董龍明，高天成，邱瑞波，馬連淼

（1.南京大學計算機科學與技術系博士后流動站，南京 210000；2.北方信息控制集團有限公司博士后工作站，南京 210000；3.陸軍駐南京地區(qū)軍事代表室，南京 210000；4.北方信息控制集團有限公司，南京 210000）

任務驅動的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)高效協(xié)同技術

董龍明1，2，3，高天成4，邱瑞波3，馬連淼3

（1.南京大學計算機科學與技術系博士后流動站，南京 210000；2.北方信息控制集團有限公司博士后工作站，南京 210000；3.陸軍駐南京地區(qū)軍事代表室，南京 210000；4.北方信息控制集團有限公司，南京 210000）

針對一體化網絡中心戰(zhàn)下各參與方作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的異構性、自治性、多樣性等特點給聯(lián)合協(xié)同作戰(zhàn)帶來的問題，提出了任務驅動的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)高效協(xié)同技術。以作戰(zhàn)目標為導向將各作戰(zhàn)力量和資源按需聚合和自主協(xié)同，引入自主個體、虛擬任務共同體和虛擬任務執(zhí)行體，構建一體化虛擬作戰(zhàn)指揮環(huán)境，為各作戰(zhàn)單位提供高效、協(xié)同、透明的一體化服務。分別從核心元素、系統(tǒng)框架分別介紹高效協(xié)同體系結構，結合陸軍合成營指揮信息系統(tǒng)案例對高效協(xié)同技術各組成部分進行深入分析，驗證該技術的可行性。

一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)，任務驅動，協(xié)同，自主個體

0 引言

隨著計算機技術和網絡技術在作戰(zhàn)指揮的深度應用，作戰(zhàn)模式從以“武器平臺”為中心向以“網絡”為中心轉變，綜合電子信息系統(tǒng)C4ISR［1-2］是獲取戰(zhàn)場信息優(yōu)勢的關鍵，將陸、海、空、天及電磁空間的各作戰(zhàn)力量通過信息有效地聚合成一個有機的整體，成為戰(zhàn)斗力的“倍增器”。但是，由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和體系架構，包括各種傳感器、情報偵查系統(tǒng)、預警探測系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器平臺系統(tǒng)組成的綜合電子系統(tǒng)結構復雜、分布異域，各系統(tǒng)之間雖然能夠實現(xiàn)互聯(lián)互通，但是，有機地融合在一起實現(xiàn)互操作仍存在著信息壁壘，資源利用率不高，這嚴重阻礙著指揮信息系統(tǒng)在一體化作戰(zhàn)中作為中心地位性能高效的發(fā)揮。

聯(lián)合一體化作戰(zhàn)下，其作戰(zhàn)方式呈現(xiàn)作戰(zhàn)力量多元化、作戰(zhàn)編組臨時化、指揮手段一體化和指揮體制扁平化等特點［3］，由于作戰(zhàn)力量來源不同，各軍兵種作戰(zhàn)子系統(tǒng)，如：傳感網感知系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、火力打擊系統(tǒng)、信息網絡系統(tǒng)和支援保障系統(tǒng)，其系統(tǒng)體系架構、運行環(huán)境、數(shù)據(jù)語義模型存在較大差異，系統(tǒng)時鐘同步、時序控制、數(shù)據(jù)互操作等方面很難同步，這給各系統(tǒng)有機集成協(xié)同指揮控制作戰(zhàn)全過程帶來了困難。但是，參與某個作戰(zhàn)過程的各C4ISR子系統(tǒng)不是簡單地聚合在一起，而是為完成某個作戰(zhàn)任務或作戰(zhàn)目標而聚合一起的，并且在作戰(zhàn)過程中扮演的作戰(zhàn)任務或角色是已知的，這為C4ISR各子系統(tǒng)信息集成能夠有效地協(xié)同工作完成作戰(zhàn)任務帶來可能。

