馬永龍

（武漢市江夏區(qū)藏龍大道709號 武漢 430205）

1 引言

未來海戰(zhàn)場信息戰(zhàn)實(shí)質(zhì)上就是計(jì)算機(jī)高層次的智能較量，近期幾場局部戰(zhàn)爭，充分體現(xiàn)了高技術(shù)戰(zhàn)爭的智能化特征。美軍針對未來信息化戰(zhàn)爭的要求，提出了“數(shù)字部隊(duì)”的現(xiàn)代化建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)指揮與控制系統(tǒng)以及武器裝備的智能化是方案的首要任務(wù)。武器裝備和作戰(zhàn)指揮的智能化，將最大限度地延伸人類智能，并成為提高軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的一個(gè)重要增長點(diǎn)，未來誰能在人工智能領(lǐng)域中取勝，誰就將取得新軍事革命的主動(dòng)權(quán)［1］。黨的十九大報(bào)告明確提出，“確保到二〇二〇年基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，信息化建設(shè)取得重大進(jìn)展，戰(zhàn)略能力有大的提升”，信息化建設(shè)要取得重大進(jìn)展，就必須大力發(fā)展作戰(zhàn)系統(tǒng)智能化的智能化水平［2］。

智能化艦載指控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)未來艦艇智能作戰(zhàn)的核心，其發(fā)展依賴于底層智能化基礎(chǔ)平臺的支持。全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE Total Ship）是海上信息化系統(tǒng)建設(shè)的重要裝備，代表了開放式體系架構(gòu)的最高水平，也是艦載指控系統(tǒng)的核心信息化基礎(chǔ)平臺，但目前尚缺乏對智能化應(yīng)用的直接支持。因此，對現(xiàn)有全艦計(jì)算環(huán)境的高性能計(jì)算、存儲、一體化網(wǎng)絡(luò)、面向服務(wù)架構(gòu)等軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級改造，使之成為智能化指控系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺，是一項(xiàng)亟需研究的問題。

2 智能化艦載指控的需求

當(dāng)前美軍正大力推進(jìn)智能認(rèn)知技術(shù)在軍用信息系統(tǒng)方面的應(yīng)用研究，并把它作為“第3次抵消戰(zhàn)略”的“高科技圣杯”［3～5］，圍繞智能化、自主化提出了5大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。重點(diǎn)是使用人工智能技術(shù)綜合利用人的洞察力與計(jì)算機(jī)的高靈敏度，提升指揮員的決策效力［6］。

未來海戰(zhàn)將進(jìn)人“秒殺”時(shí)代，特點(diǎn)是快速、復(fù)雜和多變。戰(zhàn)指揮控制將主要面向戰(zhàn)場態(tài)勢模型展開，面對P比特量級以上的數(shù)據(jù)，10毫秒量級以下的響應(yīng)速度（人的反應(yīng)速度為百毫秒量級），遠(yuǎn)超過人能夠達(dá)到的能力［7］。此外，人還會疲勞、易犯錯(cuò)、計(jì)算推理能力有限，傳統(tǒng)“人在回路”中的指揮控制方法必然超載［8］。用智能化機(jī)器大腦延伸指揮員人腦，從而輔助戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知和指揮決策制定，提升指揮員判斷態(tài)勢和制定決策的科學(xué)性和效率［9］。具體體現(xiàn)在以下七個(gè)方面：

1）信號識別處理

通過智能化方法，收集分析識別海戰(zhàn)場電磁信號頻譜、波形、編碼協(xié)議等有價(jià)值的信息，輔助指揮員生成識別建議。

2）海量情報(bào)分析

通過智能化方法，從海潛空天等大量多源異構(gòu)情報(bào)數(shù)據(jù)中提取支撐決策的關(guān)鍵信息和目標(biāo)價(jià)值、意圖等戰(zhàn)場局勢及變化趨勢等態(tài)勢認(rèn)知要素，輔助指揮員快速做出態(tài)勢判斷。

3）博弈式籌劃推演

通過智能化方法，實(shí)現(xiàn)方案計(jì)劃的自動(dòng)生成（含兵力、火力的自動(dòng)分配）、多域（時(shí)、空、頻、資源）沖突檢測與優(yōu)化、方案的臨機(jī)調(diào)整與修訂。從而減少人為因素的影響，達(dá)成遂行海上聯(lián)合作戰(zhàn)行動(dòng)參戰(zhàn)艦艇計(jì)劃層面上的一致。

