一種新的智能化航空器自主能力等級評估方法

涂良輝，曾慶云，李來國，楊 昆，陳雅麗

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

智能化航空器自主能力是指在不需人工干預(yù)的條件下，航空器系統(tǒng)通過在線環(huán)境感知和信息處理，自主生成優(yōu)化的控制策略，完成各種戰(zhàn)略或戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，從而形成快速而有效的任務(wù)自適應(yīng)能力。定義中只是給出了自主能力的特點和屬性，較為籠統(tǒng)。為了清晰地評估智能化航空器自主能力的發(fā)展水平，需要建立統(tǒng)一、公允的智能化航空器自主能力量化評估方法，這為國家的智能化航空器產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供了合理的量化手段，有利于研制單位或用戶對相關(guān)技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行合理分級和評估，從而為智能化航空器自主能力的發(fā)展指引方向，促進(jìn)智能化航空器自主能力和性能的穩(wěn)步提高。

1 國內(nèi)外典型評估方法

1.1 國外情況

2000年美國海軍研究辦公室和空軍研究實驗室(AFRL)率先提出自主作戰(zhàn) (Autonomous Operations，AO)的基本概念，以此作為智能化航空器自主能力的終極目標(biāo)。為了實現(xiàn)AO，AFRL和其它研究機構(gòu)(Alenia Aeronautica等)認(rèn)為研究者應(yīng)當(dāng)關(guān)注的智能化航空器自主能力屬性包括“智能(intelligence)、安全性(safety)、可靠性(reliability)、可支付性(affordability)、任務(wù)執(zhí)行有效性(mission effectiveness)”。

美國海軍未來自主作戰(zhàn)能力研究辦公室和美國空軍研究實驗室(AFRL)，采用OODA模型，定義了智能化航空器自主作戰(zhàn)能力的十個等級(ACL：Autonomous Capability Levels)，見表1，作為標(biāo)準(zhǔn)衡量智能化航空器的自主能力水平，并且給出了智能化航空器技術(shù)發(fā)展的輪廓[1]。

表1 美國AFRL定義的自主能力等級

基于ACL的智能化航空器自主等級分級方法，符合智能化航空器技術(shù)研究的性能需求和技術(shù)發(fā)展的基本規(guī)律，因此，在智能化航空器自主能力評級標(biāo)準(zhǔn)中占據(jù)著主流位置，對智能化航空器技術(shù)起到了良好的工程牽引作用。

但是，該方法依然存在若干問題，具體如下：

1)該方法的主線傾向于描述技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，與用戶更關(guān)心的 “任務(wù)執(zhí)行有效性(mission effectiveness)”這條線并不完全一致。相對而言，用戶更關(guān)心的是智能化航空器能執(zhí)行何等難度的任務(wù)，更期望直接以任務(wù)難度作為智能化航空器自主等級劃分的主線。

2)該方法總體分級粗略，其中每級的技術(shù)特點并沒有給出更多的具體描述。例如，無法把影子和全球鷹這兩種典型機型的自主能力區(qū)分開來。

3)該方法中高等級的多機協(xié)同或集群協(xié)同，概念不夠明確。5～10級的ACL給出的是多機或集群的能力，然而智能化航空器自主等級本來的目的是要對單個航空器的能力進(jìn)行區(qū)分。因此，現(xiàn)有的ACL方法不利于指導(dǎo)高等級航空器相關(guān)技術(shù)的提升，不能有效地對高等級航空器的自主能力進(jìn)行有效區(qū)分。該方法甚至無法區(qū)分完成同一任務(wù)中的多機 (或集群)中的長機與僚機之間的自主等級差別。

1.2 國內(nèi)情況

國內(nèi)對智能化航空器自主等級的研究雖然起步較晚，但目前也取得了一定的研究成果。洛陽光電所的高勁松研究員對ACL方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析[2]；中科院沈陽自動化所的王越超、劉金國對無人系統(tǒng)的自主性評價方法進(jìn)行了綜述和評價[3]；北航的陳宗基教授和王英勛教授在ACL方法的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法[4,5]。對于智能化航空器自主等級分級方法的研究，國內(nèi)現(xiàn)有的方法主要表現(xiàn)在對ACL等國外方法的研究和改進(jìn)。目前，國內(nèi)尚未形成統(tǒng)一認(rèn)可的智能化航空器自主等級分級方法。各位學(xué)者所提議的方法雖然有其合理性，但仍有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

2 三維坐標(biāo)評價方法

2.1 提出的原則

智能化航空器自主性是航空器系統(tǒng)擁有感知、觀察、分析、交流、計劃、制定決策和行動的能力，并且完成人類通過人機交互布置給它的任務(wù)。根據(jù)智能化航空器自主性的定義和內(nèi)涵，智能化航空器自主性的關(guān)鍵技術(shù)包括態(tài)勢感知、規(guī)劃/協(xié)同技術(shù)、決策/執(zhí)行技術(shù)三個方面。本文評定的智能化航空器自主能力由上述三方面能力來體現(xiàn)，與之相對應(yīng)的能力包括：內(nèi)部健康診斷、外部態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同、單機決策/執(zhí)行、團(tuán)隊決策/執(zhí)行。

