本文发表于《指挥信息系统与技术》2023年第6期
作者：毛少杰，易侃，闫晶晶，毛晓彬，周光霞，孙昱，张兆晨
引用格式：毛少杰，易侃，闫晶晶，等 .软件定义指挥信息系统基本概念与原理［J］.指挥信息系统与技术，2023，14（6）：1-9
摘要
指挥信息系统未来如何建设发展是指挥控制领域关注的重点问题。首先，分析了软件定义技术的发展现状，在此基础上结合软件定义技术的思想内涵提出了软件定义指挥信息系统的基本概念，并描述了系统的基本组成和装备形态；然后，设计了系统的构建部署、运行调整以及升级演化模式；最后，阐述了系统运行的基本原理。通过探索软件定义指挥信息系统的基本概念与原理，为未来指挥信息系统的建设发展提供有益参考。
0 引言
21世纪以来，以智能化为代表的高新技术快速发展，正在从根本上改变战争面貌和攻防格局。如何发展智能化时代的指挥信息系统，灵活应对强敌的战略战术变化和多域混合、高强度对抗的战场环境，以夺取整体优势、打赢高端战争，是一个急需回答的时代性问题。
从指挥信息系统发展历程看，在需求牵引和技术推动下系统一直在适变、演进，其发展已历经单点、单线、区域到网络化和服务化四代，目前正在向着智能化方向发展，系统支撑的作战样式从防空作战、军种作战到军种联合作战、全域联合作战。智能化、高端战争对指挥信息系统提出了更高要求，系统的适变和演进将由外在转向内生，达到自感知、自调整和自适应，即自主适变。研究指挥信息系统适变、演进的方法和技术、探寻指挥信息系统未来发展方向，是指挥信息系统自身发展的需要。
1 软件定义概念及其应用现状
软件定义最早在1985年由互联网工程任务组提出，最先广为人知的应用可以追溯到软件无线电。
软件定义无线电技术的成功应用掀起了软件定义技术的发展热潮。各种软件定义系统与应用在各行业迅猛展开，软件定义网络、存储、计算、环境、数据中心和信息系统，软件定义卫星，软件定义网络安全以及软件定义汽车等，林林总总，直至软件定义一切。其中，最具有代表性的是软件定义网络。在军事领域，软件定义概念和技术同样席卷而来，如软件定义雷达、软件定义导弹、软件定义传感器、软件定义武器和软件定义装备等。
由于使用软件定义技术后，无需大规模改造便可持续升级武器装备，快速升级作战能力，因此，美军于2017年就提出未来需实现软件定义战场，认为软件定义能力更具成本优势并能够实现对抗环境下更大的作战灵活性。目前，美军及相关智库已将该概念提升到软件定义战术、软件定义作战能力和软件定义战争。
美国哈德逊研究所在《软件定义战术》报告中提出了适应性是达成军事优势的关键，培育一种适应不确定未来的能力能够带来军事优势。根据DARPA的马赛克战概念，某一方部署的杀伤链最具适应性，该方的优势就更大。在软件主宰现代杀伤链的速度与效应的当下，软件定义是达成杀伤链适应性的关键技术。
针对软件定义战争成为未来战争的趋势，随着新技术的应用和以数据为中心理念的形成，适应未来作战和表现更多灵活性的武器装备将成为制胜战场的关键。2022年9月，美国战略与国际问题研究中心在《软件定义战争》报告中，提出了软件定义战争的关键是设计一种灵活、大规模、适应性和低成本的架构，通过驱动不同核心设计的决策，整合一些互不关联的硬件产品成为单一操作和管理的整体，同时还具备分布式控制的特点，即软件定义方式。
针对发展第六代战机的美国空军下一代空中优势项目，哈德逊研究所在《为下一代空中优势构建编队》报告中，提出了先建立软件定义生态系统，再采用开放系统方法和模块化技术进行任务系统、武器和平台的开发，即采用“组合-编译”的模式，改变了美军传统的开发模式。
概而言之，软件定义是当前世界军事技术发展的热点，也是提升指挥信息系统敏捷适变能力的核心技术途径。
2 软件定义指挥信息系统基本概念、组成与装备形态
2.1 基本概念
《军队信息化词典》中，指挥信息系统的基本定义为：综合运用以电子计算机为核心的技术装备，实现对作战信息收集、传输和处理的自动化，保障各级指挥机构对所属部队和武器实施科学高效指挥、控制与管理的各类信息系统的统称。
《中国人民解放军军语》中，指挥信息系统的基本定义为：以计算机网络为核心，由指挥控制、情报、通信、信息对抗和综合保障等分系统组成，可对作战信息进行实时的获取、传输和处理，用于保障各级指挥机构对所属部队和武器实施科学高效指挥控制的军事信息系统。
