基于互為主體的電子系統架構與任務決策

王玉冰， 梁曉龍， 柏 鵬， 王維佳， 張佳強

(1.空軍工程大學空管領航學院， 西安， 710051； 2.軍事科學院系統工程研究院， 北京， 100101)

隨著電子信息技術的高速發展，電子設備的種類、功能復雜化使得電子系統中的信息與控制決策問題愈發突出。同時，現代空戰向著集群化趨勢發展，面對日益復雜的戰場環境和任務需求，電子系統作為戰場態勢獲取和作戰任務遂行的關鍵，必須引入新的設計思想與任務決策方法來構建高性能、可重構的電子系統架構，實現電子系統的認知和能力涌現，從而達到最佳遂行效果[1]。互為主體是20世紀西方哲學中凸現的一個范疇，它的主要內容是研究或規范一個主體怎樣與完整的作為主體運作的另一個主體互相作用的[2]。互為主體使得認識論發生重大轉向，從關注主體性和認知上的“主-客體”關系轉向關注主體與主體之間的關系，并確認了自我主體與對象主體間的共生性、平等性和交流關系[3]。

本文在對哲學領域認識論范疇中的互為主體理論進行分析的基礎上，將互為主體的概念引申到信息科學領域，研究如何根據不同的任務需求牽引系統在資源和架構的柔性聚合、系統的信息交互和任務決策，實現認知和能力涌現，從而提高電子系統能力和航空集群作戰效能。

1 基于互為主體的電子系統架構模型

1.1 電子資源與柔性聚合

電子資源是電子系統的物理組成基礎，由硬件資源、軟件資源和關聯資源構成[4]。硬件資源以固態化形式存在，為信號波形的生成、轉換以及軟件資源的運行提供平臺，包括天線資源、信號處理資源、信息處理資源、信息/信號傳輸資源、信息應用資源和基準資源等。軟件資源以程序代碼的形式存在于硬件資源中，實現數字信號處理以及應用功能處理，包括公共軟件資源、功能軟件資源等。關聯資源以共享交互形式存在，為軟件資源和硬件資源的協調一致提供條件，包括信息資源、信號資源和信道資源等。

目前，電子系統多采用“模塊”概念作為電子系統綜合的物理單元和功能單元。模塊指相對獨立的功能劃分，以及一種先進的封裝及安裝形式，包括硬件模塊和軟件模塊。模塊是一個相對獨立的功能單元，盡量減少模塊間的信息交聯，多個模塊構成更大的功能的單元組件，通過信息交聯構成系統。軟件模塊概念類似。模塊是重構、共享、故障定位及現場更換的最小單位。

各類資源的層次劃分如圖1所示，與電子系統結構關系如圖2所示。通常信號處理資源、信息處理資源、信息應用資源均包含軟件和硬件資源，為便于區分，將軟件資源單獨列出。

圖1 電子資源組成關系圖

圖2 電子系統結構與電子資源關系

電子系統中的“電子資源”概念不同于已有的“模塊”概念，其內涵更豐富、形式更靈活。“模塊”是目前對電子系統進行綜合的物理單元和功能單元。對標準模塊按照“功能單元-單元組件-系統”的過程進行綜合，實踐證明是一種有效的軟硬件設計和系統綜合方法。但標準模塊功能單元固定、呈現形態(封裝及安裝形式)固定以及組合模式固定的特點卻極大地限制了柔性組合的實施。由于協同作戰、聯合作戰的任務多、任務轉換快，不同任務對電子系統性能要求的差異性大，電子系統需要采用具有靈活性的新型單元分級與組合標準。因此，電子系統采用“電子資源”作為系統的物理基礎。電子資源的基本單元具有多種形態，是一個多元素的資源形態集合，根據資源組合需求(圖2中同類或不同類資源組合、同層次或不同層次資源組合)，動態選取最佳資源形態，進行資源的最優組合，形成最優物理構型。

柔性聚合[5]指電子系統根據任務需求以及對象相互間的關聯性需求，以一定的規則建立任務/功能/子功能與電子資源之間的映射關系，生成匹配任務功能的最優資源集；并基于資源共享、動態重構、高效利用等原則，采用技術可行的物理構型對電子資源進行組合，形成性能最優或次優的任務系統，實現作戰效能最優。

如圖2所示，軟硬件及關聯資源對所有層級開放，每層可選用資源完全相同，不存在某些資源被某層級固定使用的限制。

綜上所述，電子系統以多重顆粒度的綜合單元——電子資源，以多態靈巧的綜合模式——柔性聚合，以可重定義的綜合體系——結構層次，構建滿足未來任務需求的適應性強、擴展能力強、靈活性強、共享能力強的綜合系統，大幅減少平臺上重復的電子資源，降低電子系統的體積、重量及故障率等，提高系統整體綜合效能。

