王玉冰， 梁曉龍， 柏 鵬， 王維佳， 張佳強

(1.空軍工程大學空管領航學院， 西安， 710051； 2.軍事科學院系統(tǒng)工程研究院， 北京， 100101)

隨著電子信息技術的高速發(fā)展，電子設備的種類、功能復雜化使得電子系統(tǒng)中的信息與控制決策問題愈發(fā)突出。同時，現(xiàn)代空戰(zhàn)向著集群化趨勢發(fā)展，面對日益復雜的戰(zhàn)場環(huán)境和任務需求，電子系統(tǒng)作為戰(zhàn)場態(tài)勢獲取和作戰(zhàn)任務遂行的關鍵，必須引入新的設計思想與任務決策方法來構建高性能、可重構的電子系統(tǒng)架構，實現(xiàn)電子系統(tǒng)的認知和能力涌現(xiàn)，從而達到最佳遂行效果[1]?；橹黧w是20世紀西方哲學中凸現(xiàn)的一個范疇，它的主要內(nèi)容是研究或規(guī)范一個主體怎樣與完整的作為主體運作的另一個主體互相作用的[2]?；橹黧w使得認識論發(fā)生重大轉(zhuǎn)向，從關注主體性和認知上的“主-客體”關系轉(zhuǎn)向關注主體與主體之間的關系，并確認了自我主體與對象主體間的共生性、平等性和交流關系[3]。

本文在對哲學領域認識論范疇中的互為主體理論進行分析的基礎上，將互為主體的概念引申到信息科學領域，研究如何根據(jù)不同的任務需求牽引系統(tǒng)在資源和架構的柔性聚合、系統(tǒng)的信息交互和任務決策，實現(xiàn)認知和能力涌現(xiàn)，從而提高電子系統(tǒng)能力和航空集群作戰(zhàn)效能。

1 基于互為主體的電子系統(tǒng)架構模型

1.1 電子資源與柔性聚合

電子資源是電子系統(tǒng)的物理組成基礎，由硬件資源、軟件資源和關聯(lián)資源構成[4]。硬件資源以固態(tài)化形式存在，為信號波形的生成、轉(zhuǎn)換以及軟件資源的運行提供平臺，包括天線資源、信號處理資源、信息處理資源、信息/信號傳輸資源、信息應用資源和基準資源等。軟件資源以程序代碼的形式存在于硬件資源中，實現(xiàn)數(shù)字信號處理以及應用功能處理，包括公共軟件資源、功能軟件資源等。關聯(lián)資源以共享交互形式存在，為軟件資源和硬件資源的協(xié)調(diào)一致提供條件，包括信息資源、信號資源和信道資源等。

目前，電子系統(tǒng)多采用“模塊”概念作為電子系統(tǒng)綜合的物理單元和功能單元。模塊指相對獨立的功能劃分，以及一種先進的封裝及安裝形式，包括硬件模塊和軟件模塊。模塊是一個相對獨立的功能單元，盡量減少模塊間的信息交聯(lián)，多個模塊構成更大的功能的單元組件，通過信息交聯(lián)構成系統(tǒng)。軟件模塊概念類似。模塊是重構、共享、故障定位及現(xiàn)場更換的最小單位。

各類資源的層次劃分如圖1所示，與電子系統(tǒng)結構關系如圖2所示。通常信號處理資源、信息處理資源、信息應用資源均包含軟件和硬件資源，為便于區(qū)分，將軟件資源單獨列出。

