基于馬賽克戰(zhàn)的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)

陶偉

美軍認(rèn)為,自1991年“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)以來(lái),其對(duì)手國(guó)家一直系統(tǒng)地觀察、研究美國(guó)的戰(zhàn)爭(zhēng)方式,提煉總結(jié)美軍的優(yōu)勢(shì)和方法,并通過(guò)制定對(duì)策、開(kāi)發(fā)相應(yīng)的裝備以削弱美軍優(yōu)勢(shì);如俄羅斯和中國(guó)都制定了反介入/區(qū)域拒止(A2/AD)戰(zhàn)略,并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的武器裝備,意圖阻止和干預(yù)美國(guó)的行動(dòng).美軍認(rèn)為,美國(guó)正面臨來(lái)自中國(guó)和俄羅斯的挑戰(zhàn),而為了能在未來(lái)的局部沖突中經(jīng)得起考驗(yàn)并取得勝利,必須使美軍部隊(duì)向一種新的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)變,這種新方式就是馬賽克戰(zhàn),即一種充分利用信息網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)處理能力和分散式功能的戰(zhàn)爭(zhēng)方法,“馬賽克”一詞反映了將很多很小的力量結(jié)構(gòu)要素重新編排而成為不同能力配置或者部隊(duì)編成的思路方法,就像藝術(shù)家們使用大量不同顏色的馬賽克瓷磚進(jìn)行創(chuàng)作時(shí)一樣;馬賽克部隊(duì)的設(shè)計(jì)需要使用許多不同的、功能分離的平臺(tái),通過(guò)這些平臺(tái)與現(xiàn)有部隊(duì)合作來(lái)構(gòu)建一個(gè)完整的作戰(zhàn)體系,馬賽克戰(zhàn)旨在解決美軍在未來(lái)戰(zhàn)略環(huán)境中的需求和部隊(duì)不足,以恢復(fù)美國(guó)在沖突中的軍事競(jìng)爭(zhēng)力[1].

水下有人-無(wú)人集群是指由有人平臺(tái)(潛艇)和無(wú)人平臺(tái)構(gòu)成的,具有較高自主決策能力、彼此間存在指揮控制和通信關(guān)系,且共同承擔(dān)給定使命任務(wù)的作戰(zhàn)群組,隨著人工智能、大數(shù)據(jù)以及新型水下通信、導(dǎo)航、指揮控制技術(shù)的飛速發(fā)展,水下有人-無(wú)人集群的自主性和互操作能力將逐步提升,可在執(zhí)行具體任務(wù)時(shí)發(fā)揮成本低、效率高、可重構(gòu)、可執(zhí)行多種任務(wù)的優(yōu)勢(shì),目前,以美軍為代表的西方軍事強(qiáng)國(guó)先后開(kāi)展了包括分布式敏捷反潛系統(tǒng)、SHARK系統(tǒng)、瀕海持續(xù)水下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目、自主協(xié)同分布式偵察與探測(cè)系統(tǒng)以及歐洲“GREX”等項(xiàng)目在內(nèi)的多種水下無(wú)人集群應(yīng)用項(xiàng)目的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證[2?6],水下無(wú)人集群作戰(zhàn)及相關(guān)研究正逐漸成為水下空間攻防作戰(zhàn)的重要領(lǐng)域.

作為一種嶄新的作戰(zhàn)概念,馬賽克戰(zhàn)理論正在逐步成熟之中,分析、研究馬賽克戰(zhàn)有助于我們了解美軍最新的戰(zhàn)爭(zhēng)研究動(dòng)向,做到知彼,以更好地為國(guó)防建設(shè)服務(wù)[7],本文在分析馬賽克戰(zhàn)理論基本概念內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,面向水下空間作戰(zhàn)領(lǐng)域,探討馬賽克戰(zhàn)機(jī)理對(duì)水下集群作戰(zhàn)的影響,并聚焦水下有人-無(wú)人集群的控制結(jié)構(gòu)構(gòu)建問(wèn)題,提出一種基于馬賽克戰(zhàn)理論的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有信息關(guān)系合理、支持協(xié)同跟蹤解算、頑存抗毀等特點(diǎn),對(duì)水下戰(zhàn)指揮控制具有一定的參考意義.

