潛艇與智能無人水下航行器協(xié)同系統(tǒng)控制體系及決策研究

王圣潔， 康鳳舉， 韓翃

(1.西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學 水下信息與控制國家重點實驗室, 陜西 西安 710072)

潛艇與智能無人水下航行器協(xié)同系統(tǒng)控制體系及決策研究

王圣潔1,2， 康鳳舉1,2， 韓翃1,2

(1.西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學 水下信息與控制國家重點實驗室, 陜西 西安 710072)

無人作戰(zhàn)是未來戰(zhàn)爭發(fā)展的必然趨勢，然而，當下無人水下航行器(UUV)的智能水平有限，造成UUV編隊在水下網(wǎng)絡中心戰(zhàn)(UWNCW)中的應用具有局限性。針對以上問題，將人的智能引入智能UUV編隊，形成一種潛艇與智能UUV結(jié)合的協(xié)同系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的優(yōu)點及復雜性，并對系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)及決策問題等關鍵技術進行了研究。對系統(tǒng)在突發(fā)威脅情況下的航跡規(guī)劃過程進行了仿真，仿真結(jié)果表明潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)避障并能躲避突發(fā)威脅，提升了整個系統(tǒng)的應急能力。

兵器科學與技術； 潛艇； 智能無人水下航行器； 協(xié)同； 決策

0 引言

以多智能無人水下航行器(UUV)系統(tǒng)為主要作戰(zhàn)平臺的無人水下網(wǎng)絡中心戰(zhàn)(UWNCW)滿足“零傷亡”、“非接觸”的戰(zhàn)爭理念，是UUV編隊在UWNCW發(fā)展的方向與目標[1]。但是從目前的使用情況來看，其發(fā)揮突出優(yōu)勢的同時，由于智能UUV的智能化水平不足，自主決策能力較差，在缺乏指揮人員直接參與作戰(zhàn)行動的情況下，多智能UUV系統(tǒng)雖然能進行路徑規(guī)劃、避障避碰、編隊航行等簡單智能行為，但是由于戰(zhàn)場態(tài)勢以及作戰(zhàn)規(guī)則的復雜多變，智能UUV很難迅速采取有針對性的措施，作戰(zhàn)靈活性較差，不足以實現(xiàn)自主作戰(zhàn)；且智能UUV通過自主學習進化的過程比較緩慢，無法快速適應瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境。

因此，雖然智能UUV具有諸多優(yōu)點和多種能力，其在UWNCW中的應用仍具有局限性。人工智能技術和智能指控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀還不能實現(xiàn)UUV的完全自主作戰(zhàn)指揮控制，智能UUV還不能完全代替有人航行器實現(xiàn)無人作戰(zhàn)，在當前和今后很長一段時間內(nèi)，只能是有人航行器的一個有效的補充。本文從兩方面闡述了潛艇與智能UUV結(jié)合對作戰(zhàn)系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢，分析了其復雜性，并對系統(tǒng)進行了關鍵技術及仿真應用研究。

1 系統(tǒng)分析

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)過程中，潛艇最主要的任務是作為指揮員的工作平臺，將人的決策引入戰(zhàn)場環(huán)境中，它的工作重心在于實現(xiàn)對智能UUV編隊的頂層指揮，而不是對其進行操縱控制，其主要功能如下：

1)態(tài)勢感知功能：通過自身傳感器以及智能UUV回傳的信息感知戰(zhàn)場環(huán)境，作出戰(zhàn)場態(tài)勢威脅評估；

2)輔助決策功能：通過對戰(zhàn)場態(tài)勢威脅信息以及自身條件等數(shù)據(jù)進行處理、融合與評估，進行決策，給出初步方案供指揮人員進行參考；

3)人機交互功能：提供人機顯示界面及操縱機構(gòu)，向指揮員顯示態(tài)勢圖像，提供輔助決策方案，為指揮員進行戰(zhàn)場態(tài)勢監(jiān)視和智能UUV指揮控制提供直觀信息；

4)通訊功能：發(fā)送命令給智能UUV、接收來自智能UUV的狀態(tài)信息，用于整個體系對抗條件下對潛艇與智能UUV編隊的指揮控制以及智能UUV探測信息的收發(fā)處理；

5)任務規(guī)劃管理：在戰(zhàn)略層高度上為智能UUV制定滿足任務要求和相關約束的任務計劃，或者接收智能UUV自主規(guī)劃結(jié)果進行評估，監(jiān)控任務計劃的執(zhí)行情況并對應急情況做出反應，在必要的時候?qū)θ蝿沼媱澾M行適當修改。

