人工智能应用于海战场网络信息体系总体设计的关键问题

蹇成刚，王兆杰，刘 鹏，唐素纯，贾立好

(1.海装装备项目管理中心，北京 100001；2.中国舰船研究院，北京 100101；3.中国科学院自动化研究所，北京 100190)

0 引 言

网络信息体系是以“网络中心、信息主导、体系支撑”为主要特征，涵盖物理域、信息域、认知域、社会域的复杂巨系统，是按照统一的体系架构，统一的技术体制和标准规范构建，以共用信息基础设施为支撑，集成预警探测、指挥控制、信息对抗、战场环境等功能，以及政治工作、后勤保障、装备管理等各级各类系统的有机整体。网络信息体系具备组成系统独立运行、组成系统独立维护、组成系统区域分布，具备涌现行为，体系不断演化发展等特征[1-8]。

目前的网络信息体系总体设计尚未充分考虑需求多样性、边界不确定性、环境高复杂性、信息不确定性、响应高实时性、博弈高对抗性等复杂性瓶颈。一是缺少不确定条件下的军事需求向装备需求进行转化映射的指导方法；二是体系结构设计缺乏动态可执行验证，难以在设计阶段进行快速迭代优化，并且现有体系结构设计多基于静态场景驱动，未充分考虑战场环境存在的不确定性、多样性和复杂性等特点；三是体系要素集成和状态统一困难，需要耗费大量的人力物力驱动打通体系要素之间的壁垒，并且确保呈分布式状态存在的要素状态能够一致，以支持最基本的互联互通互操作；四是体系运行过程缺乏动态监测和弹性恢复设计，对抗环境下体系对任务的支撑能力难以预估；五是缺乏体系能力检验测试评估方法和手段，难以对体系能力和装备要素贡献率进行科学评价。

基于数据支撑、硬件算力、算法模型的提升，人工智能技术解决了深层神经网络模型的学习问题，使得机器具备自动表征复杂输入信息和从数据自主挖掘知识的能力；进而结合强化学习技术，使得机器进一步具备了自主学习和进化能力。这些人工智能技术应用于网络信息体系时，有助于挖掘关键需求、优化体系结构、推动能力升级，支撑构建敏捷高效、抗毁重构的作战体系。需要深入研究设计方法、支撑工具等关键问题，支撑网络信息体系总体设计。

1 人工智能技术最新发展分析

自2010年起，随着大数据、云计算、深度学习的兴起，人工智能迎来了第三次发展高潮——新一代人工智能；自2018年9月，美国国防先进研究项目局（DARPA）推出了“下一代人工智能（Next AI）”和“人工智能探索（AI Exploration）”两大计划，统筹推进智能科技发展及应用。

1.1 我国新一代人工智能技术发展分析

2017年我国发布了《新一代人工智能发展规划》，加快人工智能与经济、社会、国防的深度融合，构建开放协同的人工智能科技创新体系；2018年布局了科技创新2030——“新一代人工智能”重大项目。新一代人工智能技术以大数据、机器学习新算法、硬件计算能力的大幅提升为推手，呈现出井喷式发展态势。无人平台（无人机、无人艇、无人车、无人水下航行器、仿生机器等）自主智能系统已成为重点研究领域，基于网络信息体系的群体智能技术将成为重要研究方向，人机协同混合增强智能技术正在深入探讨和研究。

1.2 美国下一代人工智能技术发展分析

2018年9月，DARPA宣布启动“下一代人工智能”计划，寻求探索新的理论和应用，使机器从专门工具转化为解决问题的、可靠的“合作伙伴”。针对当前人工智能依赖大量、高质量的训练数据、缺乏语境推理能力、不能够适应多变环境、不具备可解释性等难题，“下一代人工智能”拟开发具有常识、能感知语境和能源效率更高的智能系统，使机器获得与人类类似的交流和推理能力，能够识别新场景、适应新环境。DARPA已布局智能科学基础科研项目，如机器常识项目、物理人工智能项目、终身学习机器项目、可解释性人工智能项目等。

1.3 军民融合背景下的军事智能发展分析

1）数据量不断积累，为军事智能发展奠定基础

伴随着分布在岸海空天潜各型各类传感器数量的不断增加、地方情报源和情报数据不断融入作战体系，以及不同部门和领域之间的数据壁垒不断打破，海战场网络信息体系的数据量呈现大幅增长，将为人工智能算法模型训练提供源源不断的素材，促进从海战场海量数据中积累经验、发现规律。

2）信息处理硬件技术加速演进，为军事智能提供运算能力支撑

面对以格式化文本、图片、音视频等多种形式存在的海战场数据，以及强实时、高频次的数据处理要求，传统的数据处理技术处理难以满足需求。以GPU，NPU，FPGA和各种各样的AI-PU专用芯片为代表的人工智能芯片，将加速深层神经网络的训练迭代速度，从芯片级提升大规模数据处理效率；采用“数据驱动并行计算”架构的NPU等人工智能专用芯片，具有低功耗和更高运算效率，能够支持海战场智能终端的信息处理能力提升。

3）云计算技术的发展运用，为军事智能提供基础资源整合手段

云计算技术在海战场网络信息体系的运用，能够支撑资源管理服务实现，支持资源快速部署和服务获取、进行动态可伸缩扩展及供给、以及面向海战场海量信息的快速有序化处理等，能够为基于作战云的各类智能应用提供资源整合交互的基础平台。强大的云存储和云计算体系架构，将促进神经网络模型的快速迭代优化，为智能化海战场态势感知和指挥决策提供基础平台支撑。

