基于無(wú)人集群的指揮控制架構(gòu)研究?

張卓翔 趙方亮 張耀鴻

（國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410005）

1 引言

在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，越來(lái)越多的無(wú)人作戰(zhàn)裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于單個(gè)無(wú)人作戰(zhàn)裝備所能執(zhí)行的任務(wù)比較單一有限，而通過(guò)多個(gè)無(wú)人作戰(zhàn)裝備的能力互補(bǔ)和行動(dòng)協(xié)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)效能的提升，無(wú)人作戰(zhàn)的形式逐步從單平臺(tái)向著多平臺(tái)的“集群式”方向發(fā)展。對(duì)于“集群式”的無(wú)人作戰(zhàn)體系，若沒(méi)有適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境的科學(xué)高效指揮控制架構(gòu)，無(wú)人集群將難以發(fā)揮多平臺(tái)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，各個(gè)無(wú)人作戰(zhàn)裝備之間也會(huì)由于缺乏有效的協(xié)調(diào)而降低任務(wù)完成的效率甚至出現(xiàn)矛盾沖突。因此，建立一種科學(xué)高效的指揮控制架構(gòu)，對(duì)于無(wú)人集群更好地適應(yīng)環(huán)境，最大化發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，提高作戰(zhàn)效能，高效完成作戰(zhàn)任務(wù)有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文將從無(wú)人集群和指揮控制的研究情況入手，嘗試提出一種基于無(wú)人集群的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)，旨在挖掘單個(gè)無(wú)人作戰(zhàn)裝備的發(fā)展?jié)撃艿耐瑫r(shí)，有效將無(wú)人集群通過(guò)指揮控制架構(gòu)有機(jī)的聯(lián)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的作戰(zhàn)效能，并通過(guò)基于熵理論的指揮結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法分析復(fù)合型指揮控制架構(gòu)的作戰(zhàn)效能。

2 無(wú)人集群

2.1 無(wú)人集群概念

無(wú)人集群最初起源于無(wú)人機(jī)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和無(wú)人機(jī)運(yùn)用范圍的擴(kuò)展，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用從單一獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)向著具有地面控制站、測(cè)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等組成的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)方向發(fā)展，逐步形成了具有一定自主協(xié)同能力的無(wú)人機(jī)集群。隨著無(wú)人技術(shù)在其他無(wú)人作戰(zhàn)裝備上的普及，集群技術(shù)也在無(wú)人車、無(wú)人艦艇和無(wú)人潛航器上得到應(yīng)用。無(wú)人機(jī)集群也逐步發(fā)展為無(wú)人集群。

2.2 無(wú)人集群的作戰(zhàn)特點(diǎn)

2.2.1 自主協(xié)同控制

無(wú)人作戰(zhàn)裝備由于其無(wú)人特性，需要具備一定的自主控制能力。在無(wú)人集群作戰(zhàn)環(huán)境下，無(wú)人作戰(zhàn)裝備需要根據(jù)實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境態(tài)勢(shì)變化做出合適的反應(yīng)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的行為，無(wú)人作戰(zhàn)裝備應(yīng)該能夠自主識(shí)別以減短反應(yīng)時(shí)間，有效降低作戰(zhàn)人員的工作負(fù)荷。對(duì)于無(wú)人集群，要充分發(fā)揮集群智能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)1+1>2的無(wú)人集群系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)要解決好無(wú)人作戰(zhàn)裝備之間，作戰(zhàn)人員和無(wú)人作戰(zhàn)裝備之間的協(xié)同控制問(wèn)題。

2.2.2 信息感知與共享

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜多變，信息已逐漸成為了能否取得戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)的決定條件。對(duì)于無(wú)人作戰(zhàn)裝備來(lái)說(shuō)，其輕便靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，可以充分發(fā)揮出信息感知的優(yōu)勢(shì)。借助多樣的傳感器和現(xiàn)代偵察手段，無(wú)人作戰(zhàn)裝備可以自主感知地理、電磁、氣象等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變化。對(duì)于無(wú)人集群來(lái)說(shuō)，大量無(wú)人作戰(zhàn)裝備各自感知到的多源異類信息，在提供給后臺(tái)終端處理的同時(shí)，各無(wú)人作戰(zhàn)裝備之間也應(yīng)該能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化通信技術(shù)做到實(shí)時(shí)信息共享。