針對一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)，國內外進行了一系列卓有成效的研究，并建立了一整套系統(tǒng)理論和方法。美軍相繼制定了《聯(lián)合技術系統(tǒng)結構》［4］、《C4ISR體系結構框架》［5］和面向服務體系的體系架構DODAF1.0［6］，用來指導美軍各軍兵種構建一體化、互操作性、高效的面向網絡中心戰(zhàn)的C4ISR系統(tǒng)的開發(fā)。C4ISR系統(tǒng)建模相關研究主要包括：面向過程的建模（例如：基于結構化分析的方法IDEF［7］）與面向對象的建模（如：基于統(tǒng)一建模語言UML方法［8］），促進系統(tǒng)設計人員、軍事專家、系統(tǒng)用戶等多種人員的交流與溝通，指導C4ISR系統(tǒng)的整個設計開發(fā)過程。近幾年，將具有自治性、社會能力、響應性和能動性的Agent智能體引入C4ISR系統(tǒng)部件或分系統(tǒng)開發(fā)，通過多個Agent之間的交互描述系統(tǒng)的宏觀協(xié)同架構［9］。但是，C4ISR系統(tǒng)協(xié)同技術研究比較少，尤其在新的作戰(zhàn)樣式網絡中心戰(zhàn)條件下面向開發(fā)網絡環(huán)境各C4ISR系統(tǒng)的協(xié)同技術面臨新的問題和條件，如何有效協(xié)同直接影響著基于C4ISR系統(tǒng)指揮作戰(zhàn)的效能發(fā)揮。本文提出了以任務驅動的按需聚合和自主協(xié)同為核心機制的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)高效協(xié)同技術，分別從核心元素和系統(tǒng)框架進行描述。

1 高效協(xié)同體系結構

當前，一體化C4ISR作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)構建一般有兩種途徑：一是在已有的信息系統(tǒng)基礎上進行技術改造，構造新的數(shù)據(jù)適配器或網絡交互協(xié)議以適應不同異質信息系統(tǒng)間的交互；二是定義一整套具有全局視圖和語義基礎的體系架構，各C4ISR子系統(tǒng)的開發(fā)必須遵循該架構以達成各子系統(tǒng)間的協(xié)同。第1種方法已經被實踐驗證不可取，尤其在構建開放網絡環(huán)境下動態(tài)多變的異構系統(tǒng)間的信息交互和協(xié)同工作，不僅各種數(shù)據(jù)適配器或網絡交互協(xié)議隨著異構系統(tǒng)數(shù)量增長而指數(shù)增長，而且效率低下。

為實現(xiàn)網絡中心站下各作戰(zhàn)資源的有效共享和綜合利用，必須具有一套以作戰(zhàn)資源的按需聚合與自主協(xié)同為核心的高效協(xié)同技術以指導各作戰(zhàn)資源扮演好協(xié)同角色完成各自作戰(zhàn)任務。

1.1 核心元素

聚合是指有效獲取、匯聚、組織各方作戰(zhàn)資源，并綜合利用相關信息的過程；協(xié)同是指多個作戰(zhàn)資源為完成共同作戰(zhàn)目標或任務進行的交互、同步和計算的過程。

1.1.1 自主個體

自主個體是網絡中心戰(zhàn)中的基本作戰(zhàn)單位，是具有自主行為能力的資源和信息管理者。從內部結構上看，自主個體由感知部件、動作驅動引擎和執(zhí)行部件構成，如圖1所示。感知部件作為自主個體提供對網絡環(huán)境和所管理資源的感知能力，獲取自主個體所駐留作戰(zhàn)環(huán)境的變化以及所管理資源的運行狀態(tài)（如存儲空間變化、計算資源的負荷變化等）；動作驅動引擎是根據(jù)感知部件獲得的環(huán)境和資源信息進行匯總，根據(jù)自身任務、知識結構和運行狀態(tài)作出相應的動作決策；動作的具體實施由執(zhí)行部件完成，其結果不僅影響外部環(huán)境，同時對自身狀態(tài)產生影響。感知部件、動作驅動引擎和執(zhí)行部件共同構成自主個體的控制環(huán)路。動作驅動引擎的動作決策由數(shù)據(jù)模型和業(yè)務流程決定：數(shù)據(jù)模型表示自主個體對自身能力和外部作戰(zhàn)環(huán)境的認識；業(yè)務流程則表示自主個體可能的行為決策，尤其在面臨多項選擇需要作出決策時應該選擇哪種方案，需要對感知信息和對環(huán)境認識并結合自身經驗，進行推理和選擇，產生行為決策。