三維坐標(biāo)評價方法就是基于上述三項關(guān)鍵技術(shù)，旨在合理評定智能化航空器自主能力水平的評估方法。該方法首先建立三維坐標(biāo)模型 （如圖1所示），分別將自主性包涵的三項指標(biāo)（即態(tài)勢感知、規(guī)劃/協(xié)同、決策/執(zhí)行）描述在3個坐標(biāo)軸上，每個坐標(biāo)軸再劃分若干子級指標(biāo)并賦予一定的分值，以此構(gòu)建打分體系，最后用戶采用打分的方式評定智能化航空器自主能力的等級。整個打分遵循百分制原則，自主能力水平滿分100分，最差為0分。

2.2 打分體系

三維坐標(biāo)打分法以三維坐標(biāo)為模型，對模型的三項指標(biāo)進(jìn)行打分，來評定智能化航空器自主能力等級。該方法首先根據(jù)具體任務(wù)需求，分配3個指標(biāo)（態(tài)勢感知、規(guī)劃/協(xié)同、決策/執(zhí)行）的權(quán)值，然后對3個指標(biāo)按各自所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行子級分解，并分別賦予一定的分值，以此構(gòu)建打分體系（如圖2所示），最后用戶依照打分體系對智能化航空器三項指標(biāo)分別進(jìn)行打分，并進(jìn)行加權(quán)平均，得出智能化航空器自主能力水平總得分。

圖1 三維坐標(biāo)模型

圖2 三維坐標(biāo)打分體系圖

2.3 自主能力等級模型

將智能化航空器等級模型分為五級，分別是遙控、遠(yuǎn)程操作、半自主、單機完全自主、團(tuán)隊自主。半自主和團(tuán)隊自主又均分為三個等級，分別是一般、中等和較高，因此智能化航空器等級模型亦可稱為九級。根據(jù)百分制原則，每一級都有相應(yīng)的分?jǐn)?shù)范圍，對照智能化航空器自主能力水平的最終分?jǐn)?shù)找到其相應(yīng)的等級。智能化航空器自主能力等級模型如表2所示。

表2 智能化航空器自主能力等級模型

2.4 評判準(zhǔn)則和流程

先作如下設(shè)定：

1)態(tài)勢感知分?jǐn)?shù)：S1，權(quán)重系數(shù)：w1，其中內(nèi)部健康診斷分?jǐn)?shù)為S11，外部態(tài)勢感知分?jǐn)?shù)為S12；

2)規(guī)劃/協(xié)同分?jǐn)?shù)：S2，權(quán)重系數(shù)：w2，其中任務(wù)規(guī)劃分?jǐn)?shù)為S21，協(xié)同分?jǐn)?shù)為S22；

3)決策/執(zhí)行分?jǐn)?shù)：S3，權(quán)重系數(shù)：w3，其中單機決策/執(zhí)行分?jǐn)?shù)為S31，團(tuán)隊決策/執(zhí)行分?jǐn)?shù)為S32。

智能化航空器自主能力水平打分流程如下：

第一步，首先打出內(nèi)部健康診斷分?jǐn)?shù)S11，外部態(tài)勢感知分?jǐn)?shù)S12，此時態(tài)勢感知分?jǐn)?shù)為S1＝S11＋S12；

第二步，打出任務(wù)規(guī)劃分?jǐn)?shù)S21，協(xié)同分?jǐn)?shù)S22，此時規(guī)劃/協(xié)同分?jǐn)?shù)為S2＝S21＋S22；

第三步，打出單機決策/執(zhí)行分?jǐn)?shù)S31，團(tuán)隊決策/執(zhí)行分?jǐn)?shù)S32，此時決策/執(zhí)行分?jǐn)?shù)為S3＝S31＋S32。

因此，智能化航空器自主能力水平總得分（S）：

（說明：自主能力水平總得分遵循百分制原則）

最后，將自主能力水平得分S對照智能化航空器自主能力等級模型（即表2），找到其相應(yīng)的等級。

3 實例分析

下面采用三維坐標(biāo)打分法對國外6種智能化航空器進(jìn)行自主能力水平等級評定，見表3。

三維坐標(biāo)打分法較之ACL方法，指標(biāo)更加量化，結(jié)果直觀，易于比較和評判。該方法與ACL等級的對應(yīng)關(guān)系見表4。

表3 基于三維坐標(biāo)法的國內(nèi)外典型智能化航空器評價

表4 三維坐標(biāo)打分法與ACL等級的對應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

評定智能化航空器自主能力等級的方法很多，本方法相對于其它方法而言，具有一定的實用性和直觀性，主要表現(xiàn)在：

1）考慮的自主性指標(biāo)較全面，包涵自主能力的三個主要指標(biāo)，即態(tài)勢感知、規(guī)劃/協(xié)同、決策/執(zhí)行；每個指標(biāo)又分子級指標(biāo)，考慮的關(guān)鍵技術(shù)較多、覆蓋面較廣。

2）可以簡單快速的進(jìn)行量化考核，對評判對象的自主水平進(jìn)行打分，相對定性考核方法而言，該量化考核方法結(jié)果簡單直觀，易于比較。

[1]Office of the Secretary of Defense.Unmanned Aerial Vehicles Roadmap 2000-2025[R].Department of Defense,Washington DC,2001.

[2]高勁松,余菲,季曉光.無人機自主控制等級的研究現(xiàn)狀[J].電光與控制,2009,16(10):51-54.

[3]王越超,劉金國.無人系統(tǒng)的自主性評價方法[J].科學(xué)通報,2012,57(15):1290-1299.

[4]陳宗基,魏金鐘等.無人機自主控制等級及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].航空學(xué)報,2011,32(6):1075-1083.

[5]王英勛,蔡志浩.無人機的自主飛行控制[J].航空制造技術(shù),2009,(8):26-31.