基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系初探

杜方鍵, 張永峰, 張志正

基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系初探

杜方鍵, 張永峰, 張志正

(1．中國電子科技集團公司 第27研究所, 河南 鄭州, 450047; 2. 鄭州市水下信息系統技術重點實驗室, 河南 鄭州, 450047)

隨著作戰維度的不斷提升, 傳統的集中分布式系統架構及其配屬的信息化武器裝備已無法滿足未來網絡化體系作戰需求, 超系統、超網絡、能力化及服務化的網絡信息體系建設應勢而生, 在改變戰場作戰形態和戰力生成模式的同時加快了戰略思維和作戰方法的創新。文中首先闡釋了基于要素能力重組的網絡信息體系概念, 并對體系特征和匹配規則進行了說明, 針對水下一體化聯合作戰提出構建基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系, 在對體系能力、體系要素、交互方式分析的基礎上, 提出了水下軍事網絡信息體系架構設想及服務模式, 從體系要素角度探討了未來水下軍事網絡信息體系建設需要重點突破的部分發展方向, 以期為未來水下軍事網絡信息體系建設提供參考。

網絡信息; 體系; 要素能力重組; 服務化

0 引言

隨著信息技術和網絡技術的快速發展, 情報獲取、融合處理、指揮控制及協同打擊等軍事作戰行動對準確情報信息和穩健通信網絡的需求日益提升。建立一體化網絡信息體系[1], 能夠通過信息和網絡將多域異能異構的戰場作戰要素進行有機組合, 通過作戰要素資源的靈活配置和動態集成, 實現體系作戰能力的有效提升。

相較于水面以上空間作戰體系的信息化和網絡化進程, 水下空間受物理環境的限制, 信息手段有限、網絡水平較低, 要素資源配置不夠靈活, 系統能力重組演化較弱。圍繞不同軍事任務需求建設的異能異構水下系統未能有效實現資源共享與能力聚合。建設水下軍事網絡信息體系能夠極大推進水下空間各作戰要素的靈活配置與資源共享, 進而衍生出能高維聚合、可動態重組的水下聯合作戰能力, 繼而催生出創新性、顛覆性的水下新質作戰力量。

美軍的“體系”作戰思想可以追溯至上世紀80年代, “空海一體戰”[2]、“網絡中心戰”[3]等早期作戰概念依托信息網絡實現信息共享與協同作戰, 將信息優勢轉化為戰斗力, 向水下延伸的“水下網絡中心戰”[4]有力推動了水下軍事信息網絡與水下作戰網絡體系的快速發展。在新的歷史時期, 懾于我國不斷增強的“反介入/區域拒止”能力, 美軍先后提出“分布式作戰”[5]、“馬賽克戰”[6]等先進作戰概念, 意圖重塑強化其體系作戰能力, 形成不對稱優勢。“分布式作戰”將昂貴的大型裝備的功能分解到大量小型平臺上, 依托高效的信息網絡系統實現“靈活作戰部署”和“多域協同作戰”; “馬賽克戰”將戰場作戰要素按照功能分解為最小的功能節點, 通過智能信息網絡對節點靈活組合形成具有高彈性、強抗毀能力的殺傷網。

基于上述作戰概念, 美軍針對海戰場啟動了跨域海上監視和瞄準系統(cross domain maritime surveillance and targeting, CDMaST)項目[7], 將體系作戰功能進行分解并分配到艦艇、潛艇、長航時無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)/無人水面艇[8]/無人機、反艦導彈、快速遠程水下武器系統以及海底預置系統[9]等要素資源上, 形成廣域(百萬平方公里)、分布式、靈敏探測攻擊網絡, 徹底改變現有以航母編隊為核心的制海作戰模式。

上述先進作戰概念在水下戰場的延伸, 將加快水下戰場各類要素資源的功能化分解, 推動水下智能信息網絡對作戰要素進行靈活組合與資源共享, 從而形成適用于任何場景、可動態重組的水下體系化作戰能力。

