張兆晨,毛曉彬,黃松華
(1.中國(guó)電科第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210007;2.軟件新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210000)
網(wǎng)絡(luò)信息體系是一個(gè)包含傳感器系統(tǒng)、指揮信息系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、保障資源等多種作戰(zhàn)要素的復(fù)雜大系統(tǒng)[1],保證體系中各類要素的互操作性,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作戰(zhàn)要素協(xié)同運(yùn)作,是發(fā)揮體系效能的必要條件。體系結(jié)構(gòu)是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的一種較高層次的抽象。美軍C4ISR 體系結(jié)構(gòu)框架將體系結(jié)構(gòu)定義為系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及制約它們?cè)O(shè)計(jì)和演進(jìn)的原則和指南[2]。體系結(jié)構(gòu)提供了一種描述和管理復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)制,通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保證系統(tǒng)的互操作性,并幫助系統(tǒng)用戶、設(shè)計(jì)者、實(shí)現(xiàn)者等各類人員對(duì)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行過(guò)程形成共同理解[3]。因此,網(wǎng)絡(luò)信息體系的頂層設(shè)計(jì)需要一套科學(xué)有效的體系結(jié)構(gòu)方法指導(dǎo)。
隨著以“適應(yīng)環(huán)境”[4]為特征的第三次人工智能浪潮[5]的到來(lái),越來(lái)越多的智能信息系統(tǒng)、無(wú)人武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)中應(yīng)用,輔助或代替作戰(zhàn)人員實(shí)施目標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別、情況快速研判、協(xié)同火力打擊等。因此,人機(jī)的高效協(xié)作將成為智能化戰(zhàn)場(chǎng)下網(wǎng)絡(luò)信息體系發(fā)揮作戰(zhàn)效能的重要突破口。美軍已著手部署開(kāi)展了一系列的研究工作。美軍在《人機(jī)系統(tǒng)科技發(fā)展路線圖》(Human Systems Roadmap Review)[6]強(qiáng)調(diào),人機(jī)系統(tǒng)整合(Human-Machine Systems Integration,HSI)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)和采辦的重要組成,提出研究以人為本的人機(jī)編組技術(shù),形成高效且自然的人機(jī)編隊(duì),增強(qiáng)作戰(zhàn)效能。DARPA 于2016 年啟動(dòng)了“靈活編隊(duì)”(Agile Teams)項(xiàng)目[7],致力于實(shí)現(xiàn)高度靈活的人機(jī)混合編組的最優(yōu)化設(shè)計(jì),以更好地將人的認(rèn)知優(yōu)勢(shì)與機(jī)器的特有能力相結(jié)合,從而打造智能編隊(duì)以適應(yīng)迅速變化的外部環(huán)境。隨后,于2018 年啟動(dòng)了人機(jī)探索軟件安全(Computers and Humans Exploring Software Security,CHESS)項(xiàng)目[8],旨在使人與計(jì)算機(jī)協(xié)作推理、識(shí)別并修復(fù)新出現(xiàn)的高威網(wǎng)絡(luò)漏洞。
