論航空火力控制系統(tǒng)的智能化*

陳哨東，劉躍峰*

（1.光電控制技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471009；2.航空工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

0 引言

火力控制是發(fā)現(xiàn)并使用武器毀傷目標(biāo)的活動?；鹆刂葡到y(tǒng)是具有火力控制功能的若干相互聯(lián)系和相互作用的要素組成的統(tǒng)一整體。這些要素包括裝備和人。

航空火力控制系統(tǒng)是以航空器為運(yùn)載平臺，在空中使用航空武器打擊各種目標(biāo)的火力控制系統(tǒng)。通過航空火力控制系統(tǒng)實現(xiàn)了航空作戰(zhàn)平臺攻擊目標(biāo)的“發(fā)現(xiàn)→定位→跟蹤→瞄準(zhǔn)→交戰(zhàn)→評估”（F2T2EA）殺傷鏈的閉合（如圖1 所示）。

圖1 航空火力控制系統(tǒng)在殺傷鏈各環(huán)節(jié)中的作用

航空火力控制系統(tǒng)伴隨著作戰(zhàn)需求以及航空作戰(zhàn)平臺和武器的發(fā)展而發(fā)展。目前經(jīng)歷了4 代的演進(jìn)，從最初簡單的機(jī)械系統(tǒng)通過電氣化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化已轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的綜合信息處理系統(tǒng)。其發(fā)展過程是一個新技術(shù)不斷應(yīng)用，新概念、新方法和新功能不斷涌現(xiàn)的過程，也是一個作戰(zhàn)能力不斷提高的過程［1］。

當(dāng)前的空中作戰(zhàn)，戰(zhàn)場環(huán)境更為復(fù)雜、任務(wù)更為艱巨，飛行員將面臨信息過載和操縱繁復(fù)的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，對航空火力控制系統(tǒng)提出了更高的設(shè)計要求。

目前，以深度學(xué)習(xí)的技術(shù)突破為代表掀起了人工智能技術(shù)發(fā)展的第3 次高潮。同時，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的不斷成熟共同成為了新一輪技術(shù)革命的核心驅(qū)動力。抓住這個歷史契機(jī)，在提高信息化水平的基礎(chǔ)上實現(xiàn)航空火力控制系統(tǒng)的智能化，既是把握住了航空火力控制系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)方向，更是航空火力控制系統(tǒng)發(fā)展的重要任務(wù)。

1 航空火力控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1.1 當(dāng)前空中作戰(zhàn)的突出特點

進(jìn)入21 世紀(jì)后，以信息技術(shù)為核心的高新技術(shù)發(fā)展極大地改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的基本形態(tài)和主要作戰(zhàn)樣式，呈現(xiàn)出作戰(zhàn)體系網(wǎng)絡(luò)化、平臺隱身化、駕駛無人化、武器精遠(yuǎn)化等典型特征。空戰(zhàn)具有以下突出特點：

1）戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜

隨著空戰(zhàn)從天空向臨近空間、電磁空間和賽博空間拓展，作戰(zhàn)空間進(jìn)一步擴(kuò)大。由于對抗手段的不斷增多，交戰(zhàn)過程將表現(xiàn)出強(qiáng)對抗、高威脅、態(tài)勢變化急劇等特點；戰(zhàn)場信息復(fù)雜度不斷增加，信息不完全、不確定問題更加突出。

2）攻防對抗能力螺旋式提升

攻擊和防御是一對矛盾，相關(guān)技術(shù)總是相伴而生、對抗發(fā)展?？罩凶鲬?zhàn)的主要攻防對抗手段正由火力、機(jī)動與信息的對抗轉(zhuǎn)向隱身與反隱身、動能/定向能武器攻擊與防御、集群飽和攻擊與防御、全向態(tài)勢感知與干擾、網(wǎng)電對抗等。

3）新型作戰(zhàn)模式廣泛應(yīng)用

隨著技術(shù)發(fā)展，空戰(zhàn)中無人飛機(jī)自主作戰(zhàn)，有人機(jī)/無人機(jī)分布式協(xié)同作戰(zhàn)，大規(guī)模無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)，高超機(jī)動攻擊、全向探測/攻擊/防御、臨近空間高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)/武器，和激光/微波定向能武器攻擊等顛覆式技術(shù)，以及由此發(fā)生的新型作戰(zhàn)模式將得到廣泛應(yīng)用。

4）作戰(zhàn)閉環(huán)速度不斷加快

空戰(zhàn)對抗始終是通過加快本方OODA 循環(huán)，破壞對手OODA 環(huán)而取得勝利。因此，作戰(zhàn)閉環(huán)自加速特征一直存在。隨著空戰(zhàn)裝備中先進(jìn)技術(shù)的不斷應(yīng)用，空戰(zhàn)OODA 循環(huán)速度越來越快，傳感器-射手-武器殺傷鏈路循環(huán)時間急劇壓縮，需要作戰(zhàn)系統(tǒng)反應(yīng)能力不斷提高。

5）飛行員工作負(fù)荷極為繁重

為了應(yīng)對日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境和愈發(fā)激烈的攻防對抗，飛行員需要快速處理大量戰(zhàn)場信息，在復(fù)雜態(tài)勢下作出最優(yōu)戰(zhàn)術(shù)決策，實時操控多種機(jī)載設(shè)備或大量的無人作戰(zhàn)平臺，承受人體極限的機(jī)動過載和高危對抗下的心理壓力等等。飛行員幾乎在接近生理極限的條件下工作。

