信息物理系統在體系作戰中的應用思考

最新 02-07

新的時代孕育新的技術、新的產品、新的模式、新的業態，同時也孕育了一系列新的概念，從大數據、雲計算、人工智慧、物聯網、區塊鏈、邊緣計算，到智能製造、智能裝備、智能工廠、工業4.0、工業物聯網，到信息經濟、數字經濟、分享經濟。在新的概念湧現的過程中，有些概念曇花一現，有些概念越來越深入人心。信息物理系統（Cyber-Physical Systems, CPS）作為一個新興概念，也在這個時代應用而生。美國的工業互聯網、德國的工業4.0計劃，以及歐盟、日韓等國的相關項目均將CPS作為核心技術，圍繞技術研發、試驗驗證作出了一系列部署。中國政府也積極採取行動，《中國製造2025》中明確提出「基於信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能製造正在引領製造方式變革」，《國務院關於深化製造業與互聯網融合發展的指導意見》國發〔2016〕28號對CPS的下一步工作也作出了明確的部署。本文首先介紹CPS內涵和CPS體系架構，然後提出CPS在未來戰爭形態——體系作戰中的應用思考。

1. CPS內涵

1.1 CPS術語來源

CPS這一術語最早由NASA在1992年提出，其後這個概念因為一次危機事件而被美國政府高度重視。2006年美國國家科學基金會（NSF）科學家海倫·吉爾（Helen Gill）在國際上第一個關於信息物理系統研討會（NSF Workshop onCyber-Physical Systems）上對CPS的概念進行了詳細描述。CPS術語的發展進程如下圖所示。

1.2 CPS的定義

CPS通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的複雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。——《信息物理系統白皮書（2017）》

1.3 CPS的本質

構建一套信息空間與物理空間之間基於數據自動流動的「狀態感知」、「實時分析」、「科學決策」、「精準執行」的系統級閉環賦能價值創造體系，解決裝備運維、生產製造、應用服務過程中的複雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源協同優化。

狀態感知——對產品、活動、環境等狀態數據的獲取，是一次數據閉環自動流動的起點。

實時分析——對顯性數據的理解，將狀態感知的數據轉化成認知的信息。

科學決策——對信息的綜合處理，在一定的條件約束下，做出最優決定。

精準執行——對決策的精準物理實現，通過可執行指令或活動對物理空間設備進行智能協同優化。

CPS對數據的加工是一個「螺旋式」上升的過程，數據在自動流動的過程中逐步由隱性數據轉化為顯性數據，顯性數據分析處理成為信息，信息最終通過綜合決策判斷轉化為有效的知識並固化在CPS中，同時產生的決策通過控制系統或相關活動轉化為優化的數據作用到物理空間，使得物理空間的物理實體朝向資源優化配置和活動高度協同的方向發展。

1.4 CPS的特徵

CPS具有數據驅動、軟體定義、泛在連接、虛實映射、異構集成等特徵。

數據驅動——狀態感知的結果是數據，實時分析的對象是數據，科學決策的基礎是數據，精準執行的輸出還是數據。

軟體定義——軟體不僅可以控制裝備的運行，而且可以把裝備運行的狀態實時展現出來，通過分析、優化，作用到裝備的運行，實現迭代優化。

泛在連接——構成CPS的各部件、單元、系統等實體都要具備泛在連接能力，實現跨網路、異構多技術的融合與協同，保障數據的自由流動。

虛實映射——CPS構築信息空間與物理空間數據交互的閉環通道，能夠實現信息虛體與物理實體之間的交互聯動。

異構集成——CPS能夠將異構硬體、異構軟體、異構數據、異構網路集成起來，實現數據在信息空間與物理空間不同環節的自動流動。

系統自治——CPS能夠根據感知到的環境變化信息，在信息空間進行處理分析，自適應的對外部變化做出有效響應，多個CPS通過網路實現自組織。

2. CPS體系架構

基於5C構架的CPS應用術體系，其核心是以數據為驅動的建模手段，分析實體環境中各個活動要素的狀態與目標的差異，動態尋找協同優化的解決方案，實現工業系統或裝備自省性、自預測性和自重構性的智能化，支持工業企業最終實現無憂生產，支持智能裝備實現智能自主運行。

