未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程智能化關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：空戰(zhàn)過(guò)程智能化是實(shí)現(xiàn)未來(lái)空戰(zhàn)的關(guān)鍵途徑，通過(guò)對(duì)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究的介紹與梳理，根據(jù)“觀察-判斷-決策-行動(dòng)”空戰(zhàn)環(huán)節(jié)特性，分析了未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程智能化技術(shù)研究思路，重點(diǎn)對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)空戰(zhàn)過(guò)程智能化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程;智能化;無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī);觀察-判斷-決策-行動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ760;V271.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2019）01-0011-09[SQ0]

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，軍事裝備必將朝著無(wú)人化和智能化方向發(fā)展[1]。無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（UnmannedCombatAerialVehicle，UCAV）作為未來(lái)空戰(zhàn)的重要角色，實(shí)現(xiàn)其空戰(zhàn)過(guò)程智能化是當(dāng)前各軍事強(qiáng)國(guó)研究的關(guān)鍵方向。對(duì)于目前空戰(zhàn)裝備而言，有人機(jī)的空戰(zhàn)過(guò)程智能化主要體現(xiàn)在飛行員空戰(zhàn)決策輔助系統(tǒng)的智能化，而無(wú)人機(jī)的空戰(zhàn)過(guò)程智能化將是集探測(cè)、識(shí)別、跟蹤、決策和作戰(zhàn)功能為一體的系統(tǒng)智能化[2]。

空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)決策是空戰(zhàn)過(guò)程中的關(guān)鍵核心[3]。對(duì)于有人機(jī)，智能化的空戰(zhàn)輔助決策系統(tǒng)可以利用人工智能技術(shù)分擔(dān)一些飛行員的工作，比如自動(dòng)進(jìn)行超視距識(shí)別、傳感器管理、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)判斷、戰(zhàn)術(shù)決策和飛行控制等。美軍的“飛行員助手”——戰(zhàn)術(shù)輔助決策系統(tǒng)（TacticsAssistantSystem，TA）[4]通過(guò)向飛行員提供周?chē)鷳?zhàn)術(shù)環(huán)境信息，幫助飛行員在瞬間作出關(guān)鍵性決策響應(yīng)。該輔助系統(tǒng)具有模仿人類(lèi)的思維、判斷和決策等能力，能替代或部分替代飛行員工作，大大減輕了飛行員的工作負(fù)擔(dān)。

對(duì)于無(wú)人機(jī)，UCAV進(jìn)入作戰(zhàn)空域并獲得授權(quán)后，獨(dú)立完成目標(biāo)數(shù)據(jù)處理與融合、態(tài)勢(shì)評(píng)估、威脅估計(jì)、攻擊/規(guī)避/干擾決策、武器-目標(biāo)分配、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)、進(jìn)入攻擊區(qū)、發(fā)射武器及作戰(zhàn)模式[5]。在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)推動(dòng)下，基于人工智能的“虛擬飛行員”技術(shù)成為推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)UCAV空戰(zhàn)過(guò)程智能化的有效途徑。

本文圍繞當(dāng)前的自主空戰(zhàn)過(guò)程，介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀;同時(shí)圍繞空戰(zhàn)“觀察-判斷-決策-行動(dòng)”過(guò)程，分析了未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程智能化技術(shù)研究思路;圍繞空戰(zhàn)過(guò)程智能化，對(duì)五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即智能感知、態(tài)勢(shì)評(píng)估與目標(biāo)意圖識(shí)別、智能協(xié)同、自主空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策以及機(jī)動(dòng)軌跡生成進(jìn)行綜述。

