容包括：建立指揮控制的任務空間，為指揮控制的研究和試驗提供理論基礎；設計指揮控制模型的功能，重點用來描述指揮節(jié)點的指揮控制行為和指揮控制的組織結構關系，以及指揮節(jié)點之間的信息交互；構建指揮控制模型知識庫，將決策支持系統(tǒng)和模糊專家系統(tǒng)相結合，使得系統(tǒng)輔助決策既能充分利用專家經驗，又能利用已有的數(shù)學模型，體現(xiàn)了定性與定量分析的特點。最后對軍事仿真分析評估系統(tǒng)的其他軍種指揮控制模型建模提出了建議。

指揮與控制；軍事仿真分析評估系統(tǒng)；海軍指揮控制模型；知識庫

1 引言

信息化作戰(zhàn)新時期，軍事分析仿真評估系統(tǒng)［1］需要完成的使命包括用于粗粒度模型作戰(zhàn)方案推演優(yōu)化，如探索性分析仿真；用于作戰(zhàn)計劃的檢驗、統(tǒng)計評估與分析；在線輔助決策支撐；軍事能力建設等。而軍事分析仿真評估系統(tǒng)的構建離不開各軍兵種的指揮控制模型。指揮控制（Controlamp;Command，C2）是軍隊作戰(zhàn)活動的關鍵環(huán)節(jié)，是促成軍隊戰(zhàn)斗力整體發(fā)揮的特殊組織領導活動。美國國防部對C2的定義是：“由一個在完成任務中被分配和賦予權力的指揮員行使的權力和決策。指揮和控制的職能是指揮員在完成使命中規(guī)劃、指導、協(xié)調、控制部隊和行動中，通過一系列人員、設備、通訊、設施和程序來實現(xiàn)［2］”。C2建模涉及人工智能、仿真技術、軍事科學以及作戰(zhàn)條令條例等領域，包括態(tài)勢評估、決策、學習、協(xié)同等智能行為的建模，屬于計算機生成兵力中行為建模的一個重要應用領域。本文對海軍C2模型進行了概要的設計，對軍事分析仿真評估系統(tǒng)的模型構建進行了初步的探討。下面首先討論一下海軍C2模型任務空間。

2 海軍C2模型任務空間

指揮控制任務是指指揮員為實現(xiàn)上級或決策機構的意圖，在其職權范圍內，借助偵察、通信、信息處理等手段，對其作戰(zhàn)要素實施制訂計劃、指導、協(xié)調和控制的工作［3～4］。在戰(zhàn)區(qū)聯(lián)合戰(zhàn)役中，海軍的基本任務是控制海洋、近岸作戰(zhàn)、兵力投送和海上運輸?！翱刂坪Ｑ蟆笔亲罨镜娜蝿?，是“兵力投送”的先決條件，除了以強大艦隊在遠洋與敵主力艦隊決戰(zhàn)，奪取和保持制海權外，還包括奪取和保持對敵國沿海海域的控制權，以有效地支援海軍部隊的近岸和對岸作戰(zhàn)。兵力投送除運送其他軍種的部隊和裝備外，還指投送航母戰(zhàn)斗群、兩棲作戰(zhàn)部隊（包括海軍陸戰(zhàn)遠征部隊）和其他水面艦艇部隊來直接影響陸上部隊的作戰(zhàn)進程?！昂Ｉ线\輸”是指通過海上運輸線源源不斷地向戰(zhàn)區(qū)輸送最初部署的或之后增援的部隊、裝備和物資，支援戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)或完成兵力投送任務。

海軍C2的效果由系統(tǒng)任務空間根據(jù)合成作戰(zhàn)指揮員的設想和有關分配海軍任務力量單元給聯(lián)合特遣部隊進行作戰(zhàn)控制的指揮員的條令來定義。這個條令需要唯一的針對聯(lián)合特遣部隊機構的海軍合成（任務統(tǒng)籌）的指揮和控制過程。傳統(tǒng)上，地面和空中單元以結構化形式組成。海上單元基于分配任務和他們在海上戰(zhàn)場需要完成的任務來組成。基于任務目標分配，海上兵力是任務統(tǒng)籌的、被指揮和控制的。