與多智能UUV系統(tǒng)相結(jié)合，增強了潛艇的戰(zhàn)場感知度和作戰(zhàn)環(huán)境透明度，提高了潛艇的作戰(zhàn)效能。從潛艇的角度看，與智能UUV結(jié)合對其作戰(zhàn)的影響包括[2-4]：

1)智能UUV可作為潛艇遠距離航行時的通信中繼站，從而提高潛艇的隱蔽性、增強其網(wǎng)絡通信能力；

2)多智能UUV系統(tǒng)可充當潛艇的水下遠程偵察預警系統(tǒng)，實現(xiàn)偵察監(jiān)視、威脅預警、目標指示，從而使?jié)撏Ъ皶r掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，爭取作戰(zhàn)主動權；

3)在作戰(zhàn)過程中，智能UUV可作為潛艇自衛(wèi)和進攻的手段，實現(xiàn)反水雷、跟蹤和攻擊敵潛艇、作誘餌將敵潛艇誘至埋伏區(qū)等危險任務，從而降低指揮人員的生命危險，提高潛艇的戰(zhàn)場生存率。

智能UUV在協(xié)同作戰(zhàn)過程中能實現(xiàn)如下功能：

1)對指定作戰(zhàn)區(qū)域進行地形勘測、情報獲取、目標偵察監(jiān)視和跟蹤，對敵方實施電子干擾等；

2)實現(xiàn)與潛艇、編隊內(nèi)其他智能UUV之間的通信，將所獲得的戰(zhàn)場情報、自身狀態(tài)、任務情況等傳送出去，接收指揮員的控制指令，與編隊內(nèi)其他智能UUV進行協(xié)同作戰(zhàn)；

3)進行路徑規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃結(jié)果生成最優(yōu)航跡，在航行過程中實現(xiàn)多智能UUV隊形控制、避障避碰，并能夠在出現(xiàn)突發(fā)威脅的情況下，對航跡進行快速修正；

4)實現(xiàn)對目標的攻擊任務，按照作戰(zhàn)計劃完成武器系統(tǒng)的管理與發(fā)射控制。

從智能UUV角度看，與潛艇結(jié)合形成潛艇與智能UUV編隊執(zhí)行作戰(zhàn)任務，帶來以下兩點優(yōu)勢：

1)在復雜作戰(zhàn)環(huán)境中，將人類決策引入到智能UUV編隊指揮控制系統(tǒng)中，充分發(fā)揮人類決策的優(yōu)勢，從更高的層次上對智能UUV編隊進行管理控制，彌補目前智能UUV智能性和自主水平較低的不足，使人的智慧與智能UUV自動控制技術的優(yōu)勢相結(jié)合，產(chǎn)生更佳的指控效果，增強作戰(zhàn)系統(tǒng)應對突發(fā)威脅的能力，更好地完成作戰(zhàn)任務；

2)人為干涉可以加快智能UUV學習的過程，完善智能UUV知識庫，為未來智能UUV完全自主作戰(zhàn)奠定基礎。

在UWNCW條件下，潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)具有作戰(zhàn)環(huán)境動態(tài)性強、參戰(zhàn)實體數(shù)量多、傳感器信息和通信信息不確定等特征，復雜性作為其本質(zhì)屬性之一，除了傳統(tǒng)的環(huán)境復雜性、信息復雜性、交互復雜性、任務復雜性、涌現(xiàn)性、自適應性、非平衡性等[5-6]，還存在：

1)指控結(jié)構(gòu)復雜性：從全局看，作戰(zhàn)雙方均具有層次型的指揮控制結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)會隨著戰(zhàn)局的發(fā)展而演化；單看我方系統(tǒng)的指揮控制功能，也是具有層次的，并不是由潛艇集中完成，而是在潛艇具有有限的中央控制權的前提下由潛艇和智能UUV協(xié)同完成，且存在協(xié)同過程中指控權的分配等問題，增加了系統(tǒng)的復雜性；

2)人的參與：潛艇與智能UUV編隊指揮控制系統(tǒng)是一個人機結(jié)合的智能系統(tǒng)，指揮人員的參與也增加了系統(tǒng)的復雜性。

潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)，將指揮員的智能與智能UUV的人工智能相結(jié)合，提高了智能UUV的作戰(zhàn)效果、擴展了潛艇的活動范圍并降低了指揮人員安全威脅，能夠充分發(fā)揮二者在作戰(zhàn)指揮控制領域的優(yōu)勢，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，還能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)

