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任务驱动的一体化作战指挥信息系统高效协同技术

2020-06-06 来源:钮旅网
Vo1.42.No.5 May,2017 火力与指挥控制 Fire Con ̄ol&Command Con ̄ol 第42卷第5期 2017年5月 文章编号:1002~0640(2017)05—0079-05 任务驱动的一体化作战指挥信息系统高效协同技术 董龙明1,2,3,高天成 ,邱瑞波。,马连淼。 (1.南京大学计算机科学与技术系博士后流动站,南京210000;2.北方信息控制集团有限公司博士后工作站,南京210000; 3.陆军驻南京地区军事代表室,南京210000;4.北方信息控制集团有限公司,南京210000) 摘要:针对一体化网络中心战下各参与方作战指挥信息系统的异构性、自治性、多样性等特点给联合协同作 战带来的问题,提出了任务驱动的一体化作战指挥信息系统高效协同技术。以作战目标为导向将各作战力量和资源 按需聚合和自主协同,引入自主个体、虚拟任务共同体和虚拟任务执行体,构建一体化虚拟作战指挥环境,为各作战 单位提供高效、协同、透明的一体化服务。分别从核心元素、系统框架分别介绍高效协同体系结构,结合陆军合成营 指挥信息系统案例对高效协同技术各组成部分进行深入分析,验证该技术的可行性。 关键词:一体化作战指挥信息系统,任务驱动,协同,自主个体 中图分类号:TP391 文献标识码:A Eficifent Cooperation Technology of Task-Driven for Joint Operation and Command Information Systems DONG Long—ming , ,一,GA0 Tian-cheng4,QIU Rui-bo。,MA Lian—miao (1.Po5t—doctoral Research Station,Department ofComputer Science and Technology,Nanjing Unwenity,Nanjing 210000,China; 2.Post—doctoral Worksttaion,NoahernInformaton iControl Group Ltd.,Nanjing 210000,China; 3.NanjingMilitaryRepresenttaive Ofifce of Army,Nanjing 210000,China; 4.NorthemInformatio Control Group Ltd.,Nanjing 210000,China) Abstract:The operation and command information systems involved in the integrated network—。 centric warfare are heterogeneous,autonomous,and diverse,which brings many problems to the joint and cooperation operations.This paper presents a task—driven efficient cooperation technology for joint operation and command information systems.Various combat forces and resources are aggregated in demand and cooperate with each other oriented by the goal of the combat.Individual autonomy,virtual task commonweahh,and virtual task executor are introduced to build the joint virtual battle and command environment.The efficient,collaborative,and transparent integrated services are provided for a11 the combat units in the environment.The eficifent cooperation architecture is introduced resDectively from the core elements and the system framework.In the end,combined with the command ifornmation systems of the synthetic army camp,each component of the eficifent cooperation is analyzed deeply to verify the feasibility of our technology. Key words:Joint operation and command information systems,task-driven,cooperation,individual autonomy 0 引言 随着计算机技术和网络技术在作战指挥的深 收稿日期:2016—03—15 修回Et期:2016—05—27 度应用,作战模式从以“武器平台”为中心向以“网 络”为中心转变,综合电子信息系统C4ISR[卜。 