2.2.3 作戰(zhàn)力量靈活配置

在快節(jié)奏的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，武器系統(tǒng)需要面對(duì)靈活多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，在極短時(shí)間內(nèi)快速配置武器力量并在搞對(duì)抗環(huán)境中做出對(duì)抗反擊。無(wú)人作戰(zhàn)裝備的大量應(yīng)用和普及，使武器力量的配置也有了更多的可能。不同于傳統(tǒng)武器，無(wú)人作戰(zhàn)裝備具有低成本靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，可以快速進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)。針對(duì)不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，無(wú)人戰(zhàn)車、無(wú)人機(jī)、無(wú)人艦艇、無(wú)人潛水器等組成的異構(gòu)無(wú)人集群可以和傳統(tǒng)的作戰(zhàn)力量進(jìn)行靈活配置，充分發(fā)揮武器系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

3 基于無(wú)人集群的指揮控制架構(gòu)

3.1 OODA環(huán)指控模型

美國(guó)空軍上校John Boyd在20世紀(jì)80年代提出的OODA環(huán)理論是由觀察、判斷、決策、行動(dòng)四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的決策環(huán)路。OODA環(huán)理論四個(gè)基本環(huán)節(jié)中，觀察是對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行偵察感知，得到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的信息和數(shù)據(jù)；判斷是對(duì)得到的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的分析和評(píng)估，對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工處理；決策是指揮員根據(jù)分析得到的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和敵我狀態(tài)，制定出合適的作戰(zhàn)方案；行動(dòng)是依據(jù)決策階段制定的行動(dòng)方案來(lái)實(shí)施作戰(zhàn)行動(dòng)。

3.2 復(fù)合型指揮控制架構(gòu)

無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為一個(gè)大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)，如何基于大量具有一定自主能力的個(gè)體，提高各個(gè)個(gè)體和各子系統(tǒng)之間的耦合能力，發(fā)揮出更大的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，成為了無(wú)人作戰(zhàn)和指揮控制方面一個(gè)亟需解決的問(wèn)題?；趥鹘y(tǒng)的OODA環(huán)理論，嘗試提出一種適用于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)和無(wú)人作戰(zhàn)的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)。

作為一個(gè)具備能夠獨(dú)立完成作戰(zhàn)任務(wù)能力的無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)，應(yīng)該由無(wú)人作戰(zhàn)集群，戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)人員，遠(yuǎn)程服務(wù)器，后方指揮部四個(gè)部分組成。如圖1所示。

圖1 無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成

為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，參考OODA環(huán)的作戰(zhàn)理念，加快作戰(zhàn)行動(dòng)中的“觀察-判斷-決策-行動(dòng)”循環(huán)，本文提出的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)，圍繞作戰(zhàn)任務(wù)，將整個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)細(xì)化為大量的子任務(wù)，依據(jù)不同子任務(wù)的類型和難度等級(jí)采取不同的指揮決策方式，也就產(chǎn)生了不同的OODA環(huán)。

對(duì)于難度較低的Ⅰ類任務(wù)，OODA環(huán)將只會(huì)在終端服務(wù)器和無(wú)人集群內(nèi)部完成循環(huán)過(guò)程。各無(wú)人作戰(zhàn)裝備通過(guò)各個(gè)傳感器感知戰(zhàn)場(chǎng)信息，并將大量的信息數(shù)據(jù)回傳到后方的終端服務(wù)器，完成“觀察”階段。在信息共享的情況下，終端服務(wù)器接收來(lái)自各無(wú)人作戰(zhàn)裝備節(jié)點(diǎn)的信息流和數(shù)據(jù)流，對(duì)信息情報(bào)進(jìn)行加工處理，實(shí)時(shí)更新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并針對(duì)各階段的子任務(wù)做出輔助決策，完成“判斷”階段。各無(wú)人作戰(zhàn)裝備在得到終端服務(wù)器更新的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和輔助決策后，依據(jù)自身的自主決策能力和各無(wú)人作戰(zhàn)裝備之間的協(xié)同能力完成“決策”和“行動(dòng)”階段。如圖2所示。

圖2 Ⅰ類任務(wù)OODA環(huán)

