舰载指挥自动化系统和战术应用软件的发展

董晓明 秦 克 石朝明 张 剑

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

舰载指挥自动化系统和战术应用软件的发展

董晓明 秦 克 石朝明 张 剑

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

为了适应现代高技术战争的特点，必须提高舰艇的智能化决策能力和装备的自动化能力。分析了我国舰载作战指挥自动化系统和战术应用软件在发展中面临的问题，提出数据融合、辅助决策和打击效果评估是指挥自动化系统最关键的应用支撑技术，是战术应用软件研制的重点。发展目标是整合全舰资源，实现战术应用软件与指控系统的一体化、集成化，作战系统的智能化、自动化，信息系统的扁平化、网络化，建立一个分布式的、自适应的、容错的实时网络计算环境。

作战系统；舰艇；自动化指挥和控制系统；应用软件；辅助决策

1 引言

在现代高技术战争中，参战兵种多，武器装备复杂，作战空间扩大，节奏加快，信息量剧增。面对这样的变化，依靠传统的指挥手段已无能为力。而指挥自动化作为一种先进的指挥手段，既能充分发掘技术潜力，在战争中体现现代科技的巨大优越性；又能有效地发挥指挥员的聪明才智和创造性，使其在战场情况瞬息万变、未知因素大量存在、决策要求精度很高的情况下，摆脱繁杂的非创造性工作，高效利用各类情报和数据资料，提高作战指挥效能。

指挥自动化系统也就是C3I系统。舰艇和编队的指挥自动化系统一般是属于战术级的，系统中的作战应用软件就是战术应用软件。从传统方式到自动化方式，作战指挥发生了划时代的变革，作战的时间、空间、手段、效能和影响也产生了巨变。作战指挥自动化系统之所以能产生巨大的战斗力，基本上是依赖这一系统中的战术应用软件。作战指挥自动化系统的水平高低，很大程度上也取决于它的战术应用软件的水平。

2 研究现状

2.1 国内发展现状及存在的主要问题

我国海军的舰艇指挥自动化系统于20世纪60年代中后期开始研制，80年代以来逐步在各型主战舰艇上装备。比起先进国家，我们虽然起步较晚，但是发展很快，取得了较大的成绩。

我国海军舰载作战指挥自动化系统和战术应用软件在发展的同时，目前面临着一些亟待解决的问题：

1）忽视指挥人员决策过程、方法与各种辅助决策系统的综合集成、资源整合，使作战指挥中要求连续的信息流割裂开来，影响作战指挥决策效能的提高。

2）战术应用软件对指挥人员的帮助有限，尤其是对作战指挥决策中作战方案的生成、评估等关键问题的支持能力还比较弱。

3）军事人员与工程技术人员之间缺乏沟通，需求分析经常停留在表层，没有抓住作战指挥流程及信息流程的本质。

4）缺乏统一的设计规范，不同层次的系统之间互连、互通、互操作能力差，“烟囱”林立，各自为政的现象比较普遍［1］。

2.2 国外相关研究

20世纪60年代，美国海军在1艘航母和2艘驱逐舰上装备的 “海军战术数据系统（NTDS）”就是较早的指挥自动化系统。后来经过3次更新，到70～80年代发展成为自动化水平更高的宙斯盾系统，并首次装备“提康德罗加”级导弹巡洋舰。该系统的战术应用软件功能强、性能好、可靠性高，非常具有代表性。90年代以来，美国海军已经在百余艘大中型水面舰艇上装备了这一系统。20世纪90年代，随着计算机技术革命的深入，美国开发出了“海军哥白尼C2系统”，以计算机全球网络为基础，投入大量具有人工智能的计算机，逐步用于专家系统、辅助决策、作战指挥、武器控制等方面，在作战指挥自动化方面又取得了新的进展。

国外先进的作战系统大力开展智能化运行设计，减少战位操作，同时减少舰员人数。目前正在服役的DDG－51“阿利·伯克”级宙斯盾驱逐舰的编制为345人，而排水量12 000 t的DDG－1000编制仅为125人，由此可见DDG－1000人员减少的幅度是惊人的。通过减少舰员，增强有效作战舱容载荷，降低了整个服役期间的运行成本，也促进了作战效能的提高。

