海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究?

苗洪志 鄭 亮

（中國船舶集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)將人工智能技術(shù)［1］與海上戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用［2］相結(jié)合，以多樣化服務(wù)承載需求和網(wǎng)絡(luò)資源提供的最佳匹配為目標(biāo)，以動(dòng)態(tài)全局服務(wù)提供能力為核心，通過認(rèn)知決策反饋環(huán)自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥灾鬟m變、網(wǎng)絡(luò)功能智能重組、網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)調(diào)配、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自主配置等功能，為智能化海上作戰(zhàn)提供通信保障。

2 智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是指通過網(wǎng)絡(luò)智能感知、決策和重構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能、性能或相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，從而能夠滿足變化的業(yè)務(wù)需求的一種信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用機(jī)器學(xué)習(xí)機(jī)制構(gòu)建資源自適應(yīng)分配和業(yè)務(wù)流量智能調(diào)度模型，具備彈性和快捷的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)調(diào)整能力，支持戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)服務(wù)智能適配，為智能海戰(zhàn)提供全維無縫、可靠連接、動(dòng)態(tài)接入、柔性重組、按需服務(wù)能力，為海上作戰(zhàn)平臺(tái)提供所需的帶寬、靈活的接入、可靠的連接和多樣的戰(zhàn)術(shù)服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)海上強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場環(huán)境對(duì)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可認(rèn)知、路由自優(yōu)化、資源自配置、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)等功能，提升信息網(wǎng)絡(luò)的智能化運(yùn)用水平。智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過將智能認(rèn)知［3］和決策機(jī)制引入信息系統(tǒng)，將人工智能技術(shù)與軍事信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提升信息網(wǎng)絡(luò)智能控制和服務(wù)能力。美國高度重視人工智能技術(shù)的發(fā)展，2011年以來美國在人工智能領(lǐng)域各方面取得顯著進(jìn)步。美軍先后開展了以自適應(yīng)行為學(xué)習(xí)（BLADE）項(xiàng)目［4］為代表的多個(gè)人工智能項(xiàng)目。

3 邏輯視圖

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)可分為認(rèn)知面、轉(zhuǎn)發(fā)面和服務(wù)面等三個(gè)邏輯平面，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能重構(gòu)［5］。服務(wù)面提供各類智能通信服務(wù)，其中編隊(duì)指揮艦可進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配智能決策、實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)控制策略的生成和下發(fā)。認(rèn)知面提供信息網(wǎng)絡(luò)感知能力，對(duì)編隊(duì)通信網(wǎng)中的短波通信網(wǎng)、超短波通信網(wǎng)、微波通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的無線環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，獲取網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行信息。轉(zhuǎn)發(fā)面實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載［6］，海上編隊(duì)內(nèi)的艦艇、飛機(jī)、潛艇等作戰(zhàn)平臺(tái)通過配置業(yè)務(wù)設(shè)備，在編隊(duì)內(nèi)進(jìn)行業(yè)務(wù)互通。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)通過將網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合，按需構(gòu)建智能服務(wù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，提升信息網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可伸縮性。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)的邏輯視圖如圖1所示。

圖1 海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)邏輯視圖

4 功能視圖

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)的核心功能包括海戰(zhàn)場智能認(rèn)知［7］、編隊(duì)業(yè)務(wù)智能控制、智能戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用服務(wù)、智能網(wǎng)絡(luò)組織運(yùn)維等。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)是具備人工智能的網(wǎng)絡(luò)，可通過自治方式完成通信網(wǎng)絡(luò)智能認(rèn)知、控制、服務(wù)和運(yùn)維，支持智能服務(wù)部署與自動(dòng)遷移，提供智能服務(wù)發(fā)現(xiàn)與協(xié)同機(jī)制，提升對(duì)作戰(zhàn)用戶的網(wǎng)絡(luò)化智能服務(wù)水平。