4）指揮決策支持

通過智能化方法，克服大量未知不確定性的組合爆炸，基于戰(zhàn)場態(tài)勢判斷，輔助指揮員快速生成決策建議，提升決策效率。

5）無人平臺控制

自主化無人智能作戰(zhàn)平臺（如無人機(jī)、無人戰(zhàn)車、無人艇、無人潛航器）的大量使用，使指揮控制問題成為未來作戰(zhàn)行動(dòng)關(guān)注的焦點(diǎn)。通過智能化方法，提升有人與無人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)能力，實(shí)現(xiàn)更高效的人機(jī)智能融合。

6）指揮控制人機(jī)交互

通過智能化方法，提供語音識別、草圖識別、虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢感知、跨域協(xié)同研討等能力，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)高效指揮控制。

7）訓(xùn)練及作戰(zhàn)復(fù)盤分析

在實(shí)際軍事行動(dòng)中，人工智能技術(shù)可以自動(dòng)地記錄信息交換和決策制定的全過程，以便在事后總結(jié)時(shí)重放記錄，復(fù)盤分析，并作為有價(jià)值的案例大數(shù)據(jù)保存起來，供人工智能從中抽取知識或規(guī)則。通過智能化方法，從積累的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)中挖掘和學(xué)習(xí)敵方行動(dòng)規(guī)律，分析我方指揮員指揮命令、優(yōu)化戰(zhàn)法戰(zhàn)術(shù)和指揮控制模型算法，輔助指揮員發(fā)現(xiàn)問題和優(yōu)化策略，是提升裝備日常訓(xùn)練水平的重要途徑。

圖1 美國海軍開放式體系結(jié)構(gòu)分級示意圖

3 相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀分析

3.1 公共計(jì)算環(huán)境研究現(xiàn)狀

2002年，美軍負(fù)責(zé)監(jiān)督艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和發(fā)展的綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項(xiàng)目執(zhí)行辦公室，開始推行“開放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境”（Open Architecture Computing Environment，OACE），以提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成能力，增強(qiáng)艦艇武器平臺的先進(jìn)性、通用性和可重用性。美軍按照開放的程度將開放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境從低到高分為5級［10］，現(xiàn)役裝備分步、逐級提高，新研裝備直接采用最新開放式體系架構(gòu)技術(shù)。美國海軍開放式體系結(jié)構(gòu)分級如圖1所示。

第五級是全艦計(jì)算級，代表了開放式體系架構(gòu)的最高水平，典型特征包括：采用統(tǒng)一的信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺為應(yīng)用系統(tǒng)提供公共計(jì)算支持，大量使用公共業(yè)務(wù)功能服務(wù)，使應(yīng)用系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)能力、抗毀生存能力、靈活部署和快速升級能力，降低維修保障壓力，減少人員配置需求，有效提高艦艇裝備采用最新信息技術(shù)的能力，降低全壽命周期費(fèi)用。其技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 TSCE體系結(jié)構(gòu)

全艦計(jì)算環(huán)境TSCE以全艦計(jì)算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施（TSCE Infrastructure，TSCEi）為基礎(chǔ)，基于高性能的計(jì)算、實(shí)時(shí)／非實(shí)時(shí)的面向服務(wù)體系架構(gòu)（Service-CIrientedArchitecture，SOA）、實(shí)時(shí)發(fā)布訂閱（Data Distri—bution Service for Real—Time System，DDS RT）、虛擬化、一體化網(wǎng)絡(luò)等商用成熟的技術(shù)，集成外部通信控制、傳感器與裝備控制、艦船控制、武器控制、指揮控制等信息系統(tǒng)，是美軍最新的DDG1000驅(qū)逐艦十大關(guān)鍵技術(shù)之一，并廣泛應(yīng)用于福特號航母等新型主戰(zhàn)艦艇［11］。但隨著第三次人工智能浪潮的來襲，傳統(tǒng)的全艦計(jì)算環(huán)境急需融入對軍事智能化應(yīng)用的支持。

3.2 人工智能支撐技術(shù)研究

3.2.1 人工智能技術(shù)發(fā)展

人工智能技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，根據(jù)數(shù)據(jù)量和算法復(fù)雜程度的不同，可以大致分為以下三個(gè)階段［12］，如圖3所示。