智能感知層——搭建數據採集平台，提供靈活的數據接入環境，實現裝備高維狀態數據的實時智能感知。

信息挖掘層——對採集的數據進行分析和挖掘，準確評估裝備的真實健康狀態和未來退化趨勢，並對已發生的故障進行診斷和定位，為裝備的使用、維護和管理提供決策依據，實現在「數據」中捕獲「信息」。

網路層——在網路層中建立裝備群體的數字鏡像和大數據環境，通過實體運行歷史數據中的關聯性與邏輯性分析，產生支撐決策的知識，實現將「信息」加工成「知識」。

認知層——以協同優化為目標，基於裝備真實健康狀態和退化趨勢，結合用戶使用需求，提供裝備使用、維修和管理的最優決策支持，將獲得的「知識」轉化為最優的「決策」。

配置層——依據智能決策優化建議，對裝備進行控制與協同優化，實現以最優的「決策」為用戶創造新的「價值」。

3. CPS在體系作戰中的應用思考

3.1體系作戰組成及特點

未來戰爭是體系與體系的對抗，基於陸、海、空、天等多維信息支持下的體系對抗是機械化作戰向信息化作戰發展的必然趨勢。體系作戰具有空間感知多維化、力量運用一體化、信息數據云網化、指揮控制自動化等特點，空間感知多維化是指遍布陸、海、空、天等多維領域的態勢感知系統為體系作戰提供強有力的信息保障；力量運用一體化是指多軍兵種和多武器平台之間通過通信網路無縫連接、深度耦合，各參戰力量相互融合，形成作戰功能豐富多樣的聯軍；信息數據云網化是指作戰單元之間藉助通信網路互聯互通，體系要素之間可進行數據實時共享，提高了作戰響應速度，裝備的作戰效能倍增；指揮控制自動化是指信息獲取、數據分析、指揮決策、作戰行動等要素深度融合，作戰數據自主高速流動，最大化作戰體系整體威力。

3.2 CPS與體系作戰的聯繫

CPS架構與體系作戰組成要素及特點之間的聯繫如下圖所示，在智能感知層，可實現裝備數據及戰場環境數據的感知與收集；在信息挖掘層，實現對感知數據的分析，完成敵我雙方態勢評估、打擊後的毀傷評估等，智能感知層和信息挖掘層共同對應體系作戰「空間感知多維化」的特點；在網路層，打破時空限制，實現裝備態勢的信息共享，並在裝備體系元素受損後快速進行體系能力重構，網路層對應體系作戰「信息數據云網化」的特點；在認知層，依據裝備態勢感知、數據分析結果，完成作戰規劃，制定綜合保障計劃，為資源配置和協同優化提供決策支持，對應體系作戰「力量運用一體化」的特點；在配置層，依據決策信息完成指揮控制，並執行作戰行動和保障活動，實現體系作戰的閉環，對應體系作戰「指揮控制自動化」的特點。

3.3 CPS在體系作戰中的應用架構

CPS在體系作戰中的應用架構如下圖所示，實體空間中的元素包括裝備、資源、人員、活動、環境等，信息空間中的元素包括裝備模型、狀態模型、關係模型、決策模型等，通過感測器網路採集物理空間中各單元的多維度、深層次狀態數據以及環境數據，並構建物理空間與信息空間之間的數據自流動通道，將數據映射至信息空間中，建立高精度、多維度虛體模型。在信息空間中，基於強大的CPS引擎綜合利用大數據與人工智慧等技術，進行數據分析與推理，並形成決策建議。應用信息空間的決策結果驅動物理實體，開展協同優化活動，達到「實體—虛體—實體」的有效閉環。