全域作戰指揮信息系統總體架構及核心支柱

吉 祥 蔣 鍇 成海東

全域作戰是未來戰爭的基本形態,作戰空間由傳統的陸、海、空物理空間向太空、網絡、電磁等新型空間拓展,通過多域空間無縫對接與深度協同,可彌補單領域作戰劣勢,催生作戰合力,推動效能倍增.全域作戰下,由于作戰空間及所依賴的武器平臺不同,導致不同領域作戰速度、作戰節奏、攻擊方式和效用機理存在明顯差異,為跨域力量融合運用帶來挑戰.全域作戰指揮信息系統運用泛在互聯、人工智能、大數據分析等新技術,構建彈性適變、韌性抗毀的信息傳輸、處理、分發和應用網絡,實現以信息為媒介跨域集成多種力量,支撐在全域戰場快速感知、理解和行動.已有靜態架構、綜合集成式的指揮信息系統難以滿足全域作戰在動態演進、深度融合等方面的要求,打造新一代指揮信息系統、推動跨域指揮控制能力躍升已成為掌握戰爭主動權的前提.美軍也將聯合全域指揮控制（joint all domain command and control,JADC2）作為實現聯合全域作戰（joint all domain operation,JADO）的核心,支撐其建立全球軍事優勢.

圍繞指揮信息系統的跨代發展,本文從分析戰爭形態、指揮控制范式、技術推動的變化入手,提出全域作戰指揮信息系統基本要素、運行架構及關鍵能力；圍繞全域作戰指揮信息系統發展目標圖像落地,提出支撐全域作戰指揮信息系統能力形成的5 個核心支柱,即“開發、安全和運維一體DevSecOps”、人工智能、數字建模、試驗仿真和泛在網絡；針對具體支柱,初步提出技術措施或能力提升方向.

1 全域作戰概念與技術發展趨勢

1.1 戰爭新形態

經過平臺中心戰、網絡中心戰等階段發展,戰爭形態正由能量機動向信息機動轉變[1]、由軍種聯合向跨域聯合轉變,呈現出“無邊”“無人”“無形”的新特征.

1.1.1 作戰空間拓展致使戰場向“無邊”發展

戰爭形式由傳統軍事斗爭向輿論戰、外交戰、法理戰延伸,致使戰場概念無限擴大、戰爭邊界不再清晰、戰爭倫理受到侵蝕,并逐步發展為“混合戰爭”的形態.同時,超高速、臨近空間飛行器、電磁脈沖、網絡空間等新質武器的廣泛運用,帶來了時空同步、瞬間交戰、全域融合的作戰新模式,推動作戰空間向深空、深海以及電磁、網絡等空間發展.

1.1.2 自主裝備推動作戰體系向“無人”發展

自主裝備已經大量進入實戰運用.自主裝備可根據作戰需要隨時改變編隊規模和功能結構,并與人類有機協調、高效互補、快速聯動,形成人機混合的新型作戰體系,在大幅降低人員傷亡情況下拓展人類能力.由自主裝備參與形成的人機混合的作戰體系雖然沒有改變戰爭人與人對抗的本質,但是降低了對戰雙方的戰爭成本,尤其提高了技術優勢方的戰爭承受力,因此,無人戰爭將成為未來沖突的重要形式.

1.1.3 由信息域爭奪向“無形”認知域爭奪延伸

在戰場“無邊”“無人”的推動下,戰場不確定性持續增加、戰爭迷霧成為常態,未來戰場將呈現出前所未有的行動速度和難以捉摸的行動決心.此種情況下,參戰多方將信息域內的爭奪逐步延伸至認知域（orientation）,以機器速度對自身的跨域力量聚合解聚,將大幅增加敵方決策難度,為其制造決策困境,支撐已方占據認知優勢,并將其進一步擴大為決策優勢（decide）、行動優勢（act）.