在聯(lián)合作戰(zhàn)行動中，海軍指揮員根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)指揮部下達的作戰(zhàn)任務，C2模型被賦予的任務如下：1）兩棲作戰(zhàn)任務；2）對潛作戰(zhàn)任務；3）海空協(xié)同任務；4）水面作戰(zhàn)任務；5）打擊作戰(zhàn)任務；6）水雷作戰(zhàn)任務；7）后勤補給任務；8）海軍基地作戰(zhàn)行動；9）防空作戰(zhàn)任務；10）支援作戰(zhàn)任務（指揮、控制和通信、海洋監(jiān)視、海軍特種作戰(zhàn)、后勤、空間和電子戰(zhàn)）。

指揮控制和任務統(tǒng)籌海上力量，是在兩個不同的步驟中完成的［5］：1）提出C2結構，它將提供任務目標給不同功能的作戰(zhàn)實體以支持一個特定的海上作戰(zhàn)計劃；2）提供海軍艦艇的組織結構，也就是說如特定作戰(zhàn)計劃中所表示的“戰(zhàn)斗編隊”。一支海上力量，如一個作戰(zhàn)計劃中的典型分配的作戰(zhàn)兵力，將提供初始化的作戰(zhàn)戰(zhàn)場上的海軍兵力分配結構。

海軍C2模型任務空間任務分配包括：聯(lián)合機動編隊海上分部指揮員將創(chuàng)建的作戰(zhàn)任務分配給戰(zhàn)術指揮員和合同作戰(zhàn)指揮員（其中包含的子的功能是控制作戰(zhàn)任務在行動計劃、作戰(zhàn)概念中分配的手段），之后戰(zhàn)術司令部軍官或合同作戰(zhàn)指揮員將分配特定的作戰(zhàn)任務給下一級作戰(zhàn)指揮員和協(xié)調人員。

3 海軍C2模型功能

根據(jù)海軍C2模型任務空間進一步確定C2模型的功能［6］，具體包括：在聯(lián)合作戰(zhàn)行動中，海軍指揮員根據(jù)聯(lián)合作戰(zhàn)指揮部下達的作戰(zhàn)任務，依據(jù)戰(zhàn)斗條例和所轄艦船情況，組建執(zhí)行不同任務的特混編隊，使用兩棲部隊、艦載航空兵、艦載巡航導彈和海上預置船隊，實施防空戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、反艦戰(zhàn)、對岸打擊戰(zhàn)、兩棲戰(zhàn)和水雷戰(zhàn)，對陸上作戰(zhàn)提供有效的支援。

聯(lián)合機動編隊海軍C2模型具有艦長在線指揮和復合型作戰(zhàn)指揮的特點，接收聯(lián)合機動編隊C2模型發(fā)送的海上作戰(zhàn)任務命令，分配艦船，組建面向任務的特混編隊，制定具體的海上作戰(zhàn)計劃，并向下級指揮員分配特定任務（如果需要，可以協(xié)調下級作戰(zhàn)指揮員完成作戰(zhàn)任務）；響應來自聯(lián)合機動編隊指揮控制模型、聯(lián)合機動編隊陸軍指揮控制模型、聯(lián)合機動編隊空軍指揮控制模型的命令或請求；在聯(lián)合機動編隊指揮控制模型的統(tǒng)一下，協(xié)調其他軍種完成聯(lián)合作戰(zhàn)任務。

3.1 模型輸入輸出

海軍C2模型需要完成作戰(zhàn)想定編寫，制定并下達作戰(zhàn)計劃，協(xié)調、統(tǒng)一作戰(zhàn)部隊行動，其輸入輸出如下。

模型的輸入包括：1）制定的作戰(zhàn)區(qū)域；2）制定的艦船移動路徑；3）聯(lián)合作戰(zhàn)部發(fā)布的任務；4）下級指揮員的請求任務；5）空軍和陸軍的火力支援請求任務；6）聯(lián)合防空任務；7）聯(lián)合反導任務；8）聯(lián)合生化防御任務；9）陸?？章?lián)合登陸作戰(zhàn)任務。

