5G賦能第5代指揮信息系統(tǒng)

王元雙，鄭振國，余惠彬

(1. 中國電子科技集團公司第28研究所，江蘇 南京 210007；2. 中國人民解放軍32187部隊，福建 漳州 363000)

1 引言

未來戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場空間將從傳統(tǒng)的陸、海、空拓展到賽博、太空和深海，戰(zhàn)爭具有突發(fā)性、隱秘性和有限無人化等特點，聯(lián)合作戰(zhàn)任務日趨多樣化，戰(zhàn)爭節(jié)奏進入了“從傳感器到射手”時代。作為戰(zhàn)場空間的中樞和靈魂，指揮信息系統(tǒng)的建設發(fā)展是一個需求牽引、技術推動和循序漸進的迭代演化過程，從早期的C2/C2I演化到C2ISTAR，C3，C3I，C3ISREW，再到C4I2，C4ISRK，C5I等，技術元素與功能形式等越來越多，結(jié)構與過程越來越復雜。以美國為首的西方軍事大國，從上世紀90年代中期就開展了關于面向網(wǎng)絡信息體系的指揮與控制研究項目CCRP，同時，蘭德公司也開展了以指揮與控制新模型為主的“信息時代的戰(zhàn)爭”等一系列戰(zhàn)略性研究項目，針對未來豐富和幾乎無限制的信息和通信能力，迫切需要“一個更加深刻的指揮與控制理論”。未來的第5代指揮信息系統(tǒng)應具有哪些能力特征、系統(tǒng)架構如何設計、如何運行演化及存在哪些關鍵技術等問題還處于探索和研究階段，并未蓋棺定論。

本文基于指揮信息系統(tǒng)發(fā)展特點，提出了未來指揮信息系統(tǒng)的主要能力特征，分析了軍事信息系統(tǒng)架構發(fā)展演化的內(nèi)在規(guī)律，構建了一種基于5G+MEC+AI的第5代指揮信息系統(tǒng)架構模型，并對第5代指揮信息系統(tǒng)的運行演化機理以及關鍵技術進行了闡述。

2 代系發(fā)展

近30年以來，隨著信息技術，特別是網(wǎng)絡技術的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭已發(fā)生深刻變化，戰(zhàn)爭模式從“機械化戰(zhàn)爭”向“信息化戰(zhàn)爭”轉(zhuǎn)變，一體化聯(lián)合作戰(zhàn)將成為基本作戰(zhàn)樣式，而信息的主導作用越來越突出；獲取信息優(yōu)勢并高效的轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢和行動優(yōu)勢成為制勝的關鍵。而隨著人工智能等技術的不斷發(fā)展，采用智能算法進行信息的處理分析、深度挖掘，以支持作戰(zhàn)人員精準認知戰(zhàn)場態(tài)勢、精密籌劃作戰(zhàn)任務、精確控制作戰(zhàn)行動，成為當前世界主要軍事國家競爭的重點，戰(zhàn)爭形式正加速向“智能化戰(zhàn)爭”演進。如美國先后提出了“知識中心戰(zhàn)”、“算法戰(zhàn)”等新式作戰(zhàn)概念，擬通過采用大數(shù)據(jù)和軍事知識圖譜等新技術，以作戰(zhàn)模型和人工智能為核心，以云計算能力和智能算法為載體，對海量信息進行深度管理與利用，并推動軍事信息系統(tǒng)向自主學習、自主決策的方向演進，以打贏未來基于信息和數(shù)據(jù)的“智能+”戰(zhàn)爭。智能技術的發(fā)展使指揮信息系統(tǒng)的發(fā)展進入了一個嶄新的階段，這就是以無人機為特征，虛擬與現(xiàn)實進行實時嵌入式互動的第五個時代：平行時代，通過引入“虛擬”資源，實現(xiàn)虛擬空間和實際空間的平行化，通過有效的指揮與控制將復雜系統(tǒng)面臨的不確定性、多樣性和復雜性，轉(zhuǎn)化為針對特定任務和使命的靈捷、聚焦、收斂性。

5G是新一代移動通信技術發(fā)展的主要方向，是未來新一代信息基礎設施的重要組成部分。與4G相比，不僅將進一步提升用戶的網(wǎng)絡體驗，同時還將滿足未來萬物互聯(lián)的應用需求。5G通信技術將為軍隊提供一種廣域覆蓋、高速傳輸、強兼容性的空地一體化信息通信網(wǎng)絡，從而極大提升戰(zhàn)場的信息支援保障能力。

