指挥云脑研究

2020-05-11张志虎宋春林刘思培高天成

火力与指挥控制 2020年4期

张志虎，宋春林，刘思培，高天成

（北方信息控制研究院集团有限公司，南京 211153）

0 引言

基于先进互联网技术的类脑系统研究和落地必然要加速军事信息系统的智能化发展步伐，智能化必将成为未来军事信息系统尤其是指挥信息系统的重要发展方向［5-10］。作为前沿信息技术发展和新军事革命的“领头羊”，美军近年来不遗余力地探索云计算、大数据、移动通信、人工智能等最前沿的信息技术在军事中的应用。2007 年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动了深绿计划［11-12］，旨在将智能技术引入到作战指挥过程中［8］。2015 年，美国国防部提出了第三次抵消战略，提出了运用人工智能技术综合利用人的洞察力与计算机的高灵敏度，提升指挥员的决策能力［10］。2016 年，美国国家科技委发布了《国家人工智能研究与发展战略规划》，将人工智能上升到了国家战略层面。2025 年前，美国将围绕构建“全球监视打击体系”，突出发展无人化和远程化作战平台。未来作战平台、信息系统、指挥控制可能全面实现智能化甚至无人化，作战空间进一步向智能空间拓展。

近年来，我军在以指挥自动化为基础的新型指挥信息系统的构建、多年的建模仿真及数据工程建设，以及分析评估和任务规划系统建设等方面取得了十分显著的建设成果，但是这些系统智能化程度不高，智能化问题难以突破［8］。而未来战场又将是快速、多变和复杂，这就要求指挥信息系统应该具备快速决策、自动决策和自主决策能力，现有系统不突破智能化瓶颈，将无法适应未来战争的需要。文献［10］指出，未来指挥控制智能化重点发展方向包括了智能顶层系统架构、智能战场态势认知、智能决策建议优化和智能人机协同交互4 个方面。国内学者借助云计算、本体以及深度学习等先进技术，已开展了指挥信息系统架构、战场态势感知、数据分发和态势理解等相关方面的研究［13-19］，但在智能化的指挥信息系统顶层架构方面研究不足。而本文借鉴互联网大脑模型，从类脑系统角度设计一种新的指挥信息系统架构，聚焦智能化的指挥信息流程，旨在为指挥信息系统的智能系统架构研究提供参考。

1 技术架构

借鉴互联网大脑模型［1］，指挥云脑是指挥信息系统向与人类大脑高度相似的方向化过程中，形成的类脑云系统架构。指挥云脑具备不断成熟的类脑视觉、听觉、躯体感觉、运动神经系统、记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。通过虚拟神经纤维，将陆、海、空、天、电、网多维战场空间各类作战要素和战场态势信息链接起来。指挥云脑在群体智慧和人工智能的驱动下实现态势认知，判断，决策、反馈和自主控制。技术架构如图1 所示。

图1 指挥云脑架构

指挥云脑采用“资源层- 服务层- 应用层”3 个层次的开放式的架构设计，资源层支持资源随时扩展，服务层支持服务即插即用，应用层支持应用按需组合。

1.1 资源层

资源层为指挥云脑的基础，按照“一切皆资源”的理念，资源是服务于作战的所有人、机、物等实体中的最小功能单元，既包括构建信息系统的基础设施资源，例如通信网络设备、服务器、工作站和存储设备等硬件资源，也包括构成作战要素的战场感知、兵力火力等资源，还包括安全保密、综合管理、基础数据，以及采用资源虚拟化技术对实体资源虚拟化而形成的虚拟资源等。

资源层除了包含上述实体资源和虚拟化资源，还包括了对资源进行统一管理调度的资源管理服务。资源管理服务主要包含了资源注册、资源发现、资源调度以及资源监控等功能。

1.2 服务层

服务层介于资源层和应用层之间，是一序列功能解耦的信息服务集合，基于资源层，为应用层提供各类信息服务支撑。

国内女性主义翻译研究在文本实证与翻译实践方面积攒了丰富的经验,对文本解读的视角丰富、涉及面广,形成了国内女性主义翻译特有的话语谱系和特点,但也产生了一些“牵强”现象,比如对非女性主义文本“性别化”和对女性主义文本“性别过度化”施加翻译上的“劫持”和“挪用”,就僭越了文本忠实性的一般伦理,偏离了翻译研究的客观性、严谨性和科学性。在谈到Flotow翻译实践方法时并不统一,有些描述为“加写前言和脚注、增补和劫持”,有些则描述成“加写前言和脚注、增补和挪用”,显示了研究中欠严谨的一面。