是获 取战场信息优势的关键,将陆、海、空、天及电磁空 作者简介:董龙明(1982一 ),男,江苏建湖人,博士,工程师。研究方向为:指挥信息系统,软件可靠性等。 ・79・ (总第42-0822) 火力与指挥控制 2017年第5期 间的各作战力量通过信息有效地聚合成一个有机 的整体,成为战斗力的“倍增器”。但是,由于缺乏统 的数据模型和体系架构,包括各种传感器、情报 侦查系统、预警探测系统、指挥控制系统、武器平台 系统组成的综合电子系统结构复杂、分布异域,各 一高效协同体系结构 当前,一体化C4ISR作战指挥信息系统构建一 般有两种途径:一是在已有的信息系统基础上进行 技术改造,构造新的数据适配器或网络交互协议以 适应不同异质信息系统间的交互;二是定义一整套 系统之间虽然能够实现互联互通,但是,有机地融 合在一起实现互操作仍存在着信息壁垒,资源利用 率不高,这严重阻碍着指挥信息系统在一体化作战 中作为中心地位性能高效的发挥。 联合一体化作战下,其作战方式呈现作战力量 具有全局视图和语义基础的体系架构,各C4ISR子 系统的开发必须遵循该架构以达成各子系统间的 协同。第1种方法已经被实践验证不可取,尤其在 构建开放网络环境下动态多变的异构系统间的信 多元化、作战编组临时化、指挥手段一体化和指挥 体制扁平化等特点[=}],由于作战力量来源不同,各 军兵种作战子系统,如:传感网感知系统、指挥控制 系统、火力打击系统、信息网络系统和支援保障系 统,其系统体系架构、运行环境、数据语义模型存在 较大差异,系统时钟同步、时序控制、数据互操作等 方面很难同步,这给各系统有机集成协同指挥控制 作战全过程带来了困难。但是,参与某个作战过程 的各C4ISR子系统不是简单地聚合在一起,而是为 完成某个作战任务或作战目标而聚合一起的,并且 在作战过程中扮演的作战任务或角色是已知的,这 为C4ISR各子系统信息集成能够有效地协同工作 完成作战任务带来可能。 针对一体化作战指挥信息系统,国内外进行了 一系列卓有成效的研究,并建立了一整套系统理论 和方法。美军相继制定了《联合技术系统结构》…、 ((C4ISR体系结构框架》 和面向服务体系的体系 架构DODAF1.0[6]6,用来指导美军各军兵种构建一 体化、互操作性、高效的面向网络中心战的C4ISR系 统的开发。C4ISR系统建模相关研究主要包括:面向 过程的建模(例如:基于结构化分析的方法IDEF E ]) 与面向对象的建模(如:基于统一建模语言UML方 法[81),促进系统设计人员、军事专家、系统用户等 多种人员的交流与沟通,指导C4ISR系统的整个设 计开发过程。近几年,将具有自治I生、社会能力、响 应性和能动性的Agent智能体引入C4ISR系统部件 或分系统开发,通过多个Agent之间的交互描述系 统的宏观协同架构 。但是,C4ISR系统协同技术 研究比较少,尤其在新的作战样式网络中心战条件 下面向开发网络环境各C4ISR系统的协同技术面 临新的问题和条件,如何有效协同直接影响着基于 C4ISR系统指挥作战的效能发挥。本文提出了以任 务驱动的按需聚合和自主协同为核心机制的一体 化作战指挥信息系统高效协同技术,分别从核心元 素和系统框架进行描述。 ・80・ 息交互和协同工作,不仅各种数据适配器或网络交 互协议随着异构系统数量增长而指数增长,而且效 率低下。 为实现网络中心站下各作战资源的有效共享 和综合利用,必须具有一套以作战资源的按需聚合 与自主协同为核心的高效协同技术以指导各作战 资源扮演好协同角色完成各自作战任务。 1.1 核心元素 聚合是指有效获取、汇聚、组织各方作战资源, 并综合利用相关信息的过程;协同是指多个作战资 源为完成共同作战目标或任务进行的交互、同步和 计算的过程。 1.1.1 自主个体 自主个体是网络中心战中的基本作战单位,是 具有自主行为能力的资源和信息管理者。从内部结 构上看,自主个体由感知部件、动作驱动引擎和执 行部件构成,如图1所示。感知部件作为自主个体 提供对网络环境和所管理资源的感知能力,获取自 主个体所驻留作战环境的变化以及所管理资源的 运行状态(如存储空问变化、计算资源的负荷变化 等);动作驱动引擎是根据感知部件获得的环境和 资源信息进行汇总,根据自身任务、知识结构和运 行状态作出相应的动作决策;动作的具体实施由执 行部件完成,其结果不仅影响外部环境,同时对自 身状态产生影响。感知部件、动作驱动引擎和执行 部件共同构成自主个体的控制环路。