基于EC2的無(wú)人化作戰(zhàn)體系云流化指控架構(gòu)設(shè)計(jì)方法

黃美根, 王維平, 王 濤, 李小波, 何 華, 楊 松

(國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引 言

在軍事智能化革命浪潮催生下,多無(wú)人集群、忠誠(chéng)僚機(jī)等無(wú)人化作戰(zhàn)成為日益重要的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)樣式。無(wú)人化作戰(zhàn)體系從人機(jī)關(guān)系角度可分為有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系和無(wú)人機(jī)器自主作戰(zhàn)體系。在無(wú)人機(jī)器自主作戰(zhàn)體系范疇,美軍提出2035年實(shí)現(xiàn)無(wú)人化戰(zhàn)場(chǎng),旨在以“人員零傷亡”狀態(tài)下達(dá)成作戰(zhàn)目標(biāo)?；诖?美軍提出全新戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)理念——馬賽克戰(zhàn),是實(shí)現(xiàn)“決策中心戰(zhàn)”的重要途徑,通過(guò)可組合、分布式的兵力設(shè)計(jì)與部署,在聯(lián)合全域指控賦能下,支持快速構(gòu)建面向任務(wù)的自適應(yīng)殺傷網(wǎng),從而使對(duì)手因缺乏有效應(yīng)對(duì)手段而陷入決策困境。

實(shí)現(xiàn)無(wú)人化戰(zhàn)場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期的過(guò)程,需要無(wú)人系統(tǒng)具有足夠的智能化程度,滿(mǎn)足其任務(wù)執(zhí)行所要求完全的自主權(quán),而這是無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展的終極目標(biāo)。本文研究對(duì)象為無(wú)人化作戰(zhàn)體系中的有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系,通過(guò)使有人系統(tǒng)給予無(wú)人系統(tǒng)受監(jiān)督的自主權(quán),充分發(fā)揮更強(qiáng)機(jī)動(dòng)性、隱身性、低成本等無(wú)人化優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的作戰(zhàn)效果,而這也是其優(yōu)于傳統(tǒng)作戰(zhàn)體系(沒(méi)有無(wú)人平臺(tái)或無(wú)人平臺(tái)不具備自主權(quán))的主要來(lái)源。因此,有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系具有明確的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求,是提升實(shí)戰(zhàn)化能力的必由之路,總結(jié)有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系特征如下:① 戰(zhàn)場(chǎng)邊界擴(kuò)展與作戰(zhàn)中心收斂。一方面,無(wú)人平臺(tái)作戰(zhàn)能力擴(kuò)展了傳統(tǒng)意義上的有人戰(zhàn)場(chǎng)邊界;另一方面,通過(guò)作戰(zhàn)資源的高效調(diào)度與快速重組,無(wú)人平臺(tái)可以更好地收斂于作戰(zhàn)中心區(qū)域,履行作戰(zhàn)使命。② 自主智能提升與作戰(zhàn)目標(biāo)聚焦。一方面,隨著技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)人平臺(tái)自主程度與智能化水平不斷提升;另一方面,在有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系下,無(wú)人平臺(tái)自主決策權(quán)始終處于作戰(zhàn)人員制定規(guī)則約束下,并聚焦于作戰(zhàn)目標(biāo)。③ 戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)作泛化與作戰(zhàn)節(jié)奏加速。一方面,戰(zhàn)場(chǎng)協(xié)作范圍更為廣泛,既有作戰(zhàn)人員與無(wú)人平臺(tái)的深度融合,也有無(wú)人平臺(tái)相互間的自主協(xié)作;另一方面,作戰(zhàn)節(jié)奏明顯加速,戰(zhàn)場(chǎng)突變頻發(fā),對(duì)協(xié)作效率與適變性要求較高。

指揮控制是戰(zhàn)爭(zhēng)的樞紐,涉及到信息傳輸、信息共享、態(tài)勢(shì)感知、規(guī)劃計(jì)劃、決策、決策執(zhí)行等多個(gè)方面,無(wú)人化作戰(zhàn)也不例外。隨著無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)等無(wú)人平臺(tái)自主化、智能化程度的不斷提升,傳統(tǒng)層級(jí)固化的指控架構(gòu)難以發(fā)揮無(wú)人化作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)此,學(xué)者主要從優(yōu)化指控架構(gòu)以適用無(wú)人化作戰(zhàn)和面向無(wú)人化作戰(zhàn)設(shè)計(jì)全新指控架構(gòu)等兩個(gè)方面展開(kāi)研究。在優(yōu)化指控架構(gòu)方面,周翔翔等提出了指控架構(gòu)扁平化設(shè)計(jì)方法,但沒(méi)有充分考慮架構(gòu)的動(dòng)態(tài)調(diào)整問(wèn)題,進(jìn)而孫鵬等提出了基于人工蜂群的指控架構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整方法。在設(shè)計(jì)全新指控架構(gòu)方面,Chen等認(rèn)為指控的核心是基于任務(wù)實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化調(diào)配和組織,基于云計(jì)算范式設(shè)計(jì)了移動(dòng)云模式的指揮信息系統(tǒng),但其未充分考慮無(wú)人化作戰(zhàn)的特點(diǎn)。閆晶晶等通過(guò)將任務(wù)相關(guān)實(shí)體臨時(shí)重組為指控任務(wù)共同體,并針對(duì)動(dòng)態(tài)重構(gòu)機(jī)制進(jìn)行了研究,呂學(xué)志等進(jìn)一步采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型探索了任務(wù)共同體識(shí)別方法。金欣等則采用服務(wù)化思想,結(jié)合軟件定義技術(shù),設(shè)計(jì)了面向多樣化需求靈活重組指控系統(tǒng)工具或功能的新型服務(wù)化指控系統(tǒng)架構(gòu)。此外,在指控系統(tǒng)效能評(píng)估方面,張壯等提出基于變權(quán)-投影灰靶的動(dòng)態(tài)效能評(píng)估方法,藍(lán)羽石等則從時(shí)效性方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)化CISR (command, control, communications, computers, intelligence, surveillance, reconnaissance)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。

