智能指挥与控制系统人机混合模型研究

孙宇祥，周献中，徐 爽，唐博建

（南京大学工程管理学院，南京 210093）

0 引言

自从智能计算等先进技术应用于指挥、控制、通信和情报系统以来，人在指挥作战中的某些功能得到了补充、加强和发展。运用最新智能技术的系统有：具有自主敌我识别、自主分析敌情和自主决策能力的智能化武器系统、武器设备故障的自动诊断与排除系统、军用人工智能语言自动翻译系统、智能军用图形、图像识别系统、军事智能辅助决策支持系统、智能化作战模拟训练系统［1-3］。这些都对于指挥与控制系统的发展提供了功能上的进一步完善。人机混合智能作为人工智能2.0 的一个重要方向，是一种新型智能形式，它不同于人的智能，也不同于人工智能，是一种跨物种越属性结合的下一代智能科学体系。人机混合智能旨在通过人机交互和协同，提升人工智能系统的性能，使人工智能成为人类智能的自然延伸和拓展，通过人机协同更加高效地解决复杂问题［4］。

但是，也应当看到，任何智能技术设备都不过是人的某些职能的物化而已，现阶段的智能技术已经能在一定程度上实现创造性的劳动，但是在态势理解方面仍然存在不足，还难以完全替代人［5］。现阶段研究的重点是如何将人的智能与计算智能有机融合，形成一个人机协同的智能指挥与控制系统，最大化地发挥智能指挥与控制系统的效用。针对当前指挥与控制系统，人的知识在态势认知和态势理解方面作用更大，比如可以更好地分析对手主攻方向，采用任务分配的时候，可以更充分地规划现有任务［6-8］。因此，分析智能指挥与控制不同环节上智能算法与人的知识如何协同工作，对于未来智能指挥与控制系统的研究具有重要意义。

1 人与智能指挥与控制系统关系定位

在智能指挥与控制系统中，人和智能指控系统的职能划分：人是系统的核心，主要任务是决策；而有关传感器的操纵、数据收集、编排、显示图形和决策分发等工作是属于日常重复性工作，另一部分作战态势的初步评估，作战方案的生成、作战方案的自推演等一系列具有创造性的工作，也应逐步由智能指控系统实现。但是任何一个指控系统都不能只依靠系统的操作和由它作出决策，还需要对新的数据或者模糊情况以及事先未预料到的情况进行处理，并作出相应的决策，这个决策应由人来完成。而且因决策是非常重要的任务，必须由人来进行监督，以证实所有决策正确［9］。

在完整的系统回路中，人应该有3 个职责：第一，负责监督操作；第二，负责处理机器不能解决的模糊信息；第三，负责处理数据询问和数据检索。人是系统行为的主体、人和机器共同完成指挥任务，这种共同性是不可分的。其详细说明如下：

负责监督工作：对系统中各模块运行情况进行监督，监督系统日常的各模块是否正常工作，制定相应应急措施，保证整个系统良好地运转，同时对于决策的效果进行评估，以便及时纠正和改良。

负责处理机器不能解决的模糊信息：对系统未预料的信息进行收集整理，然后建模并分析处理信息，发现背后的规律，将各阶段的信息数据进行对比，分析出决策是否出现问题，及时纠正问题或者指导接下来的决策。

负责处理数据询问和数据检索：建立数据库查询和检索功能，对不同需求的数据进行分类处理，并建立相应的专用库，综合不同数据之间的关联性，根据需求形成精准的多维数据分析报告。

智能指挥与控制系统的根本定位是为人服务的，这是最基本也是最重要的。当然，人也要适应智能指控系统的特性，充分发挥智能指控系统对人的感官（视觉、听觉、触觉等）、脑力（记忆、思维、智能等）的延伸与倍增作用，并受机器运转规律的制约［10］。因而，智能指挥自动化系统中应建立使人与指控系统充分结合的人机界面，并在人机界面设计中确立以人为中心的指导思想。