1.2 指揮控制新范式

1.2.1 指揮控制模式：由中心化指揮控制向邊緣指揮控制轉變

中心化指揮控制模式基于過去的經驗和對未來的假設,通過設定組織體系的使命任務、建立最佳程序或過程、設置決策單元,以“指令”“意圖”“計劃”“方案”等形式,實現指揮或行政權威由“中心”向“邊緣”輻射[2].中心化指揮控制模式在軍事領域不可或缺,其在解決靜態問題時得心應手；而在全域作戰下,由于“中心”也缺少專業化的“域內”經驗或知識,難以建立最佳程序或過程.因此,中心化指揮控制模式已捉襟見肘,文獻[3]提出了邊緣指揮控制的新范式,通過下放控制權、行動和指揮控制角色動態互換等措施,對戰場不確定性進行有效管理,在邊緣實現自主發現任務、自主尋找資源、自主決定行動、自主調整改變和自主效果評估.

1.2.2 驅動方式：由干預物理空間向處理數據空間轉變

傳統指揮控制通過對物理空間內的作戰實體下達指令,實現物理空間的兵力、火力機動,建立“觀察-調整-決策-行動”（observation-orientation-decision-action,OODA）作戰閉環.而在全域作戰下,直接干預物理空間的方式已難以適應電磁、網絡、認知等無形戰場空間,也難以發揮信息的跨域機動效能.通過“收集-分析-識別-共享”的數據處理環路驅動全域空間OODA（observe,orient,decide,act）作戰環路運行,推動指揮控制驅動方式轉變,能夠在加速作戰環路運行的同時帶來輔助決策等能力增量.

1.2.3 物理形態：由中心型機構向分布式、虛擬化轉變

隨著邊緣指揮控制范式的深化,傳統中心型指揮機構承擔的作戰控制、行動協調等功能逐步向作戰平臺轉移,作戰平臺通過賦能與釋能,動態從行動單元快速轉換到指揮控制單元,實現對突發事件或戰場形勢的高效應對.另一方面,隨著人工智能的發展,戰場指揮決策也由指揮員主導向人機混合決策轉變[4],部分指揮控制功能可由智能體承擔,形成部署至各級指揮所及作戰平臺上的“虛擬助手”.

1.3 技術新推動

恩格斯說過,“一旦技術上的進步可以用于軍事目的并且已經用于軍事目的,它們便幾乎強制地,而且往往是違反指揮官的意志而引起作戰方式上的改變甚至變革”[5].在軍事競爭中,率先充分挖掘技術創新成果并加以軍事化應用的一方,將開啟新的競爭機制并搶占制高點.

1.3.1 系統架構向云原生發展

當前遺留系統應用架構在擴展性、適配性、彈性伸縮、資源調度、開發運維等方面與云計算架構的不匹配,無法完全發揮云計算的價值,因此,云原生的應用架構應運而生.云原生架構可用于構建彈性可靠、松耦合、易管理、可觀測的應用系統,提升交付效率,降低運維復雜度,代表技術包括容器（docker）、容器編排（kubernetes）、“開發運維一體（devops）”、微服務、服務網格（service mesh）等.

1.3.2 計算模式向“云邊”融合過渡

在云計算深入發展的基礎上,歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）、開放邊緣計算聯盟、思科等機構及廠商立足各自領域發展,分別從通信信息技術融合、移動計算虛擬化、物聯網應用等不同角度出發,提出移動邊緣計算（mobile edge computing,MEC）、移動云計算（molile cloud computing,MCC）、霧計算（fog computing,FC）等多種計算形式[6-7],通過將算力從云計算中心下沉到距離數據源或終端用戶更近的位置,形成介于云計算與終端計算的“云邊”模式,有效緩解了數據傳輸能力不足和時延敏感應用的問題,提升了邊緣的服務能力、計算能力.

1.3.3 人工智能應用更趨實用化

人工智能自誕生以來經歷多次浪潮,形成了符號主義、連接主義、行為主義等主要學術流派.近年來,以人工神經網絡為代表的連接主義流派在自然語言處理、圖像識別、智能博弈、自動駕駛等應用方面取得了相當程度的進展,催生出以海量數據為驅動的智能化系統,例如特斯拉自動駕駛依托“道場（Dojo）”超算中心算力對車輛運行環境、駕駛行為、交通規則等進行數字化建模,具備L2 級甚至更高的自動駕駛輔助能力.盡管存在實時性、可信性、魯棒性以及可解釋性等方面的不足,以人工神經網絡為核心的人工智能應用將越來越廣泛.