DoDAF[9]、MoDAF 等主流體系結(jié)構(gòu)框架很少考慮人的因素在系統(tǒng)建設(shè)中的作用。雖然UAF[10]、NAF[11]等體系結(jié)構(gòu)框架提出了人因視角,但只是聚焦于對(duì)人員本身角色、功能、屬性等方面的建模,并未涉及人與智能化系統(tǒng)之間的協(xié)作架構(gòu)的描述。因此,建立一套面向人機(jī)協(xié)作的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,對(duì)未來(lái)智能化作戰(zhàn)條件下的網(wǎng)絡(luò)信息體系頂層規(guī)劃尤為重要。本文基于人機(jī)協(xié)作機(jī)理提出了人機(jī)視角模型,重點(diǎn)關(guān)注滿足作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)能力的人機(jī)權(quán)限分配、人機(jī)協(xié)作活動(dòng)過(guò)程及接口標(biāo)準(zhǔn)等體系結(jié)構(gòu)描述,為面向人機(jī)高度融合的網(wǎng)絡(luò)信息體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供頂層指導(dǎo)規(guī)范。需要說(shuō)明的是,這里的“機(jī)”涵蓋計(jì)算機(jī)、信息系統(tǒng)、武器裝備等智能化軟、硬件作戰(zhàn)系統(tǒng)。
人機(jī)協(xié)作機(jī)理強(qiáng)調(diào)人在回路中的混合增強(qiáng)智能,以實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能共生。在網(wǎng)絡(luò)中心OODA 模型的基礎(chǔ)上,分別建立感知網(wǎng)、指控網(wǎng)、打擊網(wǎng)的人機(jī)協(xié)作環(huán)路,形成情報(bào)人員、指揮員、單兵等對(duì)情報(bào)感知、指揮決策、火力打擊活動(dòng)的協(xié)同反饋過(guò)程,如圖1 所示。一方面,通過(guò)人機(jī)協(xié)作反饋過(guò)程能夠不斷完善智能化信息系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù),優(yōu)化智能算法模型,充分發(fā)揮人的思考和學(xué)習(xí)能力,彌補(bǔ)機(jī)器在認(rèn)知方面的不足,幫助信息系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn),更精準(zhǔn)地識(shí)別目標(biāo)、認(rèn)知態(tài)勢(shì)、理解任務(wù)、作出決策等,實(shí)現(xiàn)人機(jī)的最優(yōu)編組。另一方面,在人機(jī)協(xié)作環(huán)路中人員有權(quán)在任一個(gè)OODA 環(huán)節(jié)干預(yù)、控制作戰(zhàn)進(jìn)程,充分發(fā)揮了人在回路的重要作用,賦予了人主導(dǎo)戰(zhàn)爭(zhēng)走向的權(quán)力。
圖1 基于人機(jī)協(xié)作的OODA 模型
傳感器收集目標(biāo)和打擊情況,情報(bào)處理系統(tǒng)完成情報(bào)融合和目標(biāo)識(shí)別,生成初始態(tài)勢(shì)信息;情報(bào)人員和指揮所指揮員依據(jù)作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)識(shí)別虛假目標(biāo)和誤判目標(biāo),并對(duì)綜合態(tài)勢(shì)進(jìn)行修正,給出戰(zhàn)場(chǎng)趨勢(shì)的進(jìn)一步研判;情報(bào)處理系統(tǒng)學(xué)習(xí)指揮員對(duì)目標(biāo)和態(tài)勢(shì)的判斷結(jié)果,進(jìn)行特征標(biāo)記,更新目標(biāo)庫(kù)和態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)模型庫(kù)。
