马赛克作战模式的递归拼图计算体系

张婷婷 蓝羽石 宋爱国

2017年美国高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)提出的马赛克作战旨在通过现代科技技术强化指挥决策优势[1],使其保持在军事力量的优先地位,并通过提高执行控制的自动化程度,给敌方造成更大的决策不确定性,从而通过灵活多变、出其不意的战术造成强大的威慑力,改变以精确打击、远程打击的军备竞争格局.马赛克作战模式的基本特点是军事资源动态组合、执行、控制自动化的作战模式,采用类似拼马赛克块的方式将低成本的系统链接在一起,通过动态拼接马赛克块实施灵活作战,形成应对中俄体系作战的优势.目前美军没有公开或还没有具体实施马赛克作战的实现技术方案.近两年国内诸多学者在追踪研究马赛克作战概念和机理,针对马赛克战的威胁和挑战构建了“云、网、边、群”的陆战场平行智能网络信息体系架构,并从体系层面给出应对策略[2].

马赛克作战提供了一种以决策为中心作战的样式[3],集成海上、陆地、空中作战资源的多域作战模式,“人智+机智”的人机融合方式为指挥员的战略、战术决策提供智能支持,有人/无人终端自动化执行决策命令,减少指挥决策之外的工作负载.决策为中心和执行控制自动化是马赛克作战最基本的要素.决策为中心的基本思想有两个层次,一是通过信息、人工智能技术提升智能决策的优势;二是通过执行控制的自动化减少决策和执行的耦合度,从而减少对决策的掣肘或干扰.

面对马赛克作战中存在智能终端数量规模化、结构动态化、要素多变化的特点,如何有效解决系统计算、通信和控制复杂度以提升决策优势是个亟需解决的问题.从决策优势和控制效率的相互作用关系为切入点,提出马赛克作战模式的拼图计算体系,阐明从决策目标到作战单元能力空间之间的作用和反作用关系.拼图计算体系侧重决策执行的快速性、灵活性以及作战反馈对决策的影响.因此,研究的重点包含执行决策的资源调度、资源运行、状态反馈、决策调整.其关键要素:以战略、战术决策为中心,实现作战资源的动态组合和多任务作战能力的形成;利用递归调度的方式实现组合作战资源自主执行和自动化控制,减少指挥决策人员在行动层次的工作负载.

1 马赛克作战体系及特性

1.1 美军马赛克作战理念

冷战时期美国的作战优势是通过新兴技术和新的作战概念,创造了许多新技术武器装备,包括隐形飞机、精确制导以及远距离通信感知网络等.这些优势,使得美军在伊拉克战争、阿富汗战争中取得了绝对的胜利.当时美军大型集成武器装备居多,作战概念是将多任务单元和平台组合成相对较大的编队,如陆军旅战斗部队(Brigade Combat Team,BCT)、海军远征部队(Marine Expeditionary Unit,MEU)和海军航母战斗群(Carrier Strike Group,CSG).现在看来由于它们的庞大性和聚集性,使得其作战单元容易受到攻击,作战行动容易被探测,也限制了指挥控制的灵活性[4].美军认为中国和俄罗斯联邦由此调整了装备发展和作战策略.比如,中国将远程传感器和精确制导武器通过通信网络部署在体系(System of Systems,SoS)内实施联合作战,可以轻易探测和打击美军的集中式大型编队.同时中国的武器装备更加轻量化,调度起来更加方便快捷,使得美军以往技术和操作上的优势已演变成劣势[5-6].美军继续发展多任务武器平台和战术,很难再取得战争优势,同时美国的财政支撑也有困难[7].

美军作战理念是以杀伤为目的,通过摧毁足够多的敌人,使其无法作战来取得胜利[8].中国古代西晋陈寿的《三国志·蜀志·马谡传》中提到的“用兵之道,攻心为上,攻城为下”.给予他们很好的启发.传统作战中的运动战是以决策为中心的战争,通过动态阻碍、消耗和扰乱对手的指挥决策,通过分散组织多处迷惑和扰乱对手,造成对手反应延迟,以打击其脆弱部位[9].比如,中国的解放战争就是运动战成功的案例.考虑到中国是主场防御作战模式,装备要素多,网络基础设施好,而美国是客场进攻作战模式,装备单一化,对网络的要求高.因此,美国国防部改变以网络为中心的作战,提出一种以决策为中心的作战概念,重新设计指挥与控制(Command and Control,C2)流程,将打击为主变成以消耗为主的战争策略.

