石劍琛

(海軍裝備部，北京100071)

0 引言

當(dāng)今，以航母為核心的海上編隊(duì)作戰(zhàn)，具有作戰(zhàn)空間廣、作戰(zhàn)節(jié)奏快及作戰(zhàn)環(huán)境多變等特點(diǎn)。指揮官在戰(zhàn)場環(huán)境變得愈加復(fù)雜的情況下，只有通過輔助手段的幫助，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場的全方位態(tài)勢感知;通過設(shè)計(jì)完善的行動(dòng)方案 (COA)，使用實(shí)時(shí)監(jiān)控戰(zhàn)術(shù)/作戰(zhàn)平臺(tái)，才能對(duì)阻礙作戰(zhàn)的形勢或威脅進(jìn)行快速反應(yīng)，從而順利完成軍事任務(wù)。

基于長期實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若采用先進(jìn)的指揮控制 (C2)系統(tǒng)，作戰(zhàn)指揮官能夠高效地實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)意圖;反之，作戰(zhàn)指揮官則需要在多個(gè)系統(tǒng)間頻繁地切換操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)部隊(duì)的指揮與控制，這大大降低了指控的實(shí)時(shí)性和作戰(zhàn)效能，不符合當(dāng)前作戰(zhàn)一體化要能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指控的要求。

支撐指控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在最大化單兵的作用。目前，工程界常就指控系統(tǒng)效能的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法進(jìn)行爭論，并形成兩類觀點(diǎn):人因工程論者和指揮控制系統(tǒng)開發(fā)論者。人因工程論者強(qiáng)調(diào)對(duì)指揮概念的細(xì)化研究，并決定何種內(nèi)容和表述方法能夠易化決策。這種研究需要指揮官學(xué)習(xí)和認(rèn)知可控環(huán)境的物理性能;指揮與控制系統(tǒng)開發(fā)論者則偏愛“專家系統(tǒng)”方法，通過快速原型、編碼規(guī)則等方法形成軟件，并把軟件植入到系統(tǒng)中，通過實(shí)戰(zhàn)環(huán)境來驗(yàn)證其效用。兩類研究人員采用的方法不同，但殊途同歸:通過科學(xué)的控制實(shí)現(xiàn)藝術(shù)的指揮。

本文介紹一種可用于航母指控系統(tǒng)開發(fā)的工程模型，該模型將上述2種方法進(jìn)行結(jié)合，克服了2種方法的缺點(diǎn)。

1 指揮控制系統(tǒng)四要素

指揮與控制是指指揮官運(yùn)用職權(quán)管理所屬部隊(duì)以順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。它的實(shí)現(xiàn)需要指揮官在計(jì)劃、管理、協(xié)同和對(duì)軍隊(duì)進(jìn)行調(diào)度的過程中對(duì)一系列人事、裝備、通信設(shè)施和流程進(jìn)行安排和部署。

有效的指控過程需要對(duì)指揮對(duì)象中人和機(jī)械性能的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行建模模擬。原美國空軍約翰·博伊德上校曾提出OODA(觀察、定向、決策、行動(dòng))空－空戰(zhàn)模型，如圖1所示。該模型認(rèn)為指揮與控制應(yīng)能夠讓飛行員實(shí)現(xiàn)觀察、定向、決策和行動(dòng)功能。此后的模型如MAPE(監(jiān)視、評(píng)估、規(guī)劃和執(zhí)行)模型和MAAPPER(監(jiān)視、分析、評(píng)估、預(yù)測、規(guī)劃、執(zhí)行和報(bào)告)模型等更深入地研究了指揮與控制過程，使其適用于規(guī)模更大的戰(zhàn)場并對(duì)處理威脅的過程進(jìn)行精確描述。保羅·諾斯和史提芬·福賽思對(duì)比了上述模型，認(rèn)為這是“通過過程分解實(shí)現(xiàn)對(duì)指揮與控制性能的評(píng)估”，并從這些模型中提取指揮與控制的3個(gè)重要因素 (KEs):(1)能夠維持態(tài)勢感知能力;(2)能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)部署;(3)能夠執(zhí)行和跟蹤作戰(zhàn)任務(wù)。此外，加入“需要實(shí)現(xiàn)精確的戰(zhàn)場情報(bào)準(zhǔn)備”因素，將能夠更好地闡述指揮與控制的三因素，如圖2所示。精確的戰(zhàn)場情報(bào)準(zhǔn)備能夠說明指控三因素由什么引發(fā)的，并給指揮官的決策提供基礎(chǔ)。這4個(gè)因素能夠根據(jù)戰(zhàn)場規(guī)模以及指揮人員所需解決的具體問題不同進(jìn)行分解。作戰(zhàn)指揮官，特別是航母編隊(duì)指揮官，如能通曉戰(zhàn)場、設(shè)計(jì)多個(gè)行動(dòng)方案應(yīng)對(duì)戰(zhàn)況、監(jiān)視戰(zhàn)場以維持態(tài)勢感知能力、明辨威脅并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，那么該指揮官則能夠根據(jù)其作戰(zhàn)目的和指導(dǎo)方針實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)爭的全面掌控。

