5G赋能第5代指挥信息系统

王元双，郑振国，余惠彬

(1. 中国电子科技集团公司第28研究所，江苏 南京 210007；2. 中国人民解放军32187部队，福建 漳州 363000)

1 引言

未来战争中，战场空间将从传统的陆、海、空拓展到赛博、太空和深海，战争具有突发性、隐秘性和有限无人化等特点，联合作战任务日趋多样化，战争节奏进入了“从传感器到射手”时代。作为战场空间的中枢和灵魂，指挥信息系统的建设发展是一个需求牵引、技术推动和循序渐进的迭代演化过程，从早期的C2/C2I演化到C2ISTAR，C3，C3I，C3ISREW，再到C4I2，C4ISRK，C5I等，技术元素与功能形式等越来越多，结构与过程越来越复杂。以美国为首的西方军事大国，从上世纪90年代中期就开展了关于面向网络信息体系的指挥与控制研究项目CCRP，同时，兰德公司也开展了以指挥与控制新模型为主的“信息时代的战争”等一系列战略性研究项目，针对未来丰富和几乎无限制的信息和通信能力，迫切需要“一个更加深刻的指挥与控制理论”。未来的第5代指挥信息系统应具有哪些能力特征、系统架构如何设计、如何运行演化及存在哪些关键技术等问题还处于探索和研究阶段，并未盖棺定论。

本文基于指挥信息系统发展特点，提出了未来指挥信息系统的主要能力特征，分析了军事信息系统架构发展演化的内在规律，构建了一种基于5G+MEC+AI的第5代指挥信息系统架构模型，并对第5代指挥信息系统的运行演化机理以及关键技术进行了阐述。

2 代系发展

近30年以来，随着信息技术，特别是网络技术的发展，现代战争已发生深刻变化，战争模式从“机械化战争”向“信息化战争”转变，一体化联合作战将成为基本作战样式，而信息的主导作用越来越突出；获取信息优势并高效的转化为决策优势和行动优势成为制胜的关键。而随着人工智能等技术的不断发展，采用智能算法进行信息的处理分析、深度挖掘，以支持作战人员精准认知战场态势、精密筹划作战任务、精确控制作战行动，成为当前世界主要军事国家竞争的重点，战争形式正加速向“智能化战争”演进。如美国先后提出了“知识中心战”、“算法战”等新式作战概念，拟通过采用大数据和军事知识图谱等新技术，以作战模型和人工智能为核心，以云计算能力和智能算法为载体，对海量信息进行深度管理与利用，并推动军事信息系统向自主学习、自主决策的方向演进，以打赢未来基于信息和数据的“智能+”战争。智能技术的发展使指挥信息系统的发展进入了一个崭新的阶段，这就是以无人机为特征，虚拟与现实进行实时嵌入式互动的第五个时代：平行时代，通过引入“虚拟”资源，实现虚拟空间和实际空间的平行化，通过有效的指挥与控制将复杂系统面临的不确定性、多样性和复杂性，转化为针对特定任务和使命的灵捷、聚焦、收敛性。

5G是新一代移动通信技术发展的主要方向，是未来新一代信息基础设施的重要组成部分。与4G相比，不仅将进一步提升用户的网络体验，同时还将满足未来万物互联的应用需求。5G通信技术将为军队提供一种广域覆盖、高速传输、强兼容性的空地一体化信息通信网络，从而极大提升战场的信息支援保障能力。

在万物互联的背景下，边缘数据迎来了爆发性增长，为了解决面向数据传输、计算和存储过程中的计算负载和数据传输带宽的问题，研究者开始探索在靠近数据生产者的边缘增加数据处理的功能，即万物互联服务功能的上行。具有代表性的是移动边缘计算、雾计算和海云计算。其中移动边缘计算是指在接近移动用户的无线接入网范围内，提供信息技术服务和云计算能力的一种新的网络结构，并已成为5G中一种标准化、规范化的技术。

