一种航母指控系统研发的工程模型浅析

石剑琛

(海军装备部，北京100071)

0 引言

当今，以航母为核心的海上编队作战，具有作战空间广、作战节奏快及作战环境多变等特点。指挥官在战场环境变得愈加复杂的情况下，只有通过辅助手段的帮助，才能实现对战场的全方位态势感知;通过设计完善的行动方案 (COA)，使用实时监控战术/作战平台，才能对阻碍作战的形势或威胁进行快速反应，从而顺利完成军事任务。

基于长期实战经验发现，若采用先进的指挥控制 (C2)系统，作战指挥官能够高效地实现作战意图;反之，作战指挥官则需要在多个系统间频繁地切换操作来实现对部队的指挥与控制，这大大降低了指控的实时性和作战效能，不符合当前作战一体化要能实现实时指控的要求。

支撑指控系统的设计旨在最大化单兵的作用。目前，工程界常就指控系统效能的标准和测试方法进行争论，并形成两类观点:人因工程论者和指挥控制系统开发论者。人因工程论者强调对指挥概念的细化研究，并决定何种内容和表述方法能够易化决策。这种研究需要指挥官学习和认知可控环境的物理性能;指挥与控制系统开发论者则偏爱“专家系统”方法，通过快速原型、编码规则等方法形成软件，并把软件植入到系统中，通过实战环境来验证其效用。两类研究人员采用的方法不同，但殊途同归:通过科学的控制实现艺术的指挥。

本文介绍一种可用于航母指控系统开发的工程模型，该模型将上述2种方法进行结合，克服了2种方法的缺点。

1 指挥控制系统四要素

指挥与控制是指指挥官运用职权管理所属部队以顺利完成作战任务。它的实现需要指挥官在计划、管理、协同和对军队进行调度的过程中对一系列人事、装备、通信设施和流程进行安排和部署。

有效的指控过程需要对指挥对象中人和机械性能的重要环节进行建模模拟。原美国空军约翰·博伊德上校曾提出OODA(观察、定向、决策、行动)空－空战模型，如图1所示。该模型认为指挥与控制应能够让飞行员实现观察、定向、决策和行动功能。此后的模型如MAPE(监视、评估、规划和执行)模型和MAAPPER(监视、分析、评估、预测、规划、执行和报告)模型等更深入地研究了指挥与控制过程，使其适用于规模更大的战场并对处理威胁的过程进行精确描述。保罗·诺斯和史提芬·福赛思对比了上述模型，认为这是“通过过程分解实现对指挥与控制性能的评估”，并从这些模型中提取指挥与控制的3个重要因素 (KEs):(1)能够维持态势感知能力;(2)能够实现作战部署;(3)能够执行和跟踪作战任务。此外，加入“需要实现精确的战场情报准备”因素，将能够更好地阐述指挥与控制的三因素，如图2所示。精确的战场情报准备能够说明指控三因素由什么引发的，并给指挥官的决策提供基础。这4个因素能够根据战场规模以及指挥人员所需解决的具体问题不同进行分解。作战指挥官，特别是航母编队指挥官，如能通晓战场、设计多个行动方案应对战况、监视战场以维持态势感知能力、明辨威胁并采取相应的应对措施，那么该指挥官则能够根据其作战目的和指导方针实现对战争的全面掌控。

随着科技发展，海上作战，特别是海上航母编队的作战，作战指挥官所需掌控的战场区域已延伸至其他地区，因而目前已采用了“联合指控+编队指控+本舰指控”的三级指控方式。此外，海上作战需要同时处理的威胁也愈加复杂，这都需要在高度不确定性的环境下实现动态决策指挥，指控功能的实现已从传统依靠指挥官经验转变为当前依靠技术装备 (计算机、通信设施等)，早期仅需较少技术支撑的指控方法如OODA模型已无法适应当前的作战环境。士兵很难在没有决策支撑系统 (DSS)的帮助下维持态势感知能力，并对战场上移动的目标进行持续跟踪。

图1 博伊德提出的OODA环形模型Fig.1 Boyd proposed OODA ring model

图2 指挥与控制系统的四要素Fig.2 Four elements of C2 system

因此，下一代的指控系统应能够为指挥官协调整个决策环节。指挥官不同的决策方式和规划方法，需要具有可适性强的先进工具配合使用，才能保证指挥官任务的顺利完成。

2 指挥控制系统工程面临的人为因素困境

在所有复杂的大型电子和机械系统中 (如指控系统，电子战系统，操作系统等)，工程模型应能够通过评估来确保工程细节的严谨性和全面性。典型的“V”字模型，成为众多成功系统开发过程所遵循的模型，如图3所示。在该模型中，系统工程师通过形成执行规则、精炼执行规则、进行高层－细节设计并通过软硬件配合来实现子单元或系统功能。上述工作完成后将进行单元测试、子系统验证、系统评估、系统验证和布线等工作，每个测试和分析步骤将保证系统功能的实现。