圖1 電子資源組成關系圖

圖2 電子系統(tǒng)結構與電子資源關系

電子系統(tǒng)中的“電子資源”概念不同于已有的“模塊”概念，其內(nèi)涵更豐富、形式更靈活?！澳K”是目前對電子系統(tǒng)進行綜合的物理單元和功能單元。對標準模塊按照“功能單元-單元組件-系統(tǒng)”的過程進行綜合，實踐證明是一種有效的軟硬件設計和系統(tǒng)綜合方法。但標準模塊功能單元固定、呈現(xiàn)形態(tài)(封裝及安裝形式)固定以及組合模式固定的特點卻極大地限制了柔性組合的實施。由于協(xié)同作戰(zhàn)、聯(lián)合作戰(zhàn)的任務多、任務轉(zhuǎn)換快，不同任務對電子系統(tǒng)性能要求的差異性大，電子系統(tǒng)需要采用具有靈活性的新型單元分級與組合標準。因此，電子系統(tǒng)采用“電子資源”作為系統(tǒng)的物理基礎。電子資源的基本單元具有多種形態(tài)，是一個多元素的資源形態(tài)集合，根據(jù)資源組合需求(圖2中同類或不同類資源組合、同層次或不同層次資源組合)，動態(tài)選取最佳資源形態(tài)，進行資源的最優(yōu)組合，形成最優(yōu)物理構型。

柔性聚合[5]指電子系統(tǒng)根據(jù)任務需求以及對象相互間的關聯(lián)性需求，以一定的規(guī)則建立任務/功能/子功能與電子資源之間的映射關系，生成匹配任務功能的最優(yōu)資源集；并基于資源共享、動態(tài)重構、高效利用等原則，采用技術可行的物理構型對電子資源進行組合，形成性能最優(yōu)或次優(yōu)的任務系統(tǒng)，實現(xiàn)作戰(zhàn)效能最優(yōu)。

如圖2所示，軟硬件及關聯(lián)資源對所有層級開放，每層可選用資源完全相同，不存在某些資源被某層級固定使用的限制。

綜上所述，電子系統(tǒng)以多重顆粒度的綜合單元——電子資源，以多態(tài)靈巧的綜合模式——柔性聚合，以可重定義的綜合體系——結構層次，構建滿足未來任務需求的適應性強、擴展能力強、靈活性強、共享能力強的綜合系統(tǒng)，大幅減少平臺上重復的電子資源，降低電子系統(tǒng)的體積、重量及故障率等，提高系統(tǒng)整體綜合效能。

1.2 信息科學領域的互為主體涵義

如圖3所示，將認識論和本體論的互為主體與信息科學中的認知過程相對比，存在很多內(nèi)在聯(lián)系和相似之處，因此可以將互為主體的哲學概念引申映射到信息科學中，用以解決實際問題[6]。哲學中的“理解→交流表達→主觀與客觀意義的同步”即信息科學中的“對環(huán)境的認知→信息交互與協(xié)同→信息融合、啟發(fā)與決策”。由此可見，認知過程是具有一致性的，只是在執(zhí)行過程中，需要根據(jù)不同的任務需求和系統(tǒng)特性加以具體分析。

圖3 互為主體要素在哲學與信息科學領域的映射

信息科學領域中對于主體尚未形成統(tǒng)一的定義，霍蘭模型中對主體的定義是具備感知能力、目的性、主動性、適應性并能夠與環(huán)境及其他主體進行交互作用[7]；智能主體指在一定環(huán)境下的計算機系統(tǒng)，能夠靈活自主地活動和決策[8]；近年來，以Agent作為主體的理論受到許多學者的關注[9]；本文中的主體指廣義主體，根據(jù)劃分粒度的不同可以歸納為資源級、信息級、功能級、任務級4個層次[10]，其中，資源級主體包括軟件資源、硬件資源、關聯(lián)資源和泛在節(jié)點，信息級主體包括同質(zhì)信息和異質(zhì)信息，功能級主體包括發(fā)射、接收、導航、顯示等系統(tǒng)功能，任務級主體包括偵察、干擾、通信、探測、攻擊、管理和評估等任務環(huán)節(jié)[11]，如圖4所示。在具體實現(xiàn)層面，貫穿全過程的執(zhí)行方法是算法，要實現(xiàn)互為主體同層級或跨層級的靈活決策，依靠的是靈活合理地運用算法，即算法的算法。

