丁 峰 郭成昊 劉 祥

軍事應(yīng)用協(xié)同中的協(xié)同,是指協(xié)調(diào)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的不同資源或者個(gè)體,一致地完成某一目標(biāo)的過程或能力.從廣泛意義上講,軍事應(yīng)用協(xié)同包括人通過系統(tǒng)與人的協(xié)同以及系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的協(xié)同.人和人之間的協(xié)同指在計(jì)算機(jī)支持下的協(xié)同工作,如:協(xié)同態(tài)勢(shì)標(biāo)繪[1]、協(xié)同計(jì)劃制定等;系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的協(xié)同指軍事信息系統(tǒng)及要素間的協(xié)同,如:聯(lián)合感知、協(xié)同打擊[2]等.本文定位于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的協(xié)同技術(shù).

聯(lián)合作戰(zhàn)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的主要作戰(zhàn)樣式,聯(lián)合作戰(zhàn)要求各軍兵種指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)等作戰(zhàn)單元,能夠根據(jù)任務(wù)需要?jiǎng)討B(tài)協(xié)同,形成針對(duì)任務(wù)的、跨組織的任務(wù)共同體.當(dāng)任務(wù)共同體內(nèi)作戰(zhàn)單元受損、被毀或能力不能滿足任務(wù)需求時(shí),能通過協(xié)同機(jī)制,快速發(fā)現(xiàn)新的作戰(zhàn)資源,建立新的協(xié)同關(guān)系,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展.

以往系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的協(xié)同主要采用靜態(tài)、固定模式,即在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初,就確定需要協(xié)同的對(duì)象和內(nèi)容,系統(tǒng)按設(shè)定的要求研制.這種模式的缺點(diǎn)是一旦戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化,作戰(zhàn)單元受損或能力要求超出預(yù)先設(shè)定范圍后,系統(tǒng)不具備靈活的自適應(yīng)能力,無法滿足協(xié)同任務(wù)的有效實(shí)施.近年來工作流技術(shù)和Agent技術(shù)[3]也在嘗試解決軍事系統(tǒng)間資源協(xié)同問題,本文提出一種將工作流技術(shù)與Agent技術(shù)相結(jié)合的軍事應(yīng)用協(xié)同機(jī)制,使系統(tǒng)能根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要,自適應(yīng)選擇可協(xié)同資源,靈活建立資源間協(xié)同關(guān)系,形成可協(xié)同任務(wù)共同體,從而滿足聯(lián)合作戰(zhàn)中軍事應(yīng)用動(dòng)態(tài)協(xié)同的需要.

1 軍事應(yīng)用的動(dòng)態(tài)協(xié)同需求

1.1 支持任務(wù)共同體動(dòng)態(tài)構(gòu)建

作戰(zhàn)協(xié)同主要在任務(wù)共同體內(nèi)實(shí)施,任務(wù)共同體是指根據(jù)任務(wù)需要臨時(shí)組成的,邏輯上聚合、物理上分散的資源集合體,一旦任務(wù)發(fā)生變化或該任務(wù)完成,任務(wù)共同體的組成要素、交互關(guān)系也將隨之發(fā)生變化.這就需要建立一種新的協(xié)同機(jī)制,能夠針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況瞬息萬變的特點(diǎn),根據(jù)任務(wù)要求,集成網(wǎng)絡(luò)上分布的作戰(zhàn)資源,靈活構(gòu)建能夠完成任務(wù)的任務(wù)共同體.

1.2 支持協(xié)同資源的抗損重組

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)是體系與體系的對(duì)抗,聯(lián)合探測(cè)、協(xié)同指揮、精確打擊等需要將傳感器系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)連接形成無縫的有機(jī)體,通過相互之間的協(xié)同,形成一個(gè)任務(wù)鏈.但這樣的任務(wù)鏈中有任何一環(huán)被毀,就將影響整個(gè)任務(wù)的完成.因此,需要建立新的協(xié)同機(jī)制,支持任務(wù)共同體快速識(shí)別被毀的資源,通過協(xié)同規(guī)則選擇新的資源替換被毀節(jié)點(diǎn),使得任務(wù)共同體的能力得到補(bǔ)充,減低系統(tǒng)整體能力的波動(dòng),從而保證任務(wù)的有效完成.

