指控系统验证相关问题研究

夏永春，吴东亚，尹光洪

(1.装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京100072;2.装甲兵工程学院科研部，北京100072;3.95963部队，湖北武汉430313)

近年来，随着指挥信息系统的快速发展，现代战争的特点也发生了深刻变革，战争由重视单件装备性能的“平台中心战”演变成为重视整体作战效能的“网络中心战”［1］。作为“网络中心战”大脑和中枢的指控系统地位不断提升，其复杂程度也大大增加。尽管经历了软件工程所规定的单元测试、集成测试、系统测试等活动和硬件的定型论证阶段，指控系统在实际使用中仍然暴露出不能满足作战需求的问题。为了完善指挥信息系统功能，美军已经以试验与训练使能体系结构(Test and Training Enabling Architecture，TENA)为基础，开展了很多集演习、训练、指挥信息系统评估、指挥信息系统验证于一体的项目研究，开发了很多专业验证工具［2-8］。北约在荷兰海牙也举行了首个分布式网络战场实验室(Distributed Networked Battle Labs，DNBL)的会议，旨在用标准的程序来组织支持测试、试验、验证活动［9-10］。国内的科研单位也开始对各军兵种指挥信息系统验证开展研究，在这些研究中，指控系统验证都是核心研究内容。

1 指控系统验证的概念

指控系统验证是指在实战(或者演习、训练、模拟实战)的环境下，以指控系统为核心，连接该级别指控系统所涉及的武器装备(或者模拟装备)，形成与战时指挥关系、装备互联关系相一致的作战体系，用以验证指控系统功能、性能等属性是否满足实际作战需求的活动，以达到促进指控装备快速形成实战能力的目的。指控系统验证具有3个重要的特征。

1)对抗性。通过建立真实(或者接近真实)的作战环境，提供能够支持指控系统实现对抗的环境，以检验指控系统是否满足作战需求。

2)系统性。以指控系统为核心，连接该指控系统所涉及的装备或模拟器，形成体系作战能力，真实反映指控系统的运行效果。

3)真实性。指控系统不是静态的运转，也不是被动的运转，而是需要在指挥人员的操作下以实战要求为标准运行。

2 指控系统验证方法

指控系统验证活动的开展必须具备由战场环境等组成的验证支持系统来提供数据支撑。以验证支持系统中的实兵参与程度为标准，可将当前的指控系统验证方法分为3大类，即:实兵、实装验证法;人在环、模拟环境、实装验证法;虚拟兵力、模拟环境、实装验证法。

2.1 实兵、实装验证法

实兵、实装验证法是指验证支持系统的组成以实兵、实装形式为主，典型方式是通过战争、演习或训练进行验证。《纽约时报》曾报道称，美国TRW/马格纳沃克斯研制成功的战场作战识别系统(Battlefield Combat Identification System，BCIS)就是在海湾战争中进行实战检验后，得到系统运行良好、目标识别正确率为99%、具有良好抗干扰能力的结论后，才开始大面积装备美军的。然而在和平时期，大规模的陆军战役演习、训练费时费力且不能实现对抗，陆军联合战役经验和作战动态数据的匮乏，使得很难依靠战争本身来研究战争这个复杂系统，从战争中学习战争已变得不可能［11］。

2.2 人在环、模拟环境、实装验证法

人在环、模拟环境、实装验证法是指验证支持系统主要采用人在环的半实物仿真方式，包含了部分实装系统部件，驱动被验指控系统运行，从而开展验证活动。这种模式通常也称为半实物仿真或系统试验床［12］。

人在环、模拟环境、实装验证法是在考虑控制成本的情况下，尽可能地保留指挥人员，使指控系统的智能决策能最大程度地模拟实战情况。其显著特点是验证支持环境由大量的半实物装备组成，指挥节点由指挥员进行操作，缩短了战场的时间、空间特性。人在环、模拟环境、实装验证法体系结构如图1所示。虚拟战场环境不仅为指挥人员提供可视化的模拟战场环境，还可根据仿真导控提供的战场想定产生驱动验证活动进行的战场事件。人在环技术尽可能地确保装备的实际性能，需要建造大量的半实物装备，包括软的因素和相应的价值测量［13］。

图1 人在环、模拟环境、实装验证法体系结构

2.3 虚拟兵力、模拟环境、实装验证法

虚拟兵力、模拟环境、实装验证法是一种强调以计算机生成兵力为主搭建验证支持系统的方法。该方法不需要大规模地动用实装或者建立半实物装备，能够大幅降低验证成本;但是计算机生成兵力的逼真程度是该方法的重点，尤其是计算机生成兵力的智能化程度。在开发表示指挥与控制过程的模型时，多数方法是建立在专家系统的人工智能方法基础上的［14］，这些方法通过一系列相互影响的决策原则表示指挥员的决策过程(任何层次的指挥)。基于人工智能原则的模型是实际使用中存在模型庞大、复杂和运行缓慢等问题，且在很多情况下决策原则本身也是非常依赖于想定的。

