一種基于馬賽克戰(zhàn)理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計
——方案設(shè)想及關(guān)鍵技術(shù)探索

吳新峰 顧鑫 陸婷婷 鄧志均

馬賽克戰(zhàn)按照馬賽克拼圖的思想,細(xì)化作戰(zhàn)能力,使基本元素最小化,通過對小顆粒度兵力基本元素排列組合,實現(xiàn)不同形式的靈活兵力設(shè)計,馬賽克戰(zhàn)按照功能對作戰(zhàn)平臺進(jìn)行分類,利用信息網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)作戰(zhàn)平臺間的靈活協(xié)作,形成多條完整的OODA循環(huán)(即“觀察(Observe)-判斷(Orient)-決策(Decide)-行動(Act)”)和殺傷鏈,提升己方適應(yīng)能力,給對手制造多重困境,阻止其實現(xiàn)目標(biāo)[1?3].

1 問題的提出

馬賽克戰(zhàn)提出了一種面向未來的新型兵力設(shè)計方法[1],馬賽克戰(zhàn)最大優(yōu)點在于功能分解和靈活重組,借鑒馬賽克戰(zhàn)理念,構(gòu)建面向分布式集群的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng),為對手的防御系統(tǒng)制造更多困境,將極大地提高協(xié)同探測、突防、對抗和打擊能力,提升作戰(zhàn)靈活性和動態(tài)響應(yīng)性[4?5].

目前,關(guān)于馬賽克戰(zhàn)作戰(zhàn)概念的研究比較多,如何基于馬賽克戰(zhàn)思想構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)研究較為少見.文獻(xiàn)[6]提出了一種面向航母編隊的任務(wù)能力需求分析方法但并未給出如何動態(tài)重組服務(wù)以適應(yīng)動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境,文獻(xiàn)[7]針對體系作戰(zhàn),提出邊緣C2的背景和概念,并針對邊緣C2模式機(jī)理進(jìn)行了深入分析但缺乏系統(tǒng)構(gòu)建方法的描述,文獻(xiàn)[8] 面向指揮控制、情報博弈的智能對抗,提出了涵蓋“云、網(wǎng)、邊、群”的陸戰(zhàn)場平行智能網(wǎng)絡(luò)信息體系架構(gòu),并針對關(guān)鍵領(lǐng)域給出解決思路,文獻(xiàn)[9]提出基于馬賽克戰(zhàn)思想構(gòu)建面向國土防空的作戰(zhàn)體系架構(gòu),但并未給出具體的實施途徑.

綜上所述,在基于馬賽克戰(zhàn)理念構(gòu)建面向分布式集群的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)方面,缺乏完整、成熟的系統(tǒng)方案和成功的案例,因此,開展基于馬賽克理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計研究具有重要意義,本文在分析馬賽克戰(zhàn)概念的基礎(chǔ)上,提出一種方案設(shè)計,提煉系統(tǒng)構(gòu)建中的關(guān)鍵技術(shù),梳理美軍支持相關(guān)項目,為我國開展分布式協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)研制提供參考.

2 馬賽克戰(zhàn)概念解析

2.1 發(fā)展歷程

馬賽克戰(zhàn)概念最初由美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)戰(zhàn)略技術(shù)辦公室(Strategic Technology Office STO)前主任托馬斯·伯恩斯等于2017年提出,意在借鑒建筑領(lǐng)域的馬賽克設(shè)計,聚合高新技術(shù),構(gòu)建類似馬賽克瓦片的作戰(zhàn)體系.與以往發(fā)展昂貴、復(fù)雜大型平臺的思路不同,馬賽克戰(zhàn)將大量低成本、低復(fù)雜度,具有高度自適應(yīng)能力的可重組單元,采用搭積木的方式,建成一個功能強(qiáng)大、可靈活重組的作戰(zhàn)體系[3,10?11].