模型的輸出包括：1）組建任務特混編隊；2）聲明封鎖∕開放某海區(qū)（作戰(zhàn)區(qū)域）；3）發(fā)布艦船移動命令；4）發(fā)布火力支援命令；5）發(fā)布聯(lián)合防控任務命令；6）發(fā)布聯(lián)合反導命令；7）發(fā)布聯(lián)合生化防御命令；8）設置命令優(yōu)先級；9）指引聯(lián)合登陸作戰(zhàn)。

3.2 模型處理流程

聯(lián)合機動編隊海軍C2模型接收聯(lián)合機動編隊指揮控制模型的命令、其它軍兵種的動態(tài)支援請求以及用戶設置的想定參數(shù)，根據(jù)所屬艦船的情況，動態(tài)的發(fā)布任務命令［7］，詳細指揮控制數(shù)據(jù)流向如圖1所示。海軍C2模型的核心是海軍命令建立、處理及命令傳遞模型，通過深入剖析海軍作戰(zhàn)行動，提取出所涉及的作戰(zhàn)行動要素，并以命令的形式表述，每一條命令代表了一種海軍軍事行動，通過命令的有機組合，可完成海軍的某一特定任務。

圖1 海軍C2模型處理過程

其中海軍命令處理C2模型可以按照作戰(zhàn)方面和上下級從屬關系進一步詳細劃分，如圖2所示。C2基類是一個為C2模型提供的抽象父類，命令處理C2基類繼承于C2基類，而海軍命令處理C2類又繼承于命令處理C2基類。海軍命令處理C2模型為模型之間提供了內部聯(lián)系：由海軍部隊司令和海軍任務評估群與海軍下級部隊司令（包括防空作戰(zhàn)司令、打擊戰(zhàn)司令、兩棲作戰(zhàn)司令、水面作戰(zhàn)司令、水下作戰(zhàn)司令、水雷戰(zhàn)司令和后勤協(xié)調戰(zhàn)司令）之間傳輸指控命令。

3.3 模型算法

海軍C2模型涉及的主要算法有：命令傳遞模型算法、命令發(fā)布∕接收規(guī)則、動態(tài)命令響應規(guī)則、命令優(yōu)先級排序算法、命令調用算法、命令觸發(fā)規(guī)則、具體行動過程算法等。命令由發(fā)送者發(fā)至接受者。發(fā)出者的命令參數(shù)包括：1）設置優(yōu)先級別；2）發(fā)布該命令所需要的所有的指導信息；3）時間；4）位置；5）取消命令。接收者的命令參數(shù)包括：1）決定如何完成命令；2）感知態(tài)勢，選擇合適的行動；3）命令完成后發(fā)出消息；4）完成；5）偏離時間。下面以威脅評估算法為例，進行詳細講述。

威脅評估算法的目的是使用數(shù)學方法評估某地域的威脅情況，為聯(lián)合司令部制定決策提供依據(jù)，尤其是在戰(zhàn)前階段，更加需要考慮威脅情況。該算法綜合評估敵方接近兵力及我方軍隊位置，得出威脅級別，聯(lián)合機動編隊指揮控制模型根據(jù)該結果快速做出兵力部署決策。

該算法包括兩個關鍵因素：戰(zhàn)斗能力和接近時間。依據(jù)武器模型的數(shù)量和類型，使用武器裝備自身的裝備標準單元（Standard Unit of Armament，SUA）參數(shù)，評估每個威脅單元具有的戰(zhàn)斗能力分值，得到該算法的第一個因素；算法的第二個因素與威脅單元的位置、接近速度和我方部隊的范圍相關，一般來講，威脅單元越接近給定地點，帶來的威脅越大，不同距離上的威脅是不一樣的，如圖3所示。在這個例子中，攻擊型直升機比炮兵的威脅大，因為其移動速度快；炮兵的威脅比裝甲兵的威脅大，因為他們使用了增程的武器模型。

