云彈藥系統(tǒng)

李杰，游寧，李兵，關(guān)震宇，楊成偉

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081；2.復(fù)雜地面系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012）

云彈藥系統(tǒng)

李杰1，游寧2，李兵2，關(guān)震宇1，楊成偉1

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081；2.復(fù)雜地面系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012）

隨著云計(jì)算技術(shù)的蓬勃發(fā)展及在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得大規(guī)模智能彈藥協(xié)同作戰(zhàn)成為可能。為了深化和擴(kuò)展協(xié)同作戰(zhàn)的內(nèi)涵，從系統(tǒng)科學(xué)的角度出發(fā)，提出了云彈藥系統(tǒng)的概念，基于協(xié)同學(xué)的相關(guān)理論對系統(tǒng)內(nèi)涵進(jìn)行了論述，并對系統(tǒng)的主要特征進(jìn)行了機(jī)理分析和數(shù)學(xué)描述。給出了云彈藥系統(tǒng)的主要功能，并對云彈藥系統(tǒng)的發(fā)展趨勢及亟需解決的問題進(jìn)行了討論。

兵器科學(xué)與技術(shù)；云彈藥系統(tǒng)；自組織；作戰(zhàn)效能

1　云彈藥系統(tǒng)的概念及內(nèi)涵

云彈藥系統(tǒng)是基于分布式感知與計(jì)算和自主式組網(wǎng)與協(xié)同的彈藥群系統(tǒng)。它具有協(xié)同搜索、協(xié)同感知、協(xié)同任務(wù)決策、協(xié)同攻擊及毀傷效果評估等功能，其行為具有整體性與有機(jī)關(guān)聯(lián)性、自組織性、自適應(yīng)性、魯棒性、演化性與自修復(fù)性等特征。

云彈藥系統(tǒng)的概念按照“屬+種差”進(jìn)行表述［1］。云彈藥系統(tǒng)的“屬”是“彈藥群系統(tǒng)”；“種差”是“分布式感知與計(jì)算”、“自組網(wǎng)”和“自主協(xié)同”。

云彈藥系統(tǒng)由偵察、感知、攻擊、毀傷效果評估等不同作戰(zhàn)任務(wù)屬性的子系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)云彈藥系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)之間既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)及復(fù)雜耦合的特點(diǎn)，按照系統(tǒng)協(xié)調(diào)的思路，進(jìn)行系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各子系統(tǒng)相互協(xié)作、高效的完成云彈藥系統(tǒng)總的作戰(zhàn)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)云彈藥系統(tǒng)戰(zhàn)斗力的增效作用［2］。

考慮云彈藥系統(tǒng)各子系統(tǒng)（如偵察子系統(tǒng)、感知子系統(tǒng)、攻擊子系統(tǒng)、毀傷效果評估子系統(tǒng)等）h∈［1，m］，設(shè)其演化過程的序參變量（如感知能力、打擊能力等）εh=（εh1，εh2，…，εhn），其中εhi∈［ahi，bhi］，ahi、bhi分別為子系統(tǒng)h第i個(gè)序參變量的下限和上限，一般情況下其范圍滿足0≤ahi＜bhi≤1.

則云彈藥系統(tǒng)的有序度

云彈藥系統(tǒng)的有序度uh（εhi）與序參變量εhi呈正相關(guān)關(guān)系。

從總體上來看序參變量對云彈藥系統(tǒng)總體貢獻(xiàn)可以通過uh（εhi）綜合集成來實(shí)現(xiàn)：

式中：λhi為權(quán)重變量。

依據(jù)Haken［3］對協(xié)同的定義，云彈藥系統(tǒng)的自主協(xié)同是指云彈藥系統(tǒng)組成單元即單枚智能彈藥間的相互協(xié)調(diào)配合以達(dá)到全系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)對抗目的。

2　云彈藥系統(tǒng)的主要特征

2.1整體性與有機(jī)關(guān)聯(lián)性

云彈藥系統(tǒng)是由許多“彈藥個(gè)體”組成，每個(gè)彈藥個(gè)體是云彈藥系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)自身的運(yùn)動(dòng)特征又與其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相關(guān)，體現(xiàn)了云彈藥系統(tǒng)整體性與有機(jī)關(guān)聯(lián)性［4-5］。

