艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件智能云生態(tài)建設(shè)研究?

孫 翼 劉 聚 房佳勛 楊 梅

（海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所 大連 116018）

1 引言

水面艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件作為連接、統(tǒng)籌和控制指控系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的中央大腦對水面艦艇作戰(zhàn)效能發(fā)揮具有決定性作用。水面艦艇作戰(zhàn)軟件作戰(zhàn)效能發(fā)揮主要尤其所集成的作戰(zhàn)決策模型能力作為基礎(chǔ)。性能優(yōu)異的單體作戰(zhàn)決策模型以及綜合的優(yōu)化調(diào)度能力是作戰(zhàn)軟件的建設(shè)核心。當(dāng)前隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展和美軍“決策中心戰(zhàn)”理念的提出，大量的無人自主裝備將出現(xiàn)在未來的海戰(zhàn)場，這給海上艦艇作戰(zhàn)編隊(duì)提出了更高的要求。

將人工智能技術(shù)引入軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域，形成人機(jī)融合的作戰(zhàn)生態(tài)未來軍事作戰(zhàn)發(fā)展趨勢，各軍事大國都投入了大量的資源進(jìn)行建設(shè)。承載和推進(jìn)人工智能技術(shù)最好的技術(shù)解決方案是建設(shè)完整的開發(fā)云生態(tài)［8～10］。本文將結(jié)合目前艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件發(fā)展實(shí)際，充分利用人工智能和分布式計(jì)算云生態(tài)的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，在新一代作戰(zhàn)理念的指引下構(gòu)建艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)框架，以應(yīng)對未來海上作戰(zhàn)對艦艇指控系統(tǒng)軟件提出的新挑戰(zhàn)［1～3］。

2 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)的研發(fā)

2.1 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)定義

云計(jì)算是分布式計(jì)算的一種，指的是通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計(jì)算處理程序分解成無數(shù)個(gè)小程序，其早期就是簡單的分布式計(jì)算，解決任務(wù)分發(fā)，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的合并?，F(xiàn)階段所說的云服務(wù)已經(jīng)不單單是一種分布式計(jì)算，而是分布式計(jì)算、效用計(jì)算、負(fù)載均衡、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲、熱備份冗雜和虛擬化等計(jì)算機(jī)技術(shù)混合演進(jìn)并躍升的結(jié)果。而云生態(tài)的概念是以云計(jì)算平臺為基礎(chǔ)，打造一個(gè)集用戶交互、平臺數(shù)據(jù)處理、分布式計(jì)算、系統(tǒng)迭代升級的良性互動的有機(jī)體，其組成包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及人的行為操作［5］。

艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)勢是依托云生態(tài)的系統(tǒng)框架，建設(shè)專門適用于艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件研發(fā)及其配套設(shè)備、系統(tǒng)的云生態(tài)系統(tǒng)。目的是為了最大限度地將專業(yè)資源進(jìn)行高效整合，大幅度減少系統(tǒng)隔離、工程周期的壁壘和約束，實(shí)現(xiàn)端到端的設(shè)計(jì)、研發(fā)、測試和部署聯(lián)動環(huán)節(jié)，以更短的迭代周期有效提高艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件的作戰(zhàn)效能。

2.2 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)研發(fā)理念

鑒于美軍提出的“決策中心戰(zhàn)”理論，其核心是在作戰(zhàn)指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件上下功夫，通過人工智能等新興技術(shù)對傳統(tǒng)武器平臺進(jìn)行賦能，以算法模型優(yōu)化提升原有作戰(zhàn)系統(tǒng)能力，實(shí)現(xiàn)無法識別其作戰(zhàn)企圖、體系抗摧毀和分布式殺傷的“決策中心戰(zhàn)”作戰(zhàn)理念。

