有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

王新堯，孫厚俊，王朝陽，曹云峰

（1. 南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院，南京210016；2. 洛陽電光設(shè)備研究所，洛陽471000）

1 引 言

當(dāng)前，無人機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)的軍事任務(wù)正在由安全空域執(zhí)行情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)向戰(zhàn)場對抗環(huán)境下執(zhí)行對地打擊、空戰(zhàn)等作戰(zhàn)任務(wù)方向擴(kuò)展［1］，但由于技術(shù)水平的限制，目前現(xiàn)役無人機(jī)不具備對意外事件實時響應(yīng)處理能力，因此在對抗環(huán)境中易處于誘騙、干擾和被打擊的險境，導(dǎo)致其自衛(wèi)和空中對抗能力不足，甚至失去制空權(quán)。綜上，在未來較長的時期內(nèi)無人機(jī)難以在戰(zhàn)場對抗環(huán)境中實現(xiàn)完全自主作戰(zhàn)，其執(zhí)行任務(wù)時還需要由人通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行操作和控制。然而，現(xiàn)有的“地面站遠(yuǎn)程異地控制無人機(jī)”模式［2］，存在數(shù)據(jù)鏈中斷和決策延時等缺陷，難以支撐無人機(jī)在戰(zhàn)場對抗環(huán)境下遂行作戰(zhàn)任務(wù)，而采用有人機(jī)決策模式，可以實現(xiàn)對無人機(jī)的就近指揮。同時，無人機(jī)與有人機(jī)在認(rèn)知能力、平臺能力、機(jī)載傳感器和武器性能等方面存在能力互補的天然優(yōu)勢［3］。通過兩者優(yōu)勢互補，可有效彌補有人機(jī)/無人機(jī)能力不足，提高無人機(jī)對作戰(zhàn)環(huán)境變化的應(yīng)對能力、作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)場生存能力。有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)將是未來戰(zhàn)場中重要的空中作戰(zhàn)模式。

有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)的重點是針對無人機(jī)和有人機(jī)混合編隊，研究多無人機(jī)與有人機(jī)決策體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)設(shè)計［4-6］、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃［7-10］、協(xié)同成像偵察［11］、人機(jī)協(xié)作［12-13］等方向。其中人機(jī)協(xié)作問題是有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同區(qū)別于傳統(tǒng)單一有人系統(tǒng)或單一無人系統(tǒng)的主要問題。人機(jī)協(xié)作中，操作員的狀態(tài)、無人機(jī)自主程度以及當(dāng)前態(tài)勢等變化，會給整個系統(tǒng)帶來不確定因素。Marcus Wohler 針對操作員的狀態(tài)和無人機(jī)通信鏈路的變化，提出了雙模認(rèn)知自動化智能輔助系統(tǒng)架構(gòu)［12］，該架構(gòu)系統(tǒng)的表述了人與無人機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。然而，該系統(tǒng)架構(gòu)仍然面臨操作員耐力不足的危機(jī)，主要原因是原系統(tǒng)的操作員是在地面控制且只需要決策一架無人機(jī)，難以實現(xiàn)一架有人機(jī)同時指揮引導(dǎo)多架無人機(jī)的作戰(zhàn)要求。

為了解決上述問題，本文研究了有人機(jī)/無人機(jī)編隊決策系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并針對不同場景下對決策結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性要求，將雙模認(rèn)知自動化智能輔助系統(tǒng)架構(gòu)改進(jìn)擴(kuò)展為三模認(rèn)知自動化決策系統(tǒng)架構(gòu)，給出操作員決策策略和與智能系統(tǒng)的交互機(jī)制，通過提供冗余的任務(wù)管理功能，提高操作員指揮多架無人機(jī)的能力。

2 有人機(jī)/無人機(jī)編隊系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

多智能體控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要是表示多智能體系統(tǒng)中的信息和控制關(guān)系，反映該系統(tǒng)的信息存儲、共享方式以及問題求解能力的分布模式等［14］。常見的有人機(jī)/無人機(jī)編隊體系結(jié)構(gòu)有：完全集中式（無人機(jī)配合有人機(jī)，完全依賴有人機(jī)決策）、有限集中分布式（有人機(jī)協(xié)助無人機(jī)，無人機(jī)具有一定的自主功能，有人機(jī)可修正決策）、無中心分布式（無人機(jī)能夠自主決策，與有人機(jī)互補互動）［2］。分別如圖1～3所示。

圖1 集中式結(jié)構(gòu)Fig.1 Centralized structure

圖2 有限集中分布式結(jié)構(gòu)Fig.2 Limited centralized distributed command structure

圖3 無中心分布式結(jié)構(gòu)Fig.3 Distributed structure

在不同的決策結(jié)構(gòu)中，有人機(jī)和無人機(jī)的人機(jī)功能分配不同［14］。集中式?jīng)Q策結(jié)構(gòu)中有人機(jī)直接生成決策指令發(fā)送給無人機(jī)，無人機(jī)之間不通信；全自主分布式指揮結(jié)構(gòu)指有人機(jī)不再發(fā)送決策指令，決策結(jié)果由各個無人機(jī)協(xié)商生成；有限集中式控制指揮結(jié)構(gòu)是指部分無人機(jī)完全依賴有人機(jī)決策控制。通常異構(gòu)無人機(jī)會處于不同智能等級或發(fā)生通信狀態(tài)異常等情況，導(dǎo)致無人機(jī)對有人機(jī)決策依賴程度存在的差異。因此，有必要將三種控制結(jié)構(gòu)集成到一個統(tǒng)一的框架下，根據(jù)實際任務(wù)需求的不同采取相對應(yīng)的決策結(jié)構(gòu)，而實現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵在于其決策系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計。

