一种基于马赛克战理念的协同作战系统设计——方案设想及关键技术探索

吴新峰 顾鑫 陆婷婷 邓志均

马赛克战按照马赛克拼图的思想,细化作战能力,使基本元素最小化,通过对小颗粒度兵力基本元素排列组合,实现不同形式的灵活兵力设计,马赛克战按照功能对作战平台进行分类,利用信息网络,实现作战平台间的灵活协作,形成多条完整的OODA循环(即“观察(Observe)-判断(Orient)-决策(Decide)-行动(Act)”)和杀伤链,提升己方适应能力,给对手制造多重困境,阻止其实现目标[1−3].

1 问题的提出

马赛克战提出了一种面向未来的新型兵力设计方法[1],马赛克战最大优点在于功能分解和灵活重组,借鉴马赛克战理念,构建面向分布式集群的协同作战系统,为对手的防御系统制造更多困境,将极大地提高协同探测、突防、对抗和打击能力,提升作战灵活性和动态响应性[4−5].

目前,关于马赛克战作战概念的研究比较多,如何基于马赛克战思想构建应用系统的相关研究较为少见.文献[6]提出了一种面向航母编队的任务能力需求分析方法但并未给出如何动态重组服务以适应动态战场环境,文献[7]针对体系作战,提出边缘C2的背景和概念,并针对边缘C2模式机理进行了深入分析但缺乏系统构建方法的描述,文献[8] 面向指挥控制、情报博弈的智能对抗,提出了涵盖“云、网、边、群”的陆战场平行智能网络信息体系架构,并针对关键领域给出解决思路,文献[9]提出基于马赛克战思想构建面向国土防空的作战体系架构,但并未给出具体的实施途径.

综上所述,在基于马赛克战理念构建面向分布式集群的协同作战系统方面,缺乏完整、成熟的系统方案和成功的案例,因此,开展基于马赛克理念的协同作战系统设计研究具有重要意义,本文在分析马赛克战概念的基础上,提出一种方案设计,提炼系统构建中的关键技术,梳理美军支持相关项目,为我国开展分布式协同作战系统研制提供参考.

2 马赛克战概念解析

2.1 发展历程

马赛克战概念最初由美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)战略技术办公室(Strategic Technology Office STO)前主任托马斯·伯恩斯等于2017年提出,意在借鉴建筑领域的马赛克设计,聚合高新技术,构建类似马赛克瓦片的作战体系.与以往发展昂贵、复杂大型平台的思路不同,马赛克战将大量低成本、低复杂度,具有高度自适应能力的可重组单元,采用搭积木的方式,建成一个功能强大、可灵活重组的作战体系[3,10−11].

2018年,STO 主任格雷森对马赛克战的概念进行了发展和解读,格雷森在同名报告中从美国的不对称优势正在消退,现在武器系统开发的响应缓慢困局,精良武器系统发展部署时间不能承受之痛等方面对马赛克战的必要性进行了分析,报告指出马赛克战快速联合多域杀伤,是解决上述问题的一剂良方[3,10−11].

2019年6月,STO 发布“战略技术”跨部门公告(Broad Agency Announcement,BAA),提出围绕马赛克技术、马赛克效果网服务、马赛克试验、基础战略技术4个方面推进马赛克战落地[10],同年9月,米切尔航空航天研究所发布戴维·德普图拉等撰写的《马赛克战:恢复美国的军事竞争力》报告,对马赛克战概念进行了进一步完善,报告深入分析了开展马赛克战的必要性,认为马赛克战是美军应对中俄威胁,自身转型的需要,也是恢复美军竞争力的重要途径[1,10−11],报告还详细分析了实施马赛克战的可行方法,预期的优点和面临的挑战[10−11].

2019年11月以来,美防务智库战略与预算评估中心(Center for Strategic and Budgetary Assessments,CSBA)先后发表《赢得看不见的战争:美国在电磁频谱中获得持久优势》、《夺回海上优势:为实施决策中心战推进美国水面舰艇部队转型》和《马赛克战:利用人工智能和自主系统实现决策中心战》等多份报告对马赛克战在电子战、水面舰艇作战中的兵力设计、指挥控制流程进行了深入分析[2,8,12],马赛克战被认为是通往决策中心战的重要途径,决策中心战是美军一种重要的新型作战概念,采用新的致胜理论,意在使美军指挥官做出更快、更有效的决策,同时又降低对手决策的质量和速度[2,12].

2.2 概念精髓

马赛克战是一种面向未来的兵力设计,利用信息处理、计算和网络方面的最新能力,通过先进的网络实现无缝的跨域信息共享.马赛克战将雷达、火控、导弹等作战力量进行功能分解,分散部署,利用信息网络形成一个高度分散的杀伤网,以确保美国军事体系在竞争环境中发挥效能,并使美军的目标节点最小化[1].

马赛克战的作战要素或节点是基于OODA环构造的,即观测节点、判断节点、决策节点和行动节点.跨OODA环是通过高级数据链实现的,观测节点相互协作,向判断节点提供多维观测,从而形成作战域的图像.基于此作战图像,决策节点同时激活多个杀伤路径,以在指定的目标上创建所需的效果.杀伤路径一直保持激活,直到目标摧毁,随后,指定的行动节点会转移打击其他目标[1,5].