动作驱动引擎 广 图1 自主个体内部结构示意图 董龙明,等:任务驱动的一体化作战指挥信息系统高效协同技术 (总第42—0823) 的动作决策由数据模型和业务流程决定:数据模型 表示自主个体对自身能力和外部作战环境的认识; 业务流程则表示自主个体可能的行为决策,尤其在 面临多项选择需要作出决策时应该选择哪种方案, 需要对感知信息和对环境认识并结合自身经验,进 行推理和选择,产生行为决策。 自主个体可以用来对各种作战资源和指挥信 息系统进行抽象和封装,将零散、异质的作战资源 成关系如图2所示。网络中心战包含多个不同的虚 拟共同体,每个虚拟共同体仅仅关注与某个特定作 战任务的作战资源共享 应用,每个自主个体至 少需要加人一个虚拟任 务共同体,并在虚拟任 务共同体的元信息管理 设施中进行注册。虚拟 任务共同体是动态管理 的,自主个体可以根据 转换为自主、动态的自主个体,能够有效屏蔽作战 资源多样性和异质性的特点,使之能够对外提供透 明一致的信息服务。一个自主个体可以对多个作战 资源进行抽象和封装,并被赋予战场动态感知、自主 行为决策和协同等能力;自主个体可以进行相互组 合,复合自主个体可以通过其他原子自主个体进行 组合得到。自主个体对外提供支持按需聚合的元信 息:协同过程中能扮演的角色、数据模型、交互协议。 根据内部控制复杂程度,自主个体可以分为两 种类型:一类是只具有简单反应式的自主个体,根 据外部请求进行反应式的动作,例如:各种战场情 报探测系统,对外提供战场态势的信息;另一类自 主个体,其内部维护一定的知识和状态信息,通过 建模、分析和推理等机制实现对外部战场的感知、 分析及行为决策,例如:各种战斗单元,坦克分队、 防空分队、火炮分队、维修分队等,能够根据外部请 求和战场态势作出合理的自主行为。与反应时自主个 体不同,后一类自主个体由于具有更多的自主化和智 能化特征,是支撑战场自主协同的主要软件单元。 1.1.2虚拟任务共同体 一体化作战指挥过程中,各作战资源通过共同 的作战任务而动态聚合在一起。所谓虚拟任务共同 体是指一组具有共同兴趣、遵守共同准则的自主个 体构成的集合。在虚拟任务共同体内部,各个自主 个体根据所承担的任务扮演着不同角色:有的自主 个体为战场态势的提供者、有的为作战行动执行 者、有的为战场后勤保障者。虽然角色分工不同,但 是同一虚拟任务共同体内部的自主个体所关注的 战场态势视图都是确定和一致的,都是围绕战场态 势的动态改变和各自承担使命而发挥不同的作用。 一个自主个体也有可能属于多个虚拟任务共同体, 例如:一个气象雷达站可能同时为多个作战任务提 供气象信息。 为了支持任务的完成,虚拟任务共同体需要提 供一定的战场资源元信息管理中心,以及信息发布 和发现机制。资源聚合是根据任务需要,按照资源 元信息的管理方式进行的。虚拟共同体的范围和组 实际任务情况,随时加 入或退出某个虚拟任务 图2虚拟任务共同体示意图 共同体。 1.1.3虚拟任务执行体 在一体化作战指挥过程中,需要根据任务选择 和请求自主个体的服务,实现自主个体与作战任务 的动态绑定:一个任务可能需要多个自主个体提供 服务,而单个自主个体也可能同时为多个作战任务 服务。 虚拟任务执行体是指协同同时承担同一任务 的相关自主个体,为完成该任务而形成的状态空间 总和。虚拟任务执行体是对作战资源协同过程的抽 象,是作战指挥信息系统运行管理单位。虚拟任务 执行体是与某一任务紧密相连的,通过虚拟任务执 行体可以获得面向该任务的所有自主个体及其交 互状态等监控信息。 图3虚拟任务执行体不意图 虚拟任务执行体与自主个体的关系如图3所 示。虚拟任务执行体通过作战任务动态绑定一组自 主个体,并通过自主个体的协同来完成相应的任 务。自主个体与任务是面向任务目标进行按需聚合 和动态绑定进行自主协同。一体化作战指挥信息系 统需要提供一系列的基础管理服务实现虚拟任务 ・81・ (总第42-0824) 火力与指挥控制 2017年第5期 执行体的创建和执行等管理,并根据任务运行情况 完成各种状态的监控和转换。 1.2系统框架 基于上述3个核心元素,任务驱动高效协同的 一体化作战指挥信息系统系统框架可以分为4层, 如图4所示。 应用层 l 自主协同层 , 上 聚合层 资源虚拟层 图4任务驱动高效协同的一体化作战指挥信息系统系统框架 1.2.1 资源层 资源层由各种异构和多样作战资源组成,这些 资源不仅包括各种侦查设备、武器平台、指挥车、装 备维修抢救车等硬件平台,还包括军事地理信息系 统、指挥辅助决策系统、各种数据管理系统、网络服 务等软件平台和资源,一体化作战指挥信息系统能 够支持资源接人作战网络环境中,并能够互连互通 有效共享和协同。 1.2.2资源虚拟层 资源虚拟层包括自主个体创建和管理的一组 基础服务,将各种软件和硬件资源通过抽象封装成 自主个体。该层涉及到的功能包括:基础资源的虚 拟化、异构系统数据模型的一致性描述和建模技 术、自主元素的内部状态转换、外部环境的感知、行 动决策方案、通信协议、访问接口和交互协议等。 