基于云原生的開放式指揮控制平臺構建技術

樊良優，姚小強，王 剛，劉 偉，何 晟

(1.空軍工程大學 研究生院，西安 710051； 2.空軍工程大學 防空反導學院，西安 710051；3.中國人民解放軍63768部隊，西安 710051)

0 引 言

博伊德環(Boyd’s Loop，OODA)理論表明，無論采用多么先進的傳感器，戰場迷霧都不可能完全消除。由于對抗的存在，作戰更是在各種不確定的環境下進行最優判斷和決策的過程。因此，如何優化判斷模型成為重中之重。隨著作戰理念、 戰術戰法、 武器系統的持續更新，傳統固定流程指揮控制系統無法適應變化，指揮員不得不耗費巨大的精力應對復雜局面，從而造成決策效率低下。當需要集火射擊等復雜精準控制時，靠人工實施效果不佳。實際中，面對同等復雜度的戰場環境，指揮員的經驗對作戰成敗產生了巨大的影響。因此，如何有效架起指揮員和系統執行之間的橋梁，實現針對不同場景指揮員意圖的靈活表達，并使其可以被系統識別和執行，成為指揮控制系統亟待解決的問題。

李德毅院士提出的知識模型和情境數據雙驅動的“OODA環”理論，指明指揮員意圖和系統的緊密協同是指揮控制系統的重要發展方向，但并未給出具體解決方案。隨著微服務技術的發展，特別是云原生技術的成熟，構建靈活、 開放、 流程可定制的業務系統，已在互聯網領域取得了巨大的成功。本文正是將OODA作戰理論和云原生技術相結合，實現了指揮員意圖的靈活表達和被系統執行。此模式下，參謀人員可在戰前錄入作戰策略集，戰中指揮控制系統自動依據態勢信息匹配策略執行條件，并由指揮員確認后自動執行策略。這樣，指揮控制系統實質上充當了“智能參謀”的角色。當面對復雜戰場環境時，指揮員僅需完成“選擇題”，無需做“綜述題”，從而達到解放指揮員的目的。同時，經過實踐檢驗的處理策略，可以在同類系統間靈活流轉，保證“判斷”模型的持續更新。另外，系統本身提供的基礎服務不足時，技術人員可依托云原生平臺的彈性，實現服務的快速擴展。基于云原生技術的指揮控制系統從使用和技術兩個維度實現了平臺的開放性。

1 開放式指揮控制設計

1.1 開放式指揮控制設計原理

開放式指揮控制系統的設計原理如圖1所示。指揮員在戰前首先對作戰方案進行構想，對不同作戰場景下的作戰策略進行設計； 然后，通過業務流程建模語言對作戰策略進行編排，確保作戰策略能夠以流程化的語言輸入指揮控制平臺； 最后，針對實際作戰場景匹配作戰策略，并通過開放式指揮控制平臺來執行策略。而開發人員則需要對平臺進行開發和測試，基于云原生理論構建微服務化的指揮控制平臺架構，能夠保證服務間松耦合并且獨立部署和運行，為指揮員策略執行提供原子服務調用。同時，開發人員還需要開發一站式的部署、 交付和運維系統，實現原子服務的快速靈活擴展，并保障開放式指揮控制平臺能夠穩定運行和升級維護。

圖1 開放式指揮控制設計原理圖

基于云原生理論設計的開放式指揮控制平臺具備以下特點：

(1) 準確表達指揮員作戰意圖

指揮員每次作戰意圖表達都是對OODA環的執行過程，OODA環各部分是對指揮員作戰思路的充分體現。構建開放式指揮控制平臺能夠實現對指揮員意圖的靈活表達，能夠將意圖準確映射到指揮控制平臺，實現意圖的流轉和被執行。

(2) 指揮員意圖流程化

指揮員作戰意圖能夠被映射為指揮控制系統識別和處理的語言或流程，是指揮員作戰意圖進入系統的關鍵環節。構建開放式指揮控制平臺能夠以腳本或者圖形化方式提供戰術戰法的規則化輸入支持，構建戰法庫，從而將指揮員意圖以流程化的語言輸入指揮控制系統，系統執行相應流程實現作戰意圖全流程流轉和表達，同時還能夠支持對多意圖的并行執行和多策略解沖突。

(3) 按需快速實現服務擴容

開放式指揮控制平臺要求能夠對意圖以流程化的形式進行編輯，需要對服務進行靈活調用，對其功能模塊按照細粒度進行服務劃分。其架構必定是微服務化的，且能夠對構成意圖的原子服務實現靈活擴充，需要借助云原生技術構建開放式指揮控制平臺。