1.2 信息科學領域的互為主體涵義

如圖3所示，將認識論和本體論的互為主體與信息科學中的認知過程相對比，存在很多內在聯系和相似之處，因此可以將互為主體的哲學概念引申映射到信息科學中，用以解決實際問題[6]。哲學中的“理解→交流表達→主觀與客觀意義的同步”即信息科學中的“對環境的認知→信息交互與協同→信息融合、啟發與決策”。由此可見，認知過程是具有一致性的，只是在執行過程中，需要根據不同的任務需求和系統特性加以具體分析。

圖3 互為主體要素在哲學與信息科學領域的映射

信息科學領域中對于主體尚未形成統一的定義，霍蘭模型中對主體的定義是具備感知能力、目的性、主動性、適應性并能夠與環境及其他主體進行交互作用[7]；智能主體指在一定環境下的計算機系統，能夠靈活自主地活動和決策[8]；近年來，以Agent作為主體的理論受到許多學者的關注[9]；本文中的主體指廣義主體，根據劃分粒度的不同可以歸納為資源級、信息級、功能級、任務級4個層次[10]，其中，資源級主體包括軟件資源、硬件資源、關聯資源和泛在節點，信息級主體包括同質信息和異質信息，功能級主體包括發射、接收、導航、顯示等系統功能，任務級主體包括偵察、干擾、通信、探測、攻擊、管理和評估等任務環節[11]，如圖4所示。在具體實現層面，貫穿全過程的執行方法是算法，要實現互為主體同層級或跨層級的靈活決策，依靠的是靈活合理地運用算法，即算法的算法。

圖4 按不同粒度劃分的主體層次

1.3 基于互為主體的電子系統架構模型

基于互為主體的電子系統，立足于未來體系作戰總體能力需求，以系統精簡、體系強大為設計目標。其中物理域電子資源是物理組成基礎，由硬件資源、軟件資源和關聯資源3類資源構成。信息域包括對信號信息處理算法、資源管控調度、不同信息之間的交互協同，以及功能管理配置等。信息域主要以任務為牽引，實現對物理域電子資源的調度與管理。認知域包括認知計算、學習推理、科學決策以及增強進化等。主要通過學習推理與進化，發現戰場規則與新知識，從而對戰場態勢進行自主靈活調整，如圖5所示。

整個電子系統以統一時空頻相基準為基礎支撐，通過多維信號交互協同、復雜認知計算和智能信息處理服務，實現在廣域范圍內物理域的資源統一管理與調度、信息域的協同電磁環境感知與控制、認知域的自主靈活重構與學習進化，打造未來活性化智慧型的電磁頻譜作戰體系，支持對廣域電磁頻譜的精準操作和確保全局比較性競爭優勢。

傳統電子系統體系主要以能力相對固化的電子系統節點間的互聯互通為組成架構，通過強化單節點能力和通信網絡能力為主要手段實現體系整體能力的提升；互為主體電子系統則通過能力集合的開放式動態、敏捷、智能重塑與聚合，實現自組織自適應的電子系統體系架構，通過物理域、信息域和認知域等不同層次能力的有機結合和協調發展，形成系統總體作戰能力的顯著提升。

圖5 系統架構設想示意圖

2 基于互為主體的信息交互與決策方法

2.1 基于互為主體的信息交互過程

信息的獲取是人類活動的基礎，也是航空集群遂行各項任務的前端環節和重要支撐[12]。因此，分析航空集群技術與作戰運用中有無互為主體的區別，首先要從分析基于互為主體的信息過程與傳統信息過程的區別開始。基于互為主體的信息過程類比人類認識世界的過程，如圖6所示。

圖6 基于互為主體的信息交互過程與傳統信息過程對比

人類認識世界和優化世界的過程包括：通過感覺器官獲取外部世界的相關本體論信息，把它轉換為認識論信息；通過神經傳遞給思維器官，后者把認識論信息加工成為關于外部世界的相關知識，實現認知；在此基礎上針對問題和目標形成求解問題的智能策略，做出決策；再通過神經傳遞給效應器官，后者把智能策略轉換為相應的智能行為，作用于外部世界，解決問題，滿足約束，達到目標[13]。

基于互為主體的航空集群信息過程對應為：通過傳感器獲取外部環境的本體論信息，通過判斷進行對信息的理解和認知，主體間對各自形成的認識論信息進行交流表達，即信息級的主體間交互協同，從而達到主觀與客觀意義的同步；之后通過信息融合、啟發與決策，進行主體間資源級、信息級、功能級和任務級的交互協同，實現信息決策與執行，再將其作用于外部環境，完成任務，滿足約束，達到目標。