圖2 海軍命令處理分類

圖3 距離∕速度威脅關心點示例圖

作戰(zhàn)單元所占據(jù)的范圍越大，潛在的威脅單元就會越多，對于聯(lián)合作戰(zhàn)指揮員來說，甚至任何可移動的敵軍單元都可以認為是威脅單元，因為只要給定足夠時間，他們就可以威脅某一區(qū)域。

威脅評估算法如下：

1）首先計算感知到的每個威脅單元的潛在威脅：

其中TPi為潛在威脅；SUAj為武器或者武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗能力值，由用戶設置；Nj為感知到的武器或者武器系統(tǒng)的數(shù)量；

2）然后計算威脅單元的威脅級別：其中ThreatLeveli為JEF判讀的對某友軍點的威脅級別；Di為威脅單元與我方某作戰(zhàn)單元點的距離；Vi為威脅單元的移動速度；Ti為威脅評估時間。

3）最后，考慮各個單元軟實力（soft factor）的影響，給出最終的威脅值。

其中Threatk為我方某作戰(zhàn)單元點的威脅級別；Ci為軟實力因素。

4 海軍C2模型知識庫

人的決策需要知識，建立指揮控制模型更需要有詳細的知識支撐，知識庫的完備性對指揮控制模型的運行速度和效率具有決定性的影響。國外多數(shù)具有指揮控制能力的模型多配備有相應的知識庫，知識庫中分類錄入了各種作戰(zhàn)條令條例、戰(zhàn)術原則、交戰(zhàn)規(guī)則以及經典戰(zhàn)例等，以供指揮控制模型調用，從而生成可信、可靠的決策規(guī)劃方案［8］。

知識庫（Knowledge Base，KB）是專家系統(tǒng)在戰(zhàn)役級作戰(zhàn)分析仿真系統(tǒng)中的應用，它向用戶提供決策邏輯［9～10］。一個知識庫可以配置給任何的具有C2功能并具有KB插件的模型。任何的特遣部隊司令官、組成部隊司令官、必須具有KB。仿真系統(tǒng)將知識庫處理方法與高層決策相結合，建立了一種方法解決了如何幫助用戶建立規(guī)則集及相應的輸入，是用戶能夠掌握更多的控制單元行為的能力。

每一個KB由三個基本元素構成：事實、規(guī)則、行動。事實描述用于做決定的情報。規(guī)則建立事實之間的關系，并評價事實之間的關系。行動是通過規(guī)則評估動態(tài)響應的結果。

4.1 事實

事實可以是數(shù)值型數(shù)據(jù)（例如質量、百分比、時間等），布爾型數(shù)據(jù)（出席∕缺席，計劃內∕計劃外，部隊準備好∕沒有準備好）或者是文本情報（明確的警報、戰(zhàn)前階段等）總之事實可以代表不同類型的情報：

1）決策。（轉換、資源事實）任何與If-Then-Else規(guī)則相關的事實都被認為是決策。例如計算階段、狀態(tài)、警報，即任何的可以與用戶定義的門限進行比較的實施事實。

2）查詢的結果。（友方和敵方的查詢）事實持續(xù)跟蹤某一地理區(qū)域內的敵軍和友軍兵力的情況，并將其建成目錄存儲。敵情通過查詢關于敵情的海軍戰(zhàn)術態(tài)勢自動獲取。

3）用戶輸入參數(shù)。（控制變量）用戶可以通過輸入數(shù)據(jù)產生事實，這些事實在仿真過程中保持不變，這些事實可以簡化KB的用法，并能夠追蹤潛在的邏輯。