(4) 保證服務穩定可靠運行

微服務化的指揮控制平臺能夠實現靈活擴展、 便捷開發、 服務獨立無依賴，但服務化的架構也帶來運維難度的提升、 服務成本增加等問題。為滿足業務需求頻繁變動和系統快速迭代，需要搭建高可用、 高性能、 高并發的一站式開發、 部署和運維系統，以確保系統快速部署、 可靠升級、 穩定運行。

1.2 基于OODA環的意圖表達方法

OODA環理論是一種處理不確定性的方法和贏得沖突的策略，能夠幫助飛行員在瞬息萬變的空戰環境中迅速做出決策，從而贏得戰場主動權。戰場環境中充斥著各種不確定因素，而且指揮員精確觀察環境的能力有限，依賴過時的思維模式來應對不斷變化的環境時，得出的結果往往不盡人意。指揮員只有根據不斷變化的環境信息，借助開放的思維模式及時調整作戰意圖，才能從復雜的對戰中脫穎而出。

判斷是OODA環的關鍵環節，通常受到文化傳統、 基因遺傳、 前期經驗等因素的影響。為進行準確而有效的判斷，指揮員首先需要建立判斷模型庫，將各領域的多種模型包含進去； 然后將觀察得到的碎片化信息通過重新組合與判斷模型庫進行匹配，找出與之適應的判斷模型。但由于信息和判斷模型之間無法完美匹配，指揮員還需要根據判斷做出決策，并在行動中檢驗決策的正確性。

因此，在任何戰場環境下，指揮員每次作戰意圖的表達都可以體現在OODA的循環過程上。以飛行員駕駛戰機為例，其OODA環示意圖如圖2所示。通常飛行員在戰前預先制定判斷模型，飛行途中存在沒有出現飛機、 突然出現飛機以及敵機突然發射導彈等情況，飛行員會進入相應的判斷環節來對當前環境進行判斷。如當空中突然出現飛機時，飛行員此時的心理活動可能為是否是敵機、 我機是否被發現、 是否對我機構成威脅以及飛機來襲意圖等，需要對其進行判斷。在作戰中，飛行員時刻對空域環境做出觀察，當出現不同空情時，根據模型匹配結果做出不同的判斷并付諸行動。戰后飛行員根據行動結果對判斷模型庫進行調整與更新，從而實現作戰經驗的積累。通過OODA循環的快速迭代實現作戰理念和模型的持續更新，實時性表達指揮員的作戰意圖和思考過程。

圖2 OODA環示意圖

通常單次執行OODA環并不能得出期望結果，需要指揮員在下一輪循環中對戰場環境重新進行觀察和判斷。通過反饋機制，指揮員及時對判斷模型進行調整和更新，以適應不斷變化的外部環境。本文通過對OODA循環的觀察、 判斷和部分行動環節進行流程化描述的方法，對指揮員意圖進行靈活表達，提高OODA循環的執行速度和決策效率，從而比對手更快地、 連續地完成OODA循環，來“重置”對手的OODA循環，進而在復雜的作戰環境中贏得主動。

1.3 基于BPMN的意圖映射執行方法

本文基于業務流程模型注解(Business Process Modeling Notation，BPMN)的工作流模型，將指揮員的作戰思路轉化為系統可以理解的語言和符號，將OODA的意圖表達方法映射到可以被系統執行的流程或腳本。

BPMN是用一組描述業務流程中發生的各種事件的符號，通過在這些符號之間連線來描述一個完整的業務流程。BPMN2.0提供的建模元素及符號主要包括流對象、 連接對象、 泳道和人工信息四類。

BPMN流程圖能夠將OODA意圖表達模型映射到流程流轉上來，可以實現指揮員作戰意圖通過BPMN被執行。BPMN建模按照細粒度將任務流程分解成多個不同層次任務，將任務分解為多個子任務，直到最后不能夠被分解，也可以對不同子任務進行組合。開始事件通常被映射為OODA環中的觀察環節，用來實現對BPMN流程的觸發。流程可以通過網關并行運行多個任務，被映射為判斷環節； 還可以由排他網關對流程流向進行選擇，映射為決策環節，其決策規則可以按照策略優先級執行或者由人工進行決策。結束事件通常被映射為行動環節。整個OODA環則可以被映射為一個循環事件，用來實現對OODA的循環執行。BPMN中的子流程可以表示為OODA環中的內環，這樣循環流程和子流程結合便可以表示為嵌套的OODA環。其中，BPMN中的消息發送和接收事件可以被映射為向下級發送指令或向上級征求意見。用戶任務被映射為指揮員對判斷進行決策，手工任務被映射為人為參與的一些環節。通過池與道還可以實現不同作戰單位共同參與流程的執行。OODA環中對意圖進行表達的各個環節，在BPMN中均能找到相對應的流程符號來實現其功能。