2.1 控制體系結(jié)構(gòu)分類

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中，控制體系結(jié)構(gòu)是存在于實體之間的信息和控制關系模式，是實體之間實現(xiàn)有效合作的基本元素之一[7]。各參戰(zhàn)實體根據(jù)控制關系嚴格地組織在一起，彼此進行交互，動態(tài)地調(diào)整自身的目標和行為，相互協(xié)同、相互服務以實現(xiàn)共同的目標。每個實體的行為都既體現(xiàn)了其自主性，也體現(xiàn)了編隊作戰(zhàn)的整體組織性。

根據(jù)系統(tǒng)中是否具有集中管理服務提供者以及各實體之間的相互控制關系，傳統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)主要有以下3種基本形式[8-10]：

2.1.1 集中式

該體系結(jié)構(gòu)的特點是存在唯一的中央控制結(jié)點負責對組內(nèi)所有實體的任務和資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理。系統(tǒng)中各智能UUV將傳感器探測到的信息和系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送給潛艇，經(jīng)過潛艇分析決策、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)送給各智能UUV執(zhí)行。在集中式體系結(jié)構(gòu)中，指揮控制功能集中在潛艇，智能UUV僅具有底層控制功能。如圖1所示。

圖1 集中式組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Centralized organization structure

在集中式組織模式下，潛艇具有極強的決策能力和權威，擁有相關聯(lián)的智能UUV成員以及環(huán)境的知識和信息，控制著全局數(shù)據(jù)的一致性，與其他智能UUV之間存在著一種主從關系，是組內(nèi)公共資源和行為的協(xié)調(diào)者。它負責確定智能UUV的全局目標，根據(jù)各智能UUV的能力以及其他相關的環(huán)境因素分解任務，并分配給各智能UUV成員。但是，組內(nèi)被管理的智能UUV成員并非完全受控，它們具有一定的自主權限和自主能力，在執(zhí)行任務過程中，智能UUV將對自身的行為進行規(guī)劃和控制。

集中式體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，中央集權度高，能夠從全局對問題進行求解和優(yōu)化，降低了系統(tǒng)的復雜性、減少了實體間由協(xié)商產(chǎn)生的通信開銷，且智能UUV之間的耦合度低，相互影響較小，便于故障隔離。但在實際作戰(zhàn)應用中存在以下不足：

1)智能UUV需要不斷將自身狀態(tài)與探測到的信息傳送給潛艇，對通信依賴性大,對通信帶寬要求高，而這在水下戰(zhàn)場環(huán)境中常常難以得到滿足；

2)智能UUV與潛艇之間的通信延遲，以及潛艇集中求解的計算復雜性，導致智能UUV難以實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢變化的快速反應；

3)所有的計算集中在唯一的中央結(jié)點，對中央控制單元的存儲和計算能力要求很高。如果系統(tǒng)中實體的數(shù)目比較多，或各實體的行為比較復雜，則很難得出一個全局最優(yōu)解；

4)作戰(zhàn)過程中智能UUV往往具有更精確的局部信息，但潛艇仍會將其基于粗略的全局信息所規(guī)劃出的計劃強制下發(fā)；

5)系統(tǒng)缺乏魯棒性，潛艇是整個系統(tǒng)的瓶頸，如果該結(jié)點出現(xiàn)故障、受到干擾或遭到損毀，將導致整個系統(tǒng)陷于癱瘓。同時某一智能UUV失效或者發(fā)現(xiàn)新的任務目標，在原有基礎上的再分配也是相當復雜的。

因此集中式的方法主要適用于系統(tǒng)規(guī)模不大、外圍節(jié)點較少，系統(tǒng)環(huán)境相對明確的環(huán)境，或在動態(tài)、開放的環(huán)境下進行作戰(zhàn)任務預先規(guī)劃，以及當戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)生重大變化時在較粗的時間粒度和控制粒度上對任務進行全局性調(diào)整。

2.1.2 分布式

這種組織結(jié)構(gòu)的特點是采用各成員自治和協(xié)作的方法來解決全局控制問題，所有成員都是獨立自治的，不存在相互管理和控制關系。將任務分解為能夠由系統(tǒng)中各個結(jié)點解決的子任務，然后由各結(jié)點進行聯(lián)合求解。如圖2所示。

圖2 分散式UUV組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Distributed organization structure