信息獲取的本質是本體論信息向認識論信息的轉換；轉換的可實現性條件是系統具有觀察、理解和目的判斷能力[14]。傳統的信息過程沒有將本體論信息轉化為認識論信息，缺乏類似人類認識世界的認知過程、主體間協同形成的互動以及認識和環境之間的閉環反饋。因而，在處理所需信息與非所需信息之間交互作用的復雜性和不確定性時，存在著觀察不完善，理解不準確，判斷不可靠的問題；基于互為主體的信息獲取方式則能夠在這種條件下獲得觀察力、理解力和判斷質量的提升。

2.2 基于互為主體的決策機制

如圖7所示，基于互為主體的決策機制實現步驟為：

Step1按照任務、環境、目標的多項約束，根據相關理論知識，以最大化系統效能為目標，通過計算、對比和邏輯處理，選取t時刻在資源層、信息層、功能層和任務層等不同層級中的初始主體；

Step2賦予初始主體在t時刻的領導權，選取t時刻的算法主體，執行在t時刻環境和目標約束下的任務，得到t+1時刻任務的新狀態；

Step3將t+1時刻的任務新狀態與目標狀態進行比較，根據狀態差異的變化，重新選取t+1時刻的各層級新主體，新主體可能與t時刻相同也可能不同，這時領導權可能產生變化，但不變的是主體選取原則，即最大化系統效能；

Step4按照上述流程迭代計算，任務過程中每個時刻都選取最適合當前任務和目標狀態的主體賦予領導權并遂行任務，直至解決問題。

互為主體決策機制的優勢在于：

1)形成一種新的決策權力分配方式，系統自主規劃和治理，領導權因時因地而變；

2)彌補單一平臺在觀測時間、位置、數據等方面的不足，使獲取的信息更為完備，互為補充，并且當其中某個節點受到打擊或毀傷時，整個系統仍能繼續工作；

3)彌補單一平臺與對方單個平臺或集群的能力差距，通過互為主體的運行機制實現能力涌現。

圖7 互為主體決策機制

2.3 主體損壞后的主體重構方法

主體損壞的處理方法主要通過主體重構實現。主體重構是指為實現對戰場環境和作戰任務的最佳響應或在主體遭受攻擊時的關鍵能力(按能力層級)得以快速恢復，以最小重構代價重建系統的結構及重新組合系統的功能的過程。

2.3.1 主體重構的目標

1)不斷積累重構經驗：通過預設不同屬性的戰場任務和不同攻擊情況下的主體重構仿真，不斷積累系統重構經驗，以提升戰場適應和生存能力。

2)涌現出強適應性的系統能力：基于系統重構經驗，進而可促進系統對戰場任務和敵方攻擊的快速響應，觸發更具適應性的能力涌現。

2.3.2 主體重構的類型

主體損壞的處理旨在突顯主體的靈活擴展性、安全性、可控性等，并利于在戰場對抗環境中主體的構建與重構、增強系統的健壯性和提高遭受攻擊時的自修復性，從而提升作戰系統的生存能力和任務執行能力[15]。本文按照主體重構的不同對象，將主體重構分為以下3類：

1)物理重構：主體需要引入新的平臺或從系統中移出已有平臺，或用一個平臺替換另一個平臺等涉及平臺物理變換的系統重構，稱之為物理重構；

2)邏輯重構：保持己有系統結構不變而改變組合方法、聯接方式等的主體重構，稱之為邏輯重構；

3)算法重構：根據當前任務特性，在算法庫中重新選擇可執行的、效能最優的算法運行，稱之為算法重構。

物理重構、邏輯重構和算法重構是主體最基本的重構形式。同時，根據主體所處的激勵形式可分為執行預設戰場任務的主動重構和遭受敵方攻擊時所及進行的應激重構。

主動重構：當執行預設戰場任務時，如偵察、攻擊、電子戰、協同制導、協同搜索時，為實現各級主體對戰場任務的最佳響應，在綜合考慮重構代價和重構效能的情況下，對主體進行的以標志節點為主導的功能重新組合、聯接方式改變等一系列的重構動作稱為主動重構；

應激重構：當主體遭受攻擊時，主體受到一定程度的損毀，為保證系統關鍵能力和最大化修復相關性能，此種情況下需對系統進行的一系列重構動作稱為應激重構。

2.3.3 主體重構的觸發機制

主體重構的觸發機制以執行預設任務和攻擊激勵響應為研究主線，分觸發行為和觸發事件2個層面進行研究。

觸發行為包括任務指令觸發和戰場態勢觸發，指令觸發主要是依據上級作戰意圖及戰場指令；戰場態勢觸發則是根據戰場態勢變化、具體作戰模式產生的適應性觸發行為。一般而言，預設戰場任務屬指令觸發行為，遭受攻擊屬戰場態勢觸發。