圖4 按不同粒度劃分的主體層次

1.3 基于互為主體的電子系統(tǒng)架構模型

基于互為主體的電子系統(tǒng)，立足于未來體系作戰(zhàn)總體能力需求，以系統(tǒng)精簡、體系強大為設計目標。其中物理域電子資源是物理組成基礎，由硬件資源、軟件資源和關聯(lián)資源3類資源構成。信息域包括對信號信息處理算法、資源管控調(diào)度、不同信息之間的交互協(xié)同，以及功能管理配置等。信息域主要以任務為牽引，實現(xiàn)對物理域電子資源的調(diào)度與管理。認知域包括認知計算、學習推理、科學決策以及增強進化等。主要通過學習推理與進化，發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)場規(guī)則與新知識，從而對戰(zhàn)場態(tài)勢進行自主靈活調(diào)整，如圖5所示。

整個電子系統(tǒng)以統(tǒng)一時空頻相基準為基礎支撐，通過多維信號交互協(xié)同、復雜認知計算和智能信息處理服務，實現(xiàn)在廣域范圍內(nèi)物理域的資源統(tǒng)一管理與調(diào)度、信息域的協(xié)同電磁環(huán)境感知與控制、認知域的自主靈活重構與學習進化，打造未來活性化智慧型的電磁頻譜作戰(zhàn)體系，支持對廣域電磁頻譜的精準操作和確保全局比較性競爭優(yōu)勢。

傳統(tǒng)電子系統(tǒng)體系主要以能力相對固化的電子系統(tǒng)節(jié)點間的互聯(lián)互通為組成架構，通過強化單節(jié)點能力和通信網(wǎng)絡能力為主要手段實現(xiàn)體系整體能力的提升；互為主體電子系統(tǒng)則通過能力集合的開放式動態(tài)、敏捷、智能重塑與聚合，實現(xiàn)自組織自適應的電子系統(tǒng)體系架構，通過物理域、信息域和認知域等不同層次能力的有機結合和協(xié)調(diào)發(fā)展，形成系統(tǒng)總體作戰(zhàn)能力的顯著提升。

圖5 系統(tǒng)架構設想示意圖

2 基于互為主體的信息交互與決策方法

2.1 基于互為主體的信息交互過程

信息的獲取是人類活動的基礎，也是航空集群遂行各項任務的前端環(huán)節(jié)和重要支撐[12]。因此，分析航空集群技術與作戰(zhàn)運用中有無互為主體的區(qū)別，首先要從分析基于互為主體的信息過程與傳統(tǒng)信息過程的區(qū)別開始?；诨橹黧w的信息過程類比人類認識世界的過程，如圖6所示。

圖6 基于互為主體的信息交互過程與傳統(tǒng)信息過程對比

人類認識世界和優(yōu)化世界的過程包括：通過感覺器官獲取外部世界的相關本體論信息，把它轉(zhuǎn)換為認識論信息；通過神經(jīng)傳遞給思維器官，后者把認識論信息加工成為關于外部世界的相關知識，實現(xiàn)認知；在此基礎上針對問題和目標形成求解問題的智能策略，做出決策；再通過神經(jīng)傳遞給效應器官，后者把智能策略轉(zhuǎn)換為相應的智能行為，作用于外部世界，解決問題，滿足約束，達到目標[13]。

基于互為主體的航空集群信息過程對應為：通過傳感器獲取外部環(huán)境的本體論信息，通過判斷進行對信息的理解和認知，主體間對各自形成的認識論信息進行交流表達，即信息級的主體間交互協(xié)同，從而達到主觀與客觀意義的同步；之后通過信息融合、啟發(fā)與決策，進行主體間資源級、信息級、功能級和任務級的交互協(xié)同，實現(xiàn)信息決策與執(zhí)行，再將其作用于外部環(huán)境，完成任務，滿足約束，達到目標。