各實體由局部通信網(wǎng)絡互相聯(lián)結(jié)，在可能的社會規(guī)則和共享資源管理策略的基礎上，通過彼此的相互作用和對所處環(huán)境的感知，運用其自身的知識進行合理地判斷、推理、自主決策來實現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制和全局決策的制定。智能UUV具有充分的自治權，在大部分時間里按照自己的任務目標和控制策略自主控制，只在必要的時候通過信息交換與相互協(xié)商實現(xiàn)任務分配和任務協(xié)調(diào)，系統(tǒng)可擴展性強，可以充分發(fā)揮各智能UUV的自治能力。

與集中式體系結(jié)構(gòu)相比，分布式體系結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

1)智能UUV能夠快速訪問傳感器獲取的環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息，通過自主決策與控制實現(xiàn)對局部態(tài)勢變化的快速反應，實時性強；

2)充分發(fā)揮智能UUV的自治能力，每個智能UUV的計算量與計算的復雜度小，無需具備復雜的計算能力；

3)系統(tǒng)具有更強的魯棒性，任何一個結(jié)點出現(xiàn)故障或功能喪失，都不會對系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生太大的影響，抗干擾能力強，且系統(tǒng)可擴展性強。

然而，分布式結(jié)構(gòu)具有以下不足：通信頻繁、通信量比較大，且將隨著系統(tǒng)內(nèi)智能UUV的數(shù)量呈指數(shù)增長；對智能UUV的自適應能力要求比較高，各智能UUV之間耦合度升高，系統(tǒng)的控制算法復雜度增加；缺乏對分散的數(shù)據(jù)和資源有效的分配和管理，容易發(fā)生沖突。因此，該組織結(jié)構(gòu)適用于智能UUV具有一定處理能力、通信基礎設施和技術容易實現(xiàn)的系統(tǒng)。

2.1.3 集散式

集中式結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期的發(fā)展積累了大量的研究成果，其中很多方法具有較好的規(guī)劃效果，然而分布式結(jié)構(gòu)才是未來智能UUV編隊指揮控制的發(fā)展方向。但是，分布式結(jié)構(gòu)要求智能UUV具有較高的智能性，而現(xiàn)階段智能UUV在態(tài)勢評估、任務決策等方面的智能水平和指揮員還相去甚遠，人依然是指揮決策中的關鍵因素。

通過比較集中式和分布式兩種方法可知，分布式方法實時性較強，能快速對任務信息進行采集和分析，得到解決任務分配問題的具體方案，但得到的方案往往不是全局最優(yōu)的；而集中式方法恰恰相反，實時性相對較差，但是由于所有信息都要返回中央節(jié)點進行匯總，所以能進行全面而詳細的規(guī)劃，獲得的方案一般都是全局最優(yōu)方案。在許多情況下，分布式結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于集中式結(jié)構(gòu)，但是當智能UUV執(zhí)行約束性強的任務時，集中式結(jié)構(gòu)往往具有更好的性能。將兩種方法進行整合，得到了集散式方法，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 集散式Agent組Fig.3 Collected-distributed organization structure

在集散式體系結(jié)構(gòu)中，由智能UUV構(gòu)成分布式體系結(jié)構(gòu)，再通過潛艇與各智能UUV之間建立集中式結(jié)構(gòu)。潛艇實時監(jiān)控各智能UUV，對智能UUV返回的信息進行歸納和分析，可以隨時對智能UUV發(fā)布指令，進行操控，在沒有接收到指令情況下，智能UUV在分布式體系結(jié)構(gòu)下工作。這樣既提高了實時性，又大大減小了潛艇的任務量，得到的任務分配方案也是相對合理的。

然而，雖然集散式體系結(jié)構(gòu)采納了集中式和分布式體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，但其并沒有完全摒除以上兩種體系的不足之處，如各智能UUV之間的通信量并沒有減少，反而增加了，所以此體系結(jié)構(gòu)并沒有將上述兩種體系結(jié)構(gòu)有機的結(jié)合起來，只是簡單的進行了融合。

2.2 軍階標識的有限中央控制層級組織結(jié)構(gòu)

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)條件下，每個實體都具有獨立的作戰(zhàn)能力。各實體之間針對不同的作戰(zhàn)任務，其裝載的設備、彈藥都有可能不同，因此是一個異構(gòu)系統(tǒng)，各實體需要通過協(xié)作才能完成復雜的作戰(zhàn)任務。

潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)具有一個重要特點，就是層次性：

1)戰(zhàn)場指揮控制關系具有層次性，要求系統(tǒng)形成層次關系，上一層次的作戰(zhàn)實體對下一層次受控作戰(zhàn)實體擁有部分的控制能力，上級實體可以統(tǒng)籌規(guī)劃、調(diào)度下級實體，從而高效地完成集群任務，例如編隊航路規(guī)劃、協(xié)同攻擊等；同時下級實體之間通過局部協(xié)作，可以完成上級委派的任務，或者通過自主行為應對突發(fā)情況，例如避障等；當局部的合作完成不了任務時，下級實體還可通過上級實體向其他實體發(fā)出協(xié)作請求，共同完成任務，例如圍捕等攻擊行為或者戰(zhàn)場環(huán)境信息收集等。

2)作戰(zhàn)任務也具有層次性，一個總體任務可以層層劃分為子任務，直至可直接執(zhí)行的任務為止。例如協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)作出對潛攻擊決策，這就是系統(tǒng)的總體任務，該任務可劃分為對潛觀察和對潛攻擊等子任務，其中對潛觀察子任務又可劃分為對潛搜索、對潛跟蹤、接敵機動等子子任務，類似的子子任務還可以繼續(xù)劃分，直至劃分為可以直接執(zhí)行的原任務。

而且，由于水下特殊的通信環(huán)境，實體間直接通信的距離不宜過長，通信負載不宜過大，編隊比較適合采用分層式通信結(jié)構(gòu)。

另外，在編隊協(xié)同作戰(zhàn)過程中，系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)具有一定的動態(tài)性和開放性。在系統(tǒng)運行過程中，實體隨著自身狀態(tài)的變化會動態(tài)地退出或加入系統(tǒng)，且各成員之間的關系也可能隨著運行時任務或環(huán)境的變化而發(fā)生改變，從而促使組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。所以需要采取措施保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過上述分析，可以得出潛艇與智能UUV人機協(xié)同系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)需要具有自主性、協(xié)作性、層次性和穩(wěn)定性等特征。針對這些特征，結(jié)合目前UUV智能技術發(fā)展水平，為了充分發(fā)揮潛艇指揮員的全局指揮決策能力和智能UUV的自治性，提高系統(tǒng)對戰(zhàn)場態(tài)勢變化的反應能力，增強系統(tǒng)的容錯性和魯棒性，減少系統(tǒng)通信量，更自然、真實地模擬作戰(zhàn)的過程，本文對集散式結(jié)構(gòu)進行改進，提出一種通過軍階進行標識的有限中央控制下的層級分布式結(jié)構(gòu)來描述潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。

設有n枚智能UUV，將它們盡可能平均地分成i組，每一組成員之間構(gòu)成分布式組織結(jié)構(gòu)。從每組成員中隨機選取一枚智能UUV作為該組的組長，各組長之間又構(gòu)成分布式組織結(jié)構(gòu)。作戰(zhàn)開始時，首先由潛艇通過預分配為智能UUV編隊分配一個初始的作戰(zhàn)任務，當戰(zhàn)場態(tài)勢發(fā)生變化時，最高級別智能UUV與潛艇進行決策分配，各小組中的智能UUV互相通信進行協(xié)同決策，從而對局部態(tài)勢做出迅速的反應。

以潛艇攜帶13個智能UUV為例，形成一個3層作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中士兵級9個，班長級智能UUV 3個，排長級智能UUV 1個，根據(jù)以上設想，建立如圖4所示的有限中央控制下的層級分布式結(jié)構(gòu)。將士兵級智能UUV分為3組，小組內(nèi)成員之間可以任意交互，呈分布式組織結(jié)構(gòu)，通過上一級的班長進行有限中央控制；小組之間通過班長進行交互形成高一層次的分布式組織結(jié)構(gòu)，再通過排長進行有限中央控制，最終由潛艇進行集中控制。

圖4 有限中央控制的層級分布式組織結(jié)構(gòu)Fig.4 Limited central control hierarchical organization structure