在继承指挥信息系统基本定义基础上，将能够遵循作战规则、指挥模式与流程以及通信能力等约束，支持用户按需定义、配置和生成各类指挥业务流程和能力的系统称为软件定义指挥信息系统。
软件定义指挥信息系统是软件定义装备向软件定义系统的拓展，其核心特征是开放式环境下系统构建及运行的全周期可管、可控和可变，包括情报保障链路、指挥控制链路和综合保障链路等信息流程可按需定义，态势感知、指挥决策和行动控制等系统的功能、性能可按需定义，以及信息共享、服务调用和指挥对象等边界权限可按需定义等，从而灵活适应作战任务、通信条件和指挥控制（指控）模式等任务场景的动态变化，满足指挥员在执行任务前或过程中改变战术和系统配置的要求。
2.2 基本组成
面向软件定义指挥信息系统的定义及特征，其基本组成包括资源、资源控制平面和资源构建与集成标准3大要素，如图1所示。
图1 软件定义指挥信息系统基本组成要素
1) 资源：用于系统构建的“积木”。按照业务应用/基础支撑功能，软件定义指挥信息系统构建资源可划分为传感探测、情报处理、指挥控制、火力打击、通信、信息与管理服务、通用计算环境和交互适配共8类资源，每类资源可按节点级、业务级、功能级和子功能级等粒度进行细分，形成系统构建的资源组件库，具备资源状态可识别、能力可组合及交互关系可配置等基本特性，为软件定义指挥信息系统“可以变”奠定基础。
2) 资源控制平面：系统能力生成与调整的“大脑”。资源控制平面由分散的管控代理及管控单元组成。其中，管控代理类似于“神经末梢”，可获取资源状态、环境异常及用户需求，解析传达控制指令，起到上传下达的作用；管控单元类似于“神经中枢”，通过任务-资源信息关联分析，提取系统调整的动因，并生成对资源部署运行及资源之间交互的控制逻辑（包括软硬件加载/卸载、虚拟机/容器调度、网络流量控制、服务组合/运行/降级以及情报保障/指挥控制关系配置等），通过控制逻辑按需定义资源的能力及资源之间信息交互的流向、流速和内容，解决软件定义指挥信息系统“为何变、如何变”的问题。
3) 资源构建与集成标准：支撑系统构建、使用与演进的“规章制度”。发展软件定义指挥信息系统不可能一蹴而就，既要兼容已有资源的集成运用，又要提出未来可软件定义模块化资源的构建要求。在资源设计开发方面，需建立资源划分及粒度度量、资源能力数字化表征、资源智能体封装、访问控制接口、运行支撑环境等标准规范；在资源运行管控方面，需建立异构资源集成运用“两图一表”（能力需求清单、物理连接图和信息关系图）和适变规则策略（涵盖动因分类与表征、调整策略与指令解析以及效果评估与样本采集全周期）等标准规范，最终形成一套软件定义指挥系统资源构建与集成的标准体系，为逐步形成软件定义指挥信息系统“生态”奠定基础。
2.3 装备形态
指挥信息系统一般由探测感知、情报处理、指挥控制和通信网络等功能分系统组成，装备形态包括固定、车载、机载和舰载等多种模式。软件定义系统除上述分系统外，还增加了资源管控分系统。与资源控制平面相对应，资源管控分系统一般是由资源管控单元、多个管控代理组成的分布式系统，软件定义指挥信息系统装备形态如图2所示。管控单元部署在指控中心，管控代理部署在下级指控、情报处理、探测感知和火力打击等节点。车载、机载和舰载模式下，管控单元一般是计算机装载管控软件的设备，管控代理一般以软件构件或板卡的形态存在。
图2 软件定义指挥信息系统装备形态
3 构建、部署使用与能力演进模式
指挥信息系统的构建运行与作战过程紧密相关，需支撑各类战场资源组织和调度，贯通观察—判断—决策—行动（OODA）过程各类信息链路，形成体系对抗的信息优势和决策优势。软件定义指挥信息系统将开创一种全新的复杂系统构建与应用范式，通过将资源组合运用空间设计前移，为面向任务需求动态生成系统能力创造更大的可变空间，打破系统在设计态、开发态和运行态间的边界，实现由“编译-然后-组合”向“组合-然后-编译”的转变。与现有资源及对外接口先固化形成能力、再集成运用的模式相比，软件定义指挥信息系统在构建部署、运行调整与升级演化3个方面都发生了变革，能够更好地适应未来联合作战跨域融合、需求多变和自主协同等特征。
3.1 构建部署