1自主空戰(zhàn)過(guò)程的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

未來(lái)智能化的空戰(zhàn)過(guò)程既要求有人機(jī)的飛行員空戰(zhàn)決策助手要智能化，也要求無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)自主空戰(zhàn)的智能化。當(dāng)前，國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)結(jié)合現(xiàn)役裝備發(fā)展了一系列空戰(zhàn)輔助系統(tǒng)。美國(guó)DARPA研究的“飛行員助手”通過(guò)向飛行員提供周?chē)鷳?zhàn)術(shù)環(huán)境信息，幫助飛行員在瞬時(shí)作出關(guān)鍵性決策響應(yīng)。該系統(tǒng)最終應(yīng)用到F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)上，并在識(shí)別、態(tài)勢(shì)評(píng)估、戰(zhàn)術(shù)決策和飛行控制等方面充當(dāng)“操縱者”的角色。俄羅斯針對(duì)T-50戰(zhàn)斗機(jī)研究了機(jī)載智能輔助系統(tǒng)，這種輔助系統(tǒng)是基于人工智能技術(shù)構(gòu)建、由機(jī)載計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的混合系統(tǒng)。世界其他一些國(guó)家也對(duì)空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)輔助決策手段進(jìn)行了相關(guān)研究，包括：英國(guó)的“飛行管理助手”，德國(guó)的“飛行員IFR輔助操作系統(tǒng)”，以及法國(guó)的“智能座艙環(huán)境”研究計(jì)劃。國(guó)內(nèi)對(duì)空戰(zhàn)輔助決策手段的研究起步較晚，主要從飛行控制、預(yù)測(cè)顯示、協(xié)同空戰(zhàn)決策、多傳感器管理等方面進(jìn)行探討與研究。

目前，UCAV的空戰(zhàn)過(guò)程智能化技術(shù)研究已經(jīng)是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的熱門(mén)課題。由于無(wú)人機(jī)能承受的過(guò)載大以及未來(lái)空戰(zhàn)的復(fù)雜度高，利用人工智能等技術(shù)賦予無(wú)人機(jī)相當(dāng)程度的自主決策權(quán)限，實(shí)現(xiàn)UCAV空戰(zhàn)過(guò)程智能化。為了追求人員零傷亡目標(biāo)，美軍認(rèn)為“非接觸”作戰(zhàn)是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的主要作戰(zhàn)方式，UCAV作為無(wú)人作戰(zhàn)飛行器，是“非接觸”作戰(zhàn)裝備的典型代表[6]。同時(shí)，美軍在《美國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展路線圖2005-2030》中指出，無(wú)人機(jī)的最終發(fā)展目標(biāo)是：完全計(jì)算機(jī)自主化[7]。2016年6月，人工智能ALPHA在空戰(zhàn)模擬實(shí)驗(yàn)室中以100%的概率戰(zhàn)勝了空戰(zhàn)專(zhuān)家、美軍退役上校GeneLee[8]，如圖1所示。ALPHA采用的是遺傳模糊樹(shù)（GeneticFuzzyTrees）的方法，反應(yīng)時(shí)間不到2ms，且訓(xùn)練條件極低，一個(gè)消費(fèi)級(jí)的電腦就能滿足要求。這次空戰(zhàn)模擬對(duì)抗實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著無(wú)人智能空戰(zhàn)已發(fā)展進(jìn)入了新的階段。2017年1月，美國(guó)海軍三架F/A-18F“大黃蜂”投放了104架微型無(wú)人機(jī)（Perdix），展示其無(wú)人機(jī)“蜂群”作戰(zhàn)能力。無(wú)人機(jī)“蜂群”作戰(zhàn)的核心就是以量取勝，以“飽和攻擊”的方式對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊[9]。無(wú)人機(jī)“蜂群”作戰(zhàn)適合于防御能力較弱且低速或靜止的目標(biāo)，是未來(lái)無(wú)人機(jī)智能作戰(zhàn)的一種重要模式。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室在2018年3月發(fā)布了其面向2030年的未來(lái)空戰(zhàn)概念設(shè)想視頻。在這個(gè)視頻中，不乏有激光定向武器、微波武器、第六代戰(zhàn)斗機(jī)等為人熟知的概念，還有新提出的“忠誠(chéng)僚機(jī)”（LoyalWingman）概念[10]。在“忠誠(chéng)僚機(jī)”概念設(shè)想中，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)（作為長(zhǎng)機(jī)）能夠控制多架無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（作為僚機(jī)）進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，如圖2所示。