服务层包含了3 个子层，分别为提供共性资源服务的资源服务层、提供知识的抽取、表达、处理等智能增值服务的类脑智能服务层，以及支持应用系统快速重构和集成的通用业务服务层。其中，资源服务层包括通信服务、计算服务、存储服务、软件服务、数据服务、时空服务、安全服务、保密服务、运维服务等资源服务。类脑智能服务层包括基于知识图谱技术的知识表示和推理服务、基于深度学习技术的类脑计算服务、虚拟现实、脑机融合、情感理解等智能服务。通用业务服务层包括态势感知、指挥决策、行动控制、支援保障和作战评估5 大功能域通用业务服务。

1.3 应用层

应用层是运行在云平台层上的应用软件集合，包括两大类应用，即军兵种作战应用和联合作战应用。

应用层是在资源层、服务层的支持下，围绕各种典型应用需求，通过集成共性资源服务、类脑智能服务、通用业务功能服务，基于数据、运用知识，实现情报的精准分发、态势的敏锐感知、作战资源的实时监控、调度，以及智能化的辅助决策乃至自主化的无人作战等作战应用。

2 功能组成

指挥云脑主要包括了虚拟感觉、虚拟视觉、虚拟听觉、虚拟运动系统、虚拟记忆、虚拟中枢神经、虚拟末梢神经和虚拟自主神经系统，以及构成这些子系统的基本单位——虚拟神经元和虚拟神经纤维。功能组成如图2 所示。

图2 指挥云脑功能组成

2.1 虚拟神经元

虚拟神经元是指挥云脑的最基本构成单位，是云脑的主要组成部分。虚拟神经元基本功能是通过接收、处理和输出数据实现数据交换。指挥云脑中服务和应用软件根据其功能特点划分为不同类别的虚拟神经元，例如实现人机交互功能的人脑映射虚拟神经元，实现数据分析和处理的数据挖掘和分析神经元，实现态势感知功能的虚拟感觉神经元和虚拟听觉神经元、实现武器控制功能的虚拟运动神经元，实现类脑计算功能的深度学习虚拟神经元以及实现知识提取和组织的知识发现虚拟神经元等。各类虚拟神经元和连接神经元的虚拟神经纤维构成了指挥云脑的各功能子系统。

2.2 虚拟神经纤维

虚拟神经纤维是指挥云脑中链接各神经元的通信网络。通过虚拟神经纤维，各功能神经元能够进行有效的交互。作战人员也可通过虚拟神经纤维便捷地指挥云脑进行交互。同时互联网信息通过虚拟神经纤维接入，为云脑开展智能决策提供情报信息。虚拟神经纤维是指挥云脑运转的重要保证，是链接陆、海、空、天、电、网多维战场空间各类作战要素和战场态势信息的基础设施。

虚拟神经纤维的建设需借助万物互联技术。现有的军用无线通信传输速率不高，仅依赖军用无线通信手段将会严重制约云脑的效能。而万物互联技术则在不断地发展和成熟。新一代互联网技术，如全球范围内低功率广域网、工业以太网、短距离通信等相关技术快速发展，尤其是窄带蜂窝物联网标准的确立和商用化，具有低成本、低功耗、广覆盖等特点，连接障碍持续降低，可为虚拟神经纤维的建设提供重要技术支撑。同时借助成熟的4G LTE 移动通信以及未来的5G 通信技术，通信带宽将不再是瓶颈，推动更多的感知神经接入，使得武器平台、机器、资源和人有机联系起来，形成高度灵活、数字化和智能化指挥大脑，最大化发挥装备的作战效能。

