本文聚焦于在现代海战中发挥关键作用的海军作战管理系统(CMS)与作战训练系统(CTS)。海军作战管理系统是先进的计算机化平台,其将传感器、武器、通信系统与决策支持工具集成于单一架构,用以支持海上作战行动。本文追溯了作战管理系统的演进历程,从20世纪60年代的早期系统直至当今先进的软件驱动解决方案。文中探讨了“宙斯盾”、TACTICOS、9LV及COMBATSS-21等作战管理系统平台,重点阐述了其从模拟计算向融合人工智能与多域集成的开放式架构系统的转变。
此外,本文亦深入研究了作为操作型作战管理系统仿真复现的作战训练系统。此类系统通过实况、虚拟与构造性(LVC)训练环境,实现逼真高效的舰员培训,显著降低了实弹演习的成本与风险。作战训练系统与操作型作战管理系统的整合,有效提升了部队战备水平、决策能力,并确保海军能够应对不断演进的海上威胁。
关键词- 作战管理系统,CMS,海战,模拟训练,作战训练系统,CTS,LVC训练,态势感知,传感器融合
过去六十年间,海战形态发生了深刻变革,计算机技术在舰船作战中扮演的角色日益核心。在此转型中,作战管理系统至关重要,堪称现代化战舰的“大脑”。作战管理系统(CMS)集成了舰船所有传感器与武器,并联通全部设备与数据链,为指挥员与舰员提供决策支持与行动依据,是确保各类作战要素协同运作的关键。其运作遵循“观察、判断、决策、行动”循环,承担着传感器控制、多源信息融合、威胁等级判定、武器分配及火力控制等一系列功能。
作战管理系统在现代作战中的价值举足轻重。行业分析指出,其价值占新型潜艇与水面作战舰艇整体价值的50%。全球作战管理系统市场预计将持续增长,在2022年至2032年间年均增长率达6.5%,这主要源于各国海军现代化建设的推动。作战管理系统需处理海量信息,并确保在正确时空将信息传递至相应人员,以支持快速有效的响应。这种能力对于海军在态势复杂的濒海区域行动尤为重要。同时,海军还需应对能够实施多维度攻击的智能化威胁。
伴随海军计算机系统的发展,部队认识到亟需高效的训练系统,以期在不使用实弹、不置人员于险境的情况下模拟实战环境。海军部队发现作战训练系统(CTS)极具价值。此类系统作为海军所用操作系统的复现,提供了基于仿真的作战训练手段,能够模拟真实交战场景,使部队在非实战条件下进行备战。
用于舰员训练的环境,为海军人员演练战术、提升技能提供了有效平台。这些模拟环境使舰员能够在不动用实舰实弹的情况下进行高危课目训练,不仅降低了训练难度与危险性,也大幅节约了成本。[1]
本文旨在系统考察操作型作战管理系统及其训练对应系统,梳理其发展脉络,分析现有应用,并探讨基于仿真的训练如何提升海军战备水平。
作战管理系统的功能随着海战形态与计算机技术的演进而不断发展。海军战术数据系统(NTDS)等早期系统,通过网络连接实现共同态势感知,奠定了协同作战系统的基础。
随着认知深入,威胁日趋复杂、决策时限不断压缩,以及自动化水平持续提高,作战管理系统需定位为决策辅助而非决策替代,实现人机协同而非人员替代。指挥控制理论与自然决策理论强调,态势感知与模式识别能力至关重要,尤其在通信不畅等逆境中保持韧性与持续运作的能力更为关键。
必须恰当运用机器智能与人类判断。系统需具备鲁棒性,能够在困难条件下有效处置问题,正如指挥控制理论与自然决策理论所倡导。
作战管理系统的一项核心职能是融合多源信息以支持有效决策。系统集成来自不同传感器与平台的数据,构建统一的战场态势图。现有框架(如JDL模型)有助于组织和融合这些数据,使系统能够实时准确解读态势。
