指控系統驗證相關問題研究

夏永春，吳東亞，尹光洪

(1.裝甲兵工程學院裝備指揮與管理系，北京100072;2.裝甲兵工程學院科研部，北京100072;3.95963部隊，湖北武漢430313)

近年來，隨著指揮信息系統的快速發展，現代戰爭的特點也發生了深刻變革，戰爭由重視單件裝備性能的“平臺中心戰”演變成為重視整體作戰效能的“網絡中心戰”［1］。作為“網絡中心戰”大腦和中樞的指控系統地位不斷提升，其復雜程度也大大增加。盡管經歷了軟件工程所規定的單元測試、集成測試、系統測試等活動和硬件的定型論證階段，指控系統在實際使用中仍然暴露出不能滿足作戰需求的問題。為了完善指揮信息系統功能，美軍已經以試驗與訓練使能體系結構(Test and Training Enabling Architecture，TENA)為基礎，開展了很多集演習、訓練、指揮信息系統評估、指揮信息系統驗證于一體的項目研究，開發了很多專業驗證工具［2-8］。北約在荷蘭海牙也舉行了首個分布式網絡戰場實驗室(Distributed Networked Battle Labs，DNBL)的會議，旨在用標準的程序來組織支持測試、試驗、驗證活動［9-10］。國內的科研單位也開始對各軍兵種指揮信息系統驗證開展研究，在這些研究中，指控系統驗證都是核心研究內容。

1 指控系統驗證的概念

指控系統驗證是指在實戰(或者演習、訓練、模擬實戰)的環境下，以指控系統為核心，連接該級別指控系統所涉及的武器裝備(或者模擬裝備)，形成與戰時指揮關系、裝備互聯關系相一致的作戰體系，用以驗證指控系統功能、性能等屬性是否滿足實際作戰需求的活動，以達到促進指控裝備快速形成實戰能力的目的。指控系統驗證具有3個重要的特征。

1)對抗性。通過建立真實(或者接近真實)的作戰環境，提供能夠支持指控系統實現對抗的環境，以檢驗指控系統是否滿足作戰需求。

2)系統性。以指控系統為核心，連接該指控系統所涉及的裝備或模擬器，形成體系作戰能力，真實反映指控系統的運行效果。

3)真實性。指控系統不是靜態的運轉，也不是被動的運轉，而是需要在指揮人員的操作下以實戰要求為標準運行。

2 指控系統驗證方法

指控系統驗證活動的開展必須具備由戰場環境等組成的驗證支持系統來提供數據支撐。以驗證支持系統中的實兵參與程度為標準，可將當前的指控系統驗證方法分為3大類，即:實兵、實裝驗證法;人在環、模擬環境、實裝驗證法;虛擬兵力、模擬環境、實裝驗證法。

2.1 實兵、實裝驗證法

實兵、實裝驗證法是指驗證支持系統的組成以實兵、實裝形式為主，典型方式是通過戰爭、演習或訓練進行驗證。《紐約時報》曾報道稱，美國TRW/馬格納沃克斯研制成功的戰場作戰識別系統(Battlefield Combat Identification System，BCIS)就是在海灣戰爭中進行實戰檢驗后，得到系統運行良好、目標識別正確率為99%、具有良好抗干擾能力的結論后，才開始大面積裝備美軍的。然而在和平時期，大規模的陸軍戰役演習、訓練費時費力且不能實現對抗，陸軍聯合戰役經驗和作戰動態數據的匱乏，使得很難依靠戰爭本身來研究戰爭這個復雜系統，從戰爭中學習戰爭已變得不可能［11］。

2.2 人在環、模擬環境、實裝驗證法

人在環、模擬環境、實裝驗證法是指驗證支持系統主要采用人在環的半實物仿真方式，包含了部分實裝系統部件，驅動被驗指控系統運行，從而開展驗證活動。這種模式通常也稱為半實物仿真或系統試驗床［12］。

人在環、模擬環境、實裝驗證法是在考慮控制成本的情況下，盡可能地保留指揮人員，使指控系統的智能決策能最大程度地模擬實戰情況。其顯著特點是驗證支持環境由大量的半實物裝備組成，指揮節點由指揮員進行操作，縮短了戰場的時間、空間特性。人在環、模擬環境、實裝驗證法體系結構如圖1所示。虛擬戰場環境不僅為指揮人員提供可視化的模擬戰場環境，還可根據仿真導控提供的戰場想定產生驅動驗證活動進行的戰場事件。人在環技術盡可能地確保裝備的實際性能，需要建造大量的半實物裝備，包括軟的因素和相應的價值測量［13］。