2018年,STO 主任格雷森對馬賽克戰(zhàn)的概念進(jìn)行了發(fā)展和解讀,格雷森在同名報告中從美國的不對稱優(yōu)勢正在消退,現(xiàn)在武器系統(tǒng)開發(fā)的響應(yīng)緩慢困局,精良武器系統(tǒng)發(fā)展部署時間不能承受之痛等方面對馬賽克戰(zhàn)的必要性進(jìn)行了分析,報告指出馬賽克戰(zhàn)快速聯(lián)合多域殺傷,是解決上述問題的一劑良方[3,10?11].

2019年6月,STO 發(fā)布“戰(zhàn)略技術(shù)”跨部門公告(Broad Agency Announcement,BAA),提出圍繞馬賽克技術(shù)、馬賽克效果網(wǎng)服務(wù)、馬賽克試驗、基礎(chǔ)戰(zhàn)略技術(shù)4個方面推進(jìn)馬賽克戰(zhàn)落地[10],同年9月,米切爾航空航天研究所發(fā)布戴維·德普圖拉等撰寫的《馬賽克戰(zhàn):恢復(fù)美國的軍事競爭力》報告,對馬賽克戰(zhàn)概念進(jìn)行了進(jìn)一步完善,報告深入分析了開展馬賽克戰(zhàn)的必要性,認(rèn)為馬賽克戰(zhàn)是美軍應(yīng)對中俄威脅,自身轉(zhuǎn)型的需要,也是恢復(fù)美軍競爭力的重要途徑[1,10?11],報告還詳細(xì)分析了實施馬賽克戰(zhàn)的可行方法,預(yù)期的優(yōu)點和面臨的挑戰(zhàn)[10?11].

2019年11月以來,美防務(wù)智庫戰(zhàn)略與預(yù)算評估中心(Center for Strategic and Budgetary Assessments,CSBA)先后發(fā)表《贏得看不見的戰(zhàn)爭:美國在電磁頻譜中獲得持久優(yōu)勢》、《奪回海上優(yōu)勢:為實施決策中心戰(zhàn)推進(jìn)美國水面艦艇部隊轉(zhuǎn)型》和《馬賽克戰(zhàn):利用人工智能和自主系統(tǒng)實現(xiàn)決策中心戰(zhàn)》等多份報告對馬賽克戰(zhàn)在電子戰(zhàn)、水面艦艇作戰(zhàn)中的兵力設(shè)計、指揮控制流程進(jìn)行了深入分析[2,8,12],馬賽克戰(zhàn)被認(rèn)為是通往決策中心戰(zhàn)的重要途徑,決策中心戰(zhàn)是美軍一種重要的新型作戰(zhàn)概念,采用新的致勝理論,意在使美軍指揮官做出更快、更有效的決策,同時又降低對手決策的質(zhì)量和速度[2,12].

2.2 概念精髓

馬賽克戰(zhàn)是一種面向未來的兵力設(shè)計,利用信息處理、計算和網(wǎng)絡(luò)方面的最新能力,通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫的跨域信息共享.馬賽克戰(zhàn)將雷達(dá)、火控、導(dǎo)彈等作戰(zhàn)力量進(jìn)行功能分解,分散部署,利用信息網(wǎng)絡(luò)形成一個高度分散的殺傷網(wǎng),以確保美國軍事體系在競爭環(huán)境中發(fā)揮效能,并使美軍的目標(biāo)節(jié)點最小化[1].

馬賽克戰(zhàn)的作戰(zhàn)要素或節(jié)點是基于OODA環(huán)構(gòu)造的,即觀測節(jié)點、判斷節(jié)點、決策節(jié)點和行動節(jié)點.跨OODA環(huán)是通過高級數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)的,觀測節(jié)點相互協(xié)作,向判斷節(jié)點提供多維觀測,從而形成作戰(zhàn)域的圖像.基于此作戰(zhàn)圖像,決策節(jié)點同時激活多個殺傷路徑,以在指定的目標(biāo)上創(chuàng)建所需的效果.殺傷路徑一直保持激活,直到目標(biāo)摧毀,隨后,指定的行動節(jié)點會轉(zhuǎn)移打擊其他目標(biāo)[1,5].