基于概率的推理与分布式系统架构等新型跟踪方法,提升了在信息不完备的复杂拥挤环境中处理目标的能力。作战管理系统最具挑战的任务之一是在不确定性条件下进行威胁评估与武器分配。
现代作战管理系统在应对这些挑战方面表现出色。研究强调,即使在信息有限且存在作战约束的情况下,预判敌方行为的灵活规划至关重要。多项研究亦探讨了计算机决策支持系统如何通过改进协调、资源共享与整体决策来辅助操作员,同时也涉及系统的可解释性、抗欺骗能力及人因主导等问题。作战训练系统利用模拟场景,帮助人员在复杂、高压环境下维持与提升专业技能。
作战训练系统在此方面作用关键。研究表明,高质量的仿真训练效果显著,尤其在仿真逼真度高、有教官指导并能进行事后复盘的情况下,其效果可与实装训练相媲美。实况、虚拟与构造性等多样化训练环境,使得能够以较低成本组织大规模演习,并针对高难度威胁进行反复演练。
尽管取得进展,但在长期作战效能转化、人机协同有效性、网络安全韧性以及作战管理系统适应联合与多域作战等方面,仍存在研究空白,指明了未来研发的关键方向。
作战管理系统的起源可追溯至第二次世界大战后。当时海军面临严峻作战环境,需快速决策并迅捷运用武器。美国于20世纪40至50年代提出了海军战术数据系统(NTDS),旨在整合舰载计算机、通信与显示设备,使任务编队内所有单元能共享实时态势。海军战术数据系统成为美国作战管理系统发展的基石,其影响延续至今。
在英国,行动数据自动武器系统(ADAWS)于1965年安装在“法夫”号(HMS Fife)上,由派易有限公司研制。针对护卫舰等舰艇,费伦蒂公司开发了计算机辅助行动信息系统(CAAIS)。CAAIS基于费伦蒂FM 1600 B计算机,两者均被英国海军采用,其中CAAIS于20世纪70年代装备于“利安德”级护卫舰。[2]
欧洲海军是舰载计算机系统应用的先行者。荷兰海军于1975年至1976年接收的“特罗姆普”级护卫舰,配备了由荷兰信号设备公司研制的计算机系统,其软件由位于登海尔德的专业团队开发。该系统仅凭64千字节内存即实现了强大功能,能够处理来自雷达、声纳等传感器的信息并综合显示给操作员,标志着荷兰等欧洲海军在利用计算机系统辅助作战方面迈出重要一步。[2]
瑞典于20世纪60年代启动9LV系统研制,当时飞利浦电信工业公司(Philips Teleindustri AB)获选为瑞典海军提供鱼雷与两用火炮火力控制系统。1966年,名为SESAM的团队开始了作战管理系统的研发工作,最终催生了9LV系统(亦称NIBS)。9LV是一种集作战与火控于一体的数字化解决方案。[2]
宙斯盾作战系统于1964年由美军RCA导弹与水面雷达部门首创,其发展汲取了海军战术数据系统的经验,并得益于计算机计算能力的快速提升。
该系统对海军而言是一场革命,其首次将计算机、传感器、武器、通信与人机界面深度整合,形成了一个高度自动化的综合体系。其名称源于神话中宙斯的护盾,寓意该系统能够提供全方位防护。[5]
系统的核心是AN/SPY-1相控阵雷达,该雷达具备同时搜索、跟踪与制导的多功能能力,可跟踪超过100个、距离超100海里的目标。系统通过射频链路与导弹通信,能够调度多枚导弹同时拦截不同目标。
宙斯盾防御网络中的关键组件效能显著,有助于生成作战方案。部分概念源于与海军战术数据系统框架的交互。该系统在威胁识别与应对措施选择方面表现出色,并能精确分配武器。
宙斯盾软件最初采用CMS-2汇编语言编写,后随计算机算力增长,逐步转向C++、Java等高级语言。其软件与架构的演变,展示了在吸纳新技术的同时保持核心功能连续性的能力。[5]