圖3 人工智能技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等基礎(chǔ)支撐技術(shù)能力的顯著提升，人工智能目前已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)新的高速增長期。2016年，AlphaGo戰(zhàn)勝李世石，以深度學(xué)習(xí)為代表人工智能應(yīng)用進(jìn)入到一個(gè)新紀(jì)元［13］。接下來，深度學(xué)習(xí)在各領(lǐng)域中取得的突破可能會呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，機(jī)器智能水平也將呈現(xiàn)出指數(shù)型提升。專家預(yù)測的平均數(shù)據(jù)表明，2045年將是奇點(diǎn)到來之年，屆時(shí)機(jī)器的智能水平將超過人類［14］。

3.2.2 人工智能應(yīng)用

人工智能發(fā)展的最終目標(biāo)是要構(gòu)成人工智能應(yīng)用系統(tǒng)，解決實(shí)際問題［15］。在現(xiàn)階段諸如智能機(jī)器人、無人平臺等實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用場景中，往往基于人工智能計(jì)算框架和深度學(xué)習(xí)框架來開發(fā)面向需求的人工智能應(yīng)用系統(tǒng)。目前主要的人工智能應(yīng)用的場景如圖4所示。

圖4 常見的人工智能框架及應(yīng)用

人工智能計(jì)算框架具有高性能、低功耗、彈性可擴(kuò)展的特點(diǎn)。一般來說，人工智能計(jì)算框架結(jié)合深度學(xué)習(xí)框架來提升性能和計(jì)算效果。常見的人工智能計(jì)算框架包括Hadoop、Spark、Bigflow、Samza、Openstack等，相比傳統(tǒng)的單機(jī)計(jì)算，人工智能計(jì)算框架實(shí)現(xiàn)了分布式計(jì)算的能力。而常用的深度學(xué)習(xí)框架近年來已經(jīng)得到極大的發(fā)展，以Ten-sorFlow、Caffe、Deeplearning4、CNTK等為主要代表，深度學(xué)習(xí)框架通過特征學(xué)習(xí)和分層特征提取的高效算法，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算效率的大大提高。

4 艦載智能化指控架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 基于公共計(jì)算環(huán)境的智能化指控平臺設(shè)計(jì)

公共計(jì)算環(huán)境是全艦信息化業(yè)務(wù)的硬件基礎(chǔ)支撐平臺，未來大量的人工智能應(yīng)用對全艦計(jì)算環(huán)境的計(jì)算處理性能、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)訪問以及存儲等提出了新的要求。因此，公共計(jì)算環(huán)境不僅需要兼容適配各種不同體系架構(gòu)的軟硬件平臺等各種需求，還需要集成新的人工智能應(yīng)用設(shè)備，以滿足未來依托公共計(jì)算環(huán)境，各類系統(tǒng)開展業(yè)務(wù)功能應(yīng)用如目標(biāo)圖像、視頻的識別、作戰(zhàn)意圖判斷、智能武器決策等復(fù)雜高性能功能需求。

公共計(jì)算環(huán)境已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集裝箱式的在艦內(nèi)配置多個(gè)計(jì)算中心，能夠根據(jù)艦載信息系統(tǒng)的功能以及性能需求動(dòng)態(tài)分配相應(yīng)的計(jì)算資源。公共計(jì)算環(huán)境的智能化指控平臺采用開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可采用刀片式、機(jī)架式等計(jì)算單元進(jìn)行硬件集成，兼容目前的各類硬件組件形態(tài)，支撐計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)采用統(tǒng)一的技術(shù)體制。

智能計(jì)算設(shè)備安裝在通用計(jì)算服務(wù)單元中，可部署在公共計(jì)算環(huán)境的集裝箱內(nèi)。智能化指控平臺的全艦計(jì)算環(huán)境底層硬件支撐平臺包含了各類計(jì)算、輔助計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及人機(jī)交互和展現(xiàn)平臺，該硬件平臺以公共開放式的接口面向全艦系統(tǒng)應(yīng)用提供計(jì)算、存儲、顯示控制、網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了艦載各系統(tǒng)應(yīng)用的一體化運(yùn)行，有效地支撐全艦信息化應(yīng)用。

4.2 基于公共計(jì)算環(huán)境的智能化指控體系設(shè)計(jì)

公共計(jì)算環(huán)境采用開放式體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)硬件設(shè)備層、系統(tǒng)軟件層、支撐服務(wù)層的層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建。具體組成如圖5所示。

