面向任務的指揮控制系統(tǒng)能力適配分析研究

魏 濤，齊光景，劉 婷，張 賓

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐太原地區(qū)第二軍事代表室，太原 030006）

0 引言

針對復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境和多樣化的作戰(zhàn)使命任務，具備靈活性、抗毀性、自適應性等特點的面向任務指揮控制（Command and Control，C2）系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)外軍事指揮控制領域?qū)＜已芯亢完P(guān)注的重點。2012 年，美國The MITRE Corporation 的Harvey Reed 等人提出了敏捷與自適應IT 生態(tài)系統(tǒng)（AAE）概念，美海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)太平洋中心（Space and Naval Warfare Systems Center Pacific）提出了可適用于單兵靈活作戰(zhàn)的輕便應用小程序（Widgets）設計［1］，而后美軍又陸續(xù)提出構(gòu)建適應多樣化作戰(zhàn)任務的指揮控制系統(tǒng)的方案，其主要研究重點在面向任務的指揮控制系統(tǒng)概念與建模的理論研究、面向任務的指揮控制系統(tǒng)體系架構(gòu)研究等，并初步形成了一些基于面向任務的指揮控制系統(tǒng)概念的原型驗證系統(tǒng)。在國內(nèi)，國防科技大學、南京信息系統(tǒng)工程重點實驗室等科研機構(gòu)在面向任務的指揮控制系統(tǒng)架構(gòu)研究方面也取得了一些成果，研究重點主要集中在系統(tǒng)構(gòu)建原理和構(gòu)建方法的研究，鮮見針對面向任務的指揮控制系統(tǒng)適配任務需求的分析研究［2］。

面向任務的指揮控制系統(tǒng)通常是指為了完成一個或多個作戰(zhàn)任務，而將現(xiàn)有的相關(guān)指揮控制系統(tǒng)互聯(lián)互通形成網(wǎng)絡，各種信息可以在網(wǎng)絡中傳輸和共享的動態(tài)構(gòu)建的指揮控制系統(tǒng)［3］。要適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，克服傳統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能固化、處理臨機任務能力弱等不足，構(gòu)建可滿足多樣化作戰(zhàn)任務的新型指揮控制系統(tǒng)，真正形成“按需適配、靈活構(gòu)建”的系統(tǒng)能力，首先要形成面向作戰(zhàn)任務需求的系統(tǒng)功能適配分析方法。通過研究面向任務的指揮控制系統(tǒng)在特定任務下的能力需求分析方法，一方面，為面向任務指揮控制系統(tǒng)的靈活構(gòu)建提供依據(jù)；另一方面，為系統(tǒng)綜合能力評價提供手段，同時也可以為聯(lián)合作戰(zhàn)體系構(gòu)建的決策者提供科學合理的建議。

1 典型作戰(zhàn)任務建模

面向任務的指揮控制系統(tǒng)以面向作戰(zhàn)任務靈活構(gòu)建為主要特征，通過規(guī)范化的作戰(zhàn)任務建模，讓面向任務的指揮控制系統(tǒng)對作戰(zhàn)任務形成一致的理解，是需求適配性分析的重要前提。

1.1 作戰(zhàn)任務的規(guī)范化描述

作戰(zhàn)任務的描述是傳統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)進行輔助決策、行動監(jiān)控的基礎，更是構(gòu)建面向任務的指揮控制系統(tǒng)、提取系統(tǒng)能力需求的前提。指揮控制系統(tǒng)對作戰(zhàn)任務認知的基礎是建立特定戰(zhàn)場的概念模型，但面對復雜多變的戰(zhàn)場活動，目前對作戰(zhàn)任務的描述仍存在概念認識不準確、描述模型不健全、表達方式不一致等問題。因此，從規(guī)范化建模入手，綜合考慮作戰(zhàn)任務的應用場景、屬性要素、關(guān)聯(lián)關(guān)系等建立統(tǒng)一且規(guī)范的描述方式。