圖1 人在環、模擬環境、實裝驗證法體系結構

2.3 虛擬兵力、模擬環境、實裝驗證法

虛擬兵力、模擬環境、實裝驗證法是一種強調以計算機生成兵力為主搭建驗證支持系統的方法。該方法不需要大規模地動用實裝或者建立半實物裝備，能夠大幅降低驗證成本;但是計算機生成兵力的逼真程度是該方法的重點，尤其是計算機生成兵力的智能化程度。在開發表示指揮與控制過程的模型時，多數方法是建立在專家系統的人工智能方法基礎上的［14］，這些方法通過一系列相互影響的決策原則表示指揮員的決策過程(任何層次的指揮)。基于人工智能原則的模型是實際使用中存在模型龐大、復雜和運行緩慢等問題，且在很多情況下決策原則本身也是非常依賴于想定的。

2.4 指控系統驗證方法的比較分析

表1給出了3類方法的特征比較，比較的依據主要是從該特征對指控系統驗證影響因素的支持強弱進行逐一對比分析。為簡化起見，將實兵、實裝系統驗證法記為RARE;人在環、模擬環境、實裝驗證法記為HVERE;虛擬兵力、模擬環境、實裝驗證法記為VAVE。

表1 指控系統驗證方法比較分析

從總體來看，實兵、實裝的驗證方法具有真實的戰場環境，有軍事應用支持，且指控系統操作由真實指揮人員完成，可信性高;缺點是不能反復采集驗證數據，并且驗證活動不是演習、戰斗的首要任務，是處于從屬地位的。虛擬兵力、模擬環境的驗證方法能夠進行反復驗證;但是指控系統的操作卻缺少真實指揮人員的智能。目前，建模與仿真的可信性分析是系統仿真中重要而又困難的問題，尚無普遍適用并得到廣泛認同的方法和技術，甚至人們對仿真可信性的范疇和一般方法論都還沒有統一的認識［15］，尤其是基于復雜巨系統的指揮信息系統建模仿真更是一個巨大的挑戰。當前，人工智能尚未達到完全代替真實指揮員操作的高度，人在環能夠在控制費用的情況下保證指揮的合理性，杜絕了戰場環境中基于規則的“條件反射式”指揮現象，并且能夠準確地提供指揮時延，提高戰場真實性。綜合比較分析，采取由高逼真度的作戰仿真環境提供戰場環境數據，由真實指揮員控制半實物指控裝備，操作指控系統完成響應，針對指控系統驗證目的進行驗證想定設計，是比較適合于指控系統驗證特點的策略。

3 基于作戰仿真和指揮人員在環的指控系統驗證法

在分析現有條件下指控系統驗證方法優缺點的基礎上，本文提出了基于作戰仿真和指揮人員在環(Combat Simulation ＆ Commanders-in-Loop，CS＆CL)的指控系統驗證法。

3.1 CS＆CL指控系統驗證法的階段劃分

CS＆CL指控系統驗證法的總體思路是以高逼真度的作戰仿真完成數據支持，以軍事想定為驅動，通過虛實轉換網關完成半實物裝備中的指控系統數據和作戰仿真數據交互，從而達到驅動驗證活動開展，并進行數據采集、分析以及生成驗證報告的目的。該方法的總體思路如圖2所示，分為3個主要階段:驗證準備階段、驗證執行階段和驗證分析階段。

圖2 CS＆CL指控系統驗證方法的階段

驗證準備階段的目標是確定驗證內容并制定驗證執行方案;驗證執行階段包括驗證環境建設、驗證活動預演和驗證正式執行，可以通過多次的驗證活動預演對驗證方案進行優化調整;驗證分析階段主要是對驗證的結果進行分析并得出結論，主要包括驗證數據采集、驗證數據分析和驗證報告生成3個部分，驗證數據采集不僅包括驗證正式執行階段的數據，還可以從驗證活動預演中提取有用的局部數據。

3.2 CS＆CL指控系統驗證方法的主要流程

CS＆CL指控系統驗證方法是以軍事應用為牽引，包括3個階段，主要流程如下。

1)建立驗證指標體系。充分分析被驗證的指控系統，確定系統的驗證指標，層層分解，建立驗證指標體系。

2)計算驗證復雜度，判斷可驗證性。由于時間、條件、復雜度的制約，遍歷所有影響因素組合的驗證方法操作性較差，在實際驗證中需要根據復雜度判斷指標的可驗證性。對于不同的驗證指標，其驗證復雜度也不同，需要分析其是否屬于NP問題，如何規約為一個可驗證問題。