文中從網絡信息體系概念出發, 對基于要素能力重組的網絡信息體系概念、體系特征和匹配規則進行了說明, 在對體系能力、體系要素和交互方式分析的基礎上提出了基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系架構設想, 并對服務模式進行了舉例說明, 探討了未來水下軍事網絡信息體系建設需要重點關注的幾個方向。

1 基于要素能力重組的網絡信息體系

網絡信息體系是從軍事信息系統網絡化發展衍生出來的概念, 以網絡為中心, 以信息為主導, 充分利用網絡和信息在作戰要素資源配置中的優化和集成作用, 將陸?？仗祀姸嗑S戰場空間的各類作戰系統資源進行要素整合、全網共享和深度交融, 形成一體化聯合作戰能力[10-11]。

基于要素能力重組的網絡信息體系與現有網絡信息體系概念不同的地方在于將“要素整合”拓展為“要素能力整合”, 對作戰要素進行能力或功能的最小化分解, 分解后的能力按照不同作戰目的進行動態柔性重組形成戰場服務, 以組合服務的形式對外提供多樣化作戰能力支撐, 滿足各種軍事作戰任務的能力需求。在基于要素能力重組的網絡信息體系中, 各類功能異質的戰場資源可以跨域融合與協同運用, 高效且可重構的作戰網絡加速推動信息力向戰斗力轉換, 感知、決策及交戰等作戰要素按照任務需求進行動態柔性組合, 實現面向任務的要素能力實時動態智能集成。

在該體系中, 同一作戰服務可以由不同作戰要素提供, 如對外提供精確打擊服務可由巡航導彈提供、也可以由飛機提供; 同一作戰要素可被不同作戰服務共享調用, 如UUV既可用于偵察告警服務也可用于精確打擊服務。

基于要素能力重組的網絡信息體系細化了要素能力和功能, 進一步提升了戰場作戰要素的動態整合深度與資源共享力度。

1.1 體系特征

相較于傳統的面向特定作戰任務、戰場資源配置較為固定的軍事信息系統, 基于要素能力重組的網絡信息體系呈現出與眾不同的超系統、超網絡、能力化及服務化等典型特征[11-15]。

1) 超系統是指網絡信息體系規模組成巨大, 由眾多異質異構的作戰系統為完成共同任務目標聚合而成, 高維聚合后的體系能力更優、性能更強, 具備“1+1＞2”的戰場作戰效能提升本領。

2) 超網絡是指支撐體系的網絡規模巨大、連接復雜、節點多樣, 具有多重異構特性, 功能網絡相互嵌套, 邏輯層次依序銜接, 作戰要素分級指控, 信息數據多維流動, 有線無線協同運用。

3) 能力化是指網絡信息體系中對情報、指控、火力及保障等作戰要素進行了全面細致的作戰能力描述, 體系可根據實際作戰任務需求, 按照一定的信息關系對要素能力進行動態柔性組合。

4) 服務化是指網絡信息體系中對作戰要素的功能以服務的形式對外提供, 保證體系結構具有良好的松耦合性、動態演化性和可重用性, 實現作戰要素資源的靈活配置和充分共享。

1.2 匹配規則

現代戰場環境下軍事作戰任務繁瑣且關系復雜, 基于要素能力重組的網絡信息體系需要遵循特定匹配規則完成戰場資源科學高效的配置, 實現復雜軍事作戰任務與多樣異能作戰平臺間的合理匹配[10-11]。對體系中參與匹配過程的作戰任務、能力需求、服務、能力及要素做如下定義。