2 智能指挥与控制系统框架及各模块中人的地位和作用

2.1 情报子系统

情报子系统是决策指挥的重要依据，是指挥员定下作战决心的基础。现代情报传感器包括雷达、声纳、激光、红外设备、空中预警机、侦察和预警威胁等，在传感器接收到战争信号后统一传输到接收机进行统一接受，接收机把接收到的信息提供给预加工模块。预加工模块按规定要求进行正确性检查，若报知格式符合规定要求则往下处理，否则将舍弃；对于以各种坐标形式报来的目标情报数据进行坐标转换，转换成统一的以情报中心为原点的直角坐标，以利于内加工模块进行处理。内加工模块是机器对情报进行综合处理工作过程的精加工程序，其功能是对上述已经预加工处理的目标情报进行编批、去重复处理，以及目标航向、航速等运动要素的相关平滑处理，并产生送显示模块的表格，以便输出模块显示所掌握的各类目标的当前态势。人工干预模块的主要功能是解释各种干预命令，以人机结合的方式和内加工程序一起实现对情报的综合处理。它主要有编批、去重复命令、调看显示命令、更改命令和清批命令等。显示模块是将综合处理后的情报信息进行输出处理。一方面将情报信息送本级情报处理中心的显示设备进行态势显示，以供指挥员实施决策指挥；另一方面根据各种情报的输出原则及各部门对情报的需求情况，确定传输信道、传输方式和传输密度，上报上级情报中心，通报友邻部队和下属部门，如图1 所示。

图1 指挥与控制情报子系统

2.2 辅助决策子系统

辅助决策系统是对指挥员面临的决策问题能直接提供求解方法和策略支持的人-机系统。辅助决策级的任务应是根据当前的状况和将要出现的趋势，向指挥人员提供有效即最佳的或令人满意的作战方案。由此分析可得出，辅助决策系统并不是作战指挥系统的一个独立分系统，而是现有指挥自动化系统的一个内嵌系统。智能指挥与控制系统的辅助决策子系统由军事运筹库和人工智能库两部分组成，如图2 所示。

军事运筹库是应用数学方法及现代计算机技术研究作战活动中的数量关系。军事运筹库的框架架构基本上由数据库管理系统、模型库管理系统和人机交互系统3 部分组成。模型库中存放着各类作战模型，包括计算战斗时间的网络模型、分配兵力和兵器的线性规划模型以及比较作战方案的战役、战术模型等。数据库中主要存放敌、友、我各方武器系统性能数据、兵力编制数据、地形和气象数据等。人机交互系统是人与计算机的接口，计算机可以通过多通道的形式告诉指挥员，它可以做什么工作，如何实现对某些问题的决策，不断地询问指挥员需要解决的问题，以及数据和参数的选择、模型的选择等。该军事运筹库中人机交互方式，可以充分调动和发挥决策者的主观能动性，使作战充分体现决策者意志的决策方案。

人工智能库是在新技术高速发展的背景下，利用深度学习、强化学习等相关人工智能技术解决作战态势评估问题、作战方案生成、作战方案选择和作战方案自推演等问题。这是人工智能从学术研究走向实际应用的关键步骤，是取代某个目标领域的人类专家活动的人工智能系统。人工智能库在判定作战态势的基础上，把作战态势信息进行加工处理，输入作战方案生成模块，该模块通过模型求解与作战态势模板，匹配最相近的作战态势方案，并利用深度强化学习技术对作战方案进行自推演，得出最佳作战方案反馈给指挥员，供指挥员进行最终判断，是否根据该方案进行决策，或指挥员稍作修改进而实施。作战方案自推演是指挥与控制系统智能决策的核心，通过对方案进行自推演，生成一系列未来可能的结果，根据预测的多个作战方案可能的结果和可行性返回评估值，供指挥员进行决策。人工智能库中人机关系还是以指挥员为主导，指挥员具有最终决定权，其可以对机器生成作战方案进行选择、完善甚至最终取消的权利。