Bertalanffy［6］分3個(gè)層面來描述系統(tǒng)的整體性與有機(jī)關(guān)聯(lián)性之間的關(guān)系：

第1層：考慮系統(tǒng)的時(shí)變性，用微分方程組描述；

第2層：考慮系統(tǒng)的“時(shí)-空”特性，用偏微分方程組描述；

第3層：考慮系統(tǒng)的“時(shí)-空”特性及當(dāng)前事件對過去事件存在依賴性，用微分積分方程組描述。

云彈藥系統(tǒng)具有時(shí)變性、空間分布的流動(dòng)性及當(dāng)前狀態(tài)對過去狀態(tài)的依賴性特點(diǎn)，利用增補(bǔ)變量的方法［7-8］，使得云彈藥系統(tǒng)各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移構(gòu)成一個(gè)廣義Markov隨機(jī)過程，建立基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的云彈藥系統(tǒng)的微分-積分模型。

設(shè)C（t）為云彈藥系統(tǒng)t時(shí)刻所處的狀態(tài)，為得到一廣義Markov過程，令Tj（t）為系統(tǒng)進(jìn)入第j個(gè)狀態(tài)的駐留時(shí)間，容易驗(yàn)證｛C（t），T（t），t＞0｝是一個(gè)廣義Markov過程。

為了便于云彈藥系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率分析，本文進(jìn)一步進(jìn)行了相關(guān)的定義：

式中：Pi（t）表示系統(tǒng)在t時(shí)刻處于i狀態(tài)的概率；Pjk（x，t）表示系統(tǒng)處于狀態(tài)j系統(tǒng)依靠自組織自修復(fù)到狀態(tài)k所需時(shí)間為x的概率。

利用全概率公式求得狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率并求極限可得云彈藥系統(tǒng)的微分-積分模型：

式中：λik表示系統(tǒng)從i到k狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間；r（x）表示系統(tǒng)遇到障礙、危險(xiǎn)等自修復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)。

2.2自組織性

云彈藥系統(tǒng)依靠彈藥個(gè)體去形成、改變并不斷地完善系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)、時(shí)間結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)，個(gè)體通過自身形態(tài)、其他個(gè)體的形態(tài)、威脅障礙的形態(tài)以及目標(biāo)信息等，調(diào)節(jié)自身的運(yùn)動(dòng)方向和速度，維持適當(dāng)?shù)木嚯x，這個(gè)負(fù)反饋機(jī)制，便形成了云彈藥特定的自組織［9-10］方式。

根據(jù)（4）式所建立的基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的云彈藥系統(tǒng)模型，通過引入一個(gè)虛擬的力場，即云彈藥系統(tǒng)中的個(gè)體之間通過增加一個(gè)排斥力/吸引力的作用［11-14］，只要個(gè)體之間的距離在某個(gè)閾值范圍內(nèi)，這個(gè)力的作用就顯現(xiàn)出來了，當(dāng)彈藥個(gè)體間相互靠近時(shí)，排斥力增大，當(dāng)達(dá)到一個(gè)危險(xiǎn)的閾值時(shí)，排斥力趨于無窮大防止碰撞，當(dāng)個(gè)體之間相互遠(yuǎn)離時(shí)，吸引力增大，實(shí)現(xiàn)云彈藥系統(tǒng)群集的效果，從而實(shí)現(xiàn)云彈藥系統(tǒng)的自組織行為。因此，云彈藥系統(tǒng)自組織問題可以描述為求輸入控制律使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定無碰撞的自我調(diào)整的行為。

云彈藥系統(tǒng)自組織行為的控制輸入由如下三部分組成：

式中：αi1為控制系統(tǒng)中個(gè)體之間的距離，使得個(gè)體間在不發(fā)生碰撞的情況下整體勢能最小，即避碰、聚集；αi2為控制個(gè)體與目標(biāo)之間的距離，使得個(gè)體能夠快速到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；βi用于調(diào)整系統(tǒng)中個(gè)體的速度，使得速度最終達(dá)到一致。

云彈藥系統(tǒng)的自組織行為的控制律描述如下：

式中：pi=（xi，yi，zi）T為位置變量；Uij表示個(gè)體i、j之間的勢能函數(shù)；pij=‖pi-pj‖2為系統(tǒng)中兩個(gè)個(gè)體之間的距離；Uig為個(gè)體i與目標(biāo)點(diǎn)g之間的勢能函數(shù)；pig=‖pi-pg‖2為系統(tǒng)中個(gè)體i與目標(biāo)點(diǎn)g之間的距離；vi為第i個(gè)體的速度變量；Ki、aij為常量。