在傳統(tǒng)知識模型基礎(chǔ)上，綜合使用數(shù)據(jù)驅(qū)動和知識驅(qū)動方法，理清和調(diào)整數(shù)據(jù)驅(qū)動與知識驅(qū)動邊界，利用云生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建新一代作戰(zhàn)軟件框架。以應(yīng)對“決策中心戰(zhàn)”等新的作戰(zhàn)理論為作戰(zhàn)軟件研發(fā)的指導(dǎo)思想，堅(jiān)持獨(dú)立自主，勇于創(chuàng)新，認(rèn)識和理解技術(shù)改變指揮的作戰(zhàn)軟件發(fā)展理念。按照軟件研發(fā)的客觀規(guī)律構(gòu)建研發(fā)組織架構(gòu)，建立信息交流和資源共享機(jī)制。利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)對站軟件進(jìn)行框架更新和模型升級，滿足現(xiàn)階段部隊(duì)作戰(zhàn)輔助決策的巨大需求。

2.3 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)建設(shè)原則

艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)旨在為艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件開發(fā)提供完整的產(chǎn)品解決方案，有效整合需求、設(shè)計(jì)、編寫、測試和部署等多個(gè)項(xiàng)目開發(fā)環(huán)節(jié)，降低各個(gè)環(huán)節(jié)對接的復(fù)雜流程，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)多人同平臺的聯(lián)合開發(fā)的研發(fā)模式，將原有孤立的作戰(zhàn)模型高效整合，實(shí)現(xiàn)快速、敏捷的艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件開發(fā)模式。為了達(dá)到以上開發(fā)要求，艦艇指控系統(tǒng)云生態(tài)應(yīng)該符合以下建設(shè)原則。

1）抗摧毀原則。作戰(zhàn)軟件生態(tài)云為各專業(yè)工程技術(shù)人員提供完整的開發(fā)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)多人異步在線開發(fā)。因此，云系統(tǒng)建設(shè)的首要原則是抗摧毀性原則。一是考慮云系統(tǒng)處理大量的用戶訪問帶來的系統(tǒng)資源枯竭而導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰。云系統(tǒng)應(yīng)該在訪問控制、負(fù)載均衡以及不法請求等方面準(zhǔn)備相應(yīng)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二是考慮開發(fā)人員和用戶的錯誤操作而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。這需要對用戶和開發(fā)人員的操作進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)檢測、包括漏洞檢測、邏輯檢測和數(shù)據(jù)檢測等。三是考慮系統(tǒng)崩潰后有完整的替代補(bǔ)救方案。一旦云生態(tài)系統(tǒng)因各項(xiàng)原因而崩潰，系統(tǒng)應(yīng)該具備自動轉(zhuǎn)換備用系統(tǒng)，而主系統(tǒng)自行恢復(fù)的能力。

2）高性能原則。作戰(zhàn)軟件生態(tài)云包含了分布式云仿真系統(tǒng)，作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)由于其本身的計(jì)算復(fù)雜度需要占用大量的系統(tǒng)資源，加之多用戶的線上開發(fā)調(diào)用，這對系統(tǒng)的性能提出了非常高的性能要求。加之作戰(zhàn)軟件云生態(tài)為用戶和開發(fā)人員同時(shí)在線提供計(jì)算資源，這就導(dǎo)致對資源的消耗成線性增長甚至幾何增長。這就需要云生態(tài)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非常高效的內(nèi)部優(yōu)化和資源管理能力，以保證云生態(tài)系統(tǒng)可靠性。

3）彈性擴(kuò)展原則。傳統(tǒng)系統(tǒng)的內(nèi)部部署架構(gòu)無法輕松擴(kuò)展。通常，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)必須通過購買服務(wù)器和其他基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)來規(guī)劃峰值容量。這些多余的資源在活動暫停期間處于空閑狀態(tài)。云生態(tài)系統(tǒng)的資源池可根據(jù)開發(fā)人員和用戶需求量動態(tài)調(diào)節(jié)分配資源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。因?yàn)榭梢愿鶕?jù)需要添加或刪除計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他資產(chǎn)，這有助于開發(fā)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化其云平臺托管的工作負(fù)載并避免最終用戶瓶頸。當(dāng)需求意外激增時(shí)，正確配置的云計(jì)算應(yīng)用程序和服務(wù)會立即自動添加資源來處理負(fù)載。當(dāng)需求減少時(shí)，其云計(jì)算服務(wù)將恢復(fù)到原來的資源水平。云計(jì)算可以垂直或水平擴(kuò)展，作戰(zhàn)軟件云生態(tài)商可以提供自動化軟件來為用戶處理動態(tài)擴(kuò)展。