在萬物互聯(lián)的背景下，邊緣數(shù)據(jù)迎來了爆發(fā)性增長，為了解決面向數(shù)據(jù)傳輸、計算和存儲過程中的計算負載和數(shù)據(jù)傳輸帶寬的問題，研究者開始探索在靠近數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的邊緣增加數(shù)據(jù)處理的功能，即萬物互聯(lián)服務功能的上行。具有代表性的是移動邊緣計算、霧計算和海云計算。其中移動邊緣計算是指在接近移動用戶的無線接入網(wǎng)范圍內(nèi)，提供信息技術服務和云計算能力的一種新的網(wǎng)絡結(jié)構，并已成為5G中一種標準化、規(guī)范化的技術。

AI技術誕生于20世紀中葉，幾經(jīng)沉浮，近年來借助于現(xiàn)代計算和數(shù)據(jù)存儲技術的迅猛發(fā)展而再次復興。AI技術涵蓋遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡兩大類，其本身是一種普適性的機器學習技術。凡是給定場景涉及到了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、推斷、擬合、優(yōu)化及聚類，AI均能找到其典型應用。AI在軍事方面的研究和應用也在快速發(fā)展。美、俄等軍事強國都將AI視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性技術。美國國防部明確把AI作為第三次“抵消戰(zhàn)略”的重要技術支柱。該戰(zhàn)略圍繞抵消中、俄非對稱制衡能力，瞄準打造智能化作戰(zhàn)體系，發(fā)展顛覆性前沿技術。俄羅斯把發(fā)展AI作為裝備現(xiàn)代化的優(yōu)先領域。依據(jù)《2025年先進軍用機器人技術裝備研發(fā)專項綜合計劃》，俄軍于2017年開始大量列裝機器人，到2025年，無人系統(tǒng)在俄軍裝備結(jié)構中的比例將達到30%。2016年日本防衛(wèi)省發(fā)布《中長期技術規(guī)劃》，提出日本未來20年應將定向能武器技術、無人技術、智能化和網(wǎng)絡化技術等作為國防科技發(fā)展的重點方向。

5G的可靠網(wǎng)絡、移動邊緣計算的海量算力、AI的應用智能正相互協(xié)同、緊密耦合，深入到各行各業(yè)，創(chuàng)造出新的業(yè)務體驗、新的行業(yè)應用以及新的產(chǎn)業(yè)布局。從數(shù)字政務到智慧城市，從工業(yè)自動控制到軍事智慧管理，“5G+MEC+AI”的融合創(chuàng)新發(fā)展將打開各行各業(yè)的新發(fā)展空間，為政企、軍工轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級注入新的動力。因此，以“5G+MEC+AI”為核心的第5代平行化指揮信息系統(tǒng)，將能實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)跨代系發(fā)展，并將指揮信息系統(tǒng)從信息化戰(zhàn)場中的神經(jīng)中樞升級為未來戰(zhàn)場中的“中樞大腦”。

3 能力特征

第5代指揮信息系統(tǒng)包括以下4種能力特征：

3.1 數(shù)字孿生，虛實互聯(lián)

隨著數(shù)字孿生技術和虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，未來的指揮控制系統(tǒng)將全面實現(xiàn)數(shù)字化管控和智能化交互。通過數(shù)字孿生技術，將全維戰(zhàn)場態(tài)勢、武器裝備數(shù)字化建模，實時監(jiān)控戰(zhàn)場狀態(tài)及武器裝備狀態(tài)，并以此為基礎構建指控系統(tǒng)共用計算環(huán)境，統(tǒng)一管控戰(zhàn)場所有作戰(zhàn)資源。同時，依托增強現(xiàn)實(AR)技術，利用投影將真實環(huán)境和虛擬物體無縫集成，用戶可以從傳統(tǒng)屏幕中的2D世界中“走”出，獲得超越現(xiàn)實的感官體驗。與其它顯示技術相比，它擁有圖像精密、動態(tài)立體、虛實融合、交互友好等優(yōu)點，未來它將顛覆各行各業(yè)。隨著信息化技術的發(fā)展，AR技術在軍事領域的價值也日益突顯，也將在數(shù)字孿生、虛實互動的第5代指控系統(tǒng)中完美釋能。

3.2 云邊協(xié)同，按需服務

云計算適用于非實時、長周期數(shù)據(jù)、業(yè)務決策場景，而移動邊緣計算作為5G的標準架構和關鍵技術，在實時性、短周期數(shù)據(jù)、本地決策等場景方面有不可替代的作用，能夠有效支撐滿足末端協(xié)同實時響應，數(shù)據(jù)就近分析處理，末端靈活快速重組等方面的關鍵需求，加速軍事“智能化”邊緣智能落地。移動邊緣計算與云計算是軍工行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的兩大重要支撐，兩者在網(wǎng)絡、業(yè)務、應用、智能等方面的協(xié)同將有助于支撐指揮信息系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型更廣泛的場景與更大的價值創(chuàng)造。云邊協(xié)同的架構設計如圖1所示。