然而,考慮到未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性和無(wú)人化作戰(zhàn)的動(dòng)態(tài)性,依據(jù)組織權(quán)變理論,適用于所有場(chǎng)景的無(wú)人化作戰(zhàn)體系指控架構(gòu)是不存在的。因此,面向多樣化使命,構(gòu)建匹配的組織結(jié)構(gòu)與業(yè)務(wù)流程,是設(shè)計(jì)無(wú)人化作戰(zhàn)體系指控架構(gòu)的關(guān)鍵。組織指揮與控制(enterprise command and control, EC2)理論由Bayne教授提出,其定義組織為價(jià)值生產(chǎn)過(guò)程的管理。通過(guò)將體系組織分解為若干具有相似結(jié)構(gòu)的組織價(jià)值生產(chǎn)單元(value production unit, VPU),從而在VPU重組基礎(chǔ)上支持依據(jù)作戰(zhàn)使命進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化的組織設(shè)計(jì)。盡管EC2具備一定的可調(diào)整性,但其在適變性方面考慮較少,如EC2將指控過(guò)程總體上劃分為態(tài)勢(shì)感知、計(jì)劃生成與計(jì)劃執(zhí)行3個(gè)階段,其對(duì)組織調(diào)整優(yōu)化過(guò)程主要體現(xiàn)在計(jì)劃生成過(guò)程。就無(wú)人化作戰(zhàn)體系而言,快速作戰(zhàn)節(jié)奏與高度自主智能對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)提出了更高要求,適變成為無(wú)人化作戰(zhàn)的基本特征,計(jì)劃生成后的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)難以適應(yīng)有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系,有必要對(duì)EC2適變性進(jìn)行改進(jìn),使其更好地支撐無(wú)人化作戰(zhàn)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。

綜上所述,無(wú)人化作戰(zhàn)體系指控架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于與作戰(zhàn)使命相匹配,緣于無(wú)人系統(tǒng)具備受監(jiān)督的自主權(quán),有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系在指控方面更專(zhuān)注于作戰(zhàn)資源的高效重組與指控關(guān)系的快速重構(gòu),以區(qū)別于純粹的有人作戰(zhàn)體系與無(wú)人作戰(zhàn)體系。因此,本文在充分考慮無(wú)人化作戰(zhàn)運(yùn)用模式與適變特性的基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)EC2適變性并用于支撐指控組織與服務(wù)的設(shè)計(jì),提出了一種適用于無(wú)人化作戰(zhàn)體系的云流化指控架構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 云流化指控概念建模

云協(xié)同是一種新興的網(wǎng)信體系作戰(zhàn)模式,通過(guò)將作戰(zhàn)資源以云服務(wù)形式進(jìn)行虛擬化,實(shí)現(xiàn)“分散資源集中使用”和“集中資源分散服務(wù)”雙重功能,有效提升作戰(zhàn)資源的使用效率。借鑒云協(xié)同理念,面向有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系,提出云流化指控概念,通過(guò)將體系中有人指控資源虛擬化,構(gòu)建“指控云”,并引入“信息流”概念，提出將無(wú)人集群作戰(zhàn)能力集成為“作戰(zhàn)流”,即以“流”的形式描述作戰(zhàn)能力的傳遞。因此,云流化指控概念突出了無(wú)人平臺(tái)的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),以“前線(xiàn)無(wú)人作戰(zhàn)流”與“后方有人指控云”有機(jī)融合為基本指控模式,設(shè)計(jì)云流化指控概念模型如圖1所示。

圖1 云流化指控概念模型Fig.1 Conceptual model of cloud-flow command and control

指控作戰(zhàn)資源在云協(xié)同系統(tǒng)中有3種存在形態(tài):實(shí)體形式的物理資源、作戰(zhàn)能力封裝后的虛擬資源和虛擬資源作用發(fā)揮的云服務(wù)。云流化指控概念模型由指控云和作戰(zhàn)流構(gòu)成,指控云中物理資源設(shè)計(jì)為實(shí)體形式的指控組織,內(nèi)由各層級(jí)指控節(jié)點(diǎn)組成;虛擬資源主要由抽象成態(tài)勢(shì)、計(jì)劃、決策、執(zhí)行和適變等指控功能的原子云組成;云服務(wù)則代表由按需組合后原子云集合向偵察流、打擊流等作戰(zhàn)流提供指控服務(wù)。

1.1 指控云

指控云物理資源中,指控節(jié)點(diǎn)是指控組織的主要組成部分,其內(nèi)按需設(shè)置不同指控角色。依據(jù)體系邏輯層級(jí),可將指控節(jié)點(diǎn)劃分為體系層指控節(jié)點(diǎn)、兵力層指控節(jié)點(diǎn)與集群層指控節(jié)點(diǎn),分別履行體系級(jí)、兵力級(jí)(或稱(chēng)系統(tǒng)級(jí))和集群級(jí)的指控任務(wù)。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，可分別映射至以人為主的作戰(zhàn)指控單元、有人/無(wú)人協(xié)同的作戰(zhàn)指控單元以及無(wú)人系統(tǒng)自主執(zhí)行任務(wù)的集群作戰(zhàn)單元,代表指控組織中3種不同形態(tài)的指控單元。