20世纪90年代至21世纪初,系统架构向开放式、采用商用现货硬件与标准化软件接口转变。这一转变使军方能够快速集成新能力,降低了供应商锁定风险,并便于集成来自多家不同厂商的传感器与武器。
泰雷兹公司开发的TACTICOS作战管理系统,具备传感器控制、态势图融合、情况研判、行动支持与武器控制等功能。该系统已装备全球20多个海军的超过160艘舰艇,涵盖从巡逻艇到大型驱逐舰等多种平台。其开放式、可定制的设计使其能够灵活适应不同任务与舰型需求。[7]
萨博9LV系统历经多次升级,至2010年代已发展出Mark 4版本。9LV Mark 4采用数据分发服务中间件提升灵活性,并部分应用Java编程。全球已有超过200套9LV系统部署于各类舰艇。该系统专精于处理空中、水面和水下的三维空间作战。[2]
洛克希德·马丁公司基于宙斯盾系统开发了适用于濒海战斗舰等小型平台的可扩展、基于服务的框架——COMBATSS-21。该系统共享宙斯盾通用源库,实现了代码复用以及与大型宙斯盾舰艇的无缝集成。[3]
截至2022年,全球已部署110艘宙斯盾舰艇,另有71艘在规划中。宙斯盾系统历经多次升级,目前最新版本为“阿利·伯克”级Flight III型驱逐舰使用的基线10。2021年6月下水的“杰克·H·卢卡斯”号是该版本的首舰,其需处理海量数据以支持一体化防空反导。
宙斯盾系统具备强大的弹道导弹防御能力,是北约导弹防御体系的重要组成部分。最新版本采用AN/SPY-6有源电子扫描阵列雷达,显著提升了远程探测与识别性能。
该系统已被日本、西班牙、挪威、韩国、澳大利亚、加拿大等多国采用,成为全球部署最广泛的先进海军作战管理系统。[1]
泰雷兹TACTICOS是一种旨在提升海上安全的作战管理系统。它通过信息集中与融合,有效支持情况研判、目标识别与协同行动。其采用可互操作技术,兼容多种外部系统。
波兰海军“剑鱼”护卫舰项目与英国皇家海军基于“箭头-140”设计的31型护卫舰均选用了TACTICOS基线2系统。该系统具备现代化控制台、监视雷达、光电系统与战术数据链处理器,配置灵活,可适应从单控制台巡逻艇到配备20个以上控制台的大型护卫舰等多种平台。[7]
9LV系统源于20世纪60年代瑞典的研制工作,其名称取自瑞典语“防空”。该系统实现了从模拟计算机到采用以太网局域网和可远程访问Ada应用程序的数字系统的演进。
9LV Mk3引入了多功能控制台,实现岗位通用操作,并采用“系统家族”理念,使不同舰型共享核心代码。Mk4版本转而采用英特尔处理器与Windows NT系统,并逐步演进至包含虚拟化与容器化技术的海军开放架构。
目前,9LV系统的描述侧重于其“下一代”能力而非具体代际。它仍在持续发展中。
该系统已随“安扎克”级护卫舰、瑞典“维斯比”级轻型护卫舰、加拿大“哈利法克斯”级护卫舰及澳大利亚“堪培拉”级两栖攻击舰实现国际部署。
澳大利亚皇家海军为其“安扎克”级护卫舰等多型舰艇选择了基于9LV系统的作战管理系统,该型系统已装备六个级别的舰艇,是澳海军最大规模的统一作战管理系统项目之一。[2]
莱昂纳多公司的ATHENA平台是一种用于作战环境、技术先进的作战管理系统。该平台灵活性高,可适配多种海军作战类型的指挥控制功能,支持管理包括远距离高速目标在内的各类威胁。
ATHENA收集并处理来自舰载传感器及外部源的信息,以有效评估周边威胁,并将信息共享至全系统以支持态势感知与决策。平台可辅助操作员选择恰当行动应对威胁、维持安全。