2.3 虚拟感觉、视觉和听觉系统

虚拟感觉、视觉和听觉系统是指挥云脑的态势感知节点，由各类感知神经元和虚拟神经纤维组成，实现对兵力部署、武器配备、目标态势、气象信息等敌情、我情和战场环境的探测、感知及信息处理。虚拟感觉系统借助震动侦察技术、压敏侦察技术和温湿测量技术实时监测温度、湿度、流量、流速、气压等。典型的虚拟感觉系统包含了温湿压传感器、气压计和流量计等。虚拟视觉系统借助雷达感知技术、电子侦察技术、红外感知技术和可见光无源感知技术，实现对目标的空间定位、多普勒速度测量、SAR 和ISAR 成像、辐射源信号侦收、分选、识别和定位、红外成像以及目标高清可见图像生成。典型的虚拟视觉系统包含了雷达、电子侦察设备、红外成像仪、照相机和夜视仪等。虚拟听觉系统借助有无源声波感知技术获取目标信息和对目标进行分类识别。典型的虚拟听觉系统包含了声纳、炮声传感器、听水器和利用大地震动声波的震动传感器等。

随着虚拟神经纤维的建设和发展，这些被安放在战场环境中的传感器，将源源不断地向指挥云脑中各类处理神经元传送战场各个方面的感觉、视觉、听觉信息，经综合处理后形成作战区域要素齐全、完整统一的战场态势图。

2.4 虚拟运动系统

虚拟运动系统是指挥云脑的行动控制节点，由各类行动控制神经元和虚拟神经纤维组成，实现对作战力量和武器平台的调度和控制。虚拟运动系统借助基于虚拟现实和增强现实的虚拟战场、作战力量实时监控以及敏捷行动控制等技术，实现对作战力量的高效调度和对武器系统的精准控制。典型的虚拟运动系统包含了坦克、驱逐舰、轰炸机、无人机、导弹、作战机器人等。

2.5 虚拟记忆系统

虚拟记忆系统是指挥云脑的数据和知识存储节点，由各类存储神经元和神经纤维组成，承担了云脑的记忆功能。虚拟感觉系统、虚拟视觉系统、虚拟听觉系统和虚拟运动系统收集和产生的数据和知识将存放于虚拟记忆系统中。当作战用户需要访问这些数据和知识时，通过人机交互神经元从虚拟记忆系统中获取。虚拟记忆系统借助云存储技术实现对海量数据和知识的分布式存放和读取。

2.6 虚拟自主神经系统

虚拟自主神经系统是指挥云脑的自主控制和处理节点，是云脑高度智能化的集中体现，由各类智能分析和处理神经元，包含了人脑映射虚拟神经元，数据挖掘和分析神经元，深度学习虚拟神经元和知识发现虚拟神经元等，以及负责各类神经元通信的神经纤维组成。这些智能分析和处理神经元通过预置数据挖掘、深度学习、知识表示和推理等智能算法、训练数据和专家知识，完成对态势感知数据的智能处理和决策，实现对虚拟运动神经元的自主控制。在实际运行过程中可以不需要人的参与。

虚拟自主神经系统能够开展对战场的自主态势感知、自主指挥决策，以及对武器平台的自主控制。虚拟自主神经系统借助大数据、云计算、边缘计算、雾计算、机器学习、知识图谱等人工智能技术，实现侦察装备和武器装备的自主协同以及自主化无人作战。

2.7 虚拟中枢神经系统

虚拟中枢神经系统是指挥云脑的指挥决策和控制节点，是云脑的核心系统，由各类虚拟感觉神经元、听觉神经元、视觉神经元、运动神经元、资源管理神经元、数据挖掘和分析神经元、任务规划神经元、辅助决策神经元等服务软件和应用软件，以及负责各类神经元通信的神经纤维组成。虚拟中枢神经系统不仅包含了底层硬件设施，例如核心服务器、工作站和路由器及交换机等，也包括了运行在硬件基础设施上的服务、软件以及数据。虚拟中枢神经系统遵循图1 中“资源层- 服务层- 应用层”3层架构。