2未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程智能化的技術(shù)思路

美國(guó)空軍上尉邁克爾·伯恩斯在《空天力量》中撰文描述到：“具有戰(zhàn)術(shù)自主能力的無(wú)人作戰(zhàn)飛行器，暫且稱之為FQ-X，采用OODA環(huán)、高機(jī)動(dòng)能力的構(gòu)型以及納秒級(jí)的超快速運(yùn)算能力和對(duì)任務(wù)經(jīng)驗(yàn)的自主學(xué)習(xí)能力，將形成無(wú)與倫比的殺傷力，對(duì)未來(lái)空對(duì)空作戰(zhàn)帶來(lái)顛覆性的影響?！逼渲校琔CAV的OODA是指空戰(zhàn)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過(guò)程中的觀測(cè)（Observe）、判斷（Orient）、決策（Decide）、行動(dòng)（Action）等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如圖3所示。

在未來(lái)空戰(zhàn)中，智能化將貫穿于空戰(zhàn)OODA全過(guò)程。首先，UCAV的智能觀測(cè)技術(shù)通過(guò)智能傳感器告訴UCAV在哪里以及將和誰(shuí)對(duì)抗，其本質(zhì)就是空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)感知。未來(lái)空戰(zhàn)必定處于陸、海、空、天、電、磁、網(wǎng)一體化的復(fù)雜空間中，而智能無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)是體系作戰(zhàn)力量中的一環(huán)，是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)將緊耦合在復(fù)雜的超級(jí)物聯(lián)網(wǎng)中，基于“超級(jí)物聯(lián)”和“云計(jì)算”實(shí)現(xiàn)體系作戰(zhàn)效能的最大化。智能感知是UCAV對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境全信息域的感知能力的智能化表現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、任務(wù)感測(cè)的基礎(chǔ)。智能感知系統(tǒng)要求感知系統(tǒng)在信息復(fù)雜、高度對(duì)抗、任務(wù)多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，通過(guò)有限信息感知來(lái)推斷態(tài)勢(shì)，并評(píng)估敵方作戰(zhàn)意圖。

然后，UCAV判斷智能化技術(shù)將給出敵方的意圖、威脅程度以及本機(jī)的勝算程度，這一過(guò)程也就是威脅評(píng)估的智能化。判斷目標(biāo)機(jī)的意圖是一個(gè)層層推理的動(dòng)態(tài)過(guò)程。首先需要從大量的信息源中提取對(duì)己方?jīng)Q策有用的事件，然后將每個(gè)事件映射到相應(yīng)的任務(wù)上，再綜合各個(gè)事件的任務(wù)進(jìn)行推理獲得目標(biāo)的計(jì)劃安排，對(duì)目標(biāo)的意圖進(jìn)行識(shí)別。在目標(biāo)意圖識(shí)別之后，UCAV判斷智能系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的信息情況，對(duì)己方的勝算進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)也要評(píng)估敵方的威脅等級(jí)，這一過(guò)程就是UCAV作戰(zhàn)系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)評(píng)估。