在马赛克战作战概念架构示意图,如图1所示,飞机并非实际的飞机,只是描述战斗区域内的概念性飞机的符号.图中最重要的符号是表示OODA环节点的颜色,以及表示同时和多重杀伤路径的概念和选择性数据链的连接,马赛克战作战概念中的判断和决策节点在整个作战区域中都是分层的,但最活跃的节点在前沿,姿态判断和指挥控制能力与适当的处理能力接近战斗区域的边缘可以提高行动的速度和准确性[1,4].

马赛克战中多条可能的杀伤路径同时自主运行,构成杀伤网,将决策节点放置在战斗区域的前沿是创建弹性部队的关键,分解的指挥控制元素以更严格和不可预测的方式(对对手而言)促进自协调的执行和弹性,如果敌人试图隔离在战区某些区域内活动的马赛克部队单元,马赛克部队判断节点和授权决策节点采用人工智能等技术自主决策,确保它按照命令的意图继续作战.

马赛克战将传统高价值平台分解成一系列最小的功能单元,通过适当的信息网络相互协作,具有作战企图更为隐蔽,力量组合更加灵活,马赛克战并不试图构建无所不在的强大网络,而是充分利用基础设施现状,形成自适应通信能力,使网络体系更具韧性,行动执行更加迅速,具有杀伤效果更加明显,安全防护更加有效等显著优点.

3 基于马赛克战理念的协同作战系统设计

3.1 系统架构

借鉴马赛克战功能分解、动态重组、快速响应的理念,采用云计算、虚拟化、服务组合等技术,构建战场全局统一资源视图,通过信息网络实现跨域无缝信息共享,根据不同任务、不同阶段、不同目标等具体作战需求,灵活、动态、自适应组合杀伤链路,形成高度分散、弹性健壮的分布式杀伤网,为对手的防御系统制造更多的决策困境,提升己方作战灵活性和健壮性,支撑分布式协同作战能力的形成.

基于马赛克战理念的协同作战系统,采用分层架构,由设备抽象层、资源管理层和资源服务层3层组成,如图2所示.

设备抽象层通过虚拟化技术[14−15],将不同厂家,不同类型,分散部署的武器平台、收发信机、红外传感器、可见光传感器、雷达、电子对抗装置、打击装置、处理器、存储器等物理设备进行抽象建模,统一表征,形成通信、探测、对抗、打击等虚拟资源组成马赛克组件能力集市.

资源服务层实现各类马赛克组件资源的创建、删除、修改、查询等管理[15−16],马赛克组件资源包括物理资源和服务资源两大类,物理资源包括探测、通信、计算、存储等实体资源,服务资源包括目标探测服务、目标跟踪服务、制导服务、飞行控制服务、数据访问服务、数据处理服务等软件资源.

服务组合层利用Web Service、服务组合[16−17]等技术动态组合、实时调度马赛克组件资源(包括实体资源和软件资源),通过多平台间协同探测、协同决策、协同对抗、协同打击,形成多条感知判断行动杀伤路径,支撑武器装备灵活运用,满足蜂群攻击、远程精确打击、防空反导等作战应用需要.

3.2 系统工作流程

基于马赛克战理念的协同作战系统的工作流程如图3所示,1)系统启动,2)循环执行下述子过程.3)执行资源维护管理子流程,4)执行任务处理子流程,5)结束.

图1 马赛克战作战概念架构示意图Fig.1 Notional diagram of mosaic warfare architecture

图2 基于马赛克战理念的协同作战系统架构图Fig.2 Architecture of cooperative operation system based on mosaic warfare concept

图3 系统工作流程图Fig.3 Diagram of work-flow of the system

资源维护管理子流程如图4所示,1)接收资源管理请求,执行本地资源的创建、修改、删除和查询操作,维护本地服务资源视图,2)基于平台间自组织网络,执行网络资源发现,形成邻居平台之间逻辑上的局部服务资源视图,3)对本地服务资源视图和局部服务资源视图进行融合处理,形成统一的全局服务资源视图,构建战场全局态势,4)执行战场态势理解,根据态势评估结果触发相应任务,发送任务事件,转1).

任务处理子流程如图5:1)接收任务,执行任务分解,2)映射分解后的任务到服务组合.3)判断当前是否有正在执行的任务,如果有正在执行的任务,转4),否则转5),4)执行服务资源调度冲突消解处理,处理成功转5),否则转1),5)顺序执行服务组合中的各个子任务,发送资源管理请求,调度相应服务资源,直到服务组合序列中所有子任务执行结束.

协同作战系统支持多个任务同时执行,同时可根据战场态势变化,自动触发新的任务,采用人工智能等技术进行自主决策和任务规划,自动重组作战力量,创造多条杀伤路径,为对手带来不确定性,加大对手决策的难度.