2.4 指控系统验证方法的比较分析

表1给出了3类方法的特征比较，比较的依据主要是从该特征对指控系统验证影响因素的支持强弱进行逐一对比分析。为简化起见，将实兵、实装系统验证法记为RARE;人在环、模拟环境、实装验证法记为HVERE;虚拟兵力、模拟环境、实装验证法记为VAVE。

表1 指控系统验证方法比较分析

从总体来看，实兵、实装的验证方法具有真实的战场环境，有军事应用支持，且指控系统操作由真实指挥人员完成，可信性高;缺点是不能反复采集验证数据，并且验证活动不是演习、战斗的首要任务，是处于从属地位的。虚拟兵力、模拟环境的验证方法能够进行反复验证;但是指控系统的操作却缺少真实指挥人员的智能。目前，建模与仿真的可信性分析是系统仿真中重要而又困难的问题，尚无普遍适用并得到广泛认同的方法和技术，甚至人们对仿真可信性的范畴和一般方法论都还没有统一的认识［15］，尤其是基于复杂巨系统的指挥信息系统建模仿真更是一个巨大的挑战。当前，人工智能尚未达到完全代替真实指挥员操作的高度，人在环能够在控制费用的情况下保证指挥的合理性，杜绝了战场环境中基于规则的“条件反射式”指挥现象，并且能够准确地提供指挥时延，提高战场真实性。综合比较分析，采取由高逼真度的作战仿真环境提供战场环境数据，由真实指挥员控制半实物指控装备，操作指控系统完成响应，针对指控系统验证目的进行验证想定设计，是比较适合于指控系统验证特点的策略。

3 基于作战仿真和指挥人员在环的指控系统验证法

在分析现有条件下指控系统验证方法优缺点的基础上，本文提出了基于作战仿真和指挥人员在环(Combat Simulation ＆ Commanders-in-Loop，CS＆CL)的指控系统验证法。

3.1 CS＆CL指控系统验证法的阶段划分

CS＆CL指控系统验证法的总体思路是以高逼真度的作战仿真完成数据支持，以军事想定为驱动，通过虚实转换网关完成半实物装备中的指控系统数据和作战仿真数据交互，从而达到驱动验证活动开展，并进行数据采集、分析以及生成验证报告的目的。该方法的总体思路如图2所示，分为3个主要阶段:验证准备阶段、验证执行阶段和验证分析阶段。

图2 CS＆CL指控系统验证方法的阶段

验证准备阶段的目标是确定验证内容并制定验证执行方案;验证执行阶段包括验证环境建设、验证活动预演和验证正式执行，可以通过多次的验证活动预演对验证方案进行优化调整;验证分析阶段主要是对验证的结果进行分析并得出结论，主要包括验证数据采集、验证数据分析和验证报告生成3个部分，验证数据采集不仅包括验证正式执行阶段的数据，还可以从验证活动预演中提取有用的局部数据。

3.2 CS＆CL指控系统验证方法的主要流程

CS＆CL指控系统验证方法是以军事应用为牵引，包括3个阶段，主要流程如下。

1)建立验证指标体系。充分分析被验证的指控系统，确定系统的验证指标，层层分解，建立验证指标体系。

2)计算验证复杂度，判断可验证性。由于时间、条件、复杂度的制约，遍历所有影响因素组合的验证方法操作性较差，在实际验证中需要根据复杂度判断指标的可验证性。对于不同的验证指标，其验证复杂度也不同，需要分析其是否属于NP问题，如何规约为一个可验证问题。

3)设计验证剧情。针对验证指标体系的各个指标设计验证剧情。验证剧情是用于描述被验系统的即时输入，包括战场环境条件、敌情、天候等。对每一个验证剧情都有一个相应的期望结果，即被验系统在此剧情下的正确响应。

4)设计验证想定。由于对某项验证指标一般会有多个验证场景，所以想定要把尽可能多的验证场景整合起来，驱动指控系统在连续调节、复杂环境下运行。验证剧情是面向被验系统功能的，验证想定是面向军事任务的。验证想定就是最大程度地将验证剧情整合在一起，以完成验证目标。

5)验证环境构建。在实兵演习时，验证环境就是实际战场;然而由于经费、物力、人力的限制，实兵验证不可能常态化使用。CS＆CL指控系统验证法要求的支持环境主要还是靠半实物装备和仿真环境来实现，该环境能够模拟实际战场环境，驱动指控系统在类似实际战场环境下运行。

6)执行验证并采集数据。被验系统在以想定驱动的仿真战场环境中，采集验证指标相关的数据。

7)分析验证数据，生成验证报告。通过分析战场环境因素对验证结果的影响，验证被验系统某项指标的有效性和稳定性，并确定一项战场环境影响因素的单一影响或多项战场环境影响因素的交互影响，进而找出变化趋势和规律。判断采集到的数据是否与期望数据相吻合，并分析误差原因，最后生成验证结果报告。

4 验证支持系统

验证支持系统是指控系统验证活动实施所需的人员、器材、装备、设施、仿真系统等硬件环境，以及支持指控系统验证活动的时间、空间等环境的统称。验证支持系统的建设质量高低是指控系统验证活动成功执行的关键因素。

