人工智能應用于海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系總體設計的關鍵問題

蹇成剛，王兆杰，劉 鵬，唐素純，賈立好

(1.海裝裝備項目管理中心，北京 100001；2.中國艦船研究院，北京 100101；3.中國科學院自動化研究所，北京 100190)

0 引 言

網(wǎng)絡信息體系是以“網(wǎng)絡中心、信息主導、體系支撐”為主要特征，涵蓋物理域、信息域、認知域、社會域的復雜巨系統(tǒng)，是按照統(tǒng)一的體系架構，統(tǒng)一的技術體制和標準規(guī)范構建，以共用信息基礎設施為支撐，集成預警探測、指揮控制、信息對抗、戰(zhàn)場環(huán)境等功能，以及政治工作、后勤保障、裝備管理等各級各類系統(tǒng)的有機整體。網(wǎng)絡信息體系具備組成系統(tǒng)獨立運行、組成系統(tǒng)獨立維護、組成系統(tǒng)區(qū)域分布，具備涌現(xiàn)行為，體系不斷演化發(fā)展等特征[1-8]。

目前的網(wǎng)絡信息體系總體設計尚未充分考慮需求多樣性、邊界不確定性、環(huán)境高復雜性、信息不確定性、響應高實時性、博弈高對抗性等復雜性瓶頸。一是缺少不確定條件下的軍事需求向裝備需求進行轉化映射的指導方法；二是體系結構設計缺乏動態(tài)可執(zhí)行驗證，難以在設計階段進行快速迭代優(yōu)化，并且現(xiàn)有體系結構設計多基于靜態(tài)場景驅動，未充分考慮戰(zhàn)場環(huán)境存在的不確定性、多樣性和復雜性等特點；三是體系要素集成和狀態(tài)統(tǒng)一困難，需要耗費大量的人力物力驅動打通體系要素之間的壁壘，并且確保呈分布式狀態(tài)存在的要素狀態(tài)能夠一致，以支持最基本的互聯(lián)互通互操作；四是體系運行過程缺乏動態(tài)監(jiān)測和彈性恢復設計，對抗環(huán)境下體系對任務的支撐能力難以預估；五是缺乏體系能力檢驗測試評估方法和手段，難以對體系能力和裝備要素貢獻率進行科學評價。

基于數(shù)據(jù)支撐、硬件算力、算法模型的提升，人工智能技術解決了深層神經(jīng)網(wǎng)絡模型的學習問題，使得機器具備自動表征復雜輸入信息和從數(shù)據(jù)自主挖掘知識的能力；進而結合強化學習技術，使得機器進一步具備了自主學習和進化能力。這些人工智能技術應用于網(wǎng)絡信息體系時，有助于挖掘關鍵需求、優(yōu)化體系結構、推動能力升級，支撐構建敏捷高效、抗毀重構的作戰(zhàn)體系。需要深入研究設計方法、支撐工具等關鍵問題，支撐網(wǎng)絡信息體系總體設計。

1 人工智能技術最新發(fā)展分析

自2010年起，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、深度學習的興起，人工智能迎來了第三次發(fā)展高潮——新一代人工智能；自2018年9月，美國國防先進研究項目局（DARPA）推出了“下一代人工智能（Next AI）”和“人工智能探索（AI Exploration）”兩大計劃，統(tǒng)籌推進智能科技發(fā)展及應用。

1.1 我國新一代人工智能技術發(fā)展分析

2017年我國發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，加快人工智能與經(jīng)濟、社會、國防的深度融合，構建開放協(xié)同的人工智能科技創(chuàng)新體系；2018年布局了科技創(chuàng)新2030——“新一代人工智能”重大項目。新一代人工智能技術以大數(shù)據(jù)、機器學習新算法、硬件計算能力的大幅提升為推手，呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展態(tài)勢。無人平臺（無人機、無人艇、無人車、無人水下航行器、仿生機器等）自主智能系統(tǒng)已成為重點研究領域，基于網(wǎng)絡信息體系的群體智能技術將成為重要研究方向，人機協(xié)同混合增強智能技術正在深入探討和研究。

1.2 美國下一代人工智能技術發(fā)展分析

2018年9月，DARPA宣布啟動“下一代人工智能”計劃，尋求探索新的理論和應用，使機器從專門工具轉化為解決問題的、可靠的“合作伙伴”。針對當前人工智能依賴大量、高質量的訓練數(shù)據(jù)、缺乏語境推理能力、不能夠適應多變環(huán)境、不具備可解釋性等難題，“下一代人工智能”擬開發(fā)具有常識、能感知語境和能源效率更高的智能系統(tǒng)，使機器獲得與人類類似的交流和推理能力，能夠識別新場景、適應新環(huán)境。DARPA已布局智能科學基礎科研項目，如機器常識項目、物理人工智能項目、終身學習機器項目、可解釋性人工智能項目等。

