基于信息物理系统的无人智能化后装保障体系研究

谢汶姝 贾丽 李梓

摘  要：无人化智能化联合作战体系是未来装备体系的发展趋势，当前我国仍然存在信息系统综合功能较弱、智能化水平偏低等问题，精确保障初步启动，装备投送能力差等问题。该文基于CPS的技术基础构建了无人化智能化后装保障体系，并分析了其功能和特点。

关键词：信息物理系统  无人智能化  后装保障

中图分类号：TP393                                文献标识码：A                           文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0001-03

现代战争是由陆、海、空、天、电磁五位一体的联合作战，人的参与在逐渐减少。有数据表明，在2001年开始，美国先后发动了阿富汗战争和伊拉克战争，至今仍在执行高强度的作战任务，然而，从2006—2018年的12年中，美军在战争上牺牲的军人总数约为4400人，这只占据同期美军死亡人数的28%左右。现代战争实质逐渐演变成装备体系与装备体系的对抗。20世纪90年代以来，高技术局部战争越来越呈现非对称对抗特点，高技术作战环境越来越要求装备成体系建设。在联合作战条件下，装备体系的保障问题显得更加复杂和突出，为了充分发挥装备体系的作战效能，需要建立与之相匹配的保障体系。闫旭等[1]提出装备保障体系是保障节点耦合形成的复杂网络。王文峰[2]指出，装备保障网络是以装备保障设施为依托，将各种保障资源按照一定的要求和原则合理部署而最終形成的一个网络化布局的保障体系。韩振等[3]也对维修保障力量体系进行了研究，装备维修保障力量体系是由维修单元、维修指挥机构以及维修资源仓库等，按照结构上综合集成、功能上相互联系、性能上相互补充的原则构成的一个复杂系统，可以理解为是由众多维修单元、维修指挥机构以及维修资源仓库等维修实体，以及维修实体之间错综复杂的关系共同构成的有机整体。上述文献体现了装备保障体系的复杂网络特性，指出装备保障体系是在动态不确定环境中，针对某个特定使命任务，由大量相互独立的保障节点和各级各类保障系统通过互联、互通和互操作综合集成的具有涌现效应和演化功能的有机整体。

当今世界正进入工业4.0的发展进程中，开启了以无人技术、人工智能技术、空间技术、互联网技术、纳米技术和环境物理技术的突破为代表新的一轮科技革命与产业变革，产生了颠覆性的武器装备和作战手段[4]。其中，无人化智能化装备技术，作为最具代表性的技术，将推动战争进入信息化、网络化、无人化的阶段。冷战后的几场局部战争表明，在新军事变革的推动下，作战样式正在发生急剧变化，推动作战手段和力量向无人化智能化发展，逐渐形成全新的作战方法和理念。

第一，态势全面感知，传感技术与网络传输技术的发展得以实现对海、陆、空、天的全面感知。

第二，装备无人自主，装备的无人化占比日益提高，改变了作战力量的组成结构。

第三，指挥智能决策，指挥决策方式由以往的经验决策逐渐向基于态势感知数据的人工智能分析和决策转变。

第四，装备集群异构，装备形成自主化的作战集群与编队，不同装备间协同作战，形成复杂的异构自适应对抗体系。

作战模式牵引装备发展，当前战争已逐渐从局部扩展到陆、海、空等广阔的立体空间，未来将向更广阔的太空、水下空间以及网络空间扩展，武器装备迈向以信息技术和精确打击技术为核心的阶段，并逐渐跃升至以高超音速、隐身化、智能化等技术为支持的阶段。无人化智能化的武器装备体系在现代战争中的地位和作用日益显著，作为武器装备体系的重要组成部分，后装保障力量的无人化智能化也成为其发展的重要趋势。美军对无人化的作战和后勤保障构想早在越南战争期间就已开展，但由于当时科学技术和指挥体系的限制，该计划只能被搁置。进入20世纪90年代以后，随着新军事变革的深入发展，无人化再次被提上日程[5]。美军为无人化的装备保障体系进行了一系列的决策准备、经济准备和技术准备。美国国防部在2013年发布的《无人系统综合路线图2013—2038》中，提出了无人系统在研制、使用和后勤保障等多个军事相关领域的发展战略[6]。