以陸戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)級聯(lián)合作戰(zhàn)為特定應用場景建立作戰(zhàn)任務描述的概念模型。概念模型是對抽象的概念類，或現(xiàn)實世界中對象的可視化表示。又稱領域模型、領域?qū)ο竽Ｐ汀⒎治鰧ο竽Ｐ汀８拍钅Ｐ褪轻槍﹃憫?zhàn)場聯(lián)合作戰(zhàn)背景下的作戰(zhàn)使命和任務執(zhí)行過程的具體情況等關(guān)鍵信息而建立的。概念模型應以特定作戰(zhàn)單元為主體，反應陸戰(zhàn)場聯(lián)合作戰(zhàn)這個特定空間，和時間約束下所要達成的作戰(zhàn)目的或擔負的責任。為了支持作戰(zhàn)任務的逐層分解，最終的作戰(zhàn)任務描述表現(xiàn)為一系列相關(guān)聯(lián)作戰(zhàn)行動的有序集合。基本作戰(zhàn)任務要素如下：

1）實體：可定義為完成作戰(zhàn)任務的主體、作用對象、環(huán)境因素和輔助實施單位等。例如，我部隊、敵部隊、友鄰部隊、打擊目標等。

2）目的：通常是完成情況和預期狀態(tài)的一種函數(shù)關(guān)系判斷。

3）行動：由任務分解而來。可區(qū)分為一般行動和元行動，其中元行動是一定條件下不可分或不必要再分的基本戰(zhàn)斗行為，是作戰(zhàn)任務抽象出來最基本、最底層的要素。

4）關(guān)系：主要包含總的作戰(zhàn)任務與行動間的關(guān)系，一般行動與元行動之間的關(guān)系等。

5）不確定性：主要是指在作戰(zhàn)中的不確定因素。例如，作戰(zhàn)過程中態(tài)勢、氣象、突發(fā)情況等不確定要素。

依據(jù)作戰(zhàn)任務屬性，可用一個九元組規(guī)范化描述：

Task=＜Name，Role，Target，Opration，Relationship，Time，Surrongdings，Rule，Uncertainty>

其中，各參數(shù)分別表示為：作戰(zhàn)任務=＜任務名稱，角色，指標，作戰(zhàn)行動，關(guān)系，時間，環(huán)境，軍事規(guī)則，不確定性>。

各任務屬性規(guī)范化描述如下頁表1 所示。

表1 作戰(zhàn)任務屬性表

由上可知，作戰(zhàn)任務描述的九元組基本包含了作戰(zhàn)任務的相關(guān)要素，由此，任意一個作戰(zhàn)任務都可以通過這樣的形式進行描述。考慮到實際應用情況，上述九元組的要素存在可缺失的情況，在實現(xiàn)過程中可根據(jù)實際情況按需分類。

1.2 作戰(zhàn)任務分解

通過建立作戰(zhàn)任務的概念模型，初步實現(xiàn)了對抽象而復雜的作戰(zhàn)任務的規(guī)范化表達，但頂層的作戰(zhàn)任務往往是宏觀而內(nèi)涵豐富的意圖描述，要實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)對作戰(zhàn)任務的可理解、可執(zhí)行，需要對頂層作戰(zhàn)任務或總?cè)蝿者M行逐層分解，直至不能再被分解。總?cè)蝿胀ǔＪ怯陕?lián)合指揮機構(gòu)或戰(zhàn)術(shù)指揮中心首長定下的作戰(zhàn)決心，是對總的作戰(zhàn)意圖的概括性表達。通過按作戰(zhàn)要素、作戰(zhàn)行動規(guī)則等內(nèi)在邏輯關(guān)系，可將總?cè)蝿辗纸鉃槎鄠€子任務，子任務逐層分解直到不能再分解而形成元任務，元任務是作戰(zhàn)任務分解的末端，是可以由特定作戰(zhàn)單元執(zhí)行的最小任務單位。作戰(zhàn)任務分解越精細，信息系統(tǒng)可對作戰(zhàn)任務實施有效控制的能力就越強，構(gòu)建面向任務的指控系統(tǒng)所體現(xiàn)的能力需求適配性也就越高。