虛擬資源中,將指控云中具體履行某一指控功能的虛擬執(zhí)行單元稱(chēng)為原子云,從指揮控制過(guò)程角度將原子云劃分為態(tài)勢(shì)云、計(jì)劃云、決策云、執(zhí)行云和適變?cè)?具體內(nèi)涵如下:① 態(tài)勢(shì)云聚焦于無(wú)人化作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的理解分析,主要負(fù)責(zé)戰(zhàn)場(chǎng)通用作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖的構(gòu)建以及局部態(tài)勢(shì)詳圖的生成,其是計(jì)劃生成的基本輸入。② 計(jì)劃云聚焦于無(wú)人化作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃與計(jì)劃生成,負(fù)責(zé)制定各級(jí)作戰(zhàn)計(jì)劃,包括體系層作戰(zhàn)籌劃、兵力層作戰(zhàn)計(jì)劃,集群層作戰(zhàn)任務(wù)分配由集群內(nèi)部完成。③ 決策云聚焦于作戰(zhàn)決策,該云是有人無(wú)人混合作戰(zhàn)體系的重要特征,決策云負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)人員主導(dǎo)下的決策過(guò)程,決策對(duì)象包括涉及作戰(zhàn)活動(dòng)的重要事件。④ 執(zhí)行云聚焦于作戰(zhàn)流的作戰(zhàn)計(jì)劃執(zhí)行,具體對(duì)接各級(jí)指控節(jié)點(diǎn)的具體業(yè)務(wù)實(shí)施過(guò)程,尤其是與作戰(zhàn)流相關(guān)的任務(wù)規(guī)劃或行動(dòng)計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程。⑤ 適變?cè)剖窃屏骰缚丶軜?gòu)的特色,主要負(fù)責(zé)響應(yīng)與作戰(zhàn)流相關(guān)的各種適變事件。通過(guò)在原子云中獨(dú)立出適變服務(wù),確保其在事件處理時(shí)能夠按需快速調(diào)用其他原子云的指控服務(wù)。

進(jìn)一步,為便于理解原子云的設(shè)計(jì)理念與思路,給出所提云流化指控概念模型與OODA(observe-orient-decide-act)、PREA(planning-readiness-execution-assessment)和HEAT(headquarters effectiveness assessment tool)等典型指控過(guò)程模型的指控服務(wù)映射關(guān)系如表1所示。

表1 指控服務(wù)映射關(guān)系Table 1 Mapping relationship of command and control service

在OODA模型中,觀(guān)察與判斷環(huán)節(jié)旨在獲取戰(zhàn)場(chǎng)空間信息并理解形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì),功能與態(tài)勢(shì)云一致;決策環(huán)節(jié)是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)原則選擇行動(dòng)方案的過(guò)程,由于OODA起源于傳統(tǒng)空戰(zhàn),其行動(dòng)方案生成過(guò)程簡(jiǎn)化為從方案庫(kù)擇優(yōu)選擇問(wèn)題,因此對(duì)應(yīng)計(jì)劃云與決策云。實(shí)施具體行動(dòng)方案的執(zhí)行環(huán)節(jié)與執(zhí)行云保持一致。OODA模型的特點(diǎn)是依據(jù)需求可以按需控制OODA環(huán)的迭代速度,即針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)景的適變過(guò)程,可以由適變?cè)茖?shí)現(xiàn)。

PREA模型將指控過(guò)程劃分為籌劃、準(zhǔn)備、執(zhí)行和評(píng)估4個(gè)過(guò)程,分別對(duì)應(yīng)預(yù)測(cè)態(tài)勢(shì)、直前態(tài)勢(shì)、實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)、歷史態(tài)勢(shì)等4種態(tài)勢(shì),進(jìn)而依據(jù)過(guò)程演進(jìn)關(guān)系發(fā)展尺度從大到小的3種籌劃(預(yù)先籌劃、臨機(jī)籌劃、直前籌劃)與3類(lèi)決策(周密決策、快速?zèng)Q策、精確決策),而云流化指控概念模型中態(tài)勢(shì)云、計(jì)劃云和決策云分別可實(shí)現(xiàn)上述指控服務(wù)。在適變方面,PREA模型主要通過(guò)對(duì)態(tài)勢(shì)、籌劃和決策等過(guò)程的層層細(xì)化來(lái)逐步消除戰(zhàn)場(chǎng)迷霧。

相較于HEAT模型,云流化指控概念模型中態(tài)勢(shì)云主要實(shí)現(xiàn)其環(huán)境監(jiān)視與態(tài)勢(shì)理解過(guò)程,計(jì)劃云則對(duì)應(yīng)計(jì)劃準(zhǔn)備,決策云與執(zhí)行云分別對(duì)應(yīng)決策與指令過(guò)程。HEAT模型更聚焦于指控過(guò)程描述,在適變方面考慮較少,而這可能也是該模型目前應(yīng)用較少的原因之一。

因此,通過(guò)從指控過(guò)程角度梳理不同模型的基本步驟,在云流化指控概念模型中抽象設(shè)計(jì)態(tài)勢(shì)云、計(jì)劃云、決策云、執(zhí)行云,共同支撐無(wú)人化作戰(zhàn)體系指控全過(guò)程服務(wù),并重點(diǎn)從適配無(wú)人化作戰(zhàn)體系角度構(gòu)建適變?cè)?高效支持無(wú)人化作戰(zhàn)適變。

1.2 作戰(zhàn)流

作戰(zhàn)流主要由面向具體作戰(zhàn)任務(wù)按需構(gòu)建的無(wú)人化集群組成,集群樣式可分為同構(gòu)集群或異構(gòu)集群,同構(gòu)集群指由同類(lèi)型無(wú)人平臺(tái)構(gòu)成的執(zhí)行單一任務(wù)的無(wú)人集群,異構(gòu)集群則由多種不同類(lèi)型的無(wú)人平臺(tái)構(gòu)成,可執(zhí)行OODA完整殺傷任務(wù)過(guò)程。