软件定义指挥信息系统能够从作战任务中提取系统能力需求表，对情报处理、情报分发、态势分析、指挥决策、行动控制、信息接口和通信接口等提出定量要求，在作战规则、指挥体制和可用资源等约束下，推荐候选资源组合及信息交互关系，输出机器可执行的系统构建部署方案，在硬件人工部署、软件自动加载的基础上，依托资源管控分系统，以一键定义方式完成资源部署和信息关系配置，达到可运行状态，从而形成系统能力。其构建部署模式如图3所示。
图3 软件定义指挥信息系统构建部署模式
现有系统构建部署以固定的任务需求为输入，由作战人员对接系统设计人员明确研制总要求及战技指标，然后由系统研制人员进行构建资源设计和定制开发，从系统部署到形成能力，需要研制方和使用方进行大量协调对接，用时需数以天计。
与现有模式相比，软件定义模式将基于开放式架构和可组合的资源，更好地适应多样化任务需求，除硬件安装部署外，可通过机器-机器方式，全面支撑需求理解—架构设计—系统部署—形成能力的全周期，实现系统构建由应用定制、业务关系固定预设向面向任务的在线编程转变。
3.2 运行调整
当用户需求、资源状态和任务目标等内外部环境变化时，软件定义指挥信息系统依托资源管控分系统自动评估系统完成任务的能力差距并发出告警，推荐生成调整策略，经作战人员确认后自动分发执行，通过被动调整和主动调整相结合的方式，持续保障作战任务的完成。其中，被动调整主要包括资源抗毁接替和服务降级运行等；主动调整能够感知用户关键信息需求的变化，在线调整信息汇聚及业务处理流程，面向非预期目标打击任务，自动推荐杀伤链闭合方案、优化指控流程，适配跨军种资源的通信接口和信息接口，从而实现目标指示信息的快速贯通。软件定义指挥信息系统运行调整模式如图4所示。
图4 软件定义指挥信息系统运行调整模式
现有系统运行调整以预先规划为主，难以预判所有情况，系统出现异常时需要人工层层排查故障，基于预案实施调整或协调相关部门人工调整，效率低且调整范围有限，面临非预期任务发生时，战术前沿不同军种、不同战术子网间的资源无法直接协同，需要层层协调和信息转发，可能无法满足任务要求。
与现有模式相比，软件定义模式将主动感知任务需求的变化，精准识别能力调整目标，在知识驱动下由机器自主生成满足任务要求的调整策略，实现系统运行调整由预先规划、被动响应向即时重构、主动调优转变。
3.3 升级演化
软件定义指挥信息系统的升级演化包括2个层面。1) 资源更新升级：指搭建数字化测试验证环境，对照资源构建与集成标准规范，由机器对软硬件资源进行功能性能、组合运用和管控接口等测试，经评估满足软件定义资源控制平面接入要求后，直接加载部署应用；2) 系统适变能力演化：指采集系统运行调整过程中任务场景、策略选择和执行效果等数据，平行对接数字化测试验证环境，引入适应变化（适变）知识学习训练机制，从中挖掘新的适变规则及求解策略。软件定义指挥信息系统升级演化模式如图5所示。
图5 软件定义指挥信息系统升级演化模式
现有系统的构建资源在设计、开发和测试后就相对固化，系统调整能力不会随着运行使用过程增长，一旦有新的用户需求只能重新研发，通过现场集成联试进行升级。
与现有模式相比，软件定义模式将通过数字化和智能化手段，大幅降低系统更新升级的代价，提升应对非预期变化的自主处置能力，实现系统升级演化由人工为主、离线更新向机器自主、变一次长一智转变。
4 基本原理
4.1 系统能力与资源匹配方法
软件定义指挥信息系统采用自上而下的设计模式。首先，根据任务需求分析系统需具备的能力，该阶段战勤人员等通过机器辅助和人工配置等方式完成任务需求分析，确定指挥信息系统在探测感知、情报处理、指挥决策、火力打击和通信保障等方面的能力需求；然后，机器根据系统能力需求自动匹配推荐各类系统资源，通过多个资源的关联聚合使系统的能力需求得到满足，同时对资源方案进行合理性检查，排除资源使用冲突等方面的问题，输出机器可识别、可执行的形式化指挥信息系统架构方案。
4.2 资源组合运用机理
在动态的战场对抗环境下，软件定义指挥信息系统需要在作战规则与流程约束下进行资源的组合运用，从而更好地将信息优势转换为决策优势和行动优势，其本质是资源的不同组合会产生不同的信息流转效果，资源组合运用的基本原则是满足约束条件下的资源间信息流转效果最优原则。