圖1 自主個體內部結構示意圖

自主個體可以用來對各種作戰(zhàn)資源和指揮信息系統(tǒng)進行抽象和封裝，將零散、異質的作戰(zhàn)資源轉換為自主、動態(tài)的自主個體，能夠有效屏蔽作戰(zhàn)資源多樣性和異質性的特點，使之能夠對外提供透明一致的信息服務。一個自主個體可以對多個作戰(zhàn)資源進行抽象和封裝，并被賦予戰(zhàn)場動態(tài)感知、自主行為決策和協(xié)同等能力；自主個體可以進行相互組合，復合自主個體可以通過其他原子自主個體進行組合得到。自主個體對外提供支持按需聚合的元信息：協(xié)同過程中能扮演的角色、數(shù)據(jù)模型、交互協(xié)議。

根據(jù)內部控制復雜程度，自主個體可以分為兩種類型：一類是只具有簡單反應式的自主個體，根據(jù)外部請求進行反應式的動作，例如：各種戰(zhàn)場情報探測系統(tǒng)，對外提供戰(zhàn)場態(tài)勢的信息；另一類自主個體，其內部維護一定的知識和狀態(tài)信息，通過建模、分析和推理等機制實現(xiàn)對外部戰(zhàn)場的感知、分析及行為決策，例如：各種戰(zhàn)斗單元，坦克分隊、防空分隊、火炮分隊、維修分隊等，能夠根據(jù)外部請求和戰(zhàn)場態(tài)勢作出合理的自主行為。與反應時自主個體不同，后一類自主個體由于具有更多的自主化和智能化特征，是支撐戰(zhàn)場自主協(xié)同的主要軟件單元。

1.1.2 虛擬任務共同體

一體化作戰(zhàn)指揮過程中，各作戰(zhàn)資源通過共同的作戰(zhàn)任務而動態(tài)聚合在一起。所謂虛擬任務共同體是指一組具有共同興趣、遵守共同準則的自主個體構成的集合。在虛擬任務共同體內部，各個自主個體根據(jù)所承擔的任務扮演著不同角色：有的自主個體為戰(zhàn)場態(tài)勢的提供者、有的為作戰(zhàn)行動執(zhí)行者、有的為戰(zhàn)場后勤保障者。雖然角色分工不同，但是同一虛擬任務共同體內部的自主個體所關注的戰(zhàn)場態(tài)勢視圖都是確定和一致的，都是圍繞戰(zhàn)場態(tài)勢的動態(tài)改變和各自承擔使命而發(fā)揮不同的作用。一個自主個體也有可能屬于多個虛擬任務共同體，例如：一個氣象雷達站可能同時為多個作戰(zhàn)任務提供氣象信息。

為了支持任務的完成，虛擬任務共同體需要提供一定的戰(zhàn)場資源元信息管理中心，以及信息發(fā)布和發(fā)現(xiàn)機制。資源聚合是根據(jù)任務需要，按照資源元信息的管理方式進行的。虛擬共同體的范圍和組成關系如圖2所示。網絡中心戰(zhàn)包含多個不同的虛擬共同體，每個虛擬共同體僅僅關注與某個特定作戰(zhàn)任務的作戰(zhàn)資源共享應用，每個自主個體至少需要加入一個虛擬任務共同體，并在虛擬任務共同體的元信息管理設施中進行注冊。虛擬任務共同體是動態(tài)管理的，自主個體可以根據(jù)實際任務情況，隨時加入或退出某個虛擬任務共同體。

