基于信息物理系統(tǒng)的無(wú)人智能化后裝保障體系研究

謝汶姝 賈麗 李梓

摘? 要：無(wú)人化智能化聯(lián)合作戰(zhàn)體系是未來(lái)裝備體系的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前我國(guó)仍然存在信息系統(tǒng)綜合功能較弱、智能化水平偏低等問(wèn)題，精確保障初步啟動(dòng)，裝備投送能力差等問(wèn)題。該文基于CPS的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)建了無(wú)人化智能化后裝保障體系，并分析了其功能和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng)? 無(wú)人智能化? 后裝保障

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（c）-0001-03

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是由陸、海、空、天、電磁五位一體的聯(lián)合作戰(zhàn)，人的參與在逐漸減少。有數(shù)據(jù)表明，在2001年開(kāi)始，美國(guó)先后發(fā)動(dòng)了阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，至今仍在執(zhí)行高強(qiáng)度的作戰(zhàn)任務(wù)，然而，從2006—2018年的12年中，美軍在戰(zhàn)爭(zhēng)上犧牲的軍人總數(shù)約為4400人，這只占據(jù)同期美軍死亡人數(shù)的28%左右?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)逐漸演變成裝備體系與裝備體系的對(duì)抗。20世紀(jì)90年代以來(lái)，高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越呈現(xiàn)非對(duì)稱對(duì)抗特點(diǎn)，高技術(shù)作戰(zhàn)環(huán)境越來(lái)越要求裝備成體系建設(shè)。在聯(lián)合作戰(zhàn)條件下，裝備體系的保障問(wèn)題顯得更加復(fù)雜和突出，為了充分發(fā)揮裝備體系的作戰(zhàn)效能，需要建立與之相匹配的保障體系。閆旭等[1]提出裝備保障體系是保障節(jié)點(diǎn)耦合形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。王文峰[2]指出，裝備保障網(wǎng)絡(luò)是以裝備保障設(shè)施為依托，將各種保障資源按照一定的要求和原則合理部署而最終形成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化布局的保障體系。韓振等[3]也對(duì)維修保障力量體系進(jìn)行了研究，裝備維修保障力量體系是由維修單元、維修指揮機(jī)構(gòu)以及維修資源倉(cāng)庫(kù)等，按照結(jié)構(gòu)上綜合集成、功能上相互聯(lián)系、性能上相互補(bǔ)充的原則構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，可以理解為是由眾多維修單元、維修指揮機(jī)構(gòu)以及維修資源倉(cāng)庫(kù)等維修實(shí)體，以及維修實(shí)體之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系共同構(gòu)成的有機(jī)整體。上述文獻(xiàn)體現(xiàn)了裝備保障體系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性，指出裝備保障體系是在動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境中，針對(duì)某個(gè)特定使命任務(wù)，由大量相互獨(dú)立的保障節(jié)點(diǎn)和各級(jí)各類保障系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)、互通和互操作綜合集成的具有涌現(xiàn)效應(yīng)和演化功能的有機(jī)整體。

當(dāng)今世界正進(jìn)入工業(yè)4.0的發(fā)展進(jìn)程中，開(kāi)啟了以無(wú)人技術(shù)、人工智能技術(shù)、空間技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、納米技術(shù)和環(huán)境物理技術(shù)的突破為代表新的一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，產(chǎn)生了顛覆性的武器裝備和作戰(zhàn)手段[4]。其中，無(wú)人化智能化裝備技術(shù)，作為最具代表性的技術(shù)，將推動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入信息化、網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)人化的階段。冷戰(zhàn)后的幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，在新軍事變革的推動(dòng)下，作戰(zhàn)樣式正在發(fā)生急劇變化，推動(dòng)作戰(zhàn)手段和力量向無(wú)人化智能化發(fā)展，逐漸形成全新的作戰(zhàn)方法和理念。

第一，態(tài)勢(shì)全面感知，傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的發(fā)展得以實(shí)現(xiàn)對(duì)海、陸、空、天的全面感知。

第二，裝備無(wú)人自主，裝備的無(wú)人化占比日益提高，改變了作戰(zhàn)力量的組成結(jié)構(gòu)。

第三，指揮智能決策，指揮決策方式由以往的經(jīng)驗(yàn)決策逐漸向基于態(tài)勢(shì)感知數(shù)據(jù)的人工智能分析和決策轉(zhuǎn)變。

第四，裝備集群異構(gòu)，裝備形成自主化的作戰(zhàn)集群與編隊(duì)，不同裝備間協(xié)同作戰(zhàn)，形成復(fù)雜的異構(gòu)自適應(yīng)對(duì)抗體系。