虚拟中枢神经系统辅助是指挥员及其指挥机关完成对作战构想、作战部署和作战计划等重大问题的运筹和决断以及行动控制。借助基于仿真的战斗行动推演评估、作战任务规划、模拟训练、辅助决策、大数据、云计算、人工智能等技术，实现辅助指挥员及其指挥机关对战场感知、通信网络、兵力火力等作战资源进行综合规划运用，提出作战构想、定下作战决心、拟制作战计划，下发决策和指令，完成作战行动控制。

2.8 虚拟末梢神经系统

虚拟末梢神经系统是指挥云脑的末端态势感知和指挥控制节点，由分布在末端的各类感觉神经元、听觉神经元、视觉神经元、运动神经元、资源管理神经元、数据挖掘和分析神经元等软件，以及负责各类神经元通信的神经纤维组成。虚拟末梢神经系统不仅包含了各种战场终端设备，例如各种指控终端、武器终端、侦察保障终端以及单兵终端设备，也包括了运行于这些设备上的服务、软件以及数据。虚拟末梢神经系统同样遵循图1 中“资源层-服务层- 应用层”3 层架构。

虚拟末梢神经系统将虚拟中枢神经系统集中式处理功能进行分解，切割为更小更容易管理的部分，分散到云脑的边缘节点去处理，使得云脑具有边缘智能。虚拟末梢神经系统不仅可以和虚拟中枢神经系统进行联动协同工作，即，通过将数据传送给虚拟中枢神经系统，依托虚拟中枢神经系统强大的数据处理能力，完成战场大数据的处理和分析，而且也可独立于虚拟中枢神经系统开展工作，通过整合系统内多个终端中的战场感知、计算存储、通信网络、兵力火力等资源，完成战场态势数据的智能共享、及时处理和协同控制。虚拟末梢神经系统借助敏锐的多维度态势感知、资源实时监控和协同调度、敏捷行动控制、边缘计算和雾计算等技术，实现对战场环境的实时反应和对敌的快速打击，解决虚拟中枢神经系统可能面临的连接中央服务器，网络延迟较大和带宽不足，尤其是战术移动通信网络带宽窄、连接不稳定等问题。

3 信息流程

指挥云脑的信息流动机理如图3 所示。首先，各类态势感知神经元实时感知战场态势和环境，并将感知采集的数据作为数据资源汇聚至云脑的资源池中。数据资源通过统一管理和按需调配后交由资源服务层中数据服务进行数据的预处理和分析。数据预处理和分析完成对数据的清洗、降噪、变换和特征提取等操作。其次，类脑智能服务层对预处理后的数据开展大数据挖掘和机器学习，完成对数据的深度加工和知识抽取，形成知识，经通用业务服务层专业化处理后，形成专业知识和决策建议。通过智能人机交互接口，结合云脑的决策建议和作战人员的指挥艺术，形成指挥智慧，完成作战筹划和方案制定，下发作战计划，通过知识到数据的转换，生成作战指令。最后，通过虚拟运动神经元完成作战行动的执行。目标毁伤程度和战场态势的变化通过虚拟感知神经元实时感知和采集，形成下一轮信息流的闭环。在整个作战回路过程中，数据、知识和智慧不断通过学习和反馈更新，实现作战效能的持续优化。

指挥云脑信息流程不仅存在于虚拟感觉、视觉和听觉系统、虚拟运动系统，以及虚拟中枢神经系统之间，也可存在于虚拟末梢神经系统中。一方面，当前端态势感知系统和武器平台通过虚拟神经纤维接入虚拟中枢神经系统，海量数据从前端神经末梢流入后端，基于中枢神经系统中云计算的强大计算力以及大数据处理和人工智能技术，完成“数据-知识- 智慧”的深度挖掘和转换。另一方面，当前端态势感知系统和作战平台无法接入后端中枢神经系统，通过建立虚拟末梢神经系统，构建感知神经元和运动神经元信息共享环境，基于边缘计算、雾计算和嵌入式人工智能技术实现“数据- 知识- 智慧”信息流在虚拟末梢神经系统中循环流动，完成“侦- 指- 打- 评”的协同作战流程。