人工智能應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題

蹇成剛，王兆杰，劉 鵬，唐素純，賈立好

(1.海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100001；2.中國(guó)艦船研究院，北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所，北京 100190)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)信息體系是以“網(wǎng)絡(luò)中心、信息主導(dǎo)、體系支撐”為主要特征，涵蓋物理域、信息域、認(rèn)知域、社會(huì)域的復(fù)雜巨系統(tǒng)，是按照統(tǒng)一的體系架構(gòu)，統(tǒng)一的技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范構(gòu)建，以共用信息基礎(chǔ)設(shè)施為支撐，集成預(yù)警探測(cè)、指揮控制、信息對(duì)抗、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等功能，以及政治工作、后勤保障、裝備管理等各級(jí)各類系統(tǒng)的有機(jī)整體。網(wǎng)絡(luò)信息體系具備組成系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行、組成系統(tǒng)獨(dú)立維護(hù)、組成系統(tǒng)區(qū)域分布，具備涌現(xiàn)行為，體系不斷演化發(fā)展等特征[1-8]。

目前的網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)尚未充分考慮需求多樣性、邊界不確定性、環(huán)境高復(fù)雜性、信息不確定性、響應(yīng)高實(shí)時(shí)性、博弈高對(duì)抗性等復(fù)雜性瓶頸。一是缺少不確定條件下的軍事需求向裝備需求進(jìn)行轉(zhuǎn)化映射的指導(dǎo)方法；二是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏動(dòng)態(tài)可執(zhí)行驗(yàn)證，難以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行快速迭代優(yōu)化，并且現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多基于靜態(tài)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)，未充分考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境存在的不確定性、多樣性和復(fù)雜性等特點(diǎn)；三是體系要素集成和狀態(tài)統(tǒng)一困難，需要耗費(fèi)大量的人力物力驅(qū)動(dòng)打通體系要素之間的壁壘，并且確保呈分布式狀態(tài)存在的要素狀態(tài)能夠一致，以支持最基本的互聯(lián)互通互操作；四是體系運(yùn)行過程缺乏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和彈性恢復(fù)設(shè)計(jì)，對(duì)抗環(huán)境下體系對(duì)任務(wù)的支撐能力難以預(yù)估；五是缺乏體系能力檢驗(yàn)測(cè)試評(píng)估方法和手段，難以對(duì)體系能力和裝備要素貢獻(xiàn)率進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

基于數(shù)據(jù)支撐、硬件算力、算法模型的提升，人工智能技術(shù)解決了深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)問題，使得機(jī)器具備自動(dòng)表征復(fù)雜輸入信息和從數(shù)據(jù)自主挖掘知識(shí)的能力；進(jìn)而結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)，使得機(jī)器進(jìn)一步具備了自主學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力。這些人工智能技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)信息體系時(shí)，有助于挖掘關(guān)鍵需求、優(yōu)化體系結(jié)構(gòu)、推動(dòng)能力升級(jí)，支撐構(gòu)建敏捷高效、抗毀重構(gòu)的作戰(zhàn)體系。需要深入研究設(shè)計(jì)方法、支撐工具等關(guān)鍵問題，支撐網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)。

1 人工智能技術(shù)最新發(fā)展分析

自2010年起，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)的興起，人工智能迎來了第三次發(fā)展高潮——新一代人工智能；自2018年9月，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）推出了“下一代人工智能（Next AI）”和“人工智能探索（AI Exploration）”兩大計(jì)劃，統(tǒng)籌推進(jìn)智能科技發(fā)展及應(yīng)用。

1.1 我國(guó)新一代人工智能技術(shù)發(fā)展分析

2017年我國(guó)發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，加快人工智能與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國(guó)防的深度融合，構(gòu)建開放協(xié)同的人工智能科技創(chuàng)新體系；2018年布局了科技創(chuàng)新2030——“新一代人工智能”重大項(xiàng)目。新一代人工智能技術(shù)以大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)新算法、硬件計(jì)算能力的大幅提升為推手，呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展態(tài)勢(shì)。無人平臺(tái)（無人機(jī)、無人艇、無人車、無人水下航行器、仿生機(jī)器等）自主智能系統(tǒng)已成為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，基于網(wǎng)絡(luò)信息體系的群體智能技術(shù)將成為重要研究方向，人機(jī)協(xié)同混合增強(qiáng)智能技術(shù)正在深入探討和研究。