作戰(zhàn)任務分解過程由若干層級和不同作戰(zhàn)節(jié)點的子任務、元任務組成，是一種嚴格的遞階分解關(guān)系［4］，如圖1 所示。

圖1 作戰(zhàn)任務分解圖

設作戰(zhàn)總?cè)蝿諡門，第i 個子任務記為Ti，該子任務的第j 個元任務記為Tj，則作戰(zhàn)任務空間TS可表示為：

式中，Ψ：Tij→TS為底層任務向上的遞階聚合函數(shù)，m為子任務數(shù)量，n 為第i 個子任務可分解的元任務數(shù)量。

一般而言，作戰(zhàn)任務空間TS 呈樹狀結(jié)構(gòu)，按照“總?cè)蝿铡尤蝿铡蝿铡钡倪壿嬳樞蛑鸺壖毣纸猓嗉壒?jié)點共同組成任務樹。

作戰(zhàn)元任務是構(gòu)成任務空間的基本單元，根據(jù)目的要求及主導信息類型的不同，元任務Tij通常可分為情報類任務TI-ij、指控類任務TC-ij、交戰(zhàn)類任務TF-ij，其中，Tij=TI-ij∪TC-ij∪TF-ij。

以信息流程為主線，根據(jù)元任務、作戰(zhàn)節(jié)點之間的信息交互關(guān)系，形成作戰(zhàn)任務的分解流程如圖2 所示。

圖2 作戰(zhàn)任務分解流程

步驟1：收集情報信息、敵我力量對比、環(huán)境因素等，綜合研判戰(zhàn)場態(tài)勢，定下作戰(zhàn)決心。

步驟2：明確總?cè)蝿詹澇鲎鲬?zhàn)階段。

步驟3：將總?cè)蝿罩鸺壏纸猓勺尤蝿占喜⒋_定子任務內(nèi)容。

步驟4：根據(jù)作戰(zhàn)編成，將子任務依次逐層分解，生成特定作戰(zhàn)單元可明確執(zhí)行的元任務集合并確定其目的、方法、時機等。

步驟5：依據(jù)總體任務、子任務、元任務的逐層分解情況，確定層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系，生成任務清單，最終形成作戰(zhàn)任務空間。

1.3 模型規(guī)范性自檢查方法

建立作戰(zhàn)任務模型后，為了保證對相應概念描述的一致性表達和準確理解，需完成對模型語義表達的規(guī)范性檢查、模型要素的完整性檢查，以及模型的一致性檢查。

模型語義的規(guī)范性在UML 語言表達規(guī)范性基礎上，結(jié)合標準作戰(zhàn)任務和軍事規(guī)則與戰(zhàn)場經(jīng)驗等數(shù)據(jù)，建立完備的元素集（事物、關(guān)系和可擴展性），形成專用的模型規(guī)范性檢查模塊。模型完備性檢查模塊是在UML 語義基礎上，結(jié)合作戰(zhàn)任務描述要素，定義作戰(zhàn)任務圖形模型的完備性準則，以保證圖形模型的完備性。模型數(shù)據(jù)一致性檢查，主要有4個方面：功能一致性、結(jié)構(gòu)一致性、行為一致性、標識一致性。

2 任務需求綜合分析

要實現(xiàn)作戰(zhàn)任務需求與系統(tǒng)能力適配性之間的映射關(guān)系，除對作戰(zhàn)任務的規(guī)范化描述方法進行研究外，還需要對面向任務的指揮控制系統(tǒng)本身的能力特性進行建模，由于面向任務的指揮控制系統(tǒng)尚未形成標準的體系架構(gòu)和明確的特性能力要素，因此，本文選取一種基于資源服務化架構(gòu)的面向任務的指控系統(tǒng)進行描述，并闡述其能力特征與作戰(zhàn)任務需求之間的關(guān)系。