圖1 云邊協(xié)同架構

邊緣提供的信息服務能力不同于云中心提供的海量歷史數(shù)據(jù)存儲能力以及集中式分布式計算能力，邊緣本身的存儲資源相對有限、數(shù)據(jù)(尤其是常用熱點數(shù)據(jù))的操作效率需求高，因此對數(shù)據(jù)的壓縮存儲、分級存儲和冷熱分塊存儲等能力要求較高；并且由于弱連接導致數(shù)據(jù)吞吐量受限，因此對數(shù)據(jù)的離線計算、實時計算、即席查詢等能力也有更高要求。

3.3 泛在感知，萬物互聯(lián)

5G有三大特性：大帶寬高速率、低時延高可靠和海量連接。網(wǎng)絡速度提升，用戶體驗與感受才會有較大的提高。5G速率較4G全方位提升，下行峰值速率可達20Gbps，上行峰值速率可能超過10Gbps。對網(wǎng)絡速度要求很高的業(yè)務能在5G時代被推廣，例如，云VR的呼聲一直很高，但是目前4G速度不足以支撐云VR對視頻傳輸和即時交互的要求，用戶還是需要依靠昂貴的本地設備進行處理。依托于5G的高速率，云VR將能夠獲得長足發(fā)展。5G支持單向空口時延最低1ms級別、高速移動場景下可靠性99.999%的連接。5G超低時延，使得無人駕駛、遠程救護維修等應用場景走向現(xiàn)實。5G每平方公里百萬級數(shù)量的連接能力和多種連接方式，拉近了萬物的距離，實現(xiàn)了人與萬物的智能互聯(lián)。

3.4 人機共生，平行響應

機器感知系統(tǒng)基于深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能算法，準確且快速地平行執(zhí)行人的認知規(guī)律和路徑。其優(yōu)勢在于：既能在信息、數(shù)據(jù)、資源殘缺的情境下優(yōu)雅降級，也能在信息、數(shù)據(jù)、資源超載情境下作用?！叭?機器”形成的人機深度感知模式是人智和機智的有機結(jié)合，具備更高的理解力，能夠更加深刻地感知、認知和理解戰(zhàn)場態(tài)勢，大大提升對戰(zhàn)場信息、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)的利用效率，從而實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知、指揮決策的自主化和智能化。

圖2 人機共生模型

4 架構設想

第5代指控系統(tǒng)參考架構包括終端層、邊緣層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)平臺(技術中臺層、業(yè)務中臺層)、應用層，如圖3所示。其中，終端層主要是面向單兵的手持終端、VR/AR終端以及各種傳感器等。邊緣層是5G時代面向時延敏感應用的邊緣計算云，通過上下文感知和資源管理調(diào)度，為各種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點提供智能信息處理能力。網(wǎng)絡層是覆蓋整個作戰(zhàn)空間的5G網(wǎng)絡，包括無線基站、承載網(wǎng)、5G核心網(wǎng)以及5G網(wǎng)絡切片。技術中臺層主要包括AI中臺、大數(shù)據(jù)中臺、數(shù)字孿生中臺、區(qū)塊鏈中臺等。業(yè)務中臺層是指控系統(tǒng)為了資源、技術的共享復用，集中建設的業(yè)務應用平臺，例如平行推演中臺、知識圖譜中臺、VR/AR中臺等。應用層是讓指揮控制系統(tǒng)變得精細、智能便捷的各種智慧應用系統(tǒng)，包括態(tài)勢感知智能體、指揮決策智能體、支援保障智能體、人機一體模訓等。

圖3 第5代指控架構設想

5 運行演化機理

5.1 虛實互動中心模型

基于ACP理論(人工社會(Articial Societies)、計算實驗(Computational Experiments) 與平行執(zhí)行(Parallel Execution)之間的有機組合)，利用人或人工系統(tǒng)對復雜問題進行建模，然后利用計算實驗對復雜現(xiàn)象進行分析和評估，把計算機變成一個軍事或戰(zhàn)爭實驗環(huán)境，進行“計算實驗”，通過“實驗”來分析復雜系統(tǒng)的行為，評估預測戰(zhàn)場走勢；最后通過實際與人工之間的虛實互動，以平行執(zhí)行的方式對復雜軍事系統(tǒng)的運行進行有效地指揮與控制。