1) O资源到P资源的信息作用力
在软件定义指挥信息系统中，P资源的主要功能是对1个或多个O资源报来的目标测量信息进行关联和融合，生成完整的情报产品向D资源等发送。而根据信息融合理论与方法，结合各类情报处理系统工程应用实践，P资源生成情报产品的效率和质量取决于对敌方作战目标状态掌握的程度，与目标测量信息的精度、时效性和连续性等相关，当然还有诸如情报处理规则/流程、敌方装备及作战条例等静态知识，但这些与O资源发送的目标信息无关。因此，本文将P资源对目标状态掌握程度选作情报处理业务知识。
2) P资源到D资源的信息作用力
在软件定义指挥信息系统中，D资源的主要功能是：需根据P资源报来的信息进行态势研判，并根据研判的敌方兵力部署、行动路线和作战意图等制定作战方案和计划。根据作战指挥理论及系统工程实践，D资源辅助指挥员定下作战决心和形成方案的关键是识别判断敌方作战意图，因此本文将D资源对敌方目标作战意图识别程度选作决策控制的业务知识，其他诸如作战指挥条例/流程、战术战法、装备、我方部队情况和战场环境等决策知识与P资源发送的情报信息的直接关系不大，当然也可根据不同作战域和指挥层级选择其他与情报信息密切相关的决策业务知识。
3) D资源到A资源的信息作用力
A资源是软件定义指挥信息系统产生作战效果的最后一环，其主要功能是：根据D资源发送的打击指令（含目标指示信息），控制火控/制导雷达开机发现、跟踪和瞄准打击目标，当打击目标满足发射条件时控制武器开火。除打击平台和武器本身性能影响外，A资源火控/制导雷达开机到构成打击条件的时间长短直接影响A资源的打击效果，在高机动、复杂电子对抗条件下，时间太长可能会通过电磁辐射过早暴露自己，给敌方目标逃逸的机会或先开火的机会。因此，本文将A资源立即发现捕获目标的不确定性程度选作火力打击的业务知识（立即发现捕获目标指A资源火控/制导雷达开机到构成发射条件的时间小于某阈值），还有其他诸如打击平台与武器性能以及打击战术等知识，但这些知识与D资源发送信息的直接关联性不大。
4.3 基于资源控制逻辑的系统能力生成机理
资源控制逻辑是描述一系列控制资源的加载/卸载、调度、运行状态及资源间交互关系的指令。在资源池支持下，通过资源加载和调度等指令可以配置/调整指挥信息系统各业务处理节点资源，决定指挥信息系统各业务处理节点资源组成，生成每个节点的业务处理能力；通过资源交互关系控制可以配置/调整指控系统各业务处理节点信息交互对象、接口和协议，生成资源间的交互能力。因此，基于资源控制逻辑能够配置/调整和生成指挥信息系统各业务处理节点及其关系，即系统结构。结构决定系统能力，图6是基于资源控制逻辑的系统结构生成过程模型，等效于系统能力生成。
图6 基于资源控制逻辑的系统结构生成过程模型
5 结束语
随着作战理论、作战样式、武器装备和各种技术的不断发展，指挥信息系统的结构日益复杂，应用功能不断增多，组成单元形态各异，系统规模趋于庞大，正发展成为典型的复杂系统。另外，随着无人化和智能化武器装备的快速发展，人工智能技术在军事领域内的日益深入应用，全域作战、任务式指挥和有无人协同等新的作战理论和作战样式逐步成熟，指挥信息系统未来将面对多变的作战任务、动态快速变化的自身状态和复杂不确定的战场环境，内外部环境的快速多变将成为常态，指挥控制系统的能力、形态、结构、流程和组织运用方式等，均需随着环境的变化而不断地进行适应性改变。在这一背景下，未来的指挥信息系统不仅需具备对任务环境变化的即时重构能力，还需具备较强的自主调优能力，能够通过学习和经验积累提升自身的适变能力，以适应更快的环境变化节奏和更多的不确定性。纵观世界军事技术的发展潮流与实践经验，软件定义技术是提升指挥信息系统敏捷适变能力的核心技术途径。本文对软件定义指挥信息系统基本概念与原理进行了初步探索，可为未来软件定义指挥信息系统的深入研究和开发提供参考和借鉴。针对通信网络、计算存储、传感探测、情报处理、指挥决策、行动控制和安全防护等各类系统资源，基于软件定义建立资源能力、状态和接口等标准规范，以支持按需组合运用和能力快速生成，则是实现软件定义指挥信息系统的关键所在，后续将开展进一步研究。
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