无人化智能化后装保障体系的建设对计算机网络系统、工业控制系统、物联网、云计算平台、移动互联网、无线传感器网络、可穿戴设备等技术提出了要求，在这种需求的引导下，促成了新一代工程系统——信息物理系统（Cyber Physical System，简称CPS）的诞生[7]。2005末—2006年初，美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）的Helen Gill[8]提出了CPS的概念（CPS一词引入到中国之后被翻译为“信息物理系统”或“信息物理融合系统”），用于描述计算与物理过程的融合。CPS可以理解为多维感知、实时通信、智能决策、精确控制和自主协调的高效能网络化智能信息系统，是时空多维异构的混杂自治系统[9]。CPS的概念一经提出就受到了全世界范围内的广泛关注，成为各工业发达国家政府、学术界与工程界研究和投资的热点。当前在世界范围内掀起的新一轮工业革命中CPS已成为最前沿的交叉研究领域之一，是未来智能家居、智能工厂、智能电网、智能交通、智能医疗、智慧农业、智慧城市与智慧地球等实现的基础。可以看出，CPS将成为无人化智能化的后装保障体系的重要技术基础。

因此，该文基于CPS构建无人化智能化的后装保障体系，并对其特点进行分析和阐述。

1  无人化智能化后装保障体系构建

基于CPS的无人化智能化后装保障体系是以数据信息为基础，在智能化决策指挥机构的统一指挥协调下，整体规划和运用装备体系内的保障力量，形成跨层次、跨建制的联合一体化后装保障体系，最大程度地发挥体系内保障力量的整体作用，对执行任务中的装备实施精确、适时、高效的综合保障。这是未来体系作战的重要组成部分，是完成作战任务、保持战斗力的重要保证。

基于CPS的无人化智能化后装保障体系强调信息网络空间与物理空间的交互，涉及在复杂装备体系下来自装备、性能、使用环境等多维海量数据，在不同态势下的信息实时可靠处理与通讯，对维修保障资源的有机协调，是具有自主感知、智能决策和自适应能力，能够实现虚拟世界和现实物理世界互联与协同的装备保障体系。该体系采用基于异构网络的分布式存储与计算模式，计算资源虚拟、动态、可伸缩，通过对各类作战装备、保障装备和环境状态的感知，异构网络还作为整个体系的互联互通基础，将海量数据传输至类脑智能决策，对保障设备进行集中、优化控制，高效完成综合保障任务。

保障体系通过“感”、“联”、“知”、“控”4种方式实现功能即通过多感知器协同感知物理世界状态，连接信息世界与物理世界的各种对象，实现数据交换，支持协同感知和协同控制，对数据进行认知计算和推力，正确、深入地认知物理世界，最后根据认知结果，做出决策，发送控制指令，指挥各执行器协同控制物理世界。可以看出，体系架构可分为3个层次：物理层、网络层和决策层。

物理层，也称为感知执行层，包含体系内的各类作战装备、保障装备和传感器等，主要负责感知获取装备体系及其所在环境数据以及执行系统控制命令。一方面，通过分布在装备体系及其所在环境内的传感器与装备进行交互，获取并辨识装备性能、环境状态等数据。另一方面，装备和人作为物理层的执行单元，根据上层发送的控制指令进行操作，以适应装备体系与物理环境的变化。这一层次中，综合保障任务的执行将从传统的人员过渡为无人运输工具和智能维修、救护装备等无人化智能化保障装备，能够实现非接触零伤亡，使得保障更加有力、高效。

网络层，也称为数据传输层，由异构的通信单元组成，负责将物理層感知的原始数据传输至决策层，通信模式主要包括有线宽带、专用短程通信技术、3G/4G以及无线通信技术等，同时网络层还需具有对海量信息进行实时、高效、安全的处理和管理的能力。