為了實現(xiàn)第2章提出的4種能力特征，本文提出了一種基于虛實互動的系統(tǒng)運行演化機理。該機理包含人機共生控制和平行推演作戰(zhàn)2種模式。

5.2 人機共生交互控制模式

隨著指揮平臺自動化、武器裝備智能化程度不斷提高，指揮控制系統(tǒng)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。計劃控制、臨機控制等方式已不能滿足未來戰(zhàn)場“秒殺”、“閃電戰(zhàn)”的需求，終將催生出基于智能調(diào)度的“人機共生交互控制”模式。人與機器不僅僅是相互協(xié)同和智能調(diào)控，人的某些智能思維、“指揮藝術”還可以建模到機器中，促進機器自我學習、自我推理和自我迭代升級；同時，這種迭代升級產(chǎn)生的新知識反饋給人，激發(fā)人的創(chuàng)造潛力，實現(xiàn)“人智”與“機智”信息互通、深度融合。

要想實現(xiàn)人機共生調(diào)控模式，必須依托人機合理分工、人機智能集成等技術，將人和機器無縫連接成系統(tǒng)融合、功能融合、技術融合、思維融合的“合作體”，構建形成“人機一體”的人機共生系統(tǒng)。同時基于軍事云腦架構利用腦機、力反饋、眼動和語音等智能人機交互技術，構建新一代軍用人機交互軟硬件環(huán)境，增強系統(tǒng)操控能力，并能準確理解指揮員意圖，以指揮員認知規(guī)律進行展現(xiàn)，朝著人機共生交互控制模式發(fā)展。

5.3 平行推演作戰(zhàn)模式

傳統(tǒng)的仿真推演體系都只是基于特定規(guī)則的邏輯推理構建算法和模型，不具備自適應重組、自主式學習的功能，這將不適應未來戰(zhàn)場戰(zhàn)機稍縱即逝、時敏性要求越來越高的作戰(zhàn)節(jié)奏。必須創(chuàng)新基于平行執(zhí)行理念的人機虛實平行推演新模式，以適應作戰(zhàn)指揮智能化的需求。人機虛實平行推演模式，是基于虛擬現(xiàn)實、平行理論和復雜適應理論的仿真評估，通過虛擬戰(zhàn)場和現(xiàn)實戰(zhàn)場的實時智能交互，虛擬空間與現(xiàn)實空間的無縫連接，對現(xiàn)實戰(zhàn)場變化進行實時掌控，同時在虛擬戰(zhàn)場上對情況進行預判和推演，進而再反饋至現(xiàn)實戰(zhàn)場，輔助指揮員指揮決策。

要實現(xiàn)人機平行推演模式，虛擬現(xiàn)實、平行理論、人工智能等理論方法是支撐，智能化信息網(wǎng)絡是基礎。首先解決跨模態(tài)、跨領域、跨尺度的作戰(zhàn)建模與仿真問題，實現(xiàn)人工系統(tǒng)和實際系統(tǒng)、虛擬空間和現(xiàn)實空間虛實互動和平行執(zhí)行；然后通過仿真的方法對作戰(zhàn)復雜現(xiàn)象進行分析和評估，實現(xiàn)物理域、信息域和認知域之間的跨域評估；最后通過實際戰(zhàn)場與虛擬戰(zhàn)場平行推演，利用平行執(zhí)行的方式對作戰(zhàn)過程進行高效地控制，以滿足實際戰(zhàn)場情況掌握和敏捷調(diào)控的要求。

6 關鍵技術

6.1 5G技術

5G技術的主要目標可概括為“增強寬帶、萬物互聯(lián)”。5G技術的賦能作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1)5G低延時、高通量特點保證海量末端數(shù)據(jù)的實時回傳。5G較寬的子載波間隔、符號級的調(diào)度資源粒度等特點實現(xiàn)了毫秒級的超低時延，保證了傳感器數(shù)據(jù)的實時采集；同時，5G網(wǎng)絡標準帶寬提高到40MHz甚至80MHz，為未來大數(shù)據(jù)采集提供了基礎保障。

2)5G的網(wǎng)絡切片技術能夠有效滿足不同作戰(zhàn)場景連接需求。5G網(wǎng)絡切片技術可實現(xiàn)獨立定義網(wǎng)絡架構、功能模塊和網(wǎng)絡吞吐量等，能夠減輕指控系統(tǒng)面向不同作戰(zhàn)場景需求時的開設部署復雜度，降低基于5G通信網(wǎng)絡的聯(lián)合戰(zhàn)役/戰(zhàn)術/戰(zhàn)斗通信系統(tǒng)應用落地的技術門檻。