在有限中央控制的層級網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu)中，潛艇根據(jù)作戰(zhàn)目標預先規(guī)劃制定智能UUV編隊的初始作戰(zhàn)任務，在任務執(zhí)行過程中潛艇只對智能UUV編隊進行高層次的指揮控制，負責做出全局決策。而智能UUV編隊的戰(zhàn)術級指揮控制主要由最高級別的排長級別智能UUV完成，根據(jù)編隊的作戰(zhàn)任務、成員狀態(tài)信息和戰(zhàn)場態(tài)勢信息，進行局部決策。小組內(nèi)智能UUV通過傳感器實時獲取、融合后獲得戰(zhàn)場態(tài)勢，采用分布式組織結(jié)構(gòu)協(xié)同完成任務，并將戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)發(fā)送給最高級智能UUV. 在整個作戰(zhàn)過程中，潛艇指揮員始終監(jiān)視智能UUV編隊執(zhí)行任務的情況并保留隨時干預的權利，但潛艇只是在必要的時候向智能UUV發(fā)布指控命令，因此其工作負荷大為減輕，使一艘潛艇控制多枚智能UUV執(zhí)行任務成為可能。

在完成任務過程中，智能UUV由于毀傷等因素會造成組織結(jié)構(gòu)的變化，智能UUV之間的合作方式以及動態(tài)組織結(jié)構(gòu)重組過程如圖5所示。

圖5 智能UUV組織重構(gòu)過程Fig.5 Restructuring procedure of intelligent UUV organization

該組織結(jié)構(gòu)通過建立層次使實體之間的分工更明確，簡化了對智能UUV的管理和協(xié)調(diào)策略，且智能UUV小組間的信息處理過程對外屏蔽，上層不必關心下層的執(zhí)行細節(jié)，簡化了信息流，降低通信量、提高通信效率，可以有效解決智能UUV數(shù)目大帶來的通信量劇增問題。

3 潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)決策問題

3.1 潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)決策分配

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)的過程中，系統(tǒng)作戰(zhàn)決策不僅可以由潛艇或者智能UUV單獨作出，還可以由潛艇與智能UUV協(xié)同給出。

為了充分發(fā)揮潛艇與智能UUV的優(yōu)勢，需要將決策功能進行分配。

確定決策分配等級的過程分為兩個大的部分，首先通過潛艇與智能UUV的優(yōu)勢評判比較得到可能度，從而確定自動化等級范圍；其次對在范圍內(nèi)的多個等級進行多屬性決策排優(yōu)，得到的最優(yōu)等級就是決策分配的等級。

潛艇與智能UUV之間的優(yōu)勢綜合評估主要是人的智能與UUV的人工智能之間的能力優(yōu)勢的比較，二者的優(yōu)勢集合如表1所示[11]。

表1 潛艇與智能UUV能力優(yōu)勢集合

自動化等級化分的方法采用文獻[12]中Parasuraman等提出的自動化等級劃分原則，如表2所示。

表2 自動化等級

具體步驟及方法介紹如下：

1)采用5級標度法，根據(jù)表1的優(yōu)勢集合，由專家分別給出潛艇和智能UUV優(yōu)勢的重要性比值，進而得到權重ws、wUUV；

2)由專家給出每個優(yōu)勢對決策的影響程度，并分別對潛艇和智能UUV的優(yōu)勢進行綜合評估；

3)計算評估結(jié)果之間的可能度，根據(jù)規(guī)則[11]確定決策功能決策分配等級范圍；

4)對等級范圍內(nèi)的數(shù)個方案進行多屬性決策，最終確定決策分配等級。

在對等級范圍內(nèi)方案進行決策的過程中，文獻[11]使用不確定性語言型多屬性決策方法，將所有指標都看做語言值，通過多個專家分別對各個方案的指標作出語言評估，只考慮了自然語言描述的定性指標，具有很強的主觀性。

在實際評估過程中，存在如系統(tǒng)費用等可以用實數(shù)或區(qū)間數(shù)衡量的定性指標，為了降低評估的主觀性，可以直接采用實際數(shù)據(jù)進行評估。針對原方法無法對定性和定量指標直接進行分析評估，需要對所有指標進行專家評估，主觀性強的缺點，采用一種混合信息的多屬性決策方法，將實數(shù)型和不確定型語言屬性轉(zhuǎn)化為區(qū)間型，從而將混合屬性統(tǒng)一到區(qū)間屬性值框架下，將問題轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)多屬性決策問題進行求解。

當aL=aU時區(qū)間數(shù)退化為實數(shù)，即實數(shù)為區(qū)間數(shù)的特例，所以實數(shù)r轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)為

r=[r,r],

(1)

設不確定語言E={ei|i∈{0,1,…,(L/2)-1,L/2,(L/2)+1,…,L}}，其中ei為第i個有序語言標簽，L+1為標簽個數(shù)，L一般為偶數(shù)，則E轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)[13]為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 智能UUV決策及UUV群決策問題