信息獲取的本質(zhì)是本體論信息向認識論信息的轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換的可實現(xiàn)性條件是系統(tǒng)具有觀察、理解和目的判斷能力[14]。傳統(tǒng)的信息過程沒有將本體論信息轉(zhuǎn)化為認識論信息，缺乏類似人類認識世界的認知過程、主體間協(xié)同形成的互動以及認識和環(huán)境之間的閉環(huán)反饋。因而，在處理所需信息與非所需信息之間交互作用的復雜性和不確定性時，存在著觀察不完善，理解不準確，判斷不可靠的問題；基于互為主體的信息獲取方式則能夠在這種條件下獲得觀察力、理解力和判斷質(zhì)量的提升。

2.2 基于互為主體的決策機制

如圖7所示，基于互為主體的決策機制實現(xiàn)步驟為：

Step1按照任務、環(huán)境、目標的多項約束，根據(jù)相關理論知識，以最大化系統(tǒng)效能為目標，通過計算、對比和邏輯處理，選取t時刻在資源層、信息層、功能層和任務層等不同層級中的初始主體；

Step2賦予初始主體在t時刻的領導權，選取t時刻的算法主體，執(zhí)行在t時刻環(huán)境和目標約束下的任務，得到t+1時刻任務的新狀態(tài)；

Step3將t+1時刻的任務新狀態(tài)與目標狀態(tài)進行比較，根據(jù)狀態(tài)差異的變化，重新選取t+1時刻的各層級新主體，新主體可能與t時刻相同也可能不同，這時領導權可能產(chǎn)生變化，但不變的是主體選取原則，即最大化系統(tǒng)效能；

Step4按照上述流程迭代計算，任務過程中每個時刻都選取最適合當前任務和目標狀態(tài)的主體賦予領導權并遂行任務，直至解決問題。

互為主體決策機制的優(yōu)勢在于：

1)形成一種新的決策權力分配方式，系統(tǒng)自主規(guī)劃和治理，領導權因時因地而變；

2)彌補單一平臺在觀測時間、位置、數(shù)據(jù)等方面的不足，使獲取的信息更為完備，互為補充，并且當其中某個節(jié)點受到打擊或毀傷時，整個系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作；

3)彌補單一平臺與對方單個平臺或集群的能力差距，通過互為主體的運行機制實現(xiàn)能力涌現(xiàn)。

圖7 互為主體決策機制

2.3 主體損壞后的主體重構方法

主體損壞的處理方法主要通過主體重構實現(xiàn)。主體重構是指為實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)任務的最佳響應或在主體遭受攻擊時的關鍵能力(按能力層級)得以快速恢復，以最小重構代價重建系統(tǒng)的結構及重新組合系統(tǒng)的功能的過程。

2.3.1 主體重構的目標

1)不斷積累重構經(jīng)驗：通過預設不同屬性的戰(zhàn)場任務和不同攻擊情況下的主體重構仿真，不斷積累系統(tǒng)重構經(jīng)驗，以提升戰(zhàn)場適應和生存能力。

2)涌現(xiàn)出強適應性的系統(tǒng)能力：基于系統(tǒng)重構經(jīng)驗，進而可促進系統(tǒng)對戰(zhàn)場任務和敵方攻擊的快速響應，觸發(fā)更具適應性的能力涌現(xiàn)。

2.3.2 主體重構的類型

主體損壞的處理旨在突顯主體的靈活擴展性、安全性、可控性等，并利于在戰(zhàn)場對抗環(huán)境中主體的構建與重構、增強系統(tǒng)的健壯性和提高遭受攻擊時的自修復性，從而提升作戰(zhàn)系統(tǒng)的生存能力和任務執(zhí)行能力[15]。本文按照主體重構的不同對象，將主體重構分為以下3類：