2.1 面向任務的指揮控制系統(tǒng)能力模型

傳統(tǒng)軍用指揮控制系統(tǒng)通常具備通信組網(wǎng)與網(wǎng)絡管理能力、定位跟蹤能力、信息安全防護能力，以及態(tài)勢感知、指揮決策、行動控制、綜合保障等指揮業(yè)務能力，可為特定級別用戶提供作戰(zhàn)指揮控制功能。新一代網(wǎng)絡信息體系下面向任務的指揮控制系統(tǒng)以作戰(zhàn)任務為牽引，彈性構(gòu)建、靈活重組。除了具備傳統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)的上述能力外，以計算存儲、通信網(wǎng)絡等系統(tǒng)資源虛擬化為基礎，還具備系統(tǒng)資源調(diào)度和管理的能力，使用UML 建模工具［5-6］，建立面向任務的指揮控制系統(tǒng)能力模型，如圖3 所示。

圖3 面向任務的指控系統(tǒng)能力模型

資源調(diào)度能力是面向任務的指揮控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)面向任務靈活構(gòu)建的基礎，也是區(qū)別于傳統(tǒng)指揮控制系統(tǒng)的重要特征。新一代網(wǎng)絡信息體系下的指揮控制系統(tǒng)適應靈活構(gòu)建要求，采用資源、服務、應用3 層架構(gòu)，以資源虛擬化為前提，將系統(tǒng)自身資源甚至是作戰(zhàn)資源全部用數(shù)據(jù)的方式進行表達和量化。通過建立一套完整的資源管理、資源監(jiān)控和資源調(diào)度機制來實現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)動態(tài)的配置［7-8］，如圖4 所示。

圖4 面向任務的指控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

2.2 作戰(zhàn)任務與系統(tǒng)能力需求的映射關(guān)系

通過對典型作戰(zhàn)任務的規(guī)范化表達，總體作戰(zhàn)任務被分解為若干元任務，其概念通過一個九元組得到表達。面向作戰(zhàn)任務的指揮控制系統(tǒng)能力模型，通過概念模型表示為包含指揮控制業(yè)務能力、通信組網(wǎng)和網(wǎng)絡管理、信息安全防護能力、定位跟蹤能力以及資源調(diào)度能力等。作戰(zhàn)裝備能力是作戰(zhàn)任務達成的重要基礎，與指戰(zhàn)人員的指揮藝術(shù)與訓練水平、人員士氣等因素共同構(gòu)成作戰(zhàn)能力［9］。按類型分，作戰(zhàn)裝備包括指揮控制系統(tǒng)裝備、偵察裝備、火力打擊裝備、信息對抗裝備、綜合保障裝備等，它們從偵察預警、火力打擊、信息對抗、綜合保障等因素，對作戰(zhàn)任務的達成產(chǎn)生影響。因此，假定在偵察情報收集充分準確，火力打擊效能發(fā)揮與任務要求一致，敵方電磁干擾得到完全壓制，彈藥、油料等后裝保障滿足作戰(zhàn)需求的前提下，對面向任務的指揮控制系統(tǒng)能力與作戰(zhàn)任務需求之間的匹配關(guān)系進行研究，如圖5 所示。

圖5 作戰(zhàn)任務與面向任務的指揮控制系統(tǒng)能力關(guān)系模型

受作戰(zhàn)行動、軍事規(guī)則、環(huán)境、角色、指標等作戰(zhàn)任務屬性的影響，復雜的作戰(zhàn)任務經(jīng)過分解后形成元任務的集合，指揮控制系統(tǒng)能力參數(shù)與作戰(zhàn)元任務映射關(guān)系可由映射矩陣表達。

以偵察引導任務為例，列舉分解后的元任務OMi 與指揮控制系統(tǒng)能力參數(shù)間的矩陣關(guān)系。如元任務與對應指揮控制能力參數(shù)有直接關(guān)系，則為1；如無關(guān)或影響較小，則為0。每個能力參數(shù)均具有相應的內(nèi)涵、度量方法及量綱。