其次，空戰(zhàn)決策智能化對(duì)于UCAV來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。空戰(zhàn)決策智能化技術(shù)包括作戰(zhàn)規(guī)劃與戰(zhàn)術(shù)決策的智能化。一般來(lái)說(shuō)，作戰(zhàn)規(guī)劃給出UCAV到哪里去、和誰(shuí)去以及要做什么，其次，戰(zhàn)術(shù)決策主要表現(xiàn)在誰(shuí)打誰(shuí)、先打誰(shuí)、用什么武器打以及怎么打。在作戰(zhàn)規(guī)劃中，未來(lái)的UCAV作戰(zhàn)系統(tǒng)必須具備更加全面的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境感知能力，在對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)智能認(rèn)知的基礎(chǔ)上確定自己的占位;由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜與多變，單個(gè)UCAV將不滿足作戰(zhàn)要求，多無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)、有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)、無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)的智能化將是智能協(xié)同的具體體現(xiàn);UCAV進(jìn)入作戰(zhàn)空域并獲得授權(quán)后，必須具備精確導(dǎo)航定位、復(fù)雜動(dòng)作控制、遠(yuǎn)程精確打擊、智能規(guī)劃與決策等作戰(zhàn)任務(wù)自主化能力，而智能化技術(shù)正是將UCAV從自動(dòng)化推向自主化的動(dòng)力源。在戰(zhàn)術(shù)決策中，對(duì)于多機(jī)對(duì)多機(jī)，首先要對(duì)協(xié)同目標(biāo)分配進(jìn)行智能化，然后根據(jù)機(jī)載武器系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)行多目標(biāo)攻擊;武器決定戰(zhàn)法，不同的武器，空戰(zhàn)模式不一樣，導(dǎo)致了UCAV功能不一樣以及自主空戰(zhàn)等級(jí)的不一樣，如表1所示;最后，自主空戰(zhàn)決策智能化必須要解決三個(gè)基本性問(wèn)題：如何構(gòu)建學(xué)習(xí)機(jī)制、如何進(jìn)行思維決策、如何實(shí)現(xiàn)行為控制。

最后，UCAV的行動(dòng)智能化技術(shù)將告訴我們?cè)谀睦锎颉⒑螘r(shí)打以及打后做什么工作。不同的武器有不同的作戰(zhàn)模式。比如近距空空導(dǎo)彈，到目前為止，第四代近距空空導(dǎo)彈擁有大離軸角、大過(guò)載，全向攻擊目標(biāo)，并能打擊目標(biāo)要害部位，抗干擾性能較好等優(yōu)勢(shì)，使UCAV機(jī)動(dòng)占位，并到達(dá)攻擊區(qū)發(fā)射導(dǎo)彈。UCAV作戰(zhàn)系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)彈的可攻擊區(qū)與導(dǎo)彈類(lèi)型，可發(fā)射后不管（紅外制導(dǎo)近距格斗空空導(dǎo)彈），也可跟蹤目標(biāo)，直到將導(dǎo)彈引導(dǎo)至目標(biāo)（雷達(dá)制導(dǎo)中距空空導(dǎo)彈，如圖4

所示）。當(dāng)完成對(duì)目標(biāo)的攻擊后，UCAV還需要進(jìn)行評(píng)估工作，其中包括UCAV打得怎么樣、怎么規(guī)避威脅以及怎么退出戰(zhàn)場(chǎng)。毀傷評(píng)估是目前無(wú)人機(jī)自主作戰(zhàn)的一大難題，通過(guò)是否打中、是否毀傷、是否補(bǔ)彈來(lái)進(jìn)行接下來(lái)的作戰(zhàn)樣式;在空戰(zhàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)對(duì)空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的變化做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“進(jìn)攻-規(guī)避”角色的智能切換，保持我機(jī)的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，比如普加喬夫戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，將當(dāng)前的不利態(tài)勢(shì)，轉(zhuǎn)換為整個(gè)戰(zhàn)術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，如圖5所示。

3UCAV空戰(zhàn)過(guò)程智能化關(guān)鍵技術(shù)研究

UCAV空戰(zhàn)過(guò)程智能化的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下五個(gè)方面的技術(shù)。

3.1智能感知技術(shù)

UCAV態(tài)勢(shì)感知是空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)決策與機(jī)動(dòng)控制的前提。未來(lái)空戰(zhàn)要求智能感知系統(tǒng)能夠在信息復(fù)雜、高度對(duì)抗、任務(wù)多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中發(fā)揮重要的前端作用。智能感知技術(shù)包括多源信息采集、融合與處理技術(shù)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)以及復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知學(xué)習(xí)和推理技術(shù)。