對(duì)于稍復(fù)雜的Ⅱ類任務(wù)，基于Ⅰ類任務(wù)的OO?DA循環(huán)基礎(chǔ)上，戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)人員將會(huì)參與到OODA循環(huán)過(guò)程中?！坝^察”階段同樣由大量的無(wú)人作戰(zhàn)裝備完成。在Ⅰ類任務(wù)的OODA循環(huán)的“判斷”之外，戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)人員能夠通過(guò)手持終端得到無(wú)人作戰(zhàn)裝備感知到的戰(zhàn)場(chǎng)信息，并根據(jù)終端服務(wù)器處理后的信息情報(bào)進(jìn)行進(jìn)一步的加工融合。在“決策”階段，戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)人員依據(jù)終端服務(wù)器提供的輔助決策和自己的判斷能力制定合適的作戰(zhàn)方案。在“行動(dòng)”階段，對(duì)于一些復(fù)雜的行為，戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)人員將會(huì)對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)裝備的行動(dòng)進(jìn)行一定程度的干預(yù)。如圖3所示。

圖3 Ⅱ類任務(wù)OODA環(huán)

對(duì)于難度較高，規(guī)模較大的Ⅲ類作戰(zhàn)任務(wù)，無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的各組成部分都將會(huì)參與到OODA循環(huán)過(guò)程中。作為最高指揮層，指揮部的作用更多體現(xiàn)在對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的判斷和作戰(zhàn)行動(dòng)的決策能力上。戰(zhàn)爭(zhēng)的最終執(zhí)行者終歸要落實(shí)到人上，人才是戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的決定因素。指揮部能夠?qū)⒁恍┯?jì)算機(jī)無(wú)法量化的社會(huì)性因素考慮到戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的判斷和指揮決策過(guò)程中。從戰(zhàn)略層次上實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)。如圖4所示。

圖4 Ⅲ類任務(wù)OODA環(huán)

以任務(wù)為中心的多層次指揮控制架構(gòu)，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，最大程度上更好更快地完成OODA循環(huán)，減輕作戰(zhàn)人員的負(fù)擔(dān)，提高作戰(zhàn)效能，發(fā)揮無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

4 基于熵理論的指揮結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法

4.1 熵理論

作為一個(gè)熱力學(xué)概念，“熵”最初由德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯在1856年提出。在熱力學(xué)的基礎(chǔ)上，信息論之父香農(nóng)提出了“信息熵”的概念，用于信源不確定度的描述，將數(shù)學(xué)上的概率與信息的冗余度聯(lián)系了起來(lái)。

4.2 指揮組織結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)熵

隨著，“信息熵”理論的發(fā)展，熵學(xué)在管理學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如企業(yè)生產(chǎn)和公司管理，在軍事上，“熵理論”主要用于指揮組織結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)效能評(píng)估。

由于“信息熵”理論主要是描述信源的不確定度，因此“熵理論”在評(píng)估指揮組織結(jié)構(gòu)時(shí)，主要從信息流的角度出發(fā)。我們用時(shí)效性來(lái)刻畫(huà)信息在組織體系中的運(yùn)行速度，用準(zhǔn)確性來(lái)刻畫(huà)信息流在組織結(jié)構(gòu)中的交互作用質(zhì)量。為了能夠定量分析指揮組織結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)效能，我們分別引用時(shí)效熵和質(zhì)量熵的概念來(lái)分別度量指揮組織結(jié)構(gòu)中信息流的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

4.2.1 指揮組織結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵

為了使問(wèn)題的描述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將指揮組織結(jié)構(gòu)看成一個(gè)系統(tǒng)。我們用熵來(lái)度量信息在指揮組織結(jié)構(gòu)中，各拓?fù)浠鶎釉刂g流通的時(shí)效性，并將之稱為系統(tǒng)的時(shí)效熵。

在一個(gè)指揮層次為l層，指揮控制節(jié)點(diǎn)為N個(gè)的組織體系中，編號(hào)為i，j的節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系長(zhǎng)度用L(ij)來(lái)表示，其數(shù)值為i，j節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，長(zhǎng)度增加1。

1）系統(tǒng)的時(shí)效微觀態(tài)總數(shù)為

2）信息在第i，j個(gè)節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)移的概率定義為

3）第i，j節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)系的時(shí)效熵Ht(ij)，定義為

