艦載指揮自動化系統和戰術應用軟件的發展

董曉明 秦 克 石朝明 張 劍

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

艦載指揮自動化系統和戰術應用軟件的發展

董曉明 秦 克 石朝明 張 劍

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

為了適應現代高技術戰爭的特點，必須提高艦艇的智能化決策能力和裝備的自動化能力。分析了我國艦載作戰指揮自動化系統和戰術應用軟件在發展中面臨的問題，提出數據融合、輔助決策和打擊效果評估是指揮自動化系統最關鍵的應用支撐技術，是戰術應用軟件研制的重點。發展目標是整合全艦資源，實現戰術應用軟件與指控系統的一體化、集成化，作戰系統的智能化、自動化，信息系統的扁平化、網絡化，建立一個分布式的、自適應的、容錯的實時網絡計算環境。

作戰系統；艦艇；自動化指揮和控制系統；應用軟件；輔助決策

1 引言

在現代高技術戰爭中，參戰兵種多，武器裝備復雜，作戰空間擴大，節奏加快，信息量劇增。面對這樣的變化，依靠傳統的指揮手段已無能為力。而指揮自動化作為一種先進的指揮手段，既能充分發掘技術潛力，在戰爭中體現現代科技的巨大優越性；又能有效地發揮指揮員的聰明才智和創造性，使其在戰場情況瞬息萬變、未知因素大量存在、決策要求精度很高的情況下，擺脫繁雜的非創造性工作，高效利用各類情報和數據資料，提高作戰指揮效能。

指揮自動化系統也就是C3I系統。艦艇和編隊的指揮自動化系統一般是屬于戰術級的，系統中的作戰應用軟件就是戰術應用軟件。從傳統方式到自動化方式，作戰指揮發生了劃時代的變革，作戰的時間、空間、手段、效能和影響也產生了巨變。作戰指揮自動化系統之所以能產生巨大的戰斗力，基本上是依賴這一系統中的戰術應用軟件。作戰指揮自動化系統的水平高低，很大程度上也取決于它的戰術應用軟件的水平。

2 研究現狀

2.1 國內發展現狀及存在的主要問題

我國海軍的艦艇指揮自動化系統于20世紀60年代中后期開始研制，80年代以來逐步在各型主戰艦艇上裝備。比起先進國家，我們雖然起步較晚，但是發展很快，取得了較大的成績。

我國海軍艦載作戰指揮自動化系統和戰術應用軟件在發展的同時，目前面臨著一些亟待解決的問題：

1）忽視指揮人員決策過程、方法與各種輔助決策系統的綜合集成、資源整合，使作戰指揮中要求連續的信息流割裂開來，影響作戰指揮決策效能的提高。

2）戰術應用軟件對指揮人員的幫助有限，尤其是對作戰指揮決策中作戰方案的生成、評估等關鍵問題的支持能力還比較弱。

3）軍事人員與工程技術人員之間缺乏溝通，需求分析經常停留在表層，沒有抓住作戰指揮流程及信息流程的本質。

4）缺乏統一的設計規范，不同層次的系統之間互連、互通、互操作能力差，“煙囪”林立，各自為政的現象比較普遍［1］。

2.2 國外相關研究

20世紀60年代，美國海軍在1艘航母和2艘驅逐艦上裝備的 “海軍戰術數據系統（NTDS）”就是較早的指揮自動化系統。后來經過3次更新，到70～80年代發展成為自動化水平更高的宙斯盾系統，并首次裝備“提康德羅加”級導彈巡洋艦。該系統的戰術應用軟件功能強、性能好、可靠性高，非常具有代表性。90年代以來，美國海軍已經在百余艘大中型水面艦艇上裝備了這一系統。20世紀90年代，隨著計算機技術革命的深入，美國開發出了“海軍哥白尼C2系統”，以計算機全球網絡為基礎，投入大量具有人工智能的計算機，逐步用于專家系統、輔助決策、作戰指揮、武器控制等方面，在作戰指揮自動化方面又取得了新的進展。

國外先進的作戰系統大力開展智能化運行設計，減少戰位操作，同時減少艦員人數。目前正在服役的DDG－51“阿利·伯克”級宙斯盾驅逐艦的編制為345人，而排水量12 000 t的DDG－1000編制僅為125人，由此可見DDG－1000人員減少的幅度是驚人的。通過減少艦員，增強有效作戰艙容載荷，降低了整個服役期間的運行成本，也促進了作戰效能的提高。