2.3自適應(yīng)性

當(dāng)云彈藥系統(tǒng)受到時(shí)空變化影響時(shí)，具有能自動(dòng)適應(yīng)這些環(huán)境變化的能力，如遇到山體、建筑物等障礙時(shí)具有自動(dòng)避障能力，感受有源和無源干擾時(shí)的抗干擾能力。云彈藥系統(tǒng)能根據(jù)外界條件的變化動(dòng)態(tài)改變效能期望，從而及時(shí)響應(yīng)戰(zhàn)場的變化，體現(xiàn)出自適應(yīng)［15-16］的優(yōu)點(diǎn)，這樣才能提高作戰(zhàn)效能。自適應(yīng)的目的就是使自己的效能函數(shù)在作戰(zhàn)過程中最大化，即尋找策略s，使得效能期望值總和［17］達(dá)到最大。此處c0是初始狀態(tài)，ut是t時(shí)刻的獎(jiǎng)勵(lì)，αt∈（0，1］是t時(shí)刻的貼現(xiàn)系數(shù)。

2.4魯棒性

云彈藥系統(tǒng)的魯棒性［18］是指在作戰(zhàn)過程中，如某個(gè)或某幾個(gè)組成單元出現(xiàn)故障、通信中斷、被毀等情況，通過高動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)，依據(jù)一定的規(guī)則，重新組合成一種優(yōu)化穩(wěn)定的狀態(tài)，防止出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的“真空”或“重疊”。

本文采用一個(gè)數(shù)組（E，M）來定量描述云彈藥系統(tǒng)的魯棒性，其中：E是云彈藥系統(tǒng)作戰(zhàn)環(huán)境的描述；M是作戰(zhàn)任務(wù)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，可用三元組（S（t），s0（t），T（t））來描述，S表示作戰(zhàn)任務(wù)狀態(tài)的集合，s0表示作戰(zhàn)任務(wù)初始狀態(tài)，T表示作戰(zhàn)任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的概率矩陣。

2.5演化性與自修復(fù)性

演化性是云彈藥系統(tǒng)的基本屬性，云彈藥系統(tǒng)的演化終極原因在于高度動(dòng)態(tài)的相互作用及系統(tǒng)內(nèi)部彈藥個(gè)體之間的合作和博弈，呈現(xiàn)為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。自修復(fù)性是云彈藥系統(tǒng)的特殊屬性，云彈藥系統(tǒng)個(gè)體消亡后的自補(bǔ)充或者因?yàn)橥{、障礙等原因使得云彈藥系統(tǒng)自我修復(fù)，體現(xiàn)了自修復(fù)的特性。根據(jù)群體智能的集群動(dòng)態(tài)演化機(jī)理［19-20］，本文對云彈藥系統(tǒng)的演化過程進(jìn)行如下描述：

式中：c1、c2分別表示自組織過程中內(nèi)部漲落力與外部漲落力的權(quán)重；r1、r2分別為［0，1］上隨機(jī)變量、控制云彈藥系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體的數(shù)量；E#為只存在內(nèi)部漲落力的效能量；E*為只存在外部漲落力的效能量；E為云彈藥系統(tǒng)的效能量；V為根據(jù)效能量所調(diào)整的變量。解釋為通常演化中的云彈藥系統(tǒng)，其效能量E中可能出現(xiàn)Ei≤0的情況，表明該個(gè)體被毀傷或離群并從云彈藥系統(tǒng)中退出，其留下來的空缺由新進(jìn)入彈藥個(gè)體來代替。由于新進(jìn)入個(gè)體頂替消亡或離群個(gè)體在系統(tǒng)中的作用，所以新進(jìn)入個(gè)體必須對云彈藥系統(tǒng)的決策集進(jìn)行調(diào)整。

3　云彈藥系統(tǒng)的功能

云彈藥系統(tǒng)以C4KISR［21］作戰(zhàn)體系為架構(gòu)，其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及自組網(wǎng)和自主協(xié)同技術(shù)，具體包括：分布式感知及信息融合技術(shù)、高動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)通信技術(shù)、協(xié)同決策與控制技術(shù)等。其功能主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

3.1云感知功能

感知是云彈藥系統(tǒng)的基礎(chǔ)。云彈藥系統(tǒng)在高度對抗的環(huán)境下，通過進(jìn)行傳感器資源整合，實(shí)現(xiàn)精確探測、定位、分類，從而達(dá)到對戰(zhàn)場態(tài)勢的認(rèn)知，為云彈藥系統(tǒng)的決策與控制提供數(shù)據(jù)支持。

3.2云計(jì)算通信功能

云彈藥系統(tǒng)利用云計(jì)算技術(shù)形成各彈藥節(jié)點(diǎn)之間及彈藥與平臺(tái)之間的組網(wǎng)通信，可實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合和無縫鏈接問題，具有靈活的自主性大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和抗截獲、抗干擾能力，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的信息交互與共享。