作戰(zhàn)模式牽引裝備發(fā)展，當(dāng)前戰(zhàn)爭(zhēng)已逐漸從局部擴(kuò)展到陸、海、空等廣闊的立體空間，未來(lái)將向更廣闊的太空、水下空間以及網(wǎng)絡(luò)空間擴(kuò)展，武器裝備邁向以信息技術(shù)和精確打擊技術(shù)為核心的階段，并逐漸躍升至以高超音速、隱身化、智能化等技術(shù)為支持的階段。無(wú)人化智能化的武器裝備體系在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位和作用日益顯著，作為武器裝備體系的重要組成部分，后裝保障力量的無(wú)人化智能化也成為其發(fā)展的重要趨勢(shì)。美軍對(duì)無(wú)人化的作戰(zhàn)和后勤保障構(gòu)想早在越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間就已開(kāi)展，但由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)和指揮體系的限制，該計(jì)劃只能被擱置。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著新軍事變革的深入發(fā)展，無(wú)人化再次被提上日程[5]。美軍為無(wú)人化的裝備保障體系進(jìn)行了一系列的決策準(zhǔn)備、經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)備和技術(shù)準(zhǔn)備。美國(guó)國(guó)防部在2013年發(fā)布的《無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖2013—2038》中，提出了無(wú)人系統(tǒng)在研制、使用和后勤保障等多個(gè)軍事相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略[6]。

無(wú)人化智能化后裝保障體系的建設(shè)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算平臺(tái)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴設(shè)備等技術(shù)提出了要求，在這種需求的引導(dǎo)下，促成了新一代工程系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，簡(jiǎn)稱CPS）的誕生[7]。2005末—2006年初，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，簡(jiǎn)稱NSF）的Helen Gill[8]提出了CPS的概念（CPS一詞引入到中國(guó)之后被翻譯為“信息物理系統(tǒng)”或“信息物理融合系統(tǒng)”），用于描述計(jì)算與物理過(guò)程的融合。CPS可以理解為多維感知、實(shí)時(shí)通信、智能決策、精確控制和自主協(xié)調(diào)的高效能網(wǎng)絡(luò)化智能信息系統(tǒng)，是時(shí)空多維異構(gòu)的混雜自治系統(tǒng)[9]。CPS的概念一經(jīng)提出就受到了全世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，成為各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家政府、學(xué)術(shù)界與工程界研究和投資的熱點(diǎn)。當(dāng)前在世界范圍內(nèi)掀起的新一輪工業(yè)革命中CPS已成為最前沿的交叉研究領(lǐng)域之一，是未來(lái)智能家居、智能工廠、智能電網(wǎng)、智能交通、智能醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市與智慧地球等實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?？梢钥闯?，CPS將成為無(wú)人化智能化的后裝保障體系的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

因此，該文基于CPS構(gòu)建無(wú)人化智能化的后裝保障體系，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析和闡述。

1? 無(wú)人化智能化后裝保障體系構(gòu)建

基于CPS的無(wú)人化智能化后裝保障體系是以數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，在智能化決策指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)下，整體規(guī)劃和運(yùn)用裝備體系內(nèi)的保障力量，形成跨層次、跨建制的聯(lián)合一體化后裝保障體系，最大程度地發(fā)揮體系內(nèi)保障力量的整體作用，對(duì)執(zhí)行任務(wù)中的裝備實(shí)施精確、適時(shí)、高效的綜合保障。這是未來(lái)體系作戰(zhàn)的重要組成部分，是完成作戰(zhàn)任務(wù)、保持戰(zhàn)斗力的重要保證。

基于CPS的無(wú)人化智能化后裝保障體系強(qiáng)調(diào)信息網(wǎng)絡(luò)空間與物理空間的交互，涉及在復(fù)雜裝備體系下來(lái)自裝備、性能、使用環(huán)境等多維海量數(shù)據(jù)，在不同態(tài)勢(shì)下的信息實(shí)時(shí)可靠處理與通訊，對(duì)維修保障資源的有機(jī)協(xié)調(diào)，是具有自主感知、智能決策和自適應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)物理世界互聯(lián)與協(xié)同的裝備保障體系。該體系采用基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲(chǔ)與計(jì)算模式，計(jì)算資源虛擬、動(dòng)態(tài)、可伸縮，通過(guò)對(duì)各類作戰(zhàn)裝備、保障裝備和環(huán)境狀態(tài)的感知，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)還作為整個(gè)體系的互聯(lián)互通基礎(chǔ)，將海量數(shù)據(jù)傳輸至類腦智能決策，對(duì)保障設(shè)備進(jìn)行集中、優(yōu)化控制，高效完成綜合保障任務(wù)。

保障體系通過(guò)“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”4種方式實(shí)現(xiàn)功能即通過(guò)多感知器協(xié)同感知物理世界狀態(tài)，連接信息世界與物理世界的各種對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持協(xié)同感知和協(xié)同控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)知計(jì)算和推力，正確、深入地認(rèn)知物理世界，最后根據(jù)認(rèn)知結(jié)果，做出決策，發(fā)送控制指令，指揮各執(zhí)行器協(xié)同控制物理世界?？梢钥闯觯w系架構(gòu)可分為3個(gè)層次：物理層、網(wǎng)絡(luò)層和決策層。