按照細粒度劃分對作戰流程進行BPMN建模，流程圖如圖3所示，在流程中，每一個任務被拆分成多個細小的子任務，每一個子任務或者組合任務就是一個微服務，都會調用其相關的原子服務或者組合服務，來實現流程的流轉。開放式指揮控制平臺能根據需要及時對原子服務進行補充，并且保證能夠為流程流轉持續穩定地提供服務。

BPMN工作流程能夠輔助指揮員在信息處理過程中迅速、 精準地做出決策建議。開放式指揮控制平臺可以將戰術戰法按照BPMN流程的規則模式進行存儲，利用作戰指揮數據庫信息豐富的優勢擴充BPMN流程庫，也支持對流程庫存儲的戰術戰法進行讀取以用于輔助決策。

圖3 嵌套BPMN流程示意圖

1.4 開放式指揮控制平臺設計

隨著業務流程的不斷復雜化，流程流轉需要調用的服務也在動態變化。為了實現對原子服務進行擴充，保證能夠為流程流轉持續穩定地提供服務，需搭建基于云原生理論的基礎框架供BPMN流程流轉運行。云原生應用通常有微服務架構、 敏捷基礎設施、 公共基礎服務三個要素。

(1) 微服務架構

為解決單體應用耦合性強、 部署效率低、 系統開發維護困難等問題，對平臺進行微服務改造。開發一個包含通用功能的微服務基礎框架，依據細粒度來對服務進行劃分，并支持二次開發和復用，為后續擴展多個微服務應用提供基礎能力； 同時，還包含注冊中心和配置中心、 認證中心、 網關服務、 服務調用等基礎模塊。

(2) 敏捷基礎設施

為使部署簡單快速，基礎設施按需伸縮、 彈性擴展，需要利用Docker技術實現容器自動化部署。Docker技術的可移植性、 迅速啟動、 隔離特性等特點，有利于降低應用開發的復雜度，提升應用研發的效率。通過Kubernetes實現服務滾動升級和彈性擴縮容功能，支持應用和服務的滾動升級、 版本回滾和擴縮容，允許服務在鏡像更新時自動升級，支持多實例的滾動升級，能夠通過手動和自動的策略實現容器實例的擴縮容。

(3) 公共基礎服務

為使平臺安全穩定運行，需要基于平臺化的思想，提供一系列公共的、 無關于業務的通用服務，包括服務監控、 鏈路跟蹤、 系統監控、 日志采集等模塊。

開放式指揮控制平臺構建總體方案如圖4所示。本文通過搭建基礎資源池容器云平臺，借助基于Kubernetes管理的通用底層容器的基礎運行環境，包括容器集群、 容器網絡等基礎環境，提供通用微服務運行調度框架，實現對服務發現、 負載均衡、 故障恢復、 度量和監控的通用能力。同時，構建服務運行所需的通用中間件能力和基礎服務能力。通過服務管理平臺構建底層運行調度通用能力、 服務運行需要的中間件和基礎服務通用能力，形成統一、 穩定、 高性能的基礎運行環境和基礎服務。借助開源集群管理系統Kubernetes實現服務的彈性伸縮，指揮控制平臺可以根據需要靈活對原子服務進行擴縮容，實現系統的靈活擴展和動態伸縮。這樣，從用戶層面，指揮員可在戰前基于系統已有的原子服務，通過BPMN工具靈活構建多種并行執行的決策流程； 從系統層面，當基礎原子服務不夠時，技術人員可以快速實現原子服務的擴展。

圖4 基于云原生技術開放式指揮控制平臺架構圖

1.5 平臺部署和運維

為使指揮控制平臺有較快的更新和部署速度，以快速實現系統更新升級，應使用自動化的持續集成和部署工具，實現自動化編譯、 自動化測試、 自動化發布。平臺部署運維架構如圖5所示。

圖5 部署運維架構圖

實現自動化部署系統需要利用Kubernetes完成容器部署、 目標維護、 自動化擴縮容、 滾動升級等編排工作。通過微服務系統的抽象，提供功能的復用性和上下游依賴的解耦合； 利用BPMN流程編排系統，提供靈活且圖形化的流程開發模式； 利用Jenkins自動化流程工具，完成編譯、 自動化測試和打包的流程定義； 利用虛擬網絡技術完成容器間的網絡通信管理。對于網格式的微服務，因為代理模式的網絡通信組件的服務邏輯只需要實現本地的Socket通信即可完成復雜網絡拓撲的通信，在編寫程序時并不需要引用任何網絡組件庫，也就沒有語言的限制。

