新一代海军指挥信息系统体系架构

王武民,刘俊杰,秦 喆 ,刘 忠

(1.海军指挥所,北京; 2.国防科技大学 信息系统与管理学院,湖南 长沙 410073)

1 需求及现状分析

未来战争优势的取得主要靠信息优势,而以C4ISR为核心要素的指挥信息系统是获得战场信息优势的基础,海军信息化建设决定了海上力量建设、是打赢信息化条件下海上局部战争的关键性内容,是海军现代化建设的重要环节。加强在信息化条件下海军指挥信息系统的建设与集成是提高体系作战能力的重要措施,是目前各国海军优先发展的重点领域。

海军综合电子信息系统是一个超大的系统,包括战区、岸基、机载、编队等多个层次,系统的任务可以根据完成的功能、指挥控制和协同的范围、信息获取的来源和信息获取的传感器平台等方面来区分。海军综合电子信息系统的功能以各子系统的功能为基础,并通过指挥通信、数据通信和计算机网络来实现,其涉及的领域之广、信息内容之复杂、完成功能之多、控制范围之大是任何一个工业和民用系统不能比拟的。

1.1 需求分析

从海军装备的特点看,海军能自身形成独立的多维作战空间体系,包括海、陆、空、天、电的多维作战空间体系,是一个综合型军种,海军装备以平台和多种多类大小型武器设备的集合体为特征。不同舰艇(或飞机)的作战能力相互配合,融为一个具有全方位作战能力的整体。因此,从作战的角度看,海军武器装备体系只有在多平台的联合与协同下才能发挥出最大的作战效能;从海军作战的特点看,海军部队具有较高的机动性和自我保障能力两个基本特征。这两个特点决定了海军部队可以预先部署、随时展开、灵活编成。因此,海军部队充分发战斗力的一个前提保障是具备一体化集成能力、动态协同能力的指挥信息系统。在目前发展的基础上,未来海军指挥信息的发展需求[1]包括以下五方面。

1)以通信为主体的强大的信息基础设施 该信息基础设施具有稳定可靠的通信能力,是一个充分集成、具有自动修复能力和自行组织能力的系统或通信基础结构,能够连接海军所有作战部队,且将这些部队同海军支援保障机构、其他军兵种和盟军相整合。

2)面向多种任务需求的协同体系作战能力 实时、准确地通报友军信息,提供战场环境、中立方和敌对方信息,形成综合战场态势,以任务为驱动,快速组织作战资源,灵活制定作战计划,建立指挥控制组织,动态监控和预警战场环境,能够实现系统内及系统间的信息交换,能为各作战平台提供相应权限的作战信息,实现了各作战平台间的信息共享和充分的互操作。

3)基于人机一体的实时快速决策能力 新一代指挥信息系统要支持人机一体的决策模式,采用科学决策模型、数据和知识,根据战场环境的动态变化,快速地为指挥员提供经过加工和检验过的共享的信息和作战计划,而不是大量的情报数据。

4)面向抗毁性和信息安全的网络化特征 系统要采用分布式结构、没有明确的中心节点,因此任何一个节点被摧毁不会导致整个系统的信息中断与瘫痪。系统包括先发制人和积极反应的计算机网络防御系统,能够应对欺骗、利用或其它攻击手段,具备保护指挥控制机构的能力。

5)面向动态战场环境的敏捷适应能力 信息处理灵活性强,采用多种方式和组合来处理信息,能够快速而有效地进行资源再分配,并且能自动配置系统参数以适应潜在因素的变化。

1.2 现状分析

《联合作战科学技术计划》[2]认为,在按“烟囱式结构”模式组织的军用信息系统中,根据类型、指挥结构、任务和频谱分配的不同系统相对独立运行、相互隔离的端到端的信息流难以在各个联合部队之间获取、处理以及分发重要信息,信息容量和复杂度惊人,不可能提供通用的战场图像,无法保证跨共享异类系统收集到的信息的安全性。在未来的战争空间中,通过更好、更快的决策过程发挥所有联合作战能力是至关重要的,信息优势将帮助士兵更好地主宰和控制战场空间。为此,各兵种和保障部门都寻求获取信息优势的理论与技术,并开展相关的概念演示验证。