1.2 需要解決的主要問題

針對空中作戰(zhàn)的突出特點，通過航空火力控制系統(tǒng)的發(fā)展，需要重點解決以下問題［2］。

1）提高態(tài)勢感知能力

火控系統(tǒng)應(yīng)能夠在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中通過光電/射頻/數(shù)據(jù)鏈等多源信息的篩選、融合，完成對隱身、遮蔽、偽裝目標(biāo)的探測識別，對敵方作戰(zhàn)意圖的快速準(zhǔn)確地判斷，為多模制導(dǎo)武器提供高精度信息等。

2）提高攻擊決策能力

火控系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)當(dāng)前的作戰(zhàn)任務(wù)，針對敵方作戰(zhàn)意圖，通過對目標(biāo)特點和戰(zhàn)場氣象、地理環(huán)境的分析，選擇攻擊武器，制定攻擊戰(zhàn)術(shù)，規(guī)劃攻擊路徑等。

3）提高防御決策能力

火控系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)目標(biāo)特點和交戰(zhàn)態(tài)勢自動識別需防御的威脅，自動選擇對抗策略，根據(jù)對抗策略準(zhǔn)備對抗資源、規(guī)劃機(jī)動路徑、選擇規(guī)避動作等。

4）提高系統(tǒng)攻防響應(yīng)速度

火控系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)決策響應(yīng)的自動化，以解決飛行員人工操作傳感器、進(jìn)行武器發(fā)射控制導(dǎo)致的系統(tǒng)響應(yīng)時間長，容易錯失最佳戰(zhàn)機(jī)的問題；以及受飛行員反應(yīng)時間的限制，不能及時進(jìn)行對抗和規(guī)避攻擊威脅的問題。

5）提高協(xié)同作戰(zhàn)能力

在同構(gòu)/ 異構(gòu)多架飛機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)時，火控系統(tǒng)應(yīng)能夠形成全局態(tài)勢，根據(jù)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)，制定作戰(zhàn)方案，完成協(xié)同任務(wù)的規(guī)劃、分配、執(zhí)行、評估，爭取全局最優(yōu)。以解決飛行員個體難以把握整個戰(zhàn)場態(tài)勢和及時處置大量、復(fù)雜、多變情況的問題。

2 人工智能技術(shù)在空戰(zhàn)中的應(yīng)用

2.1 人工智能技術(shù)及其發(fā)展

“智能”一般指人的能力，包括腦（智）力和體力；特別是“在不確定環(huán)境中成功實現(xiàn)目標(biāo)的能力”。

“人工智能”也就是人造智能，即人賦予人造系統(tǒng)的智能。

“人工智能技術(shù)”是使人造系統(tǒng)具備人的能力的相關(guān)技術(shù)，包括：知識表示與推理、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能體（Agent）與多智能體系統(tǒng)（MAS）、仿生進(jìn)化、群體智能、自然語言理解等。

人類一直都懷有對智能機(jī)器和人工智能的夢想?！叭斯ぶ悄埽ˋrtificial Intelligence，AI）”這一術(shù)語是1956 年夏季在美國達(dá)特茅斯大學(xué)舉辦的一次用機(jī)器模擬人類智能學(xué)術(shù)研討會上由麥卡錫提議使用的。在此之前，數(shù)理邏輯、控制論、“圖靈機(jī)”、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等概念都已建立并得到發(fā)展，成為人工智能產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)。

隨后，世界人工智能的發(fā)展形成了三次浪潮，經(jīng)歷了20 世紀(jì)70 年代初和80 年代末的兩次低谷。進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著計算機(jī)計算能力的快速提升，互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)將第三次人工智能浪潮推向了新高度。2016 年以來Deepmind 團(tuán)隊的AlphaGo 橫掃人類圍棋選手即是一個標(biāo)志性事件。

2.2 典型空戰(zhàn)應(yīng)用研究項目簡介

美國一直走在人工智能技術(shù)發(fā)展的最前沿。在1984 年就開始了“駕駛員助手”（PA）項目的研究工作，主要采用數(shù)理邏輯的表達(dá)與推理技術(shù)，從原理上證明了輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)是可行的。研究成果在美國陸軍的直升機(jī)駕駛員助手、美空軍和海軍的UCAV 計劃得到應(yīng)用。

進(jìn)入新世紀(jì)，美國相關(guān)機(jī)構(gòu)組織開展了一系列研究項目，對人工智能技術(shù)在空戰(zhàn)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，內(nèi)容涉及單體智能和集群智能以及智能感知、智能決策、智能執(zhí)行等多個方面。按啟動的時間順序，典型項目包括：

1）美國國防部高級研究計劃局（DARPA）于2000 年啟動的無人機(jī)集群空中戰(zhàn)役研究計劃。該項目受到生物智能的啟發(fā)，擬讓無人機(jī)之間通過釋放“數(shù)字信息素”完成目標(biāo)攻擊任務(wù)，該項目針對無人任務(wù)集群，提出了一種基于多智能體的非分層結(jié)構(gòu)的自組織空中任務(wù)分配方法，展開了仿真實驗。