2 案例驗證

為驗證指揮員編輯的策略能否被系統成功執行以及開放式指揮控制平臺是否具備靈活的二次搭建能力，設計以下集火射擊流程案例。

地空導彈進行集火射擊通常是指集中兩個或多個火力單元在大致相同的時間內對同一批目標進行射擊的方法。射擊方式分為同時發射、 同時遭遇、 不同時發射或遭遇三種情況。本文選取同時遭遇情形對集火射擊進行分析。結合集火射擊的特點，首先，依據OODA環理論構建集火射擊模型。然后，將模型映射為可視化強、 便于執行的BPMN流程。接著，BPMN流程利用指揮控制平臺來實現對服務的調用和執行，并將流程存儲至數據庫，為實現指揮員戰術戰法的靈活編輯提供支撐。最后，根據執行效果反饋調整集火射擊模型和BPMN流程。集火射擊流程一體化建模示意圖如圖6所示。

圖6 集火射擊流程一體化建模示意圖

作戰場景想定為： 紅方的保衛要地為機場和指揮所，并對其設置不同的保衛等級； 藍方分別用巡航導彈、 戰斗機、 無人機和轟炸機對紅方保衛要地進行攻擊。紅方的多個遠程和近程防空營負責對要地進行保衛并對藍方來襲目標進行攔截。在作戰過程中，指揮控制平臺首先輸入仿真態勢信息至BPMN流程，并對其進行態勢融合處理。然后，通過加權方式計算來襲目標的綜合威脅度。當威脅度大于某個值時，執行下一步流程。接著，對攻擊關系進行判斷并計算射擊諸元。當指揮員在規定時限內確認攻擊指令后，相應的導彈不能被用于新的攻擊指令，正在執行攔截指令的紅方單位需要等待當前攔截結束后才可以執行下一次攔截。最后，根據是否有足夠時間執行下一次發射來判定使用普通射擊還是集火射擊。如果普通射擊時間不足，集火射擊能夠滿足條件的情況下，使用集火射擊來保證攔截概率； 如果不能集火射擊，繼續使用命中率最高的導彈來進行射擊。

根據選取的射擊策略，發送射擊建議指令(包含防空營、 導彈類型、 指揮員決策時間、 導彈發射時間)并展示在界面，指揮員確認后在相應時間發射導彈，指揮員不做確認則不執行發射。如果策略有沖突，指揮員只選擇需要執行的策略。

流程圖中每個任務為一個原子服務，或是由多個原子服務通過某些規則構成組合服務，通過對屬性進行設置可以將流程任務與原子(組合)服務之間進行關聯。而使用Camunda(一種工作流引擎)可以將BPMN文件部署為可執行流程，當BPMN文件需要進行修改，只需再次部署即可。同時，Camunda還支持對多張BPMN流程圖異步進行部署和運行。當面對復雜的任務場景時，可以對復雜任務場景進行拆分，構建多張BPMN流程圖來進行部署和運行，控制各流程開始觸發的時間，從而實現復雜任務場景下的作戰流程建模。BPMN流程執行圖如圖7所示。

圖7 BPMN流程執行界面

從Camunda的監控頁面可以查看流程調用的相關原子服務和流程流轉的進度。當流程全部運轉完畢，指揮控制平臺向指揮員推送攔截策略供其進行選擇，還支持將作戰策略以流程圖的形式存儲至流程庫供后續流程建模調用。對于流程庫中沒有的服務則需進行補充，對于流程庫已有的任務模塊(原子服務)，在建模過程中可以直接對其進行調用，進而提高了流程建模效率。

指揮員確認界面如圖8所示。當流程需要對射擊策略選擇時，系統向指揮員推送相關策略供其進行決策，指揮員確定攻擊指令，并將指令傳至火力單元執行。

圖8 指揮員確定界面

紅藍雙方就想定作戰場景進行仿真推演，得出多次推演統計結果如表1所示。

表1 仿真推演戰況統計

紅方采用集火射擊的方式在導彈命中概率和作戰效率上比采取普通射擊方式更具優勢，能夠提高對要地的保護能力。在導彈發射間隔時間上，流程控制比人為控制效率更高，能夠提高控制精準度。采用流程控制的射擊策略能夠提高決策效率，減輕指揮員負擔。但該案例也存在著一定不足，如沒有考慮干擾等實際情況的影響，而且特定流程需要經過實際驗證才能在系統間復制。集火射擊案例證明, 指揮員編輯的策略能夠通過開放式指揮控制平臺被執行，且可以靈活實現二次搭建。

3 結 論

基于云原生的開放式指揮控制平臺可以實現快速靈活的系統擴展、 作戰流程及戰術戰法的靈活編輯、 指揮員作戰意圖與指揮控制系統的深度交互，為指揮控制系統由封閉走向開放，最后走向智能提供了思路。在可預見的未來，智能化指揮控制必將在人的監督下實現可控智能。智能化指揮控制的研究成果可與本文打造的開放式指揮控制架構相結合，作為作戰策略的服務嵌入執行流程，從而實現指揮控制系統由封閉走向開放，再到智能。