物理層，也稱為感知執(zhí)行層，包含體系內(nèi)的各類作戰(zhàn)裝備、保障裝備和傳感器等，主要負(fù)責(zé)感知獲取裝備體系及其所在環(huán)境數(shù)據(jù)以及執(zhí)行系統(tǒng)控制命令。一方面，通過(guò)分布在裝備體系及其所在環(huán)境內(nèi)的傳感器與裝備進(jìn)行交互，獲取并辨識(shí)裝備性能、環(huán)境狀態(tài)等數(shù)據(jù)。另一方面，裝備和人作為物理層的執(zhí)行單元，根據(jù)上層發(fā)送的控制指令進(jìn)行操作，以適應(yīng)裝備體系與物理環(huán)境的變化。這一層次中，綜合保障任務(wù)的執(zhí)行將從傳統(tǒng)的人員過(guò)渡為無(wú)人運(yùn)輸工具和智能維修、救護(hù)裝備等無(wú)人化智能化保障裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸零傷亡，使得保障更加有力、高效。

網(wǎng)絡(luò)層，也稱為數(shù)據(jù)傳輸層，由異構(gòu)的通信單元組成，負(fù)責(zé)將物理層感知的原始數(shù)據(jù)傳輸至決策層，通信模式主要包括有線寬帶、專用短程通信技術(shù)、3G/4G以及無(wú)線通信技術(shù)等，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)層還需具有對(duì)海量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、安全的處理和管理的能力。

決策層，也稱為應(yīng)用控制層，是保障體系的核心部分。該層從網(wǎng)絡(luò)層獲取信息后，根據(jù)需求經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則和高層控制語(yǔ)義規(guī)范的智能決策，生成執(zhí)行控制命令，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)時(shí)反饋至物理層的執(zhí)行單元進(jìn)行相關(guān)操作。這一層次是整個(gè)保障體系智能化的關(guān)鍵所在，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和自主深度學(xué)習(xí)與類腦計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的分析與決策。借助深度學(xué)習(xí)技術(shù)，機(jī)器人可以表現(xiàn)出與人類直覺(jué)類似的形象思維與邏輯思維能力，未來(lái)將誕生具有自助行為和決策能力的智能機(jī)器，其技術(shù)模式將對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)、任務(wù)規(guī)劃、指揮決策、綜合保障等產(chǎn)生重大影響。決策層使保障體系與不同的任務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛化、智能化的綜合保障解決方案集合，也包含人機(jī)交互的接口，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻顯示、信息發(fā)布和人工干預(yù)控制的能力。

2? 無(wú)人化智能化后裝保障體系特點(diǎn)

基于CPS的無(wú)人化智能化后裝保障體系以保證作戰(zhàn)任務(wù)、提高保障效能、保持裝備戰(zhàn)斗力為主要目標(biāo)，具有實(shí)時(shí)、自主、精確、抗毀、協(xié)同、自適應(yīng)、高效的特性， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大規(guī)模動(dòng)態(tài)異構(gòu)的保障資源進(jìn)行監(jiān)控管理和智能決策，具有以下幾方面的特征：

（1）信息與物理組件高度融合。保障體系中，來(lái)自裝備和環(huán)境等物理世界的特征和狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)空間實(shí)時(shí)、可靠地傳輸至信息世界，使信息世界能夠正確、全面地識(shí)別和分析其狀態(tài)，智能化地做出決策，同時(shí)體系內(nèi)軟件密集，與硬件高度集成。

（2）在時(shí)間和空間維度上具有多重復(fù)雜性，是網(wǎng)絡(luò)化、動(dòng)態(tài)演化的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)。在保障體系中，各類單元按照體系的組織、連接方式相互作用、相互補(bǔ)充、相互制約，功能交互涌現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、特性、行為和功能都隨時(shí)間不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)演化，其演化的動(dòng)力是外部世界和內(nèi)部世界共同作用的結(jié)果，通過(guò)無(wú)人化運(yùn)輸、智能維修等手段，保障裝備能夠自動(dòng)排除或修復(fù)故障裝備，保證裝備體系正常作戰(zhàn)的能力，實(shí)現(xiàn)體系全局性能優(yōu)化。

（3）安全、可靠、抗毀、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自主協(xié)同。通過(guò)對(duì)內(nèi)外狀態(tài)的實(shí)時(shí)、深度感知，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)恢復(fù)得預(yù)警預(yù)報(bào)和自主修復(fù)。通過(guò)來(lái)自大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)海量資源的調(diào)配和補(bǔ)充，能夠避免由于局部故障導(dǎo)致的任務(wù)失敗或體系崩潰。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文基于CPS的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)建了無(wú)人化智能化后裝保障體系，并分析了其功能和特點(diǎn)。無(wú)人化智能化聯(lián)合作戰(zhàn)體系是未來(lái)裝備體系的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前我國(guó)仍然存在信息系統(tǒng)綜合功能較弱、智能化水平偏低等問(wèn)題，精確保障初步啟動(dòng)，裝備投送能力差等問(wèn)題。因此，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化智能化的后裝保障，應(yīng)當(dāng)從管理和技術(shù)等多方面進(jìn)行科學(xué)發(fā)展，創(chuàng)新管理體制，深化裝備研發(fā)，提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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