AI技术诞生于20世纪中叶，几经沉浮，近年来借助于现代计算和数据存储技术的迅猛发展而再次复兴。AI技术涵盖遗传算法和人工神经网络两大类，其本身是一种普适性的机器学习技术。凡是给定场景涉及到了数据的统计、推断、拟合、优化及聚类，AI均能找到其典型应用。AI在军事方面的研究和应用也在快速发展。美、俄等军事强国都将AI视为“改变游戏规则”的颠覆性技术。美国国防部明确把AI作为第三次“抵消战略”的重要技术支柱。该战略围绕抵消中、俄非对称制衡能力，瞄准打造智能化作战体系，发展颠覆性前沿技术。俄罗斯把发展AI作为装备现代化的优先领域。依据《2025年先进军用机器人技术装备研发专项综合计划》，俄军于2017年开始大量列装机器人，到2025年，无人系统在俄军装备结构中的比例将达到30%。2016年日本防卫省发布《中长期技术规划》，提出日本未来20年应将定向能武器技术、无人技术、智能化和网络化技术等作为国防科技发展的重点方向。

5G的可靠网络、移动边缘计算的海量算力、AI的应用智能正相互协同、紧密耦合，深入到各行各业，创造出新的业务体验、新的行业应用以及新的产业布局。从数字政务到智慧城市，从工业自动控制到军事智慧管理，“5G+MEC+AI”的融合创新发展将打开各行各业的新发展空间，为政企、军工转型和产业升级注入新的动力。因此，以“5G+MEC+AI”为核心的第5代平行化指挥信息系统，将能实现指挥信息系统跨代系发展，并将指挥信息系统从信息化战场中的神经中枢升级为未来战场中的“中枢大脑”。

3 能力特征

第5代指挥信息系统包括以下4种能力特征：

3.1 数字孪生，虚实互联

随着数字孪生技术和虚拟现实技术的发展，未来的指挥控制系统将全面实现数字化管控和智能化交互。通过数字孪生技术，将全维战场态势、武器装备数字化建模，实时监控战场状态及武器装备状态，并以此为基础构建指控系统共用计算环境，统一管控战场所有作战资源。同时，依托增强现实(AR)技术，利用投影将真实环境和虚拟物体无缝集成，用户可以从传统屏幕中的2D世界中“走”出，获得超越现实的感官体验。与其它显示技术相比，它拥有图像精密、动态立体、虚实融合、交互友好等优点，未来它将颠覆各行各业。随着信息化技术的发展，AR技术在军事领域的价值也日益突显，也将在数字孪生、虚实互动的第5代指控系统中完美释能。

3.2 云边协同，按需服务

云计算适用于非实时、长周期数据、业务决策场景，而移动边缘计算作为5G的标准架构和关键技术，在实时性、短周期数据、本地决策等场景方面有不可替代的作用，能够有效支撑满足末端协同实时响应，数据就近分析处理，末端灵活快速重组等方面的关键需求，加速军事“智能化”边缘智能落地。移动边缘计算与云计算是军工行业数字化转型的两大重要支撑，两者在网络、业务、应用、智能等方面的协同将有助于支撑指挥信息系统数字化转型更广泛的场景与更大的价值创造。云边协同的架构设计如图1所示。

图1 云边协同架构

边缘提供的信息服务能力不同于云中心提供的海量历史数据存储能力以及集中式分布式计算能力，边缘本身的存储资源相对有限、数据(尤其是常用热点数据)的操作效率需求高，因此对数据的压缩存储、分级存储和冷热分块存储等能力要求较高；并且由于弱连接导致数据吞吐量受限，因此对数据的离线计算、实时计算、即席查询等能力也有更高要求。

3.3 泛在感知，万物互联

5G有三大特性：大带宽高速率、低时延高可靠和海量连接。网络速度提升，用户体验与感受才会有较大的提高。5G速率较4G全方位提升，下行峰值速率可达20Gbps，上行峰值速率可能超过10Gbps。对网络速度要求很高的业务能在5G时代被推广，例如，云VR的呼声一直很高，但是目前4G速度不足以支撑云VR对视频传输和即时交互的要求，用户还是需要依靠昂贵的本地设备进行处理。依托于5G的高速率，云VR将能够获得长足发展。5G支持单向空口时延最低1ms级别、高速移动场景下可靠性99.999%的连接。5G超低时延，使得无人驾驶、远程救护维修等应用场景走向现实。5G每平方公里百万级数量的连接能力和多种连接方式，拉近了万物的距离，实现了人与万物的智能互联。