DDG－1000作為美國海軍具有革命性的、面向21世紀的新一代多用途水面艦艇，其主要使命是執行對陸攻擊、前沿存在以及在進攻性海戰中打擊對方水面力量。一個覆蓋不同作戰平臺和軍種的通用、開放作戰系統結構，是21世紀海上革命的核心。DDG－1000發展的關鍵技術之一，即“全艦計算環境（TSCE）”是向這個方向邁出的一大步。TSCE的開放性、伸縮性和可靈活配置的能力得到很大提高。該系統將有利于提高協同、加速現代化、減輕維護的工作量和降低生命周期的花費，獲得全面的連通化、模塊化和無人化［2］。

圖1 全艦計算環境開放系統體系結構

TSCE是一個分布于全艦范圍的開放系統環境，可用于戰術或非戰術用途。開放系統的接口和服務規范使部件經過最小的修改就可以在廣泛的系統中使用，并提供與其他本地或遠程系統部件的互操作性。通過借助先進的商業計算機處理能力、分布式／綜合數據網絡和軟件開發，TSCE創造了一個“即插即用”的環境，同時支持快速、高性價比的應用軟件開發、升級、集成、測試和發布。TSCE開放系統體系結構如圖1所示，包括COTS實時操作系統和計算機、基于標準的中間件、領域服務及各種戰術應用程序4層。每一層都使用商業的、通用的開放標準，在研制過程中非常強調“挑選標準而不是產品”。

3 軟件研制應解決的關鍵問題

指揮自動化系統最本質的東西是軍事信息的處理和軍事活動的輔助決策，是復雜的人機系統，是分布式的多層次系統，是一個閉環的控制系統。作戰系統的射手概念模型［3］，如圖2所示。它完成任務的基本步驟包括：戰場態勢→信息獲取→信息處理→輔助決策→作戰方案→決策和執行→打擊效果評估等。其中數據融合、輔助決策和打擊效果評估是指揮自動化系統最關鍵的應用支撐技術，是戰術應用軟件研制的重點。

圖2 作戰系統的射手概念模型

3.1 數據融合

數據融合是指揮自動化系統的重要組成部分，涉及指揮自動化系統中多種傳感器和各種信息源的有效結合，包括有用數據的獲取、過濾、綜合、相關和合成，以便進行態勢和環境判定、探測、規劃、驗證、對抗以及戰略和戰術輔助決策等。

數據融合不是一門單一的技術，而是一門跨領域的綜合理論和方法，它所涉及的技術是相當廣泛的，主要包括基礎理論和方法研究（如不確定性理論、事件代數和目標識別等）、模型開發和融合算法（如融合系統的結構、目標分類、數據相關算法、知識推理、數據融合的評估技術和度量標準等）、數據融合處理數據庫和知識庫的建立與管理，以及多傳感器的控制與管理等［4，5］。

對于數據融合的方法，可以按表征數據融合的主要功能分為四級。一級融合主要是對傳感器采集的目標空間狀態和屬性或標識信息進行融合；二級融合是指對戰場的態勢估計；三級融合是指對敵方的威脅估計；四級融合的關鍵是監視動態融合處理，在最佳控制傳感器和系統資源基礎上，達到精確、及時的預測，并通過反饋，提煉、完善整個融合處理過程。二、三級融合，即態勢和威脅估計，是在決策級上進行融合的，不僅要采用多傳感器信息的一級融合結果，還要采用其他情報源數據，這需要采用數據鏈在各數據融合節點間傳送信息。

3.2 輔助決策

輔助決策是協助指揮員分析判斷情況、確定作戰方針、定下指揮決心的能力。輔助決策以人工智能和信息處理技術為工具，以數據庫、專家系統、數學模型為基礎，通過計算、推理和仿真等手段輔助指揮員制定作戰方案和保障預案，組織實施作戰指揮；完成作戰模擬，支持部隊訓練等。為最有效地利用輔助決策技術，應深入分析在決策過程的各階段，決策者最需要而計算機又能給予的幫助，明確決策者做什么，計算機做什么，使兩者有效地結合起來。目前輔助決策技術的設計主要有三種類型：一種是以戰術計算為核心，并利用運籌學知識和數學模型完成規定任務，即傳統的運籌學方法；二是通過模擬軍事指揮人員的決策思維過程與總結實戰成功經驗，建立以知識庫為基礎、以推理機為核心的軍事專家系統來完成規定任務，即人工智能方法；三是決策者根據自己的判斷和偏好，從多個備選方案選擇一個優選方案，稱為判斷分析方法或者預案檢測方法，這就把決策者的經驗和智慧容納在形式化的邏輯分析之中［4，6］。