该系统在持续监控与信息共享方面表现突出,能确保清晰呈现相关及时的数据。ATHENA提供两个版本:ATHENA-P用于无导弹系统的舰艇(如扫雷艇、巡逻艇);ATHENA-C用于全武装作战舰艇。莱昂纳多已成功利用ATHENA技术完成巴林皇家海军舰艇升级,证明了该平台适应不同海上需求的能力。
组合信息处理平台(CIPP)是一种设计用于与多种传感设备协同的数据管理系统。它汇集来自导航雷达、机载监视雷达、水下探测系统、武器制导雷达、声学传感器、电子对抗设备、自动识别系统、热成像仪及光学侦察设备等多源信息。
CIPP通过通信链路与支持软件接收数据,并运用数学模型处理传感器输入,实现目标探测、跟踪与监视。它综合雷达、声纳、识别标签及红外/可见光成像系统的数据,通过多源信息融合生成比单传感器更准确、更全面的统一态势图。先进算法用于分析目标位置、速度与航迹,过滤技术则在复杂环境中管理数据洪流、维持稳定跟踪。数据融合显著提升了整体态势感知能力。
威胁评估算法分析接触目标的方位、速度、雷达特征、发射信号、识别应答与行为模式等多重属性,并与已知威胁库进行比对,以判定其类型与敌对意图。
机器学习方法正通过利用历史数据不断提升威胁识别的准确性。[3]
武器分配基于射程、可用性、军事学说与交战规则等因素,决定对抗特定威胁的最佳武器。系统需制定发射计划,以最大化毁伤概率并保留应对后续威胁的资源。现代系统运用博弈论思想进行优化决策,并考虑敌方可能反应。
作战管理系统通过控制台为人机交互提供界面,显示实时态势、传感器数据与系统状态。操作员可通过触摸屏、轨迹球或键盘下达目标选择、行动启动或模式切换等指令。界面设计旨在以直观方式呈现信息,辅助快速理解与决策。
指挥团队(含指挥官、战术行动官、各战位协调员)利用作战管理系统显示器掌握态势、下达命令。系统通过控制传感器与武器、评估交战结果、更新战场态势来执行命令。此类自动化减轻了舰员常规工作负荷,使指挥团队能专注于战术决策。[3]
现代作战管理系统集成Link 11、Link 16、Link 22等多种数据链信息,使海军单元能共享航迹、指令与状态。互联系统形成协同作战网络,各单元贡献自身感知并获取统一的协同作战态势图,这种网络中心战模式极大扩展了单一平台的感知与行动范围。
系统同时整合卫星通信、视距无线电及与岸基指挥中心的联通,并采用加密与抗干扰协议保障通信安全。其通信管理功能能够根据带宽、时延与可靠性需求,对信息进行优先级排序与路径优化。[3]
现代作战管理系统广泛采用人工智能进行目标识别、威胁评估与决策支持。人工智能能够分析海量数据,发现人眼难以察觉的模式,尤其在目标分类与威胁识别方面表现出色。
系统中运用的机器学习算法通过真实作战数据训练,能持续优化模式识别能力。人工智能还辅助战术规划,帮助操作员应对人类难以快速处理的复杂紧迫情况,并能有效侦测易被忽略的微妙或复合威胁。此外,人工智能在网络安全领域也发挥着识别异常网络行为、预警潜在网络攻击的重要作用。
随着作战管理系统互连程度加深,维护强大的网络安全措施对保障作战效能至关重要。展望未来,作战管理系统有望采用能够分析复杂战术场景并推荐行动方案的认知架构。
海战对人员素质要求极高,需在高压环境下迅速决策。传统的实装训练虽有效,但存在成本高昂、组织复杂、难以模拟复杂强敌等固有局限。例如,实弹射击消耗巨大且需特定海域,而对导弹齐射、多方向饱和攻击等低频高危课目的演练则更为困难。因此,亟需一种既能保证逼真性又确保安全的训练方式。