建立持久軍事優勢,需要結合作戰、技術因素開展融合創新,以形成顛覆性作戰能力.利用當前的作戰概念指導技術開發,將會使技術限制在昨日的軍事構想中；反之,單純的技術進步并不意味戰場上的所向披靡,在二戰期間,同樣對待坦克這一技術兵器,德國發展出“閃電戰”作戰樣式,而法國則沿用一戰時期的坦克協同步兵戰術,產生了大相徑庭的戰爭結果.

因此,需要從歷史視角看待智能化、大數據、泛在網絡等技術在軍事變革中的作用,通過觀念升維,推動包括全域作戰指揮信息系統在內的軍事變革向縱深發展.

2 全域作戰指揮信息系統總體架構

全域作戰指揮信息系統是典型的系統之系統（system of system,SoS）,由眾多具有共同目標、相互獨立、相互作用的要素組成.通過闡述基本要素、應用架構以及關鍵能力,描繪全域作戰指揮信息系統總體架構及系統發展目標圖像.

2.1 基本要素

圍繞指揮信息系統演進發展要求,借鑒最小可行產品（minimum viable product,MVP）理念[7],以服務化、網絡化、數字化、智能化為技術驅動,提出全域作戰指揮信息系統基本要素組成,如圖1 所示.

圖1 全域作戰指揮信息系統基本要素Fig.1 The basic elements of all-domain operation command system

主要包括5 類基本要素：1）戰場管理體系,由戰役戰場管理（battle management,BM）節點、戰術BM節點兩類組成,以探測、打擊、通信、兵力等戰場要素為核心資源,通過對任務、資源以及執行時序的合理分配,能夠形成以作戰目標達成為導向的新型指揮控制模式；2）軟件工廠,運行于各類系統裝備研制單位,能夠持續將新技術、新功能以作戰速度交付至終端作戰用戶,實現能力快速部署；3）仿真中心,主要部署“影子系統”,能夠單向接入戰場實時數據,開展平行仿真,以評估新技術、新裝備、新戰法的應用效果,為作戰指揮、裝備研制等提供建議；4）支援保障要素,由情報、通信、后勤、裝備等專業要素以及陸、海、空、網絡空間、軍事航天等軍兵種要素構成,為戰役BM、戰術BM 節點戰場管理體系以及仿真中心提供專業化信息支援保障；5）泛在網絡,能夠綜合運用各類通信網絡資源,實現戰場“人-機-物”要素的動態互聯.

2.2 應用架構

按照戰略、戰役、戰術層級對基本要素進行組織,形成人機融合、平行智能、虛實互動的全域作戰指揮信息系統應用架構,如圖2 所示.

圖2 全域作戰指揮信息系統應用架構Fig.2 The application architecture of all-domain operation command system

在戰術層級,由于作戰設計因素占據主導地位,通過運用智能算法提供環境自感知、資源自組織能力,能夠提供“人在環上”的掌控式決策能力,支撐“刺激-假設-選擇-響應（stimulus-hypothesis-optionresponse,SHOR）”的自組織和OODA 的其他組織指揮控制模式,實現事件式、任務式指揮控制[3]；在戰役層級,由于作戰藝術因素逐步增多,通過運用人工智能模型輔助指揮員開展態勢預測、精確決策、快速決策等活動,能夠提供“人在環內”的參與式決策能力,支撐“任務規劃-任務準備-任務執行-任務評估”（planning readiness execution assessment,PREA）的指揮控制模式,實現基于預案、布勢式指揮控制[9]；在戰略層級,作戰藝術占據主導,通過綜合社會、軍事、政治等各領域的海量數據,開展“人工社會、計算實驗與平行執行（artificial societies+computational experiments+parallel execution,ACP）”,構建“信息物理社會系統（cyber-physical-social systems,CPSS）”[10],能夠在更廣闊的時空維度上對戰爭進行預測,為戰役、戰術層級的環路構建及運行提供合理、有依據的指導.

2.3 關鍵能力

2.3.1 適變調整能力

全域作戰指揮信息系統應能夠適應復雜多變戰場環境,根據戰場態勢,靈活運用可用資源,以高效的自組織能力動態構建多殺傷鏈,實現“萬景適變”,即使作戰資源大面積損毀,仍能通過能力接替、降級使用等方式確保核心功能的有效運作.