2）DARPA 于2007 年啟動的“深綠計劃”。其目的是為美國陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊指揮官和參謀人員開發(fā)自動化輔助決策系統(tǒng)。

3）DARPA 于2010 年啟動的“心靈之眼（Mind's eye）”項目。研究目標(biāo)是為無人系統(tǒng)研發(fā)“可視智能”能力，增強(qiáng)態(tài)勢感知和認(rèn)知能力。

4）美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）于2011年啟動的“山鶉”（Perdix）微型無人機(jī)演示項目。2016 年10 月，美國海軍3 架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)投放了103 架“山鶉”無人機(jī)，對集群自主決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行能力進(jìn)行了演示驗證。

5）美國海軍研究局（ONR）于2015 年發(fā)布的低成本無人機(jī)集群技術(shù)（LOCUST）項目。研究目標(biāo)是實現(xiàn)無人機(jī)快速發(fā)射并進(jìn)行集群作戰(zhàn)，以達(dá)成對敵方的壓倒性優(yōu)勢。

6）DARPA 于2015 年啟動的Alpha 智能空戰(zhàn)系統(tǒng)項目（詳見2.2.1）。

7）DARPA 于2017 年啟動的進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)（OFFSET）項目。目的是開發(fā)并測試專為城市作戰(zhàn)蜂群無人系統(tǒng)設(shè)計的蜂群戰(zhàn)術(shù)，主要內(nèi)容包括：開放式任務(wù)軟件與系統(tǒng)架構(gòu)、集群戰(zhàn)術(shù)分析與決策支持、智能沉浸式人機(jī)交互、分布式集群任務(wù)系統(tǒng)集成與算法開發(fā)。

8）DARPA 于2019 年啟動的空戰(zhàn)演進(jìn)（ACE）項目（詳見2.2.2）。

9）DARPA 于2019 年發(fā)布的“阿爾法狗斗”（Alpha Dogfight）試驗項目。該項目獨立于ACE 項目，主要針對戰(zhàn)斗機(jī)一對一視距內(nèi)格斗的情況開展高性能智能決策算法的開發(fā)，在與具備不同能力的對手進(jìn)行格斗對抗中，對人工智能“狗斗”算法性能進(jìn)行演示驗證。

美國國防部與空軍分別于2018 年、2019 年發(fā)布了人工智能戰(zhàn)略，確定了基本一致的人工智能軍事應(yīng)用發(fā)展路線圖（圖2）。分3 個階段推進(jìn)人工智能的軍事應(yīng)用：第1 階段采用智能技術(shù)提高作戰(zhàn)的安全和效率，第2 階段使用機(jī)器輔助作戰(zhàn)，第3 階段實現(xiàn)人-機(jī)編隊聯(lián)合作戰(zhàn)。可以預(yù)計，按照此發(fā)展戰(zhàn)略，美國將會持續(xù)開展研究，不斷推進(jìn)人工智能軍事化應(yīng)用進(jìn)程。

圖2 美軍人工智能軍事應(yīng)用發(fā)展路線圖

此外，俄羅斯也在航空火控系統(tǒng)智能化方面也開展了相關(guān)的研究工作。

2.2.1 Alpha 智能空戰(zhàn)系統(tǒng)

Alpha 智能空戰(zhàn)系統(tǒng)［3］是一種人工智能系統(tǒng)，可在高保真模擬環(huán)境中控制無人作戰(zhàn)飛機(jī)執(zhí)行空戰(zhàn)任務(wù)。Alpha 智能空戰(zhàn)系統(tǒng)是由受雇于美國空軍研究實驗室的Psibernetix 公司于2015 年5 月開始開發(fā)。

2016 年，由美國空軍退役飛行員GeneLee 上校對Alpha 空戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行評估。作為前美國空軍專家，GeneLee 完成過成千上萬次的空對空攔截，訓(xùn)練有素、經(jīng)驗豐富。然而，在與Alpha 空戰(zhàn)系統(tǒng)的模擬對抗中，即使經(jīng)過反復(fù)嘗試，GeneLee 依然沒有能夠戰(zhàn)勝Alpha 系統(tǒng)，他將Alpha 評價為“迄今為止最具侵略性，反應(yīng)迅速，最具活力和可信度的AI”。

圖3 Alpha 智能空戰(zhàn)系統(tǒng)

圖4 Alpha 空戰(zhàn)對抗場景

Alpha 系 統(tǒng) 采 用 遺 傳 模 糊 樹（GFTs，Genetic Fuzzy Trees）方法，該方法以“模糊邏輯”、“遺傳算法”、“專家規(guī)則”為基礎(chǔ)，是一個級聯(lián)的模糊推理系統(tǒng)的集合，能夠在極其復(fù)雜的問題中產(chǎn)生確定性的控制指令，并且具備自學(xué)習(xí)、自演進(jìn)能力。通過“知識表達(dá)和知識工程”建立包括環(huán)境知識、任務(wù)知識、能力知識、戰(zhàn)術(shù)規(guī)則知識在內(nèi)的空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)知識庫。通過大量對抗模擬，依賴于良好的訓(xùn)練和有經(jīng)驗的戰(zhàn)斗數(shù)據(jù)實現(xiàn)自我改進(jìn)和能力提升。能夠輸入從專家知識中學(xué)到的經(jīng)驗教訓(xùn)，以及通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)充分優(yōu)化這些知識的能力是GFT 方法成功的重要因素。圖5 顯示了該系統(tǒng)布局的一個示例［4］。