圖5 基于公共計(jì)算環(huán)境的智能化指控體系

具體層次結(jié)構(gòu)包括：

1）硬件設(shè)備層。包含公共計(jì)算環(huán)境集裝箱以及配套的人機(jī)交互設(shè)備。集裝箱內(nèi)包含有通用服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)交換設(shè)備、通用計(jì)算處理設(shè)備、管理設(shè)備、智能計(jì)算設(shè)備等。人機(jī)交互設(shè)備包含新型的顯控臺以及配套的交互設(shè)備。

2）系統(tǒng)軟件層。提供各種操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、硬件驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)軟件支撐環(huán)境；

3）基礎(chǔ)支撐服務(wù)層。主要包括基礎(chǔ)服務(wù)、服務(wù)管理、智能計(jì)算服務(wù)以及人機(jī)交互服務(wù)四類服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)提供各種專用設(shè)備驅(qū)動(dòng)與中間件，以及資源管理、安全服務(wù)相關(guān)中間件支持；服務(wù)管理提供服務(wù)化運(yùn)行和管理環(huán)境、信息共享等功能支持，并為與公共計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)體制不同的系統(tǒng)提供適配支持；智能計(jì)算服務(wù)由通用服務(wù)實(shí)現(xiàn)，可以嵌入通用服務(wù)與上層應(yīng)用之間，為上層應(yīng)用提供智能計(jì)算服務(wù)。人機(jī)交互服務(wù)提供各類人機(jī)界面支持服務(wù)。

相比傳統(tǒng)的公共計(jì)算環(huán)境體系，智能化公共計(jì)算環(huán)境增加了智能計(jì)算服務(wù)，艦載智能計(jì)算服務(wù)框架如圖6所示。智能計(jì)算服務(wù)設(shè)計(jì)包含了人工智能計(jì)算組件、基于深度學(xué)習(xí)的智能訓(xùn)練組件以及艦載智能應(yīng)用組件。

圖6 應(yīng)用全艦計(jì)算環(huán)境的智能計(jì)算服務(wù)框架

其中，人工智能計(jì)算組件圍繞大數(shù)據(jù)框架實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)分布式智能計(jì)算，報(bào)刊了統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲（HDFS、Hbase）、分布式計(jì)算框架（Hadoop、Storm等）、分布式緩存（Redis、Memcached）以及服務(wù)（Impala、Hive）。人工智能計(jì)算組件完成大數(shù)據(jù)的存儲以及智能服務(wù)應(yīng)用訪問?；谏疃葘W(xué)習(xí)的智能訓(xùn)練組件以深度學(xué)習(xí)算法為核心，針對艦載信息系統(tǒng)的智能功能，如目標(biāo)識別、行為識別、意圖判斷等，依托智能計(jì)算組件的統(tǒng)一存儲的數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練計(jì)算，并將結(jié)果存儲于統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲框架中。艦載智能應(yīng)用組件完成智能服務(wù)的應(yīng)用訪問并嵌裝于各類艦載人機(jī)交互設(shè)備中。

4.3 基于公共計(jì)算環(huán)境的智能化艦載信息系統(tǒng)集成模式

目前公共計(jì)算環(huán)境采用了面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，以對不同結(jié)構(gòu)平臺的艦載各類信息系統(tǒng)進(jìn)行全面集成［10］。引入智能化計(jì)算以后，需要對智能計(jì)算設(shè)備以及配套的軟硬件進(jìn)行綜合集成。智能計(jì)算設(shè)備通常為專用接口設(shè)備，而公共計(jì)算環(huán)境平臺上各系統(tǒng)的信息處理業(yè)務(wù)紛繁復(fù)雜，對平臺操作系統(tǒng)及中間件的要求也多種多樣。因此，采用了面向服務(wù)化的設(shè)計(jì)對智能計(jì)算資源進(jìn)行集成，可以提高應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行、部署的靈活性和適應(yīng)性。面向服務(wù)化設(shè)計(jì)和容器架構(gòu)能以一種松散耦合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的靈活集成，特別是針對新型的人工智能計(jì)算設(shè)備，能夠以通用的服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行集成，與艦載的信息系統(tǒng)公共采用了統(tǒng)一的訪問方式，降低了各類艦載信息型系統(tǒng)的集成難度。另外使各應(yīng)用系統(tǒng)能夠在容器內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行，增強(qiáng)了應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