3 任務需求分析結(jié)果評價方法

3.1 系統(tǒng)能力特征評價

元任務與指揮控制系統(tǒng)能力參數(shù)的關(guān)系矩陣確定后，為了實現(xiàn)以資源負載衡量各能力需求表現(xiàn)的方法，需要選取易于采集和量化的資源參數(shù)進行評價。為方便研究，選取計算機CPU、內(nèi)存值資源使用率和信道占用率作為評價參數(shù)，且參數(shù)值與負載正線性相關(guān)［10］。同時，為了從功能上對元任務匹配性進行分析，根據(jù)軍事規(guī)則制定作戰(zhàn)元任務與指揮控制業(yè)務功能相關(guān)數(shù)據(jù)表方便對應評價。

表2 系統(tǒng)能力與元任務映射關(guān)系表

在此基礎上，建立資源評價參數(shù)與指揮控制系統(tǒng)能力評價參數(shù)關(guān)系矩陣。對應構(gòu)建5×4 的系數(shù)矩陣，具體關(guān)系如下：

系數(shù)矩陣是4 種系統(tǒng)描述項在具體作戰(zhàn)任務下指揮控制系統(tǒng)能力參數(shù)，與面向任務的指揮控制系統(tǒng)的資源使用率建立聯(lián)系的橋梁，對于需求分析至關(guān)重要。系數(shù)矩陣中每個元素的值通過分析完成作戰(zhàn)元任務時相應資源使用率得到。例如：指揮節(jié)點間按照收發(fā)報文的大小和當前通信帶寬資源計算得到通信網(wǎng)絡資源使用率，在此基礎上分析業(yè)務服務接口關(guān)系是否合理；根據(jù)任務重構(gòu)指揮控制系統(tǒng)時，首先需要對地址、信道、用頻等通信網(wǎng)絡資源進行調(diào)配和管理，此時，監(jiān)控獲取網(wǎng)絡規(guī)劃所消耗的計算資源和網(wǎng)絡開通所需要的時間對任務需求滿足度進行評估；分解作戰(zhàn)任務后，評價態(tài)勢處理與共享、指揮決策與計劃、力量控制、作戰(zhàn)評估等業(yè)務需求對應的業(yè)務服務資源是否得到匹配，實現(xiàn)指揮控制業(yè)務功能的評價。

4 任務綜合分析實例

選取“偵察引導行動”作為作戰(zhàn)任務輸入。首先，根據(jù)偵察引導類任務與指揮控制系統(tǒng)能力映射關(guān)系矩陣，確定有相應元任務及資源參數(shù)，由專家知識庫方法確定指揮控制業(yè)務能力、通信組網(wǎng)和網(wǎng)絡管理、信息安全防護能力、定位跟蹤能力，以及資源調(diào)度能力的特征參數(shù)值。根據(jù)各系統(tǒng)描述指標的資源需求，資源評價參數(shù)與指揮控制系統(tǒng)能力評價參數(shù)關(guān)系矩陣如下：

采集面向任務指控系統(tǒng)的計算機CPU 資源、內(nèi)存資源、信道資源、業(yè)務功能資源的使用情況百分比數(shù)據(jù)，結(jié)果為：

經(jīng)過參數(shù)矩陣計算后，得到綜合評價結(jié)果：

經(jīng)過計算面向偵察引導任務的指控系統(tǒng)需求適配值為8.971。

5 結(jié)論

本文針對面向任務的指揮控制系統(tǒng)能力適配作戰(zhàn)任務需求的問題，以作戰(zhàn)任務規(guī)范化描述為前提，給出一種基于能力需求映射的綜合評價方法，實例分析結(jié)果表明，該方法能夠為面向任務的指揮控制系統(tǒng)的構(gòu)建和需求適配性評價提供參考。