多源信息采集、融合與處理技術(shù)主要是無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)通過(guò)多傳感器所獲得信息，依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化表示，獲得目標(biāo)和環(huán)境信息。對(duì)于UCAV來(lái)說(shuō)，首先通過(guò)高度傳感器（大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、無(wú)線電高度表、GPS）與角度傳感器（垂直陀螺、航姿參考系統(tǒng)）分別獲得原始的高度數(shù)據(jù)與俯仰角數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法對(duì)兩者原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其數(shù)據(jù)融合過(guò)程如圖6所示。

聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（JointDirectorsofLaboratories，JDL）定義數(shù)據(jù)融合是一個(gè)“多層次、多方面處理自動(dòng)檢測(cè)、聯(lián)系、相關(guān)、估計(jì)以及多來(lái)源的信息和數(shù)據(jù)的組合過(guò)程”[11-12]。

多源信息采集、融合與處理技術(shù)應(yīng)用至今，有著很多成熟的數(shù)據(jù)融合算法，包括聚類(lèi)分析方法、證據(jù)理論法、DS算法以及近年來(lái)火熱的計(jì)算機(jī)智能方法。通過(guò)融合過(guò)程中采用的不同算法，多源信息融合技術(shù)可以分為兩類(lèi)：基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)與基于人工智能的數(shù)據(jù)融合技術(shù)[13]，如圖7所示。在多傳感器數(shù)據(jù)融合中，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的算法主要運(yùn)用傳統(tǒng)概率統(tǒng)計(jì)方法，利用概率分布或者密度函數(shù)來(lái)描述數(shù)據(jù)的不確定性，主要包括貝葉斯估計(jì)[14]、卡爾曼濾波[15]以及回歸分析[16]等算法;基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，主要解決

數(shù)據(jù)的不確定性融合，雖然有完善和可理解的數(shù)學(xué)處理方法，但魯棒性較低。近幾年，基于人工智能的數(shù)據(jù)融合算法被廣泛關(guān)注，其中包括遺傳算法[17]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18]、模糊邏輯[19]等算法;基于人工智能的數(shù)據(jù)融合算法通過(guò)一定的先驗(yàn)知識(shí)，同時(shí)用自組織、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練及預(yù)測(cè)。對(duì)于數(shù)據(jù)融合方法的加權(quán)系數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，智能優(yōu)化算法可以有效地從各融合數(shù)據(jù)中提取有效信息，取得良好的融合效果[20]。

在復(fù)雜、強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)環(huán)境感知的難度很大。戰(zhàn)爭(zhēng)是一種復(fù)雜、混亂的行為，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境具有不確定性與不可預(yù)知性，因此空戰(zhàn)中感知到的數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化的空戰(zhàn)感知信息常表現(xiàn)出以下特征：數(shù)據(jù)形式是高維、海量、動(dòng)態(tài)的;同時(shí)，內(nèi)容是不完整、不確定的。非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境感知能力是依據(jù)物理傳感器收集到的真實(shí)物體信息以及作戰(zhàn)系統(tǒng)的虛擬物體信息，重建真實(shí)物理場(chǎng)景。目前，環(huán)境感知在理論和應(yīng)用方面取得了巨大進(jìn)步，但是還不能處理復(fù)雜的環(huán)境感知問(wèn)題，尤其是未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程智能化中的環(huán)境感知問(wèn)題。隨著人工智能的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將遺傳算法、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)等人工智能方法應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知問(wèn)題中[21-23]。

UCAV能夠感知、識(shí)別、理解其所處的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，是UCAV作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高級(jí)智能的基礎(chǔ)。借鑒人類(lèi)認(rèn)知過(guò)程重點(diǎn)突破認(rèn)知信息處理、復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知算法、基于認(rèn)知的學(xué)習(xí)和推理方法是未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程智能化的趨勢(shì)。UCAV復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知學(xué)習(xí)和推理技術(shù)分為反應(yīng)層與協(xié)調(diào)層，環(huán)境信息通過(guò)反應(yīng)層傳感器接受與處理，送到協(xié)調(diào)層的認(rèn)知模型，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程）結(jié)合以規(guī)則為基礎(chǔ)的專(zhuān)家系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)推理過(guò)程）可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的認(rèn)知學(xué)習(xí)與推理系統(tǒng)[24]，UCAV基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知技術(shù)如圖8所示。