圖5 GFT 方法示例

Alpha 系統(tǒng)目前的主要目標(biāo)是成為飛行員在仿真環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練的智能敵對力量，具有高級戰(zhàn)術(shù)、設(shè)計、逃避、情景感知和防御等多個分支。與其他學(xué)習(xí)方法不同，GFT 方法不僅具備高效的決策性能，而且計算成本較低，采用“遺傳模糊邏輯”智能決策技術(shù)，Alpha 空戰(zhàn)系統(tǒng)能夠在l ms 內(nèi)獲取與整理所有的空戰(zhàn)對抗數(shù)據(jù)，在同等動態(tài)對抗環(huán)境下系統(tǒng)響應(yīng)速度是飛行員響應(yīng)速度的250 倍，在空空戰(zhàn)斗中具有明顯的優(yōu)勢。

由于模糊邏輯的透明性和語言性，GFT 方法能夠保持人類設(shè)計者與設(shè)計系統(tǒng)之間清晰易懂的聯(lián)系，在訓(xùn)練期間和訓(xùn)練后為內(nèi)部層提供實時透明度。Alpha 系統(tǒng)是一個非常容易合作的AI，并適合作為隊友。Alpha 系統(tǒng)對有人機(jī)的指令可以不斷確定最佳的執(zhí)行方式，并為執(zhí)行任務(wù)的其余部分提供戰(zhàn)術(shù)和情景建議。

2.2.2 空戰(zhàn)演進(jìn)（ACE）項目

美國DARPA 戰(zhàn)略技術(shù)辦公室（STO）于2019 年5 月啟動了“空戰(zhàn)演進(jìn)”（ACE）項目［5］，旨在發(fā)展可靠和可信的智能空中格斗軟件，研究人-機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，即在最激烈的空中格斗情況下，測試人類飛行員和人工智能實體如何相互取信。DARPA 設(shè)立ACE 項目的背景是美軍認(rèn)為人類飛行員即將和一些能力大幅提高的無人機(jī)共同作戰(zhàn)，如“忠誠僚機(jī)”。無人機(jī)將幫助有人機(jī)躲避敵方戰(zhàn)斗機(jī)和防空系統(tǒng)的打擊。這對無人機(jī)自主能力提出了更高要求，無人機(jī)必須擁有一定的戰(zhàn)術(shù)決策能力，以便于飛行員像一個團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)人，帶領(lǐng)多架無人機(jī)遂行作戰(zhàn)任務(wù)。ACE 項目標(biāo)志著美軍已從當(dāng)前飛行員普遍信任的基于物理學(xué)的自動化，過渡到實現(xiàn)未來有人-無人協(xié)同所必需的更為復(fù)雜的自主能力。

ACE 項目的主要目標(biāo)為：實現(xiàn)空中格斗智能化和更大規(guī)模人機(jī)編隊協(xié)同；加快空戰(zhàn)決策和行動反應(yīng)速度；實現(xiàn)飛行員從飛機(jī)操作員到任務(wù)作戰(zhàn)指揮官的轉(zhuǎn)變，使飛行員更加專注于更大規(guī)模的空戰(zhàn)；通過解決人-機(jī)協(xié)作的空中格斗問題，增強(qiáng)人們對戰(zhàn)斗自主決策算法的信任。

該項目的主要工作包括：

·單機(jī)和編隊?wèi)?zhàn)術(shù)自主決策模型開發(fā)

·智能化人-機(jī)交互界面設(shè)計

·大規(guī)模編隊作戰(zhàn)智能任務(wù)管理

·智能作戰(zhàn)系統(tǒng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集合分析與開發(fā)

·飛行員自主性信任度度量方法研究

該項目計劃于2023 年完成，擬從計算機(jī)建模仿真開始，逐步在無人機(jī)上演示，最終在改裝的戰(zhàn)斗機(jī)上實現(xiàn)能力驗證。項目分為3 個階段，第1 階段重點是開發(fā)和演示建模仿真中的關(guān)鍵功能，階段2 和階段3 將分別在小規(guī)模和全尺寸環(huán)境中實現(xiàn)相同的功能。

圖6 ACE 項目實施計劃

2020 年3 月，DARPA 公布了ACE 項目技術(shù)領(lǐng)域-1 的實現(xiàn)途徑及部分需求，征集支持空中格斗的人工智能算法，為單機(jī)和編隊?wèi)?zhàn)術(shù)行動構(gòu)建自主戰(zhàn)斗能力。

2.2.3 俄羅斯的“機(jī)載智能輔助決策系統(tǒng)”

“機(jī)載智能輔助決策系統(tǒng)”是以俄制四代機(jī)為應(yīng)用背景開發(fā)的實時作戰(zhàn)輔助決策專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于中遠(yuǎn)距作戰(zhàn)，主要功能包括：