為了適應潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)，以混合Agent體系結(jié)構(gòu)為基礎，設計了智能UUV的組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能UUV組織結(jié)構(gòu)Fig.6 Intelligent UUV organization structure

傳感器用于感知外部環(huán)境狀態(tài)的變化，并將執(zhí)行效果反饋至學習模塊處理；將環(huán)境狀態(tài)信息通過自信度判斷器進行選擇，以決定下一步是由UUV決策模塊產(chǎn)生行為驅(qū)動指令還是請求群體協(xié)作。

影響自信度Conf(M)的因素有環(huán)境狀態(tài)更新程度、任務評估、是否曾執(zhí)行過該種任務或類似的任務等：

Conf(M)=UpState(T)×Sim×
Est(UUVState(B,W),Threat),

(7)

其中：

1)UpState(T)為環(huán)境狀態(tài)更新函數(shù)。如果智能UUV在當前的仿真周期中更新了環(huán)境信息，則取值1，否則將在現(xiàn)在的值基礎上減少k，可以表述為

UpState(T)∈[0,1]∧(PT∨PF)，
PT:Update(T)=True→UpState(T)=1，
PF:Update(T)=False→UpState(T)=
UpState(T)-k,

(8)

式中：Update(T)∈[True,False]表示UUV在當前仿真周期內(nèi)是否更新了環(huán)境信息；k表示自信度維持因子，受智能UUV自身能力影響(如探測范圍等)，智能UUV能力越大，環(huán)境信息更新對其影響越小，則k取值越小。

2)Sim∈[0,1]表示曾經(jīng)完成的任務與此次任務的相似程度，1為完成過同樣的任務，0為完成過的任務與本次任務毫無相似點。

3)Est(UUVState(B,W),Threat)∈[0,1]，表示對完成當前任務的難易程度的評估，值越接近1表示越容易完成。其中：UUVState(B,W)表示UUV當前仿真周期內(nèi)的狀態(tài)，B為自身狀態(tài)，如正常、故障、毀傷；W為武器系統(tǒng)的狀態(tài)，涉及攜帶武器的射程、毀傷力等；Threat表示對敵方的威脅度評估。

如果自信度函數(shù)值高于閾值Thr，意味著UUV有精確的環(huán)境狀態(tài)信息，動作執(zhí)行的成功率也較高，則UUV可以直接作出決策，自己完成任務；如果自信度低于閾值，則通過群協(xié)作模塊采用合同網(wǎng)機制請求其他智能UUV協(xié)作完成任務；由于戰(zhàn)場環(huán)境的動態(tài)性，智能UUV自主決策是有時間限制的，超過時限則判定自主決策失敗，智能UUV尋求協(xié)作。其中閾值Thr的大小與UUV的謹慎程度有關，越謹慎的UUV閾值越低。

智能UUV之間還能通過學習交流經(jīng)驗，并通過更新數(shù)據(jù)庫記錄學到的知識，再次遇到相同情況就可以自主決策完成任務。

如果決策權分配給潛艇，潛艇可以通過通信模塊直接將指控命令傳遞給智能UUV.

4 仿真應用及分析

以潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)防潛對抗為應用實例，進行了仿真運行。

潛艇作為仿真中的主要實體，其人機界面由兩部分組成，如圖7、圖8所示。

圖7 潛艇態(tài)勢視圖界面Fig.7 Submarine situation interface

圖8 潛艇決策視圖界面Fig.8 Submarine decision-making interface

態(tài)勢界面：如圖7所示，右側(cè)顯示各傳感器探測結(jié)果及數(shù)據(jù)融合結(jié)果動態(tài)數(shù)據(jù)，融合結(jié)果以圖標方式在左側(cè)的傳感器全局態(tài)勢圖中直觀反映出來。

決策界面：如圖8所示，為各指控命令的發(fā)布操作界面，左上側(cè)列表框內(nèi)動態(tài)顯示探測到的目標，其具體的信息可以在相鄰的信息欄中顯示；右上側(cè)表格中顯示我方潛艇的運動信息及武器裝備情況，以供決策時參考。

潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)將人的智慧、經(jīng)驗與綜合判斷能力和智能UUV的人工智能算法相結(jié)合，充分利用人的智慧和經(jīng)驗彌補智能算法的不足，以突發(fā)情況下智能UUV路徑規(guī)劃為例進行仿真，系統(tǒng)仿真過程中的決策流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)決策流程圖Fig.9 Flowchart of system decision-making process