圖2 虛擬任務共同體示意圖

1.1.3 虛擬任務執(zhí)行體

在一體化作戰(zhàn)指揮過程中，需要根據(jù)任務選擇和請求自主個體的服務，實現(xiàn)自主個體與作戰(zhàn)任務的動態(tài)綁定：一個任務可能需要多個自主個體提供服務，而單個自主個體也可能同時為多個作戰(zhàn)任務服務。

虛擬任務執(zhí)行體是指協(xié)同同時承擔同一任務的相關自主個體，為完成該任務而形成的狀態(tài)空間總和。虛擬任務執(zhí)行體是對作戰(zhàn)資源協(xié)同過程的抽象，是作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)運行管理單位。虛擬任務執(zhí)行體是與某一任務緊密相連的，通過虛擬任務執(zhí)行體可以獲得面向該任務的所有自主個體及其交互狀態(tài)等監(jiān)控信息。

圖3 虛擬任務執(zhí)行體示意圖

虛擬任務執(zhí)行體與自主個體的關系如圖3所示。虛擬任務執(zhí)行體通過作戰(zhàn)任務動態(tài)綁定一組自主個體，并通過自主個體的協(xié)同來完成相應的任務。自主個體與任務是面向任務目標進行按需聚合和動態(tài)綁定進行自主協(xié)同。一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)需要提供一系列的基礎管理服務實現(xiàn)虛擬任務執(zhí)行體的創(chuàng)建和執(zhí)行等管理，并根據(jù)任務運行情況完成各種狀態(tài)的監(jiān)控和轉換。

1.2 系統(tǒng)框架

基于上述3個核心元素，任務驅動高效協(xié)同的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)系統(tǒng)框架可以分為4層，如圖4所示。

圖4 任務驅動高效協(xié)同的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)系統(tǒng)框架

1.2.1 資源層

資源層由各種異構和多樣作戰(zhàn)資源組成，這些資源不僅包括各種偵查設備、武器平臺、指揮車、裝備維修搶救車等硬件平臺，還包括軍事地理信息系統(tǒng)、指揮輔助決策系統(tǒng)、各種數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、網絡服務等軟件平臺和資源，一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)能夠支持資源接入作戰(zhàn)網絡環(huán)境中，并能夠互連互通有效共享和協(xié)同。

1.2.2 資源虛擬層

資源虛擬層包括自主個體創(chuàng)建和管理的一組基礎服務，將各種軟件和硬件資源通過抽象封裝成自主個體。該層涉及到的功能包括：基礎資源的虛擬化、異構系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的一致性描述和建模技術、自主元素的內部狀態(tài)轉換、外部環(huán)境的感知、行動決策方案、通信協(xié)議、訪問接口和交互協(xié)議等。

1.2.3 聚合層

聚合層是根據(jù)任務需求提供創(chuàng)建與管理虛擬任務共同體的一組服務，按照任務需求對自主個體進行聚合。該層涉及到的功能包括：自主個體數(shù)據(jù)模型提取和描述、自主個體元信息注冊發(fā)布定位技術、自主個體搜索匹配技術等。

1.2.4 自主協(xié)同層

自主協(xié)同層是提供根據(jù)任務目標生成虛擬執(zhí)行體的一組服務，通過虛擬執(zhí)行體綁定相關的自主個體，通過自主協(xié)同完成任務目標。該層涉及的功能包括：事務管理、協(xié)同機制和服務組合和調用等。

1.2.5 應用層

應用層面向作戰(zhàn)各級指揮員、操作員、系統(tǒng)管理員，提供各種作戰(zhàn)相關和網絡系統(tǒng)管理應用功能。

2 案例分析

以網絡化合成戰(zhàn)術部隊作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)為例，說明任務驅動的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)高效協(xié)同技術體系結構及核心機制的內涵，并驗證該技術的有效性。