1.2 以决策为中心的作战模式

1.2.1 作战能力拆分

将传统的多任务平台和大型单元按作战节点提供的能力类型(感知能力、决策能力、执行能力)进行拆解,拆分成提供单个能力的装备资源马赛克块,这种拆解方案使得美军作战体系具备超强的灵活性,改善了原有大型装备在现代战争中的易被探测和打击等劣势,还可以分散和模糊美军的部署和意图,增加敌人探测和打击的复杂性和不确定性.如图1所示[9].

图1 对武器平台进行能力拆解成组合的作战能力单元Fig.1 Disassemble the weapon platform’s capabilities into combined combat capability units

1.2.2 决策为中心作战

改变以网络为中心作战理念,演进到以决策为中心作战.整个指挥与控制流程重心在决策.各级指挥员的精力放在战略层面,实施“人智+机智”融合式边缘决策,使指挥更有智慧,控制更加自动化.指挥与控制分开,指挥节点决策马赛克片的组合,机器控制自动化程序来调度马赛克片,马赛克片上安装自动化程序,被调度时自主运行功能.指挥官与自动化程序之间使用人工智能技术辅助指挥员指挥与控制,使马赛克作战具备迅速、有效决策的能力,如图2所示[9].

1.3 相关的计算模型和体系结构

目前全球主要军事强国以网络中心化的C4KISR 体系作战模式,体系的系统结构预先设定,对通信网络的要求高.在高动态、强对抗战场环境下体系的韧性要求是一个挑战.针对这个问题,美军启动“韧性自主软件系统”RASS 项目,以提升信息系统韧性保障能力[10].国内也开展相关研究,尝试构建结构自适应的作战体系[11],有研究者从体系演化角度研究动态条件下作战体系自主动态调整机理[12],王飞跃研究员近期提出了涵盖“云、网、边、群”的陆战场平行智能网络信息体系架构,并着重对体系层指挥与控制、认知域情报博弈等关键领域的智能对抗提出了解决思路[2].现有体系结构框架自顶向下[13-14],部分到整体设计模式很难将空中、网络、陆地、海洋和空间多领域武器装备和资源集中在一个框架中高效运转.特定性能要求下的体系结构动态调整会影响体系功能的完整性和部分性能,因此,需要形成适应动态威胁和环境的解决方案,在保留现有体系的基础上增加弹性系统设计和嵌入计算智能.

图2 美军以决策为中心的C2 结构Fig.2 Decision centered C2 structure of the US military

2 决策为中心的递归拼图模型

实现马赛克作战的决策为中心的作战体系,需要解决两个主要问题,一是作战资源快速调度;二是人机融合的决策系统体系结构.将动态复杂作战系统分为两个维度,通过作战任务纵向递归式分解和作战单元能力横向水平递归调用,来降低系统决策和执行、控制的耦合度,以提升决策和调度效率.具体地表述为,根据战略、战术决策目标通过递归结构构建作战能力.其中,递归结构起到两个层面的作用,一是有效降低拼图复杂度;二是作为系统计算、通讯、控制等资源调度的模式.

2.1 拼图基本元素和递归结构

当前体系作战是基于特定任务自顶向下划分子任务[15],任务到装备能力需求,从能力需求到装备功能组件组合,如图3所示.当任务场景变化时很难大幅度调整体系功能.拼图作战以杀伤力和牵制力为核心,从构建杀伤网为视角,直接调度分散的或可组合的武器基本单元,实现武器单元迅速自我聚合和分解,形成多种新组合,利用一种自进化递归计算和调用模式,实现多场景动态高效资源组合.