1.2 美國(guó)下一代人工智能技術(shù)發(fā)展分析

2018年9月，DARPA宣布啟動(dòng)“下一代人工智能”計(jì)劃，尋求探索新的理論和應(yīng)用，使機(jī)器從專門工具轉(zhuǎn)化為解決問題的、可靠的“合作伙伴”。針對(duì)當(dāng)前人工智能依賴大量、高質(zhì)量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)、缺乏語(yǔ)境推理能力、不能夠適應(yīng)多變環(huán)境、不具備可解釋性等難題，“下一代人工智能”擬開發(fā)具有常識(shí)、能感知語(yǔ)境和能源效率更高的智能系統(tǒng)，使機(jī)器獲得與人類類似的交流和推理能力，能夠識(shí)別新場(chǎng)景、適應(yīng)新環(huán)境。DARPA已布局智能科學(xué)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目，如機(jī)器常識(shí)項(xiàng)目、物理人工智能項(xiàng)目、終身學(xué)習(xí)機(jī)器項(xiàng)目、可解釋性人工智能項(xiàng)目等。

1.3 軍民融合背景下的軍事智能發(fā)展分析

1）數(shù)據(jù)量不斷積累，為軍事智能發(fā)展奠定基礎(chǔ)

伴隨著分布在岸?？仗鞚摳餍透黝悅鞲衅鲾?shù)量的不斷增加、地方情報(bào)源和情報(bào)數(shù)據(jù)不斷融入作戰(zhàn)體系，以及不同部門和領(lǐng)域之間的數(shù)據(jù)壁壘不斷打破，海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，將為人工智能算法模型訓(xùn)練提供源源不斷的素材，促進(jìn)從海戰(zhàn)場(chǎng)海量數(shù)據(jù)中積累經(jīng)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

2）信息處理硬件技術(shù)加速演進(jìn)，為軍事智能提供運(yùn)算能力支撐

面對(duì)以格式化文本、圖片、音視頻等多種形式存在的海戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及強(qiáng)實(shí)時(shí)、高頻次的數(shù)據(jù)處理要求，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)處理難以滿足需求。以GPU，NPU，F(xiàn)PGA和各種各樣的AI-PU專用芯片為代表的人工智能芯片，將加速深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練迭代速度，從芯片級(jí)提升大規(guī)模數(shù)據(jù)處理效率；采用“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算”架構(gòu)的NPU等人工智能專用芯片，具有低功耗和更高運(yùn)算效率，能夠支持海戰(zhàn)場(chǎng)智能終端的信息處理能力提升。

3）云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展運(yùn)用，為軍事智能提供基礎(chǔ)資源整合手段

云計(jì)算技術(shù)在海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系的運(yùn)用，能夠支撐資源管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)，支持資源快速部署和服務(wù)獲取、進(jìn)行動(dòng)態(tài)可伸縮擴(kuò)展及供給、以及面向海戰(zhàn)場(chǎng)海量信息的快速有序化處理等，能夠?yàn)榛谧鲬?zhàn)云的各類智能應(yīng)用提供資源整合交互的基礎(chǔ)平臺(tái)。強(qiáng)大的云存儲(chǔ)和云計(jì)算體系架構(gòu)，將促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的快速迭代優(yōu)化，為智能化海戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知和指揮決策提供基礎(chǔ)平臺(tái)支撐。