3.4 人机共生，平行响应

机器感知系统基于深度学习、神经网络等人工智能算法，准确且快速地平行执行人的认知规律和路径。其优势在于：既能在信息、数据、资源残缺的情境下优雅降级，也能在信息、数据、资源超载情境下作用。“人+机器”形成的人机深度感知模式是人智和机智的有机结合，具备更高的理解力，能够更加深刻地感知、认知和理解战场态势，大大提升对战场信息、作战数据的利用效率，从而实现战场态势感知、指挥决策的自主化和智能化。

图2 人机共生模型

4 架构设想

第5代指控系统参考架构包括终端层、边缘层、网络层、数据平台(技术中台层、业务中台层)、应用层，如图3所示。其中，终端层主要是面向单兵的手持终端、VR/AR终端以及各种传感器等。边缘层是5G时代面向时延敏感应用的边缘计算云，通过上下文感知和资源管理调度，为各种物联网节点提供智能信息处理能力。网络层是覆盖整个作战空间的5G网络，包括无线基站、承载网、5G核心网以及5G网络切片。技术中台层主要包括AI中台、大数据中台、数字孪生中台、区块链中台等。业务中台层是指控系统为了资源、技术的共享复用，集中建设的业务应用平台，例如平行推演中台、知识图谱中台、VR/AR中台等。应用层是让指挥控制系统变得精细、智能便捷的各种智慧应用系统，包括态势感知智能体、指挥决策智能体、支援保障智能体、人机一体模训等。

图3 第5代指控架构设想

5 运行演化机理

5.1 虚实互动中心模型

基于ACP理论(人工社会(Articial Societies)、计算实验(Computational Experiments) 与平行执行(Parallel Execution)之间的有机组合)，利用人或人工系统对复杂问题进行建模，然后利用计算实验对复杂现象进行分析和评估，把计算机变成一个军事或战争实验环境，进行“计算实验”，通过“实验”来分析复杂系统的行为，评估预测战场走势；最后通过实际与人工之间的虚实互动，以平行执行的方式对复杂军事系统的运行进行有效地指挥与控制。

为了实现第2章提出的4种能力特征，本文提出了一种基于虚实互动的系统运行演化机理。该机理包含人机共生控制和平行推演作战2种模式。

5.2 人机共生交互控制模式

随着指挥平台自动化、武器装备智能化程度不断提高，指挥控制系统面临前所未有的挑战。计划控制、临机控制等方式已不能满足未来战场“秒杀”、“闪电战”的需求，终将催生出基于智能调度的“人机共生交互控制”模式。人与机器不仅仅是相互协同和智能调控，人的某些智能思维、“指挥艺术”还可以建模到机器中，促进机器自我学习、自我推理和自我迭代升级；同时，这种迭代升级产生的新知识反馈给人，激发人的创造潜力，实现“人智”与“机智”信息互通、深度融合。

要想实现人机共生调控模式，必须依托人机合理分工、人机智能集成等技术，将人和机器无缝连接成系统融合、功能融合、技术融合、思维融合的“合作体”，构建形成“人机一体”的人机共生系统。同时基于军事云脑架构利用脑机、力反馈、眼动和语音等智能人机交互技术，构建新一代军用人机交互软硬件环境，增强系统操控能力，并能准确理解指挥员意图，以指挥员认知规律进行展现，朝着人机共生交互控制模式发展。

5.3 平行推演作战模式

传统的仿真推演体系都只是基于特定规则的逻辑推理构建算法和模型，不具备自适应重组、自主式学习的功能，这将不适应未来战场战机稍纵即逝、时敏性要求越来越高的作战节奏。必须创新基于平行执行理念的人机虚实平行推演新模式，以适应作战指挥智能化的需求。人机虚实平行推演模式，是基于虚拟现实、平行理论和复杂适应理论的仿真评估，通过虚拟战场和现实战场的实时智能交互，虚拟空间与现实空间的无缝连接，对现实战场变化进行实时掌控，同时在虚拟战场上对情况进行预判和推演，进而再反馈至现实战场，辅助指挥员指挥决策。