在馬賽克戰(zhàn)作戰(zhàn)概念架構(gòu)示意圖,如圖1所示,飛機(jī)并非實際的飛機(jī),只是描述戰(zhàn)斗區(qū)域內(nèi)的概念性飛機(jī)的符號.圖中最重要的符號是表示OODA環(huán)節(jié)點的顏色,以及表示同時和多重殺傷路徑的概念和選擇性數(shù)據(jù)鏈的連接,馬賽克戰(zhàn)作戰(zhàn)概念中的判斷和決策節(jié)點在整個作戰(zhàn)區(qū)域中都是分層的,但最活躍的節(jié)點在前沿,姿態(tài)判斷和指揮控制能力與適當(dāng)?shù)奶幚砟芰咏鼞?zhàn)斗區(qū)域的邊緣可以提高行動的速度和準(zhǔn)確性[1,4].

馬賽克戰(zhàn)中多條可能的殺傷路徑同時自主運行,構(gòu)成殺傷網(wǎng),將決策節(jié)點放置在戰(zhàn)斗區(qū)域的前沿是創(chuàng)建彈性部隊的關(guān)鍵,分解的指揮控制元素以更嚴(yán)格和不可預(yù)測的方式(對對手而言)促進(jìn)自協(xié)調(diào)的執(zhí)行和彈性,如果敵人試圖隔離在戰(zhàn)區(qū)某些區(qū)域內(nèi)活動的馬賽克部隊單元,馬賽克部隊判斷節(jié)點和授權(quán)決策節(jié)點采用人工智能等技術(shù)自主決策,確保它按照命令的意圖繼續(xù)作戰(zhàn).

馬賽克戰(zhàn)將傳統(tǒng)高價值平臺分解成一系列最小的功能單元,通過適當(dāng)?shù)男畔⒕W(wǎng)絡(luò)相互協(xié)作,具有作戰(zhàn)企圖更為隱蔽,力量組合更加靈活,馬賽克戰(zhàn)并不試圖構(gòu)建無所不在的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò),而是充分利用基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀,形成自適應(yīng)通信能力,使網(wǎng)絡(luò)體系更具韌性,行動執(zhí)行更加迅速,具有殺傷效果更加明顯,安全防護(hù)更加有效等顯著優(yōu)點.

3 基于馬賽克戰(zhàn)理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

借鑒馬賽克戰(zhàn)功能分解、動態(tài)重組、快速響應(yīng)的理念,采用云計算、虛擬化、服務(wù)組合等技術(shù),構(gòu)建戰(zhàn)場全局統(tǒng)一資源視圖,通過信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)跨域無縫信息共享,根據(jù)不同任務(wù)、不同階段、不同目標(biāo)等具體作戰(zhàn)需求,靈活、動態(tài)、自適應(yīng)組合殺傷鏈路,形成高度分散、彈性健壯的分布式殺傷網(wǎng),為對手的防御系統(tǒng)制造更多的決策困境,提升己方作戰(zhàn)靈活性和健壯性,支撐分布式協(xié)同作戰(zhàn)能力的形成.

基于馬賽克戰(zhàn)理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng),采用分層架構(gòu),由設(shè)備抽象層、資源管理層和資源服務(wù)層3層組成,如圖2所示.

設(shè)備抽象層通過虛擬化技術(shù)[14?15],將不同廠家,不同類型,分散部署的武器平臺、收發(fā)信機(jī)、紅外傳感器、可見光傳感器、雷達(dá)、電子對抗裝置、打擊裝置、處理器、存儲器等物理設(shè)備進(jìn)行抽象建模,統(tǒng)一表征,形成通信、探測、對抗、打擊等虛擬資源組成馬賽克組件能力集市.