4.1 验证支持系统的体系结构

验证支持系统的体系结构由用户层、验证策划层、验证活动层、软件层和硬件层5个层次构成。软件层和硬件层属于基础支撑类，验证策划层和验证活动层属于执行类，如图3所示。

图3 验证支持系统的体系结构

4.2 验证支持系统的支撑技术

验证支持系统的一个重要特点就是构建体系完整、要素齐全、逼真高效的验证环境，采用人在环模拟、虚实交互的方式开展综合演练，有以下关键技术需要突破。

1)指控系统与支持系统的无缝连接技术。实现指控系统与支持系统的无缝连接，可以通过专门的数据交互软件来实现实装指挥信息的提取、解析和交互，进而实现指挥员与作战仿真系统的虚实交互。针对实装指挥信息种类繁多的难题，将指挥信息分类处理，通过“实兵→仿真”、“仿真→实兵”2类数据转换规则，实现指挥信息的提取、解析和交互。

2)高逼真度的作战仿真技术。为了达到接近实战的验证效果，采用作战仿真技术动态生成作战背景，验证想定的制作与仿真技术是支持验证的重要技术，主要包括以下2个方面:一是开发高逼真度的军兵种全要素仿真模型;二是引进高性能计算机，确保作战仿真实战性。

3)可视化环境构建技术。可视化环境构建技术主要包括2方面:一是高沉浸感的可视化环境，主要为指挥员提供成体系的可视化感知环境;二是不可见信息可视化，主要是根据验证的具体内容和过程的需要，为验证管控人员和验证数据采集人员提供各类与验证相关信息的直观综合显示。

4)导调控制技术。指控系统验证活动也需要导调控制，导调控制软件是实现验证想定导入、验证场景设置、动态验证的重要工具。导调控制软件实现的难点在于与作战仿真系统、验证作业环境中真实席位的连接。为实现导调控制软件与作战仿真系统的连接，应开发专门的数据交互软件，按照约定的接口规范，实现对导调方案的接收和解析。

5)验证数据采集分析技术。验证数据采集分析主要是按照采集计划要求，采集指控系统各个席位的操作日志、收发的数据报文、作业席位产生的作战文书和对作业席位界面实时监控，并将采集的数据保存，以实现各个人在环的指挥作业环境、兵种专业作业环境之间交互的指挥流、信息流数据的显示、监视和记录。

5 结论

指控系统验证是一项复杂而艰巨的系统工程。本文分析了当前条件下的具体实现方法，并对验证支持系统的体系结构和支撑技术进行了较详细的论述，是对指控系统验证活动的探索。下一步，需要针对指控系统验证的完备性、可验证性等相关理论以及方法和技术开展深入研究。

［1］ 军事科学院军队建设研究部.军队信息化建设概论［M］.北京:军事科学出版社，2009:1-2.

［2］ Dod U S.TENA:The Test and Training Enabling Architecture Reference Document［R］.USA:US DoD，2002.

［3］ 周玉芳，余云智，瞿永翠.LVC仿真技术综述［J］.指挥控制与仿真，2010，32(8):45-49.

［4］ 孟凡松.TENA体系结构在美军JMETC中的成功运用［J］.外军信息战，2009，4(6):47-51.

［5］ 徐忠富，王国玉，张玉竹，等.TENA的现状与展望［J］.系统仿真学报，2008，20(23):6325.

［6］ Hudgins G，Lucas J.The Test and Training Enabling Architecture，TENA，Range Interoperability and Resource Reuse Solutions［EB/OL］.(2006-07-11)［2012-11-19］.http://www.tena-sda.org

［7］ Hudgins G.Test and Training Enabling Architecture(TENA)，An Important Component in Joint Mission Environment Test Capability(JMETC)［C］∥25th Annual NDIA T＆E National Conference.Atlantic City:NDIA，2009:795-802.

［8］ Weller E F.Practical Applications of Statistical Process Control［J］.IEEE Software，2000，17(3):48-55.

［9］ NCIA-NATO Communications and Information Agency.Distributed Networked Battle Labs(DNBL)［EB/OL］.(2012-10-14)［2012-11-19］.https://DNBL.NCIA.nato.int

［10］ Thorvaldsen R，Erulin J.DNBL Framework［J］.Transformer，2011，7(2):11-13.

［11］ 王精业.系统论与作战复杂性［M］.济南:黄河出版社，2006:33-34.

［12］ 包卫东，于云程，沙基昌.C3I快速原型法与试验床［J］.小型微型计算机系统，1998，19(5):24-30.

［13］ Kass R A，Alberts D S，Hayes R E.作战试验及其逻辑［M］.北京:国防工业出版社，2010:73-74.

［14］ Alberts D S.Code of Best Practice for Experimentation［M］. 北京:电子工业出版社，2009:65.

［15］ 黄柯棣，查亚兵.系统仿真可信性研究综述［J］.系统仿真学报，1997，9(1):4-9.