DDG－1000作为美国海军具有革命性的、面向21世纪的新一代多用途水面舰艇，其主要使命是执行对陆攻击、前沿存在以及在进攻性海战中打击对方水面力量。一个覆盖不同作战平台和军种的通用、开放作战系统结构，是21世纪海上革命的核心。DDG－1000发展的关键技术之一，即“全舰计算环境（TSCE）”是向这个方向迈出的一大步。TSCE的开放性、伸缩性和可灵活配置的能力得到很大提高。该系统将有利于提高协同、加速现代化、减轻维护的工作量和降低生命周期的花费，获得全面的连通化、模块化和无人化［2］。

图1 全舰计算环境开放系统体系结构

TSCE是一个分布于全舰范围的开放系统环境，可用于战术或非战术用途。开放系统的接口和服务规范使部件经过最小的修改就可以在广泛的系统中使用，并提供与其他本地或远程系统部件的互操作性。通过借助先进的商业计算机处理能力、分布式／综合数据网络和软件开发，TSCE创造了一个“即插即用”的环境，同时支持快速、高性价比的应用软件开发、升级、集成、测试和发布。TSCE开放系统体系结构如图1所示，包括COTS实时操作系统和计算机、基于标准的中间件、领域服务及各种战术应用程序4层。每一层都使用商业的、通用的开放标准，在研制过程中非常强调“挑选标准而不是产品”。

3 软件研制应解决的关键问题

指挥自动化系统最本质的东西是军事信息的处理和军事活动的辅助决策，是复杂的人机系统，是分布式的多层次系统，是一个闭环的控制系统。作战系统的射手概念模型［3］，如图2所示。它完成任务的基本步骤包括：战场态势→信息获取→信息处理→辅助决策→作战方案→决策和执行→打击效果评估等。其中数据融合、辅助决策和打击效果评估是指挥自动化系统最关键的应用支撑技术，是战术应用软件研制的重点。

图2 作战系统的射手概念模型

3.1 数据融合

数据融合是指挥自动化系统的重要组成部分，涉及指挥自动化系统中多种传感器和各种信息源的有效结合，包括有用数据的获取、过滤、综合、相关和合成，以便进行态势和环境判定、探测、规划、验证、对抗以及战略和战术辅助决策等。

数据融合不是一门单一的技术，而是一门跨领域的综合理论和方法，它所涉及的技术是相当广泛的，主要包括基础理论和方法研究（如不确定性理论、事件代数和目标识别等）、模型开发和融合算法（如融合系统的结构、目标分类、数据相关算法、知识推理、数据融合的评估技术和度量标准等）、数据融合处理数据库和知识库的建立与管理，以及多传感器的控制与管理等［4，5］。

对于数据融合的方法，可以按表征数据融合的主要功能分为四级。一级融合主要是对传感器采集的目标空间状态和属性或标识信息进行融合；二级融合是指对战场的态势估计；三级融合是指对敌方的威胁估计；四级融合的关键是监视动态融合处理，在最佳控制传感器和系统资源基础上，达到精确、及时的预测，并通过反馈，提炼、完善整个融合处理过程。二、三级融合，即态势和威胁估计，是在决策级上进行融合的，不仅要采用多传感器信息的一级融合结果，还要采用其他情报源数据，这需要采用数据链在各数据融合节点间传送信息。

3.2 辅助决策

辅助决策是协助指挥员分析判断情况、确定作战方针、定下指挥决心的能力。辅助决策以人工智能和信息处理技术为工具，以数据库、专家系统、数学模型为基础，通过计算、推理和仿真等手段辅助指挥员制定作战方案和保障预案，组织实施作战指挥；完成作战模拟，支持部队训练等。为最有效地利用辅助决策技术，应深入分析在决策过程的各阶段，决策者最需要而计算机又能给予的帮助，明确决策者做什么，计算机做什么，使两者有效地结合起来。目前辅助决策技术的设计主要有三种类型：一种是以战术计算为核心，并利用运筹学知识和数学模型完成规定任务，即传统的运筹学方法；二是通过模拟军事指挥人员的决策思维过程与总结实战成功经验，建立以知识库为基础、以推理机为核心的军事专家系统来完成规定任务，即人工智能方法；三是决策者根据自己的判断和偏好，从多个备选方案选择一个优选方案，称为判断分析方法或者预案检测方法，这就把决策者的经验和智慧容纳在形式化的逻辑分析之中［4，6］。

