面向集群攻防作戰(zhàn)的等效驗證與訓練評估

武梅麗文 王蒙一 王曉東 宋勛

當今時代人工智能發(fā)展取得突破性成果,并加速向軍事領域轉移,對戰(zhàn)爭形態(tài)產(chǎn)生顛覆性影響,智能化戰(zhàn)爭拉開序幕,近些年“馬賽克戰(zhàn)”、“分布式作戰(zhàn)”、“集群攻防作戰(zhàn)” 等標有信息科學、生物科學、智能科學特征的作戰(zhàn)策略、作戰(zhàn)理念興起,開拓人類對戰(zhàn)爭的認知空間,將戰(zhàn)場從物理空間延伸到認知、網(wǎng)面等無形的架構中去,智能化更像是采用一種“意志” 元素施加于對手,在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術層面奪取軍隊、武器、人的思維主導權,智能化戰(zhàn)爭的表現(xiàn)形式逐漸從“以信息為核心作戰(zhàn)”轉變?yōu)椤耙詻Q策為核心作戰(zhàn)”,從致力于掌握信息優(yōu)勢向掌握決策優(yōu)勢轉變,從能源對抗技能較量向智能較量轉變,科學的理念在不斷發(fā)生改變,現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越重視以非純軍事手段來達到戰(zhàn)爭目的作戰(zhàn)方法,如果說傳統(tǒng)物理戰(zhàn)是戰(zhàn)爭的基石,那么信息戰(zhàn)、智能戰(zhàn)等則是物理戰(zhàn)的增強版拓展,是新興科學融會貫通的產(chǎn)物,是體系作戰(zhàn)的表象.2018年1月武裝組織以集群攻防戰(zhàn)略部署無人機群攻擊俄方駐扎敘利亞的軍事基地,13架被俄部隊截獲或摧毀,雖未造成損失,但是該實例代表集群攻防首次在實戰(zhàn)中進行應用,預示著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的轉變,集群攻防作戰(zhàn)必將成為將來戰(zhàn)場環(huán)境的主要部署方式.

2017年4月美國國防部長羅伯特沃克簽署成立算法戰(zhàn)跨職能小組,旨在加快美國防融入算法戰(zhàn)略、機器學習技術的進度,全面實現(xiàn)算法戰(zhàn),以大數(shù)據(jù)致勝,集群攻防在決策層面亦是依賴數(shù)據(jù)實現(xiàn)協(xié)同規(guī)劃、博弈與決策,對于數(shù)據(jù)的訓練則需要合理的等效驗證與訓練評估的科學手段,來獲取有效數(shù)據(jù)庫,指導戰(zhàn)場決策,在此背景下,本文面向集群攻防作戰(zhàn),針對協(xié)同指揮控制系統(tǒng)的等效驗證與訓練評估進行歸納分析,梳理幾種典型的集群驗證架構,為未來實踐提供參考.

1 集群攻防概述

1.1 發(fā)展脈絡

隨著時代的推進,作戰(zhàn)的形式演變出很多表述方法,如“空海地一體戰(zhàn)”、“拒止戰(zhàn)”、“網(wǎng)絡中心站”、“決策中心戰(zhàn)”、“馬賽克戰(zhàn)”等等,雖然不同說法所強調的作戰(zhàn)方式、特點各有差異,所描述的戰(zhàn)略體系、兵力結構不盡相同,但是其中所表達的戰(zhàn)爭的本質是不變的,兵力設計方法的演變始終遵循著一定的規(guī)律.2007年美國蘭德公司在《深入龍?zhí)丁袊唇槿霊?zhàn)略及其對美國的影響》一文中將“反介入”表述為“任何旨在遲滯美軍及其盟友進入戰(zhàn)區(qū)的行動”[1],美國國防部為了更好地描述這類威脅的概念,把反介入和區(qū)域拒止一起使用,并在2010年《空海一體戰(zhàn)——初始作戰(zhàn)概念》一文中明確反介入/區(qū)域拒止系統(tǒng)的組成[2],2010年美國戰(zhàn)略與預算評估中心發(fā)布《空海一體戰(zhàn):戰(zhàn)役構想的起點》研究報告,描述了美軍如何利用空間力量等作戰(zhàn)行動奪取制天權和制信息權,搗毀敵方“反介入／區(qū)域拒止”作戰(zhàn)能力[3],隨著信息時代的推進,作戰(zhàn)形式更加碎片化,群智的地位愈發(fā)凸顯,多功能高精尖單系統(tǒng)平臺的地位被弱化.