2.3.2 跨域融合能力

全域作戰指揮信息系統應發揮體系“粘合劑”作用,屏蔽作戰領域差異,以信息為媒介高效整合跨域作戰力量,實現各域協同一致,支撐形成跨域體系合力.

2.3.3 平行仿真能力

全域作戰指揮信息系統需具備對全域軍事實體、流程、知識的數字化建模能力,并提供虛實結合的試驗仿真能力,為作戰指揮、系統建設、頂層設計等提供全面支撐.

2.3.4 演進發展能力

按照熱力學第二定律,任何系統如果停止接收外界的負熵,將會趨于“熱寂”.全域作戰指揮信息系統必須打造成開放系統,具備持續從外界環境中吸收新技術、新理念的能力,并提供增量式技術嵌入、功能快速升級能力,推動系統能力演進發展.

3 全域作戰指揮信息系統核心支柱

面向全域作戰指揮信息系統總體架構落地,在網絡化、服務化基礎上,結合新技術發展趨勢,重點強化DevSevOps、人工智能、數字建模、試驗仿真、泛在網絡的基本支撐作用,如圖3 所示.

圖3 全域作戰指揮信息系統發展核心支柱Fig.3 The core pillars of all-domain operation command system

其中,DevSecOps 將緊密捆綁工業部門和軍隊用戶,解決研制周期長、新技術吸收運用慢以及系統安全等方面的問題,推動指揮信息系統研建模式變革；人工智能將催生出“改變游戲規則”的顛覆性技術[11],在當前“軍事業務+AI”單點式應用的基礎上,推動形成“AI+軍事業務”的體系化應用格局,全面賦能戰場管理、仿真推演、能力供給、自主控制等；數字建模將從全新數據視角看待作戰指揮活動,以數據處理環路驅動甚至“代替”作戰環路,推動數字轉型；試驗仿真將從能力供給側與運用側入手,以大體系集成試驗加速作戰能力生成與成熟；泛在網絡將重點解決跨域集成條件的網絡資源運行問題,支撐各要素的跨域互聯.

3.1 DevSecOps：構建發展基石

從協作研發平臺、軟件產品供應鏈管理方面著手,引入DevSecOps 開發模式,實現持續部署、持續集成,并大幅提升安全防護能力.

3.1.1 建立以協作研發平臺為核心的軟件工廠

圍繞全域作戰指揮信息系統研制,整合工業部門的開發工具、開發流程、基礎類庫等開發資源,構建形成軟件工廠[12],實現開發流程、軟件產品的高度重用.軍地協作研發平臺以軟件工廠為核心,能夠緊密捆綁軍地雙方,提供需求快速獲取、產品協同研制、產品持續部署等能力.在需求獲取方面,通過反復與用戶確認,實現基于場景的需求開發,不斷逼近用戶的真實需要；在產品研制方面,將設計、開發、測試等業務活動標準化,拉通研發過程中涉及的軟件設計、代碼開發、配置管理等各類工具,提供持續集成、持續部署等覆蓋全過程的研制支撐；在產品運行方面,能夠實時采集系統運行狀態,提供功能在線更新“管道”,支持新功能快速交付與能力持續升級.

3.1.2 推進分層分類授權

對應用程序運行的云基礎設施、服務中間件、軟件開發測試工具以及開發運維團隊進行不同級別的授權,全程“內置”安全考慮因素,實現軟件供應鏈和開發過程安全可控,進而對總體安全風險進行管控,分層授權模型,如圖4 所示.

圖4 分層授權模型Fig.4 The model of layered authorization

授權中心設置于系統裝備管理機構,通過分發不同種類的授權,強化軟件供應鏈及開發過程管理,形成多層安全“沙箱”.其中,基礎設施授權主要針對計算、存儲等信息基礎設施,此層產品如存在安全漏洞將對整個信息系統體系產品重大影響,因此授權最為嚴格；平臺授權主要針對各類中間件產品,在管理機構授權下,具體的體系性項目可選擇適合自身的中間件產品；軟件工廠授權主要針對工業部門,對其開發測試工具和類庫、鏡像進行授權,確保在開發環節不引入安全漏洞；任務/項目授權針對系統服務或功能配置項,在云原生環境下一般是服務網格上的微服務.