图2 指挥与控制辅助决策子系统

2.3 武器控制子系统

武器控制子系统是根据作战指挥模型下达的命令，协同控制各种武器系统完成攻击作战任务，其主要分为指挥引导模块和武器控制模块。指挥引导模块就是运用指挥与控制系统和方法，指引作战实体进行作战出航、机动、拦截等战术动作，并适时将解算出的数据，通报给我方作战单位，使按指挥员通报的数据和作战运动诸元驶向目标，发现目标，并占据有利攻击位置，对敌进行攻击，达到战术效果。其主要包括情报处理模块、作战预案模块和引导结算模块。武器控制模块是按照指挥命令对作战目标进行武器分配和火力打击等，这类战术武器系统，一般自身具有一套完整的控制系统，所以指挥与控制系统只要根据总的战术意图对其进行控制和管理即可，其主要包括武器解算模块、武器分配模块、目标指示模块、航路计算模块和武器执行模块等。武器控制系统需要由人来进行操作控制，在收到指控命令后，可以按照指控命令执行，但同时也应该保证人可进行干预，防止意外情况出现，如图3 所示。

图3 指挥与控制武器控制子系统

3 建立智能指挥与控制人机混合模型

3.1 作战指挥过程

作战指挥的首要任务是搜集和处理情报，这是作战指挥的第一个环节。指挥员根据空中侦察、卫星侦察和雷达侦察等各种侦察手段得到的情报判断敌情。在指挥与控制系统中，已有敌我双方的许多情报数据（如编制人数、武器战术技术性能等），通常称为静态数据库［11］。而在战斗准备阶段，指挥与控制系统通过各种侦察手段获得新的情报信息经过通信设备传送到指挥所，并将其转换为数字化信息和规格化数据后存入指控系统的动态数据库中。然后情报子系统对所有接收到的情报信息进行比较、分析、去重复、性质识别、威胁判断等综合处理后，作出对情报判断的结论，存储备查或分发到有关指挥员的席位上，同时在态势显示作战台位显示出来，以供指挥决策使用，并上报上级指挥所和通报友邻部队及下属部队。

在掌握大量情报的基础上，作战指挥的第2 个环节是制定作战方案。指挥员根据受领的任务和情报分系统所提供的情报信息，提出决心方案，包括执行任务的方法、作战部署、协同和指挥的程序等。操作人员将作战目标输入指控系统，指挥与控制系统根据战场实际情况生成多个作战方案，并进行自推演，评估最优方案反馈给指挥员，并用图形、文字显示出来。指挥员根据自己的作战经验和知识，最终选择最佳方案，这就是指挥与控制系统的辅助决策过程。

指挥员下定决心后，指挥与控制系统按照指挥员选定的最佳方案，自动、高速地进行作战计算、战斗命令拟制、密码编拟，这些经指挥员确认后，行动要素和作战命令即可通过通信设备自动迅速地发出，在执行命令的各个下一级指控系统终端上显示出来，进而按照指令执行作战活动［12-14］。