在這樣的背景下,美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)于2014年提出分布式空中作戰(zhàn)概念,旨在用多模塊低成本自主無人機群將高精尖戰(zhàn)機的復雜功能分解,推進作戰(zhàn)指揮決策能力發(fā)展,實現(xiàn)更高水平的系統(tǒng)化作戰(zhàn)能力[4],2017年DARPA 提出“馬賽克戰(zhàn)”理念,設計一種針對體系作戰(zhàn)策略的兵力設計方案.“馬賽克戰(zhàn)” 取靈感于“馬賽克” 繪畫,集合模塊化拼裝的特點,以低成本、功能單一的小型系統(tǒng),構建大量動態(tài)集成的綜合平臺,實現(xiàn)作戰(zhàn)體系具有高彈性、高靈活性.

集群攻防的發(fā)展是應時代而生的,趨于復雜化、碎片化的社會環(huán)境造就兵力設計理念的演變,不再局限于海、陸、空的分類,而是把戰(zhàn)場或是社會中所有可以利用的信息、平臺資源整合,形成體系化、渾然一體的作戰(zhàn)策略.

1.2 集群攻防的分類

集群攻防的核心技術有集群內(nèi)信息共享、智能決策、協(xié)同指揮控制等,其技術的成熟發(fā)展必將大幅度推進海、陸、空、天、潛等諸多不同類型無人平臺系統(tǒng)的軍事應用發(fā)展[5],若按形式分類,集群攻防的概念可以延伸至海陸空天全軍事領域,借助空中“蜂群”“鳥群”;陸上“獸群”;海中“魚群”等概念的“形”覆蓋整個戰(zhàn)場空間,若按空間尺度分類,可根據(jù)集群系統(tǒng)的空間輻射能力歸納,如專注于地面范圍的無人車集群攻防、低空領域的無人機集群攻防和更大空間尺度的導彈分布式集群作戰(zhàn)等,每一種空間尺度所考慮的集群攻防指揮控制問題各不相同,如無人機集群攻防場景,“攻”力圖覆蓋全作戰(zhàn)疆域,用細碎的作戰(zhàn)單元填充戰(zhàn)場細微空間,彌補傳統(tǒng)作戰(zhàn)盲區(qū)的缺陷,而“防”則考慮硬殺傷或軟殺傷兩類,反制策略涉及鏈路控制、干擾阻絕切斷指令信號,或物理殺傷直接摧毀單元作戰(zhàn)平臺,借助攔截、火力裝置等[6],又如導彈集群攻防場景,通過導彈集群協(xié)同作戰(zhàn)可令多發(fā)導彈相互配合、協(xié)作,執(zhí)行戰(zhàn)斗任務,增強指揮控制效率,導彈協(xié)同攻防有領彈 攻擊彈形式、分布式協(xié)同形式,可依據(jù)戰(zhàn)毀評估指標最優(yōu)化任務指揮決策,提高擊毀率.

1.3 集群攻防特點

作為分布式作戰(zhàn)的核心形式,“馬賽克戰(zhàn)” 有以下兩個方面的特點:時間層面,“馬賽克戰(zhàn)”可實現(xiàn)作戰(zhàn)兵力的最大化廣域分布;時間層面,“馬賽克戰(zhàn)”可推動作戰(zhàn)指揮控制流程的節(jié)點化要素分離[7],以馬賽克概念為例,集群攻防有以下特點:

第1,目的性強,對抗性強,集群作戰(zhàn)旨在從致勝機理上塑造整體的攻防態(tài)勢,接受局部的次優(yōu)化,更強調全布局各個環(huán)節(jié)要素的協(xié)調高速運行,通過人、無人系統(tǒng)、復雜場景的高度融合協(xié)作,從多個方向、多種維度對敵方發(fā)動攻擊,意在給敵方鋪設多層迷惑信息干擾指揮控制決策指向,關注敵方關鍵節(jié)點或高價值目標,如鏈路關鍵節(jié)點、指揮控制系統(tǒng)、偵察情報系統(tǒng)、火力系統(tǒng)等,重點干擾、打擊關鍵節(jié)點在作戰(zhàn)體系中的信息流[8],使作戰(zhàn)要素相互獨立,實現(xiàn)破壞敵方作戰(zhàn)系統(tǒng)架構、摧毀敵方作戰(zhàn)要素之間協(xié)作網(wǎng)絡等的強對抗性能力.