1) 作戰任務是指網絡信息體系中為完成某項軍事使命而實施的系列行動, 一項作戰任務需要一項或多項要素能力協同執行。

2) 能力需求是指為支持作戰行動順利實施, 需要由網絡信息體系生成并提供的體系作戰能力, 包括偵察監視能力、指揮決策能力、火力打擊能力以及綜合保障能力等。

3) 服務指網絡信息體系對要素能力進行服務化封裝, 依靠選取服務進行組合的方式為作戰任務執行提供探測、指控、打擊、防護及保障等具體實現途徑。

4) 能力是指體系要素在作戰活動中不可再分割的基本能力, 是體系作戰的根本支撐。通常一個要素實體具有一項或多項作戰能力, 根據任務需求以作戰服務的形式對外提供。

5) 要素指提供一定作戰功能并可獨立工作的單元實體, 是體系基本作戰能力的載體, 具有信息組網能力。可以是作戰人員、作戰平臺等獨立作戰節點, 也可是具備獨立作戰能力的作戰系統。

基于上述定義, 給出任務與要素匹配規則示意圖, 如圖1所示, 具體定義如下。

圖1 匹配規則示意圖

1) 任務需求匹配, 是指作戰任務通過分解提出能力需求, 能力需求保障作戰任務順利執行。如水下對潛攻擊任務的執行離不開對潛預警探測、對潛精確打擊等能力的支持。

2) 需求服務匹配, 是指根據能力需求選取作戰服務, 通過服務組合提供能力支撐。如對潛預警探測能力可能需要水面、水下及海底的聯合探潛服務支撐。

3) 服務能力匹配, 是指根據作戰服務調用重組要素能力, 要素能力為作戰服務提供實現手段。如水下探潛服務可由單一或多個要素的探測感知、分類識別及態勢生成等能力重組實現。

4) 要素資源配置, 是指根據調用能力確定作戰要素, 具備相同能力同時滿足約束條件的要素均可列入作戰要素資源配置計劃。

在基于要素能力重組的網絡信息體系中, 各作戰要素按照統一標準完成能力描述, 根據不同作戰需求通過信息交互、能力組合完成服務化封裝, 為體系作戰提供多樣服務支持, 如水下探潛服務可以由水面艦、潛艇、潛標系統或UUV集群等不同要素單獨或組合提供, 對外提供水下探潛服務時無需考慮具體是由水面艦還是潛艇提供, 當然實際服務的選擇需要考慮部署海域、機動能力等約束條件的限制, 約束條件越少可選擇的服務手段越多。服務與要素的松耦合性能夠保證作戰要素的靈活配置和充分共享, 確保體系結構具備良好的抗破壞性和動態演化性。

2 基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系

基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系是以水下信息網絡為中心, 以信息為主導, 將水下空間預警探測、指揮控制、火力打擊、保障支援等各類軍事作戰資源要素進行能力分解與重組, 實現要素能力整合、網絡共享和深度交融, 最終形成水下一體化聯合作戰能力。該體系以水下作戰服務形式對外提供多樣化作戰能力支撐, 能夠滿足水下多種作戰任務需求。該體系能夠靈活配置水下戰場作戰資源要素, 實時高效獲取水下戰場態勢和傳送作戰指令, 快速和有效地執行各種水下作戰任務, 是增強水下精確打擊能力、奪取制海權和形成水下空間威懾的必要條件, 是構成海洋安全不可分割的有機組成部分。

2.1 體系能力

體系能力不是水下各作戰要素能力的簡單疊加, 而是圍繞軍事使命和任務需求對各作戰要素能力進行動態重組、有機融合形成的聯合作戰能力。基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系能力主要體現在以下幾個方面。

1) 作戰資源網絡接入。水下作戰資源要素可通過有線或無線手段接入水下信息網絡, 通過網絡對接入的各類要素資源統一管控、按需共享。

2) 作戰資源能力描述。采用統一和標準的能力評價體系對水下作戰資源要素功能/能力進行客觀描述, 對要素能力進行最小化分解產生獨立于實體軟硬件平臺的作戰能力庫。

3) 作戰要素能力重組。根據不同的作戰目的對要素能力進行調用重組, 形成多樣化作戰服務, 通過要素能力的服務化封裝實現要素資源靈活配置和充分共享。

4) 任務要素動態匹配。根據水下戰場作戰任務動態變化, 進行作戰要素的服務化匹配, 生成滿足任務能力需求的作戰要素資源配置計劃。

5) 資源協同運行控制。依據面向任務的資源配置計劃, 通過多種信息關系(指揮控制、同步反饋等)對水下作戰資源進行協同控制, 快速獲取任務所需的水下信息, 準確執行水下聯合作戰任務。