4）人工智能技術(shù)研究的不斷深入，支撐軍事智能算法模型優(yōu)化及性能提升

深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)在圍棋競(jìng)賽（AlphaGo、AlphaZero）完全信息、德州撲克競(jìng)賽（DeepStack）不完全信息簡(jiǎn)單環(huán)境、空戰(zhàn)系統(tǒng)Alpha AI不完全信息復(fù)雜環(huán)境等博弈對(duì)抗系統(tǒng)的成功應(yīng)用，已展示出可通過人-機(jī)、機(jī)-機(jī)對(duì)抗數(shù)據(jù)，訓(xùn)練出遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類水平的對(duì)抗型機(jī)器智能，自主挖掘出新規(guī)則、新戰(zhàn)法，突破人類經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知的限制。真正意義上的人工智能即“強(qiáng)人工智能”，機(jī)器要實(shí)現(xiàn)真正的智能，已有引入因果論的人工智能技術(shù)的深入探索。這些均將為軍事智能在各領(lǐng)域的可靠可信應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5）自然人機(jī)交互技術(shù)不斷發(fā)展，支撐軍事智能新型人機(jī)交互模式構(gòu)建

自然人機(jī)交互技術(shù)將極大提升海戰(zhàn)場(chǎng)信息多維度展示能力、加速軍事裝備的操作效率、提升人機(jī)協(xié)同能力，最終將為軍事智能新型人機(jī)交互模式構(gòu)建提供基礎(chǔ)支撐手段。

2 人工智能技術(shù)在海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

新一代人工智能融入下的海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系將是“作戰(zhàn)云+智能指控+智能終端”的人機(jī)物混合增強(qiáng)智能，總體設(shè)計(jì)工作主要包括需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、智能應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施、演示驗(yàn)證等方面。

需求分析，重點(diǎn)以作戰(zhàn)能力或作戰(zhàn)活動(dòng)為核心，解決作戰(zhàn)能力需求向裝備功能性能要求的映射轉(zhuǎn)換，AI用于挖掘關(guān)鍵性需求。

架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、信息架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)等。

智能應(yīng)用，主要從態(tài)勢(shì)感知、指揮控制、火力打擊、信息對(duì)抗、綜合保障等方面出發(fā)，開展應(yīng)用層面的智能化。

基礎(chǔ)設(shè)施，主要從智能通信網(wǎng)絡(luò)、智能作戰(zhàn)資源管理服務(wù)等方面出發(fā)，開展基礎(chǔ)設(shè)施層面的智能化。

仿真推演，重點(diǎn)構(gòu)建基于體系對(duì)抗的仿真推演平臺(tái)，支持對(duì)體系總體設(shè)計(jì)的仿真測(cè)試分析等。

2.2 面向智能融入的總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1）海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息裝備需求映射和可執(zhí)行驗(yàn)證技術(shù)

綜合考慮復(fù)雜海上環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)面臨的“復(fù)雜性、演化性、對(duì)抗性”等因素，如何以體系作戰(zhàn)能力為結(jié)合點(diǎn)，“自頂向下”分解作戰(zhàn)使命需求，“自底向上”進(jìn)行資源的聚合與調(diào)整，并面向能力“涌現(xiàn)”快速進(jìn)行體系要素集成驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)不確定條件下的軍事需求向裝備需求進(jìn)行轉(zhuǎn)化映射，尚缺乏適應(yīng)海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系發(fā)展建設(shè)特點(diǎn)、成體系的指導(dǎo)方法、理論和工具。亟待突破需求不確定性建模、需求一致性分析和驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)化指標(biāo)體系構(gòu)建與分解、需求與功能自適應(yīng)匹配交聯(lián)等。從使命任務(wù)、能力需求出發(fā)，研究組件系統(tǒng)間的功能結(jié)構(gòu)關(guān)系，規(guī)范服務(wù)化體系建模過程，提出體系結(jié)構(gòu)靜態(tài)模型與仿真模型轉(zhuǎn)換方法，并研究模型校核、驗(yàn)證與確認(rèn)的方法，驗(yàn)證體系模型的邏輯正確性，以及與實(shí)體物理模型的一致性，支持體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可執(zhí)行驗(yàn)證。

2）海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系建模技術(shù)