隨著科技發(fā)展，海上作戰(zhàn)，特別是海上航母編隊(duì)的作戰(zhàn)，作戰(zhàn)指揮官所需掌控的戰(zhàn)場區(qū)域已延伸至其他地區(qū)，因而目前已采用了“聯(lián)合指控+編隊(duì)指控+本艦指控”的三級(jí)指控方式。此外，海上作戰(zhàn)需要同時(shí)處理的威脅也愈加復(fù)雜，這都需要在高度不確定性的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)決策指揮，指控功能的實(shí)現(xiàn)已從傳統(tǒng)依靠指揮官經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前依靠技術(shù)裝備 (計(jì)算機(jī)、通信設(shè)施等)，早期僅需較少技術(shù)支撐的指控方法如OODA模型已無法適應(yīng)當(dāng)前的作戰(zhàn)環(huán)境。士兵很難在沒有決策支撐系統(tǒng) (DSS)的幫助下維持態(tài)勢感知能力，并對(duì)戰(zhàn)場上移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。

圖1 博伊德提出的OODA環(huán)形模型Fig.1 Boyd proposed OODA ring model

圖2 指揮與控制系統(tǒng)的四要素Fig.2 Four elements of C2 system

因此，下一代的指控系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)橹笓]官協(xié)調(diào)整個(gè)決策環(huán)節(jié)。指揮官不同的決策方式和規(guī)劃方法，需要具有可適性強(qiáng)的先進(jìn)工具配合使用，才能保證指揮官任務(wù)的順利完成。

2 指揮控制系統(tǒng)工程面臨的人為因素困境

在所有復(fù)雜的大型電子和機(jī)械系統(tǒng)中 (如指控系統(tǒng)，電子戰(zhàn)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)等)，工程模型應(yīng)能夠通過評(píng)估來確保工程細(xì)節(jié)的嚴(yán)謹(jǐn)性和全面性。典型的“V”字模型，成為眾多成功系統(tǒng)開發(fā)過程所遵循的模型，如圖3所示。在該模型中，系統(tǒng)工程師通過形成執(zhí)行規(guī)則、精煉執(zhí)行規(guī)則、進(jìn)行高層－細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)并通過軟硬件配合來實(shí)現(xiàn)子單元或系統(tǒng)功能。上述工作完成后將進(jìn)行單元測試、子系統(tǒng)驗(yàn)證、系統(tǒng)評(píng)估、系統(tǒng)驗(yàn)證和布線等工作，每個(gè)測試和分析步驟將保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

然而，“V”字模型的兩邊都會(huì)受到人為因素的影響。指控系統(tǒng)不像武器和傳感器系統(tǒng)那樣，其能力和性能能夠通過標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)量化，并通過測試來決定是否達(dá)標(biāo)。指控系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)涉及到人為因素。人的行為是復(fù)雜且難以量化的，人為因素 (工作量、時(shí)間、精度等)將導(dǎo)致設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)方案產(chǎn)生偏差。而且，鑒于指控系統(tǒng)工程不僅包含傳感器和武器裝置中多層的系綜(SoS)，而且其潛在指揮人員分散在各地，他們會(huì)對(duì)觀測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械化處理，其中可能還會(huì)附帶自己的分析和經(jīng)驗(yàn)信息，這將導(dǎo)致指揮與控制系統(tǒng)的輸出受到這些非決定性因素的影響。人為因素已成為指控系統(tǒng)中最大的漏洞。

圖3 系統(tǒng)工程的“V”字型模型Fig.3 System engineering“V”type model

3 指揮控制系統(tǒng)工程環(huán)形模型

為解決上述人為因素對(duì)系統(tǒng)研究帶來的不利影響，美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)的一個(gè)工作組已著手于新型系統(tǒng)工程模型的開發(fā)工作，模型原型如圖4所示。該模型各環(huán)節(jié)間相互支撐自然成環(huán)，通過確認(rèn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，評(píng)估當(dāng)前系統(tǒng)對(duì)微小差別的識(shí)別能力，探索反映差別的能力，對(duì)該能力進(jìn)行建模并確定效用，進(jìn)行研發(fā)和部署等過程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)研究。該模型能夠指導(dǎo)指控系統(tǒng)的開發(fā)研究工作，其最大的好處在于:系統(tǒng)一旦實(shí)現(xiàn)了部署，系統(tǒng)研發(fā)人員將能同指揮人員一同來決定該系統(tǒng)的性能是否能真實(shí)反映戰(zhàn)場環(huán)境。如果是，將繼續(xù)深入研究在性能上的繼續(xù)逼近是否會(huì)揭露更深層次的問題并減弱指控過程的效率。