第2,應對拒止環(huán)境,魯棒性強,正如美國對其作戰(zhàn)環(huán)境從絕對?？諆?yōu)勢向大國間的拒止作戰(zhàn)轉換的思考,提出馬賽克集群攻防理念以應對作戰(zhàn)戰(zhàn)略的轉型、戰(zhàn)場環(huán)境的變遷,追求強適應性的體系作戰(zhàn)策略[9],“馬賽克”的概念就是以低成本的“小”元素,排列重組適應搭配,得到全新的能夠融于新環(huán)境的體系架構,以碎片化元素構建多樣的全局形式,將單元素模塊進行高效快捷的重組拼湊,實現(xiàn)多種群體構型,在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中,構建具有高彈性的作戰(zhàn)架構,在被干擾、摧毀條件下能夠快速自我重組,對變換的環(huán)境表現(xiàn)出強魯棒性.

第3,力量匯聚,殺傷力強,如圖1所示,現(xiàn)今戰(zhàn)時環(huán)境中“觀察、判斷、決策、行動”的殺傷鏈更為集成、綜合,馬賽克理念旨在在作戰(zhàn)區(qū)域建立聯(lián)合殺傷網(wǎng),以冗余網(wǎng)絡節(jié)點形式,實現(xiàn)多殺傷路徑的集群攻防,強調不依賴于某一種先進作戰(zhàn)平臺戰(zhàn)斗,而是注重多平臺構建作戰(zhàn)體系架構實現(xiàn)力量匯聚,以獲得強大的殺傷力,拋棄作戰(zhàn)裝備的限制,重點優(yōu)化指揮控制系統(tǒng)的效率,搭建冗余節(jié)點網(wǎng)絡的指揮控制架構,以獲取面向全網(wǎng)面的強大殺傷力和抗干擾能力[10].

第4,迭代升級快,創(chuàng)新性強,傳統(tǒng)的作戰(zhàn)形式過于依賴高性能作戰(zhàn)平臺,先進化平臺研發(fā)緩慢,需要國家上下多層次把控推進,導致作戰(zhàn)策略更新迭代緩慢、創(chuàng)新水平較弱,而集群攻防的優(yōu)勢則是利用低成本小系統(tǒng)進行集成,形式多樣靈活,不拘泥于傳統(tǒng)體系的框架,在指揮控制策略、作戰(zhàn)體系模式的嘗試上更新迭代迅速,更容易進行創(chuàng)新性理念的實現(xiàn),牽引未來兵力設計發(fā)展.

圖1 馬賽克理念殺傷鏈功能圖Fig.1 Mosaic concept kill chain function diagram

2 等效驗證概念

2.1 概念定義

對于等效驗證概念來說,一是理解“驗證”,檢驗或檢測模型的精準性;二是理解“測試”,指揮控制系統(tǒng)的“測試”,常指對系統(tǒng)的功能和性能指標進行檢測;三是理解“等效”,對于指揮系統(tǒng)在實戰(zhàn)條件下,描述一種在實際或接近實際的應用條件下的一種近似環(huán)境,對軍事指揮控制系統(tǒng)的等效驗證可描述為,對已經(jīng)部分開發(fā)或全部開發(fā)的指揮控制系統(tǒng),根據(jù)使用方要求,在實際或接近實際的應用環(huán)境下(考慮邊界、應急等特殊條件),進行各項戰(zhàn)術指標的全面檢驗,測試技術指標是否符合預期的全部試驗的統(tǒng)稱[11],“驗證”中考慮的關鍵問題為:檢驗各項技術指標是否滿足要求;獲取哪些指標(不)滿足要求;獲取技術指標(不)滿足要求的程度;獲取技術指標的極值和對應的條件等.