指揮所指揮員理解作戰(zhàn)意圖,作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)形成初始敵我情況分析和任務(wù)分解結(jié)果,指揮員修正敵情、我情、戰(zhàn)場(chǎng)情況和任務(wù)清單;作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)輔助指揮員制定作戰(zhàn)構(gòu)想,充當(dāng)指揮員“參謀”制定形成多套備選的作戰(zhàn)方案,指揮員審批后形成作戰(zhàn)決心,再由作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)滾動(dòng)制定作戰(zhàn)計(jì)劃,指揮員審定作戰(zhàn)計(jì)劃;整個(gè)過(guò)程中,作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)指揮員決策特征,更新情況分析、作戰(zhàn)方案和計(jì)劃制定的模型庫(kù),以便后續(xù)形成更加符合指揮風(fēng)格、滿足要求的備選方案和計(jì)劃。
火控系統(tǒng)鎖定目標(biāo)后,在需要打擊決策或關(guān)鍵目標(biāo)攻擊時(shí),向戰(zhàn)術(shù)指揮員發(fā)送目標(biāo)瞄準(zhǔn)信息,由戰(zhàn)術(shù)指揮員決定目標(biāo)打擊時(shí)人機(jī)、方式、協(xié)同關(guān)系等;戰(zhàn)術(shù)指揮員具有在作戰(zhàn)進(jìn)程的任何階段干預(yù)控制打擊行動(dòng)、重新部署火力計(jì)劃等權(quán)力;單兵能夠與智能化武器系統(tǒng)進(jìn)行靈活編組,相互協(xié)作發(fā)揮最優(yōu)作戰(zhàn)效能。
基于人機(jī)協(xié)作機(jī)理,借鑒Zachman 框架[12-13]和統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)框架(Unified Architecture Framework,UAF1.0)[14-15]矩陣的視角模型構(gòu)建方法,從場(chǎng)景、能力、職權(quán)、活動(dòng)、效果、關(guān)系、分類、接口8 個(gè)方面的設(shè)計(jì)要素,提出網(wǎng)絡(luò)信息體系結(jié)構(gòu)人機(jī)視角模型矩陣,如表1 所示,人機(jī)視角模型描述如表2 所示。
3.1.1 人機(jī)協(xié)作模式(HMV-1)
表1 人機(jī)視角模型矩陣
表2 人機(jī)視角模型描述
人機(jī)協(xié)作模式(HMV-1)是基于使命任務(wù)和作戰(zhàn)能力,結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)的智能化水平分析得到的人員和系統(tǒng)之間的協(xié)作邏輯關(guān)系,通常以概念圖或文檔的形式描述。隨著系統(tǒng)的智能程度不斷發(fā)展,人機(jī)協(xié)作可以采用以下模式:
●主從式。人員通過(guò)控制指令直接管控系統(tǒng),系統(tǒng)活動(dòng)完全由人員控制;
●輔助式。系統(tǒng)充當(dāng)人員的助手,人員可以向系統(tǒng)提出問(wèn)題或需求,由系統(tǒng)自主進(jìn)行求解,同時(shí),系統(tǒng)也可以為人員提供主動(dòng)建議;
●對(duì)等式。系統(tǒng)具備與人員相同的智能等級(jí),人員和系統(tǒng)能夠相互理解,決策時(shí)共同協(xié)商,人員和系統(tǒng)的地位對(duì)等;
●干預(yù)式。人員向系統(tǒng)下達(dá)任務(wù),大部分活動(dòng)由系統(tǒng)自主完成,在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或必要時(shí)人員介入進(jìn)行決策;
●混合式。在不同的活動(dòng)階段或不同的人員和系統(tǒng)之間混合采取主從式、輔助式、對(duì)等式和干預(yù)式的協(xié)作模式。
3.1.2 人機(jī)職權(quán)分配(HMV-2)