圖4 系統(tǒng)工程的環(huán)形模型Fig.4 Ring model of system engineering

對(duì)該模型的深入研究及其在指控系統(tǒng)中的運(yùn)用，說明該方法同樣適用于多系統(tǒng)的增量開發(fā)。增量開發(fā)通過預(yù)先需求定義和能力改進(jìn)活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，前者設(shè)定完成指控系統(tǒng)所需經(jīng)歷的階段，后者則說明如何實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的每個(gè)部分在研究過程中都將經(jīng)歷整個(gè)工程周期，如圖5所示。這種方法通過驗(yàn)證步驟能確保各部分按要求集成。認(rèn)知工程/人類系統(tǒng)集成 (HSI)的增加同樣能確保研發(fā)周期滿足用戶需求，并保證指揮與控制系統(tǒng)能用于決策。

圖5 指揮與控制系統(tǒng)的系統(tǒng)工程模型Fig.5 System engineering model of C2 system

3.1 環(huán)形模型基礎(chǔ)

指控系統(tǒng)工程環(huán)形模型包括螺旋式開發(fā)和快速原型2個(gè)方面。指控系統(tǒng)最終是為指揮官或士兵服務(wù)的，因而螺旋式開發(fā)方法首先將促使系統(tǒng)研發(fā)工程師通過逐層研究獲得真實(shí)需求，進(jìn)而發(fā)展相關(guān)能力解決研發(fā)中的難題。在把相關(guān)技術(shù)成果融入到一體化結(jié)構(gòu)中時(shí)，可能導(dǎo)致原有技術(shù)間不相兼容，非意志行為或新問題出現(xiàn)，這些問題由于技術(shù)原因在以前是難以察覺或?qū)崿F(xiàn)的。因而系統(tǒng)工程師將持續(xù)研發(fā)與之相對(duì)應(yīng)的解決方案，模擬工程師將繼續(xù)建立和評(píng)估這些方案并最終滿足指揮官和士兵的需求。

快速原型是指構(gòu)造一個(gè)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)指揮官和系統(tǒng)的交互，指揮官對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)、細(xì)化待開發(fā)軟件的需求，在此基礎(chǔ)上逐漸完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)工作。指控系統(tǒng)快速原型主要涉及知識(shí)工程學(xué)。知識(shí)工程學(xué)是在20世紀(jì)80年代后期的人工智能運(yùn)動(dòng)中發(fā)展起來的。人工智能中的“專家系統(tǒng)”含有大量某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜壹?jí)的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問題的方法來處理某領(lǐng)域問題。這些知識(shí)和方法被融入到一系列歸納性和推斷性邏輯語句中，通過軟件執(zhí)行語句獲得最“智能”的答案。指控系統(tǒng)并不試圖取代人類及其所擁有的知識(shí)，但是，這些知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的使用卻能夠辨別哪些進(jìn)程能夠由電腦快速處理，哪些進(jìn)程應(yīng)由人工進(jìn)行篩選?；诖?，指控系統(tǒng)通過提供計(jì)算結(jié)果，能夠提升人的處理能力，而讓指揮官能專注于制定決策的工作。

武器分配處理系統(tǒng)可以很好說明自動(dòng)化處理和人工處理各自的優(yōu)勢。在該系統(tǒng)中，電腦可以模擬整個(gè)可見光波段內(nèi)對(duì)武器的攔截情況，決定何種攔截方式能提供高性能的快速殲滅能力。通過考慮空間、時(shí)間需求以及交戰(zhàn)規(guī)則，電腦將在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)以億次的計(jì)算，最后把結(jié)果提交給指揮官。指揮官在綜合考慮電腦未盡事宜后做出最終決策。少數(shù)情況下，指揮官可以直接使用電腦提供的方案。