1.3 支持協(xié)同過程的自適應(yīng)

傳統(tǒng)的軍事協(xié)同往往通過人與人的交互來完成,人的判斷和處理過程雖然準(zhǔn)確性高,但時(shí)效性弱,無法滿足敏捷作戰(zhàn)[4]的要求.當(dāng)任務(wù)共同體內(nèi)多個(gè)資源協(xié)同完成一項(xiàng)任務(wù)時(shí),應(yīng)具有感知外部環(huán)境變化,基于規(guī)則實(shí)時(shí)作出調(diào)整的能力,基于規(guī)則選擇參與協(xié)同的資源、重新調(diào)整信息交互關(guān)系、重新分配任務(wù)的負(fù)載.

2 軍事應(yīng)用協(xié)同的層次模型

本文提出的新協(xié)同機(jī)制支持將分布在網(wǎng)絡(luò)上資源聚合形成任務(wù)共同體,這與傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)建模式的不同點(diǎn)在于不是針對(duì)任務(wù)要求研制新系統(tǒng),而是利用現(xiàn)有資源進(jìn)行能力重組.本文將實(shí)現(xiàn)軍事應(yīng)用協(xié)同的要素劃分為3層,目標(biāo)層、組織層和資源層,如圖1所示.

圖1 軍事應(yīng)用協(xié)同層次模型圖

1)目標(biāo)層.根據(jù)本次作戰(zhàn)的目標(biāo),基于相關(guān)的分解準(zhǔn)則和分解方法,進(jìn)行協(xié)同任務(wù)分解,將復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)分解為一些由軍事信息系統(tǒng)完成的子任務(wù),確定不同的任務(wù)類型,描述完成任務(wù)的能力要求,最終將子任務(wù)分解為元任務(wù).元任務(wù)本質(zhì)上可理解為由某個(gè)資源獨(dú)立完成的最小任務(wù)項(xiàng),一個(gè)系統(tǒng)任務(wù)往往需要通過多個(gè)資源協(xié)同完成.

2)組織層.根據(jù)軍事協(xié)同任務(wù)要求,基于軍事應(yīng)用協(xié)同機(jī)制,將分布在網(wǎng)絡(luò)上的資源,靈活構(gòu)建成能夠完成任務(wù)的任務(wù)共同體.一個(gè)作戰(zhàn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),可能需要多個(gè)任務(wù)共同,某個(gè)任務(wù)共同體的組成資源可能只參與該任務(wù)的執(zhí)行,也可能同時(shí)參與多個(gè)協(xié)同任務(wù).資源組織的過程包括聚合和解聚.聚合是指將不同軍兵種、不同能力、不同粒度、不同部署位置的資源按照作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)、作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)類型進(jìn)行組合.解聚是指當(dāng)任務(wù)完成后,解除臨時(shí)建立的連接關(guān)系和交互關(guān)系,將參與協(xié)同的資源重新歸還資源所有者.

3)資源層.資源是軍事應(yīng)用協(xié)同的參與者,如果從系統(tǒng)組成角度,系統(tǒng)資源可劃分為:計(jì)算資源(支持各類業(yè)務(wù)處理,包含軟件和硬件)、存儲(chǔ)資源(支持各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ))等.本文從參與協(xié)同的角度,將支撐協(xié)同任務(wù)完成的系統(tǒng)資源劃分為:各級(jí)各類指揮控制系統(tǒng)可協(xié)同資源、信息處理系統(tǒng)可協(xié)同資源、傳感器以及武器系統(tǒng)可協(xié)同資源.系統(tǒng)的組成資源不一定是協(xié)同資源,而協(xié)同資源一定是某系統(tǒng)的組成部分,是經(jīng)授權(quán)對(duì)外提供信息服務(wù)或計(jì)算服務(wù)的實(shí)體.一個(gè)任務(wù)共同體中符合任務(wù)要求的資源在網(wǎng)絡(luò)上可能只有一個(gè)也可能有多個(gè).