GIG(Global Information Grid,全球信息栅格)[3]是20世纪90年代末正式提出的战略性决策,是综合化指挥信息系统建设的又一重大举措。目前已开始实施GIG计划,预计在2020年完成。陆、海、空三军以及各大战区司令部根据任务需要进行了积极的开发、研制,以尽快适应GIG的发展需求。海军提出了很多重要的GIG建设初始方案,如“21世纪信息技术”、“部队网”等。目前海军正在加大力度建设“部队网”,使海军及海军陆战队各单元与联合、联盟及合成部队之间实现互通、互连。“部队网”建设的第一步就是要构建一体化的主干通信网络,以确保部队在全球范围内实现数据的实时收发。目前,海军“部队网”的基础设施主要包括:“IT-21”网络、海军陆战队内联网(NMCI)、情报、侦察、监视和信息战(ISR/IO)系统、海下作战系统、战术数据链以及一些联合/协同的互操作能力。“部队网”的下一步工作是重新设计应用环境,最大化发挥主干网络的效能,利用多重环境取代原来的本地处理,通过特遣部队环球网、海军火力网和一体化的C4ISR栅格系统来实现信息传送。同时,将加快新技术的快速嵌入应用,突破带宽、人员配备、指挥控制、远程网络管理、无线视距通信、网络体系结构、决策支持和与盟军互操作性等新技术,缩短从作战单元提出需求到装备投入使用的时间。

在未来的C4ISR建设中,海军将加强信息网络和系统建设,改进侦察手段,增强战场实时态势感知能力;优先发展无人飞行器和无人潜水器,大大扩大战斗空间;开发网络入侵和攻击技术,加强计算机网络安全;改进电子战装备,提高电子对抗能力;增强系统的互通性和兼容性,提高协同作战能力。考虑到海军指挥信息系统的规模与复杂性,其总体设计必须从实际出发,根据其自身特点,采取新的途径。

2 建设构想

新一代海军指挥信息系统的建设要着眼于未来海军作战的使命需求,弄清实现目标的途径,弄清未来的信息化战场环境,信息化战争中作战方式、作战方法的变化,打赢未来战争需要什么样的能力,需要多大的能力。并据此来明确海军指挥信息系统建设的目标,确立系统的体系结构、模式、集成建设标准等。本文主要从未来海军指挥信息系统建设应具备的主要能力出发提出发展构想。

2.1 系统架构

新一代海军指挥信息系统是典型的以网络为中心的系统[4-6]。以网络为中心的系统模式是层次化指挥模式与分布式协同指挥模式的混合[7]。强调未来的联合指挥控制能力,是一种以网络为中心的、一体化的、连贯并跨越所有指挥层次的能力,能够适应每一指挥层次和联合作战指挥官作战任务的需求[8]。新一代海军指挥信息系统的结构是一个以网络为中心的四层架构。

1)信息通信层

以网络为中心的海军指挥信息系统依赖于基础的通信传输服务如骨干通信网络、战术通信系统和数据链系统等,具体由传输系统、分发/切换系统、VTC、信息包以及其它支持基础结构所组成。

2)基础服务层

基础服务层将提供适用于各级作战指挥部门管理各种作战信息资源,对需要管理的各种作战数据资源、模型资源、知识资源等进行定义,通过统一的信息资源接口实现各级指挥信息系统和信息资源系统之间信息的调用和同步。

3)指控能力层

指控能力层是在一体化信息基础设施基础服务、基础服务和海军作战指挥使命的基础上,根据任务需求和指控活动的特点而构建的,支持各种海军作战指挥控制。指控能力层必须具备一定的指挥控制功能,能为某个指挥机构或业务部门的指挥控制活动提供服务,并且是在一体化信息基础设施所提供的各种服务基础之上构建的。

4)应用层

应用层按照动态部署、按需集成的模式为各级指挥所提供可定制的指挥信息系统,通过有机集成服务、能力和资源,支持各级指挥所之间的互联、互通和互操作。

2.2 系统特点分析

2.2.1 动态构建

海军指挥信息系统动态构建框架主要是基于“服务-资源-能力”来实现的:首先通过分析海军指挥信息系统对指控能力的需求,建立海军指挥信息系统功能模型和组织模型,基于海军指挥信息系统动态构建的方法、策略和过程。在指控功能、资源及流程的配置方法的基础上,支持海军指挥信息系统的动态构建与定制。其基础是海军指挥信息系统动态构建的各种接口规范、流程规范、信息交换规范和信息模型规范等(即指控系统集成建设规范),对海军指挥信息系统的动态构建进行约束。

