面向人机协作的网络信息体系架构建模方法*

张兆晨，毛晓彬，黄松华

（1.中国电科第二十八研究所信息系统工程重点实验室，南京 210007；2.软件新技术与产业化协同创新中心，南京 210000）

0 引言

网络信息体系是一个包含传感器系统、指挥信息系统、武器系统、保障资源等多种作战要素的复杂大系统［1］，保证体系中各类要素的互操作性，统筹协调作战要素协同运作，是发挥体系效能的必要条件。体系结构是对复杂系统的一种较高层次的抽象。美军C4ISR 体系结构框架将体系结构定义为系统各部件结构、它们之间的关系以及制约它们设计和演进的原则和指南［2］。体系结构提供了一种描述和管理复杂系统的机制，通过统一的标准规范保证系统的互操作性，并帮助系统用户、设计者、实现者等各类人员对系统协同运行过程形成共同理解［3］。因此，网络信息体系的顶层设计需要一套科学有效的体系结构方法指导。

随着以“适应环境”［4］为特征的第三次人工智能浪潮［5］的到来，越来越多的智能信息系统、无人武器系统在作战中应用，辅助或代替作战人员实施目标精准识别、情况快速研判、协同火力打击等。因此，人机的高效协作将成为智能化战场下网络信息体系发挥作战效能的重要突破口。美军已着手部署开展了一系列的研究工作。美军在《人机系统科技发展路线图》（Human Systems Roadmap Review）［6］强调，人机系统整合（Human-Machine Systems Integration，HSI）是系统设计、研发和采办的重要组成，提出研究以人为本的人机编组技术，形成高效且自然的人机编队，增强作战效能。DARPA 于2016 年启动了“灵活编队”（Agile Teams）项目［7］，致力于实现高度灵活的人机混合编组的最优化设计，以更好地将人的认知优势与机器的特有能力相结合，从而打造智能编队以适应迅速变化的外部环境。随后，于2018 年启动了人机探索软件安全（Computers and Humans Exploring Software Security，CHESS）项目［8］，旨在使人与计算机协作推理、识别并修复新出现的高威网络漏洞。

DoDAF［9］、MoDAF 等主流体系结构框架很少考虑人的因素在系统建设中的作用。虽然UAF［10］、NAF［11］等体系结构框架提出了人因视角，但只是聚焦于对人员本身角色、功能、属性等方面的建模，并未涉及人与智能化系统之间的协作架构的描述。因此，建立一套面向人机协作的体系结构设计方法，对未来智能化作战条件下的网络信息体系顶层规划尤为重要。本文基于人机协作机理提出了人机视角模型，重点关注满足作战任务和作战能力的人机权限分配、人机协作活动过程及接口标准等体系结构描述，为面向人机高度融合的网络信息体系结构设计提供顶层指导规范。需要说明的是，这里的“机”涵盖计算机、信息系统、武器装备等智能化软、硬件作战系统。

1 人机协作机理

人机协作机理强调人在回路中的混合增强智能，以实现人机智能共生。在网络中心OODA 模型的基础上，分别建立感知网、指控网、打击网的人机协作环路，形成情报人员、指挥员、单兵等对情报感知、指挥决策、火力打击活动的协同反馈过程，如图1 所示。一方面，通过人机协作反馈过程能够不断完善智能化信息系统的知识库，优化智能算法模型，充分发挥人的思考和学习能力，弥补机器在认知方面的不足，帮助信息系统积累经验，更精准地识别目标、认知态势、理解任务、作出决策等，实现人机的最优编组。另一方面，在人机协作环路中人员有权在任一个OODA 环节干预、控制作战进程，充分发挥了人在回路的重要作用，赋予了人主导战争走向的权力。

1.1 感知网人机协作环

图1 基于人机协作的OODA 模型

传感器收集目标和打击情况，情报处理系统完成情报融合和目标识别，生成初始态势信息；情报人员和指挥所指挥员依据作战经验识别虚假目标和误判目标，并对综合态势进行修正，给出战场趋势的进一步研判；情报处理系统学习指挥员对目标和态势的判断结果，进行特征标记，更新目标库和态势预测模型库。

1.2 指控网人机协作环

指挥所指挥员理解作战意图，作战筹划系统形成初始敌我情况分析和任务分解结果，指挥员修正敌情、我情、战场情况和任务清单；作战筹划系统辅助指挥员制定作战构想，充当指挥员“参谋”制定形成多套备选的作战方案，指挥员审批后形成作战决心，再由作战筹划系统滚动制定作战计划，指挥员审定作战计划；整个过程中，作战筹划系统不断学习指挥员决策特征，更新情况分析、作战方案和计划制定的模型库，以便后续形成更加符合指挥风格、满足要求的备选方案和计划。