知識(shí)工程主要難點(diǎn)在于能尋找到專家。真正專家的幫助將有助于易化快速原型開發(fā)過程。以美國部隊(duì)防空戰(zhàn)協(xié)調(diào)技術(shù) (FACT)項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目組多年來一直從事航母及其戰(zhàn)斗群系統(tǒng)的開發(fā)工作，但在上世紀(jì)90年代后期，美國海軍要求該小組能形成戰(zhàn)場指控能力。他們意識(shí)到航母及其戰(zhàn)斗群的相關(guān)知識(shí)和戰(zhàn)術(shù)不能直接用于戰(zhàn)場和作戰(zhàn)指揮官的戰(zhàn)術(shù)指揮。因而該項(xiàng)目主管積極尋求能夠提供相關(guān)知識(shí)的專家以構(gòu)建區(qū)域防空指揮官指揮保障能力。最后以3個(gè)領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑男畔⒆鳛橹?，讓他們順利完成了任?wù)。若沒有專家的專業(yè)知識(shí)和幫助，他們將無法正常完成工作。專家提供的信息是至關(guān)重要的，將有助于快速開發(fā)滿足指揮官需求的指控設(shè)備。

3.2 環(huán)形模型研發(fā)難點(diǎn)

指控系統(tǒng)工程環(huán)形模型的成功開發(fā)同樣會(huì)受到螺旋式開發(fā)和快速原型的制約。主要是由于螺旋式開發(fā)和快速原型方法本身會(huì)受到挑戰(zhàn)。最直接的挑戰(zhàn)就是研發(fā)組成員只能通過場景模擬而不是親自到戰(zhàn)場了解真實(shí)情況。切身的航母編隊(duì)作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)是無法取代的，再好的模擬也僅僅只是模擬。雖然美國海軍已花費(fèi)了大量的人力物力來構(gòu)建硬件模擬能力，并且這些模擬方法確實(shí)在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)分析、建模以及早期測試功能。但是模擬還是不能替代真實(shí)的戰(zhàn)場感受。為了獲得快速原型螺旋式開發(fā)的優(yōu)勢，工程師們還需要士兵的加入。對(duì)于區(qū)域性指控系統(tǒng)而言更是如此。工程師雖然能夠有效測試指控系統(tǒng)決策的進(jìn)程，但是卻不能把這種模擬環(huán)境擴(kuò)大到整個(gè)分散的指揮與控制環(huán)境。此外，有航母戰(zhàn)斗群參戰(zhàn)的海上戰(zhàn)場或“霧戰(zhàn)”帶來的“恐懼因素”也不能很好被模擬?；谝陨鲜聦?shí)，海軍開始提供全面的海上訓(xùn)練以獲得真實(shí)的戰(zhàn)場環(huán)境。在訓(xùn)練期間擁有快速原型能力對(duì)工程師而言是重要的。實(shí)際上，很多系統(tǒng)都有數(shù)據(jù)收集和簡化工具，能夠捕獲在訓(xùn)練中呈現(xiàn)的重要數(shù)據(jù)。

然而，從快速原型經(jīng)驗(yàn)中所獲得的結(jié)論經(jīng)常被工程界所忽略?？焖僭筒皇潜挥糜趫?zhí)行受控經(jīng)驗(yàn)的，而是被設(shè)計(jì)用于能快速提供能力，并通過士兵間相互作用形成的螺旋式研發(fā)方法改進(jìn)這種能力。這種能力的結(jié)果將更多的是質(zhì)量上而不是數(shù)量上的變化。當(dāng)下，很多工程師拋棄了該方法而選用實(shí)驗(yàn)法這種受控的經(jīng)驗(yàn)來處理問題，他們?cè)诖诉^程中一方面未能開發(fā)出符合要求，能提高戰(zhàn)斗力的指控系統(tǒng)，另一方面未能獲得有價(jià)值的信息以決策后續(xù)的發(fā)展方向。這都是因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)是在受控的環(huán)境下而不是士兵所處的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行的。

4 結(jié)語

決策支撐系統(tǒng)的先進(jìn)與否在一定程度上決定了戰(zhàn)爭，特別是航母編隊(duì)?wèi)?zhàn)等大規(guī)模戰(zhàn)爭的輸贏。先進(jìn)的決策支撐系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)橹笓]官提供指控工具和必要的工作環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)快速和精確的決策支撐。環(huán)形模型有效解決了傳統(tǒng)模型中人為因素對(duì)決策的影響，極大提高了指控系統(tǒng)的性能。但是，研發(fā)環(huán)形模型所采用的螺旋式開發(fā)和快速原型還缺乏必要的具有適當(dāng)深度、廣度并含有恐懼因子的指揮與控制環(huán)境，這將無法滿足對(duì)“霧戰(zhàn)”等多形式戰(zhàn)爭的需求。加強(qiáng)對(duì)真實(shí)戰(zhàn)場的了解將有助于先進(jìn)指控系統(tǒng)的研發(fā)。

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