3.2態(tài)勢(shì)評(píng)估與目標(biāo)意圖識(shí)別技術(shù)

空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)評(píng)估與目標(biāo)意圖識(shí)別是智能空戰(zhàn)決策的前提，是不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。目標(biāo)意圖識(shí)別是戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)評(píng)估的一個(gè)重要部分，并且直接關(guān)系到UCAV作戰(zhàn)系統(tǒng)的決策[25]。

目標(biāo)意圖識(shí)別系統(tǒng)有空戰(zhàn)行動(dòng)特征提取、任務(wù)推理和意圖識(shí)別三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，這三級(jí)結(jié)構(gòu)逐級(jí)推理，每級(jí)都以前級(jí)為基礎(chǔ)，形成意圖識(shí)別系統(tǒng)，如圖9所示。目標(biāo)意圖識(shí)別就是利用多傳感器系統(tǒng)提供的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)信息，判斷出目標(biāo)可能的意圖。目標(biāo)意圖識(shí)別方法主要包括貝葉斯推理[26]、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[27]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[28]以及專(zhuān)家系統(tǒng)[29]等。由于多個(gè)傳感器的信息樣式多樣性以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境不確定性，傳統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別方法不能準(zhǔn)確有效地去處理不確定信息。置信規(guī)則庫(kù)具有可追溯性和可解釋性，將其與傳統(tǒng)方法結(jié)合，可以提高意圖識(shí)別的精度[30]。XGBoost是梯度Boosting機(jī)器算法的一種執(zhí)行方法，可以進(jìn)行并行計(jì)算，通過(guò)與傳統(tǒng)識(shí)別方法結(jié)合，使識(shí)別實(shí)時(shí)化。

知道目標(biāo)的意圖之后，UCAV作戰(zhàn)系統(tǒng)需要分析自己的勝算，其本質(zhì)就是態(tài)勢(shì)評(píng)估。依據(jù)敵我雙方武器、電子設(shè)備性能、敵作戰(zhàn)企圖，以定量或定性的形式對(duì)敵方威脅程度做出估計(jì)和分析，確定敵方的威脅等級(jí)，實(shí)現(xiàn)敵我態(tài)勢(shì)評(píng)估，如圖10所示。當(dāng)敵我雙方空戰(zhàn)能力相當(dāng)時(shí)，具有優(yōu)勢(shì)空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的一方將會(huì)取得空戰(zhàn)勝利。對(duì)于空戰(zhàn)威脅評(píng)估，首先要建立優(yōu)勢(shì)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)勢(shì)函數(shù)值來(lái)評(píng)估態(tài)勢(shì)優(yōu)勢(shì)，為了使評(píng)估結(jié)果全面，還需要引入空空導(dǎo)彈攻擊區(qū)[31]。

3.3智能協(xié)同技術(shù)

智能協(xié)同主要解決多無(wú)人機(jī)之間分布式協(xié)同和人機(jī)之間的交互協(xié)作行為，實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)、多無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)集群的任務(wù)能力。協(xié)同智能技術(shù)包括多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配與協(xié)調(diào)技術(shù)、多無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同航路規(guī)劃技術(shù)、分布式態(tài)勢(shì)共享技術(shù)、人機(jī)功能動(dòng)態(tài)分配與人機(jī)接口技術(shù)。