滑動軸承油膜水平分力Fh(無量綱)和垂直分力Fv(無量綱)計算公式如下，規(guī)定正方向：Fh水平向右，F(xiàn)v垂直向上。

2.2 “效”的內(nèi)涵

Joel S.Lawson 于20世紀70年代中期最早提出指揮控制系統(tǒng)的概念模型,其綜合過程以“感知、處理、比較、決策、執(zhí)行”5個環(huán)節(jié)進行描述[12],結合現(xiàn)今作戰(zhàn)形式的發(fā)展,可對指揮控制過程進行進一步提煉,歸納出4個關鍵能力:感知能力、指揮決策能力、信息傳遞能力和執(zhí)行能力,等效驗證中“效”的內(nèi)涵即可由這些能力指標來描述.

一是感知能力,感知能力的指標體系可包含感知精準度、感知空間范圍尺度、感知多源融合度等.系統(tǒng)的感知能力由多種傳感器實現(xiàn),每一種傳感器像GPS、雷達、激光等都有其適用的空間尺度范圍及環(huán)境條件,感知精準度一是代表單傳感器個體的精度,二是代表多傳感器融合后感知體系整體的精度,具體到位置誤差、速度誤差、感應距離等,感知體系的精確指標與多源數(shù)據(jù)融合的架構息息相關.

二是指揮決策能力,由決策最優(yōu)性、決策速度、決策協(xié)同能力、分布式?jīng)Q策能力等表征,決策最優(yōu)性反應指揮決策的理論性能,而決策速度、協(xié)同能力、分布式能力表征指揮決策的綜合實踐能力,決策速度越快,決策最優(yōu)性在實際中的保持度越高;決策協(xié)同能力反應在集群攻防工況下,單元體之間互通信息、分布式?jīng)Q策最終達到全局優(yōu)化的整體效果,具體可由協(xié)同決策時間、支持異構單元體數(shù)量、決策任務冗余度等描述.

三是信息傳遞能力,指揮控制系統(tǒng)的信息傳遞能力主要反映在通訊網(wǎng)性能上,可由通訊頻率、通訊網(wǎng)抗干擾能力、數(shù)據(jù)互操作性等表征,具體來說一是通信速度要快,二是通訊要穩(wěn)定可靠,三是通訊作用于多源異構體,不管是仿真節(jié)點還是物理節(jié)點,匹配度要高、互操作性要強.

四是執(zhí)行能力,主要涉及執(zhí)行節(jié)點的適應重組能力、異構操作能力、人機交互能力等,具體來說適應重組能力反應在集群攻防的異構群體在面對場景變化時進行適應重組的成功率及其所需的時間;異構操作能力為異構群體在接收指揮控制系統(tǒng)的協(xié)同決策指令后的執(zhí)行效能,如響應速度、控制精度等;人機交互能力描述“人”在集群攻防作戰(zhàn)中的操控能力及“機”對于“人”行為或需求的感知能力.

2.3 “等”的內(nèi)涵

等效驗證中“等”的內(nèi)涵主要是應“效”而生的.針對每一項“效”的指標,“等”的目標是來驗證,縱觀“效”的指標會發(fā)現(xiàn)不管是哪一種能力,其底層的指標都是由一些具體參數(shù)描述的,如速度、控制誤差、距離、通訊帶寬等,但是如何讓這些具體參數(shù)協(xié)調起來驗證整體的效能,還需要結合更為綜合的驗證手段,集群攻防作戰(zhàn)涉及大量小型的異構單元體,除了需要檢測單元個體的控制性能,還需模擬多異構體之間如何實現(xiàn)分布式協(xié)同決策、交互操作,測試群體智能水平,為了驗證體系效能,需搭建異構無人集群系統(tǒng)虛實結合迭代演化綜合仿真平臺,構建虛實結合仿真數(shù)據(jù)庫,訓練提高仿真模型精確度,解決仿真模型同實際集群體間的匹配問題,完成多源交互迭代演化評估的仿真機制,提高系統(tǒng)對復雜不確定環(huán)境的適應性,驗證復雜系統(tǒng)的安全性,構建多源交互虛實結合演化平臺,其中虛系統(tǒng):異構無人集群虛擬仿真平臺;實系統(tǒng):異構無人集群試驗平臺,相互迭代驗證,可提高仿真平臺質量及試驗平臺性能.開發(fā)分布式仿真體系架構,上層建筑為決策層,搭建仿真系統(tǒng)為實現(xiàn)復雜場景任務所需的智能決策算法;中層為交互通信層,處理集群個體與物理或仿真環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換;下層代表個體層,搭建集群個體模型、場景模塊化模型、集群行為仿真模型等,三層次共同構成虛實結合仿真平臺的整體架構,驗證系統(tǒng)需建立智能化決策算法,使仿真系統(tǒng)具備與實物模型、半實物仿真和真實場景高精度匹配的決策能力,將基于仿真系統(tǒng)的策略應用于實物驗證環(huán)節(jié),應用實物數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)修正決策模型的置信度,最終搭建沉浸式仿真環(huán)境,實現(xiàn)更為逼真的仿真效果模擬復雜任務場景.

