中国指挥与控制学会会刊 
新一代人工智能正在全球范围内蓬勃兴起,为海战场军事智能化发展注入了新动能,机器学习、大数据、无人系统等技术在海战领域的运用,使能信息获取优势、认知决策优势、兵力行动优势以及火力打击优势,极大提高了指挥战争和作战行动的水平。未来有人/无人协同作战是技术发展的趋势,人-机编组,两者之间紧密配合[1],智能无人装备根据作战任务自动编组,自主协同对敌发动攻击,具有分布式、低效费交换比、快速突防等传统作战模式不可比拟的优势[2]。但无人集群协同的前提是信息充分共享,不受中心节点的毁伤限制,任何一个无人装备受损,集群都可实现作战任务的继续执行,这种去中心的自组织模式,可摆脱对有人平台支持的依赖,大大提高无人集群作战半径。
1 区块链技术
区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式[5],由“两种结构、两种算法、一个合约”五大要素构成。块链式账本结构将数据块以时间顺序相连组合成单项链式数据结构,分布式网络结构利用P2P分布式网络实现信息处理的去中心化。共识算法实现不同节点之间建立信任、达成一致、获取权益的方法,密码算法采用非对称密码原理对数据进行加密。智能合约以约定代码的形式,预设条件达成触发自动执行,体现出“数据不可篡改、合约智能执行、自组织体系”三大创新特征。即区块链上的数据由于经过密码算法、链式结构、高冗余的保护,能有效防止篡改,同时,分布式存储和共识算法保证单点故障/修改;利用智能脚本实现合约的自动执行,排除合约执行中的人为干预;采用区块链构建不依赖中心节点的业务网络,所有参与者基于既定协议平等决策。
2 无人集群作战需求分析
人机协同作战是未来战争的主旋律,人的智能在机器智能辅助下得到混合增强,机器智能成为指挥官的“第二大脑”,无人装备成为指挥官“第二手臂”,人脑与武器实现“无缝”对接。有人/无人作战集群利用分布式节点的优势,可对控制区域内运动目标进行抵近侦察探测、快速准确识别、持续接力跟踪和按需攻击破坏,形成新的不对称威慑手段[6]。
3 无人集群信息共享架构设计
为充分发挥“人-机”各自作战优势,本文以区块链技术为基础设计有人/无人系统结合的双结构信息系统架构,采用“1+N”的区块链网络架构,即采用1条主链、N条任务链组成网络,主链负责整个链网络的运行管理,包括子链的创建、加入、链之间的通信等,子链针对作战任务负责处理信息存储共享,进行轻量化区块链设计,解决无人集群节点资源有限的问题[10]。无人集群节点构建分布式自组织网络,采用广播式通信方式,建立无人节点间对等的多对多通信模式,提高通信活性和可恢复性,实现自组织通信;采用高效、低资源消耗的共识机制实现无人集群信息的自主同步,保证无人集群内信息的一致性,保持信息共享同步的长效性,实现高效的数据共享自组织能力;采用基于哈希寻址的文件随机分片存储技术,有效解决大容量信息的链上安全存储问题;将分布式自组织网络、高效的共识算法及指挥信息数据存储等基于信息链的无人作战信息系统的核心部分进行封装,实现与有人系统的无缝衔接,即插即用,支持随时加入和退出,提高系统的灵活性。系统主要分为网络层、数据层和服务层3部分。其具体内容如下:
1)网络层
网络层在基础通信设施的基础上,通过构建无人集群空间分布式网络,实现对无人节点作战能力的空间覆盖情况的动态监测;有人系统与无人系统间按照集中式指挥方式的垂直指挥关系,进行指挥信息的传递和指挥结果的反馈。
无人集群节点采用分布式自组织的方式,利用去中心化的方式实现系统的分布式架构,即无人集群节点基本结构相同,节点间互相通信,保持互联互通,可以从互联互通的作战单元节点获取信息,任何节点被破坏或攻击,依然可从其他节点获取作战信息,当节点间的通信受限基础网络设施时,可经过中间节点转发,从而实现任意节点间的通信,增强系统的健壮性[11]。此外,在松耦合的分布式架构下,节点可随时加入和退出,组网更加灵活。
所有节点之间均可进行互联互通,当节点N失灵后,其余节点仍可通过与其他节点直接互联或转发的方式获取信息;同时,节点N+1可根据作战需要加入现有组网,实现节点的自由加入,可插拔使用,灵活性更强。
2)数据层
无人集群作战任务多样,为减少主链信息大量冗余储存,作战执行过程中,信息按照任务类型存储到N条任务链;按照存储共享的信息种类,可分为结构化信息和非结构化信息,综合考虑区块链每个区块的大小、共识算法的时间,以及无人集群作战系统对信息使用的时效要求,设计一种融合区块链数据库与基于内容寻址的文件随机分片存储技术的数据储存方案,保证无人集群节点的高效、长效、稳定以及强一致的数据共享,同时,为节点间的高效协同提供了保障。
如图1 ,本文采用区块的方式在单个无人节点向链上写入信息时,先由本地节点验证交易,然后,将信息预先写入数据库,待信息写入成功后,再发到区块链网络上进行共识。如果共识不能通过,则回滚数据库操作,将数据库恢复到写入前的状态,共识成功则在信息链上记录该操作。该技术既保证了数据的高写入速度,同时利用了共识机制保证了无人集群信息的安全可靠性。
3)服务层
为方便有人系统快速、无缝接入无人集群信息系统,服务层通过API接口方式为用户提供信息的创建、授权、同步、查询、审计、更新等服务,通过API接口,实现与无人集群信息系统数据、指挥业务层无缝衔接,即插即用。