1.2.3聚合层 聚合层是根据任务需求提供创建与管理虚拟 任务共同体的一组服务,按照任务需求对自主个体 进行聚合。该层涉及到的功能包括:自主个体数据 模型提取和描述、自主个体元信息注册发布定位技 术、自主个体搜索匹配技术等。 1.2.4 自主协同层 自主协同层是提供根据任务目标生成虚拟执 行体的一组服务,通过虚拟执行体绑定相关的自主 个体,通过自主协同完成任务目标。该层涉及的功 能包括:事务管理、协同机制和服务组合和调用等。 1.2.5应用层 应用层面向作战各级指挥员、操作员、系统管理 ・82・ 员,提供各种作战相关和网络系统管理应用功能。 2 案例分析 以网络化合成战术部队作战指挥信息系统为 例,说明任务驱动的一体化作战指挥信息系统高效 协同技术体系结构及核心机制的内涵,并验证该技 术的有效性。 ……………………一..J 图5作战任务遂行共同体结构不意图 网络化合成战术部队是探索多兵种灵活编组、 联合作战、模块化合成的新型陆军编成方案,其基 本思想是:将装甲突击、陆军航空兵、炮兵火力支 援、防空防化兵、工兵保障力量等兵种以营级单位 进行编组,以网络化信息系统为核心,将多种兵种 有效合成为一个能够遂行多种作战任务的高效快 速反应部队。 可以通过自主个体将异构的作战力量封装成 统一的实体,并通过调用和返回服务统一接口协议 屏蔽这些作战力量武器平台的异构性。可以根据任 务的性质和特点创建各种任务虚拟共同体,将有效 完成该任务的作战自主个体纳入该任务虚拟共同 体,如图5所示,该图为一次突击任务虚拟共同体。 使用元信息数据库完成资源元信息的发布、发现和 组织功能,所有作战力量已经抽象为自主个体,例 如:指挥员、突击营、炮兵营、防空营、侦查营和支援 保障营,这些自主个体的能力描述、位置信息和通 信协作协议在元信息数据库中描述。 任务自主遂行执行体是指在实际任务执行过 程中,各自主个体针对该任务目标、战场态势和自 主个体工作流机制,实时自主作出决策调用其他自 主个体协同,消灭潜在威胁目标保证自身安全,并 出色完成作战任务。下页图6描述了在一次突击任 务过程中,突击营针对战场态势多变,合理调用其 他作战力量并完成作战任务的自主遂行协同过程 示意图 董龙明,等:任务驱动的一体化作战指挥信息系统高效协同技术 (总第42—0825) 参考文献: [1]王东霞,赵刚.美军信息系统体系结构相关研究综述[J]. 军事运筹与系统工程,2003,17(4):56—61. 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[6 J DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architec— 3 结论 ture Frmaework(Volume III):Architecture Data Description 随着新一轮军改的不断深入,多军兵种联合作 1.5,2007. 战成为部队训练、演习和承担作战任务的新常态, [7]WAGENHAIS L W,SHIN I,KIM D,et a1.C4ISR arehitec— ture:II.a structured analysis approach for architecture de— 各参与方作战指挥信息系统之间的互联互通和信 sing[J].Systems Engineering,2000,3(4):248-287. 息高效利用成为任务成败的关键。本文提出了网络 18 J BIENVENU M P,SHIN I,LEVIS A H.C4ISR rachitecture: 中心战下任务驱动的一体化作战指挥信息系统高 II.an object-oriented approach for architecture desing[J]. 效协同技术,引入自主个体、虚拟任务共同体、虚拟任 Systems Engineering,2000,3(4):288-312. 务执行体3个概念,从系统框架介绍了协同体系架 [9]侯锋,陈洪辉,罗雪山.基于多Agent的C4ISR系统建模 构。一体化作战指挥信息系统的数据一致模型和协作 与仿真方法研究[J J.光电技术应用,2004,19(3):25—30. 通信协议是下一步工作重点和研究的方向。 (上接第78页) 个传感器节点和其相邻节点的协作来检测目标位 [5]朱志宇,苏岭东.基于分布式粒子滤波的二进制无线传感 置,提出了基于扩展卡尔曼滤波的有向传感器网络 器网络目标跟踪[J].数据采集与处理,2015,30(3): 目标跟踪算法(EK—MTDC),减少了网络中被激活的 564—570. 传感器节点,减少了数据的开销,降低了能效,提高 [6]李辉,刘云,王传旭,等.基于约束策略的WSN低能耗粒 了目标跟踪的精度。 子滤波跟踪算法[J].传感技术学报,2015,28(11): 1708-1715. 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