辅助决策系统是通过指挥控制的自动化和智能化为指挥员和指挥机关服务的，首先是为指挥员服务，其目标是提高作战指挥决策的正确性和快速反应能力。随着高新技术装备的广泛使用，部队指挥员和指挥机关面临的指挥和管理工作越来越复杂、信息越来越多，提高指挥工作的效能，增强部队的战斗力、增强部队的实时响应能力越来越迫切地需要科学决策手段的支撑。准确掌握战场态势，准确进行情况分析和判断，进行科学的资源分配、部队部署，有效组织作战行动，提高快速反应能力，提高时效性成为辅助决策的主要任务。因此，系统中的辅助决策应达到以下目标：为指挥员提供实时战场态势和非实时情况信息；提供态势要素、威胁要素、决策要素的分析估计结果，为指挥员提供决策依据；提供多个备选方案，供指挥员决策时选择；具有人机交互决策能力。

除了传统的战场态势外，在辅助决策过程中越来越重视环境的作用。作战环境对武器装备特性、目标特性、人员战斗力以及战法等起着重要作用，而且由于军事技术的日益综合和交叉，它已成为提高战斗力、并使武器装备保持优势的关键因素之一。例如大气波导环境对舰载雷达系统的探测距离有很大的影响，水文三要素（温度、盐度和深度）、海洋内波等水声环境对潜艇、声呐、鱼雷等武器装备作战性能的充分发挥有重要影响。因此，迫切需要建设一个有效的作战环境辅助决策系统。美国在“环境效应技术”方面具有领先优势，而我国目前相关的研究和试验工作还处于起步阶段。其基本内容包括对海洋环境和大气空间环境要素及其变化的探测、表征、预测、建模与仿真，以及与武器系统的相互作用等。

3.3 打击效果评估

自1992年的海湾战争后，打击效果评估越来越受重视，已发展成为当今世界一个方兴未艾的研究领域。宙斯盾作战系统的AN／SPY－1D多功能相控阵雷达具有目标搜索、处理、跟踪和攻击（导弹制导）等多种功能，导弹引爆后，AN／SPY－1D雷达还可以进行杀伤效果判断，决定是否需要再次对目标实施拦截。我国目前的指挥自动化系统在这方面差距较大，作战指挥系统基本上不具有打击效果评估能力。

基于图像理解的打击效果评估是在对目标实施打击后利用各种成像传感器（如光学照相机、雷达等）对打击目标进行观察得到打击后的图像，结合目标其他信息，如打击前的目标图像以及与目标有关的其他信息（如目标模型），利用计算机提取目标的特征（如目标轮廓）及打击部位，通过对打击部位的分析及建立数学模型，进行打击效果评估［7，8］。

目标识别和打击效果评估的准确性很大程度上取决于所使用的图像融合技术。图像融合是综合来自不同传感器的多源图像信息，通过对多幅图像信息的提取与综合，从而获得对同一场景／目标的更为准确、全面、可靠的图像描述。在图像融合的信号级融合、像素级融合、特征级融合和决策级融合4个级别中，像素级图像融合尽可能多地保留了场景的原始信息，有利于图像的进一步分析、处理与理解，进而提供最优的决策和识别性能。

为了实现打击效果评估和自动识别，系统应包括目标检测、目标提取、特征提取和分级评估等功能。同时，一个较好的打击效果评估系统必定有内容丰富、资料齐全的数据库和知识库。舰船打击效果评估的知识库主要包括舰船特征库、打击部位特征库、打击效果评估知识库等。借助知识库对目标的打击效果如是否摧毁、摧毁程度以及目标受摧毁部位等进行评估。