美軍的DevSecOps 開發模式已初見成效,完成了多家軟件工廠建設,美空軍已在U-2、F-16 等一線作戰平臺上部署Kubernetes 和服務網格,并實現在飛行途中敏捷升級電子戰軟件[13].

3.2 人工智能：提供核心賦能

為提升人工智能對軍事應用的敏捷賦能作用,對不同“歸口”的人工智能應用項目進行統一管理.依托超算中心等算力支撐,構建形成跨部門、跨軍種的人工智能基礎設施,提供機器學習等原型設計、開發、測試和集成環境,支撐不同用戶開展個性化的模型開發、訓練工作,降低人工智能的運用難度,形成“基于全量數據訓練模型、模型大規模部署應用”的人工智能體系化運用模式,并通過DevSecOps 實現人工智能應用的快速交付和能力擴展.

美空軍在聯合通用基礎設施（joint common foundation,JCF）的支撐下,構建“空軍先進作戰管理系統（advanced battle management system,ABMS）”,提供基于人工智能的指揮控制以及快速的傳感器、系統和武器連接能力,2019 年至2021 年期間,美空軍已開展了多達5 次的ABMS 演示試驗,有力推動能力形成[14].

3.3 數字建模：推動業務轉型

利用數據對戰場不確定性進行數字管理,在數據處理的各個環節實現數據賦能,推動各級聯合作戰力量作出靈活且數據驅動的決策,牽引作戰業務流程建設和業務鏈改進提升.

3.3.1 以數據湖為核心構建數據資源體系

統合各類數據孤島,以原始格式收集存儲陸、海、空等各軍種以及情報、指揮控制、后勤、裝備等各專業數據,構建形成集中存儲、無限擴展式的數據湖,如圖5 所示.

圖5 基于數據湖的數據資源體系建設Fig.5 The construction of data resource system based on data lake

利用數據湖可開展人工智能的體系化運用,對采集存儲的全量數據進行標注、抽取、建模,形成物理空間的軍事實體、軍事活動、軍事知識在數據空間的合理映射,推動“元宇宙”等新概念落地.數據湖改變了傳統以應用為視角“倒推”數據資源需求的建設模式,形成以數據為基礎、以人工智能為手段的開放式運用模式,通過盡可能多的采集數據,形成不同用途的數字模型,滿足未預見的模型應用需求.

3.3.2 構建數字指揮控制模式

借鑒使命工程理念[17],在數字建模成果基礎上,設計提出效能度量（measure of effectiveness,MoE）、性能度量（measure of performance,MoP）等兩類可追溯的指標體系,實現數字化的指揮控制,如圖6 所示.

圖6 基于度量指標集的數字指揮控制Fig.6 The digital command and control based on metric index set

在作戰籌劃階段,圍繞使命成功要求,合理設計作戰任務并提出任務MoE；選擇合適的任務執行部隊和系統裝備,通過分解映射形成活動MoP 和系統MoP.MoP 對任務部隊如何執行任務提出要求；MoE對系統裝備如何支撐任務提出要求.

在行動控制階段,通過對軍事實體狀態、軍事活動進程進行監控并匯集數據,為活動MoP 和系統MoP 合理賦值,以評估當前作戰任務執行情況；再對眾多MoP 進行聚合,形成MoE 賦值,以綜合評估作戰目標達成情況.

在全域作戰指揮信息系統中,作戰指揮員重點關注MoE,作戰參謀人員重點關注活動MoP,系統裝備操作人員關注系統MoP.以MoE、MoP 聚合并溯源數據湖中的數據與模型,能夠提供“決策點提示”“儀表化監控”等指揮控制新功能,解決指揮過程中的信息過載等問題,推動指揮控制業務數字轉型.

2021 年,美太空軍發布《太空軍數字軍種愿景》,指出需采用現代技術和方法開展大規模技術變革,推動太空軍成為真正的數字軍種[16].

3.4 試驗仿真：孕育新質能力

通過構建覆蓋作戰用戶、管理機構、工業部門等多方用戶的體系化試驗環境,提供數字仿真手段,實現持續不斷的戰法開發、功能部署與技術嵌入.