3 可協(xié)同的任務(wù)共同體構(gòu)建過程

為了支持任務(wù)共同體的資源在時(shí)間、空間、功能上有序協(xié)作,在任務(wù)共同體構(gòu)建機(jī)制上就必須具有可協(xié)同性,為此引入了工作流和多主體(Agent)技術(shù)[5].首先將參與協(xié)同的資源構(gòu)造為資源主體(Agent),資源主體既具有資源原來的功能,又具有主體的協(xié)同特性,能根據(jù)外部環(huán)境情況進(jìn)行分布式自主協(xié)作.指控、情報(bào)、傳感器和武器系統(tǒng)分布在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,可參與協(xié)同的資源經(jīng)主體封裝后,對(duì)外發(fā)布形成資源目錄.工作流技術(shù)用于編排任務(wù)共同體內(nèi)各資源要素間的協(xié)同關(guān)系,聯(lián)合作戰(zhàn)的協(xié)同是在統(tǒng)一計(jì)劃下的有序協(xié)同,工作流技術(shù)作為一種集中式控制模式,符合統(tǒng)一集中的要求.可協(xié)同任務(wù)共同體構(gòu)建步驟主要分為:任務(wù)分解—資源組合—沖突消解.

任務(wù)分解是對(duì)來自協(xié)同任務(wù)空間的任務(wù)集合,給出相關(guān)的分解準(zhǔn)則和分解方法,形成任務(wù)清單.任務(wù)清單包含了完成系統(tǒng)協(xié)同任務(wù)的一系列子任務(wù).對(duì)協(xié)同任務(wù)的分解通常不存在統(tǒng)一的方法,如對(duì)聯(lián)合防空任務(wù),采用目標(biāo)分解為攔截主要目標(biāo)等,而對(duì)攔截主要目標(biāo)子任務(wù),按功能分解為獲取敵方目標(biāo)參數(shù)信息,情報(bào)綜合處理、航空兵截?fù)舴桨钢贫?、航空兵協(xié)同作戰(zhàn)指揮等子任務(wù).

資源組合是采用工作流技術(shù),根據(jù)協(xié)同任務(wù)要求匹配可協(xié)同資源,初步生成工作流模板[6].工作流模板包含資源功能要求和資源邏輯關(guān)系,前者定義了完成各項(xiàng)子任務(wù)所需的資源功能,后者則定義了資源間協(xié)同的時(shí)序關(guān)系和信息交互關(guān)系.工作流模板的制定需要基于資源組織運(yùn)用模式,本文采用的是基于規(guī)則的模板生成,這些規(guī)則是指已經(jīng)經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)或演習(xí)試驗(yàn)驗(yàn)證的各種資源組織協(xié)同模式.

圖2 可協(xié)同任務(wù)共同體構(gòu)建過程

工作流模板確定了一個(gè)任務(wù)共同中參與協(xié)同的資源模板,資源模板限定資源的類型、能力要求、接口等屬性,符合資源模板要求的真實(shí)資源主體可能有多個(gè),需要根據(jù)資源的隸屬關(guān)系、態(tài)勢(shì)情況選擇適合的資源主體,具體方法是從資源目錄中搜索滿足資源模板要求的一組資源主體,形成資源候選集,再根據(jù)規(guī)則計(jì)算每一個(gè)候選資源的效益值,將效益值最優(yōu)的資源匹配到工作流模板的相應(yīng)位置,并利用資源邏輯關(guān)系確定資源主體的協(xié)同關(guān)系,形成可執(zhí)行工作流.

沖突消解是指初步確定的參與協(xié)同資源之間可能存在不能正常協(xié)同的問題,如:資源間行為的兼容性,因此,初步確定的資源主體采用主體協(xié)同機(jī)制進(jìn)行一致性檢測(cè),通過協(xié)商確保資源動(dòng)態(tài)協(xié)同的可行性.