圖1 人工智能融入關(guān)鍵問題描述Fig.1 Description of key problems in AI integration

建模分析海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系使命需求與能力空間范圍匹配性，局部性能最優(yōu)與全局最優(yōu)的平衡，靜態(tài)性能最優(yōu)與動(dòng)態(tài)演化性能的平衡，體系要素交互帶來的“涌現(xiàn)性”，以及基于博弈分析的體系對(duì)抗過程等，并結(jié)合 “網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、智能化”發(fā)展趨勢(shì)，研究體系結(jié)構(gòu)自適應(yīng)以及功能快速演化機(jī)理。亟待面向近海全域作戰(zhàn)和遠(yuǎn)海防衛(wèi)作戰(zhàn)需求，研究綜合考慮網(wǎng)電、水下等作戰(zhàn)空間全域融合，以及天基、無人系統(tǒng)等新質(zhì)要素納入的網(wǎng)絡(luò)信息體系架構(gòu)。構(gòu)建服務(wù)化海軍信息基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建總體與集成框架，突破海戰(zhàn)場(chǎng)自組織通信網(wǎng)系，跨介質(zhì)智能通信、有人/無人作戰(zhàn)資源統(tǒng)一管理與按需服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施支撐下的各類海上作戰(zhàn)資源全網(wǎng)共享、智能流轉(zhuǎn)。

3）海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系彈性和安全運(yùn)行技術(shù)

體系在面臨攻擊、擾動(dòng)等條件下是否仍然具有完成關(guān)鍵任務(wù)的自修復(fù)能力；分析海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系的彈性過程和彈性要素，提出彈性度量方法，并考慮體系非線性交互帶來的積累、級(jí)聯(lián)、時(shí)延等效應(yīng)，結(jié)合體系動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，探索體系彈性恢復(fù)機(jī)理；針對(duì)無線、異構(gòu)的海戰(zhàn)場(chǎng)通信特點(diǎn)，建模分析海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并結(jié)合裕量/備用設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)，建模分析隨機(jī)擾動(dòng)/全域?qū)箺l件下的海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系的動(dòng)態(tài)特性；結(jié)合全域作戰(zhàn)要求以及物聯(lián)網(wǎng)、復(fù)雜系統(tǒng)理論研究，建立海戰(zhàn)場(chǎng)信息系統(tǒng)安全運(yùn)行理論。

4）海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系資源智能管理服務(wù)技術(shù)

海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系具有的動(dòng)態(tài)性、異構(gòu)性以及分布性等特點(diǎn)，為全域作戰(zhàn)資源管理調(diào)度帶來諸多問題和挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)作戰(zhàn)資源管控粒度、范圍、頻度以及資源聯(lián)動(dòng)方面提出越來越高的要求，亟待探索基于作戰(zhàn)云和人工智能的海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系作戰(zhàn)資源管理，建立計(jì)算、信息、通信、傳感器、武器等不同類型作戰(zhàn)資源的調(diào)用模型和交聯(lián)關(guān)系。描述多樣化任務(wù)和作戰(zhàn)資源之間的映射關(guān)系；基于深度學(xué)習(xí)等人工智能算法，研究復(fù)雜海上環(huán)境下不同作戰(zhàn)單元間平衡和調(diào)整資源，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)資源“全網(wǎng)共享、按需流轉(zhuǎn)”，滿足多樣化作戰(zhàn)任務(wù)要求。

5）海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系仿真和集成技術(shù)

仿真推演是體系工程必不可少的環(huán)節(jié)，亟待統(tǒng)籌海戰(zhàn)場(chǎng)各類作戰(zhàn)要素，開展海戰(zhàn)場(chǎng)裝備模型建模、環(huán)境模型建模、作戰(zhàn)模型建模、評(píng)估模型建模，面向體系能力生成開展全體系仿真和集成，構(gòu)建基于體系對(duì)抗海戰(zhàn)場(chǎng)智能仿真推演平臺(tái)，支撐全域融合的海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)梳理了當(dāng)前海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)中存在的瓶頸問題，結(jié)合新一代人工智能技術(shù)發(fā)展研究，面向基于網(wǎng)絡(luò)信息體系的海上方向聯(lián)合作戰(zhàn)能力和全域作戰(zhàn)能力構(gòu)建，從人工智能融入角度出發(fā)分析了海戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問題，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)信息體系總體設(shè)計(jì)提供支撐。