6) 多源情報融合處理。對來自異質節點的多源情報信息進行聯合處理分析, 實現情報快速一致表征, 根據作戰任務的情報需求進行服務化裝配, 滿足作戰決策需求。

7) 作戰信息共享分發。藉由體系網絡為水下各類作戰資源提供水下信息支持與服務保障, 依托信息共享實現水下信息力向戰斗力的快速轉化。

2.2 體系要素

體系要素指具有信息組網能力, 提供一定作戰功能并可獨立工作的體系組成要素[16], 如指揮中心、水面艦艇、潛艇、UUV、預置武器、潛標、浮標及水下能源站等, 根據功能特點可大致分為情報、指控、對抗和保障4類節點。

針對水下多樣化軍事作戰需求, 水下軍事網絡信息體系能夠細化對接作戰任務, 將分散的水下作戰資源要素進行能力聚合和服務封裝, 構建面向任務的具備柔性組織架構和動態調度資源能力的一體化作戰體系。

以潛艇為例, 其在水下網絡信息體系中具有多種要素能力, 如探測感知、數據處理、情報支援、指揮控制、信息對抗及火力對抗等, 在水下軍事網絡信息體系中可根據實際作戰任務需求進行服務化封裝, 實現潛艇作戰資源的靈活配置和重用共享, 滿足不同的作戰任務需求。

此外, 從構建新型作戰體系角度也可以對能力短板和服務缺口進行逆向分析, 催生出滿足未來軍事作戰需求的新質體系要素或新的技術方向, 如仿生智能平臺、新質對抗武器等。

2.3 交互方式

基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系的交互方式反映了體系要素間的相互作用和影響關系, 按照要素功能側重點的不同, 交互方式可分為保障與共享、指揮控制、同步與反饋[17]。

1) 保障與共享。水下信息感知節點獲取的情報信息通過水下信息網絡提供給情報處理節點,生成的標準情報信息通過信息網絡提供給指揮控制節點, 水下信息感知節點間也可以共享各自獲取的情報信息, 水下綜合保障節點可對其他節點提供諸如安全防護、同步授時等資源保障支持。

2) 指揮控制。指揮控制節點在戰場態勢一致理解基礎上進行智能決策指揮, 指控命令通過水下信息網絡下達對抗攻擊節點, 指揮引導節點對敵持續跟蹤或對抗打擊。

3) 同步與反饋。綜合保障、情報處理、指揮控制、對抗攻擊的同類節點間可進行狀態同步與反饋,實現綜合保障、聯合處理、同步指揮、協同打擊。

2.4 體系架構設想

按照上述要素組成、匹配規則與交互方式, 提出該體系架構設想, 如圖2所示。該體系以水下綜合信息網絡[4,18]為核心,以信息聯通水下空間作戰要素, 完成戰場作戰資源要素的靈活配置與充分共享, 助力信息力向作戰力的實質性轉變。

水下綜合信息網絡不僅是信息的載體, 也是能夠支撐全網形成最大化作戰能力的信息基礎設施, 為全網資源優化調度、自主協同、能力聚合提供基礎和支撐; 信息主導作戰力量的協調, 是體系中作戰要素互聯互通、有機結合、相互協作、形成整體作戰能力的橋梁, 對作戰要素的協作服務結構和指揮控制結構起到決定性作用。在體系設想中, 體系作戰要素進行統一細致的能力描述, 根據不同的水下作戰需求通過信息交互、能力重組完成服務化封裝, 形成能夠滿足軍事作戰任務需求的各項服務, 如水下探潛服務、快速掃雷服務、水聲對抗服務等。根據實際戰場需求對服務進行靈活組合即可支持水下多樣化作戰, 如水下探潛服務與水下攻擊服務組合可完成對潛精確打擊任務, 水下探潛服務與水聲對抗服務組合可完成對潛壓制驅離任務。