4）仿真∕環(huán)境的狀態(tài)。這些事實是軍事分析仿真評估系統(tǒng)的參數(shù)集，用于反映仿真運行過程中的變化。在仿真運行過程中，它們隨內部事件而更新變化。

5）參考外部資源KB（參考事實）這些事實主要存在于下級KBs中，它們可以直接參考高級KB的情報。一旦高級KB被跟新，這些事實將隨即被更新。

6）計劃的事件。它們主要在用戶事先定義的時間將行動導入仿真系統(tǒng)：其必須在計劃的恰當?shù)臅r間被執(zhí)行，而不是依賴動態(tài)的KB去觸發(fā)。

4.2 規(guī)則

規(guī)則用于表示事實之間的相互邏輯關系并用于評價這些關系。在下面的例子中，一個事實與五條規(guī)則相關。第一條規(guī)則是幾個條件，如果這些條件都滿足了，將會把事實的值設置成“false”。否則，列表中的下一條規(guī)則將會被考慮。如果所有的規(guī)則都失敗了，最后一條規(guī)則將會返回一個缺省值，這個例子中缺省值是：“true”，如表1所示。

多重規(guī)則事實應該格式化成多個“If-Then”規(guī)則和一個最后的聲明。最后的聲明用戶選擇是一個“If-Then-Else”規(guī)則，一個靜態(tài)值（例如“ture”或者Default），或者使用事實本身轉換成事實存在值作為一個參考。“If-Then-Else”規(guī)則一旦被使用，一般都是放在最后，應該“Else”覆蓋了所有的條件，總結了所有的邏輯評估。

圖4 KB應用邏輯

4.3 行為

知識庫行為在仿真中負責設置事實值，發(fā)送命令以及激發(fā)有關的行為。不同的知識庫針對不同的決策有著不同的行為。所有的知識庫都有設置事實值的能力。根據(jù)系統(tǒng)中可以做出的不同決策類型，不同的KB有不同的可使用的行為。所有的KB都有能力設置事實的值。聯(lián)合機動編隊海軍分部指揮員是聯(lián)合特遣部隊的行為子集。

4.4 KB應用模式

KB采用即插即用的模式，可以適用于任何單元（Battle Simulated Entity，BSE）。但其中高層次的事實、規(guī)則和相關聯(lián)的行為并不是可以應用于所有的戰(zhàn)術火力。對于不是高層次的單元，重點在于強調根據(jù)戰(zhàn)術條令和戰(zhàn)術、技術、流程開發(fā)與其相關聯(lián)的事實、規(guī)則和行為，而不是戰(zhàn)區(qū)級的決策，如圖5所示。

圖5 知識庫應用實例

系統(tǒng)提供了圖形化用戶接口（GUI），用戶可以直觀的構建知識庫，并將它們分配給每一個單元或者單元組。每一個單獨的單元知識庫將成為相應的事實、規(guī)則及行動的結果。

5 結語

指揮控制模型的要旨是模擬指揮人員的思維過程，而單純的應用數(shù)學模型難以解決此問題。因此，國外逐步將人工智能技術引入指揮控制建模，例如基于規(guī)則的方法［11］，有限狀態(tài)機方法［12］，貝葉斯方法［13］等。近年來隨著Agent建模技術的日漸成熟，又將其適時地應用于指揮控制建模，以更好地描述指揮控制過程中的思維和決策行為。

針對海軍C2模型進行了分析和設計，目的是探討能夠有效支持軍事分析仿真評估系統(tǒng)互操作性的C2模型設計。初期的應用表明海軍C2模型的設計思路是成功而有效的，至少能夠用于多個軍事信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型設計。接下來將繼續(xù)研究該模型，并在考慮其他軍兵種特性的同時，將其成功經驗擴展到其他軍兵種上，同時試驗其在數(shù)據(jù)管理、交換方面的支持作用和對互操作性的影響。

［1］黃柯棣，趙鑫業(yè)，楊山亮，等.軍事分析仿真評估系統(tǒng)關鍵技術綜述［J］.系統(tǒng)仿真學報，2012，24（12）：2439-2447.