4）按照系統(tǒng)的跨度由上至下，定義系統(tǒng)總的時(shí)效熵為

5）系統(tǒng)的最大時(shí)效熵定義為

6）系統(tǒng)的時(shí)效用R表示，則

系統(tǒng)時(shí)效R越大，說(shuō)明該系統(tǒng)中信息流動(dòng)的速率越快，同時(shí)也意味著在信息流動(dòng)方面，系統(tǒng)有著更高的有序化程度。

4.2.2 指揮組織結(jié)構(gòu)的質(zhì)量熵

為了描述信息在指揮組織結(jié)構(gòu)中流動(dòng)的準(zhǔn)確性，我們用熵來(lái)度量指揮信息的質(zhì)量，并將之稱為質(zhì)量熵。其計(jì)算如下。

1）設(shè)k(i)表示指揮組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中聯(lián)系跨度數(shù)，表示與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)有直接聯(lián)系的元素?cái)?shù)量，則系統(tǒng)質(zhì)量微觀態(tài)總數(shù)為

2）系統(tǒng)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)的概率pm(i)定義為

3）節(jié)點(diǎn)要素的質(zhì)量熵Hm(i)定義為

4）指揮組織結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量熵為

5）指揮組織結(jié)構(gòu)的最大質(zhì)量熵為

6）指揮組織結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)質(zhì)量定義為

系統(tǒng)質(zhì)量R越大，說(shuō)明信息在系統(tǒng)中傳遞的準(zhǔn)確性越高，同時(shí)也意味著在信息質(zhì)量方面，系統(tǒng)有著更高的有序化程度。

5 無(wú)人集群的指揮組織結(jié)構(gòu)效能評(píng)估

5.1 基于熵的指揮結(jié)構(gòu)評(píng)估過(guò)程

引入指揮組織結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)熵概念，借助結(jié)構(gòu)熵的評(píng)估方法，可以對(duì)指揮組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量的分析評(píng)估，對(duì)于指揮組織結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)效能有一個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)。

運(yùn)用結(jié)構(gòu)熵評(píng)估一個(gè)指揮組織結(jié)構(gòu)，基本流程如下。

1）對(duì)所要評(píng)估的指揮組織進(jìn)行分析，明確指揮組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

2）將指揮組織的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用樹(shù)狀圖的形式表示出來(lái)；

3）計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)元素和元素之間的聯(lián)系長(zhǎng)度；

4）分別計(jì)算指揮組織結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵和質(zhì)量熵；

5）通過(guò)時(shí)效熵和質(zhì)量熵對(duì)指揮組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。

5.2 計(jì)算過(guò)程

運(yùn)用指揮組織結(jié)構(gòu)熵的評(píng)估方法對(duì)復(fù)合型指揮控制架構(gòu)中的三類指揮組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和計(jì)算過(guò)程如下。

圖5 三類任務(wù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 Ⅰ類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)熵

圖7 Ⅱ類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)熵

三類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)的比較如表1。

從表1的比較可以看出，隨著作戰(zhàn)任務(wù)難度的增加，所采用的指揮組織結(jié)構(gòu)的時(shí)效熵在增加，即信息傳遞的時(shí)效性在降低；同時(shí)，其質(zhì)量熵在減少，即信息傳遞的準(zhǔn)確性在升高。在綜合考察系統(tǒng)時(shí)效性和準(zhǔn)確性時(shí)，可以運(yùn)用系統(tǒng)綜合值（系統(tǒng)時(shí)效與系統(tǒng)質(zhì)量的平均值）進(jìn)行分析，當(dāng)作戰(zhàn)任務(wù)難度較低時(shí)，采用的指揮組織結(jié)構(gòu)的中，信息流動(dòng)的有序性較高。靈活配置指揮組織結(jié)構(gòu)可以有效地提高作戰(zhàn)效能。

表1 三類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)無(wú)人集群作戰(zhàn)，結(jié)合新興的科學(xué)技術(shù)，提出一種能夠適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)靈活多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)，并運(yùn)用定量分析方法對(duì)提出的指揮控制架構(gòu)從信息流的“時(shí)效性”和“準(zhǔn)確性”進(jìn)行了計(jì)算分析。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域運(yùn)用的不斷擴(kuò)展，無(wú)人集群的指揮控制架構(gòu)也應(yīng)該緊跟時(shí)代發(fā)展潮流，不斷提高無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。