資源服務(wù)層實現(xiàn)各類馬賽克組件資源的創(chuàng)建、刪除、修改、查詢等管理[15?16],馬賽克組件資源包括物理資源和服務(wù)資源兩大類,物理資源包括探測、通信、計算、存儲等實體資源,服務(wù)資源包括目標(biāo)探測服務(wù)、目標(biāo)跟蹤服務(wù)、制導(dǎo)服務(wù)、飛行控制服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)等軟件資源.

服務(wù)組合層利用Web Service、服務(wù)組合[16?17]等技術(shù)動態(tài)組合、實時調(diào)度馬賽克組件資源(包括實體資源和軟件資源),通過多平臺間協(xié)同探測、協(xié)同決策、協(xié)同對抗、協(xié)同打擊,形成多條感知判斷行動殺傷路徑,支撐武器裝備靈活運用,滿足蜂群攻擊、遠(yuǎn)程精確打擊、防空反導(dǎo)等作戰(zhàn)應(yīng)用需要.

3.2 系統(tǒng)工作流程

基于馬賽克戰(zhàn)理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的工作流程如圖3所示,1)系統(tǒng)啟動,2)循環(huán)執(zhí)行下述子過程.3)執(zhí)行資源維護(hù)管理子流程,4)執(zhí)行任務(wù)處理子流程,5)結(jié)束.

圖1 馬賽克戰(zhàn)作戰(zhàn)概念架構(gòu)示意圖Fig.1 Notional diagram of mosaic warfare architecture

圖2 基于馬賽克戰(zhàn)理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of cooperative operation system based on mosaic warfare concept

圖3 系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 Diagram of work-flow of the system

資源維護(hù)管理子流程如圖4所示,1)接收資源管理請求,執(zhí)行本地資源的創(chuàng)建、修改、刪除和查詢操作,維護(hù)本地服務(wù)資源視圖,2)基于平臺間自組織網(wǎng)絡(luò),執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)現(xiàn),形成鄰居平臺之間邏輯上的局部服務(wù)資源視圖,3)對本地服務(wù)資源視圖和局部服務(wù)資源視圖進(jìn)行融合處理,形成統(tǒng)一的全局服務(wù)資源視圖,構(gòu)建戰(zhàn)場全局態(tài)勢,4)執(zhí)行戰(zhàn)場態(tài)勢理解,根據(jù)態(tài)勢評估結(jié)果觸發(fā)相應(yīng)任務(wù),發(fā)送任務(wù)事件,轉(zhuǎn)1).

任務(wù)處理子流程如圖5:1)接收任務(wù),執(zhí)行任務(wù)分解,2)映射分解后的任務(wù)到服務(wù)組合.3)判斷當(dāng)前是否有正在執(zhí)行的任務(wù),如果有正在執(zhí)行的任務(wù),轉(zhuǎn)4),否則轉(zhuǎn)5),4)執(zhí)行服務(wù)資源調(diào)度沖突消解處理,處理成功轉(zhuǎn)5),否則轉(zhuǎn)1),5)順序執(zhí)行服務(wù)組合中的各個子任務(wù),發(fā)送資源管理請求,調(diào)度相應(yīng)服務(wù)資源,直到服務(wù)組合序列中所有子任務(wù)執(zhí)行結(jié)束.

協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)支持多個任務(wù)同時執(zhí)行,同時可根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢變化,自動觸發(fā)新的任務(wù),采用人工智能等技術(shù)進(jìn)行自主決策和任務(wù)規(guī)劃,自動重組作戰(zhàn)力量,創(chuàng)造多條殺傷路徑,為對手帶來不確定性,加大對手決策的難度.