在具體運(yùn)用上,作戰(zhàn)流通過(guò)接入執(zhí)行云或適變?cè)偏@取所需的指控服務(wù),如任務(wù)狀態(tài)報(bào)告、適變事件處理等,并完成相應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)。作戰(zhàn)流類(lèi)型依據(jù)作戰(zhàn)鏈路類(lèi)型可劃分為偵察流、打擊流、察打流、巡打流、偵控打評(píng)流、自主流等,如圖2所示。其中,節(jié)點(diǎn)為具備火力打擊功能的無(wú)人平臺(tái),記為火力節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)為具備偵察功能的無(wú)人平臺(tái),記為情報(bào)節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)為無(wú)人平臺(tái)的指控系統(tǒng),記為指揮節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)具備較高自主智能化水平的偵打一體無(wú)人平臺(tái),記為自主節(jié)點(diǎn)。

圖2 作戰(zhàn)流Fig.2 Operational flow

圖2(a)為偵察流,由指揮節(jié)點(diǎn)與情報(bào)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,能夠執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)偵察任務(wù);圖2(b)為打擊流,由指揮節(jié)點(diǎn)與火力節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,負(fù)責(zé)執(zhí)行目標(biāo)打擊任務(wù);圖2(c)為察打流,由指揮節(jié)點(diǎn)與自主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,能夠執(zhí)行對(duì)可疑目標(biāo)的偵察打擊任務(wù),該作戰(zhàn)流也可由指揮節(jié)點(diǎn)、情報(bào)節(jié)點(diǎn)和火力節(jié)點(diǎn)組成集群完成;圖2(d)為巡打流,由指揮節(jié)點(diǎn)、自主節(jié)點(diǎn)和火力節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,巡察功能由自主節(jié)點(diǎn)完成,該流通常用于異構(gòu)平臺(tái)引導(dǎo)打擊任務(wù);圖2(e)為偵控打評(píng)流,由指揮節(jié)點(diǎn)、情報(bào)節(jié)點(diǎn)、自主節(jié)點(diǎn)和火力節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成,能夠完成完整集群殺傷鏈作戰(zhàn)任務(wù);圖2(f )為自主流,由指揮節(jié)點(diǎn)與自主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,其與察打流的區(qū)別在于自主節(jié)點(diǎn)間存在層級(jí)化指控關(guān)系,主要用于完成集群自主靈活偵察打擊任務(wù)。有必要說(shuō)明的是,作戰(zhàn)流的類(lèi)型及構(gòu)成可依據(jù)需求進(jìn)行設(shè)定,圖2僅給出作戰(zhàn)流的部分典型構(gòu)成。

綜上所述,原子云與指控組織解耦后,云流化指控概念模型通過(guò)按需構(gòu)建指控關(guān)系(即指控角色按需接入原子云),可生成與作戰(zhàn)使命相匹配的臨時(shí)性指控組織,支持組織權(quán)變特性。受益于此,云流化指控允許實(shí)時(shí)調(diào)整指控關(guān)系,可快速實(shí)現(xiàn)越級(jí)指揮、接替指揮等非常規(guī)指控行為,實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)適變事件的高效響應(yīng)。此外,通過(guò)將指控組織劃分為體系層、兵力層與集群層等代表3種不同形態(tài)的指控單元,指控云和按需組建的作戰(zhàn)流可適配絕大部分有人無(wú)人混合的無(wú)人化作戰(zhàn)體系,確保了云流化指控概念模型具有廣泛的適用性。

2 基于VPU的指控組織設(shè)計(jì)

基于VPU的指控組織中作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)現(xiàn)通常依賴(lài)于兩條線(xiàn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn):縱向的指揮線(xiàn)與橫向的協(xié)同線(xiàn)。指揮線(xiàn)與協(xié)同線(xiàn)的交叉點(diǎn)為VPU,其是EC2理論的核心概念。顯然,VPU是指控節(jié)點(diǎn)的抽象,在此基礎(chǔ)上指控組織可視為由相互連接的各VPU構(gòu)成,給出VPU模型如圖3所示。

圖3 VPU模型Fig.3 VPU model

VPU的基本運(yùn)行流程如下:本級(jí)VPU通過(guò)指揮線(xiàn)受領(lǐng)上級(jí)VPU的任務(wù)輸入后,按需向上游VPU發(fā)送協(xié)作需求,并在獲得其服務(wù)提供后,對(duì)任務(wù)進(jìn)行處理。VPU內(nèi)部任務(wù)處理過(guò)程可以是任務(wù)執(zhí)行,也可以是任務(wù)分解。若為后者,則將分解后任務(wù)下達(dá)給下級(jí)VPU,并接收其執(zhí)行結(jié)果。最后,任務(wù)全部完成后向上級(jí)VPU輸出任務(wù)結(jié)果。

由此可知,VPU運(yùn)行涉及兩類(lèi)業(yè)務(wù)過(guò)程:指揮過(guò)程與控制過(guò)程。指揮過(guò)程由VPU內(nèi)部各指控角色完成,與指控云相一致,指控角色包括作戰(zhàn)指揮角色、態(tài)勢(shì)綜合角色、計(jì)劃管理角色、適變管控角色以及執(zhí)行監(jiān)管角色。其中，作戰(zhàn)指揮角色對(duì)其余角色具有指揮權(quán)限?？刂七^(guò)程是對(duì)VPU任務(wù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的建模,依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)一般流程,結(jié)合無(wú)人化作戰(zhàn)的適變性特征,設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)流程包括以下基本過(guò)程:態(tài)勢(shì)感知、計(jì)劃生成、計(jì)劃決策、計(jì)劃執(zhí)行以及適變處理。指控角色對(duì)業(yè)務(wù)流程具有指控關(guān)系,態(tài)勢(shì)綜合角色負(fù)責(zé)態(tài)勢(shì)感知過(guò)程,計(jì)劃管理角色負(fù)責(zé)計(jì)劃生成過(guò)程,執(zhí)行監(jiān)管角色負(fù)責(zé)計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程,適變管控角色負(fù)責(zé)適變處理,作戰(zhàn)指揮角色則負(fù)責(zé)作戰(zhàn)計(jì)劃生成、執(zhí)行、適變、撤收等全流程的決策。