圖2 基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系架構設想

2.5 體系服務模式

將體系作戰要素的能力/功能進行分解, 再以作戰服務的形式進行重組, 通過服務組合提供作戰能力支撐, 可根據戰場動態任務進行作戰要素的動態匹配, 具備高彈性、強抗毀的水下體系化作戰能力。

體系中, 同一作戰服務可由不同作戰要素的能力重組形成, 服務與要素間具有良好的松耦合性, 如對外提供水下探潛服務時無需考慮是由水面艦還是潛艇提供, 提供水下攻擊服務時無需考慮是由潛艇還是UUV提供, 提供水聲對抗服務時無需考慮是由UUV還是潛標提供, 從而保證水下軍事網絡信息體系作戰要素的靈活配置和充分共享, 在水下作戰中部分要素的損毀不影響體系作戰能力的連續支持與作戰任務的順利執行, 當然實際服務的選擇需要遵循使用約束條件的限制。

以遠海對潛探測作戰任務為例, 需要體系提供對潛預警探測服務, 則無需考慮是由我方潛艇、獵潛艇, 還是反潛無人艇/UUV/潛標/浮標/坐底標提供, 只需考慮探潛速度、搜潛區域、探測范圍等約束條件對服務的限制, 對滿足約束條件的服務進行組合, 在滿足任務需求的同時保證體系作戰資源的靈活配置與共享, 如圖3所示。

當對潛預警探測服務因為敵方偵察驅離我方潛艇、攻擊我反潛無人艇導致任務被迫中斷時, 水下網絡信息體系可通過其他作戰要素, 如UUV集群、偵察潛標、探測坐底標等的能力重組繼續提供對潛預警探測服務, 保證水下作戰任務的連續執行, 體現出水下軍事網絡信息體系良好的抗破壞性和動態演化性。

圖3 遠海探潛作戰設想

3 重點發展方向

基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系能夠充分發揮信息和網絡在水下戰場資源配置中的優化集成作用, 實現信息賦能、網絡增能和體系聚能, 但相較于水面以上作戰空間的體系化進程, 水下空間作戰要素在通信、探測、處理及對抗等多個方向上的能力短板使得水下網絡信息體系建設難以快速推進。

為了構建高彈性、強抗毀的水下軍事網絡信息體系, 需要大力推進水下低成本、分布式、無人化、智能化及網絡化作戰要素的快速發展, 實現水下作戰任務與作戰要素的動態演化匹配。因此, 文中從體系作戰要素角度簡要探討了未來基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系建設需要重點突破的部分發展方向。

1) 開發無人系統, 實現對潛大范圍跟蹤和探測。無人系統適用海域廣、架構靈活, 美海軍將無人系統作為彌補潛艇規模不足、創生新的水下作戰能力的首選。

2) 采用潛布系統, 形成新型水下集群作戰能力。潛布系統以潛艇為母艇, 布放后前出執行情報監視偵察和打擊任務, 美海軍將其視為延伸潛艇“手眼”、擴大潛艇控制范圍、保護潛艇安全的有效手段。發展的主要潛布系統包括“藍鰭-21”UUV、大排水量UUV、近海水下持久監視網等。

3) 發展新型補給和導航技術, 提高持續作戰能力。為了彌補水下平臺續航力的不足和減少對全球定位系統(global positioning system, GPS) 的依賴, 美國研發了“UUV水下母港”和“深海定位導航系統”2種新型保障裝備。前者可對UUV進行無線數據中繼和充電, 后者通過在深海中布放聲源, 使潛艇、UUV等獲得連續高精度導航信息, 無需定期上浮修正累積誤差。