1.3 軍民融合背景下的軍事智能發(fā)展分析

1）數(shù)據(jù)量不斷積累，為軍事智能發(fā)展奠定基礎

伴隨著分布在岸海空天潛各型各類傳感器數(shù)量的不斷增加、地方情報源和情報數(shù)據(jù)不斷融入作戰(zhàn)體系，以及不同部門和領域之間的數(shù)據(jù)壁壘不斷打破，海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)大幅增長，將為人工智能算法模型訓練提供源源不斷的素材，促進從海戰(zhàn)場海量數(shù)據(jù)中積累經(jīng)驗、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

2）信息處理硬件技術加速演進，為軍事智能提供運算能力支撐

面對以格式化文本、圖片、音視頻等多種形式存在的海戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，以及強實時、高頻次的數(shù)據(jù)處理要求，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術處理難以滿足需求。以GPU，NPU，F(xiàn)PGA和各種各樣的AI-PU專用芯片為代表的人工智能芯片，將加速深層神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練迭代速度，從芯片級提升大規(guī)模數(shù)據(jù)處理效率；采用“數(shù)據(jù)驅動并行計算”架構的NPU等人工智能專用芯片，具有低功耗和更高運算效率，能夠支持海戰(zhàn)場智能終端的信息處理能力提升。

3）云計算技術的發(fā)展運用，為軍事智能提供基礎資源整合手段

云計算技術在海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系的運用，能夠支撐資源管理服務實現(xiàn)，支持資源快速部署和服務獲取、進行動態(tài)可伸縮擴展及供給、以及面向海戰(zhàn)場海量信息的快速有序化處理等，能夠為基于作戰(zhàn)云的各類智能應用提供資源整合交互的基礎平臺。強大的云存儲和云計算體系架構，將促進神經(jīng)網(wǎng)絡模型的快速迭代優(yōu)化，為智能化海戰(zhàn)場態(tài)勢感知和指揮決策提供基礎平臺支撐。

4）人工智能技術研究的不斷深入，支撐軍事智能算法模型優(yōu)化及性能提升

深度學習、強化學習等人工智能技術在圍棋競賽（AlphaGo、AlphaZero）完全信息、德州撲克競賽（DeepStack）不完全信息簡單環(huán)境、空戰(zhàn)系統(tǒng)Alpha AI不完全信息復雜環(huán)境等博弈對抗系統(tǒng)的成功應用，已展示出可通過人-機、機-機對抗數(shù)據(jù)，訓練出遠遠超過人類水平的對抗型機器智能，自主挖掘出新規(guī)則、新戰(zhàn)法，突破人類經(jīng)驗、認知的限制。真正意義上的人工智能即“強人工智能”，機器要實現(xiàn)真正的智能，已有引入因果論的人工智能技術的深入探索。這些均將為軍事智能在各領域的可靠可信應用奠定基礎。

5）自然人機交互技術不斷發(fā)展，支撐軍事智能新型人機交互模式構建

自然人機交互技術將極大提升海戰(zhàn)場信息多維度展示能力、加速軍事裝備的操作效率、提升人機協(xié)同能力，最終將為軍事智能新型人機交互模式構建提供基礎支撐手段。

2 人工智能技術在海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系總體設計中的應用

2.1 海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系總體設計關鍵問題

新一代人工智能融入下的海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系將是“作戰(zhàn)云+智能指控+智能終端”的人機物混合增強智能，總體設計工作主要包括需求分析、架構設計、智能應用、基礎設施、演示驗證等方面。