依據(jù)組織權(quán)變理論,指控關(guān)系的構(gòu)建與優(yōu)化至關(guān)重要,是指控組織設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),通過(guò)優(yōu)化指控關(guān)系可以顯著提升指控組織效能及對(duì)組織使命的滿(mǎn)足度。因此,特別將指控關(guān)系形式化定義為業(yè)務(wù)流程集合到指控角色集合的多對(duì)一映射,其中為指控關(guān)系存續(xù)時(shí)間,如下所示：

:→,={|∈,≤};={|∈,≤}

(1)

式中:和分別代表第項(xiàng)業(yè)務(wù)流程和第個(gè)指控角色,即=();和則分別為集合和的基數(shù),因此指控關(guān)系共有種。

顯然,指控組織可以按需改變以實(shí)現(xiàn)組織與使命的持續(xù)匹配。例如,隨著作戰(zhàn)進(jìn)程(時(shí)間)的推進(jìn),指控組織可以實(shí)時(shí)改變映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)越級(jí)指揮或接替指揮等。

3 聚焦適變的指控服務(wù)設(shè)計(jì)

作戰(zhàn)體系由于作戰(zhàn)環(huán)境的不確定性和對(duì)抗性,通常具備涌現(xiàn)性、適應(yīng)性、協(xié)同性、演化性等動(dòng)態(tài)特征,因而其指控關(guān)系需要實(shí)時(shí)響應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的變化。體系適變分為外部適應(yīng)與內(nèi)部彈性?xún)蓚€(gè)方面,外部適應(yīng)聚焦體系應(yīng)對(duì)外部態(tài)勢(shì)變化,內(nèi)部彈性則反映體系內(nèi)部功能的抗毀性。作戰(zhàn)體系功能的抗毀需要指控服務(wù)的柔性重組,據(jù)此提出指控適變概念,從指控原子云服務(wù)重組角度,支撐作戰(zhàn)流高效應(yīng)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)更新和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化。

3.1 指控適變建模

給出指控適變概念如定義1所示。

指控適變是面向作戰(zhàn)任務(wù)需求或戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化而動(dòng)態(tài)構(gòu)建或優(yōu)化的過(guò)程。

從應(yīng)用角度而言,指控適變依據(jù)對(duì)象的不同可劃分為指控組織適變、指控節(jié)點(diǎn)適變和指控事件適變,的變化幅度依次減小。

3.1.1 指控組織適變

指控組織適變通常對(duì)應(yīng)于體系層面的指控組織整體重構(gòu)。例如,在配屬多型無(wú)人集群裝備后向有人無(wú)人混合指控組織轉(zhuǎn)變的過(guò)程可記為?,即傳統(tǒng)指控組織向無(wú)人化指控組織的適變。

3.1.2 指控節(jié)點(diǎn)適變

3.1.3 指控事件適變

3.2 指控適變VPU模型

指控適變VPU旨在快速響應(yīng)指控事件適變,如定義2所示。

指控適變VPU是與指控適變事件響應(yīng)相關(guān)的指控節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)流、適變?cè)萍捌渌嘘P(guān)原子云(不含適變?cè)?所構(gòu)成的臨時(shí)性VPU。

依據(jù)指控適變事件分類(lèi),結(jié)合事件響應(yīng)流程,給出指控適變VPU模型如圖4所示。

圖4 指控適變VPU模型Fig.4 Adaptive VPU model of command and control

針對(duì)任務(wù)適變事件,擬中斷任務(wù)的指控角色通過(guò)執(zhí)行云和適變?cè)破ヅ淠繕?biāo)作戰(zhàn)流,并直接下發(fā)中止任務(wù)指令,此時(shí)該指控節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行云、適變?cè)埔约澳繕?biāo)作戰(zhàn)流便構(gòu)成了任務(wù)適變VPU。任務(wù)中止后,該適變VPU解散。

針對(duì)目標(biāo)適變事件或狀態(tài)適變事件,響應(yīng)流程一般為作戰(zhàn)流將事件信息上傳至適變?cè)?適變?cè)仆ㄟ^(guò)分析事件類(lèi)型及響應(yīng)權(quán)限,匹配出“能夠響應(yīng)”且“最小”的指控角色,并依據(jù)指控業(yè)務(wù)分發(fā)至相應(yīng)原子云;進(jìn)一步,原子云調(diào)用該指控角色完成指控業(yè)務(wù)處理。此時(shí),在構(gòu)建作戰(zhàn)流、適變?cè)?、相?yīng)原子云及指控角色間的指控關(guān)系基礎(chǔ)上,四者共同構(gòu)成了目標(biāo)適變VPU或狀態(tài)適變VPU。