2.4 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)建設(shè)目標(biāo)

1）構(gòu)建良好的作戰(zhàn)軟件開發(fā)生態(tài)環(huán)境，使各型號的作戰(zhàn)軟件開發(fā)在同一個(gè)研發(fā)環(huán)境中，通過生態(tài)云資源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件資源統(tǒng)一管理和分配。通過開發(fā)人員不斷豐富和完善作戰(zhàn)模型，實(shí)現(xiàn)滾動迭代的軟件開發(fā)流程，逐漸形成在產(chǎn)業(yè)內(nèi)的整體技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件的彈性開發(fā)、敏捷開發(fā)。作戰(zhàn)軟件各模塊獨(dú)立開發(fā)模式，不能形成完整的作戰(zhàn)軟件開發(fā)流程。實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)模型開發(fā)經(jīng)驗(yàn)共享和快速更新迭代，利用云作戰(zhàn)仿真引擎驗(yàn)證給予數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化，使作戰(zhàn)模型更加貼近作戰(zhàn)實(shí)際。

2）確立以作戰(zhàn)目的為作戰(zhàn)模型求解綜合目標(biāo)，充分利用各戰(zhàn)術(shù)模塊資源形成合力，統(tǒng)籌各戰(zhàn)術(shù)模型的新型作戰(zhàn)模型構(gòu)建理念，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)生成動態(tài)可適應(yīng)性的彈性決策模型。實(shí)現(xiàn)決策模型應(yīng)用范圍覆蓋戰(zhàn)役級和戰(zhàn)術(shù)級的輔助決策能力。利用人工智能數(shù)據(jù)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)模型將傳統(tǒng)知識模型模塊包含整體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)框架內(nèi)，最大限度發(fā)揮傳統(tǒng)作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和人工智能自主探索的優(yōu)勢，從整體作戰(zhàn)目標(biāo)上對作戰(zhàn)模型進(jìn)行優(yōu)化。

3）創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)人工智能自主的作戰(zhàn)方案生成與驗(yàn)證能力，完善和豐富作戰(zhàn)軟件在戰(zhàn)役級作戰(zhàn)輔助決策和任務(wù)規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用。在作戰(zhàn)方案推演過程中，提供超實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)方案推演和輔助決策能力，在推演的關(guān)鍵作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)提供預(yù)先的輔助決策分析，為指揮員提供良好的決策支撐。作戰(zhàn)方案推演的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)使用機(jī)器自博弈方法在各個(gè)關(guān)鍵分支方向進(jìn)行模擬對抗，自博弈對抗是基于預(yù)先的智能藍(lán)軍模型進(jìn)行推演，可以更加真實(shí)擬合敵方行動，并充分發(fā)揮的最大作戰(zhàn)能力。然后根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)對博弈結(jié)果進(jìn)行評判，并將相應(yīng)的分析返回到當(dāng)前作戰(zhàn)進(jìn)程中，為指揮員決策提供完整的數(shù)據(jù)支撐。

4）實(shí)現(xiàn)簡約友好的人機(jī)交互手段，在分布式作戰(zhàn)仿真引擎的數(shù)據(jù)推動下，綜合利用虛擬與現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為指揮員提供全場景作戰(zhàn)態(tài)勢的數(shù)字沙盤和手勢交互，實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互和作戰(zhàn)輔助決策支撐。突破人機(jī)交互繁瑣，實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員從指揮人員角度理解作戰(zhàn)過程的開發(fā)思想，提高作戰(zhàn)軟件的界面友好程度，從而吸引更多用戶操作使用，為云生態(tài)提高質(zhì)量數(shù)據(jù)，使云生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)。