3.4.1 以“數字孿生”助力系統發展演進

以單向引接戰場實時數據、設置作戰場景等方式,構建形成涵蓋敵我雙方指揮信息系統、主戰裝備、行為模型、認知模型、戰場環境等各類要素的作戰體系“數字孿生”,放寬物理空間的時空約束,降低失敗成本,提供人在回路、平行仿真的試驗驗證能力,支撐在現實或仿真基礎上細致“觀察”新技術、新裝備的運作方式及其對作戰結果的影響,輔助作戰人員開展基于數據的理解、共享、決策和行動.

3.4.2 推動戰法、系統、技術的深度融合

通過多學科優化集成,建立從作戰概念、作戰場景、作戰體系、工程研制的多粒度模型傳遞及試驗仿真能力,支撐戰法、系統、技術的深度融合,滿足顛覆性作戰能力的生成要求,如圖7 所示.

圖7 基于權威真相源的戰法、系統、技術融合Fig.7 The integration of tactics,systems,technologies based on authoritative source of truth

通過對具體作戰場景分析,將戰法樣式合理轉化為效果鏈,并將其與關鍵性能參數緊密（key performance parameters,KPP）關聯；構建體系級效果鏈仿真體系,以KPP 為初始參數對權威真相源中的系統模型進行實例化；基于權威真相源中的模型開展LVC 試驗仿真,進一步分解參數并研制,為產品設計、工程研制提供要求；同時,基于LVC 環境同步開展聯合訓練,確保作戰能力快速形成.

美軍將“內利斯影子作戰中心（ShoC-N）”作為空軍的聯合全域指揮控制作戰實驗室,并推動ABMS發展成熟[18];同時,美空軍和海軍也在致力于開展基于權威真相源的仿真試驗,推動數字轉型.

3.5 泛在互聯：實現跨域連接

全域作戰假設通信面臨競爭,且在軍事對抗中通常會被干擾,因此,提出了“場景中心”型指揮控制與通信架構,即指揮官僅對那些能夠通信的部隊進行指揮控制.面向上述作戰要求,全域作戰指揮信息系統需要具備異構網絡資源的一體化管控與語義互聯能力.

3.5.1 構建任務驅動的異構通信資源運用架構

依托軟件定義無線電（software defined radio,SDR）、軟件定義網絡（software defined network,SDN）、網絡功能虛擬化（network function virtualization,NFV）等技術成果,采用波形動態加載、控制平臺分離等綜合技術措施,將垂直集成堆棧的網絡架構轉變為靈活開放的任務驅動式網絡架構,根據戰場環境動態調整數據傳輸路徑,改變靜態式的通信資源使用模式,實現作戰要素之間的跨網系泛在連接.

3.5.2 以“語義轉譯鏈”推動異構系統集成

為滿足殺傷鏈快速構建等需求,在異構網絡資源運用的基礎上,開展異構消息標準集成,為跨域節點提供“機器-機器”的互操作能力.目前主要采取“兩兩互譯”“全局中介”兩種集成模式,如圖8 所示[19].

圖8 異構系統消息標準集成模式Fig.8 The standard integration patterns of heterogeneous system messages

其中,“兩兩互譯”的模式在靈活性上有優勢,但是復雜度隨集成標準數量N 呈N2增加；“全局中介”在復雜度上有優勢,但是靈活性上存在缺陷.美軍在“異構電子系統體系技術集成工具鏈（SoS technology integration tool chain for heterogeneous electronic systems,STITCHES）”研制中,采用了“語義轉譯鏈”的集成模式,在不強制采用通用接口標準的情況下,兼顧了靈活性和復雜度要求[21],技術細節參見文獻[19].

4 結論

指揮信息系統是網絡信息體系的中樞與靈魂.為適應信息技術的發展和戰爭形態的變化,指揮信息系統也在同步演進,因此,必須對現有的指揮信息系統進行變革.

本文綜合作戰、技術等多方面因素,全面闡述全域作戰指揮信息系統的發展背景,初步提出了總體架構和核心支柱,為系統的研建模式、運行方式、能力生成變革提供基礎性支撐.需要指出,全域作戰指揮信息系統的建設運用是涉及作戰體制、裝備管理等因素的宏大問題,本文僅描述了總體架構及重點發展方向,對于其中的具體技術實現、落地細節并未充分展開.