確定觸發行為后，即進入相應的觸發事件判斷。對于戰場預設任務的指令觸發行為，主要依據任務屬性分析(包括任務類型、規模、難度等)和能力需求分析(需要的能力類型、具體能力性能等)確定主體的響應規模(全系統、部分子系統或單個子系統響應等)。然后判斷相應的系統是否處于最佳組合狀態，即是否需要重構，若需要則進行重構代價評估。最后依據評估結果進入系統或子系統的主動重構，這就是面向任務執行的主體重構的觸發事件。

對于遭受攻擊的戰場態勢觸發行為，首先從系統被毀傷規模、能力缺失分析、性能衰減分析、能力和性能的重要度分析等方面進行系統毀傷評估，并重構代價評估，進而確定主體的響應規模，然后進行系統或子系統的應激重構，這就是面向敵方攻擊的主體重構的觸發事件。

2.3.4 主體重構的原則

1)松耦合原則：可重構系統中任務和系統能力關系是松耦合:系統構建與重構不再依據特定任務需求提供系統結構，而是依據重構后涌現出的能力來執行相應任務。

2)兼容融合原則：可重構系統體現了多功能平臺、多種交感通信機制、多種行為方式相互融合的發展趨勢，其目標是實現各種開放、異構資源支持下的能力融合、子系統互連和優勢互補。

3)可擴展性原則：在兼顧了現有系統體系結構的基礎上對未知系統也具有較強的可擴展性，對于傳統集群系統中的信息傳播途徑和標志節點進行相應的改造，將其中各能力單元進行組合并預留擴展通道。

4)隔離原則：為了防止執行不同任務或遭受敵方攻擊時，系統重構時產生能力單元交叉干涉，應在重構中選用適宜的技術、方法和機制來分隔各能力單元，盡量保證將不同能力單元的功能、適應執行的任務從邏輯上進行分離，從實現上做到解耦。

3 互為主體在航空集群作戰任務決策中的應用實例

實例1：航空集群執行的作戰任務包括目標搜索與探測、定位跟蹤、電子干擾以及攻擊等[16]。作戰過程中，典型的航空集群按照任務時序的任務轉換關系見圖8。當集群抵達待戰區域后，首先進行目標搜索與探測任務，一旦發現目標即對該目標進行定位跟蹤。當定位跟蹤精度滿足需要時，可以依據戰術需要進行干擾或者攻擊；如果目標丟失，則重新進行搜索與探測[17]。任務級的互為主體應用貫穿于整個集群作戰偵察、干擾、探測、通信、攻擊、管理和評估的任務轉換之間，依據每個時刻的戰場態勢，集群不斷進行著作戰任務和對抗措施的決策和轉換。例如，在偵察探測階段，我方集群主要對敵方目標進行協同搜索和定位跟蹤；當集群感知到敵方雷達開機，對我方平臺處于跟蹤乃至鎖定模式時，我方戰機的生存受到較大威脅，此時我方平臺應立即采取自衛干擾等措施，集群任務就發生了轉換[18]。

圖8 航空集群任務轉換關系圖

實例2：本文以航空集群定位構型與波束聯合優化為例說明互為主體在功能級、信息級和資源級的應用，如圖9所示[19]。

圖9 航空集群定位構型與波束聯合優化

在執行定位跟蹤任務時，為獲得更優觀測，可以發揮集群分布式平臺的優勢，通過對定位構型和發射波束進行聯合優化，提高定位跟蹤的精度。其中，在功能級層面，可以基于互為主體思想來確定每個時刻平臺的功能是發射波束還是接收目標回波；在信息級層面，波束的優化既涉及到定位構型又涉及到波束參數，需要異質信息的聯合處理；在資源級層面，軟件資源要實時處理以最小化克拉美羅界(CRLB)為優化準則的最優構型和波束參數的計算更新，硬件資源要實時根據軟件資源的處理結果進行構型調整和波束發射，關聯資源和泛在節點也在這樣的迭代更新中不斷地進行分配調度，以達到航空集群定位構型與波束的聯合優化，從而大幅度提升集群整體的態勢感知能力和作戰效能。

4 結語

在航空集群技術與作戰運用中，互為主體提供了一種靈活的電子系統架構和決策機制設計方法，在實際運用中起到“以活勝僵”的效果。在每個時刻，根據效能最優的原則確定在資源級、信息級、功能級和任務級等不同層級中的主體，該主體具有在這個時刻的領導權；在不同時刻，主體是可變化的，也就是領導權因時因狀況而變。通過互為主體的協同運行機制，每個時刻都選取適合的主體來最大化整體效能，從而達到全時全域的效能最優。