3 有人機(jī)/無人機(jī)編隊系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策系統(tǒng)中起到?jīng)Q策功能的智能決策智能體包括人類操作員、有人機(jī)機(jī)載智能決策輔助系統(tǒng)和無人機(jī)機(jī)載智能決策輔助系統(tǒng)，如圖4 所示，機(jī)器人頭部所象征機(jī)載智能決策系統(tǒng)安裝在有人機(jī)和每一架無人機(jī)上。傳統(tǒng)的人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）被擴(kuò)展到人、機(jī)器和智能體的接口（Human Machine and Agent Interface，HMAI），以實現(xiàn)人類和智能體之間通信。智能決策體通過控制機(jī)載無人機(jī)自身裝備的飛行控制系統(tǒng)（Flight Control System，F(xiàn)CS）和飛行管理系統(tǒng)（Flight Management System，F(xiàn)MS），決策無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)。

將人類操作員工作狀態(tài)分為“人在回路內(nèi)”“人在回路上”和“人在回路外”，以適應(yīng)不同態(tài)勢、不同操作員狀態(tài)下對決策主體的需求，“人在回路內(nèi)”“人在回路上”和“人在回路外”的三種人類工作狀態(tài)所對應(yīng)的機(jī)載智能決策系統(tǒng)可處于3 種狀態(tài)，如圖5～7所示。

圖4 有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策系統(tǒng)組成Fig.4 Manned/unmanned aerial vehicle formation collaborative operation decision system composition

圖5 人在回路內(nèi)Fig.5 People in the loop

圖6 人在回路上Fig.6 People on the loop

圖7 人在回路外Fig.7 People off the loop

人在回路內(nèi)時：工作目標(biāo)主要由操作人員完成，有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)仍在工作，起到提示操作員的功能，對應(yīng)體系結(jié)構(gòu)為集中式體系結(jié)構(gòu)。無人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)督無人機(jī)飛行狀態(tài)和執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)，并將無人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)反饋給有人機(jī)。

人在回路上時：當(dāng)無人機(jī)智能程度不足時，人類監(jiān)督有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)決策無人機(jī)，無人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)仍然只負(fù)責(zé)監(jiān)督無人機(jī)飛行狀態(tài)和執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)。當(dāng)無人機(jī)智能程度滿足當(dāng)前任務(wù)需求時，無人機(jī)可自主協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，將決策結(jié)果反饋回有人機(jī)，取代了有人機(jī)智能決策系統(tǒng)地位。

人在回路外時：當(dāng)無人機(jī)鏈路可用，有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)取代人類操作員工作；反之，無人機(jī)鏈路不可用時，無人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)取代人類操作員工作。

由上述可知，除了直接采用有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)、無人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)決策結(jié)果和操作員直接輸入決策指令外，還有操作員與機(jī)載智能決策系統(tǒng)的切換（操作員與機(jī)載決策系統(tǒng)的切換機(jī)制流程圖如圖8 所示）。值得注意的是，當(dāng)有人機(jī)/無人機(jī)編隊中無人機(jī)數(shù)量大于1 時，對于不同的無人機(jī)來說，無人機(jī)可處于不同的通信鏈路狀態(tài)或不同的自主程度，因此其決策來源也會因此不同。

圖8 操作員與機(jī)載智能決策系統(tǒng)切換機(jī)制流程圖Fig.8 Flow chart of switching mechanism between operator and airborne intelligent decision system

操作員和有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)均可為無人機(jī)提供決策指令，實現(xiàn)集中式?jīng)Q策體系結(jié)構(gòu)；無人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)可實現(xiàn)無人機(jī)間協(xié)同決策，實現(xiàn)無中心分布式?jīng)Q策體系結(jié)構(gòu)和有限集中分布式控制體系結(jié)構(gòu)。因此，上述架構(gòu)可以適應(yīng)不同體系結(jié)構(gòu)的有人機(jī)/無人機(jī)編隊決策系統(tǒng)。此外有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)和無人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)可提供任務(wù)管理的冗余功能，提高操作員決策多架無人機(jī)的能力。

4 仿真結(jié)果及分析

雖然提出的基于三模認(rèn)知自動化的決策系統(tǒng)架構(gòu)能夠減輕操作員決策無人機(jī)負(fù)擔(dān)問題，但該架構(gòu)也帶來存在多個決策指令時可能導(dǎo)致的邏輯混亂的問題。因此，仿真實驗的主要目標(biāo)是對該架構(gòu)進(jìn)行決策邏輯驗證，避免由于決策主體增加而產(chǎn)生的決策沖突等問題。IBM Rational Rhapsody 可以實現(xiàn)模型與底層代碼（C++、Java 或Ada）的雙向關(guān)聯(lián)，通過構(gòu)建架構(gòu)的動態(tài)模型，支持對架構(gòu)的驗證分析，因此選擇該工具來構(gòu)建有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策系統(tǒng)架構(gòu)的可執(zhí)行模型［15］。