应该注意到图2中传感器获取的信息不仅用于目标识别、建立航迹等，还应该包括支持打击效果评估的数据。另外，作战指挥控制的信息不仅来自本平台的各种传感器，还有来自网络的、跨平台的信息源，这也反映了传统的平台中心战向网络中心战的转变。

除了数据融合、辅助决策和打击效果评估之外，其他共性支撑技术还包括网络技术、文电处理、图形图像、数据库和软件工程等。我们认为目前战术应用软件的研制重点在于：

1）开展舰艇智能化决策的理论、方法研究，同时需要建立必要的仿真环境进行充分的验证和检验；

2）相关算法研究，提高数据融合和目标识别的准确性；

3）提高舰艇的信息化能力，战术软件和指控系统、平台和作战系统不能各自为政，应实现资源整合和信息共享；

4）建立全舰计算环境，软件构件化，提高软件复用水平，减少低层次的重复开发和资源浪费。

4 总结及展望

海上网络战是未来海军新的作战样式，它依赖于武器装备之间以及跨平台的网络连接和高效通信手段，更依赖于分布式、智能化、自动化的作战指挥系统，以实现海上编队分散兵力的自主协同、分布式决策，达到快捷的作战效能。

战术软件的一体化、集成化。战术应用软件与指控系统进行一体化设计、综合集成和资源整合，彻底消除“两张皮”的现象，为指挥人员提供无缝的、得心应手的决策支持。战术应用软件与作战仿真系统、模拟训练系统集成为一个整体，以便作战方案能够得到充分评估和验证。这是指挥自动化系统发展的客观要求和必然趋势。

作战系统的智能化、自动化。智能化是作战软件发展的基本趋势。在信息化战争条件下，数字化战场瞬息万变，谁掌握了信息优势、决策优势，谁就掌握了战场主动权、控制权，才有可能赢得胜利。时间就是生命、时间就是胜利。必须借助高度智能化的作战指挥自动化系统，才能对战场态势做出准确、快速的判断并做出相应的指挥决策［9］。

信息系统的扁平化、网络化。在网络中心战的大趋势下，从舰艇自身到平台之间、军兵种之间的信息节点必须最大限度地实现互连、互通，构成一个分布式的、复杂的巨系统；同时以扁平化来减少指挥控制的层次，简化信息流程，实现快速的反应能力。应用的互操作建立在互连、互通的基础之上。

最终，我们要整合全舰的传感器资源、信息资源、作战武器资源，基于COTS技术和开放系统标准，建立一个分布式的、自适应的、容错的实时网络计算环境，并支持各种战术应用软件的快速开发和部署。

《2006年中国国防白皮书》明确指出“把信息化作为海军现代化建设的发展方向和战略重点，突出发展海上信息系统，加强新一代武器装备建设”。目前全军正在兴起一场以信息化为主题的新军事变革，信息系统的综合集成是作战系统集成的核心，指挥自动化系统及其战术应用软件也是信息系统发展的主流和重要研究方向。

［1］马龙，李剑雄，柳少军.作战指挥决策支持系统研究评述［J］.军事运筹与系统工程，2004，8（3）：48－52.

［2］尤子平.从美国海军能力转型看舰船新装备发展［J］.舰船科学技术，2007，29（3）：21－24.

［3］LU N H，CLIFTON I.Network Design Methodology for Network－Centric Operations［C］／／IEEE Sensors Applications Symposium，SAS'07，San Diego，California：USA，6－8，February，2007.

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［7］付文宪，李少洪，洪文.基于高分辨率SAR图像的打击效果评估［J］.电子学报，2003，31（9）：1290－1294.

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［9］梁军，石剑琛.网络化作战系统——指挥控制中枢的革命［J］.中国舰船研究，2007，2（1）：63－66.

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

海军装备预研项目（1010108010201）

董晓明（1975－），男，工程师，博士。研究方向：舰载作战系统、计算机系统结构。E-mail：phdotd＠gmail.com

秦 克（1963-），男，研究员。研究方向：作战系统、通信与信息系统