1 馬賽克戰(zhàn)的基本概念

馬賽克戰(zhàn)是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)戰(zhàn)略技術(shù)辦公室(Strategic Technology Office,STO)于2017年提出的新型作戰(zhàn)概念,是美軍繼“空海一體戰(zhàn)”、“多域戰(zhàn)”、“分布式作戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念之后所提出的最新的戰(zhàn)爭(zhēng)方法論[8?9],在交戰(zhàn)層面,馬賽克戰(zhàn)旨在通過(guò)接入由低成本傳感器、聯(lián)合多域指揮控制節(jié)點(diǎn)以及所有可用的武器系統(tǒng)(包括動(dòng)能和非動(dòng)能武器)組成的快速可組合網(wǎng)絡(luò),在作戰(zhàn)中提供前所未有的自主權(quán)和靈活性[10],馬賽克戰(zhàn)理論提供了一個(gè)全面、全新的戰(zhàn)爭(zhēng)模型,涵蓋了軍事需求、新作戰(zhàn)概念、戰(zhàn)術(shù)研究、戰(zhàn)斗條例創(chuàng)建,以及部隊(duì)行動(dòng)控制與指揮過(guò)程等范疇,并將對(duì)美軍未來(lái)的軍事技術(shù)研發(fā)模式及裝備采辦模式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.

1.1 殺傷網(wǎng)

通常,人們會(huì)用博伊德環(huán)((即“觀察(Observe)-判斷(Orient)-決策(Decide)-行動(dòng)(Act)”)來(lái)描述、分析交戰(zhàn)過(guò)程,將交戰(zhàn)過(guò)程分解為觀察、判斷、決策和打擊4個(gè)主要環(huán)節(jié),并由此構(gòu)建針對(duì)某一行動(dòng)的指揮鏈,或者針對(duì)某一具體目標(biāo)打擊的殺傷鏈,在作戰(zhàn)方案制定過(guò)程中,指揮員將充分利用戰(zhàn)場(chǎng)可用資源來(lái)確保指揮鏈、殺傷鏈穩(wěn)定、有效,但實(shí)際演習(xí)或作戰(zhàn)過(guò)程中,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息鏈路難保不受到電磁環(huán)境以及其他因素的影響而出現(xiàn)問(wèn)題,從而導(dǎo)致任務(wù)失敗,馬賽克戰(zhàn)可以很好地解決這種問(wèn)題.在馬賽克戰(zhàn)的部隊(duì)編成結(jié)構(gòu)中,點(diǎn)到點(diǎn)的“打擊鏈”被由許多節(jié)點(diǎn)組成的“網(wǎng)”所代替[1],網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以是多功能綜合作戰(zhàn)平臺(tái),也可以是單一功能平臺(tái),既可以是有人平臺(tái),也可以是無(wú)人平臺(tái),所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)收集、處理和共享數(shù)據(jù),然后將其融合到一張不斷更新的態(tài)勢(shì)圖中,并確保這張圖在所有平臺(tái)間共享.這種在大量不同角色平臺(tái)之間共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、傳輸指揮命令的機(jī)制具有如下作用:一是可形成多條冗余的殺傷鏈,即對(duì)于特定目標(biāo),對(duì)其實(shí)施打擊的“傳感器節(jié)點(diǎn)-指揮決策節(jié)點(diǎn)-打擊節(jié)點(diǎn)” 鏈條不只一條,即使某一條殺傷鏈由于對(duì)手干擾或硬打擊而失效,還有其他鏈路可以完成任務(wù);二是可以加快局部OODA環(huán)的信息流轉(zhuǎn)速度,以更好地閉合殺傷鏈.

1.2 功能要素分解

傳統(tǒng)上,具有多種作戰(zhàn)功能的平臺(tái)因其可以自主完成多種作戰(zhàn)任務(wù)而受到青昧,但其問(wèn)題也非常明顯,包括技術(shù)難度大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)以及采購(gòu)經(jīng)費(fèi)高昂等等,馬賽克戰(zhàn)則開(kāi)辟了另一種截然不同的戰(zhàn)場(chǎng)力量編成的思路,在馬賽克戰(zhàn)的概念下,所有作戰(zhàn)平臺(tái)都可以根據(jù)需要從可發(fā)揮功能的角度解構(gòu)為具有不同功能的要素,如觀察功能、定向功能、打擊功能或這些功能的復(fù)雜組合.通過(guò)要素分解,為基于跨域殺傷網(wǎng)的構(gòu)建與執(zhí)行鋪平了道路,各類不同功能、不同復(fù)雜度的作戰(zhàn)平臺(tái)都可以在網(wǎng)絡(luò)中充分發(fā)揮作用,使得基于馬賽克戰(zhàn)設(shè)計(jì)的部隊(duì)可以在交戰(zhàn)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)損耗中最大限度生存下來(lái),以更好地保持作戰(zhàn)能力.

1.3 節(jié)點(diǎn)

在馬賽克戰(zhàn)中,節(jié)點(diǎn)指作戰(zhàn)區(qū)域中的一個(gè)單元,它可以是單一功能的(包括本身就是單一功能的節(jié)點(diǎn)或者在決策中承擔(dān)單一功能的多功能節(jié)點(diǎn)),也可以是多功能的;節(jié)點(diǎn)通過(guò)共享戰(zhàn)場(chǎng)信息參與到作戰(zhàn)體系中,節(jié)點(diǎn)是馬賽克戰(zhàn)概念中的執(zhí)行者,具有高度可控以及靈活性等特點(diǎn),通過(guò)精密決策可以被重新組合.