人機(jī)職權(quán)分配(HMV-2)明確了各領(lǐng)域、軍種、部門(mén)的人員和系統(tǒng)所應(yīng)承擔(dān)的職責(zé)和具備的權(quán)力,具體為:
●職責(zé)。人員或系統(tǒng)為履行組織職能或完成使命任務(wù),所負(fù)責(zé)的范圍和承擔(dān)的工作任務(wù),以及完成這些工作任務(wù)所需承擔(dān)的相應(yīng)責(zé)任;
●權(quán)力。在職責(zé)范圍內(nèi)具有的支配和指揮力量。
在人機(jī)協(xié)作活動(dòng)(HMV-4)建模后,需要將人機(jī)職權(quán)分配(HMV-2)的人員和系統(tǒng)的職權(quán)與活動(dòng)相關(guān)聯(lián),以展現(xiàn)職權(quán)對(duì)活動(dòng)的約束。
3.1.3 人機(jī)能力關(guān)系(HMV-3)
人機(jī)能力關(guān)系(HMV-3)通常用矩陣的形式映射表示人員能力與系統(tǒng)能力之間的關(guān)系,以指導(dǎo)和約束人機(jī)協(xié)作活動(dòng)的分析。人機(jī)能力關(guān)系可以包含以下依賴關(guān)系:
●單向依賴關(guān)系。一種能力的實(shí)現(xiàn)依賴于另一種能力的實(shí)現(xiàn);
●雙向依賴關(guān)系。兩種能力相互支持;
●正向影響關(guān)系。一種能力的提升會(huì)促進(jìn)另一能力提升;
●反向影響關(guān)系。一種能力的提升會(huì)促使另一能力下降。
3.1.4 人機(jī)協(xié)作活動(dòng)(HMV-4)
人機(jī)協(xié)作活動(dòng)(HMV-4)是在人機(jī)職權(quán)、能力關(guān)系的約束下,描述滿足使命任務(wù)、作戰(zhàn)能力的協(xié)作活動(dòng)過(guò)程,是產(chǎn)生人機(jī)協(xié)作能力效果的基礎(chǔ)。通常采用泳道圖的形式描述,分為人員泳道和系統(tǒng)泳道。協(xié)作關(guān)系可以包括以下兩方面:
●人員與系統(tǒng)之間交互信息流,如指揮員向作戰(zhàn)籌劃系統(tǒng)下達(dá)方案審批決策;
●人員對(duì)系統(tǒng)的操作,如飛行員按下戰(zhàn)機(jī)的導(dǎo)彈發(fā)射按鈕。
人員/系統(tǒng)泳道內(nèi)部可能涉及跨領(lǐng)域、跨軍種、跨部門(mén)的人員/系統(tǒng)的交互,因此,為了區(qū)分人員與系統(tǒng)間的協(xié)作活動(dòng)以及人員/系統(tǒng)內(nèi)部的活動(dòng),并保證活動(dòng)圖的完整性,用虛線表示跨越人員和系統(tǒng)的信息流或操作,用實(shí)線表示人員/系統(tǒng)內(nèi)部的信息流或操作。
3.1.5 人機(jī)協(xié)作活動(dòng)效果(HMV-5)
人機(jī)協(xié)作活動(dòng)效果(HMV-5)是對(duì)協(xié)作活動(dòng)產(chǎn)生的能力效果的展現(xiàn)和度量,包含以下要素:
●人員活動(dòng);
●系統(tǒng)活動(dòng);
●效果屬性;
●度量指標(biāo)。
由于人機(jī)協(xié)作活動(dòng)涉及人員活動(dòng)和系統(tǒng)活動(dòng),因此,協(xié)作活動(dòng)產(chǎn)生的效果屬性應(yīng)當(dāng)涵蓋人員活動(dòng)和系統(tǒng)活動(dòng)產(chǎn)生的效果?;顒?dòng)效果的度量指標(biāo)可以進(jìn)行階段性增量分解。度量指標(biāo)的階段性增量通常是由于人員的決策和修正意見(jiàn)反饋給系統(tǒng),系統(tǒng)學(xué)習(xí)人員,動(dòng)態(tài)更新知識(shí)庫(kù),不斷提升系統(tǒng)決策建議的準(zhǔn)確性、理解性、全面性。
3.1.6 人機(jī)協(xié)作接口(HMV-6)
人機(jī)協(xié)作接口(HMV-6)約束人員和系統(tǒng)協(xié)作的接口規(guī)范,是實(shí)現(xiàn)人機(jī)互操作、互理解的基礎(chǔ),包含以下要素:
●接口連接的人員活動(dòng);
●接口連接的系統(tǒng)活動(dòng);
●接口標(biāo)識(shí);
●接口描述;
●接口標(biāo)準(zhǔn)。