仿真训练通过构建可重复、无风险的训练环境,使舰员能演练程序与协同,有效规避了实装训练的人员伤亡与弹药消耗风险。然而,传统模拟器常与实战系统脱节、逼真度不足。为此,作战训练系统应运而生,它们作为操作型作战管理系统的高度逼真复现,提供了极致贴近实战的训练体验。[4]
作战训练系统(CTS)由实战软件在特殊训练模式下运行构成,并与生成模拟传感器数据、记录操作响应的组件相连。作战训练系统在观感与操作逻辑上与实战系统完全一致,确保了训练成果向实战的有效迁移。
典型作战训练系统包含以下核心组件:
总体而言,作战训练系统是至关重要的训练资源。[4]
岸基作战训练系统设施通常复现舰载战斗情报中心的环境,具有相同的控制台布局与配置。这使得舰员可在出航前在岸上进行前置训练,或在靠港期间进行复训。
岸基训练的优势在于对舰艇日常执勤影响小,并可实现多舰员组并行训练。此类设施也支持涉及大量模拟平台的联合演练,有效锻炼编队协同能力。
CAE公司的海军作战系统模拟器(NCSS)是综合性岸基训练系统的范例,可为水面舰艇及海上巡逻机人员构建从单兵基础操作到多平台高级协同的各类逼真想定。教官可灵活编辑想定、注入突发事件、监控表现并组织详细复盘。
Terma公司的C-Sim系统集成了C-Flex作战管理系统与海军战术模拟器,支持从单控制台操作到完整战斗情报中心团队的全程训练。它遵循“像实战一样训练”理念,通过模拟舰艇、飞机、实时航迹、雷达信号、敌我识别、数据链、通信及气象等要素,创造出身临其境的海战环境。[4]
舰载作战训练系统使舰员能够在航行期间进行训练,最大化利用在航时间,保持长期海外部署期间的技能熟练度。舰载训练系统使用与实战相同的硬件,但在特殊训练模式下运行,此时输入的是模拟数据而非真实传感器数据。严格的操作规程确保训练模式与作战模式界限清晰,防止误操作,保障安全。
美国海军的“按需训练器”实现了在舰(停靠或航行时)及基地(如圣迭戈、诺福克)对宙斯盾系统的灵活训练,避免了前往专用靶场的需求,是重要的训练赋能工具。
嵌入式训练的挑战在于需确保仿真组件不影响系统性能,需管理不同密级的威胁数据,并明确标识训练状态。新型作战管理系统的开放式、组件化架构有助于实现训练与作战功能的物理或逻辑隔离,使嵌入式训练更易实施。[6]
实况、虚拟与构造性(LVC)训练通过将实装、模拟器与计算机生成兵力整合于统一想定,提供了高度逼真且复杂的训练体验。[9]
在实况、虚拟与构造性演习中,海上实舰在训练模式下操作其作战系统,接收来自岸基计算机注入的模拟威胁。携带训练吊舱的实机与计算机控制的虚拟机协同行动。海军持续训练环境(NCTE)作为集成框架,使所有这些元素能够互联互通。[9]
战术作战训练系统增量 II(TCTS II)显著提升了航空兵训练能力,实现了虚拟与构造性训练的融合。安装在飞机上的TCTS II吊舱将本机状态发送至海军持续训练环境,同时接收注入机载传感器的模拟威胁数据,使飞行员能够演练对抗现实中难以复现的复杂防空威胁。TCTS II采用多级安全(MILS)架构,可在不同安全级别的平台间安全共享威胁仿真。[10]
实况、虚拟与构造性训练优势显著:可演练因保密、成本或危险性过高而无法实装实施的高端课目;可构建涉及大量兵力、现实难以组织的复杂想定;支持基于数据的表现评估与复盘;相比实兵实弹演习,成本更低且更环保。[9]