2 馬賽克戰(zhàn)對(duì)水下有人-無(wú)人集群構(gòu)建的影響

通常情況下,軍事意義上的水下空間主要是指包含海底底質(zhì)在內(nèi)的、海洋表面以下的水體空間,具有復(fù)雜的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu),并在不同維度上表現(xiàn)出不同特性,嚴(yán)格意義上水下空間的主戰(zhàn)平臺(tái)包括潛艇、UUV 以及其他預(yù)設(shè)的固定或機(jī)動(dòng)設(shè)施.海水介質(zhì)對(duì)水下作戰(zhàn)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性、信息交互、武器系統(tǒng)機(jī)理都有深刻影響,并進(jìn)而影響其作戰(zhàn)使用模式,隨著水下空間博弈對(duì)作戰(zhàn)效果的要求不斷提高和水下無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展,水下空間作戰(zhàn)的模式也逐步由有人平臺(tái)作戰(zhàn)向有人-無(wú)人相結(jié)合的方向發(fā)展,而水下有人-無(wú)人集群作戰(zhàn)已成為未來(lái)水下作戰(zhàn)的重要發(fā)展方向.

馬賽克戰(zhàn)理論對(duì)水下空間作戰(zhàn)有深層次指導(dǎo)意義.基于馬賽克戰(zhàn)概念構(gòu)建水下有人-無(wú)人集群將有力提高集群整體作戰(zhàn)能力;同時(shí),水下有人-無(wú)人集群自身的特性也對(duì)馬賽克戰(zhàn)有良好支持.

1)以大量、低成本無(wú)人平臺(tái)為主構(gòu)建水下有人-無(wú)人集群,并在作戰(zhàn)過(guò)程中承擔(dān)集群決策的功能角色.相比潛艇而言,水下有人-無(wú)人集群中的無(wú)人平臺(tái)具有成本低、數(shù)量大的特點(diǎn);同時(shí),由于受到平臺(tái)體積的限制,無(wú)人平臺(tái)又天生具有功能簡(jiǎn)單的特點(diǎn),因此,以有人平臺(tái)和大量無(wú)人平臺(tái)組合構(gòu)成的水下有人-無(wú)人集群契合了馬賽克戰(zhàn)理論對(duì)基于功能要素分解的作戰(zhàn)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求,此外,具有察打一體功能的綜合功能無(wú)人平臺(tái)也可在作戰(zhàn)中根據(jù)集群決策要求,發(fā)揮自身所具有的單一功能承擔(dān)在殺傷網(wǎng)中指定的交戰(zhàn)角色.

2)發(fā)揮人工智能優(yōu)勢(shì),提高水下集群馬賽克戰(zhàn)的決策能力,人工智能是無(wú)人集群系統(tǒng)作戰(zhàn)的關(guān)鍵,水下有人-無(wú)人集群必須通過(guò)高效的人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)在受限的環(huán)境中、基于有限的信息來(lái)充分發(fā)揮系統(tǒng)作戰(zhàn)效能,馬賽克戰(zhàn)是一種以決策為中心的作戰(zhàn)理論,該理論強(qiáng)調(diào)在加快美軍“決策-行動(dòng)”周期、倍增作戰(zhàn)體系容量和打擊冗余度的同時(shí),增加對(duì)手應(yīng)對(duì)的復(fù)雜度,干擾、遲滯甚至欺騙對(duì)方?jīng)Q策,進(jìn)而達(dá)到戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)的目標(biāo),馬賽克戰(zhàn)要求在分布式傳感器和射手組成的多層級(jí)力量體系中貫徹指揮員的決策意圖,提高機(jī)器根據(jù)輸入的作戰(zhàn)籌劃進(jìn)行自主籌劃的能力,并推薦多個(gè)作戰(zhàn)方案,可見(jiàn),馬賽克戰(zhàn)對(duì)人與機(jī)器的功能分配設(shè)計(jì)符合有人-無(wú)人集群的發(fā)展方向與技術(shù)特征.