海军指挥信息系统动态构建框架及各部分的主要研究内容如图1所示。

图1 新一代海军指挥信息系统动态构建框架

海军指挥信息系统动态构建框架主要集中建设系统资源组织管理系统、指控流程建模与优化系统、系统构建与动态监视系统以及指控系统集成建设规范。

2.2.2 人机一体的快速辅助决策

人机一体快速辅助决策模式是新一代海军指挥信息系统发展的重点,增加以人机协同认知为基础的指挥控制辅助决策功能。要实现人机一体快速辅助决策模式,必须加强对以下四类系统的建设。

1)人机一体的作战任务管理系统 建立联合作战使命分解的经验表示方法,通过分层任务网络和定性军事知识推理技术对高层作战意图和使命进行量化分解,建立联合作战任务管理系统,建立面向联合作战使命需求的任务过程分解和任务兵力分配模型。

2)人机一体的作战态势评估系统 基于网络化的知识共享环境,综合整个战场空间的火力、情报、侦察、监视、后勤、机动等信息,研究联合作战态势的组成与规范描述方法、联合作战态势汇聚模型以及联合作战态势评估模型。

3)人机一体的作战计划系统 联合作战筹划决策是在联合作战态势评估的基础上,动态筹划兵力运用和行动设计,响应战场变化。研究联合作战方案的形式化描述、作战资源调度模型、行动计划模型和保障计划模型等。

4)人机一体的兵力控制系统 联合作战兵力控制在联合作战计划执行过程中,监视战场变化,动态实施兵力及行动调整。研究联合作战态势异常检测模型,分支计划搜索模型等。

2.2.3 战训一体的平行指挥控制

平行管理理论是面向复杂系统的管理、控制和决策的一种新方向,融合了控制科学、复杂性科学、智能科学、认知科学、信息科学、社会学等多种方法,在复杂系统研究方法的多元化和集成化上又向前推进了一步[9-10]。其基本思想是采用计算实验、平行控制等手段对复杂的被控对象构建一个复杂平行系统(也称人工系统),通过对复杂平行系统与实际复杂系统的平行执行结果的对比分析,把人的智能融合到复杂系统的行为之中,进而有效地控制实际复杂系统。

海军指挥信息系统涉及要素多,使命动态多样,是典型的复杂系统。为满足海军指挥信息系统验证、评估与试验的需要,满足集成战时、训练和演习等多种模式的应用需求,新一代海军指挥信息系统必须采用有效科学的复杂系统控制策略。

图2 面向一体化战训演的平行管理和验证

利用 ACP方法,以多智能体和人工社会建模为思路对海军指挥信息系统建立可操作的形式化表述机制;以计算实验为手段对机制和策略进行量化标定,制定定性模糊和定量计算的评估体系;基于平行执行的理念,通过反馈和优化对指挥信息系统及相关模型加以验证,利用量化分析和可视化技术辅助决策支持。

3 结束语

信息化条件下新一代海军指挥信息系统的建设是当前各国海军优先发展的领域。针对海军指挥信息系统的使命,论文梳理了海军指挥信息系统的发展现状及趋势,明确了新一代海军指挥信息系统的建设需求。以网络为中心的海军指挥信息系统是新一代海军指挥信息系统建设的重要趋势,论文建立了以网络为中心的四层体系架构,研究了系统的三个突出特点,即动态构建、人机一体以及平行指控。论文研究为未来海军指挥信息系统的建设和发展指明一个可行的方向。

[1]秦喆.军事需求工程基本理论[J].指挥信息系统与技术.2011,2(3):1-4.

[2]付伟.海军指挥控制自动化系统的发展现状[J].舰载武器.2001,(2):8-15.

[3]苏长云.国外海战场综合电子信息系统[J].情报指挥控制系统与仿真技术,2001,(4):1-13.

[4]David S.Alberts.网络中心战与复杂性理论[M].北京:电子上业出版社,2004.

[5]Department of Defense,USA.Network Centric Warfare[R].DoD Report to Congress,Washington DC.2001.

[6]National Research Council.Network-Centric Naval Forces[R].New York:USA National Acadmies Press,2003.

[7]王刚,任清华.赛博空间指挥控制问题研究.中国电子科学研究院学报,2011,6(3):243-247.

[8]Rick VDK.Bridging Boundaries in Networked Military Organizations[C].15th ICCRTS.2010.

[9]Wang F Y.Toward a paradigm shift in social computing:The ACP Approach[J].IEEE Intelligent Systems,2007,22(5):65-67.

[10]Liu Z.Yang DS,Zhang WM.Cyber-Physical Social Systems for Command and Control.IEEE Intelligent Systems,2011,26(7):92-96.