人工智能在直升機航空電子系統(tǒng)中的應用

萬會兵 鄒博 王立強 劉青春

摘要：隨著戰(zhàn)爭形態(tài)向信息化和智能化方向演變，人工智能技術(shù)在武器裝備中的發(fā)展已成為未來的必然選擇，航空人工智能是軍事智能最直接、最集中的體現(xiàn)。結(jié)合直升機作戰(zhàn)任務的特點，闡述了直升機智能化航空電子系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了直升機航空電子系統(tǒng)任務能力需求，探討了人工智能技術(shù)在直升機航空電子系統(tǒng)中的應用方向，為推動人工智能技術(shù)在直升機領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化和應用提供了參考。

關(guān)鍵詞：直升機；航空電子系統(tǒng)；人工智能

中圖分類號：TP18文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）21-56-4

0引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)樣式由以平臺為中心向以信息化為主導的網(wǎng)絡中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，信息化與智能化成為戰(zhàn)爭形態(tài)演變的主要方向。作為低空和超低空爭奪的主力，直升機集快速反應、機動靈活及火力強大等特點于一身，具有較強的空中攻擊、空中機動和空中保障能力，是空地一體體系作戰(zhàn)的重要力量。

航空電子系統(tǒng)作為直升機信息化平臺的依托，在有效應對信息化戰(zhàn)爭、適應不斷發(fā)展的作戰(zhàn)樣式、增強任務能力、提高對目標的打擊能力與提高自身生存力等方面起著極其重要的作用。運用人工智能技術(shù)提升直升機航空電子系統(tǒng)的性能水平和智能化程度，是直升機適應遂行低空/超低空任務的需要，是提升作戰(zhàn)功能性能、安全性和生存性的重要途徑，也是直升機體系作戰(zhàn)能力貢獻率提高的重要標志[1]。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、深度學習和機器視覺等技術(shù)的發(fā)展和應用，人工智能技術(shù)已經(jīng)進入新的高速增長時期，世界上主要科技發(fā)達國家紛紛把發(fā)展人工智能提升為國家戰(zhàn)略，并逐步運用在智能化態(tài)勢感知、智能化指揮控制等專業(yè)領(lǐng)域[2]。本文借鑒國外先進直升機人工智能技術(shù)的應用情況，在分析直升機航空電子系統(tǒng)任務能力需求的基礎上，探討了人工智能技術(shù)在直升機航空電子系統(tǒng)中的應用方向，為推動人工智能技術(shù)在直升機領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化和應用提供了參考。

1直升機智能航空電子系統(tǒng)

航空電子技術(shù)是發(fā)展最快的航空技術(shù)，新技術(shù)、新概念不斷涌現(xiàn)，一旦技術(shù)成熟，就會應用于新項目發(fā)展，或現(xiàn)役裝備的改進。目前世界航空強國都在通過發(fā)展智能航空電子系統(tǒng)來提升直升機的性能水平，以適應新的作戰(zhàn)需求。

1.1駕駛員助手系統(tǒng)

為了提高直升機的智能化水平和戰(zhàn)場生存能力，美國陸軍從20世紀80年代就開始直升機駕駛員助手系統(tǒng)（RPA）的研究，并在有人/無人協(xié)同演示等項目計劃中不斷完善。RPA系統(tǒng)是一個典型的專家系統(tǒng)，用數(shù)學方法對直升機以往的作戰(zhàn)信息加以描述并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫和知識庫，在使用過程中進行對比和推理，從而輔助飛行員執(zhí)行任務。美軍早期的試飛結(jié)果表明，RPA系統(tǒng)的應用能夠?qū)⒅鄙龣C任務失敗率降低78%、目標摧毀率提高42%、任務重新規(guī)劃時間減少32%，最大程度地協(xié)助飛行員完成任務。俄羅斯米-28N直升機和德法兩國聯(lián)合研制的虎式直升機都開展了智能輔助決策系統(tǒng)的研究和應用。

典型RPA系統(tǒng)的核心由數(shù)據(jù)融合、任務規(guī)劃和座艙信息管理三部分組成。其中，數(shù)據(jù)融合通過對不同類型傳感器的信息進行處理、融合和識別，形成戰(zhàn)場目標態(tài)勢，并實現(xiàn)威脅評估。任務規(guī)劃利用數(shù)字地圖和實時戰(zhàn)場態(tài)勢信息，輔助飛行員進行威脅規(guī)避與任務決策，座艙信息管理以直觀簡潔的方式提供任務決策建議及執(zhí)行提示，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2智能座艙人機交互系統(tǒng)