图4 作战指挥过程示意图

3.2 智能指挥与控制系统人机混合模型

智能指挥与控制系统人机交互模型主要由人工智能库和军事运筹库两部分组成，其中人工智能库包含了战场态势显示模块、目标空间位置模块、作战方案选择模块、作战方案生成模块和作战方案自推演模型和威胁目标分析模块。其中主体是二维俯视角的战场态势显示模块，该模块可分层显示叠加目标、航线图和相关地图标注信息，通过二维显示更加清晰高效地展示出战场情况，方便指挥员快速了解局部战场态势情况，初步确定指挥决心。目标空间位置模块主要针对某一威胁目标进行坐标方位的具体显示，如下页图5 选定7021 批次目标，横纵坐标分别显示威胁目标的距离信息和高度信息，通过这两个关键信息迅速辅助指挥员确定该目标的威胁程度，并作为关键态势信息输入作战方案选择模块，其中阴影部分为我方打击范围。作战方案选择模块根据作战态势输入的信息（如当前任务、周围环境、可能威胁目标类型、既定战术、交战规则）进行自主选择，筛选出1 套或多套作战预案来加载，进而进入作战预案生成模块，作战预案生成模块可以看到一条红线贯穿生成的作战预案甘特图，甘特图的横坐标是目标与本方的距离，而若干灰色模块为上一阶段根据态势信息加载出的各种软硬对抗手段，根据目标距离的接近，梯次采取各种应对。值得注意的是，在这一部分可以简洁快速地展示给指挥员所需进行的行动，并按照甘特图依次执行进而形成作战方案，同时指挥员也可以直接在该模块手动操作，快速删除和添加指挥员认为应该执行的模块，较好地实现了指挥与控制系统的人机混合，实现机器辅助，指挥员决定作战方案的目标。选定作战方案后进入自推演模块，该模块根据指挥员和机器确定的作战预案进行快速推演，评估出该方案的推演结果以及成功概率，并给出相应的执行建议。下方的8 个目标为智能指控系统给出的8 个威胁目标，根据各目标的具体信息显示出前4 个为高威胁目标，以及后4 个为低威胁目标。并在各威胁目标板上显出目标批号、类型、方位、距离、是否接近我方、敌我识别以及实时提示信息，选中各威胁目标板会显示出目标更详尽的态势信息。

军事运筹库主要由数据库管理系统和模型库管理系统组成，分别包括了武器系统性能数据、兵力编制数据、地形和气象数据，以及战斗时间计算模型、兵力兵器分配模型、作战方案比较模型等。智能指挥与控制系统通过语音、触摸屏以及键盘多通道进行操作，指挥员可以进行参数选择、模型选择、态势信息输入、作战预案选择、作战预案生成干预等，最终在智能指挥与控制系统的辅助决策下形成作战决心，如图5 所示。

4 智能指挥与控制系统人机混合模型优化方法

人具有观察注意力、记忆理解力、思维想象力和实践创造力等。人的这些特性表现在作战指挥上，则是具有深刻的分析判断能力、实践创造性指挥以及在危急情况下果断采取措施和纠正错误的能力等。军事活动是极其复杂的，在很多情况下，都需要指挥员发挥创造性，去寻找解决特殊问题的途径。指挥员在复杂紧张的作战中的冷静沉着、灵活机动指挥，是任何智能计算设备所不能替代的。另一方面，也应当看到人的短处，如容易疲乏、注意力易分散、对信息的记忆能力低、记忆容量小、单位时间内的工作效率不高、情感因素影响等。智能指挥与控制可以有效解决这些问题，因此，只有人机二者有机融合，更好地优化人机混合模型，才能更好地发挥指控系统的整体作用。

图5 智能指挥与控制系统人机混合模型

4.1 人机结合，必须科学分工，密切协调

人机结合，科学的人机功能分工是智能指挥控制系统的一个重要环节，根据人和机器在完成指控系统的不同任务时各自的功能特点进行合理分工，达到人与机器的最佳配合，能使人机系统可靠、有效地发挥作用。在复杂紧张的作战中，指挥员冷静沉着、灵活机动的指挥，是任何智能计算设备所不能替代的，因此，应当充分发挥人类在解决非结构性和半结构性问题的优势［15］。另一方面，也应当看到人的短处，人的能力受其自身的先天条件、行为习惯、情感因素等多方面影响，尤其是在高对抗的作战环境中，指挥员容易疲乏、注意力易分散，导致对信息的记忆能力降低、记忆容量变小、单位时间内的工作效率降低，而智能指挥与控制可以有效解决这些问题。因此，只有人机二者有机融合，才能有效发挥指控系统的整体作用，最大化地提高指挥与控制系统效能。