·作戰(zhàn)態(tài)勢評估

·作戰(zhàn)子任務(wù)分解

·選擇最合理的作戰(zhàn)方法為飛行員提供關(guān)于機(jī)動-攻擊-干擾3 個方面的通知和建議

機(jī)載智能輔助決策專家系統(tǒng)的輸入是戰(zhàn)斗任務(wù)信息，包括任務(wù)、級別、目的3 個方面，作戰(zhàn)準(zhǔn)備前加載到專家咨詢系統(tǒng)中。針對單機(jī)或編隊執(zhí)行護(hù)航保障、空中巡邏、清理空域等任務(wù)，為了實現(xiàn)目標(biāo)摧毀、壓制干擾、佯動保護(hù)等作戰(zhàn)目的，機(jī)載智能輔助決策系統(tǒng)為飛行員提供關(guān)于具體對抗方法的提示建議或簡短說明，如“建議反應(yīng)動作-戰(zhàn)術(shù)左轉(zhuǎn)彎”、“必須執(zhí)行動作-安全脫離轉(zhuǎn)彎”等。

機(jī)載智能輔助決策系統(tǒng)采用分層的專家知識庫，其層次劃分如圖7 所示。

圖7 層次化專家知識庫

假設(shè)某次空戰(zhàn)任務(wù)信息如下：

1）任務(wù)：自由清理空域；

2）級別：單機(jī)；

3）目的：約束戰(zhàn)斗。

經(jīng)過專家知識庫分解為如下5 個戰(zhàn)術(shù)子動作：

1）優(yōu)勢保證；

2）攻擊；

3）邊防御邊攻擊；

4）防御；

5）信息保證。

針對不同的戰(zhàn)術(shù)子動作，專家系統(tǒng)分別提供以下建議和提示：

1）優(yōu)勢保證：如何占據(jù)戰(zhàn)術(shù)有利位置；

2）攻擊：如何實現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)脫離轉(zhuǎn)彎、縮小敵方攻擊區(qū)；

3）邊防御邊攻擊：如何實現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)脫離轉(zhuǎn)彎、安全脫離轉(zhuǎn)彎、是否采取有源/無源干擾；

4）防御：如何戰(zhàn)術(shù)脫離轉(zhuǎn)彎、有效防御敵方導(dǎo)彈并保持繼續(xù)攻擊的可能；

5）信息保持：如何保證最快速獲得目標(biāo)信息并組織對敵方導(dǎo)彈防御。

為了完成智能輔助決策，專家知識庫需要大量數(shù)學(xué)模型的支撐，其中主要的數(shù)學(xué)模型包括：戰(zhàn)術(shù)有利位置計算模型，敵方導(dǎo)彈攻擊區(qū)計算模型，戰(zhàn)術(shù)脫離轉(zhuǎn)彎方向計算模型，安全發(fā)射距離計算模型，安全脫離距離計算模型，導(dǎo)彈制導(dǎo)中斷原因計算模型，導(dǎo)彈彈道模擬模型，箔條彈體有效性評估模型等。該系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)專家系統(tǒng)（無自學(xué)習(xí)能力），其核心是專家知識庫。

3 智能航空火力控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

從上述典型項目介紹可以看出，人工智能技術(shù)在空戰(zhàn)中的應(yīng)用已成為航空作戰(zhàn)裝備發(fā)展的重要方向。為了應(yīng)對未來嚴(yán)峻的空戰(zhàn)環(huán)境，作為航空武器系統(tǒng)核心的火力控制系統(tǒng)的智能化也日益迫切。

航空火力控制系統(tǒng)的智能化就是從空中作戰(zhàn)需求出發(fā)，綜合考慮飛機(jī)平臺和武器特點，在火控系統(tǒng)的設(shè)計中充分采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，有效地實現(xiàn)火力控制功能。智能化的火力控制系統(tǒng)簡稱智能火控系統(tǒng)［6］。

從作戰(zhàn)平臺發(fā)展看，未來空戰(zhàn)的主體可分為兩大類：有人駕駛飛機(jī)（簡稱有人機(jī)）和無人駕駛飛機(jī)（簡稱無人機(jī)）。其中無人機(jī)又可大致分為與有人機(jī)體量相當(dāng)?shù)臒o人機(jī)和可在地面發(fā)射或空中投放的體量較小的“蜂群”無人機(jī)。相應(yīng)地，航空火力控制系統(tǒng)也可分為有人機(jī)火控系統(tǒng)、無人機(jī)火控系統(tǒng)以及“蜂群”無人機(jī)火控系統(tǒng)。下面分別研究這3 種火控系統(tǒng)的智能化。

3.1 有人機(jī)智能火控系統(tǒng)

有人機(jī)火控系統(tǒng)一般由傳感器、信息采集/傳輸/處理設(shè)備、武器投/射控制設(shè)備和人機(jī)交互設(shè)備組成。通過合理的人機(jī)功能分配，有人機(jī)智能火控系統(tǒng)除自動完成底層信息采集與處理、設(shè)備控制等工作外，重點輔助飛行員完成態(tài)勢評估、攻擊/防御決策、作戰(zhàn)飛行、武器操控，提高飛行員決策速度和質(zhì)量，降低飛行員工作負(fù)荷。

有人機(jī)智能火控系統(tǒng)功能主要包括：智能感知、智能認(rèn)知、智能協(xié)同、智能決策、智能交互、智能執(zhí)行、智能控制、智能保障等［7-8］。

1）智能感知：系統(tǒng)通過收集飛機(jī)傳感器和外部通訊信息，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、智能推理等方法，運(yùn)用已有知識實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境的了解及目標(biāo)的識別與跟蹤，并對未來變化進(jìn)行預(yù)測；同時采取最佳探測方案，保證對目標(biāo)的持續(xù)跟蹤與特征獲取。