3)設計驗證劇情。針對驗證指標體系的各個指標設計驗證劇情。驗證劇情是用于描述被驗系統的即時輸入，包括戰場環境條件、敵情、天候等。對每一個驗證劇情都有一個相應的期望結果，即被驗系統在此劇情下的正確響應。

4)設計驗證想定。由于對某項驗證指標一般會有多個驗證場景，所以想定要把盡可能多的驗證場景整合起來，驅動指控系統在連續調節、復雜環境下運行。驗證劇情是面向被驗系統功能的，驗證想定是面向軍事任務的。驗證想定就是最大程度地將驗證劇情整合在一起，以完成驗證目標。

5)驗證環境構建。在實兵演習時，驗證環境就是實際戰場;然而由于經費、物力、人力的限制，實兵驗證不可能常態化使用。CS＆CL指控系統驗證法要求的支持環境主要還是靠半實物裝備和仿真環境來實現，該環境能夠模擬實際戰場環境，驅動指控系統在類似實際戰場環境下運行。

6)執行驗證并采集數據。被驗系統在以想定驅動的仿真戰場環境中，采集驗證指標相關的數據。

7)分析驗證數據，生成驗證報告。通過分析戰場環境因素對驗證結果的影響，驗證被驗系統某項指標的有效性和穩定性，并確定一項戰場環境影響因素的單一影響或多項戰場環境影響因素的交互影響，進而找出變化趨勢和規律。判斷采集到的數據是否與期望數據相吻合，并分析誤差原因，最后生成驗證結果報告。

4 驗證支持系統

驗證支持系統是指控系統驗證活動實施所需的人員、器材、裝備、設施、仿真系統等硬件環境，以及支持指控系統驗證活動的時間、空間等環境的統稱。驗證支持系統的建設質量高低是指控系統驗證活動成功執行的關鍵因素。

4.1 驗證支持系統的體系結構

驗證支持系統的體系結構由用戶層、驗證策劃層、驗證活動層、軟件層和硬件層5個層次構成。軟件層和硬件層屬于基礎支撐類，驗證策劃層和驗證活動層屬于執行類，如圖3所示。

圖3 驗證支持系統的體系結構

4.2 驗證支持系統的支撐技術

驗證支持系統的一個重要特點就是構建體系完整、要素齊全、逼真高效的驗證環境，采用人在環模擬、虛實交互的方式開展綜合演練，有以下關鍵技術需要突破。

1)指控系統與支持系統的無縫連接技術。實現指控系統與支持系統的無縫連接，可以通過專門的數據交互軟件來實現實裝指揮信息的提取、解析和交互，進而實現指揮員與作戰仿真系統的虛實交互。針對實裝指揮信息種類繁多的難題，將指揮信息分類處理，通過“實兵→仿真”、“仿真→實兵”2類數據轉換規則，實現指揮信息的提取、解析和交互。

2)高逼真度的作戰仿真技術。為了達到接近實戰的驗證效果，采用作戰仿真技術動態生成作戰背景，驗證想定的制作與仿真技術是支持驗證的重要技術，主要包括以下2個方面:一是開發高逼真度的軍兵種全要素仿真模型;二是引進高性能計算機，確保作戰仿真實戰性。

3)可視化環境構建技術。可視化環境構建技術主要包括2方面:一是高沉浸感的可視化環境，主要為指揮員提供成體系的可視化感知環境;二是不可見信息可視化，主要是根據驗證的具體內容和過程的需要，為驗證管控人員和驗證數據采集人員提供各類與驗證相關信息的直觀綜合顯示。

4)導調控制技術。指控系統驗證活動也需要導調控制，導調控制軟件是實現驗證想定導入、驗證場景設置、動態驗證的重要工具。導調控制軟件實現的難點在于與作戰仿真系統、驗證作業環境中真實席位的連接。為實現導調控制軟件與作戰仿真系統的連接，應開發專門的數據交互軟件，按照約定的接口規范，實現對導調方案的接收和解析。

5)驗證數據采集分析技術。驗證數據采集分析主要是按照采集計劃要求，采集指控系統各個席位的操作日志、收發的數據報文、作業席位產生的作戰文書和對作業席位界面實時監控，并將采集的數據保存，以實現各個人在環的指揮作業環境、兵種專業作業環境之間交互的指揮流、信息流數據的顯示、監視和記錄。

5 結論

指控系統驗證是一項復雜而艱巨的系統工程。本文分析了當前條件下的具體實現方法，并對驗證支持系統的體系結構和支撐技術進行了較詳細的論述，是對指控系統驗證活動的探索。下一步，需要針對指控系統驗證的完備性、可驗證性等相關理論以及方法和技術開展深入研究。

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