多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)運用方式研究*

王 濤 胡 軍 黃克明

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

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多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)運用方式研究*

王 濤 胡 軍 黃克明

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

論文分析了多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的特點,基于Agent多智能單元系統(tǒng)理論提出了集中式作戰(zhàn)體系、集散式作戰(zhàn)體系和集群式作戰(zhàn)體系等三種多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的運用方式。

多無人機; 協(xié)同作戰(zhàn); 運用方式

Class Number V279

1 多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的特點

多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)是指由多架相互感知、相互協(xié)作的無人機構(gòu)成,能夠共同完成一定任務(wù)的系統(tǒng)。在多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中,這些無人機屬于相同或不同的類型,它們在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中擔負著不同的角色。每架無人機只具有情報偵察、中繼通信、電子干擾、目標指引、火力打擊、毀傷評估等一種或者幾種功能,根據(jù)各自所具有的局部信息和作戰(zhàn)能力以及相互之間的通信來進行決策,協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。這些無人機組成的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)借助多種傳感器相互感知,實時通信,進行協(xié)作和決策,能夠完成單架無人機無法完成的任務(wù)涌現(xiàn)性行為,表現(xiàn)出優(yōu)越的整體作戰(zhàn)效能。

多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)力求通過多架無人機之間的相互協(xié)同,使多無人機系統(tǒng)作為整體的作戰(zhàn)能力大于各架無人機所具有的作戰(zhàn)能力的簡單相加。其主要特點表現(xiàn)如下:

1) 協(xié)作性:系統(tǒng)中的各架無人機可以相互協(xié)作,執(zhí)行單架無人機無法完成的任務(wù)。

2) 并行性:系統(tǒng)可通過各架無人機之間的異步并行活動,提高系統(tǒng)內(nèi)部的情報獲取能力、信息感知能力和輔助決策能力。

3) 健壯性:系統(tǒng)并不依賴于某架無人機完成所有的作戰(zhàn)任務(wù),不會因為某一架無人機的損傷或者退出而導致系統(tǒng)癱瘓。

4) 易擴展性:系統(tǒng)松散耦合的特征,保證了其體系構(gòu)成的可重用性和可擴充性。

5) 自適應(yīng)性:系統(tǒng)中各架無人機能夠隨環(huán)境的變化調(diào)整自己的飛行路徑,并且與其他友鄰無人機進行通信和協(xié)作,彼此之間保持安全距離,始終保持系統(tǒng)資源的最優(yōu)化配置[1]。

2 Agent多智能單元系統(tǒng)理論

圖1 Agent智能單元工作流程

Agent作為智能控制單元,決定了Agent的行為必然體現(xiàn)在推理上,其工作流程如圖1所示。Agent通過信息交互來感知環(huán)境,獲取環(huán)境的狀態(tài)信息。感知到的信息首先要以適當?shù)姆绞竭M行信息融合,并能為Agent的知識庫所接受。情報處理的目的是提取可用的情報數(shù)據(jù),根據(jù)Agent的預(yù)期目標決定下一步的具體行動。當要求對環(huán)境交互時,執(zhí)行模塊將控制和使用合適的交互模塊完成對環(huán)境的影響[8]。

Agent多智能單元系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有集中式控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)、集散式控制系統(tǒng)等三種體系結(jié)構(gòu)。

集中式控制系統(tǒng)的特點是有唯一的中央控制節(jié)點。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是,可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,減少Agent間相互通信產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù);缺點是,對主控Agent的要求很高,如果系統(tǒng)中各Agent的行為比較復(fù)雜,或者Agent的數(shù)目比較多,那么得出一個全局一致的行為規(guī)劃是非常困難的。因此,這種結(jié)構(gòu)不適合動態(tài)、開放的環(huán)境,只適于規(guī)模不大、環(huán)境相對明確的系統(tǒng)。

分布式控制系統(tǒng)的特點是可擴展性強,可以充分發(fā)揮各Agent的自治能力;缺點是,通信量大,它要求各Agent有較強的自適應(yīng)能力或通信能力,適用于規(guī)模大、通信基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)容易實現(xiàn)的系統(tǒng)。

集散式控制系統(tǒng)的特點是具有一定的智能化程度。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展,當無人機之間能夠?qū)崟r交互并協(xié)同控制任務(wù)時,可以將集中式控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)有機地結(jié)合起來,彌補彼此的缺點,突出雙方的優(yōu)點,采用集散式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

3 多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)運用方式

3.1 集中式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系

3.1.1 集中式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)

集中式體系結(jié)構(gòu)下的多無人機協(xié)同作戰(zhàn),多機協(xié)同主要表現(xiàn)為地面站對無人機的任務(wù)控制,即地面站在無人機任務(wù)執(zhí)行過程中對其飛行、通信、載荷和任務(wù)等多個層面進行有效監(jiān)管、指揮和控制。