4 資源間自適應(yīng)協(xié)同方法

任務(wù)共同體內(nèi)資源協(xié)同要求能夠適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬變的情況,傳統(tǒng)基于工作流的協(xié)同模式,將資源封裝為服務(wù),以統(tǒng)一的接口規(guī)范對(duì)外發(fā)布,雖然具有松散耦合、平臺(tái)無關(guān)、互操作性強(qiáng)等特點(diǎn),但由于需要預(yù)先設(shè)定協(xié)同的對(duì)象,難以適應(yīng)軍事領(lǐng)域戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的不確定性;基于Agent的分布式協(xié)同模式[7]具有高度的靈活性和智能性,能夠自適應(yīng)外部環(huán)境變化,但智能化要求高、難以有效控制、協(xié)同的有效性不夠高.本文提出的方法針對(duì)軍事用于協(xié)同的特點(diǎn),將協(xié)同機(jī)制分為工作流協(xié)同控制和主體協(xié)同控制上下兩層.如圖3所示.該方法既符合軍事協(xié)同統(tǒng)一控制的要求,又具有一定的自適應(yīng)性,能夠按照設(shè)定的規(guī)則,感知資源毀傷、負(fù)載等情況,快速選擇備選資源,建立新的協(xié)同關(guān)系.

首先,根據(jù)任務(wù)要求通過資源協(xié)同規(guī)則設(shè)計(jì)工具編制協(xié)同規(guī)則,形成資源協(xié)同工作流模板,圖中標(biāo)記為協(xié)同規(guī)則A.協(xié)同規(guī)則A中對(duì)每個(gè)參與協(xié)同的資源模板,匹配1個(gè)或多個(gè)資源,若協(xié)同規(guī)則A滿足協(xié)同策略規(guī)則約束,則將被加載至協(xié)同邏輯控制引擎,如標(biāo)號(hào)②所示,協(xié)同邏輯控制引擎包含協(xié)同規(guī)則解析、資源狀態(tài)監(jiān)控、消息重定向發(fā)生等模塊,引擎將規(guī)則A分發(fā)至網(wǎng)絡(luò)上部署的、被本次協(xié)同確認(rèn)的資源主體以及備選資源主體,如標(biāo)號(hào)③所示.

圖3 基于工作流和Agent相結(jié)合的協(xié)同機(jī)制

系統(tǒng)中各主體資源將依據(jù)協(xié)同規(guī)則進(jìn)行自主協(xié)作,如標(biāo)號(hào)④所示.協(xié)同邏輯控制引擎對(duì)網(wǎng)絡(luò)上分布的各個(gè)資源主體的協(xié)作過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),并提供一定的異常處理機(jī)制,如標(biāo)號(hào)⑤所示,用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況.當(dāng)資源主體發(fā)現(xiàn)承擔(dān)的任務(wù)容量和自身負(fù)載增加時(shí),該資源主體將根據(jù)設(shè)定的規(guī)則,采用柔性工作流技術(shù)[8]調(diào)整協(xié)同邏輯,如標(biāo)號(hào)⑥所示,向協(xié)同邏輯控制引擎提交協(xié)同調(diào)整請(qǐng)求.協(xié)同邏輯控制引擎將該新生成的協(xié)同規(guī)則,此處為協(xié)同規(guī)則B,分發(fā)至在協(xié)同規(guī)則B描述中涉及的各資源主體,如標(biāo)號(hào)⑦所示.圖中圓角矩形標(biāo)識(shí)的兩個(gè)Agent即為協(xié)同規(guī)則B描述中涉及的資源主體.當(dāng)資源主體接收到協(xié)同規(guī)則時(shí),將會(huì)改變局部協(xié)作關(guān)系,依據(jù)協(xié)同規(guī)則B進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合,以滿足實(shí)時(shí)作戰(zhàn)任務(wù)協(xié)同要求[10].圖例中演化后的是指在實(shí)現(xiàn)任務(wù)負(fù)載均衡過程中,引入新的具有相同功能的資源主體6進(jìn)行任務(wù)處理.