4 关键技术分析

马赛克战从概念到落地,技术上仍然存在诸多问题需要解决,美国DARPA针对马赛克战概念和相关技术开展了大量研究和实验探索,2020财年DARPA预算中马赛克相关项目占到总项目数的21%,经费占比高达35%.

结合美军支持的马赛克战相关项目,对基于马赛克战理念的协同作战系统构建中涉及的面向复杂环境的高可靠安全通信技术、基于开放式架构的资源管理与调度技术和基于协同的自主决策与智能任务规划技术等关键技术进行分析.

4.1 面向复杂环境的高可靠安全通信技术

图4 资源维护管理子流程流程图Fig.4 Diagram of sub-process of resource management and maintenance

图5 任务处理子流程流程图Fig.5 Diagram of sub-process of task processing

分布式作战的基础是在武器平台之间,武器平台上有效载荷与雷达、指挥部位、情报部位之间建立高安全高可靠通信,面向复杂环境的高可靠安全通信技术解决在复杂、动态、对抗环境下,不同武器、功能单元之间自适应的数据传输问题,同时避免被敌方探测,能够承受强干扰、电磁和网络攻击.

面向复杂环境的高可靠安全通信技术方面,DARPA支持的项目包括对抗环境下的通信(C2E),任务优化动态适应网络(DyNAMO)等,C2E是一个自适应通信系统,灵活的模块化硬件可以在不进行大量修改系统的情况下,实现功能更新并应对来自对手的威胁,C2E网络强大的包容性,允许作战空间中无线电类型的多样性和重复性,为作战部队提供了可靠、网络化、可扩展的信息分发支持[4,10−11].DyNAMO 解决通信网络中机载无线电网络彼此不兼容问题,可以实现信息在多种类型系统中自由无缝共享[4,10−11].

马赛克战更强调建设灵活、自适应、弹性的信息网络体系,未来应加强在通信降级下的自适应通信能力,强对抗等复杂战场环境下的高安全、高可靠通信能力研究.

4.2 基于开放式架构的资源管理与调度技术

功能分解后,协同作战涉及要素种类多,包括武器平台,传感器等功能单元,数据访问、数据处理等服务资源,要素颗粒度不同,结构异构,基于开放式架构的资源管理与调度技术基于网络传输能力,解决协同要素的统一管理、调度,要素间的互操作及系统集成问题.

基于开放式架构的资源管理与调度技术方面,DARPA支持了体系综合技术和试验(SoSITE)和复杂适应性系统和设计环境(CASCADE)等项目.SoSITE 聚焦于发展分布式空战的概念、架构和技术集成工具,利用现有航空系统的能力,使用开放系统架构方法在各种有人和无人平台上分散关键的任务功能,实现参战要素间数据和资源的无缝实时共享[4−5,10−11],CASCADE 旨在提供统一的系统行为视图,开发用于复杂自适应系统组合和设计的形式语言,实现统一理解和复杂的自适应交互[4,10−11].

协同作战系统并不试图构建一个强大、无所不在的网络,而是在战场可用网络条件下,采用软件技术实现自适应的信息分发,满足不同对抗条件、复杂环境的信息共享需求,未来应加强信息按需分发、精准推荐等技术研究,以提高不同网络条件下的信息共享效能.

4.3 基于协同的自主决策与智能任务规划技术

协同作战系统在高度非结构化和不确定的环境中,为了达到一个共同的目标,通过集中/分布式的方式自主的协调和选择多个混合平台之间的行为,使协同系统比独立控制单个平台具有更强的工作能力.基于协同的自主决策与智能任务规划技术解决协同作战系统在复杂战场中根据环境、态势变化自主选择对抗、打击、躲避、任务重新分配等行为的问题,模糊己方行动意图,为对手制造决策困境.

基于协同的自主决策与智能任务规划技术方面,DARPA支持了分布式作战管理(DBM),对抗环境中的弹性同步规划和评估(RSPACE),空战演进(ACE),自适应杀伤网(ACK)和进攻型使能集群战术(OFFSET)等项目,DBM和RSPACE 均基于分布式作战开发,解决通信中断等不确定战场环境中战斗管理的指挥与控制问题[4,10],ACE 通过发展空中视距内(WVR)机动(俗称近距离格斗或狗斗)自主化能力提高作战人员对自主化作战的信任,从而提高人机协同中的自主能力和指控交互信任水平[4,10],ACK 重点关注战术决策支持,帮助用户在空、天、陆、地面、地下和网络等不同作战域中选择传感器、效应器和支撑元件,以形成自适应杀伤链[4−5,10].

马赛克战注重己方的灵活重组和为对方制造决策困境,未来应加强人工智能技术在平台自主能力、博弈对抗方面的研究,以增强平台的适应性.

5 结论

马赛克战是一个面向未来的重要兵力设计概念.通过将传统的单平台及编队分解为不同的组成部分,构成多条杀伤路径,隐藏作战意图,为己方创造灵活性和自适应性,为对手制造决策困境,马赛克战必将对未来战争范式产生颠覆式影响,加强马赛克战技术跟踪研究,借鉴马赛克战相关理念,构建和优化适应我国实际的协同作战系统,对提升我军分布式协同作战能力具有重要意义.