圖2 海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)功能視圖

5 平臺(tái)視圖

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)視圖如圖3所示。

圖3 海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)視圖

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)主要依托基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行構(gòu)建，支持高性能轉(zhuǎn)發(fā)控制和高可靠性管理要求、采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)資源動(dòng)態(tài)調(diào)配、按需組網(wǎng)控制和定制化功能部署。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)支持虛擬化資源的動(dòng)態(tài)配置和高效調(diào)度，通過進(jìn)行統(tǒng)一的業(yè)務(wù)編排實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)功能部署和資源調(diào)度，使用統(tǒng)一部署的服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)在艦艇平臺(tái)上將網(wǎng)絡(luò)切片與智能服務(wù)、智能運(yùn)維、智能控制、智能決策、網(wǎng)絡(luò)感知、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等功能進(jìn)行結(jié)合，提升海戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)智能化應(yīng)用能力。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)通過智能認(rèn)知空基智能通信網(wǎng)、海上智能通信網(wǎng)、無人智能通信網(wǎng)、水下智能通信網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，獲取網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)參數(shù)，通過智能決策，編隊(duì)指揮艦將調(diào)整后的網(wǎng)絡(luò)策略和為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下發(fā)至編隊(duì)內(nèi)各個(gè)成員，由編隊(duì)內(nèi)各個(gè)成員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)信息網(wǎng)絡(luò)的自配置、自維護(hù)和自優(yōu)化。

6 信息關(guān)系

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)以智能認(rèn)知技術(shù)［8］和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)編排組件、智能決策組件、智能控制組件、智能運(yùn)維組件和智能認(rèn)知組件之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能模塊化和資源調(diào)度自動(dòng)化，支持動(dòng)態(tài)資源發(fā)現(xiàn)和連接，完成網(wǎng)絡(luò)功能的按需配置和定制，滿足業(yè)務(wù)的多樣化需求。智能認(rèn)知組件自動(dòng)探測信息網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)和環(huán)境屬性。編隊(duì)指揮艦通過網(wǎng)絡(luò)編排，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需求，提出信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)應(yīng)用要求，生成信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行策略，并下發(fā)給編隊(duì)成員艦。編隊(duì)成員艦的智能決策組件結(jié)合網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知信息和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行策略，通過輔助決策機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)全局運(yùn)行指標(biāo)要求生成網(wǎng)絡(luò)調(diào)整指令。智能運(yùn)維組件通過采集空基智能通信網(wǎng)、海上智能通信網(wǎng)、水下智能通信網(wǎng)、無人智能通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)管理策略，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自主管理，保障網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)采用如圖4所示的信息關(guān)系。

圖4 海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)信息關(guān)系

7 業(yè)務(wù)流程

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流程包括編隊(duì)指揮艦網(wǎng)絡(luò)編排、編隊(duì)成員艦網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、編隊(duì)成員艦智能網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知、編隊(duì)指揮艦智能決策、編隊(duì)指揮艦資源分配、編隊(duì)成員艦網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)配置等階段，具體流程如圖5所示。

圖5 海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流程示意圖

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流程典型階段包括：

1）智能決策：編隊(duì)指揮艦對(duì)比當(dāng)前信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行指標(biāo)與預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)全局指標(biāo)要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況不滿足全局預(yù)設(shè)指標(biāo)要求時(shí)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)輔助決策，生成信息網(wǎng)絡(luò)調(diào)整指令；

2）資源分配：編隊(duì)指揮艦根據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)調(diào)整指令后，結(jié)合當(dāng)前信息網(wǎng)絡(luò)資源情況，通過信息網(wǎng)絡(luò)智能重構(gòu)算法，計(jì)算出優(yōu)化配置方案進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)資源分配；

3）重構(gòu)配置：編隊(duì)成員艦根據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)資源分配結(jié)果對(duì)相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和空基智能通信網(wǎng)、海上智能信息網(wǎng)、無人智能通信網(wǎng)絡(luò)、水下智能通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起信息網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)命令，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備和空基智能通信網(wǎng)、海上智能信息網(wǎng)、無人智能通信網(wǎng)絡(luò)、水下智能通信網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)，接收信息網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)命令，進(jìn)行信息網(wǎng)絡(luò)資源重分配和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，完成信息網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