6.2 軍事人工智能技術

智能化將是新一代指揮控制系統(tǒng)的主要特征。指控系統(tǒng)將整合處理由各類傳感器和作戰(zhàn)單元收集的戰(zhàn)場態(tài)勢信息，結(jié)合大數(shù)據(jù)樣本，通過人工智能算法推演，形成對戰(zhàn)場態(tài)勢的智能化認知，實現(xiàn)對敵動向征候預測、裝備資源靈活調(diào)度、時敏目標精準識別、敵我態(tài)智能認知、作戰(zhàn)方案動態(tài)生成，確保最優(yōu)作戰(zhàn)策略。軍事人工智能技術的賦能作用體現(xiàn)在以下兩個方面。

1)以專家系統(tǒng)、知識圖譜為代表的知識賦能。梳理軍事知識和規(guī)則為用戶提供原理性指導，如某裝備故障診斷專家系統(tǒng)，利用人機交互建立故障樹，將其知識表示成以產(chǎn)生式規(guī)則為表現(xiàn)形式的專家知識，融合多傳感器信息精確地診斷出故障原因和類型。

2)以神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習為代表的算力賦能?；诖髷?shù)據(jù)樣本分析，直接求解出事件發(fā)生概率，進而輔助指揮決策。典型應用包括機器視覺，態(tài)勢預測等，例如基于機器學習技術，對戰(zhàn)場態(tài)勢進行走向預測、實時對比分析，進行作戰(zhàn)風險評估，從而降低計劃外作戰(zhàn)風險。

6.3 數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生是制造技術和信息融合技術深度鉸鏈的產(chǎn)物，其將不同數(shù)據(jù)源進行實時同步，并高效整合多類建模方法和工具，實現(xiàn)多維度、多環(huán)境的統(tǒng)一建模和分析。數(shù)字孿生技術的賦能作用體現(xiàn)在以下兩個方面。

1)通過智能實體與數(shù)字戰(zhàn)場空間平行運行框架與集成交互機制，實現(xiàn)智能實體數(shù)字孿生與戰(zhàn)場環(huán)境的協(xié)同運行。

2)構建數(shù)字化戰(zhàn)場空間環(huán)境，為開展戰(zhàn)役戰(zhàn)術級方案智能生成、方案推演評估與戰(zhàn)場態(tài)勢動態(tài)演化預測等提供逼真的“數(shù)智戰(zhàn)場”。

6.4 MEC技術

MEC技術通過在靠近數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡邊緣側(cè)運行處理、分析等操作，就近提供邊緣計算服務，能夠更好滿足指揮控制敏捷連接、實時優(yōu)化、安全可靠等方面的關鍵需求，改變傳統(tǒng)指控系統(tǒng)的部署運行方式。MEC技術的賦能作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

1)降低端端互聯(lián)的復雜性。不同端之間的連接需要邊緣計算提供“現(xiàn)場級”的計算能力，實現(xiàn)各種制式的網(wǎng)絡通信協(xié)議相互轉(zhuǎn)換、互聯(lián)互通，同時又能夠應對異構網(wǎng)絡部署與配置、網(wǎng)絡管理與維護等方面的艱巨挑戰(zhàn)。

2)提高數(shù)據(jù)計算的實時性和可靠性。如果數(shù)據(jù)分析和控制邏輯全部在云端實現(xiàn)，難以滿足業(yè)務的實時性要求。同時，指控系統(tǒng)要求計算能力具備不受網(wǎng)絡傳輸帶寬和負載影響的“本地存活”能力，避免斷網(wǎng)、時延過大等意外因素對實時性信息傳輸造成影響。邊緣計算在服務實時性和可靠性方面能夠滿足指控系統(tǒng)的發(fā)展要求。

7 結(jié)束語

本文提出了一種基于“5G+MEC+AI”的第5代指揮信息系統(tǒng)的架構設想、運行演化機理及關鍵技術。由于未來戰(zhàn)爭形態(tài)、軍事需求及相關信息技術的發(fā)展均存在不確定性，未來指揮信息系統(tǒng)的架構設計及關鍵技術實現(xiàn)不可能一蹴而就，不僅要探索基于“5G+MEC+AI”的智能化作戰(zhàn)制勝機理，還要以信息技術與軍事技術的深度融合為主線，不斷迭代完善第5代系統(tǒng)架構及運行機理設計，突破相關關鍵技術，為第5代指揮信息系統(tǒng)建設提供基礎理論和技術路線。