輔助決策系統是通過指揮控制的自動化和智能化為指揮員和指揮機關服務的，首先是為指揮員服務，其目標是提高作戰指揮決策的正確性和快速反應能力。隨著高新技術裝備的廣泛使用，部隊指揮員和指揮機關面臨的指揮和管理工作越來越復雜、信息越來越多，提高指揮工作的效能，增強部隊的戰斗力、增強部隊的實時響應能力越來越迫切地需要科學決策手段的支撐。準確掌握戰場態勢，準確進行情況分析和判斷，進行科學的資源分配、部隊部署，有效組織作戰行動，提高快速反應能力，提高時效性成為輔助決策的主要任務。因此，系統中的輔助決策應達到以下目標：為指揮員提供實時戰場態勢和非實時情況信息；提供態勢要素、威脅要素、決策要素的分析估計結果，為指揮員提供決策依據；提供多個備選方案，供指揮員決策時選擇；具有人機交互決策能力。

除了傳統的戰場態勢外，在輔助決策過程中越來越重視環境的作用。作戰環境對武器裝備特性、目標特性、人員戰斗力以及戰法等起著重要作用，而且由于軍事技術的日益綜合和交叉，它已成為提高戰斗力、并使武器裝備保持優勢的關鍵因素之一。例如大氣波導環境對艦載雷達系統的探測距離有很大的影響，水文三要素（溫度、鹽度和深度）、海洋內波等水聲環境對潛艇、聲吶、魚雷等武器裝備作戰性能的充分發揮有重要影響。因此，迫切需要建設一個有效的作戰環境輔助決策系統。美國在“環境效應技術”方面具有領先優勢，而我國目前相關的研究和試驗工作還處于起步階段。其基本內容包括對海洋環境和大氣空間環境要素及其變化的探測、表征、預測、建模與仿真，以及與武器系統的相互作用等。

3.3 打擊效果評估

自1992年的海灣戰爭后，打擊效果評估越來越受重視，已發展成為當今世界一個方興未艾的研究領域。宙斯盾作戰系統的AN／SPY－1D多功能相控陣雷達具有目標搜索、處理、跟蹤和攻擊（導彈制導）等多種功能，導彈引爆后，AN／SPY－1D雷達還可以進行殺傷效果判斷，決定是否需要再次對目標實施攔截。我國目前的指揮自動化系統在這方面差距較大，作戰指揮系統基本上不具有打擊效果評估能力。

基于圖像理解的打擊效果評估是在對目標實施打擊后利用各種成像傳感器（如光學照相機、雷達等）對打擊目標進行觀察得到打擊后的圖像，結合目標其他信息，如打擊前的目標圖像以及與目標有關的其他信息（如目標模型），利用計算機提取目標的特征（如目標輪廓）及打擊部位，通過對打擊部位的分析及建立數學模型，進行打擊效果評估［7，8］。

目標識別和打擊效果評估的準確性很大程度上取決于所使用的圖像融合技術。圖像融合是綜合來自不同傳感器的多源圖像信息，通過對多幅圖像信息的提取與綜合，從而獲得對同一場景／目標的更為準確、全面、可靠的圖像描述。在圖像融合的信號級融合、像素級融合、特征級融合和決策級融合4個級別中，像素級圖像融合盡可能多地保留了場景的原始信息，有利于圖像的進一步分析、處理與理解，進而提供最優的決策和識別性能。

為了實現打擊效果評估和自動識別，系統應包括目標檢測、目標提取、特征提取和分級評估等功能。同時，一個較好的打擊效果評估系統必定有內容豐富、資料齊全的數據庫和知識庫。艦船打擊效果評估的知識庫主要包括艦船特征庫、打擊部位特征庫、打擊效果評估知識庫等。借助知識庫對目標的打擊效果如是否摧毀、摧毀程度以及目標受摧毀部位等進行評估。