1)物理重構：主體需要引入新的平臺或從系統(tǒng)中移出已有平臺，或用一個平臺替換另一個平臺等涉及平臺物理變換的系統(tǒng)重構，稱之為物理重構；

2)邏輯重構：保持己有系統(tǒng)結構不變而改變組合方法、聯(lián)接方式等的主體重構，稱之為邏輯重構；

3)算法重構：根據(jù)當前任務特性，在算法庫中重新選擇可執(zhí)行的、效能最優(yōu)的算法運行，稱之為算法重構。

物理重構、邏輯重構和算法重構是主體最基本的重構形式。同時，根據(jù)主體所處的激勵形式可分為執(zhí)行預設戰(zhàn)場任務的主動重構和遭受敵方攻擊時所及進行的應激重構。

主動重構：當執(zhí)行預設戰(zhàn)場任務時，如偵察、攻擊、電子戰(zhàn)、協(xié)同制導、協(xié)同搜索時，為實現(xiàn)各級主體對戰(zhàn)場任務的最佳響應，在綜合考慮重構代價和重構效能的情況下，對主體進行的以標志節(jié)點為主導的功能重新組合、聯(lián)接方式改變等一系列的重構動作稱為主動重構；

應激重構：當主體遭受攻擊時，主體受到一定程度的損毀，為保證系統(tǒng)關鍵能力和最大化修復相關性能，此種情況下需對系統(tǒng)進行的一系列重構動作稱為應激重構。

2.3.3 主體重構的觸發(fā)機制

主體重構的觸發(fā)機制以執(zhí)行預設任務和攻擊激勵響應為研究主線，分觸發(fā)行為和觸發(fā)事件2個層面進行研究。

觸發(fā)行為包括任務指令觸發(fā)和戰(zhàn)場態(tài)勢觸發(fā)，指令觸發(fā)主要是依據(jù)上級作戰(zhàn)意圖及戰(zhàn)場指令；戰(zhàn)場態(tài)勢觸發(fā)則是根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢變化、具體作戰(zhàn)模式產(chǎn)生的適應性觸發(fā)行為。一般而言，預設戰(zhàn)場任務屬指令觸發(fā)行為，遭受攻擊屬戰(zhàn)場態(tài)勢觸發(fā)。

確定觸發(fā)行為后，即進入相應的觸發(fā)事件判斷。對于戰(zhàn)場預設任務的指令觸發(fā)行為，主要依據(jù)任務屬性分析(包括任務類型、規(guī)模、難度等)和能力需求分析(需要的能力類型、具體能力性能等)確定主體的響應規(guī)模(全系統(tǒng)、部分子系統(tǒng)或單個子系統(tǒng)響應等)。然后判斷相應的系統(tǒng)是否處于最佳組合狀態(tài)，即是否需要重構，若需要則進行重構代價評估。最后依據(jù)評估結果進入系統(tǒng)或子系統(tǒng)的主動重構，這就是面向任務執(zhí)行的主體重構的觸發(fā)事件。

對于遭受攻擊的戰(zhàn)場態(tài)勢觸發(fā)行為，首先從系統(tǒng)被毀傷規(guī)模、能力缺失分析、性能衰減分析、能力和性能的重要度分析等方面進行系統(tǒng)毀傷評估，并重構代價評估，進而確定主體的響應規(guī)模，然后進行系統(tǒng)或子系統(tǒng)的應激重構，這就是面向敵方攻擊的主體重構的觸發(fā)事件。

2.3.4 主體重構的原則

1)松耦合原則：可重構系統(tǒng)中任務和系統(tǒng)能力關系是松耦合:系統(tǒng)構建與重構不再依據(jù)特定任務需求提供系統(tǒng)結構，而是依據(jù)重構后涌現(xiàn)出的能力來執(zhí)行相應任務。

2)兼容融合原則：可重構系統(tǒng)體現(xiàn)了多功能平臺、多種交感通信機制、多種行為方式相互融合的發(fā)展趨勢，其目標是實現(xiàn)各種開放、異構資源支持下的能力融合、子系統(tǒng)互連和優(yōu)勢互補。

3)可擴展性原則：在兼顧了現(xiàn)有系統(tǒng)體系結構的基礎上對未知系統(tǒng)也具有較強的可擴展性，對于傳統(tǒng)集群系統(tǒng)中的信息傳播途徑和標志節(jié)點進行相應的改造，將其中各能力單元進行組合并預留擴展通道。