5 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的自適應(yīng)協(xié)同方法的有效性,針對(duì)任務(wù)負(fù)載和抗毀接替兩類協(xié)同要求,以指控系統(tǒng)之間[9]以及與武器、傳感器協(xié)同進(jìn)行仿真試驗(yàn),分析該協(xié)同機(jī)制在任務(wù)共同體任務(wù)完成率和能力波動(dòng)率方面的作用.

1)任務(wù)完成率分析

設(shè)定任務(wù)的完成率為任務(wù)共同體內(nèi)資源主體D實(shí)際處理的敵方目標(biāo)數(shù)量之和與需要處理的敵方目標(biāo)總量M之比,即

式中:Di為資源實(shí)際處理量;M為需要處理的敵方目標(biāo)總量.

在資源任務(wù)超載自適應(yīng)協(xié)同試驗(yàn)中,在仿真環(huán)境下設(shè)定有6個(gè)參與協(xié)同處理的資源主體,隨機(jī)設(shè)定資源的處理能力在5～9之間,隨機(jī)選取敵方目標(biāo)總量在35～19個(gè)之間,隨機(jī)進(jìn)行29次試驗(yàn),對(duì)有負(fù)載均衡協(xié)同機(jī)制和無協(xié)同機(jī)制的任務(wù)共同體任務(wù)完成率進(jìn)行比較,有負(fù)載均衡協(xié)同機(jī)制的任務(wù)共同體任務(wù)完成率為98%,無協(xié)同機(jī)制的任務(wù)完成率為67%.采用協(xié)同機(jī)制后,任務(wù)完成率提升46%.

其次,進(jìn)行資源毀傷接替自適應(yīng)協(xié)同試驗(yàn),在仿真環(huán)境下設(shè)定有6個(gè)參與協(xié)同處理的資源主體,選取總?cè)蝿?wù)數(shù)分布在35～19之間,隨著設(shè)定資源毀傷率為30%.統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明,在資源毀傷30%情況下,有協(xié)同機(jī)制的系統(tǒng)任務(wù)完成率為86%,沒有協(xié)同機(jī)制系統(tǒng)的任務(wù)完成率為44%.采用自適應(yīng)協(xié)同機(jī)制后,任務(wù)完成率提升近95%.

2)任務(wù)共同體能力波動(dòng)分析

能力波動(dòng)率是任務(wù)共同體資源在毀傷前后的任務(wù)完成率之比,任務(wù)共同體的資源一旦毀傷,通過協(xié)同機(jī)制能部分或全部恢復(fù)原有的能力.在仿真環(huán)境下設(shè)定有6個(gè)參與協(xié)同處理的資源主體,選取資源毀傷試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明,在資源毀傷30%情況下,有協(xié)同機(jī)制的任務(wù)共同體能力波動(dòng)率為11.8%,沒有協(xié)同機(jī)制的能力波動(dòng)率為33.3%.有協(xié)同機(jī)制化的能力波動(dòng)率降低21.5%左右.

6 結(jié)論

軍事信息系統(tǒng)之間的協(xié)同是聯(lián)合作戰(zhàn)有效實(shí)施的重要手段,面對(duì)瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)情況,系統(tǒng)資源間的自適應(yīng)協(xié)同一直是有待研究解決的難題,本文提出的基于規(guī)則的軍事應(yīng)用自適應(yīng)協(xié)同方法,結(jié)合了工作流技術(shù)和Agent技術(shù)的優(yōu)勢(shì),在仿真環(huán)境下試驗(yàn)了在資源毀傷接替、任務(wù)負(fù)載均衡等方面的有效性,取得了一定成效.后續(xù)還將在協(xié)同機(jī)制的適應(yīng)性和試驗(yàn)案例的針對(duì)性等方面進(jìn)行深化研究.