3.3云決策與控制的功能

利用云計(jì)算技術(shù)，通過云的相關(guān)理論把作戰(zhàn)單元集成為一個(gè)高度自適應(yīng)的綜合決策云。云計(jì)算技術(shù)將貫穿于探測、識別、分類、跟蹤、打擊、毀傷效果評估這一完整的殺傷鏈中。云彈藥系統(tǒng)按照作戰(zhàn)任務(wù)使命，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，指派最合適的作戰(zhàn)單元去完成相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)，從而獲得實(shí)時(shí)最大作戰(zhàn)效能［22］。具體體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

3.3.1在線規(guī)劃功能

云彈藥系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過程中根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)及突發(fā)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)重規(guī)劃，提高作戰(zhàn)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

3.3.2智能自主決策功能

云彈藥系統(tǒng)不依賴外界指令和設(shè)備支持，在不確定的作戰(zhàn)環(huán)境中利用綜合決策云依靠自身的控制設(shè)備完成作戰(zhàn)任務(wù)［15］。

3.4云毀傷及毀傷效果評估功能

云彈藥系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)的偵控打評和類似“狼群”的云毀傷功效，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場目標(biāo)的時(shí)空壓制和整體毀癱。具體體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

1）云彈藥系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中能夠?qū)衬繕?biāo)實(shí)施全覆蓋地毯式的協(xié)同精確火力打擊，以實(shí)現(xiàn)對敵目標(biāo)的高效毀傷。

2）云彈藥系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中可攜帶電磁脈沖、高功率微波、電子干擾與誘餌等新概念戰(zhàn)斗部，實(shí)現(xiàn)對敵目標(biāo)全區(qū)域、全方位的軟殺傷，降低敵整體戰(zhàn)斗力。

云彈藥系統(tǒng)對目標(biāo)實(shí)施偵察、監(jiān)視及毀傷效果評估［23］是彈藥間信息交互與協(xié)同攻擊相結(jié)合自組織進(jìn)行的，這是云彈藥系統(tǒng)有別于其他彈藥系統(tǒng)的一個(gè)主要特征。

4　展望

云彈藥系統(tǒng)是一個(gè)嶄新而富有挑戰(zhàn)性的課題，隨著后續(xù)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展，可逐步實(shí)現(xiàn)云彈藥系統(tǒng)所描述的功能，大幅度提高作戰(zhàn)效能。

隨著戰(zhàn)場任務(wù)需求的進(jìn)一步深化、相關(guān)理論與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，云彈藥系統(tǒng)的行為、功能分為基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的云彈藥系統(tǒng)協(xié)同和基于網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算技術(shù)的云彈藥系統(tǒng)協(xié)同兩大臺(tái)階進(jìn)一步擴(kuò)展，概念會(huì)進(jìn)一步完善。

今后一個(gè)時(shí)期，云彈藥系統(tǒng)需進(jìn)一步研究的方面主要包括：

1）在理論建模方面，對云彈藥系統(tǒng)中影響因素進(jìn)一步細(xì)化研究，在模型的相關(guān)特性方面，如可控性、自修復(fù)性、適定性等。

2）在協(xié)同感知方面，在信息缺失的情況下快速有效地實(shí)現(xiàn)感知、分類、定位和跟蹤等。

3）在高動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)通信方面，海量信息共享數(shù)據(jù)的處理及信息的在線快速遷移，以及在傳輸過程中的抗干擾、抗截獲能力等。

4）在決策與控制方面，在線實(shí)時(shí)規(guī)劃及在最短時(shí)間內(nèi)最大效能地完成作戰(zhàn)任務(wù)決策等。

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［23］李新其，向愛紅，李紅霞.系統(tǒng)目標(biāo)毀傷效果評估問題研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，29（1）：57-62. LI Xin-qi，XIANG Ai-hong，LI Hong-xia.Calculation and assessment on damage effect of system target［J］.Acta Armamentarii，2008，29（1）：57-62.（in Chinese）

Cloud Ammunition System

LI Jie1，YOU Ning2，LI Bing2，GUAN Zhen-yu1，YANG Cheng-wei1
（1.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Science and Technology on Complex Land System Simulation Laboratory，Beijing 100012，China）

The development of cloud computing technology and its wide application in the military field make the large-scale intelligent ammunitions possible to combat cooperatively.In order to deepen and expand the connotation of intelligent ammunition cooperative combat，the concept of cloud ammunition system is proposed from the perspective of system science.The system connotation is discussed based on synergetic theory，and the main features of the system are analyzed in terms of mechanism and mathematical logic.Finally，the main functions of the cloud ammunition system are provided，and the problems which need to be addressed and the development directions of the cloud ammunition system are discussed.

ordnance science and technology；cloud ammunition system；self organization；combat efficiency

N949

A

1000-1093（2015）02-0250-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.009

2014-12-09

李杰（1969—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：lijie@bit.edu.cn