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

馬賽克戰(zhàn)從概念到落地,技術(shù)上仍然存在諸多問題需要解決,美國DARPA針對馬賽克戰(zhàn)概念和相關(guān)技術(shù)開展了大量研究和實驗探索,2020財年DARPA預(yù)算中馬賽克相關(guān)項目占到總項目數(shù)的21%,經(jīng)費占比高達(dá)35%.

結(jié)合美軍支持的馬賽克戰(zhàn)相關(guān)項目,對基于馬賽克戰(zhàn)理念的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)建中涉及的面向復(fù)雜環(huán)境的高可靠安全通信技術(shù)、基于開放式架構(gòu)的資源管理與調(diào)度技術(shù)和基于協(xié)同的自主決策與智能任務(wù)規(guī)劃技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析.

4.1 面向復(fù)雜環(huán)境的高可靠安全通信技術(shù)

圖4 資源維護(hù)管理子流程流程圖Fig.4 Diagram of sub-process of resource management and maintenance

圖5 任務(wù)處理子流程流程圖Fig.5 Diagram of sub-process of task processing

分布式作戰(zhàn)的基礎(chǔ)是在武器平臺之間,武器平臺上有效載荷與雷達(dá)、指揮部位、情報部位之間建立高安全高可靠通信,面向復(fù)雜環(huán)境的高可靠安全通信技術(shù)解決在復(fù)雜、動態(tài)、對抗環(huán)境下,不同武器、功能單元之間自適應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸問題,同時避免被敵方探測,能夠承受強(qiáng)干擾、電磁和網(wǎng)絡(luò)攻擊.

面向復(fù)雜環(huán)境的高可靠安全通信技術(shù)方面,DARPA支持的項目包括對抗環(huán)境下的通信(C2E),任務(wù)優(yōu)化動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(DyNAMO)等,C2E是一個自適應(yīng)通信系統(tǒng),靈活的模塊化硬件可以在不進(jìn)行大量修改系統(tǒng)的情況下,實現(xiàn)功能更新并應(yīng)對來自對手的威脅,C2E網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的包容性,允許作戰(zhàn)空間中無線電類型的多樣性和重復(fù)性,為作戰(zhàn)部隊提供了可靠、網(wǎng)絡(luò)化、可擴(kuò)展的信息分發(fā)支持[4,10?11].DyNAMO 解決通信網(wǎng)絡(luò)中機(jī)載無線電網(wǎng)絡(luò)彼此不兼容問題,可以實現(xiàn)信息在多種類型系統(tǒng)中自由無縫共享[4,10?11].

馬賽克戰(zhàn)更強(qiáng)調(diào)建設(shè)靈活、自適應(yīng)、彈性的信息網(wǎng)絡(luò)體系,未來應(yīng)加強(qiáng)在通信降級下的自適應(yīng)通信能力,強(qiáng)對抗等復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的高安全、高可靠通信能力研究.

4.2 基于開放式架構(gòu)的資源管理與調(diào)度技術(shù)

功能分解后,協(xié)同作戰(zhàn)涉及要素種類多,包括武器平臺,傳感器等功能單元,數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)處理等服務(wù)資源,要素顆粒度不同,結(jié)構(gòu)異構(gòu),基于開放式架構(gòu)的資源管理與調(diào)度技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)傳輸能力,解決協(xié)同要素的統(tǒng)一管理、調(diào)度,要素間的互操作及系統(tǒng)集成問題.

基于開放式架構(gòu)的資源管理與調(diào)度技術(shù)方面,DARPA支持了體系綜合技術(shù)和試驗(SoSITE)和復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)和設(shè)計環(huán)境(CASCADE)等項目.SoSITE 聚焦于發(fā)展分布式空戰(zhàn)的概念、架構(gòu)和技術(shù)集成工具,利用現(xiàn)有航空系統(tǒng)的能力,使用開放系統(tǒng)架構(gòu)方法在各種有人和無人平臺上分散關(guān)鍵的任務(wù)功能,實現(xiàn)參戰(zhàn)要素間數(shù)據(jù)和資源的無縫實時共享[4?5,10?11],CASCADE 旨在提供統(tǒng)一的系統(tǒng)行為視圖,開發(fā)用于復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)組合和設(shè)計的形式語言,實現(xiàn)統(tǒng)一理解和復(fù)雜的自適應(yīng)交互[4,10?11].