4) 研制變革性海底預置裝備, 控制關鍵海區。海底預置裝備是一種全新的水下裝備, 可以替代潛艇提前部署在關鍵海區的海底, 長期待機。美海軍研發了“上浮式有效載荷”和“海德拉”2種預置裝備。前者預置在深海, 由運載器、有效載荷、通信系統等組成, 通過水面艦艇布放, 可在4 km水深待機5年, 需要時遠程喚醒, 快速釋放無人機、傳感器和導彈等載荷, 執行情報監視偵察和打擊任務; 后者預置在近海, 可搭載數個小型無人機和UUV, 由水面艦、潛艇、飛機投放, 在水下待機數月, 需要時喚醒, 自主指揮負載執行反潛任務。

5) 開展海洋大數據融合, 引入人工智能信息處理技術。整合軍民水面-水下-海洋大數據云平臺, 推進數據資源的互聯互通, 引入機器學習、文本深度挖掘等人工智能信息處理技術提升海洋大數據的處理分析能力, 建立多層次、一體化的海洋信息組織架構。

6) 開發生物傳感器及仿生信息處理技術。經過長期的進化和自然優化選擇, 以海豚等為代表的部分生物已形成高效的生物聲吶系統和水聲通信能力。借鑒海洋生物在水下信息感知、探測與聲通信方面的卓越能力, 研究生物傳感器及仿生信息處理技術, 提升對水下目標遠距離的探測精度與容錯性, 是未來水下信息系統需要發展的一個重要方向。

7) 利用生物感知海洋環境, 進行水下對抗。海洋覆蓋面積巨大, 部署有人/無人傳感器網絡不僅工程巨大且無法滿足動態海洋環境信息的各種需求。海洋生物能高度適應周圍環境, 具有先天優勢, 應充分利用這種生物感知能力進行沿海、海峽等重要水域的探測預警。

4 結束語

文中從基于要素能力重組的網絡信息體系概念出發, 對體系特征、匹配規則進行了簡要介紹, 提出了基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系概念, 對體系能力、體系要素、交互方式進行了解釋說明, 提出了體系架構設想, 舉例了體系服務模式, 并對體系未來建設發展需要重點關注的部分發展方向進行了探討。

后續將在體系要素能力描述、服務標準設計、資源均衡配置等方面對該體系架構和技術發展方向進行深入研究, 以期引出水下顛覆性作戰概念, 催生滿足未來水下網絡化體系作戰需求的新質作戰力量。

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Preliminary Study of an Underwater Military Network Information System of Systems Based on Factor Capability Reorganization

DU Fang-jian, ZHANG Yong-feng, ZHANG Zhi-zheng

(1．The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Zhengzhou 450047, China; 2. Zhengzhou Key Laboratory of Underwater Information System Technology, Zhengzhou 450047, China)

With the continual improvements to operational dimensions, the traditional centralized distributed system architecture and its attachment of informationized weapons and equipment have been unable to meet the operational requirements of future network system of systems(SoS). The construction of a super-system, super-network, capable-oriented, and service-oriented network information SoS should be created to address this situation. In addition, the innovation of strategic thinking and operational methods should be accelerated, and the operational form and operational force generation mode should be altered. In this study, the concept of a network information SoS based on factor capability reorganization is explained along with SoS characteristics and matching rules. Then, an underwater military network information SoS based on factor capability reorganization for underwater integrated joint operation is constructed. Based on analysis of SoS capabilities, SoS factors, and interaction mode, this study proposes the architectural design and service mode of an underwater military network information SoS and discusses some developmental directions that require major breakthroughs in terms of SoS factors. It is hoped that this study can be used as a reference for the future construction of underwater military network information SoS.

network information; system of systems(SoS); factor capability reorganization; service-oriented

TJ6; TB567

A

2096-3920(2021)01-0006-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.002

杜方鍵, 張永峰, 張志正. 基于要素能力重組的水下軍事網絡信息體系初探[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(1): 6-13.

2020-03-26;

2020-05-18.

國防科技創新特區項目資助.

杜方鍵( 1987- ), 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究方向為水下無人平臺與信息系統總體技術.

(責任編輯: 楊力軍)