以有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)協(xié)同對空攻擊作戰(zhàn)為背景，對有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策系統(tǒng)架構(gòu)的邏輯合理性進(jìn)行驗證。本項目考慮的影響決策智能體變化的因素主要有：無人機(jī)-無人機(jī)通信、有人機(jī)-無人機(jī)通信條件、操作員狀態(tài)和無人機(jī)自主等級，具體如表1所示。

表1 有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策指令來源Table 1 Source of dicision for manned/unmanned aerial vehicle formations

在有人機(jī)-無人機(jī)通信鏈路可用狀態(tài)下，有人機(jī)和無人機(jī)狀態(tài)圖如圖9 所示。當(dāng)有人機(jī)發(fā)送send_command（.）（決策指令）轉(zhuǎn)入attack_object（.）（攻擊任務(wù)）狀態(tài)，觸發(fā)make_command_to_air（.）事件，即無人機(jī)接受到?jīng)Q策指令，轉(zhuǎn)入air_attack（作戰(zhàn)模式）狀態(tài)。

圖9 通信鏈路正常-有人機(jī)/無人機(jī)狀態(tài)圖Fig.9 Communication link normal-status diagram of manned/unmanned aerial vehicle

當(dāng)操作員在控制回路內(nèi)，發(fā)送操作員輸入的指令決策無人機(jī)時，有人機(jī)狀態(tài)圖如圖10 所示。auto_desition_assistance（.）（有人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)）為操作員建議，但操作人觸發(fā)not_agree 事件（不同意當(dāng)前有人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)提供的建議指令），操作人狀態(tài)由polit_on（.）（操作員在控制回路上）轉(zhuǎn)為polit_in（.）（操作員在控制回路內(nèi)）狀態(tài)，決策指令由polit_handle（.）（操作員手動輸入）實現(xiàn)。

圖10 操作員在線-有人機(jī)狀態(tài)圖Fig.10 People in the loop-status diagram of manned aerial vehicle

圖11 操作員采納建議-有人機(jī)狀態(tài)圖Fig.11 People on the loop-status diagram of manned aerial vehicle

當(dāng)操作員在控制回路上，但采用了有人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)的建議方案，有人機(jī)狀態(tài)圖如圖11 所示。操作員觸發(fā)agree 事件，操作員狀態(tài)由polit_on（.）（操作員在控制回路上）轉(zhuǎn)為polit_off（.）（操作員在控制回路外），直接發(fā)送由有人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)提供的指揮命令。

圖12 操作員輸入超時-有人機(jī)狀態(tài)圖Fig.12 People off the loop-status diagram of manned aerial vehicle

圖13 通信鏈路斷-無人機(jī)狀態(tài)圖Fig.13 Communication link unnormal-status diagram of unmanned aerial vehicle

當(dāng)操作員在控制回路上，但由于操作員狀態(tài)不佳等問題導(dǎo)致輸入指令超時，則操作員狀態(tài)由polit_in（.）（操作員在控制回路內(nèi)）轉(zhuǎn)至polit_off（.）（操作員在控制回路外），狀態(tài)圖如圖12 所示。此時，決策指令仍由auto_desition_assistance（.）（有人機(jī)機(jī)載決策系統(tǒng)）提供。

在有人機(jī)/無人機(jī)通信鏈路不可用狀態(tài)下，無人機(jī)狀態(tài)圖如圖13 所示。有人機(jī)無法發(fā)送決策指令，無人機(jī)直接轉(zhuǎn)入full_auto（.）（全自主控制模式）狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本文針對有人機(jī)/無人機(jī)編隊協(xié)同作戰(zhàn)決策系統(tǒng)中三種典型的決策結(jié)構(gòu)，探討了三種決策結(jié)構(gòu)對有人機(jī)和無人機(jī)功能分配的影響和對不同任務(wù)需求的適應(yīng)性。提出的三模認(rèn)知自動化決策架構(gòu)將三種決策結(jié)構(gòu)集成到一個統(tǒng)一的架構(gòu)下，架構(gòu)中作為決策系統(tǒng)的組件有操作員、有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)和無人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)，其中有人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)和無人機(jī)機(jī)載智能決策系統(tǒng)可提供任務(wù)管理的冗余功能，以提高整體決策系統(tǒng)的魯棒性和決策能力。仿真實驗中，針對有人機(jī)操作員負(fù)荷、無人機(jī)與有人機(jī)通信鏈路狀態(tài)和無人機(jī)自主等級等因素影響，驗證了決策指令獲取的邏輯，結(jié)果表明，面向不同任務(wù)需求或處于不同系統(tǒng)狀態(tài)時，無人機(jī)都有效適應(yīng)并執(zhí)行任務(wù)。