4 关键技术
4.1 链上链下双层信息存储
根据无人集群作战数据存储共享使用需求,设计链上链下双层存储结构,根据信息的类型和大小设置不同的存储方式,对于结构化的数据,直接存储在区块链数据库中;对于容量大的非结构化数据,采用基于内容寻址的文件随机分片存储技术,将数据的哈希值存储在区块链中,数据分片存储在分布式网盘中。数据分片具有的一定冗余度,保障数据的可获取性。基于信息的字段值如信息发布时间、发布人、发布内容等进行分片,一定程度上提升了信息的查询速度和写入速度,并通过数据文件的哈希值进行寻址提取文件,是一种新型的文件安全存储及寻址方式[12]。
基于哈希寻址的数据文件存储包括存储、分布式网盘和读取等三部分。采用分布式文件系统协议进行文件存储和传输,实现思路如图2 所示。
存储端文件A进行哈希运算得到HashA,并将HashA和索引信息存储在区块链数据库上,然后,将文件A进行分片,如分成三片分别以红、黄、绿三种颜色表示,再将分片存储到n个节点组成的分布式存储网络,每个分片随机存储到n个节点中。读取端通过索引信息从区块链数据库获取文件的哈希值后,系统将该文件的哈希值通过分布式哈希表进行寻址,得到存储3个分片的节点地址,然后,分别从存储节点下载3个文件分片,最后,合成分片后得到原始文件A。同时,将文件A的哈希和区块链上的原始文件A哈希进行比较,如果一致表示文件真实。数据存储实现过程如下:
1)作战数据生产
无人集群作战数据生产包括作战指令、传感器探测数据以及决策方案等多种类型的数据,根据无人集群作战需要,无人集群节点生成数据的同时,完成本地存储。
2)数据哈希计算
作战数据分为两类:结构化数据和容量大的非结构化数据。容量大的非结构化数据本身并不作为链上存储的信息,而是对文件的哈希值实施上链操作。作战数据生产完成后,需在本地完成数据哈希值的计算以及文件分片。
3)数据共识上链
数据哈希计算完成后,在区块链网络中的各个节点对数据进行确认和背书,在完成共识过程之后,各节点将会统一记录各类数据信息的哈希值和索引信息。同时,文件分片存储到无人集群中具有分布式网盘的各节点。
4)数据读取验证
数据读取时,通过索引信息获取文件分片,合成分片后,得到原始文件,验证原始文件哈希与获取文件哈希是否一致。
4.2 轻量化共识机制
由于传统区块链平台中基于工作量证明(Proof of Work)方式的共识算法通过执行随机数计算的方式选举记账节点,其共识过程需要消耗大量的计算资源,且权限开放、任何人可以加入[13],不适合在无人集群作战环境中使用。而权益证明(Proof of Stake)共识算法,尽管能够有效地降低资源消耗,但其本质是为金融场景所设计的,不适用于无人集群。
无人集群涉及的共识问题分为数据和决策共识,数据共识主要指在特定的网络模型和故障模型前提下, 如何在无中央控制和协调的分布式网络中实现一致性,是一种“机器共识”;决策共识主要指无中心的群体决策中, 如何就最优的决策达成一致的问题。针对数据和决策的共识,本文采用基于DPOS(Delegated Proof of Stake,股份授权证明机制)和PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance,实用拜占庭容错算法)相结合的共识机制,在充分体现群体意志的同时,实现秒级共识验证,为快速提供数据和决策方案奠定基础[14]。
数据和决策的共识过程包括验证规则的设置和共识方法两个关键部分。数据验证规则为判断数据是否验证通过的标准,其规则包括数据获取时间、精度、来源以及环境状况等四方面因素,用于获得优质数据,支持智能决策;决策验证规则为判断决策是否验证通过的标准,其规则包括时间、来源、演化参数等三方面因素,辅助集成决策方案。
关于共识方法,基于无人集群间的信任关系以及系统的快速响应需求,采用DPOS动态授权和PBFT相结合的共识方法实现数据和决策的共识。DPOS机制用于动态实现集群信任节点的推选,保证整个无人集群节点网络的效率和正确性,PBFT用于实现集群信任节点对数据或决策的验证及确认,实现秒级共识[15]。
无人集群节点根据对其余节点的信任,动态授权某些节点为信任节点,信任节点服务器用于数据的验证及确认。采用DPOS动态授权机制,根据节点的验证数据、确认数据速度及准确性建立信任节点的退出机制。信任节点收到各无人集群节点发送的数据后,经验证签名后进行全网广播,其他信任节点收到数据时,立即对数据进行验证,并将验证签名完成的数据立即返回给验证数据的信任节点,当信任节点收到对数据的验证超过2/3信任节点总量时,即完成对数据的确认。同时,信任节点在接收上一数据的验证消息的同时,进行下一数据的验证生成,并行进行,提高效率,实现秒级的共识。具体过程如图3 所示。
5 结束语
区块链技术的优势在数字货币等领域得到了充分运用,但是,在军事领域中的应用仍在研究探索中。本文尝试提出无人集群信息共享架构,着重解决多种类型作战信息存储以及高效安全共识机制问题,为无人集群信息共享提供一种新的解决方案,该架构同样适用于战术终端等作战场景,支撑构建分布式指挥系统信息共享。