1.3 火力网人机协作环

火控系统锁定目标后，在需要打击决策或关键目标攻击时，向战术指挥员发送目标瞄准信息，由战术指挥员决定目标打击时人机、方式、协同关系等；战术指挥员具有在作战进程的任何阶段干预控制打击行动、重新部署火力计划等权力；单兵能够与智能化武器系统进行灵活编组，相互协作发挥最优作战效能。

2 人机视角设计内容

基于人机协作机理，借鉴Zachman 框架［12-13］和统一体系结构框架（Unified Architecture Framework，UAF1.0）［14-15］矩阵的视角模型构建方法，从场景、能力、职权、活动、效果、关系、分类、接口8 个方面的设计要素，提出网络信息体系结构人机视角模型矩阵，如表1 所示，人机视角模型描述如表2 所示。

3 人机视角设计方法

3.1 模型建模方法

3.1.1 人机协作模式（HMV-1）

表1 人机视角模型矩阵

表2 人机视角模型描述

人机协作模式（HMV-1）是基于使命任务和作战能力，结合当前系统的智能化水平分析得到的人员和系统之间的协作逻辑关系，通常以概念图或文档的形式描述。随着系统的智能程度不断发展，人机协作可以采用以下模式：

●主从式。人员通过控制指令直接管控系统，系统活动完全由人员控制；

●辅助式。系统充当人员的助手，人员可以向系统提出问题或需求，由系统自主进行求解，同时，系统也可以为人员提供主动建议；

●对等式。系统具备与人员相同的智能等级，人员和系统能够相互理解，决策时共同协商，人员和系统的地位对等；

●干预式。人员向系统下达任务，大部分活动由系统自主完成，在关键节点或必要时人员介入进行决策；

●混合式。在不同的活动阶段或不同的人员和系统之间混合采取主从式、辅助式、对等式和干预式的协作模式。

3.1.2 人机职权分配（HMV-2）

人机职权分配（HMV-2）明确了各领域、军种、部门的人员和系统所应承担的职责和具备的权力，具体为：

●职责。人员或系统为履行组织职能或完成使命任务，所负责的范围和承担的工作任务，以及完成这些工作任务所需承担的相应责任；

●权力。在职责范围内具有的支配和指挥力量。

在人机协作活动（HMV-4）建模后，需要将人机职权分配（HMV-2）的人员和系统的职权与活动相关联，以展现职权对活动的约束。

3.1.3 人机能力关系（HMV-3）

人机能力关系（HMV-3）通常用矩阵的形式映射表示人员能力与系统能力之间的关系，以指导和约束人机协作活动的分析。人机能力关系可以包含以下依赖关系：

●单向依赖关系。一种能力的实现依赖于另一种能力的实现；

●双向依赖关系。两种能力相互支持；

●正向影响关系。一种能力的提升会促进另一能力提升；

●反向影响关系。一种能力的提升会促使另一能力下降。

3.1.4 人机协作活动（HMV-4）

人机协作活动（HMV-4）是在人机职权、能力关系的约束下，描述满足使命任务、作战能力的协作活动过程，是产生人机协作能力效果的基础。通常采用泳道图的形式描述，分为人员泳道和系统泳道。协作关系可以包括以下两方面：

●人员与系统之间交互信息流，如指挥员向作战筹划系统下达方案审批决策；

●人员对系统的操作，如飞行员按下战机的导弹发射按钮。

人员/系统泳道内部可能涉及跨领域、跨军种、跨部门的人员/系统的交互，因此，为了区分人员与系统间的协作活动以及人员/系统内部的活动，并保证活动图的完整性，用虚线表示跨越人员和系统的信息流或操作，用实线表示人员/系统内部的信息流或操作。

3.1.5 人机协作活动效果（HMV-5）

人机协作活动效果（HMV-5）是对协作活动产生的能力效果的展现和度量，包含以下要素：

●人员活动；

●系统活动；

●效果属性；

●度量指标。

由于人机协作活动涉及人员活动和系统活动，因此，协作活动产生的效果属性应当涵盖人员活动和系统活动产生的效果。活动效果的度量指标可以进行阶段性增量分解。度量指标的阶段性增量通常是由于人员的决策和修正意见反馈给系统，系统学习人员，动态更新知识库，不断提升系统决策建议的准确性、理解性、全面性。

3.1.6 人机协作接口（HMV-6）

人机协作接口（HMV-6）约束人员和系统协作的接口规范，是实现人机互操作、互理解的基础，包含以下要素：

●接口连接的人员活动；

●接口连接的系统活动；

●接口标识；

●接口描述；

●接口标准。

人机协作接口可以是信息交互接口，也可以是行为操作接口，可以描述物理接口，也可以描述逻辑接口。接口标准是对交互信息的方式、容量、距离、安全等方面的要求描述，也可以扩展更多的标准属性。接口标准可以定性描述，也可以定量描述。