3 訓練評估方法

集群攻防條件下訓練評估方法可以分為3個方面,一是對于人員的訓練評估,二是對于作戰(zhàn)平臺的訓練評估,三是對于指揮控制決策體系的訓練評估.

第1方面人員的訓練評估,可以參考傳統(tǒng)作戰(zhàn)形式,首先構建作戰(zhàn)指揮模擬訓練效果評估的模型,從人員學習能力、教員訓練方式和指揮模擬訓練系統(tǒng)3個一級指標進行分析,采用層次分析法和模糊綜合評價方法對技術指標權重設計進行定量分析[13],完成指揮模擬訓練指標體系的權重計算,多指標綜合評價的權重反映了各個指標對上層目標的影響程度以及指標之間的相對重要程度,計算指標的綜合評判結果,以定量評估模擬訓練的效果.根據(jù)評估結果可獲得指揮模擬訓練的影響因素,進而更加注重培養(yǎng)人員的自主學習能力及模擬指揮能力,以傳授和模擬訓練系統(tǒng)為輔,給出更加合理的訓練方案,提高訓練的效率.

第2方面作戰(zhàn)平臺的訓練評估,主要反映在對于異構無人集群的自主能力訓練上,首先利用異構無人集群系統(tǒng)虛實結合迭代演化綜合仿真系統(tǒng),收集多源大數(shù)據(jù)信息,利用機器學習方法對異構集群的群智行為進行識別、解釋與提煉,構建評估指標模型,根據(jù)強化學習框架對群智行為進行訓練與激勵,實現(xiàn)開放環(huán)境下對復雜對抗環(huán)境及多變?nèi)蝿請鼍斑M行綜合外場試驗,對群智能力進行指標評估,通過迭代演化提高集群作戰(zhàn)平臺的協(xié)同能力.

第3方面指揮控制決策體系的訓練評估,首先根據(jù)本文第2節(jié)介紹的效能指標,構建指揮控制決策體系評估指標模型,基于第2方面作戰(zhàn)平臺訓練評估所搭建的大數(shù)據(jù)庫,從虛實平行仿真試驗中抽取場景任務數(shù)據(jù),學習迭代優(yōu)化指揮控制邏輯與決策模型,在開放環(huán)境下對指揮控制決策算法進行仿真驗證,對群體協(xié)同能力進行指標評估,優(yōu)化系統(tǒng)指揮控制架構.

4 典型驗證系統(tǒng)架構

4.1 指揮控制系統(tǒng)仿真驗證架構

典型的指揮控制系統(tǒng)仿真驗證架構如圖2所示[14],可分為以下幾個部分:場景模擬器,包含海、陸、空、潛等多種作戰(zhàn)應用環(huán)境;仿真系統(tǒng)網(wǎng)及其應用支撐環(huán)境,如導航、數(shù)據(jù)庫、測試評估、環(huán)境部署等模塊;作戰(zhàn)平臺仿真,包含每個作戰(zhàn)平臺節(jié)點的原器件模塊仿真,如傳感器模擬器、指揮決策模擬器等,以及多平臺節(jié)點之間的無線網(wǎng)通信模擬[15].