马赛克作战与目前有人系统以“杀伤力”为核心的作战理念有根本的不同,强调以“作战效能”为核心,通过边缘决策方式实现战略、战术决策目标的作战资源动态组合.拼图由“有人/无人系统基础单元”(为方便表述用USBU 表示)构成,USBU 可以看作是面向多数作战需求的标准化作战单元.尽管作战是个极为复杂的过程,但作战的目标不外乎进攻和防守,作战手段主要是侦查和攻击,USBU 基于这一理解构建.USBU 为最小作战单位,“拼图作战”系统作战时通过递归调度几套USBU 组成“杀伤网”,这种模式按需动态调用USBU.具体操作是将体系内资源划分为感知资源包S、判断资源包D、打击资源包A,每个资源包是作战单元USUB 的集合.由指挥中心C从资源包里调用USUB 组合,形成不同决策空间的杀伤力和牵制力,改变现有的任务层层分解式规划调度方法,采取分布式调度USUB 形成多任务组合的方法.每个USUB,看作一个单词,是一个马赛克片;几个单词组合成句子,形成杀伤链;若干句子组成一段话,形成某个作战场景的组合,形成杀伤网,使得拼图作战系统具有高度的灵活性.这种分解方式与组合方式具有递归结构简化了控制的复杂度.如图4所示.

2.2 拼图计算递归模型

拼图作战关注的是杀伤链的形成,杀伤链是根据USBU 能力计算USBU 的组合.一条杀伤链包括感知资源、决策资源、打击资源.具备发现能力、识别能力、追踪能力、瞄准能力、打击能力.表1 为UBSU 能力属性.拼图的约束主要受限于UBSU 的能力,拼图组合决策的过程是对UBSU 能力计算的过程.为降低决策与调度之间的复杂度来提高决策执行效率,下面给出拼图递归模型和算法.

图3 当前体系作战模式(E2、E3 为型号;DSP 卫星为导弹预警卫星;BDM 为卫星定位模块;JTAGS 为联合战术级地面站)Fig.3 Current system operation mode(E2 and E3 are models;DSP satellite is missile warning satellite;BDM is satellite positioning module;JTAGS is joint tactical ground station)

表1 UBSU 能力属性(注:表示能力属性值)Table 1 UBSU capability attributes

2.2.1 递归拼图模型

1)基本作战单元具有原子性,视为不可再分的作战能力以及具有面向决策的属性,作战节点是基本作战单元集合及其能力空间.用Φ = {ei},i=1,2,··· ,n,e表示基本作战单元,e构成基本作战单元集合Φ.Λ 是作战单元的能力空间,包括作战单元的感知、决策、打击等作战决策关注的能力.映射δ:Φ →Λ 赋予作战单元完成战略决策的能力.

2)基本作战单元的递归拼图结构是对Φ 的子集的结构化,直观上是抽取作战单元集合Φ 中的部分基本作战单元,形成实现目标的作战系统.技术实现上是通信、计算、控制资源调度和资源隔离的容器.用Δ = {τi|是Φ 上的正则文法结构,通过正则文法表示作战单元递归组合结构.拓展映射δ 定义域,形成Δ →∧的映射,表示拼图结构的作战能力.有属于因此,其中,ω 函数是聚集函数,整合底层的能力集合形成作为给合后的作战能力.

图4 拼图基本元素Fig.4 Basic elements of the puzzle

拼图计算根据战略决策和战术目标diinD和UBCU 能力约束c(di)inΦ 形成拼图组合结构τi,满足δ(τi)=c(di),形式化的拼图计算是约束映射φ:D→Δ|δ(τi)=c(di).

2.2.2 计算模型

USBU 调用面临的一个问题是,如何通过软件、硬件调度实现感知、决策、控制的最优化,保证完成任务的情况下,使用最少资源、调度效率最高.

拼图计算模型解决从给定战略决策、战术目标diinD和UBCU 和能力约束c(di)inΦ 中搜索φ :D→Δ|δ(τi)=c(di).因此,约束δ(τi)=c(di)通过限定搜索空间的范围提高搜索效率,实现执行、控制的效率,形成快速、多变的对抗优势.因为δ(τi)=c(di)具有相同的值域,可以用δ(τi)诱导出c(di),具体表示为:其中,

定理1.n-Δ 具有以下性质:

1)n-Δ 中,基本作战单元的个数不大于n.

2)对于n-Δ 中任意的满足

例如,有武器单元集合和指挥中心集合{A1,A2,A3,S1,S2,D1,D2},{C1,C2,C3} 生成组合结构((A3,A2,S1,D1),(A1,S2,D2),C1)表示为指挥员C1据战略、战术意图对作战节点(A3,A2,S1,D1)和作战节点(A1,S2,D2)下达作战命令.根据战略、战术意图,作战节点从基本作战单元集合,根据能力要求生成的资源组合,这种结构具有自相似特征,组合形成实现战略、战术意图的作战资源系统,是一种递归的正则结构,可以通过递归调用,以减少拼图作战资源的计算复杂度.