3.2 视角设计过程

人机视角设计以作战使命任务与能力为驱动，通过分配人机职权、描述人机协作活动过程、标准化协作接口来设计规划未来智能化作战中人机协作体系结构，人机视角设计过程如下页图2 所示。

图2 人机视角设计过程

1）人机协作场景设计。依据使命任务、作战概念以及作战能力需求，设想未来人机协作模式，描述人机协作场景，形成人机协作模式（HMV-1）。

2）人机协作职权分配与能力关系分析。在协作模式的指导下，制定人员和系统的协作职责和权限，在此基础上分析人员能力和系统能力之间的依赖和影响关系，形成人机职权分配（HMV-2）和人机能力关系（HMV-3）。

3）人机协作活动与效果设计。人机协作职权约束了人员活动和系统活动配合的时机、交互的信息、实施的操作等。设计在人机协作职权规范下能够满足作战任务和作战能力要求的人机协作活动过程，形成人机协作活动（HMV-4），并将活动与人机职权分配（HMV-2）中的职权映射；分析通过协作活动，系统不断学习经验、提升能力所产生的活动效果的增量，形成人机协作活动效果（HMV-5）。

4）人机协作接口定义。基于协作活动，提出约束人员活动与系统活动交互接口的标准规范，形成人机协作接口（HMV-6），保证协作活动的互操作性。

4 应用示例

以未来智能作战筹划的方案制定过程为例进行人机视角模型设计，其中，人员涉及指挥所内指挥员和参谋，机器主要是指挥所内的筹划系统。

4.1 人机协作场景设计

未来作战要求筹划系统具备方案自主制定与推演能力，指挥员和参谋只需进行方案选择与调整，因此，方案制定过程采用干预式的人机协作模式，人机协作模式（HMV-1）如表3 所示。

表3 人机协作模式（HMV-1）

4.2 人机协作职权分配与能力关系分析

基于干预式的人机协作模式，定义人员和系统的职权如表4 所示。HMV-3 赋予指挥员对方案的最高决定权，对参谋的方案评估、筹划系统的方案制定、推演提出职责要求。4.3 节设计形成人机协作活动（HMV-4）后再将关联的活动与职权映射。

在干预式的协作模式下，分析第1 层次的指挥员/参谋和系统能力，并建立人机能力之间的关系，如下页表5 所示。可以看出，依赖拟制多套方案能力（Cm1）的人员能力数量最多，表明该能力为关键能力，在筹划系统研制过程中应当重点关注该能力的建设。

4.3 人机协作活动与效果设计

表4 人机职权分配（HMV-3）

依据人机协作职权和能力的依赖关系，设计方案制定的人机协作活动过程：筹划系统制定多套方案（Am1），并进行自主对抗推演（Am2），将多套方案和推演结果发送给参谋人员进行方案比较优选（Ah1），参谋审定形成评估报告和指挥员审批建议，指挥员依据建议进行方案审批修订（Ah2）；参谋的方案评估报告和指挥员审批建议，以及指挥员的方案审批结论和方案修订结果都将反馈给筹划系统的制定多套方案（Am1）活动，以学习参谋和指挥员的决策习惯，制定出更加合理、满足需求的作战方案。人机协作活动模型如图3 所示。

图3 人机协作活动（HMV-4）

表5 人机能力关系（HMV-3）

图3 中的虚线连接了存在人机协作关系的活动。下面以筹划系统的制定多套方案（Am1）和参谋的方案比较优选（Ah1）的协作活动过程为例，分析协作活动效果。参谋对方案的理解程度、方案对筹划要素的覆盖率、方案生成的时效性都将反映筹划系统与参谋协作的效果。筹划系统制定的方案越容易理解、考虑的要素越全、生成的时间越短，则越有利于参谋依据上级意图进行方案评估，给出合理的推荐。协作活动过程产生的效果属性的两个阶段的度量指标增量如表6 所示。

4.4 人机协作接口定义

表6 人机协作活动效果（HMV-5）

表7 人机协作接口（HMV-5）

最后，定义人机协作活动的接口规范，为保证协作接口的互操作性提供基础，支撑开放灵活、敏捷适变的人机融合系统构建。以筹划系统的制定多套方案（Am1）和参谋的方案比较优选（Ah1）的协作活动过程为例，制定协作活动过程的接口标准，如表7 所示。

5 结论

随着智能信息系统与无人武器装备投入使用，高度的人机融合将成为趋势，网络信息体系的建设欲抢占智能作战的先机，必须建立一套支持人机高效协同的体系结构标准规范。本文提出的人机视角建立在人机协作的OODA 过程基础上，将人机协作中的权限分配、活动过程、活动效果、接口标准等要素抽象出来并形式化建模描述。在人机视角的规范下，人员与机器权责明确，各司其职，有利于优化作战流程，实现人员和机器能力的结合，涌现出更大的作战效能。