2）智能認(rèn)知：系統(tǒng)將感知得到的信息進(jìn)行濾波、變換、融合、特征提取、特征識別等處理，綜合不同數(shù)據(jù)源獲得的信息，結(jié)合系統(tǒng)存儲與學(xué)習(xí)的經(jīng)驗與知識，形成實時的作戰(zhàn)態(tài)勢并進(jìn)行態(tài)勢評估。

3）智能協(xié)同：在多平臺共同執(zhí)行任務(wù)過程中，系統(tǒng)采取無縫、透明的協(xié)同機(jī)制和策略，保持平臺間的信息交互，保證各同構(gòu)/異構(gòu)平臺之間的互理解、可預(yù)測。

4）智能決策：系統(tǒng)綜合作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場態(tài)勢和我方資源情況，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊推理、對策論等智能方法進(jìn)行分析、規(guī)劃、推演、評估，形成并選擇有效、可行的行動方案。

5）智能交互：系統(tǒng)將戰(zhàn)場態(tài)勢和推薦的行動方案以圖形、圖像和語音等方式呈現(xiàn)給飛行員；采用復(fù)雜噪聲環(huán)境下的自然語音識別、低能見度條件下的增強(qiáng)視覺、觸摸感知等技術(shù)，采集飛行員的反饋信息，綜合識別飛行員的意圖并進(jìn)行反應(yīng)，實現(xiàn)與飛行員的無障礙、便捷交互。

6）智能執(zhí)行：系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確接受、識別飛行員的指令，利用內(nèi)部信息處理/控制設(shè)備，最優(yōu)化地執(zhí)行任務(wù)指令，精準(zhǔn)、低耗、有效地完成預(yù)期動作。

7）智能控制：系統(tǒng)在環(huán)境劇烈變化，或出現(xiàn)部件和子系統(tǒng)部分故障時，具有自主進(jìn)行大范圍調(diào)整控制參數(shù)以及調(diào)整控制結(jié)構(gòu)的能力，實現(xiàn)控制包線的擴(kuò)展以及控制性能的優(yōu)化。

8）智能保障：系統(tǒng)能夠收集、分析設(shè)備的狀態(tài)信息，基于剩余壽命預(yù)測，采用預(yù)知、主動的維修保障模式，實現(xiàn)裝備的集約、精確、敏捷的保障。

有人機(jī)智能火控系統(tǒng)可以采用層次化的體系架構(gòu)，包括基礎(chǔ)層、支撐層、功能層、應(yīng)用層。

基礎(chǔ)層主要解決人工智能的基礎(chǔ)科學(xué)問題，包括智能算法、智能芯片、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，為智能火控系統(tǒng)提供基礎(chǔ)智能服務(wù)。

支撐層主要包括相對獨立的火控關(guān)鍵技術(shù)群（如光電目標(biāo)識別、武器威力評估等）和人工智能應(yīng)用支撐技術(shù)（如系統(tǒng)構(gòu)型、運(yùn)行環(huán)境等）。

功能層實現(xiàn)智能感知、認(rèn)知、交互、決策、控制、協(xié)同、執(zhí)行、保障等功能。

應(yīng)用層面向不同的作戰(zhàn)任務(wù)，通過人機(jī)交互實現(xiàn)適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的作戰(zhàn)管理和OODA 環(huán)的優(yōu)化。

3.2 無人機(jī)智能火控系統(tǒng)

由于沒有飛行員在飛機(jī)上操縱，因此，無人機(jī)須自主完成作戰(zhàn)任務(wù)。其火控系統(tǒng)與有人機(jī)火控系統(tǒng)相比，可以不需要與飛行員的交互，但需要完成飛行員的相關(guān)功能。所以，無人機(jī)智能火控系統(tǒng)在系統(tǒng)組成上沒有人機(jī)交互設(shè)備，但系統(tǒng)功能同樣包括：智能感知、智能認(rèn)知、智能協(xié)同、智能決策、智能交互、智能執(zhí)行、智能控制、智能保障等，只是如下所述部分內(nèi)涵有區(qū)別［9］。

1）智能決策：系統(tǒng)綜合作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場態(tài)勢和我方資源情況，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊推理、對策論等智能方法進(jìn)行分析、規(guī)劃、推演、評估，確定最優(yōu)行動方案。

2）智能交互：系統(tǒng)將實施的行動方案及執(zhí)行情況以恰當(dāng)方式傳送給作戰(zhàn)指揮人員，接受并解析作戰(zhàn)指揮人員的任務(wù)指令。

3）智能執(zhí)行：系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確接受決策指令，利用內(nèi)部信息處理/控制設(shè)備，最優(yōu)化地執(zhí)行任務(wù)指令，精準(zhǔn)、低耗、有效地完成預(yù)期動作。

3.3 “蜂群”無人機(jī)智能火控系統(tǒng)

使用“蜂群”無人機(jī)作戰(zhàn)的主要思想是：利用“蜂群”無人機(jī)廉價、體積較小、可在戰(zhàn)場上高密度部署的特點，對作戰(zhàn)目標(biāo)形成數(shù)量優(yōu)勢，從而實施飽和攻擊。