人機(jī)協(xié)作接口可以是信息交互接口,也可以是行為操作接口,可以描述物理接口,也可以描述邏輯接口。接口標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)交互信息的方式、容量、距離、安全等方面的要求描述,也可以擴(kuò)展更多的標(biāo)準(zhǔn)屬性。接口標(biāo)準(zhǔn)可以定性描述,也可以定量描述。
人機(jī)視角設(shè)計(jì)以作戰(zhàn)使命任務(wù)與能力為驅(qū)動(dòng),通過(guò)分配人機(jī)職權(quán)、描述人機(jī)協(xié)作活動(dòng)過(guò)程、標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)作接口來(lái)設(shè)計(jì)規(guī)劃未來(lái)智能化作戰(zhàn)中人機(jī)協(xié)作體系結(jié)構(gòu),人機(jī)視角設(shè)計(jì)過(guò)程如下頁(yè)圖2 所示。
圖2 人機(jī)視角設(shè)計(jì)過(guò)程
1)人機(jī)協(xié)作場(chǎng)景設(shè)計(jì)。依據(jù)使命任務(wù)、作戰(zhàn)概念以及作戰(zhàn)能力需求,設(shè)想未來(lái)人機(jī)協(xié)作模式,描述人機(jī)協(xié)作場(chǎng)景,形成人機(jī)協(xié)作模式(HMV-1)。
2)人機(jī)協(xié)作職權(quán)分配與能力關(guān)系分析。在協(xié)作模式的指導(dǎo)下,制定人員和系統(tǒng)的協(xié)作職責(zé)和權(quán)限,在此基礎(chǔ)上分析人員能力和系統(tǒng)能力之間的依賴和影響關(guān)系,形成人機(jī)職權(quán)分配(HMV-2)和人機(jī)能力關(guān)系(HMV-3)。
3)人機(jī)協(xié)作活動(dòng)與效果設(shè)計(jì)。人機(jī)協(xié)作職權(quán)約束了人員活動(dòng)和系統(tǒng)活動(dòng)配合的時(shí)機(jī)、交互的信息、實(shí)施的操作等。設(shè)計(jì)在人機(jī)協(xié)作職權(quán)規(guī)范下能夠滿足作戰(zhàn)任務(wù)和作戰(zhàn)能力要求的人機(jī)協(xié)作活動(dòng)過(guò)程,形成人機(jī)協(xié)作活動(dòng)(HMV-4),并將活動(dòng)與人機(jī)職權(quán)分配(HMV-2)中的職權(quán)映射;分析通過(guò)協(xié)作活動(dòng),系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、提升能力所產(chǎn)生的活動(dòng)效果的增量,形成人機(jī)協(xié)作活動(dòng)效果(HMV-5)。
4)人機(jī)協(xié)作接口定義?;趨f(xié)作活動(dòng),提出約束人員活動(dòng)與系統(tǒng)活動(dòng)交互接口的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,形成人機(jī)協(xié)作接口(HMV-6),保證協(xié)作活動(dòng)的互操作性。
以未來(lái)智能作戰(zhàn)籌劃的方案制定過(guò)程為例進(jìn)行人機(jī)視角模型設(shè)計(jì),其中,人員涉及指揮所內(nèi)指揮員和參謀,機(jī)器主要是指揮所內(nèi)的籌劃系統(tǒng)。
未來(lái)作戰(zhàn)要求籌劃系統(tǒng)具備方案自主制定與推演能力,指揮員和參謀只需進(jìn)行方案選擇與調(diào)整,因此,方案制定過(guò)程采用干預(yù)式的人機(jī)協(xié)作模式,人機(jī)協(xié)作模式(HMV-1)如表3 所示。
表3 人機(jī)協(xié)作模式(HMV-1)
基于干預(yù)式的人機(jī)協(xié)作模式,定義人員和系統(tǒng)的職權(quán)如表4 所示。HMV-3 賦予指揮員對(duì)方案的最高決定權(quán),對(duì)參謀的方案評(píng)估、籌劃系統(tǒng)的方案制定、推演提出職責(zé)要求。4.3 節(jié)設(shè)計(jì)形成人機(jī)協(xié)作活動(dòng)(HMV-4)后再將關(guān)聯(lián)的活動(dòng)與職權(quán)映射。