5）通過軟件開發(fā)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)過程質(zhì)量管理的自動化和可追溯化。借鑒大型程序代碼倉庫管理平臺的理念，實(shí)現(xiàn)本地的程序代碼管理，并通過項(xiàng)目分組、人員分工和代碼倉庫等實(shí)現(xiàn)研發(fā)組織和過程管理的質(zhì)量監(jiān)控體系。

3 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)框架

艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)架構(gòu)總體包含客戶端與服務(wù)端，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)請求想作戰(zhàn)軟件云申請響應(yīng)的資源，服務(wù)端依據(jù)請求統(tǒng)籌調(diào)度各類資源為客戶端提供響應(yīng)的服務(wù)。服務(wù)端總體包括作戰(zhàn)方案原子規(guī)則生成模塊、智能計(jì)算平臺和云仿真引擎等部件，其架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)架構(gòu)

3.1 基于計(jì)算服務(wù)器集群的分布式計(jì)算中心與仿真平臺

根據(jù)新的作戰(zhàn)理論描述，未來海上作戰(zhàn)就是算法作戰(zhàn)。深度學(xué)習(xí)算法作為人工智能算法研究前沿，在諸多領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了測試和應(yīng)用，并取得了良好的效果。新一代的智能算法需要計(jì)算云為其提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，而計(jì)算云構(gòu)建離不開高性能的硬件基礎(chǔ)以保障充足的算力實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的分布式計(jì)算。構(gòu)建作戰(zhàn)軟件生態(tài)云還需要底層的資源調(diào)度系統(tǒng)和運(yùn)行維護(hù)，這三部分相互支撐構(gòu)成完整的計(jì)算云環(huán)境。利用第三方開源云生態(tài)框架Ku?bernets和Docker容器化技術(shù)構(gòu)建作戰(zhàn)軟件生態(tài)云，實(shí)現(xiàn)云上開發(fā)、云上管理、云上部署、云上測試的完整軟件開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)軟件的敏捷開發(fā)和彈性開發(fā)。

現(xiàn)代化作戰(zhàn)由于其殺傷性強(qiáng)、成本高無法進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)和訓(xùn)練。而作戰(zhàn)軟件是未來作戰(zhàn)的中心環(huán)節(jié)，在一定程度上決定了作戰(zhàn)的走向，因此其可靠性有效性需要在仿真平臺上進(jìn)行大量的試錯和優(yōu)化。構(gòu)建具有獨(dú)立自主的仿真模擬運(yùn)行引擎?；诜植际郊軜?gòu)的云仿真驅(qū)動平臺依托云計(jì)算和微服務(wù)技術(shù)，可以最大限度調(diào)動計(jì)算資源，并支持多想定并行推演。利用仿真平臺的推演結(jié)果對整體的作戰(zhàn)方案進(jìn)行評估，為作戰(zhàn)指揮人員提供高效的作戰(zhàn)輔助決策。

3.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和知識驅(qū)動模型算法的智能計(jì)算架構(gòu)體系

戰(zhàn)爭是復(fù)雜系統(tǒng)體系，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭加入了各種高技術(shù)手段，導(dǎo)致系統(tǒng)維度進(jìn)一步提升，使指戰(zhàn)員更加難以清晰地理解和認(rèn)識。解決復(fù)雜系統(tǒng)就要使用與之配套的解決手段，傳統(tǒng)上的演繹方法——依靠決策樹的和戰(zhàn)術(shù)計(jì)算的方案無法進(jìn)行高維度復(fù)雜問題求解。在數(shù)據(jù)充分的條件下，歸納方法更為有效。新一代的智能技術(shù)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架由于其實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的非線性變換，在仿真引擎的數(shù)據(jù)驅(qū)動模式下，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題求解。在分析和理解作戰(zhàn)輔助決策上充分利用二者的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)層級化的任務(wù)規(guī)劃和輔助決策，實(shí)現(xiàn)全鏈路的作戰(zhàn)方案生成。數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和知識驅(qū)動模型算法框架應(yīng)用基于梯度下降的強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，其組成包括價(jià)值網(wǎng)絡(luò)和策略網(wǎng)絡(luò)，即Actor-Critic模型。在網(wǎng)絡(luò)模型整體設(shè)計(jì)中，將知識模型的決策樹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在策略網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，這樣可以模型在可以繼承先驗(yàn)知識的情況下，又能決策空間進(jìn)行探索，最大發(fā)揮知識驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型的效能［6～9］。