圖2 多無人機協(xié)同作戰(zhàn)集中式體系結(jié)構(gòu)

如圖2所示,地面站和無人機之間具有良好的互連、互通、互操作能力,地面站能夠傳輸作戰(zhàn)指令、控制命令給無人機,必要時還可以控制無人機的飛行。同時,無人機能夠?qū)⑶閳髷?shù)據(jù)、態(tài)勢信息和任務(wù)狀態(tài)信息及時反饋給地面站,這些信息交互可以按時間間隔自動發(fā)起,也可以由地面站根據(jù)需要隨時發(fā)起。當無人機探測到突發(fā)威脅時,需要將威脅情報通知地面站,地面站進行航路調(diào)整和發(fā)布變更無人機任務(wù)指令。

3.1.2 集中式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的特點

集中式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的特點是無人機群通過數(shù)據(jù)鏈由地面站進行控制。在這種體系結(jié)構(gòu)下,無人機之間沒有通信聯(lián)系,來自各架UAV的探測信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息匯集到地面站,經(jīng)地面站分析決策、集中計算與統(tǒng)一規(guī)劃后,將求解結(jié)果以控制指令的形式發(fā)送給各UAV執(zhí)行。在這種體系結(jié)構(gòu)中,任務(wù)控制功能集中在地面站,UAV僅具有底層控制功能,因此對各無人機平臺決策能力要求相對較低,而對地面站決策能力要求較高[9]。

集中式控制能夠從全局對問題進行求解和優(yōu)化,但在實際作戰(zhàn)應(yīng)用中存在以下不足:

1) 需要UAV不斷將自身狀態(tài)與探測到的信息傳送到地面站,這對通信鏈接的可靠性和通信帶寬提出很高要求。

2) 所有的信息融合、輔助決策集中在唯一的中央節(jié)點—地面控制站,計算量大,求解復(fù)雜度高,對于大規(guī)模復(fù)雜問題消耗的時間長,并且常難以找到最優(yōu)解。

3) 系統(tǒng)缺乏健壯性,中央節(jié)點是整個系統(tǒng)的“瓶頸”,如果該節(jié)點出現(xiàn)故障、遭到損毀或受到干擾,將導致整個系統(tǒng)的崩潰。

3.2 集散式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系

3.2.1 集散式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)

由i架UAV構(gòu)成分布式控制體系,再通過地面站與各UAV之間建立聯(lián)系,形成集中式控制體系,地面站與無人機群就形成了集散式體系結(jié)構(gòu),如圖3所示。每一架UAV在任務(wù)執(zhí)行過程中從自身局部利益出發(fā),根據(jù)環(huán)境信息和自身狀態(tài)對當前的任務(wù)計劃進行評估,如果發(fā)現(xiàn)了更有利于自身的規(guī)劃,把新的規(guī)劃結(jié)果提交給地面站,由地面站對每架UAV的提議進行總體評估,如果提議能獲得更好的系統(tǒng)整體效能,則該提議被采納,否則不予采納。同時,地面站適時監(jiān)控各架UAV,可以隨時對各UAV發(fā)布指令,進行操控。在沒有接收到地面站發(fā)出的指令的情況下,無人機在分布式體系結(jié)構(gòu)下工作。

圖3 多無人機協(xié)同作戰(zhàn)集散式體系結(jié)構(gòu)

在這個體系結(jié)構(gòu)中,地面站系統(tǒng)的功能與集中式體系結(jié)構(gòu)中的地面站系統(tǒng)的功能相同。當系統(tǒng)中的無人機平臺與地面站進行交互時,接收地面站發(fā)布的指令,操控本機;當?shù)孛嬲局袛嗯c無人機的聯(lián)系時,無人機群之間通過信息交互,進行協(xié)同決策,對無人機進行操控[11]。

3.2.2 集散式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的特點

集散式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的主要特點是集中管理操作和分散控制調(diào)節(jié)。

集散式控制系統(tǒng)采用自治和協(xié)作的方法來解決全局控制問題,將復(fù)雜問題分解為能夠由系統(tǒng)中各個節(jié)點解決的子問題,然后由各節(jié)點進行聯(lián)合求解。如圖3中所有UAV彼此間是完全平等的關(guān)系,它們之間構(gòu)成分布式體系結(jié)構(gòu)。UAV之間可以直接進行通信,這種結(jié)構(gòu)可擴展性強,能夠充分發(fā)揮各UAV的自治能力;缺點是相對于集中式體系結(jié)構(gòu)中的無人機,每一架無人機的通信量都較大,它要求系統(tǒng)中的每一架無人機都有較強的自適應(yīng)能力和通信能力。