在多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配與協(xié)調(diào)中，以最小代價(jià)合理地將無(wú)人機(jī)以最佳任務(wù)狀態(tài)分配給最合適的UCAV[32]。針對(duì)任務(wù)分配與協(xié)調(diào)問(wèn)題，常采用的方法有基于協(xié)商機(jī)制的分布式方法、基于多層樹(shù)的協(xié)同方法以及基于智能優(yōu)化算法的任務(wù)分配，圖11所示為現(xiàn)有的優(yōu)化算法。由于未來(lái)空戰(zhàn)的復(fù)雜多樣性，任務(wù)分配與協(xié)調(diào)模型的評(píng)價(jià)函數(shù)必定是多項(xiàng)指標(biāo)融合在一起的，而智能優(yōu)化算法不能保證每個(gè)指標(biāo)都是最優(yōu)的，但可以肯定的是求得的解一定是較優(yōu)解。在實(shí)際的協(xié)同任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)任務(wù)環(huán)境不確定性，因此，基于快速求解的智能優(yōu)化算法更能穩(wěn)定地適應(yīng)實(shí)時(shí)環(huán)境。

多無(wú)人機(jī)協(xié)同在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中要面臨環(huán)境復(fù)雜、約束眾多、信息模糊、實(shí)時(shí)性高等諸多挑戰(zhàn)，同時(shí)要確保無(wú)人機(jī)的安全、任務(wù)代價(jià)、運(yùn)行時(shí)間等多項(xiàng)指標(biāo)整體優(yōu)化。多無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同航跡規(guī)劃是指多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)根據(jù)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)出滿足機(jī)動(dòng)性能約束與威脅環(huán)境約束的協(xié)同航跡[33]。編隊(duì)協(xié)同根據(jù)協(xié)同地位分為平等協(xié)同（各機(jī)地位相同，目標(biāo)一致）、長(zhǎng)僚協(xié)同（僚機(jī)隨長(zhǎng)機(jī)協(xié)同）與銜級(jí)協(xié)同（按級(jí)協(xié)同）。多UCAV協(xié)同航跡規(guī)劃方法主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)[34]、A*搜索算法[35]、快速搜索隨機(jī)樹(shù)、概率圖方法以及智能優(yōu)化算法[36]。由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的多變性以及無(wú)人機(jī)平臺(tái)的性能約束，應(yīng)關(guān)注實(shí)時(shí)智能航跡規(guī)劃算法亟待解決的問(wèn)題，同時(shí)還要考慮智能航跡規(guī)劃系統(tǒng)產(chǎn)生的航跡是否滿足飛機(jī)性能要求。

無(wú)人機(jī)集群協(xié)同完成任務(wù)的前提是享有對(duì)當(dāng)前作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境的相同認(rèn)知，這就要求在機(jī)間數(shù)據(jù)鏈的基礎(chǔ)上發(fā)展分布式態(tài)勢(shì)共享技術(shù)。同時(shí)，無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)是“平臺(tái)無(wú)人、系統(tǒng)有人”，智能化無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)系統(tǒng)可以與有人系統(tǒng)共同完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同，如圖12所示。

3.4自主空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)決策技術(shù)

將空戰(zhàn)決策作為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入是與空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)相關(guān)的各種參數(shù)，如我機(jī)的平臺(tái)參數(shù)、武器參數(shù)、敵我構(gòu)成的態(tài)勢(shì)參數(shù)等，決策過(guò)程便是系統(tǒng)內(nèi)部的信息處理機(jī)制，系統(tǒng)輸出的即為決策結(jié)果：戰(zhàn)術(shù)方案或者某種機(jī)動(dòng)動(dòng)作，如圖13所示?？諔?zhàn)決策是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，空戰(zhàn)決策的結(jié)果必須能被下一級(jí)執(zhí)行層識(shí)別并執(zhí)行，如此循環(huán)往復(fù)，直至任務(wù)結(jié)束。在空戰(zhàn)決策問(wèn)題中，對(duì)決策結(jié)果影響較大是空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)函數(shù)、空戰(zhàn)決策模型。合理的態(tài)勢(shì)函數(shù)不僅能直觀地表示當(dāng)前空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，并且在決策推理過(guò)程中也不會(huì)過(guò)于冗長(zhǎng)復(fù)雜，態(tài)勢(shì)函數(shù)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于態(tài)勢(shì)子函數(shù)權(quán)重的自適應(yīng)調(diào)整，即在不同的態(tài)勢(shì)情況下，子函數(shù)的權(quán)重自動(dòng)調(diào)整以突出當(dāng)前態(tài)勢(shì)下，哪種因素對(duì)整個(gè)態(tài)勢(shì)的