然而，“V”字模型的两边都会受到人为因素的影响。指控系统不像武器和传感器系统那样，其能力和性能能够通过标准实现量化，并通过测试来决定是否达标。指控系统包含多个子系统，每个子系统都会涉及到人为因素。人的行为是复杂且难以量化的，人为因素 (工作量、时间、精度等)将导致设计的系统与标准方案产生偏差。而且，鉴于指控系统工程不仅包含传感器和武器装置中多层的系综(SoS)，而且其潜在指挥人员分散在各地，他们会对观测到的数据进行机械化处理，其中可能还会附带自己的分析和经验信息，这将导致指挥与控制系统的输出受到这些非决定性因素的影响。人为因素已成为指控系统中最大的漏洞。

图3 系统工程的“V”字型模型Fig.3 System engineering“V”type model

3 指挥控制系统工程环形模型

为解决上述人为因素对系统研究带来的不利影响，美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)的一个工作组已着手于新型系统工程模型的开发工作，模型原型如图4所示。该模型各环节间相互支撑自然成环，通过确认关键挑战，评估当前系统对微小差别的识别能力，探索反映差别的能力，对该能力进行建模并确定效用，进行研发和部署等过程实现系统的开发研究。该模型能够指导指控系统的开发研究工作，其最大的好处在于:系统一旦实现了部署，系统研发人员将能同指挥人员一同来决定该系统的性能是否能真实反映战场环境。如果是，将继续深入研究在性能上的继续逼近是否会揭露更深层次的问题并减弱指控过程的效率。

图4 系统工程的环形模型Fig.4 Ring model of system engineering

对该模型的深入研究及其在指控系统中的运用，说明该方法同样适用于多系统的增量开发。增量开发通过预先需求定义和能力改进活动来实现，前者设定完成指控系统所需经历的阶段，后者则说明如何实现。系统的每个部分在研究过程中都将经历整个工程周期，如图5所示。这种方法通过验证步骤能确保各部分按要求集成。认知工程/人类系统集成 (HSI)的增加同样能确保研发周期满足用户需求，并保证指挥与控制系统能用于决策。

图5 指挥与控制系统的系统工程模型Fig.5 System engineering model of C2 system

3.1 环形模型基础

指控系统工程环形模型包括螺旋式开发和快速原型2个方面。指控系统最终是为指挥官或士兵服务的，因而螺旋式开发方法首先将促使系统研发工程师通过逐层研究获得真实需求，进而发展相关能力解决研发中的难题。在把相关技术成果融入到一体化结构中时，可能导致原有技术间不相兼容，非意志行为或新问题出现，这些问题由于技术原因在以前是难以察觉或实现的。因而系统工程师将持续研发与之相对应的解决方案，模拟工程师将继续建立和评估这些方案并最终满足指挥官和士兵的需求。

快速原型是指构造一个原型系统，实现指挥官和系统的交互，指挥官对其进行评价、细化待开发软件的需求，在此基础上逐渐完成整个系统的开发工作。指控系统快速原型主要涉及知识工程学。知识工程学是在20世纪80年代后期的人工智能运动中发展起来的。人工智能中的“专家系统”含有大量某个领域专家级的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理某领域问题。这些知识和方法被融入到一系列归纳性和推断性逻辑语句中，通过软件执行语句获得最“智能”的答案。指控系统并不试图取代人类及其所拥有的知识，但是，这些知识与经验的使用却能够辨别哪些进程能够由电脑快速处理，哪些进程应由人工进行筛选。基于此，指控系统通过提供计算结果，能够提升人的处理能力，而让指挥官能专注于制定决策的工作。

武器分配处理系统可以很好说明自动化处理和人工处理各自的优势。在该系统中，电脑可以模拟整个可见光波段内对武器的拦截情况，决定何种拦截方式能提供高性能的快速歼灭能力。通过考虑空间、时间需求以及交战规则，电脑将在短时间内完成数以亿次的计算，最后把结果提交给指挥官。指挥官在综合考虑电脑未尽事宜后做出最终决策。少数情况下，指挥官可以直接使用电脑提供的方案。

知识工程主要难点在于能寻找到专家。真正专家的帮助将有助于易化快速原型开发过程。以美国部队防空战协调技术 (FACT)项目为例，该项目组多年来一直从事航母及其战斗群系统的开发工作，但在上世纪90年代后期，美国海军要求该小组能形成战场指控能力。他们意识到航母及其战斗群的相关知识和战术不能直接用于战场和作战指挥官的战术指挥。因而该项目主管积极寻求能够提供相关知识的专家以构建区域防空指挥官指挥保障能力。最后以3个领域专家提供的信息作为支撑，让他们顺利完成了任务。若没有专家的专业知识和帮助，他们将无法正常完成工作。专家提供的信息是至关重要的，将有助于快速开发满足指挥官需求的指控设备。