3.3 集群式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系

基于減少協(xié)同作戰(zhàn)體系中地面站與無人機群、無人機與無人機之間的交互次數(shù)的原則,多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)可以采用集群式作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。

3.3.1 集群式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)

以n架無人機協(xié)同作戰(zhàn)為例,將n架無人機盡可能平均地隨機分成i組,每一組成員之間構(gòu)成完全分布式體系結(jié)構(gòu),從每組成員中隨機選取一架無人機作為該組的組長,各組長之間又構(gòu)成分布式體系結(jié)構(gòu)。無人機之間信息交互的一個周期為:首先,各組組員之間進行信息交互,然后各組組長之間進行信息交互,最后各組組長把所獲取的信息通知給各組組員。在各架無人機之間進行交互的過程中,地面站和無人機群中的其中一架無人機進行信息交互便可以知道整個無人機群的信息。以9架無人機協(xié)同作戰(zhàn)為例,根據(jù)以上設(shè)想,建立如圖4所示的集群式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。

圖4 多無人機協(xié)同作戰(zhàn)集群式體系結(jié)構(gòu)

3.3.2 集群式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的特點

集群式多無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的特點是具有較強的信息交互能力、相互協(xié)同能力和自主決策能力,主要包括以下幾個方面[7]:

1) 通信鏈路能夠滿足通信需求,即地面站與無人機之間、無人機與無人機之間能夠進行正常的信息交互。

2) 支持無人機群作戰(zhàn)體系的動態(tài)重構(gòu)。當系統(tǒng)中有無人機因故障或損毀退出,或有另外的無人機增援時,或任務(wù)狀態(tài)發(fā)生變化時,多無人機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)能夠及時進行調(diào)整以便更好地完成任務(wù),整個系統(tǒng)是一個開放的、可伸縮的系統(tǒng)。

3) 支持動態(tài)的無人機任務(wù)分配。由于戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變,單架無人機以及由幾架無人機組成的小組所要完成的任務(wù)也可能會隨時間發(fā)生變化,這就需要地面站與無人機群進行協(xié)同任務(wù)規(guī)劃,重新分配任務(wù),最大限度地保證任務(wù)目標的實現(xiàn)。

4) 支持無人機群的自組織。由于操作員數(shù)量有限,并且無人機與地面站之間可能會出現(xiàn)通信中斷,無人機群具有自組織能力。

5) 支持地面站操作人員與無人機、無人機群的交互。雖然無人機具有自主決策能力,無人機群能夠自組織,但是某些特殊情況下,它們還不能保證能夠應(yīng)付所有的突發(fā)事件。另外,無人機的某些關(guān)鍵操作,例如,實施火力打擊,可能還需要得到操作人員的授權(quán)和確認。

4 結(jié)語

面向日趨復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)任務(wù),單架無人機將很難完成指定的作戰(zhàn)任務(wù),以無人機群協(xié)同作戰(zhàn)將是未來空戰(zhàn)的一種必然趨勢。集中式作戰(zhàn)體系、集散式作戰(zhàn)體系、集群式作戰(zhàn)體系等三種多無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)運用方式分別適用于不同條件或不同時期。隨著無人機的各項關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展(數(shù)據(jù)鏈、傳感器、計算機、Agent),首先能夠?qū)崿F(xiàn)多無人機協(xié)同作戰(zhàn)的集中式體系結(jié)構(gòu)。在集中式作戰(zhàn)體系中,系統(tǒng)對無人機平臺的通信能力、智能化程度要求較低(相對于集散式作戰(zhàn)體系中的無人機),系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)比較容易實現(xiàn)。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展,無人機上的通信能力、自主決策能力能夠滿足多機協(xié)同的需求,無人機之間可以實時交互并能協(xié)同控制任務(wù)時,無人機群的協(xié)同作戰(zhàn)便可以采用集群式體系結(jié)構(gòu)。

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Application Modes of Cooperative Combat for Multi-UAVS System

WANG Tao HU Jun HUANG Keming

(Army Officer Academy, Hefei 230031)

In ths paper, the characteristics of cooperative combat for multi UAVS system, are analyzed, and three kinds of application modes of cooperative combat for multi-UAVS system, including centralized combat system, distributed combat system and cluster combat system, are put forward based on the theory of multiple Agent unit system.

multi UAVS, cooperative combat, application mode

2014年9月7日,

2014年10月29日

王濤,男,博士研究生,講師,研究方向:無人機技術(shù)與作戰(zhàn)運用。胡軍,男,博士,副教授,碩士生導師,研究方向:無人機技術(shù)與作戰(zhàn)運用。黃克明,男,博士研究生,講師,研究方向:無人機技術(shù)與作戰(zhàn)運用。

V279

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.002