3 递归拼图计算和当前基础技术

递归拼图计算结合当前的深度学习和云计算平台的技术特点.一方面利用深度学习增强递归拼图计算的适应性,另一方面,通过云计算的资源调度和管理的弹性、扩展性灵活支撑组合τ 的基本单元之间的信息传播、控制协议实现.

具有自主学习和适应的深度能够强化递归拼图计算的动态适应性,构建满足δ(τ)=c(d)约束的更多τ,特别是强化学习的自动搜索能力能够有效扩展指挥员的过往经验.从这个角度,再次表明递归拼图计算能够有效地反作用于决策,通过搜索有效τ,支撑决策空间范围扩展,为指挥员提供更为宽泛的决策选项.

拼图计算在给定决策diinD和能力约束c(di)inΦ中搜索φ:D→Δ|δ(τi)=c(di)而Δ 中任意组合τ 具有正则文法的递归序列结构,因此,可以将给定的决策d作为函数输入,τ 作为函数输出,这种结构可以用深度神经网络模型近似该函数表示,设定学习目标函数δ(τ)=c(d).

云计算的容器以及容器计算、存储、通讯资源的动态分配和容器隔离性能够有效地支持τ 的各种资源开销和组合,以及基本单元之间的通讯和隔离与安全的实现.针对的递归结构,云和容器提供资源调度、交互和隔离以及安全:

2)对任意的i自动配置容器间的通讯信道和安全控制协议,保证隔离性、通讯安全和信息传输导向.

4 支持边缘决策的拼图体系结构

美军在2020年的报告对马赛克作战概念进行了细化[8],指出“马赛克作战”将利用人工智能和自主系统实施以决策为中心的作战,其特性是一种异构资源动态组合、智能控制和反馈、人机融合交互结构.针对美军马赛克作战理念,设计拼图作战体系结构,与马赛克作战的相似之处都强调了低成本系统自组合,区别在于拼图系统是人机融合的自主决策系统,决策是分布集中式的,形成决策到端的边缘决策模式,也更强调人机系统相互协同达成明确目标.

1)体系结构组成.构建拼图计算系统改变传统的命令和控制模式,指挥体制的自顶向下每个层级指挥机构嵌入人工智能技术用于智能辅助人决策,使人脑力负载变小.体系结构分为人机交互的决策层、迭代反馈拼图层和机器执行层.改变指挥员既要指挥决策,又要监控命令执行情况的现状,决策层仅与拼图层交互,不与执行层直接交互.

2)层间相互作用关系.决策层根据任务目标的分解和资源情况,给出拼图需求,向下一级指挥员下达指令,指挥员根据任务需求决策如何拼图,经过迭代审核修改后,将拼图控制命令下达到执行层,为了提高拼图执行速度,控制命令由机器自动执行,执行在决策中心约束下的作战行动.

3)特点和性质.拼图计算系统通过网络信息体系的感知网、指控网、打击网和保障网提供的服务,各级决策中心根据作战资源和通信状态进行作战资源重组和调用,决策权不再是层层集中,决策节点分布在整个网络,且能动态组合形成不同级别的决策空间,构建一种边缘决策模式,形成决策网.调整指挥控制方式,将传统C2 中的指挥(Command,C)与控制(Control,C)分开,指挥是人机融合模式,主要判断和决策,执行分配任务和调度资源.拼图计算系统体系结构如图5所示.

图5 拼图计算系统结构实例Fig.5 Structure example of puzzle computing system

5 战斗力生成设计

以海上作战为例解析USBU 和拼图概念,因为海上作战包含了天、空、海、潜多种环境的行动,具有潜在的复杂性.以我国与某地区发生冲突为案例,面临两个任务,一是正面防御,二是为延迟敌军攻势,争取支援时间,我军指挥部决策对敌军后方实施大规模空中打击.我国和某地区边境是海域,且某地区军队在边境一侧部署重兵,敌密级防空网对我军开展大规模行动构成巨大威胁.目前,我军可用的基本的作战单元集合是2 艘舰艇、50 架无人机、2 架有人直升机,可应对协同海上侦查任务、打击任务、搜救任务,形成作战能力空间.无人机为构成分布式搜索引导和作战单元的主体,每架无人机配有标准接口,可携带攻击武器或广域搜索装备.标准配置是1 架有人机敌防区外实施高空目标指示,2 架无人机察打一体;可按需调配,譬如增加无人机的数量.舰艇具有边缘计算能力,为决策中心,配有飞行基地,为无人机提供能源补给;配有水下水面和空中侦察设备;配近程攻击武器.敌方作战单元有防空导弹车、防空雷达.