［2］Department of Defense．Dictionary of Military and Associated Terms［DB∕OL］.Joint Publication 1-02．http：∕www.dtic.rnil∕doctrine∕jel∕doddict∕data

［3］陳洪輝，陳濤，芮紅.基于IDEF3的指揮控制任務描述方法［J］.火力與指揮控制，2009，34（6）：24-27.

［4］Kong C，Yu L.Research on multi-resolution modeling of command and control simulation system based on components［C］∕IEEE International Conference on Computer Communication and the Internet.IEEE，2016：547-551.

［5］Madjid T，Trevisani D A，Kennedy D T.A Fuzzy Cyber-Risk Analysis Model for Assessing Attacks on the Availability and Integrity of the Military Command and Control Systems［J］.Japanese journal of human sciences of health-social services，2015，1（3）：21-36.

［6］Metz M L.Joint Warfare System（JWARS）Verification and Validation Lessons Learned［C］∕IEEE Computer Society，2000：855-858.

［7］Rothenhaus K J，Bonwit B，Galdorisi G，et al.Distributed Lethality，Command and Control Software Engineering，and Navy Laboratories［J］.Naval Engineers Journal，2016，128（2）：72-78.

［8］Schoor G V，Breed D G，Rand C P D.Fuzzy logic control-ler with neural network signal predictors for complex split-range control of a hybrid actuator［J］.Sensorsamp;Actuators A Physical，2013，199（17）：216-226.

［9］García-Lillo F，úbeda-García M，Marco-Lajara B.Organizational ambidexterity：exploring the knowledge base［J］.Scientometrics，2016，107（3）：1021-1040.

［10］Dalvi B，Minkov E，Talukdar P P，et al.Automatic Gloss Finding for a Knowledge Base using Ontological Constraints［J］.2015：369-378.

［11］周歡，趙輝，韓統(tǒng)，等.基于規(guī)則的無人機集群飛行與規(guī)避協(xié)同控制［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2016，38（6）：1374-1382.

［12］Cassel S，Howar F，Jonsson B，et al.Active Learning For Extended Finite State Machines［C］∕International Conference on Software Engineering and Formal Methods，2016：233-263.

［13］Bolt J H，Gaag L C V D.Balanced Tuning of Multi-dimensional Bayesian Network Classifiers［C］∕European Conference on Symbolic and Quantitative Approaches to Reasoning and Uncertainty，Springer，Cham，2015：210-220.

Navy Command and Control Model of Military Simulation Analysis and Evaluation System

ZHAO Xinye1，2SUN Guangming1WANG Dong2
（1.Dalian Naval Academy，Dalian 116018）（2.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001）

The next generation of military simulation analysis and evaluation system combines the simulation system with the actual command and control system to provide a more accurate analysis，prediction and control method for military complex systems.How to establish a real and reliable Naval Command Control（C2）model has become an important task in the design of military simulation analysis and evaluation system.The main contents of naval command and control modeling include：establishing the task space of command and control，providing the theoretical basis for the research and experiment of command and control；designing the function of command and control model，focusing on the command and control behavior of command node and the organization of command and control The relationship between the structure and the communication between the command nodes，the construction of the command and control model knowledge base，the decision support system and the fuzzy expert system，so that the system of decision-making can make full use of expert experience，but also the use of existing mathematical models，which embodies the characteristics of qualitative and quantitative analysis.Finally，some suggestions are put forward for the modeling of other military command and control models in the military simulation analysis and evaluation system.

command and control，military simulation analysis and evaluation system，navy command and control model，knowledge base

TP391

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.005

Class Number TP391

2017年4月5日，

2017年5月26日

中國博士后科學基金資助項目（編號：2016M602962，2017T100797）資助。

趙鑫業(yè)，男，博士，講師，研究方向：作戰(zhàn)仿真。孫光明，男，講師，研究方向：作戰(zhàn)軟件。王棟，男，碩士，講師，研究方向：導彈總體設計與分析。