由此，單架“蜂群”無人機(jī)與一般無人機(jī)相比功能相對簡單、能力相對較弱。如：單架“蜂群”無人機(jī)由于系統(tǒng)配置可能只具備探測能力、通信能力、武器運(yùn)載與投射能力、武器制導(dǎo)能力等能力中的一種或幾種，無法形成完整的OODA 打擊環(huán)；同時，傳感器探測范圍較小、通信距離較短、武器威力較弱等。

另外，“蜂群”中的無人機(jī)可能是同構(gòu)的，也可能是異構(gòu)的。

綜上，“蜂群”無人機(jī)的火控系統(tǒng)與一般無人機(jī)的火控系統(tǒng)最大的不同就是：“蜂群”無人機(jī)火控系統(tǒng)是分布式火控系統(tǒng)［10］。

“蜂群”無人機(jī)火控系統(tǒng)具備分布式火控系統(tǒng)的一般特點。但是，這個分布式火控系統(tǒng)是由大量無人機(jī)參與構(gòu)成的，既有資源冗余的優(yōu)勢又有復(fù)雜系統(tǒng)管理的需求。

智能“蜂群”無人機(jī)火控系統(tǒng)的功能與一般智能無人機(jī)火控系統(tǒng)一樣，包括智能感知、智能認(rèn)知、智能協(xié)同、智能決策、智能交互、智能執(zhí)行、智能控制、智能保障等。具有“蜂群”特點的功能如下：

1）智能感知：“蜂群”通過收集群內(nèi)無人機(jī)傳感器和外部通訊信息，運(yùn)用已有知識，采用分布/集中式處理方法實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境的了解及目標(biāo)的識別與跟蹤，并對未來變化進(jìn)行預(yù)測；同時充分利用群內(nèi)感知無人機(jī)的資源、采取最佳探測方案，保證對目標(biāo)的持續(xù)跟蹤與特征獲取。

2）智能認(rèn)知：“蜂群”將群內(nèi)無人機(jī)感知得到的信息進(jìn)行融合、處理，綜合群內(nèi)外的信息，結(jié)合無人機(jī)存儲與學(xué)習(xí)的經(jīng)驗與知識，形成實時的作戰(zhàn)態(tài)勢并進(jìn)行態(tài)勢評估。

3）智能決策：“蜂群”綜合作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場態(tài)勢和群內(nèi)無人機(jī)資源配置情況，進(jìn)行分析、規(guī)劃，形成有效、可行的行動方案。

4）智能交互：“蜂群”將群內(nèi)無人機(jī)狀態(tài)、實施的行動方案及執(zhí)行情況，以恰當(dāng)方式傳送給作戰(zhàn)指揮人員，接受并解析作戰(zhàn)指揮人員的任務(wù)指令；同時，保持群內(nèi)無人機(jī)之間的信息互通，保證每架無人機(jī)的任務(wù)明確。

5）智能執(zhí)行：每架“蜂群”無人機(jī)可以準(zhǔn)確接受并最優(yōu)化地執(zhí)行群決策指令；同時，控制機(jī)內(nèi)設(shè)備精準(zhǔn)、低耗、有效地完成預(yù)期動作。

由于“蜂群”無人機(jī)體積較小，具有較好的隱身性能，同時仍可具有較強(qiáng)的信息處理能力。再者，由于集群，無人機(jī)間距較小，易于在執(zhí)行攻擊任務(wù)時群內(nèi)建立滿足信息交互要求且穩(wěn)定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。這些都是成功完成任務(wù)的基礎(chǔ)。

根據(jù)群內(nèi)無人機(jī)的數(shù)量和特點，“蜂群”可以采用“集中控制”或“分級控制”或“一致協(xié)同”或“自發(fā)協(xié)同”等組織方式［11］。

集中控制：群內(nèi)每架無人機(jī)都與中心策劃者交互，中心策劃者協(xié)調(diào)所有任務(wù)。

分級控制：若干無人機(jī)組成一個小組，由組長領(lǐng)導(dǎo)；若干小組組成一個班，由班長領(lǐng)導(dǎo)。如此遞推。

一致協(xié)同：群內(nèi)每架無人機(jī)相互交流并通過“投票”等方式就某一方案達(dá)成一致。

自發(fā)協(xié)同：類似動物集群方式，無人機(jī)之間通過相互作用產(chǎn)生“蜂群”的整體行為。

4 以智能火控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空戰(zhàn)展望

4.1 空戰(zhàn)力量構(gòu)成

隨著智能技術(shù)的不斷進(jìn)步及其在裝備中的應(yīng)用，未來空戰(zhàn)力量構(gòu)成將具有以下3 種樣式：

1）采用智能火控系統(tǒng)的有人機(jī)作戰(zhàn)編隊。在這種作戰(zhàn)系統(tǒng)工作時以人類智能為主、人工智能為輔。

2）有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)編隊。在這種作戰(zhàn)系統(tǒng)工作時，有人機(jī)和無人機(jī)優(yōu)勢互補(bǔ)，人類智能和人工智能對等協(xié)作。

3）無人機(jī)自主作戰(zhàn)編隊/集群。在這種作戰(zhàn)系統(tǒng)工作時以人工智能為主、人類智能為輔。

4.2 作戰(zhàn)優(yōu)勢建立

作戰(zhàn)的結(jié)果取決于對抗各方裝備的質(zhì)量、數(shù)量，戰(zhàn)場環(huán)境，采取的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法等諸多因素。