智能座艙人機交互系統(tǒng)突破現(xiàn)有直升機座艙顯控系統(tǒng)的局限，以全息波導、全景玻璃等新顯示媒介，手勢、眼動及語音等多模態(tài)自然交互，輔以態(tài)勢信息智能挖掘與情景感知推送，形成沉浸式智能座艙，充分提高飛行員復雜條件下的感知和認知效率。美國MITRE公司的數(shù)字飛行伴侶項目、英國DERA的座艙認知助手（COGPIT）項目及美國DARPA的座艙機組成員工作自動化系統(tǒng)（ALIAS）等項目都進行了多通道智能交互技術(shù)的應用研究。貝爾直升機公司為其新型傾轉(zhuǎn)旋翼機開發(fā)了全景觸摸駕駛艙，能根據(jù)飛行狀態(tài)自動調(diào)整信息顯示等，從而輔助飛行員進行感知和決策[3]。法國THALES公司研制了Avionics 2020直升機駕駛艙，系統(tǒng)基于開放式架構(gòu)和全面使用觸控屏，能夠快速適應任務類型、飛行規(guī)則及機組配置，可增強直升機通用性及任務效率，降低飛行員的負擔。Avionics 2020直升機駕駛艙示意圖如圖2所示。

1.3智能輔助導航系統(tǒng)

直升機貼地飛行的特點對導航系統(tǒng)提出了更高的要求，為應對電力線等障礙物，以及夜間、沙塵等惡劣條件的威脅，美國先后開展了綜合多傳感器合成成像系統(tǒng)（IMSIS）、綜合視景系統(tǒng)（SmartView）等研究，相關(guān)成果已在“黑鷹”“支努干”等直升機航空電子系統(tǒng)中得到應用。其中，綜合合成視景技術(shù)是智能輔助導航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，工作原理是根據(jù)機載數(shù)據(jù)庫（地形、障礙物、人工建筑物特征）及精確定位信息，結(jié)合光電、射頻傳感器探測到的圖像，通過計算機進行信息融合處理，生成并顯示逼真的飛機外部景象，在復雜氣象及地理情況下向飛行員提供周圍環(huán)境感知，從而提高直升機的自主導航保障能力，如圖3所示。

1.4智能綜合自衛(wèi)系統(tǒng)

面對各種精確制導武器的威脅，要求直升機必須具備強大智能的綜合自衛(wèi)能力。英國研制了直升機綜合防御輔助系統(tǒng)（HIDAS），具有自主作戰(zhàn)支援能力，可為機組人員提供電子戰(zhàn)環(huán)境的全面戰(zhàn)術(shù)圖像，從而提高機組人員的感知能力和載機的生存能力；美國西科斯基公司的高速直升機S-97具有智能化的任務系統(tǒng)，能夠自動進行全方位搜索和探測，并自動顯示、記錄和報告目標位置，當有導彈來襲時，安全系統(tǒng)會立即報警，同時顯示威脅的性質(zhì)、方位、距離和建議的對抗方式，大大降低了飛行員的操作負荷，提高生存能力。

2直升機航空電子系統(tǒng)的任務能力需求

直升機機動能力強、活動范圍廣、機動速度快及不受地形條件限制等特點，決定了其在遂行低空/超低空偵察、火力支援、機降運輸和特種作戰(zhàn)等任務中具有舉足輕重的地位。自20世紀60年代以來，直升機就大量出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，是現(xiàn)代陸軍、海軍及特種部隊不可或缺的作戰(zhàn)裝備。航空電子系統(tǒng)作為直升機的“大腦”和“神經(jīng)”，需要具備多樣化的能力，以滿足快速響應地面及空中多種平臺請求，執(zhí)行偵察警戒、火力打擊及勤務保障等多樣化任務，實現(xiàn)空地協(xié)同作戰(zhàn)、有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)、無人機自主作戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)樣式，有效提高任務能力和生存能力，并與其他裝備共同構(gòu)成空地一體的作戰(zhàn)體系，支援地面部隊實施偵察警戒、指揮控制、信息攻防等作戰(zhàn)行動[4]。

基于直升機的作戰(zhàn)流程，航空電子系統(tǒng)最基本的任務能力可歸納為情報偵察、通信導航、指揮控制、火力控制、協(xié)同作戰(zhàn)[5]及綜合自衛(wèi)等6個方面，如圖4所示。