决策层，也称为应用控制层，是保障体系的核心部分。该层从网络层获取信息后，根据需求经过预设规则和高层控制语义规范的智能决策，生成执行控制命令，并通过网络层实时反馈至物理层的执行单元进行相关操作。这一层次是整个保障体系智能化的关键所在，基于大数据、云计算和自主深度学习与类脑计算技术实现智能化的分析与决策。借助深度学习技术，机器人可以表现出与人类直觉类似的形象思维与逻辑思维能力，未来将诞生具有自助行为和决策能力的智能机器，其技术模式将对战争设计、任务规划、指挥决策、综合保障等产生重大影响。决策层使保障体系与不同的任务相结合，实现广泛化、智能化的综合保障解决方案集合，也包含人机交互的接口，提供远程监控、视频显示、信息发布和人工干预控制的能力。

2  无人化智能化后装保障体系特点

基于CPS的无人化智能化后装保障体系以保证作战任务、提高保障效能、保持装备战斗力为主要目标，具有实时、自主、精确、抗毁、协同、自适应、高效的特性， 能够实现对大规模动态异构的保障资源进行监控管理和智能决策，具有以下几方面的特征：

（1）信息与物理组件高度融合。保障体系中，来自装备和环境等物理世界的特征和状态通过网络空间实时、可靠地传输至信息世界，使信息世界能够正确、全面地识别和分析其状态，智能化地做出决策，同时体系内软件密集，与硬件高度集成。

（2）在时间和空间维度上具有多重复杂性，是网络化、动态演化的大规模复杂系统。在保障体系中，各类单元按照体系的组织、连接方式相互作用、相互补充、相互制约，功能交互涌现，其结构、状态、特性、行为和功能都随时间不断进行动态演化，其演化的动力是外部世界和内部世界共同作用的结果，通过无人化运输、智能维修等手段，保障装备能够自动排除或修复故障装备，保证装备体系正常作战的能力，实现体系全局性能优化。

（3）安全、可靠、抗毁、自学习、自适应、自主协同。通过对内外状态的实时、深度感知，实现系统实时恢复得预警预报和自主修复。通过来自大规模复杂系统海量资源的调配和补充，能够避免由于局部故障导致的任务失败或体系崩溃。

3  结语

该文基于CPS的技术基础构建了无人化智能化后装保障体系，并分析了其功能和特点。无人化智能化联合作战体系是未来装备体系的发展趋势，当前我国仍然存在信息系统综合功能较弱、智能化水平偏低等问题，精确保障初步启动，装备投送能力差等问题。因此，为实现无人化智能化的后装保障，应当从管理和技术等多方面进行科学发展，创新管理体制，深化装备研发，提高技术标准。

参考文献

[1] 闫旭，宋太亮，邢彪，等.基于复杂网络的装备保障体系研究现状及展望[J].火力与指挥控制，2018（2）：1-4.

[2] 王文峰.装备保障网络优化设计问题研究[D].长沙：国防科学技术大学，2008.

[3] 韩震，卢昱，古平，等.基于复杂网络的维修保障力量体系建模方法[J].火力与指挥控制，2014，39（9）：31-36.

[4] 谢苏明.无人化智能化装备技术发展及其影响分析[J].现代军事，2017（3）：51-56.

[5] 马振利，于力.美军无人化装备的影响分析及我军后勤发展[J].国防科技，2017，38（5）：36-39.

[6] 韩林，王斌，吕翔宇，等.美军无人后勤装备发展现状及启示[J].科研，2017（2）：150.

[7] 黄子河.信息物理系统（CPS）测试与评价技术[M].北京：人民邮电出版社，2016.

[8] Lee EA. Cyber Physical Systems： Design Challenges[C].IEEE Symposium on Object Oriented Real-Time Distributed Computing. IEEE Computer Society， 2008：363-369.

[9] Baheti R， Gill H. Cyber-physical systems. The Impact of Control Technology. Washington D. C.USA： IEEE，2011，161，166.