指控適變VPU構(gòu)建采取基于模式切換規(guī)則的思路,將指控原子云按需重組表征為模式切換,具體包括6類(lèi)要素:觸發(fā)條件集合和初始構(gòu)形模式、需遵循的規(guī)則集和切換行動(dòng)集合、需滿(mǎn)足的切換約束和目標(biāo)構(gòu)形模式。具體而言,觸發(fā)條件集合包含作戰(zhàn)流執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中可能碰到的突發(fā)事件,包括任務(wù)適變事件、目標(biāo)適變事件、狀態(tài)適變事件,初始構(gòu)形模式為事件發(fā)生前為作戰(zhàn)流提供指控服務(wù)的原子云組合結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程。規(guī)則集采用規(guī)則表格進(jìn)行描述,核心是采用“IF…TEHN…”形式建立模式切換行動(dòng)集中每個(gè)行動(dòng)的執(zhí)行規(guī)則,而行動(dòng)集負(fù)責(zé)完成相應(yīng)原子云間的連接關(guān)系構(gòu)建。切換約束分為前置和后置兩種,分別表征模式切換規(guī)則執(zhí)行前和執(zhí)行后需滿(mǎn)足的條件,目標(biāo)構(gòu)形模式為按需構(gòu)建好的原子云服務(wù)組合,即指控適變VPU。

在模式切換邏輯關(guān)系上,規(guī)則集以模式觸發(fā)條件為觸發(fā)點(diǎn),同時(shí)需要滿(mǎn)足前置和后置約束,行動(dòng)集受規(guī)則集支配,以初始構(gòu)形模式為輸入,輸出為目標(biāo)構(gòu)形模式。因此,規(guī)則集為指控適變VPU構(gòu)建的關(guān)鍵,給出規(guī)則集設(shè)計(jì)示意如表2所示。依據(jù)模型設(shè)計(jì)理念,模式切換的主要內(nèi)容是完成某一事件下作戰(zhàn)流與原子云的關(guān)聯(lián)。為使規(guī)則集設(shè)計(jì)具有可實(shí)現(xiàn)性,考慮到作戰(zhàn)流、原子云、指控節(jié)點(diǎn)數(shù)量均有限,因此重點(diǎn)針對(duì)事件進(jìn)行分類(lèi)處理,按照不同事件類(lèi)型設(shè)計(jì)規(guī)則集,即限定表2中規(guī)則條件數(shù)量。設(shè)作戰(zhàn)體系釋放作戰(zhàn)流數(shù)量為、事件類(lèi)別數(shù)量為、指控節(jié)點(diǎn)數(shù)量為,則模式切換行動(dòng)集的基數(shù)為,模式切換規(guī)則集的基數(shù)為+(+),其中取值為4,表示除適變?cè)仆獾脑釉茢?shù)量。因此,規(guī)則集可依據(jù)作戰(zhàn)體系使命任務(wù)要求提前制定,指控適變性體現(xiàn)在為作戰(zhàn)流當(dāng)前態(tài)勢(shì)匹配最佳的原子云服務(wù)。規(guī)則標(biāo)志代表當(dāng)前規(guī)則的可用狀態(tài),“1”為啟用,“0”為禁用。

表2 指控適變VPU規(guī)則集Table 2 Adaptive VPU rule set of command and control

4 實(shí)例分析

以邊境管控使命為例,闡述云流化指控架構(gòu)設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用流程。給出想定如下:某部隊(duì)受領(lǐng)上級(jí)下達(dá)XX邊境管控使命后,考慮到邊境地理環(huán)境條件等因素,決定以無(wú)人集群為主執(zhí)行常規(guī)巡邏任務(wù)。同時(shí)遵循現(xiàn)實(shí)需要,設(shè)定任務(wù)要求為確保在領(lǐng)土安全前提下從嚴(yán)管控邊境沖突。

4.1 物理資源指控組織設(shè)計(jì)

為履行邊境管控使命,該部隊(duì)首先進(jìn)行組織適變,生成與使命相匹配的指控組織,具體包括體系指控節(jié)點(diǎn)、兵力指控節(jié)點(diǎn)和集群指控節(jié)點(diǎn)以及集群協(xié)控平臺(tái)。其中,體系指控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)邊境巡邏方案籌劃以及邊境沖突管控決策等任務(wù);兵力指控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)具體巡邏行動(dòng)方案的計(jì)劃生成及監(jiān)管任務(wù);集群指控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)具體執(zhí)行巡邏行動(dòng)計(jì)劃;集群協(xié)控平臺(tái)則通過(guò)無(wú)人平臺(tái)間協(xié)作執(zhí)行作戰(zhàn)指令,包括區(qū)域偵察、目標(biāo)打擊等。采用基于VPU的指控組織設(shè)計(jì)方法,給出邊境管控?zé)o人化作戰(zhàn)體系指控角色設(shè)計(jì),如圖5所示。

圖5 無(wú)人化作戰(zhàn)體系指控角色設(shè)計(jì)Fig.5 Command and control role design of unmanned combat system

圖5中,指控組織下設(shè)體系指控節(jié)點(diǎn)、兵力指控節(jié)點(diǎn)、集群指控節(jié)點(diǎn)以及集群協(xié)控平臺(tái),其中集群協(xié)控平臺(tái)是無(wú)人集群內(nèi)部的指控平臺(tái)。各級(jí)指控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部指控角色依據(jù)指控關(guān)系分為3層:作戰(zhàn)指揮角色層、指控業(yè)務(wù)角色層和業(yè)務(wù)輔助角色層。

(1) 作戰(zhàn)指揮角色層,在各指控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部行使指揮權(quán),負(fù)責(zé)完成計(jì)劃決策業(yè)務(wù)流程,智能協(xié)控角色為集群協(xié)控平臺(tái)的作戰(zhàn)指揮角色。