4）人工智能技术研究的不断深入，支撑军事智能算法模型优化及性能提升

深度学习、强化学习等人工智能技术在围棋竞赛（AlphaGo、AlphaZero）完全信息、德州扑克竞赛（DeepStack）不完全信息简单环境、空战系统Alpha AI不完全信息复杂环境等博弈对抗系统的成功应用，已展示出可通过人-机、机-机对抗数据，训练出远远超过人类水平的对抗型机器智能，自主挖掘出新规则、新战法，突破人类经验、认知的限制。真正意义上的人工智能即“强人工智能”，机器要实现真正的智能，已有引入因果论的人工智能技术的深入探索。这些均将为军事智能在各领域的可靠可信应用奠定基础。

5）自然人机交互技术不断发展，支撑军事智能新型人机交互模式构建

自然人机交互技术将极大提升海战场信息多维度展示能力、加速军事装备的操作效率、提升人机协同能力，最终将为军事智能新型人机交互模式构建提供基础支撑手段。

2 人工智能技术在海战场网络信息体系总体设计中的应用

2.1 海战场网络信息体系总体设计关键问题

新一代人工智能融入下的海战场网络信息体系将是“作战云+智能指控+智能终端”的人机物混合增强智能，总体设计工作主要包括需求分析、架构设计、智能应用、基础设施、演示验证等方面。

需求分析，重点以作战能力或作战活动为核心，解决作战能力需求向装备功能性能要求的映射转换，AI用于挖掘关键性需求。

架构设计，主要包括总体架构设计、信息架构设计、系统架构设计、技术架构设计等。

智能应用，主要从态势感知、指挥控制、火力打击、信息对抗、综合保障等方面出发，开展应用层面的智能化。

基础设施，主要从智能通信网络、智能作战资源管理服务等方面出发，开展基础设施层面的智能化。

仿真推演，重点构建基于体系对抗的仿真推演平台，支持对体系总体设计的仿真测试分析等。

2.2 面向智能融入的总体设计关键技术

1）海战场网络信息装备需求映射和可执行验证技术

综合考虑复杂海上环境下的网络信息体系总体设计面临的“复杂性、演化性、对抗性”等因素，如何以体系作战能力为结合点，“自顶向下”分解作战使命需求，“自底向上”进行资源的聚合与调整，并面向能力“涌现”快速进行体系要素集成验证，实现不确定条件下的军事需求向装备需求进行转化映射，尚缺乏适应海战场网络信息体系发展建设特点、成体系的指导方法、理论和工具。亟待突破需求不确定性建模、需求一致性分析和验证、网络化指标体系构建与分解、需求与功能自适应匹配交联等。从使命任务、能力需求出发，研究组件系统间的功能结构关系，规范服务化体系建模过程，提出体系结构静态模型与仿真模型转换方法，并研究模型校核、验证与确认的方法，验证体系模型的逻辑正确性，以及与实体物理模型的一致性，支持体系结构设计的可执行验证。

2）海战场网络信息体系建模技术

图1 人工智能融入关键问题描述Fig.1 Description of key problems in AI integration

建模分析海战场网络信息体系使命需求与能力空间范围匹配性，局部性能最优与全局最优的平衡，静态性能最优与动态演化性能的平衡，体系要素交互带来的“涌现性”，以及基于博弈分析的体系对抗过程等，并结合 “网络化、服务化、智能化”发展趋势，研究体系结构自适应以及功能快速演化机理。亟待面向近海全域作战和远海防卫作战需求，研究综合考虑网电、水下等作战空间全域融合，以及天基、无人系统等新质要素纳入的网络信息体系架构。构建服务化海军信息基础设施构建总体与集成框架，突破海战场自组织通信网系，跨介质智能通信、有人/无人作战资源统一管理与按需服务等，实现信息基础设施支撑下的各类海上作战资源全网共享、智能流转。

3）海战场网络信息体系弹性和安全运行技术

体系在面临攻击、扰动等条件下是否仍然具有完成关键任务的自修复能力；分析海战场网络信息体系的弹性过程和弹性要素，提出弹性度量方法，并考虑体系非线性交互带来的积累、级联、时延等效应，结合体系动态监测，探索体系弹性恢复机理；针对无线、异构的海战场通信特点，建模分析海战场网络信息体系的静态/动态稳定结构，并结合裕量/备用设计和动态重构，建模分析随机扰动/全域对抗条件下的海战场网络信息体系的动态特性；结合全域作战要求以及物联网、复杂系统理论研究，建立海战场信息系统安全运行理论。

4）海战场网络信息体系资源智能管理服务技术

海战场网络信息体系具有的动态性、异构性以及分布性等特点，为全域作战资源管理调度带来诸多问题和挑战，同时对作战资源管控粒度、范围、频度以及资源联动方面提出越来越高的要求，亟待探索基于作战云和人工智能的海战场网络信息体系作战资源管理，建立计算、信息、通信、传感器、武器等不同类型作战资源的调用模型和交联关系。描述多样化任务和作战资源之间的映射关系；基于深度学习等人工智能算法，研究复杂海上环境下不同作战单元间平衡和调整资源，实现作战资源“全网共享、按需流转”，满足多样化作战任务要求。

5）海战场网络信息体系仿真和集成技术

仿真推演是体系工程必不可少的环节，亟待统筹海战场各类作战要素，开展海战场装备模型建模、环境模型建模、作战模型建模、评估模型建模，面向体系能力生成开展全体系仿真和集成，构建基于体系对抗海战场智能仿真推演平台，支撑全域融合的海战场网络信息体系总体设计。

3 结 语

本文总结梳理了当前海战场网络信息体系总体设计中存在的瓶颈问题，结合新一代人工智能技术发展研究，面向基于网络信息体系的海上方向联合作战能力和全域作战能力构建，从人工智能融入角度出发分析了海战场网络信息体系总体设计的若干关键问题，为后续网络信息体系总体设计提供支撑。