協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)并不試圖構(gòu)建一個強(qiáng)大、無所不在的網(wǎng)絡(luò),而是在戰(zhàn)場可用網(wǎng)絡(luò)條件下,采用軟件技術(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)的信息分發(fā),滿足不同對抗條件、復(fù)雜環(huán)境的信息共享需求,未來應(yīng)加強(qiáng)信息按需分發(fā)、精準(zhǔn)推薦等技術(shù)研究,以提高不同網(wǎng)絡(luò)條件下的信息共享效能.

4.3 基于協(xié)同的自主決策與智能任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)在高度非結(jié)構(gòu)化和不確定的環(huán)境中,為了達(dá)到一個共同的目標(biāo),通過集中/分布式的方式自主的協(xié)調(diào)和選擇多個混合平臺之間的行為,使協(xié)同系統(tǒng)比獨立控制單個平臺具有更強(qiáng)的工作能力.基于協(xié)同的自主決策與智能任務(wù)規(guī)劃技術(shù)解決協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)在復(fù)雜戰(zhàn)場中根據(jù)環(huán)境、態(tài)勢變化自主選擇對抗、打擊、躲避、任務(wù)重新分配等行為的問題,模糊己方行動意圖,為對手制造決策困境.

基于協(xié)同的自主決策與智能任務(wù)規(guī)劃技術(shù)方面,DARPA支持了分布式作戰(zhàn)管理(DBM),對抗環(huán)境中的彈性同步規(guī)劃和評估(RSPACE),空戰(zhàn)演進(jìn)(ACE),自適應(yīng)殺傷網(wǎng)(ACK)和進(jìn)攻型使能集群戰(zhàn)術(shù)(OFFSET)等項目,DBM和RSPACE 均基于分布式作戰(zhàn)開發(fā),解決通信中斷等不確定戰(zhàn)場環(huán)境中戰(zhàn)斗管理的指揮與控制問題[4,10],ACE 通過發(fā)展空中視距內(nèi)(WVR)機(jī)動(俗稱近距離格斗或狗斗)自主化能力提高作戰(zhàn)人員對自主化作戰(zhàn)的信任,從而提高人機(jī)協(xié)同中的自主能力和指控交互信任水平[4,10],ACK 重點關(guān)注戰(zhàn)術(shù)決策支持,幫助用戶在空、天、陸、地面、地下和網(wǎng)絡(luò)等不同作戰(zhàn)域中選擇傳感器、效應(yīng)器和支撐元件,以形成自適應(yīng)殺傷鏈[4?5,10].

馬賽克戰(zhàn)注重己方的靈活重組和為對方制造決策困境,未來應(yīng)加強(qiáng)人工智能技術(shù)在平臺自主能力、博弈對抗方面的研究,以增強(qiáng)平臺的適應(yīng)性.

5 結(jié)論

馬賽克戰(zhàn)是一個面向未來的重要兵力設(shè)計概念.通過將傳統(tǒng)的單平臺及編隊分解為不同的組成部分,構(gòu)成多條殺傷路徑,隱藏作戰(zhàn)意圖,為己方創(chuàng)造靈活性和自適應(yīng)性,為對手制造決策困境,馬賽克戰(zhàn)必將對未來戰(zhàn)爭范式產(chǎn)生顛覆式影響,加強(qiáng)馬賽克戰(zhàn)技術(shù)跟蹤研究,借鑒馬賽克戰(zhàn)相關(guān)理念,構(gòu)建和優(yōu)化適應(yīng)我國實際的協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng),對提升我軍分布式協(xié)同作戰(zhàn)能力具有重要意義.