1 艘舰艇、1 架有人机和若干个无人机为一个USBU,每个USBU 有其能力属性和约束.无人机的优势是搜索范围大、通信距离远、可超低空飞行,隐身性能好,局限在于续航时间短;舰艇续航时间长,可作为空中作战单元补给平台,但是搜索范围小和通信距离近;有人直升机的优势侦查自主性高,缺点是进入敌方近距离防御区域,飞行员人身危险性高.USBU 根据主要作战需求结合三者优势,通过跨域立体体系实现了更强的作战能力.形成以有人直升机-无人直升机协同作战的方式,有人机在敌人防区外实施中高空目标指示和控制,无人直升机执行突防和攻击任务,攻击敌防空导弹阵地雷达,瘫痪敌防空导弹系统,为我方空中力量打开进攻通道.作战初始态势是敌方目标防空导弹和雷达部署于海岸线敌方一侧纵深25 km 处的山谷中.一艘舰艇在距离敌约50 km 的海岸线内,有人机和无人机从距离敌约100 km 的后方舰艇起飞.USBU 作战部署初始态势,如图6所示.

2 艘舰艇互为冗余,构成决策中心,指挥有人/无人机作战.对同一任务的同一组USBU 系统决策是集中式的递归调用,对同一任务的不同组或者不同任务USBU 是分布式递归调用.USBU 拼图形成过程如下:

1)指挥中心根据战略决策和战术目标,结合USBU 能力约束,进行作战筹划,编配有人机和无人机配合.向有人直升机下达命令后,通过有人机回传数据实现作战态势持续监视,并将决策权前移至有人机.

2)有人直升机受领任务后,从距离边境线100 km 的舰艇上起飞,面向目标飞行,飞行高度大约为100 m.有人机根据作战任务决定操控无人机的数量,以确定作战区域,无人机直升机通过数据链与有人机保持通信,跟随有人机飞行,这种调用关系,形成一个杀伤网.

图6 USBU 作战部署初始态势Fig.6 Initial situation of USBU operations

3)飞赴敌边境附近的近程防空导弹阵地,在其射程(25 km)范围外,在必要高度盘旋(刚刚能直线探测到敌雷达波的高度,离地约100 m,应借助地形尽量隐蔽),以机载雷达实施电子侦察,根据敌防空雷达辐射信息定位敌防空雷达位置,并保证与无人直升机的通信.

4)有人机根据地形控制无人直升机的航迹,实施离地60 m 高度的超低空山区飞行;

5)敌防空雷达进入无人直升机机载对地导弹射程(假设约10 km),有人机决策进行攻击.

6)有人机操控无人直升机减速、隐蔽,打开导弹导引头、跃升、发射导弹后垂直下降;

7)待导弹战斗部爆破时间过后,有人机操控无人直升机打开第2 枚导弹导引头,再次垂直跃起,短暂悬停,使用光电设备进行毁伤评估,将信息发回有人机.

8)有人机决策是否进行第2 轮攻击,指示无人直升机再次发射导弹或返航.

USBU 是一种范式,特点是简单一致,功能多样,可快速拼装,规模灵活.同样的任务可以横向扩展,直接复制该拼图结构.不同的任务,可以纵向扩展,类比建立其他类型的USBU.

6 结论

利用人工智能技术提出递归拼图计算方案.区别于传统的指挥控制一体化模式,将指挥与控制分开,增加决策中心实施人机融合辅助决策,提升决策效率.接到指挥命令后,控制由机器自动化运行,以提高任务执行速度.美军目前只提到马赛克作战理念,并没有给出具体实施方案和技术,本文给出实现马赛克作战的拼图系统体系结构、递归拼图计算模型,在后续的研究中将探索UBSU 能力的时间和空间属性,建立拼图组合时空关系,优化拼图系统布局.

致谢:特别感谢上海交通大学的张卫东教授给予拼图概念的探讨、东南大学崇志宏教授关于拼图计算算法的指导、陆军工程大学雷小宇副教授关于分布式计算架构的建议.