在干預(yù)式的協(xié)作模式下,分析第1 層次的指揮員/參謀和系統(tǒng)能力,并建立人機(jī)能力之間的關(guān)系,如下頁(yè)表5 所示??梢钥闯?,依賴擬制多套方案能力(Cm1)的人員能力數(shù)量最多,表明該能力為關(guān)鍵能力,在籌劃系統(tǒng)研制過(guò)程中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注該能力的建設(shè)。
表4 人機(jī)職權(quán)分配(HMV-3)
依據(jù)人機(jī)協(xié)作職權(quán)和能力的依賴關(guān)系,設(shè)計(jì)方案制定的人機(jī)協(xié)作活動(dòng)過(guò)程:籌劃系統(tǒng)制定多套方案(Am1),并進(jìn)行自主對(duì)抗推演(Am2),將多套方案和推演結(jié)果發(fā)送給參謀人員進(jìn)行方案比較優(yōu)選(Ah1),參謀審定形成評(píng)估報(bào)告和指揮員審批建議,指揮員依據(jù)建議進(jìn)行方案審批修訂(Ah2);參謀的方案評(píng)估報(bào)告和指揮員審批建議,以及指揮員的方案審批結(jié)論和方案修訂結(jié)果都將反饋給籌劃系統(tǒng)的制定多套方案(Am1)活動(dòng),以學(xué)習(xí)參謀和指揮員的決策習(xí)慣,制定出更加合理、滿足需求的作戰(zhàn)方案。人機(jī)協(xié)作活動(dòng)模型如圖3 所示。
圖3 人機(jī)協(xié)作活動(dòng)(HMV-4)
表5 人機(jī)能力關(guān)系(HMV-3)
圖3 中的虛線連接了存在人機(jī)協(xié)作關(guān)系的活動(dòng)。下面以籌劃系統(tǒng)的制定多套方案(Am1)和參謀的方案比較優(yōu)選(Ah1)的協(xié)作活動(dòng)過(guò)程為例,分析協(xié)作活動(dòng)效果。參謀對(duì)方案的理解程度、方案對(duì)籌劃要素的覆蓋率、方案生成的時(shí)效性都將反映籌劃系統(tǒng)與參謀協(xié)作的效果。籌劃系統(tǒng)制定的方案越容易理解、考慮的要素越全、生成的時(shí)間越短,則越有利于參謀依據(jù)上級(jí)意圖進(jìn)行方案評(píng)估,給出合理的推薦。協(xié)作活動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的效果屬性的兩個(gè)階段的度量指標(biāo)增量如表6 所示。
表6 人機(jī)協(xié)作活動(dòng)效果(HMV-5)
表7 人機(jī)協(xié)作接口(HMV-5)
最后,定義人機(jī)協(xié)作活動(dòng)的接口規(guī)范,為保證協(xié)作接口的互操作性提供基礎(chǔ),支撐開(kāi)放靈活、敏捷適變的人機(jī)融合系統(tǒng)構(gòu)建。以籌劃系統(tǒng)的制定多套方案(Am1)和參謀的方案比較優(yōu)選(Ah1)的協(xié)作活動(dòng)過(guò)程為例,制定協(xié)作活動(dòng)過(guò)程的接口標(biāo)準(zhǔn),如表7 所示。
隨著智能信息系統(tǒng)與無(wú)人武器裝備投入使用,高度的人機(jī)融合將成為趨勢(shì),網(wǎng)絡(luò)信息體系的建設(shè)欲搶占智能作戰(zhàn)的先機(jī),必須建立一套支持人機(jī)高效協(xié)同的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本文提出的人機(jī)視角建立在人機(jī)協(xié)作的OODA 過(guò)程基礎(chǔ)上,將人機(jī)協(xié)作中的權(quán)限分配、活動(dòng)過(guò)程、活動(dòng)效果、接口標(biāo)準(zhǔn)等要素抽象出來(lái)并形式化建模描述。在人機(jī)視角的規(guī)范下,人員與機(jī)器權(quán)責(zé)明確,各司其職,有利于優(yōu)化作戰(zhàn)流程,實(shí)現(xiàn)人員和機(jī)器能力的結(jié)合,涌現(xiàn)出更大的作戰(zhàn)效能。