3.3 基于作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)集的作戰(zhàn)原子規(guī)則生成模塊

作戰(zhàn)方案原子規(guī)則生成模塊利用特征提取、自動編碼、數(shù)據(jù)離散等算法對原始作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)集進(jìn)行關(guān)鍵要素提取，并在分布式云仿真平上通過后續(xù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對原子規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證，并將結(jié)果返回給數(shù)據(jù)算法對算法進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器對專家知識、歷史經(jīng)驗(yàn)的提取和利用。模塊建設(shè)主要分為兩個(gè)階段，第一階段對現(xiàn)有方案按著作戰(zhàn)要素進(jìn)行特征提取，并形成一套完整的作戰(zhàn)原子規(guī)則庫，為其他模塊提供基礎(chǔ)支撐。第二階段則使用自然語言處理技術(shù)（NLP），利用機(jī)器學(xué)習(xí)自動提取作戰(zhàn)方案要素，探索作戰(zhàn)中更多的未知性和不確定性［10］。

3.4 基于人工智能技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)層

基于人工智能技術(shù)的應(yīng)用服務(wù)層通過B/S結(jié)構(gòu)向軍事人員提供模型開發(fā)服務(wù)，整合成完整的應(yīng)用級服務(wù)集對不同用戶提供作戰(zhàn)指標(biāo)建立、模型開發(fā)、模型驗(yàn)證、方案推演驗(yàn)證以及實(shí)裝部署測試等應(yīng)用服務(wù)。軍事開發(fā)人員可以在自己所從事領(lǐng)域，基于作戰(zhàn)方案數(shù)據(jù)集的作戰(zhàn)原子規(guī)則模塊進(jìn)行高效的模型開發(fā)，也可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法、深度學(xué)習(xí)算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對底層資源進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)驅(qū)動和知識驅(qū)動融合開發(fā)。并在系統(tǒng)內(nèi)完成模型的驗(yàn)證和封裝，實(shí)現(xiàn)一體化的知識到模型庫流程。

數(shù)據(jù)是構(gòu)建作戰(zhàn)是作戰(zhàn)軟件云生態(tài)的核心要素，依托現(xiàn)有的軍隊(duì)網(wǎng)絡(luò)或結(jié)合人員培訓(xùn)，構(gòu)建一套BS架構(gòu)的作戰(zhàn)軟件使用模式，使廣大作戰(zhàn)指揮人員和工程技術(shù)人員進(jìn)行廣泛的使用測試，既可以提高作戰(zhàn)人員的操作熟悉程度，又可以為后續(xù)迭代開發(fā)提供大量高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐。該使用環(huán)境依托與分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)多名開發(fā)人員在同一環(huán)境下并行開發(fā)，也可以實(shí)現(xiàn)多名指揮員在統(tǒng)一作戰(zhàn)想定中進(jìn)行模擬推演［13～16］。

4 結(jié)語

本文依據(jù)新一代作戰(zhàn)理念，提出了艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)的建設(shè)理念、建設(shè)原則和建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合作戰(zhàn)軟件的客觀業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)云生態(tài)技術(shù)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了艦艇指控系統(tǒng)作戰(zhàn)軟件云生態(tài)架構(gòu)。該架構(gòu)是進(jìn)一步提升我水面艦艇作戰(zhàn)體系適應(yīng)性的理論基礎(chǔ)和實(shí)施方法，旨在應(yīng)對未來美軍“決策中心戰(zhàn)”，對未來海上作戰(zhàn)軟件研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。