需求分析，重點以作戰(zhàn)能力或作戰(zhàn)活動為核心，解決作戰(zhàn)能力需求向裝備功能性能要求的映射轉換，AI用于挖掘關鍵性需求。

架構設計，主要包括總體架構設計、信息架構設計、系統(tǒng)架構設計、技術架構設計等。

智能應用，主要從態(tài)勢感知、指揮控制、火力打擊、信息對抗、綜合保障等方面出發(fā)，開展應用層面的智能化。

基礎設施，主要從智能通信網(wǎng)絡、智能作戰(zhàn)資源管理服務等方面出發(fā)，開展基礎設施層面的智能化。

仿真推演，重點構建基于體系對抗的仿真推演平臺，支持對體系總體設計的仿真測試分析等。

2.2 面向智能融入的總體設計關鍵技術

1）海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息裝備需求映射和可執(zhí)行驗證技術

綜合考慮復雜海上環(huán)境下的網(wǎng)絡信息體系總體設計面臨的“復雜性、演化性、對抗性”等因素，如何以體系作戰(zhàn)能力為結合點，“自頂向下”分解作戰(zhàn)使命需求，“自底向上”進行資源的聚合與調整，并面向能力“涌現(xiàn)”快速進行體系要素集成驗證，實現(xiàn)不確定條件下的軍事需求向裝備需求進行轉化映射，尚缺乏適應海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系發(fā)展建設特點、成體系的指導方法、理論和工具。亟待突破需求不確定性建模、需求一致性分析和驗證、網(wǎng)絡化指標體系構建與分解、需求與功能自適應匹配交聯(lián)等。從使命任務、能力需求出發(fā)，研究組件系統(tǒng)間的功能結構關系，規(guī)范服務化體系建模過程，提出體系結構靜態(tài)模型與仿真模型轉換方法，并研究模型校核、驗證與確認的方法，驗證體系模型的邏輯正確性，以及與實體物理模型的一致性，支持體系結構設計的可執(zhí)行驗證。

2）海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系建模技術

圖1 人工智能融入關鍵問題描述Fig.1 Description of key problems in AI integration

建模分析海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系使命需求與能力空間范圍匹配性，局部性能最優(yōu)與全局最優(yōu)的平衡，靜態(tài)性能最優(yōu)與動態(tài)演化性能的平衡，體系要素交互帶來的“涌現(xiàn)性”，以及基于博弈分析的體系對抗過程等，并結合 “網(wǎng)絡化、服務化、智能化”發(fā)展趨勢，研究體系結構自適應以及功能快速演化機理。亟待面向近海全域作戰(zhàn)和遠海防衛(wèi)作戰(zhàn)需求，研究綜合考慮網(wǎng)電、水下等作戰(zhàn)空間全域融合，以及天基、無人系統(tǒng)等新質要素納入的網(wǎng)絡信息體系架構。構建服務化海軍信息基礎設施構建總體與集成框架，突破海戰(zhàn)場自組織通信網(wǎng)系，跨介質智能通信、有人/無人作戰(zhàn)資源統(tǒng)一管理與按需服務等，實現(xiàn)信息基礎設施支撐下的各類海上作戰(zhàn)資源全網(wǎng)共享、智能流轉。

3）海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系彈性和安全運行技術

體系在面臨攻擊、擾動等條件下是否仍然具有完成關鍵任務的自修復能力；分析海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系的彈性過程和彈性要素，提出彈性度量方法，并考慮體系非線性交互帶來的積累、級聯(lián)、時延等效應，結合體系動態(tài)監(jiān)測，探索體系彈性恢復機理；針對無線、異構的海戰(zhàn)場通信特點，建模分析海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系的靜態(tài)/動態(tài)穩(wěn)定結構，并結合裕量/備用設計和動態(tài)重構，建模分析隨機擾動/全域對抗條件下的海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系的動態(tài)特性；結合全域作戰(zhàn)要求以及物聯(lián)網(wǎng)、復雜系統(tǒng)理論研究，建立海戰(zhàn)場信息系統(tǒng)安全運行理論。

4）海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系資源智能管理服務技術

海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系具有的動態(tài)性、異構性以及分布性等特點，為全域作戰(zhàn)資源管理調度帶來諸多問題和挑戰(zhàn)，同時對作戰(zhàn)資源管控粒度、范圍、頻度以及資源聯(lián)動方面提出越來越高的要求，亟待探索基于作戰(zhàn)云和人工智能的海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系作戰(zhàn)資源管理，建立計算、信息、通信、傳感器、武器等不同類型作戰(zhàn)資源的調用模型和交聯(lián)關系。描述多樣化任務和作戰(zhàn)資源之間的映射關系；基于深度學習等人工智能算法，研究復雜海上環(huán)境下不同作戰(zhàn)單元間平衡和調整資源，實現(xiàn)作戰(zhàn)資源“全網(wǎng)共享、按需流轉”，滿足多樣化作戰(zhàn)任務要求。

5）海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系仿真和集成技術

仿真推演是體系工程必不可少的環(huán)節(jié)，亟待統(tǒng)籌海戰(zhàn)場各類作戰(zhàn)要素，開展海戰(zhàn)場裝備模型建模、環(huán)境模型建模、作戰(zhàn)模型建模、評估模型建模，面向體系能力生成開展全體系仿真和集成，構建基于體系對抗海戰(zhàn)場智能仿真推演平臺，支撐全域融合的海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系總體設計。

3 結 語

本文總結梳理了當前海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系總體設計中存在的瓶頸問題，結合新一代人工智能技術發(fā)展研究，面向基于網(wǎng)絡信息體系的海上方向聯(lián)合作戰(zhàn)能力和全域作戰(zhàn)能力構建，從人工智能融入角度出發(fā)分析了海戰(zhàn)場網(wǎng)絡信息體系總體設計的若干關鍵問題，為后續(xù)網(wǎng)絡信息體系總體設計提供支撐。