3.2 环形模型研发难点

指控系统工程环形模型的成功开发同样会受到螺旋式开发和快速原型的制约。主要是由于螺旋式开发和快速原型方法本身会受到挑战。最直接的挑战就是研发组成员只能通过场景模拟而不是亲自到战场了解真实情况。切身的航母编队作战经验是无法取代的，再好的模拟也仅仅只是模拟。虽然美国海军已花费了大量的人力物力来构建硬件模拟能力，并且这些模拟方法确实在一定程度上能够实现分析、建模以及早期测试功能。但是模拟还是不能替代真实的战场感受。为了获得快速原型螺旋式开发的优势，工程师们还需要士兵的加入。对于区域性指控系统而言更是如此。工程师虽然能够有效测试指控系统决策的进程，但是却不能把这种模拟环境扩大到整个分散的指挥与控制环境。此外，有航母战斗群参战的海上战场或“雾战”带来的“恐惧因素”也不能很好被模拟。基于以上事实，海军开始提供全面的海上训练以获得真实的战场环境。在训练期间拥有快速原型能力对工程师而言是重要的。实际上，很多系统都有数据收集和简化工具，能够捕获在训练中呈现的重要数据。

然而，从快速原型经验中所获得的结论经常被工程界所忽略。快速原型不是被用于执行受控经验的，而是被设计用于能快速提供能力，并通过士兵间相互作用形成的螺旋式研发方法改进这种能力。这种能力的结果将更多的是质量上而不是数量上的变化。当下，很多工程师抛弃了该方法而选用实验法这种受控的经验来处理问题，他们在此过程中一方面未能开发出符合要求，能提高战斗力的指控系统，另一方面未能获得有价值的信息以决策后续的发展方向。这都是因为这些实验是在受控的环境下而不是士兵所处的真实环境中进行的。

4 结语

决策支撑系统的先进与否在一定程度上决定了战争，特别是航母编队战等大规模战争的输赢。先进的决策支撑系统应能够为指挥官提供指控工具和必要的工作环境，以实现快速和精确的决策支撑。环形模型有效解决了传统模型中人为因素对决策的影响，极大提高了指控系统的性能。但是，研发环形模型所采用的螺旋式开发和快速原型还缺乏必要的具有适当深度、广度并含有恐惧因子的指挥与控制环境，这将无法满足对“雾战”等多形式战争的需求。加强对真实战场的了解将有助于先进指控系统的研发。

［1］ Department of Defense．Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms［M］．Washington:Joint Education and Doctrine Division，Joint Publication 1 －02:DC，71(2010)．

［2］ BOYD J R．Patterns of Conflict Presentation［EB/OL］．http://dni-pogo．org/boyd/f/poc．pdf，1986．

［3］ NORTH P D，FORSYTHE S L．A Process Decomposition Approach for Evaluating Command and Control(C2)Functional Performance［C］//Command and Control Research and Technology Symp．，San Diego，CA，2006:1－14．

［4］ MCKNEELY J A，OCKERMAN J，KOTERBA N．A Hybrid Approach to Cognitive Engineering:Supporting Development of a Revolutionary Warfighter－Centered Command and Control System［C］//10th International Command and Control Research and Technology Symp．，McLean，VA，2005:1－12．

［5］ GERSH J R，MCKNEELY J A，REMINGTON R W．Cognitive Engineering:Understanding Human Interaction with Complex Systems［J］．Johns Hopkins APL Tech．Dig，2005，26(4):377 －382．

［6］ MOUNDALEXIS M，DEERY J，ROBERTS K．Integrating Human-Computer Interaction Artifacts into System Development［J］．Lect．Notes Comput．Sci．5619，2009:284－291．

［7］ DOMINGUEZ C O，MCKNEELY J A B，FALLON C．Submarine Systems Development as a Lens for CSE Progress:Pushing the Envelope of CSE Methods［C］//52nd Annual Human Factors and Ergonomics Society Meeting，New York，2008:323 －327．

［8］ NATTER M，OCKERMAN J，BAUMGART L．Review of Cognitive Metrics for C2［J］．ITEA J，2010，31(2):179－209．

［9］ National Research Council Committee on Human Factors，Human-System Integration in the System Development Process，R．W．Pew and A．S．Mayor(eds．)［M］．National Academies Press，Washington，DC，2007．

［10］ PERRY K．Managing Modernization:A Fleet First Perspective［EB/OL］．Undersea Warfare，Spring 2008，http://www．navy．mil/navydata/cno/n87/usw/spring08/Modernization．html，2008．