應該注意到圖2中傳感器獲取的信息不僅用于目標識別、建立航跡等，還應該包括支持打擊效果評估的數據。另外，作戰指揮控制的信息不僅來自本平臺的各種傳感器，還有來自網絡的、跨平臺的信息源，這也反映了傳統的平臺中心戰向網絡中心戰的轉變。

除了數據融合、輔助決策和打擊效果評估之外，其他共性支撐技術還包括網絡技術、文電處理、圖形圖像、數據庫和軟件工程等。我們認為目前戰術應用軟件的研制重點在于：

1）開展艦艇智能化決策的理論、方法研究，同時需要建立必要的仿真環境進行充分的驗證和檢驗；

2）相關算法研究，提高數據融合和目標識別的準確性；

3）提高艦艇的信息化能力，戰術軟件和指控系統、平臺和作戰系統不能各自為政，應實現資源整合和信息共享；

4）建立全艦計算環境，軟件構件化，提高軟件復用水平，減少低層次的重復開發和資源浪費。

4 總結及展望

海上網絡戰是未來海軍新的作戰樣式，它依賴于武器裝備之間以及跨平臺的網絡連接和高效通信手段，更依賴于分布式、智能化、自動化的作戰指揮系統，以實現海上編隊分散兵力的自主協同、分布式決策，達到快捷的作戰效能。

戰術軟件的一體化、集成化。戰術應用軟件與指控系統進行一體化設計、綜合集成和資源整合，徹底消除“兩張皮”的現象，為指揮人員提供無縫的、得心應手的決策支持。戰術應用軟件與作戰仿真系統、模擬訓練系統集成為一個整體，以便作戰方案能夠得到充分評估和驗證。這是指揮自動化系統發展的客觀要求和必然趨勢。

作戰系統的智能化、自動化。智能化是作戰軟件發展的基本趨勢。在信息化戰爭條件下，數字化戰場瞬息萬變，誰掌握了信息優勢、決策優勢，誰就掌握了戰場主動權、控制權，才有可能贏得勝利。時間就是生命、時間就是勝利。必須借助高度智能化的作戰指揮自動化系統，才能對戰場態勢做出準確、快速的判斷并做出相應的指揮決策［9］。

信息系統的扁平化、網絡化。在網絡中心戰的大趨勢下，從艦艇自身到平臺之間、軍兵種之間的信息節點必須最大限度地實現互連、互通，構成一個分布式的、復雜的巨系統；同時以扁平化來減少指揮控制的層次，簡化信息流程，實現快速的反應能力。應用的互操作建立在互連、互通的基礎之上。

最終，我們要整合全艦的傳感器資源、信息資源、作戰武器資源，基于COTS技術和開放系統標準，建立一個分布式的、自適應的、容錯的實時網絡計算環境，并支持各種戰術應用軟件的快速開發和部署。

《2006年中國國防白皮書》明確指出“把信息化作為海軍現代化建設的發展方向和戰略重點，突出發展海上信息系統，加強新一代武器裝備建設”。目前全軍正在興起一場以信息化為主題的新軍事變革，信息系統的綜合集成是作戰系統集成的核心，指揮自動化系統及其戰術應用軟件也是信息系統發展的主流和重要研究方向。

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Development of Shipboard Automated Command and Control System and Its Tactical Applications

Dong Xiao－ming Qin Ke Shi Chao－ming Zhang Jian
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

It is of importance for the shipboard command and control system to improve the automation level as to providing decision support information.The major problems that exist in the development of C4ISR system and tactical applications are analyzed.Three key technologies that include data fusion，decision aiding，and battle damage assessment are technical support of the shipboard automated command and control system.It＇s necessary to improve the operational efficiency by integration of total ship computing resources，and to implement an integrated design that incorporates command and control system （inclusive of tactical applications），combat systems，and networked information systems.The target is to build a distributed，self－adaptive，real－time and fault tolerant computing environment.

combat system；warship；automated command and control system；application software；decision aiding

U674.703

A

1673－3185（2009）02－07－04

2008-01-09

海軍裝備預研項目（1010108010201）

董曉明（1975－），男，工程師，博士。研究方向：艦載作戰系統、計算機系統結構。E-mail：phdotd＠gmail.com

秦 克（1963-），男，研究員。研究方向：作戰系統、通信與信息系統