4)隔離原則：為了防止執(zhí)行不同任務或遭受敵方攻擊時，系統(tǒng)重構時產(chǎn)生能力單元交叉干涉，應在重構中選用適宜的技術、方法和機制來分隔各能力單元，盡量保證將不同能力單元的功能、適應執(zhí)行的任務從邏輯上進行分離，從實現(xiàn)上做到解耦。

3 互為主體在航空集群作戰(zhàn)任務決策中的應用實例

實例1：航空集群執(zhí)行的作戰(zhàn)任務包括目標搜索與探測、定位跟蹤、電子干擾以及攻擊等[16]。作戰(zhàn)過程中，典型的航空集群按照任務時序的任務轉(zhuǎn)換關系見圖8。當集群抵達待戰(zhàn)區(qū)域后，首先進行目標搜索與探測任務，一旦發(fā)現(xiàn)目標即對該目標進行定位跟蹤。當定位跟蹤精度滿足需要時，可以依據(jù)戰(zhàn)術需要進行干擾或者攻擊；如果目標丟失，則重新進行搜索與探測[17]。任務級的互為主體應用貫穿于整個集群作戰(zhàn)偵察、干擾、探測、通信、攻擊、管理和評估的任務轉(zhuǎn)換之間，依據(jù)每個時刻的戰(zhàn)場態(tài)勢，集群不斷進行著作戰(zhàn)任務和對抗措施的決策和轉(zhuǎn)換。例如，在偵察探測階段，我方集群主要對敵方目標進行協(xié)同搜索和定位跟蹤；當集群感知到敵方雷達開機，對我方平臺處于跟蹤乃至鎖定模式時，我方戰(zhàn)機的生存受到較大威脅，此時我方平臺應立即采取自衛(wèi)干擾等措施，集群任務就發(fā)生了轉(zhuǎn)換[18]。

圖8 航空集群任務轉(zhuǎn)換關系圖

實例2：本文以航空集群定位構型與波束聯(lián)合優(yōu)化為例說明互為主體在功能級、信息級和資源級的應用，如圖9所示[19]。

圖9 航空集群定位構型與波束聯(lián)合優(yōu)化

在執(zhí)行定位跟蹤任務時，為獲得更優(yōu)觀測，可以發(fā)揮集群分布式平臺的優(yōu)勢，通過對定位構型和發(fā)射波束進行聯(lián)合優(yōu)化，提高定位跟蹤的精度。其中，在功能級層面，可以基于互為主體思想來確定每個時刻平臺的功能是發(fā)射波束還是接收目標回波；在信息級層面，波束的優(yōu)化既涉及到定位構型又涉及到波束參數(shù)，需要異質(zhì)信息的聯(lián)合處理；在資源級層面，軟件資源要實時處理以最小化克拉美羅界(CRLB)為優(yōu)化準則的最優(yōu)構型和波束參數(shù)的計算更新，硬件資源要實時根據(jù)軟件資源的處理結果進行構型調(diào)整和波束發(fā)射，關聯(lián)資源和泛在節(jié)點也在這樣的迭代更新中不斷地進行分配調(diào)度，以達到航空集群定位構型與波束的聯(lián)合優(yōu)化，從而大幅度提升集群整體的態(tài)勢感知能力和作戰(zhàn)效能。

4 結語

在航空集群技術與作戰(zhàn)運用中，互為主體提供了一種靈活的電子系統(tǒng)架構和決策機制設計方法，在實際運用中起到“以活勝僵”的效果。在每個時刻，根據(jù)效能最優(yōu)的原則確定在資源級、信息級、功能級和任務級等不同層級中的主體，該主體具有在這個時刻的領導權；在不同時刻，主體是可變化的，也就是領導權因時因狀況而變。通過互為主體的協(xié)同運行機制，每個時刻都選取適合的主體來最大化整體效能，從而達到全時全域的效能最優(yōu)。