在智能指挥与控制系统中，人和机器各有自己的能力和长处，归纳起来如表1 所示：

表1 人和机器能力对比

由表1 分析可知，在人机分工方面，原则上人应尽量将更多的日常重复性工作交由机器执行，在指挥人员的监控下将信息处理、方案评估、辅助决策、制定计划等部分指挥权限交给智能指挥控制系统，同时充分发挥指挥员的创新认知能力，实现科学合理的分工。

4.2 智能指挥与控制系统各组成部分之间要密切关联，提高整体效能

智能指挥与控制系统是由多个子系统组成的。要赢得未来高技术战争的胜利，仅靠几件先进的武器装备、技术手段和分散独立的系统是不可能的，必须要有以指挥员为核心的一体化智能指挥控制系统。从高级指挥人员到基层作战人员，从各军兵种的部队、人员、作战平台到指挥、情报侦察、预警探测、通信、电子战和精确打击的各个功能，都应统一在一个一体化的网络之内。而实现这个一体化网络的关键就是人的参与，指挥员是指挥控制系统的核心，应当在指挥员的引导下，加强指控系统各组成部分之间的联系，实现无障碍、最快捷、最准确的信息传递，实现全网内信息共享，以确保协同指挥，充分发挥各种武器装备、技术手段和系统的整体作战效能。

4.3 人机结合的关键是发挥人的功能，实施创造性的指挥

人具有观察注意力、记忆理解力、思维想象力和实践创造力。人的这些特性表现在作战指挥上，则是具有深刻的分析判断能力、创造性指挥能力以及在危急情况下果断采取措施和纠正错误等能力［16］。军事活动是极其复杂的，在很多情况下，都需要指挥员发挥创造性，去寻找解决特殊问题的途径。这尤其体现在作战过程中的理解作战意图、选定决策类型、确定决策目标、制定约束条件、正确处理多目标问题等关键环节。作战指挥是门艺术，科学计算必不可少，却不是全部。要想通过智能机器建立准确的数学模型，来模拟指挥艺术的生成机制与作用机理，是很难做到的。因此，即使人工智能发展到高级阶段，也只能做到“科学”地指挥，而非“艺术”地指挥。智能指挥与控制系统中人机结合的关键即是发挥人的功能，实施创造性的指挥。

4.4 智能决策的定位是辅助，而不能代替人

对于智能指挥与控制系统，完全用人或全部用系统来处理都不合适。这是由于现代战争快速多变，二者都不能满足要求。因此，智能指挥与控制系统应是由机器处理日常事务和进行智能计算、辅助决策。尤其强调的是，对于智能指挥与控制系统中的智能决策功能，应该定位于辅助地位，而不是替代指挥员进行决策。智能指挥与控制系统在获取作战态势信息后可以进行作战预案的筛选，生成作战方案，并在作战方案确定后可进行自推演，但在各个阶段都要保证指挥员可以进行人工干预，在人机混合模型中保留指挥员干预的接口，在每一个环节都可以确立人的主导地位。设立人工监督模式，保证人可以主动干预决策，也可以取消系统提供的作战方案，实现智能指挥与控制系统的人工监督，将作战指挥的核心权力——决策权牢牢抓在指挥员手里。

5 结论

在智能指挥与控制系统中，人和系统是两个不可分割的组成部分，既要看到人是决定性的因素，又要看到智能系统的重要作用。科学技术确定了可能性的界限和基础，而具有能动意识的人，则解决了把可能变为现实过程中的各种问题。直接攻克机器智能这条路艰难且漫长，只有通过人机结合，可以更多地体会到系统对智能指挥与控制系统的深刻影响与不同。充分发挥智能指控系统对人的感官（视觉、听觉、触觉等）、脑力（记忆、思维、智能等）的延伸与倍增作用。因而，智能指挥自动化系统中应建立使人与指控系统充分结合的人机界面，并在人机界面设计中确立以人为中心的指导思想，形成不过于强调人工智能，又对人的智能不能忽略，建立人机协同的智能指挥与控制系统交互模型，为未来智能指挥与控制系统的研究奠定基础。