8 算法需求

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)需要支持聲、光、電、磁等多種維度的信息互通，實(shí)現(xiàn)天基、空基、水面、水下等多個(gè)空間域柵格化互聯(lián)；同時(shí)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下電磁環(huán)境惡劣，網(wǎng)絡(luò)干擾嚴(yán)重，在戰(zhàn)場上廣泛分布的作戰(zhàn)平臺(tái)需要隨作戰(zhàn)編組激動(dòng)部署，不但可隨時(shí)因任務(wù)需求加入網(wǎng)絡(luò)，也可隨時(shí)因?yàn)楣收蠐p毀等意外情況或任務(wù)需要退出網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓欤W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這些特殊要求導(dǎo)致海戰(zhàn)場強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)難度大，依靠現(xiàn)有軍事信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以滿足海戰(zhàn)場信息互通需求，需要結(jié)合人工智能技術(shù)，通過軍民融合方式，將人工智能最新成果應(yīng)用于軍事信息系統(tǒng)方面，突破智能信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)，推動(dòng)海戰(zhàn)場向智能化戰(zhàn)爭的轉(zhuǎn)變，為海戰(zhàn)場戰(zhàn)爭模式的變革奠定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的人工智能算法需要通過長期監(jiān)測積累大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)集的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立網(wǎng)絡(luò)模型。一方面信息網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取較為困難，由于已有信息網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮信息感知需求，不能提高所需的運(yùn)行數(shù)據(jù)。而網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)長期采集和監(jiān)測尚未形成常態(tài)機(jī)制，難以積累足夠數(shù)量的測試數(shù)據(jù)集。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的人工智能算法只能針對(duì)特定場景進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練和建模，建立靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模型。海戰(zhàn)場強(qiáng)對(duì)抗時(shí)戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，作戰(zhàn)集群隨時(shí)動(dòng)態(tài)編組，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要快速高效地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的人工智能算法針對(duì)特定場景進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)得到的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型難以滿足實(shí)際戰(zhàn)場需求。

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)可采用群體智能算法，基于群體智能的分布式、自主性、自組織和自適應(yīng)性，不需要?dú)v史數(shù)據(jù)的積累，僅通過個(gè)體的啟發(fā)式隨機(jī)搜索，表現(xiàn)出求解復(fù)雜問題的能力等特點(diǎn)，為海戰(zhàn)場等動(dòng)態(tài)環(huán)境下跨域互聯(lián)和戰(zhàn)術(shù)信息智能傳輸?shù)葐栴}提供了最佳的解決方案，海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)可采用基于蟻群的路由算法來實(shí)現(xiàn)域間網(wǎng)絡(luò)互通。在海戰(zhàn)場環(huán)境下有人和無人作戰(zhàn)平臺(tái)分布式部署，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾?huì)實(shí)時(shí)變化。基于群體智能的海戰(zhàn)場路由算法充分利用螞蟻節(jié)點(diǎn)分布式特點(diǎn)收集網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息并傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)利用遺傳算法的快速性，確定最終路由表。

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)的最大特點(diǎn)是全動(dòng)態(tài)性，也就是在一個(gè)新的環(huán)境中，作戰(zhàn)集群能夠協(xié)同工作以建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑶易詣?dòng)適應(yīng)環(huán)境的變化。對(duì)于海戰(zhàn)場廣域聯(lián)合作戰(zhàn)，多個(gè)空中、水面和水下大規(guī)模部署的移動(dòng)平臺(tái)集群內(nèi)部，移動(dòng)平臺(tái)可以根據(jù)任務(wù)需求和戰(zhàn)場變化，動(dòng)態(tài)接近或離去，從而使作戰(zhàn)集群重新編組，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)合并或分拆等網(wǎng)絡(luò)事件。當(dāng)突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)合并或分拆等網(wǎng)絡(luò)事件在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)感知范圍內(nèi)出現(xiàn)，需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依托群體智能算法，重新加入新的智能信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能信息網(wǎng)絡(luò)重組織，完成智能信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整。通過構(gòu)造一種基于螞蟻節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)重組織算法，可將網(wǎng)絡(luò)重組織問題映射為分布式群體智能優(yōu)化方法。每個(gè)螞蟻節(jié)點(diǎn)可視為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)，鄰近移動(dòng)平臺(tái)的出現(xiàn)或離去的網(wǎng)絡(luò)事件作為目標(biāo)，可看作食物。每個(gè)螞蟻節(jié)點(diǎn)根據(jù)信息素會(huì)周期的發(fā)起感知，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)事件就增加信息素，未發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)事件則減小信息素，這樣感知任務(wù)會(huì)自動(dòng)地平衡，最終會(huì)完成網(wǎng)絡(luò)重組織。

9 結(jié)語

海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)通過采用智能信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知、智能決策和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)與海上信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可根據(jù)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)需求對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能調(diào)整和動(dòng)態(tài)重構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)了海戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)向智能化發(fā)展。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)靈活性，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求定制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)差異化服務(wù)，提升了網(wǎng)絡(luò)的智能應(yīng)用水平。海戰(zhàn)場智能信息網(wǎng)絡(luò)需要以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合海上作戰(zhàn)使命任務(wù)，進(jìn)一步開展海戰(zhàn)場信息系統(tǒng)體系架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法的研究，提升海戰(zhàn)場信息網(wǎng)絡(luò)的彈性部署和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展能力。