(2) 指控業(yè)務(wù)角色層,與VPU控制過(guò)程相適應(yīng),負(fù)責(zé)完成各項(xiàng)指控業(yè)務(wù)流程,如態(tài)勢(shì)感知、計(jì)劃生成、計(jì)劃執(zhí)行和適變處理等。體系與兵力兩級(jí)指控節(jié)點(diǎn)依據(jù)任務(wù)層次不同,計(jì)劃管理角色分別具體化為籌劃管理角色和任務(wù)計(jì)劃角色,其余態(tài)勢(shì)綜合角色、適變管控角色和執(zhí)行監(jiān)管角色保持不變;集群指控節(jié)點(diǎn)包括狀態(tài)監(jiān)控角色、通信管理角色和協(xié)同控制角色;集群協(xié)控平臺(tái)則包括火力打擊角色和作戰(zhàn)評(píng)估角色。

(3) 業(yè)務(wù)輔助角色層,支撐指控業(yè)務(wù)角色運(yùn)轉(zhuǎn),包括情報(bào)偵察角色、任務(wù)籌劃角色、籌劃審查角色、資源調(diào)度角色等。此外,集群無(wú)人平臺(tái)通常會(huì)嵌入具有智能自主特性且集成集群控制、作戰(zhàn)偵察、通信中繼等角色的功能模塊,因此基于該模塊可以支撐智能協(xié)控角色的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 虛擬資源指控服務(wù)設(shè)計(jì)

虛擬資源指控服務(wù)設(shè)計(jì)包括態(tài)勢(shì)云、計(jì)劃云、決策云、執(zhí)行云與適變?cè)频仍釉?。在指控組織基礎(chǔ)上,將作戰(zhàn)指揮角色與指控業(yè)務(wù)角色依據(jù)業(yè)務(wù)流程分別接入各原子云,支撐面向作戰(zhàn)流的按需指控服務(wù)。

隨著邊境形勢(shì)的不斷惡化,為避免事態(tài)升級(jí),體系指控節(jié)點(diǎn)決定針對(duì)涉及敵武裝力量機(jī)動(dòng)的情況采取越級(jí)指揮模式,直連集群指控節(jié)點(diǎn),縮短決策響應(yīng)時(shí)間。基于此,云流化指控架構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)適變。在實(shí)現(xiàn)上,通過(guò)新增適變VPU規(guī)則(RAR-2-11),直接關(guān)聯(lián)敵武裝力量機(jī)動(dòng)事件與體系指控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部指控角色,同時(shí)將原規(guī)則標(biāo)志設(shè)置為禁用(RAR-2-10),快速重構(gòu)指控關(guān)系,實(shí)時(shí)滿(mǎn)足體系指控節(jié)點(diǎn)越級(jí)指揮需求,如表3所示。

表3 適變VPU規(guī)則Table 3 Adaptive VPU rule

隨后,無(wú)人集群執(zhí)行巡邏任務(wù)過(guò)程中偵察到敵小規(guī)模摩托化步兵快速向我邊境線(xiàn)開(kāi)赴,隨即向指控云匯報(bào),觸發(fā)事件適變服務(wù)。因此,適變?cè)埔浴鞍l(fā)現(xiàn)新目標(biāo)”匹配適變VPU規(guī)則RAR-2-09和RAR-2-11,確定決策云中體系指控節(jié)點(diǎn)為該事件提供服務(wù),進(jìn)而由決策云將事件指控需求發(fā)送至體系指控節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)指揮角色。此時(shí),無(wú)人集群、適變?cè)啤Q策云與體系指控節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)指揮角色共同構(gòu)成目標(biāo)適變VPU。其后,依據(jù)決策結(jié)果,各指控業(yè)務(wù)角色圍繞該事件進(jìn)行業(yè)務(wù)響應(yīng),如密切關(guān)注、警告驅(qū)離、火力打擊等。假設(shè)敵意識(shí)到行蹤暴露后主動(dòng)撤離,事件處理完成,上述適變VPU解散。而若敵未主動(dòng)撤退,我方?jīng)Q定進(jìn)行火力打擊,但在前往任務(wù)區(qū)域途中,考慮邊境沖突升級(jí)影響,臨時(shí)修改任務(wù)為警告驅(qū)離。此時(shí),下達(dá)警告驅(qū)離任務(wù)的指控角色、執(zhí)行云、適變?cè)坪蜔o(wú)人集群共同構(gòu)成任務(wù)適變VPU。

同理,當(dāng)突發(fā)無(wú)人平臺(tái)失聯(lián)時(shí),適變?cè)埔浴凹籂顟B(tài)異?！逼ヅ溥m變VPU規(guī)則RAR-2-12和RAR-2-13,確定執(zhí)行云中兵力指控節(jié)點(diǎn)為其提供服務(wù),進(jìn)而執(zhí)行云將事件發(fā)送至兵力指控節(jié)點(diǎn)執(zhí)行監(jiān)管角色,并由其提供后續(xù)服務(wù),如調(diào)度臨近無(wú)人平臺(tái)進(jìn)行替代等。此時(shí),無(wú)人集群、適變?cè)?、?zhí)行云和兵力指控節(jié)點(diǎn)執(zhí)行監(jiān)管角色構(gòu)成狀態(tài)適變VPU。

4.3 云流化指控架構(gòu)效能評(píng)估

在履行邊境管控使命中,面向無(wú)人化作戰(zhàn)體系的云流化指控架構(gòu)通過(guò)指控組織與指控服務(wù)的解耦,實(shí)現(xiàn)指控資源的按需重組,并通過(guò)組織、節(jié)點(diǎn)適與事件三級(jí)適變高效滿(mǎn)足不同層次、不同類(lèi)型的指控需求?？紤]無(wú)人化作戰(zhàn)具有快節(jié)奏、高變化的基本特征,選擇時(shí)效性與魯棒性?xún)蓚€(gè)指標(biāo)對(duì)云流化指控架構(gòu)進(jìn)行效能評(píng)估。

4.3.1 時(shí)效性指標(biāo)