影響更大;空戰(zhàn)決策模型的設(shè)計(jì)決定了決策結(jié)果的優(yōu)劣，因此構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的、精度較高的、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的決策模型是研究空戰(zhàn)決策問(wèn)題的核心?？諔?zhàn)決策和控制技術(shù)與“觀察-判斷-決策-行動(dòng)：OODA”循環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法提取有人機(jī)飛行員的空戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合推理決策算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)空戰(zhàn)決策。自主空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)決策傳統(tǒng)方法主要包括微分對(duì)策[37]、矩陣對(duì)策法[38]、近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[39]、影像圖法[40]。人工智能就是構(gòu)造一個(gè)人工系統(tǒng)使其能讓機(jī)器來(lái)替代需要人類(lèi)智力才能完成的工作。隨著人工智能的發(fā)展，基于人工智能的空戰(zhàn)決策方法包括專(zhuān)家系統(tǒng)、遺傳模糊樹(shù)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

3.5自主空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)軌跡生成技術(shù)

自主空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)軌跡生成是UCAV將戰(zhàn)術(shù)決策、機(jī)動(dòng)決策產(chǎn)生的結(jié)果轉(zhuǎn)化為飛行控制系統(tǒng)能夠識(shí)別的軌跡指令或者引導(dǎo)指令，是決策層與執(zhí)行層之間的接口。機(jī)動(dòng)軌跡生成的目標(biāo)是基于某一目標(biāo)函數(shù)，為UCAV規(guī)劃參考軌跡或者規(guī)劃操縱控制系統(tǒng)的期望輸入量，使無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)按照該參考量執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)決策目的。自主空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)軌跡生成技術(shù)包括確定型算法和隨機(jī)搜索算法以及后來(lái)的群智能算法和近幾年比較熱門(mén)的數(shù)值解法，其分類(lèi)如圖14所示[41]。針對(duì)空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)快速變化的特點(diǎn)，首先設(shè)計(jì)了UCAV行為規(guī)劃模塊一般框架，分別針對(duì)攻擊占位機(jī)動(dòng)行為和規(guī)避敵機(jī)威脅的機(jī)動(dòng)行為設(shè)計(jì)了目標(biāo)函數(shù)，使UCAV在空戰(zhàn)過(guò)程中根據(jù)當(dāng)前態(tài)勢(shì)結(jié)合戰(zhàn)術(shù)決策、機(jī)動(dòng)決策結(jié)果自動(dòng)在目標(biāo)函數(shù)之間進(jìn)行切換，并通過(guò)軌跡規(guī)劃模塊將機(jī)動(dòng)行為轉(zhuǎn)換為機(jī)動(dòng)飛行參考軌跡，送入執(zhí)行層進(jìn)行實(shí)施。

4結(jié)束語(yǔ)

空戰(zhàn)過(guò)程智能化是有人機(jī)空戰(zhàn)輔助系統(tǒng)與無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，研究未來(lái)空戰(zhàn)過(guò)程中的智能化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能空戰(zhàn)的有效途徑。首先對(duì)國(guó)內(nèi)外的自主空戰(zhàn)技術(shù)進(jìn)行探究與綜述，從有人機(jī)空戰(zhàn)輔助系統(tǒng)與無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)兩種角度看自主空戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展。根據(jù)“觀察-判斷-決策-行動(dòng)”空戰(zhàn)環(huán)節(jié)的特征，分析其智能化技術(shù)的目的，同時(shí)給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路。要設(shè)計(jì)一個(gè)完整空戰(zhàn)智能化系統(tǒng)，需要解決五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。隨著人工智能的發(fā)展，通過(guò)引入人工智能的理論與思路，空戰(zhàn)過(guò)程智能化將離我們不遠(yuǎn)。

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