2021年与2022年先进海军技术演习(ANTX)等近期演示验证了实况、虚拟与构造性训练的成熟度。例如,2021年演习连接了4架实况F/A-18、虚拟F/A-18模拟器、构造性兵力及“班布里奇”号驱逐舰,实机与虚拟机执行了模拟武器发射并接收合成雷达告警与战果评估,为舰队推广提供了依据。[10]
设计理念:
所开发的作战训练系统是操作型作战管理系统的高保真复现,专用于训练目的。其架构与实战系统相似,但集成了能够模拟真实世界输入的组件,使受训者能在极致贴近实战的环境中练习,从而确保所获技能可直接迁移至真实作战界面与流程。
该设计强调模块化、可扩展性与开放式架构。各组件可随技术演进或任务需求独立升级。系统能支持从单兵程序训练到多舰大规模演习的不同规模。开放式架构便于集成来自第三方或未来新型的仿真器与硬件。[8]
系统组件:
该作战训练系统由以下核心部分构成:
训练想定与能力:
作战训练系统支持对作战系统全功能的综合训练,涵盖以下典型想定:
性能评估:
作战训练系统具备完善的个人与团队表现评估机制。其评估关键指标包括:威胁探测与评估时间、分类准确性、武器使用正确性及规则遵循度。系统监控团队协调与威胁响应,确保操作符合规程。
该系统是教官的得力工具,支持多视角回放、决策过程审视及与标准程序的对比分析,以识别优劣。通过定位特定技能短板并提供结构化反馈,支持针对性学习。跨多次训练的趋势分析可追踪个体与团队的长期进步,支撑基于能力的进阶训练体系。[5]
| 特性 | 作战管理系统 (CMS) | 作战训练系统 (CTS) |
|---|---|---|
| 主要目的 | 真实世界作战行动 | 在模拟环境中进行训练 |
| 运行环境 | 真实作战条件 | 模拟训练环境 |
| 系统保真度 | 与实装系统一致的作战保真度 | 使用CMS软件的高保真度 |
| 人机界面 | 作战界面 | 与CMS完全相同 |
| 传感器输入 | 真实传感器数据 | 合成传感器数据 |
| 武器交战 | 控制真实武器 | 仅模拟交战 |
| 想定灵活性 | 受限于安全性和资产 | 高度灵活且可配置 |
| 安全性 | 涉及作战风险 | 对人员或舰船无风险 |
| 成本 | 高作战成本 | 低训练成本 |
| 教官控制 | 控制有限 | 教官完全控制 |
| 可重复性 | 难以重复想定 | 想定易于重复 |
| 错误处理 | 错误具有真实后果 | 错误用于学习 |
| LVC集成 | 作为实况(Live)组件 | 作为虚拟/构造性组件 |
表1
作战管理系统(CMS)历经显著演进,从功能有限的早期系统发展为融合人工智能与先进技术的复杂软件平台,现已成为作战团队汇集多源信息、识别威胁、分配武器、为指挥员提供清晰实时战场态势的“中枢大脑”。“宙斯盾”、TACTICOS、9LV、COMBATSS-21等系统已装备全球数百艘舰艇,是支撑海军快速精确决策的关键。持续升级确保其能应对新威胁、利用新技术,维持作战效能与安全性。
作战训练系统(CTS)在受控环境中高保真复现实战系统,使海军人员得以在不承担实装行动的高成本与高风险前提下,反复演练程序与决策。其采用与实战相同的软件,并通过模拟想定增强逼真度,有效促进个人技能提升与大型复杂装备团队的协同。系统化的表现监控与分析支持针对性改进与加速学习。
通过训练模式及实况、虚拟、构造性(LVC)环境整合作战管理系统与作战训练系统,代表了海军训练的未来方向。该方法在控制成本与风险的同时极大提升了训练效益,确保海军部队保持应对现代作战所需的技能。随着威胁演变与技术发展,对作战型作战管理系统与作战训练系统的持续投入与研发,对维持海军作战优势至关重要。