時(shí)效性指標(biāo)主要用于測(cè)度指控架構(gòu)對(duì)作戰(zhàn)事件的響應(yīng)時(shí)效,通常可分為與指控路徑有關(guān)的信息傳遞時(shí)效和指控節(jié)點(diǎn)處理相關(guān)的信息處理時(shí)效。緣于信息處理時(shí)效的優(yōu)化在于提升指控角色業(yè)務(wù)水平,此處不予考慮。信息傳遞時(shí)效采用網(wǎng)絡(luò)整體效率定義進(jìn)行測(cè)度,通過(guò)信息在指控路徑上的傳遞效率來(lái)衡量指控架構(gòu)時(shí)效性,如下所示：

(2)

式中:為指控角色數(shù)量;為指控角色集合;為指控角色(式(1)中定義為業(yè)務(wù)流程)與之間以跳數(shù)表示的最短路徑。

針對(duì)云流化指控架構(gòu),=20(不考慮集群協(xié)控平臺(tái)),最短路徑的計(jì)算需要考慮指控路徑。由于作戰(zhàn)指揮角色層與指控業(yè)務(wù)角色層均接入虛擬資源,共14個(gè),相互之間通過(guò)原子云即可實(shí)現(xiàn)連通,業(yè)務(wù)輔助角色層需通過(guò)指控業(yè)務(wù)角色層進(jìn)行信息轉(zhuǎn)遞,共6個(gè),指控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部指控業(yè)務(wù)角色間以1跳方式直接交互。因此,=9425,代入式(2)可得云流化指控架構(gòu)時(shí)效性指標(biāo)=0248。

考慮傳統(tǒng)指控架構(gòu),本例中不考慮云流化設(shè)計(jì)理念后的指控組織即為典型的層級(jí)化指控架構(gòu),不同指控節(jié)點(diǎn)指控業(yè)務(wù)角色間交互需要通過(guò)作戰(zhàn)指揮角色進(jìn)行信息轉(zhuǎn)遞,業(yè)務(wù)輔助角色層仍需通過(guò)指控業(yè)務(wù)角色層進(jìn)行信息轉(zhuǎn)遞。因此,以指控組織為例,計(jì)算傳統(tǒng)指控架構(gòu)=7500,此時(shí)時(shí)效性指標(biāo)=0197。

有必要說(shuō)明的是,依據(jù)組織權(quán)變理論,指控組織已經(jīng)與邊境管控使命相適應(yīng)。但是,其時(shí)效性仍然比云流化指控架構(gòu)時(shí)效性低20%以上,表明云流化指控架構(gòu)能夠有效優(yōu)化指控時(shí)效性,而且隨著指控層級(jí)的加深,云流化指控架構(gòu)的時(shí)效性?xún)?yōu)勢(shì)更加明顯。

432 魯棒性指標(biāo)

魯棒性指標(biāo)主要用于測(cè)度指控架構(gòu)的穩(wěn)定性,即指控路徑被部分破壞后,指控架構(gòu)仍然能夠履行其使命的能力,此處采用抗毀性表征?？箽缘膬?yōu)劣與指控角色之間連接的緊密度密切相關(guān),為簡(jiǎn)化計(jì)算,此處不考慮指控角色權(quán)重問(wèn)題。因此,采用基于鄰接矩陣的自然連通度計(jì)算抗毀性指標(biāo),模型如下所示：

(3)

式中:為指控角色數(shù)量;表示相應(yīng)鄰接矩陣特征值。

依據(jù)前述指控角色間關(guān)系設(shè)定,以元素“1”表示兩個(gè)指控角色互連,元素“0”則表示兩個(gè)指控角色不直接連通,可以構(gòu)建云流化指控架構(gòu)與指控組織中指控角色鄰接矩陣。進(jìn)一步,可求得鄰接矩陣特征向量=(-1714 2,-1618 0,-1618 0,-1618 0,-1459 7,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0, 0454 9, 0618 0, 0618 0, 0618 0, 1685 0, 13034 0)和=(4345 6, 3933 8, 3009 2, 1511 1,-2214 6, 0505 9, 0289 8,-0200 1,-1706 7,-1386 4,-1087 7, 0618 0, 0618 0,-1618 0,-1618 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0,-1000 0),分別代入抗毀性模型計(jì)算得出兩者抗毀性指標(biāo)=10038 3和=2110 3。由此可知,云流化指控架構(gòu)抗毀性顯著優(yōu)于代表傳統(tǒng)指控架構(gòu)的指控組織,原因在于通過(guò)指控云服務(wù)實(shí)現(xiàn)了各級(jí)指控業(yè)務(wù)角色間的廣泛連接。

5 結(jié) 論

無(wú)人化作戰(zhàn)是戰(zhàn)爭(zhēng)樣式演化的必然趨勢(shì),指控架構(gòu)仍然是無(wú)人化作戰(zhàn)體系的樞紐,直接影響作戰(zhàn)結(jié)果。針對(duì)此,基于云協(xié)同理念,本文面向無(wú)人化作戰(zhàn)體系提出了“前線(xiàn)無(wú)人作戰(zhàn)流”與“后方有人指控云”有機(jī)融合的云流化指控概念模型。進(jìn)一步,通過(guò)改進(jìn)EC2理論適變性,解耦指控組織與指控服務(wù),提出了云流化指控架構(gòu)設(shè)計(jì)方法。最后,以邊境管控使命為例,給出了指控組織與服務(wù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案,并從時(shí)效性與魯棒性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)指控架構(gòu)進(jìn)行了效能評(píng)估,對(duì)比分析結(jié)果表明云流化指控架構(gòu)時(shí)效性短、抗毀性強(qiáng),可以更好地適用于無(wú)人化作戰(zhàn)體系。