圖7 應(yīng)用全艦計(jì)算環(huán)境的智能計(jì)算服務(wù)集成方式

全艦信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件平臺，針對各類系統(tǒng)應(yīng)用的需求，采用虛擬化技術(shù)及容器架構(gòu)，在硬件平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬化資源池，然后根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需求構(gòu)建不同的虛擬化操作系統(tǒng)供應(yīng)系統(tǒng)使用。針對智能計(jì)算資源，由于該類設(shè)備并不需要直接跟各類系統(tǒng)應(yīng)用直接交互，因此采用了統(tǒng)一的智能應(yīng)用調(diào)度方式進(jìn)行集成管理，以提高智能計(jì)算設(shè)備的使用效率。所有艦載的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)應(yīng)用均以服務(wù)的形式向?qū)?yīng)的容器資源進(jìn)行訪問，所有的應(yīng)用容器以松耦合的方式進(jìn)行管理。面向服務(wù)化及容器架構(gòu)的應(yīng)用集成示意圖如圖7所示。

艦載信息系統(tǒng)的各應(yīng)用軟件將部署、運(yùn)行在公共計(jì)算環(huán)境所提供的軟硬件信息基礎(chǔ)設(shè)施上。利用公共計(jì)算環(huán)境所提供的軟件服務(wù)化和人機(jī)界面應(yīng)用支撐功能，艦載信息系統(tǒng)中的顯示控制應(yīng)用部署、運(yùn)行在公共計(jì)算環(huán)境所提供的標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)交互設(shè)備中。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，人機(jī)交互設(shè)備具備相互替換和人機(jī)界面重組的能力。而艦載信息系統(tǒng)中的任務(wù)處理軟件將部署、運(yùn)行在集裝箱的虛擬化平臺中，綜合利用集裝箱所提供的計(jì)算、存儲資源實(shí)現(xiàn)各類信息處理、存儲功能。

艦載電子集裝箱利用計(jì)算虛擬化與存儲虛擬化技術(shù)，將其內(nèi)部公共處理系統(tǒng)中的CPU/內(nèi)存等通用計(jì)算資源、智能計(jì)算資源、存儲資源，通過核心資源管理服務(wù)聚合為一個(gè)邏輯一體的資源池，根據(jù)應(yīng)用需求以虛擬的操作系統(tǒng)形態(tài)靈活調(diào)配計(jì)算、存儲資源，向應(yīng)用系統(tǒng)提供計(jì)算、存儲服務(wù)，并實(shí)施統(tǒng)一的任務(wù)管理、安全管理，保證公共計(jì)算環(huán)境安全、有序地向應(yīng)用系統(tǒng)提供信息處理服務(wù)支撐。

公共計(jì)算環(huán)境通過計(jì)算、存儲、顯控資源的集成，實(shí)現(xiàn)資源共享和高效計(jì)算，通過集成智能計(jì)算資源，適應(yīng)了艦載信息系統(tǒng)發(fā)展需要，提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算能力，增強(qiáng)艦艇武器平臺的先進(jìn)性、通用性和可重用性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了指控系統(tǒng)自主的智能化，提高了作戰(zhàn)指揮效率。

5 結(jié)語

智能化艦載指控系統(tǒng)需要針對不同的任務(wù)需求，加入GPU、TPU、FPGA等人工智能專用加速硬件，還需要在軟件層面需融入GAN、CNN等典型深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)支持，并提供常用和專用算法支持?；诠灿?jì)算環(huán)境的智能化艦載指控系統(tǒng)能夠真正、實(shí)時(shí)地將戰(zhàn)場、作戰(zhàn)指揮行動(dòng)以及后方軍事專家知識有機(jī)地融和在一起，使得各種武器裝備效能得到最大限度的發(fā)揮。智能化艦載指控系統(tǒng)能夠突破現(xiàn)有戰(zhàn)場時(shí)空，改變信息戰(zhàn)場的面貌和形態(tài)，是艦載指控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。當(dāng)前需要通過典型作戰(zhàn)應(yīng)用，逐步收集完善滿足人工智能算法訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，并逐步建立以公共計(jì)算環(huán)境為基礎(chǔ)的艦載人工智能應(yīng)用生態(tài)。未來通過建設(shè)艦載大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能化應(yīng)用三位一體的公共平臺，以滿足未來海戰(zhàn)場體系下的作戰(zhàn)、訓(xùn)練、氣象水文分析、平臺控制等多業(yè)務(wù)發(fā)展需求。