圖5 作戰(zhàn)任務遂行共同體結構示意圖

網絡化合成戰(zhàn)術部隊是探索多兵種靈活編組、聯(lián)合作戰(zhàn)、模塊化合成的新型陸軍編成方案，其基本思想是：將裝甲突擊、陸軍航空兵、炮兵火力支援、防空防化兵、工兵保障力量等兵種以營級單位進行編組，以網絡化信息系統(tǒng)為核心，將多種兵種有效合成為一個能夠遂行多種作戰(zhàn)任務的高效快速反應部隊。

可以通過自主個體將異構的作戰(zhàn)力量封裝成統(tǒng)一的實體，并通過調用和返回服務統(tǒng)一接口協(xié)議屏蔽這些作戰(zhàn)力量武器平臺的異構性?？梢愿鶕?jù)任務的性質和特點創(chuàng)建各種任務虛擬共同體，將有效完成該任務的作戰(zhàn)自主個體納入該任務虛擬共同體，如圖5所示，該圖為一次突擊任務虛擬共同體。使用元信息數(shù)據(jù)庫完成資源元信息的發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和組織功能，所有作戰(zhàn)力量已經抽象為自主個體，例如：指揮員、突擊營、炮兵營、防空營、偵查營和支援保障營，這些自主個體的能力描述、位置信息和通信協(xié)作協(xié)議在元信息數(shù)據(jù)庫中描述。

任務自主遂行執(zhí)行體是指在實際任務執(zhí)行過程中，各自主個體針對該任務目標、戰(zhàn)場態(tài)勢和自主個體工作流機制，實時自主作出決策調用其他自主個體協(xié)同，消滅潛在威脅目標保證自身安全，并出色完成作戰(zhàn)任務。下頁圖6描述了在一次突擊任務過程中，突擊營針對戰(zhàn)場態(tài)勢多變，合理調用其他作戰(zhàn)力量并完成作戰(zhàn)任務的自主遂行協(xié)同過程示意圖。

圖6 任務自主遂行協(xié)同過程示意圖

3 結論

隨著新一輪軍改的不斷深入，多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)成為部隊訓練、演習和承擔作戰(zhàn)任務的新常態(tài)，各參與方作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和信息高效利用成為任務成敗的關鍵。本文提出了網絡中心戰(zhàn)下任務驅動的一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)高效協(xié)同技術，引入自主個體、虛擬任務共同體、虛擬任務執(zhí)行體3個概念，從系統(tǒng)框架介紹了協(xié)同體系架構。一體化作戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致模型和協(xié)作通信協(xié)議是下一步工作重點和研究的方向。

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Efficient Cooperation Technology of Task-Driven for Joint Operation and Command Information Systems

DONG Long-ming1，2，3，GAO Tian-cheng4，QIU Rui-bo3，MA Lian-miao3
（1.Post-doctoral Research Station，Department of Computer Science and Technology，Nanjing University，Nanjing 210000，China；2.Post-doctoral Workstation，Northern Information Control Group Ltd.，Nanjing 210000，China；3.Nanjing Military Representative Office of PLA Army，Nanjing 210000，China；4.Northern Information Control Group Ltd.，Nanjing 210000，China）

The operation and command information systems involved in the integrated networkcentric warfare are heterogeneous，autonomous，and diverse，which brings many problems to the joint and cooperation operations.This paper presents a task-driven efficient cooperation technology for joint operation and command information systems.Various combat forces and resources are aggregated in demand and cooperate with each other oriented by the goal of the combat.Individual autonomy，virtual task commonwealth，and virtual task executor are introduced to build the joint virtual battle and command environment.The efficient，collaborative，and transparent integrated services are provided for all the combat units in the environment.The efficient cooperation architecture is introduced respectively from the core elements and the system framework.In the end，combined with the command information systems of the synthetic army camp，each component of the efficient cooperation is analyzed deeply to verify the feasibility of our technology.

Joint operation and command information systems，task-driven，cooperation，individual autonomy

TP391

A

1002-0640（2017）05-0079-05

2016-03-15

2016-05-27

董龍明（1982- ），男，江蘇建湖人，博士，工程師。研究方向為：指揮信息系統(tǒng)，軟件可靠性等。