3人工智能在航空電子系統(tǒng)中的應用

在直升機航空電子系統(tǒng)中，人工智能技術(shù)主要應用于航空電子系統(tǒng)智能人機交互、智能感知、智能決策、智能指控、智能對抗及智能保障等，能夠提高直升機超低空復雜環(huán)境感知能力和快速響應能力，減輕飛行員操作負荷，使直升機裝備實現(xiàn)從數(shù)據(jù)優(yōu)勢、信息優(yōu)勢、知識優(yōu)勢到?jīng)Q策優(yōu)勢的飛躍，提升直升機航空電子系統(tǒng)的綜合任務能力。

智能交互：通過合成視景重建空間景物的三維信息，生成安全飛行管道，并對威脅進行告警等方式輔助飛行員安全飛行；通過語音識別、甚至是和手勢識別等，迅速、準確地捕獲飛行員的操作指令，從而減輕飛行員的操作負荷。

智能感知：通過深度學習對復雜圖像目標進行識別，通過卡爾曼濾波、動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡及深度學習等進行數(shù)據(jù)融合處理，并快速完成態(tài)勢威脅評估，實現(xiàn)全天候條件下的飛行環(huán)境和戰(zhàn)場態(tài)勢感知。

智能決策：根據(jù)專家系統(tǒng)和智能搜索算法，以及學習、推理得到的知識自行生成最優(yōu)決策方案，以圖形、語音等方式提示飛行員，從而大幅縮短決策時間。

智能指控：以深度學習為基礎，根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境變化動態(tài)進行任務分配和行動指揮，從而實現(xiàn)針對不同需求的系統(tǒng)優(yōu)化組織。

智能對抗：通過專家系統(tǒng)或深度學習，自動規(guī)劃電子對抗策略，并通過自適應波形管理、智能化干擾物投放管理等實施電子對抗，提高通信的安全性、可靠性和對抗效率。

智能維護保障：是一種以大數(shù)據(jù)分析為基礎的主動式維修保障模式，根據(jù)直升機航空電子系統(tǒng)的組成和作戰(zhàn)任務需求，自動規(guī)劃保障資源；根據(jù)航空電子系統(tǒng)狀態(tài)進行使用壽命預測，預先優(yōu)化保障資源，從而實現(xiàn)精確的維修保障。

將人工智能應用于航空電子系統(tǒng)，總體框架可分為基礎層、技術(shù)層和應用層3個層級，如圖5所示。

基礎層以傳感器、智能芯片、大數(shù)據(jù)等為基礎，提供計算環(huán)境及數(shù)據(jù)支撐；技術(shù)層主要包括機器視覺（如圖像識別、虛擬圖像生成）、語音工程（如語音識別、語音合成、語義理解）、自然語言處理（如翻譯、情感分析）、規(guī)劃決策、大數(shù)據(jù)分析等專業(yè)技術(shù)及智能算法[6]，為頂層應用提供支撐；應用層則面向人機交互、環(huán)境感知及規(guī)劃決策等具體應用。同時需要重點突破空地一體化物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、網(wǎng)絡化協(xié)同探測技術(shù)、智能情報處理與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、直升機地形感知與告警技術(shù)和機載智能信息處理技術(shù)等，初步形成全域智能感知、敏捷指揮控制、信火協(xié)同打擊、網(wǎng)電一體對抗和全域精確保障能力。

4結(jié)束語

直升機航空電子系統(tǒng)經(jīng)歷了機械化、數(shù)字化、信息化的發(fā)展階段，智能化發(fā)展已成為未來的必然選擇。我國直升機航電系統(tǒng)架構(gòu)、通用處理平臺和網(wǎng)絡總線等技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水平，但航電系統(tǒng)人工智能相關(guān)技術(shù)的研究和應用仍存在一定差距，通過機器視覺、專家系統(tǒng)、深度學習及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，增強航空電子系統(tǒng)的環(huán)境感知、目標認知、戰(zhàn)術(shù)決策、電子對抗及維護保障等綜合能力，將成為直升機航空電子系統(tǒng)任務能力和生存能力的倍增器。面對未來智能化戰(zhàn)爭高復雜性、強對抗性、高實時性的挑戰(zhàn)，必須結(jié)合直升機任務特點和航空電子系統(tǒng)特征，加快推動人工智能技術(shù)在直升機領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化和應用。

參考文獻

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