基于信息物理系統(tǒng)的無人智能化后裝保障體系研究

謝汶姝 賈麗 李梓

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

關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng)? 無人智能化? 后裝保障

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

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是由陸、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年開始，美國先后發(fā)動了阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭，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)爭實質(zhì)逐漸演變成裝備體系與裝備體系的對抗。20世紀(jì)90年代以來，高技術(shù)局部戰(zhàn)爭越來越呈現(xiàn)非對稱對抗特點，高技術(shù)作戰(zhàn)環(huán)境越來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網(wǎng)絡(luò)化布局的保障體系。韓振等[3]也對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)以及維修資源倉庫等，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)以及維修資源倉庫等維修實體，以及維修實體之間錯綜復(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態(tài)不確定環(huán)境中，針對某個特定使命任務(wù)，由大量相互獨立的保障節(jié)點和各級各類保障系統(tǒng)通過互聯(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，開啟了以無人技術(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，無人化智能化裝備技術(shù)，作為最具代表性的技術(shù)，將推動戰(zhàn)爭進(jìn)入信息化、網(wǎng)絡(luò)化、無人化的階段。冷戰(zhàn)后的幾場局部戰(zhàn)爭表明，在新軍事變革的推動下，作戰(zhàn)樣式正在發(fā)生急劇變化，推動作戰(zhàn)手段和力量向無人化智能化發(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)展得以實現(xiàn)對海、陸、空、天的全面感知。

第二，裝備無人自主，裝備的無人化占比日益提高，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)驗決策逐漸向基于態(tài)勢感知數(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，不同裝備間協(xié)同作戰(zhàn)，形成復(fù)雜的異構(gòu)自適應(yīng)對抗體系。

作戰(zhàn)模式牽引裝備發(fā)展，當(dāng)前戰(zhàn)爭已逐漸從局部擴(kuò)展到陸、海、空等廣闊的立體空間，未來將向更廣闊的太空、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。無人化智能化的武器裝備體系在現(xiàn)代戰(zhàn)爭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，后裝保障力量的無人化智能化也成為其發(fā)展的重要趨勢。美軍對無人化的作戰(zhàn)和后勤保障構(gòu)想早在越南戰(zhàn)爭期間就已開展，但由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)和指揮體系的限制，該計劃只能被擱置。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，無人化再次被提上日程[5]。美軍為無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。美國國防部在2013年發(fā)布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖2013—2038》中，提出了無人系統(tǒng)在研制、使用和后勤保障等多個軍事相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略[6]。

無人化智能化后裝保障體系的建設(shè)對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算平臺、移動互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(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，簡稱CPS）的誕生[7]。2005末—2006年初，美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，簡稱NSF）的Helen Gill[8]提出了CPS的概念（CPS一詞引入到中國之后被翻譯為“信息物理系統(tǒng)”或“信息物理融合系統(tǒng)”），用于描述計算與物理過程的融合。CPS可以理解為多維感知、實時通信、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)國家政府、學(xué)術(shù)界與工程界研究和投資的熱點。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現(xiàn)的基礎(chǔ)?？梢钥闯?，CPS將成為無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)建無人化智能化的后裝保障體系，并對其特點進(jìn)行分析和闡述。

1? 無人化智能化后裝保障體系構(gòu)建

基于CPS的無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，對執(zhí)行任務(wù)中的裝備實施精確、適時、高效的綜合保障。這是未來體系作戰(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)勢下的信息實時可靠處理與通訊，對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)的分布式存儲與計算模式，計算資源虛擬、動態(tài)、可伸縮，通過對各類作戰(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“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”4種方式實現(xiàn)功能即通過多感知器協(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象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，支持協(xié)同感知和協(xié)同控制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)知計算和推力，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?，體系架構(gòu)可分為3個層次：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)的人員過渡為無人運輸工具和智能維修、救護(hù)裝備等無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以及無線通信技術(shù)等，同時網(wǎng)絡(luò)層還需具有對海量信息進(jìn)行實時、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)過預(yù)設(shè)規(guī)則和高層控制語義規(guī)范的智能決策，生成執(zhí)行控制命令，并通過網(wǎng)絡(luò)層實時反饋至物理層的執(zhí)行單元進(jìn)行相關(guān)操作。這一層次是整個保障體系智能化的關(guān)鍵所在，基于大數(shù)據(jù)、云計算和自主深度學(xué)習(xí)與類腦計算技術(shù)實現(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)出與人類直覺類似的形象思維與邏輯思維能力，未來將誕生具有自助行為和決策能力的智能機(jī)器，其技術(shù)模式將對戰(zhàn)爭設(shè)計、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? 無人化智能化后裝保障體系特點

基于CPS的無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)，具有實時、自主、精確、抗毀、協(xié)同、自適應(yīng)、高效的特性， 能夠?qū)崿F(xiàn)對大規(guī)模動態(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，來自裝備和環(huán)境等物理世界的特征和狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)空間實時、可靠地傳輸至信息世界，使信息世界能夠正確、全面地識別和分析其狀態(tài)，智能化地做出決策，同時體系內(nèi)軟件密集，與硬件高度集成。

（2）在時間和空間維度上具有多重復(fù)雜性，是網(wǎng)絡(luò)化、動態(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、行為和功能都隨時間不斷進(jìn)行動態(tài)演化，其演化的動力是外部世界和內(nèi)部世界共同作用的結(jié)果，通過無人化運輸、智能維修等手段，保障裝備能夠自動排除或修復(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。通過對內(nèi)外狀態(tài)的實時、深度感知，實現(xiàn)系統(tǒng)實時恢復(fù)得預(yù)警預(yù)報和自主修復(fù)。通過來自大規(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

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