仿真開始由潛艇根據(jù)態(tài)勢及任務對系統(tǒng)航行路徑進行全局規(guī)劃。在航行過程中發(fā)生突發(fā)威脅情況，根據(jù)系統(tǒng)與威脅范圍的關系，通過決策分配實現(xiàn)潛艇與智能UUV路徑規(guī)劃問題的快速求解，重規(guī)劃出滿足系統(tǒng)航行要求的航跡。仿真過程分為以下兩種情況：

1)系統(tǒng)不在突發(fā)威脅覆蓋范圍內(nèi)，但是預規(guī)劃航跡在。此時，通過對綜合態(tài)勢與威脅程度進行評估，決策分配等級為1，即由潛艇完成所有決策，操縱智能UUV完成任務，系統(tǒng)運行軌跡如圖10所示。智能UUV獲得的目標信息通過數(shù)據(jù)鏈能及時傳給潛艇，潛艇具有更好的戰(zhàn)場態(tài)勢感知度，能快速對綜合態(tài)勢與威脅程度進行評估、決策，幫助智能UUV重規(guī)劃航跡、規(guī)避威脅。

圖10 系統(tǒng)不在威脅范圍仿真軌跡圖Fig.10 Simulation trajectory chart when system is not in threat area

2)系統(tǒng)已經(jīng)接近威脅覆蓋范圍。通過決策分配，結(jié)果為7，即智能UUV自動執(zhí)行，僅在必要時通知潛艇，系統(tǒng)運行軌跡如圖11所示。此時，如果智能UUV自信度高于閾值，則迅速啟動應急程序，根據(jù)態(tài)勢信息快速進行局部路徑規(guī)劃，如果低于閾值，則通過群協(xié)作實現(xiàn)局部路徑重規(guī)劃。在規(guī)避威脅后再與潛艇聯(lián)系，避免了等待潛艇規(guī)劃路徑的延遲等造成反應不及時。

圖11 系統(tǒng)接近威脅范圍仿真軌跡圖Fig.11 Simulation trajectory chart when system is near the threat area

系統(tǒng)不在突發(fā)威脅覆蓋范圍內(nèi)，且預規(guī)劃航跡也不在，則按預規(guī)劃航跡繼續(xù)航行。仿真結(jié)果表明潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)能夠有效地實現(xiàn)避障、地形跟隨、威脅回避，并能躲避突發(fā)威脅。

5 結(jié)論

為了適應智能UUV智能性不足的現(xiàn)狀，作為未來無人UWNCW的過渡模式，將人的智慧引入智能UUV編隊作戰(zhàn)系統(tǒng)，根據(jù)潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的特征提出一種能夠適應其層次性以及動態(tài)性的組織結(jié)構(gòu)；引入人的智能，又要充分發(fā)揮UUV的智能，就需要判斷潛艇與智能UUV之間如何決策，研究了系統(tǒng)決策分配模型并給出了分配步驟并進行改進；最后通過對系統(tǒng)遇到突發(fā)威脅情況下航跡規(guī)劃過程進行仿真，驗證了系統(tǒng)算法的有效性。研究結(jié)果對有人機與無人機相結(jié)合這種新興的作戰(zhàn)模式研究奠定了基礎。

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Research on Control and Decision-making of Submarine and Intelligent UUV Cooperative System

WANG Sheng-jie1,2， KANG Feng-ju1,2， HAN Hong1,2

(1.School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China;2.State Key Laboratory of Underwater Information and Control, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China)

The unmanned battle is a development tendency of the future war, but the intelligent level of unmanned underwater vehicle (UUV) is limited, thus leading to the limitation in the application of UUV formation in the underwater network centric warfare. For the above-mentioned issue, human intelligent is introduced into the intelligent UUV formation to form a cooperative-combat system combining submarine and intelligent UUV, and the advantages and complexity of the system are analyzed. The key technologies of organization structure and decision-making of the system are researched. And finally, the system is simulated to test and verify its effectiveness. The simulation of path planning in the presence of emerging threat is carried out, and the result indicates that the submarine and intelligent UUVs cooperative system is able to realize obstacle avoidance and threat avoidance effectively,and the system’s emergency response capability is improved.

ordnance science and technology; submarine; intelligent UUV; cooperation; decision-making

2016-05-19

王圣潔(1985—)， 女， 博士研究生。 E-mail： xxm1960@126.com

康鳳舉(1947—), 男, 教授, 博士生導師。 E-mail: kangfengju@nwpu.edu.cn

N945.13

A

1000-1093(2017)02-0335-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.018