4.2 無人車集群驗證系統(tǒng)

基于Robomaster EP 無人車可以搭建無人車集群協(xié)同驗證平臺,系統(tǒng)包括地面站、無人車、UWB定位系統(tǒng)等,無人車平臺利用自身攜帶的接收裝置和UWB 定位系統(tǒng)可精確定位絕對位置和相對位置,利用無線通訊網(wǎng)絡及地面站進行信息交互共享,構建分布式編隊協(xié)同架構,并設計協(xié)同控制層面的軟件接口,對自主開發(fā)的協(xié)同控制算法進行驗證,如圖3所示,系統(tǒng)硬件設備由PC 主機、錨點、標簽、交換機、電源、網(wǎng)線構成;主機解算軟件安裝于PC 主機上,錨點設備布設于定點位置,標簽安裝于無人車機架上,在錨點覆蓋的區(qū)域內(nèi),標簽發(fā)送定位請求,錨點設備接收信號并通過網(wǎng)口傳送主機,經(jīng)主機解算可以為無人車提供精確位置信息,該系統(tǒng)可驗證二對一博弈對抗場景(如圖4)、集群協(xié)同場景、跟蹤識別場景、動態(tài)避障場景等.

4.3 無人機集群驗證系統(tǒng)

圖2 指揮控制系統(tǒng)仿真驗證架構Fig.2 Command and control system simulation verificatio architecture

圖3 無人車室內(nèi)定位系統(tǒng)Fig.3 Unmanned vehicle indoor positioning system

圖4 無人車博弈對抗驗證試驗Fig.4 Unmanned vehicle game confrontation verificatio test

無人機集群驗證系統(tǒng)可由機體、飛控、RTK/GPS、視覺和數(shù)傳等功能模塊組成,機體采用四旋翼無人機,結構可折疊,選擇碳纖材料強度高,重量輕.機上搭載飛控模塊,是四旋翼無人機控制的核心,其主要包含導航模塊、控制模塊、無線通信模塊、任務規(guī)劃模塊及其他外部接口模塊,利用RTK進行位置定位,通過接收基站差分數(shù)據(jù),可以實時載波相位差定位,為載體提供厘米級別的高精度位置信息.搭建自組網(wǎng)系統(tǒng),選擇3套無線數(shù)傳保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,確保節(jié)點之間、節(jié)點與地面站和節(jié)點與RTK 基站之間通信的可靠性,實現(xiàn)節(jié)點失效后的重組網(wǎng)功能.無人機集群系統(tǒng)一字型及V字型編隊試驗如圖5所示.

圖5 無人機一字及V字型編隊試驗Fig.5 UAV one-line and V-shaped formation test

4.4 異構無人集群驗證系統(tǒng)

異構無人集群系統(tǒng)考慮無人機集群(包含固定翼飛行器、多旋翼飛行器)和無人車集群,如圖6所示,系統(tǒng)可應用于城市或曠野環(huán)境下的對抗作戰(zhàn),將整套系統(tǒng)1比1配置,分為紅藍雙方,在場地中布置建筑模型模擬場景,一方作為己方部隊,一方作為敵方部隊,博弈對抗,自主協(xié)同探測敵方目標,協(xié)同打擊,完成協(xié)同作戰(zhàn)任務,驗證指揮控制系統(tǒng)效能及協(xié)同對抗算法,異構集群系統(tǒng)還可應用于防御指定大樓,通過在大樓內(nèi)布放二維碼或數(shù)字作為保護目標,集群需要進入大樓找到目標進行保護,并且獲取對周圍區(qū)域的態(tài)勢感知,外圍通過布置模型或者二維碼等作為敵方標志,集群系統(tǒng)通過識別感知生成敵方目標分布圖,完成防御任務.

圖6 異構無人集群驗證系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of heterogeneous unmanned cluster verificatio system

5 結論

本文歸納分析了集群攻防作戰(zhàn)的特點,提出在集群攻防作戰(zhàn)情景下,為更好地實現(xiàn)指揮控制系統(tǒng)的效能,所需進行的等效驗證和訓練評估的方法,對評估驗證體系給出了參考架構,同時梳理了幾種典型的集群驗證系統(tǒng),供實踐參考.