要实现人机平行推演模式，虚拟现实、平行理论、人工智能等理论方法是支撑，智能化信息网络是基础。首先解决跨模态、跨领域、跨尺度的作战建模与仿真问题，实现人工系统和实际系统、虚拟空间和现实空间虚实互动和平行执行；然后通过仿真的方法对作战复杂现象进行分析和评估，实现物理域、信息域和认知域之间的跨域评估；最后通过实际战场与虚拟战场平行推演，利用平行执行的方式对作战过程进行高效地控制，以满足实际战场情况掌握和敏捷调控的要求。

6 关键技术

6.1 5G技术

5G技术的主要目标可概括为“增强宽带、万物互联”。5G技术的赋能作用主要体现在以下两个方面。

1)5G低延时、高通量特点保证海量末端数据的实时回传。5G较宽的子载波间隔、符号级的调度资源粒度等特点实现了毫秒级的超低时延，保证了传感器数据的实时采集；同时，5G网络标准带宽提高到40MHz甚至80MHz，为未来大数据采集提供了基础保障。

2)5G的网络切片技术能够有效满足不同作战场景连接需求。5G网络切片技术可实现独立定义网络架构、功能模块和网络吞吐量等，能够减轻指控系统面向不同作战场景需求时的开设部署复杂度，降低基于5G通信网络的联合战役/战术/战斗通信系统应用落地的技术门槛。

6.2 军事人工智能技术

智能化将是新一代指挥控制系统的主要特征。指控系统将整合处理由各类传感器和作战单元收集的战场态势信息，结合大数据样本，通过人工智能算法推演，形成对战场态势的智能化认知，实现对敌动向征候预测、装备资源灵活调度、时敏目标精准识别、敌我态智能认知、作战方案动态生成，确保最优作战策略。军事人工智能技术的赋能作用体现在以下两个方面。

1)以专家系统、知识图谱为代表的知识赋能。梳理军事知识和规则为用户提供原理性指导，如某装备故障诊断专家系统，利用人机交互建立故障树，将其知识表示成以产生式规则为表现形式的专家知识，融合多传感器信息精确地诊断出故障原因和类型。

2)以神经网络、机器学习为代表的算力赋能。基于大数据样本分析，直接求解出事件发生概率，进而辅助指挥决策。典型应用包括机器视觉，态势预测等，例如基于机器学习技术，对战场态势进行走向预测、实时对比分析，进行作战风险评估，从而降低计划外作战风险。

6.3 数字孪生技术

数字孪生是制造技术和信息融合技术深度铰链的产物，其将不同数据源进行实时同步，并高效整合多类建模方法和工具，实现多维度、多环境的统一建模和分析。数字孪生技术的赋能作用体现在以下两个方面。

1)通过智能实体与数字战场空间平行运行框架与集成交互机制，实现智能实体数字孪生与战场环境的协同运行。

2)构建数字化战场空间环境，为开展战役战术级方案智能生成、方案推演评估与战场态势动态演化预测等提供逼真的“数智战场”。

6.4 MEC技术

MEC技术通过在靠近数据采集的网络边缘侧运行处理、分析等操作，就近提供边缘计算服务，能够更好满足指挥控制敏捷连接、实时优化、安全可靠等方面的关键需求，改变传统指控系统的部署运行方式。MEC技术的赋能作用主要体现在以下两个方面。

1)降低端端互联的复杂性。不同端之间的连接需要边缘计算提供“现场级”的计算能力，实现各种制式的网络通信协议相互转换、互联互通，同时又能够应对异构网络部署与配置、网络管理与维护等方面的艰巨挑战。

2)提高数据计算的实时性和可靠性。如果数据分析和控制逻辑全部在云端实现，难以满足业务的实时性要求。同时，指控系统要求计算能力具备不受网络传输带宽和负载影响的“本地存活”能力，避免断网、时延过大等意外因素对实时性信息传输造成影响。边缘计算在服务实时性和可靠性方面能够满足指控系统的发展要求。

7 结束语

本文提出了一种基于“5G+MEC+AI”的第5代指挥信息系统的架构设想、运行演化机理及关键技术。由于未来战争形态、军事需求及相关信息技术的发展均存在不确定性，未来指挥信息系统的架构设计及关键技术实现不可能一蹴而就，不仅要探索基于“5G+MEC+AI”的智能化作战制胜机理，还要以信息技术与军事技术的深度融合为主线，不断迭代完善第5代系统架构及运行机理设计，突破相关关键技术，为第5代指挥信息系统建设提供基础理论和技术路线。