未來，以智能火控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的空戰(zhàn)力量能夠在作戰(zhàn)中建立信息優(yōu)勢、認(rèn)知優(yōu)勢、決策優(yōu)勢和行動優(yōu)勢。信息優(yōu)勢就是獲取全面、實時、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場信息，使大數(shù)據(jù)成為一種可以利用的重要作戰(zhàn)資源；認(rèn)知優(yōu)勢就是準(zhǔn)確識別對手意圖，形成實時的作戰(zhàn)態(tài)勢并進(jìn)行態(tài)勢評估；決策優(yōu)勢就是快速形成多種針對性強(qiáng)的行動預(yù)案，并選擇最優(yōu)、可行的行動方案；行動優(yōu)勢就是精準(zhǔn)、靈活地執(zhí)行作戰(zhàn)方案。

在此基礎(chǔ)上，空戰(zhàn)力量可以綜合運(yùn)用動能、電磁能、網(wǎng)絡(luò)武器實現(xiàn)對目標(biāo)的多維、全向打擊，大規(guī)模集群飽和打擊，全距離精確打擊等多種攻擊方式。

在未來分布式、網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)環(huán)境中，單個作戰(zhàn)平臺的“殺傷鏈”將可以連結(jié)為空中力量的“殺傷網(wǎng)”，進(jìn)而在體系作戰(zhàn)中發(fā)揮航空火力快、準(zhǔn)、狠的打擊優(yōu)勢［12］。

4.3 空戰(zhàn)力量的典型運(yùn)用

4.3.1 有人/無人機(jī)協(xié)同制空作戰(zhàn)

采用有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)編隊進(jìn)行制空作戰(zhàn)時，有人機(jī)主要進(jìn)行編隊的指揮控制，無人機(jī)主要進(jìn)行具體的任務(wù)執(zhí)行。

在作戰(zhàn)體系的支援下，作戰(zhàn)單元在空中完成集結(jié)、編隊；有人機(jī)進(jìn)行實時作戰(zhàn)任務(wù)管理，指揮無人機(jī)對需要控制的空域進(jìn)行搜索；通過對多源信息進(jìn)行融合處理，建立戰(zhàn)場態(tài)勢；在智能火控系統(tǒng)輔助下人類指揮員進(jìn)行決策，形成交戰(zhàn)方案并發(fā)送至各作戰(zhàn)單元。各作戰(zhàn)單元根據(jù)任務(wù)指令，運(yùn)行OODA環(huán)，完成智能感知、智能認(rèn)知、智能協(xié)同、智能決策、智能交互、智能執(zhí)行。在交戰(zhàn)過程中，有人機(jī)根據(jù)編隊作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)和實時交戰(zhàn)結(jié)果，對各作戰(zhàn)單元不斷進(jìn)行任務(wù)調(diào)整；同時與作戰(zhàn)體系保持信息交互。交戰(zhàn)結(jié)束、任務(wù)完成后，有人機(jī)指揮編隊返航。

4.3.2 異構(gòu)無人機(jī)作戰(zhàn)集群對面打擊

采用異構(gòu)無人機(jī)作戰(zhàn)集群對面目標(biāo)實施自主打擊時，作戰(zhàn)體系相關(guān)單位首先進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。根據(jù)需打擊的目標(biāo)特點和期望的作戰(zhàn)結(jié)果以及戰(zhàn)場威脅情況，確定集群的組成、規(guī)模以及集群的組織結(jié)構(gòu)和協(xié)同規(guī)則；同時制定初步的行動方案［13］。

無人機(jī)群或起飛升空、或空中布放后，在規(guī)定的空域完成集結(jié)，然后按方案飛向目標(biāo)區(qū)域。偵察功能無人機(jī)對需打擊的目標(biāo)進(jìn)行實時探測、定位、觀察其狀態(tài)；打擊功能無人機(jī)完成武器投射，制導(dǎo)功能無人機(jī)完成對武器的制導(dǎo)；指揮功能無人機(jī)收集戰(zhàn)場信息、評估打擊效果和戰(zhàn)損、作出再次攻擊決策并向群內(nèi)無人機(jī)發(fā)布行動方案，同時保持作戰(zhàn)群與作戰(zhàn)體系的聯(lián)系。打擊任務(wù)完成后，指揮功能無人機(jī)組織集群返航。

在群無人機(jī)可能只具備一種功能，也可能具備多種功能。

5 結(jié)論

武器系統(tǒng)智能化是應(yīng)對未來戰(zhàn)爭挑戰(zhàn)的重要手段，航空火力控制系統(tǒng)的智能化是提升空戰(zhàn)力量的重要途徑。智能航空火控系統(tǒng)不是為了簡單地代替飛行員，而是通過提供持久的、無限的潛能，延伸和擴(kuò)大人的可觸及范圍，超越人類的生理極限執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)；同時，避免飛行員參與可能危及生命的任務(wù)，減輕其工作負(fù)荷。智能航空火控系統(tǒng)的使用不僅能大幅提升作戰(zhàn)飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力，還能極大降低裝備全壽命周期的費(fèi)用。

目前，人工智能及智能航空火控系統(tǒng)的發(fā)展方興未艾，在實現(xiàn)航空火控系統(tǒng)智能化的征途上還有許多艱難險阻，需要有志之士并肩奮斗、攜手跨越！