3)充分利用水下設(shè)施構(gòu)建簡(jiǎn)化的殺傷網(wǎng),一方面,集群作戰(zhàn)是無(wú)人系統(tǒng)作戰(zhàn)的重要模式,也是無(wú)人系統(tǒng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的重要方向,其關(guān)鍵是解決有人-無(wú)人集群的控制問(wèn)題,這對(duì)集群的信息交互能力提出了很高的要求[11?12],由于受到海水的限制,水下空間的通信傳輸問(wèn)題歷來(lái)是裝備體系設(shè)計(jì)的難點(diǎn),目前水聲仍然是水下空間平臺(tái)間信息傳輸與協(xié)同定位的主要可依靠手段,另一方面,馬賽克戰(zhàn)要求構(gòu)建基于“云”的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò),這一要求對(duì)應(yīng)到水下空間后,與水下物理環(huán)境造成的上述特點(diǎn)形成了一定程度的沖突[13],為此,可在現(xiàn)有信息傳輸手段基礎(chǔ)上,充分利用水下基礎(chǔ)設(shè)施,盡量減少移動(dòng)平臺(tái)對(duì)外的信息交互,并通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和簡(jiǎn)化的通信協(xié)議設(shè)計(jì),降低節(jié)點(diǎn)間信息交互容量,滿足馬賽克戰(zhàn)對(duì)構(gòu)建殺傷網(wǎng)的功能要求.

3 水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)

3.1 典型水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)

水下無(wú)人集群的控制結(jié)構(gòu)可以理解為一種表征水下各有人平臺(tái)與無(wú)人平臺(tái)實(shí)體之間層次結(jié)構(gòu)及控制關(guān)系的邏輯,是實(shí)體間實(shí)現(xiàn)有效合作的基本元素之一[14],并在很大程度上影響著集群行動(dòng)的靈活性、有效性和效率,集群中的各參戰(zhàn)實(shí)體根據(jù)控制關(guān)系嚴(yán)格地組織在一起并進(jìn)行信息交互,動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的目標(biāo)和行為,通過(guò)相互協(xié)同與服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目標(biāo)(假定無(wú)人平臺(tái)都具有一定的智能化特征)[15],參考網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式,根據(jù)水下有人-無(wú)人集群中節(jié)點(diǎn)間信息流與控制流的不同情況,可得到典型的幾種控制結(jié)構(gòu)如下[16]:

1)星形結(jié)構(gòu)

星形控制結(jié)構(gòu)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從屬節(jié)點(diǎn)組成,主節(jié)點(diǎn)管理集群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的任務(wù)、作戰(zhàn)資源和行為.在水下有人-無(wú)人集群中,主節(jié)點(diǎn)通常由有人平臺(tái)擔(dān)任,包含一個(gè)有人節(jié)點(diǎn)和9個(gè)無(wú)人節(jié)點(diǎn)的水下有人-無(wú)人集群星形控制結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中的帶雙箭頭的粗實(shí)線表征主節(jié)點(diǎn)對(duì)從屬節(jié)點(diǎn)的控制與管理,以及從屬節(jié)點(diǎn)對(duì)主節(jié)點(diǎn)的信息上報(bào)),該結(jié)構(gòu)下,主節(jié)點(diǎn)成為集群的能力瓶頸,一旦損毀或出現(xiàn)故障則會(huì)導(dǎo)致集群整體失效.

圖1 水下有人-無(wú)人集群星形控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of star control structure for underwater manned and unmanned swarm

2)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)中不存在唯一的主節(jié)點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)間呈現(xiàn)自治、對(duì)等關(guān)系,且通常絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)之間都有信息交互的鏈路存在,水下有人-無(wú)人集群網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中的雙箭頭細(xì)線表征集群中各節(jié)點(diǎn)之間的信息交互共享).該結(jié)構(gòu)下,集群節(jié)點(diǎn)之間需要對(duì)等地交換信息,在主要依靠水聲通信的水下作戰(zhàn)環(huán)境中,對(duì)通信鏈路構(gòu)建提出了非常高的要求.

圖2 水下有人-無(wú)人集群網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of netted control structure for underwater manned and unmanned swarm

3)融合式結(jié)構(gòu)

融合式控制結(jié)構(gòu)兼具星形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的部分優(yōu)點(diǎn),在采用融合式控制結(jié)構(gòu)的水下有人-無(wú)人集群中,有人節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自各無(wú)人節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息,并對(duì)集群狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管,各無(wú)人節(jié)點(diǎn)彼此間交換各自所獲取的信息,以確保集群內(nèi)信息的充分共享.水下有人-無(wú)人集群融合式控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 水下有人-無(wú)人集群融合式控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of integrated control structure for underwater manned and unmanned swarm

需要注意的是,融合控制結(jié)構(gòu)并未減少集群整體的信息交互量,在水下作戰(zhàn)環(huán)境的適用性不強(qiáng).

4)其他結(jié)構(gòu)

在上述典型有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)指揮關(guān)系及任務(wù)分解特點(diǎn),還有一種改良的、基于層次關(guān)系的控制結(jié)構(gòu)[14],如圖4所示.

在該結(jié)構(gòu)中,水下有人-無(wú)人集群中的無(wú)人節(jié)點(diǎn)被分成若干小組,每組設(shè)置一個(gè)組長(zhǎng);組內(nèi)各成員之間構(gòu)成網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu),各小組組長(zhǎng)之間也構(gòu)成網(wǎng)狀控制結(jié)構(gòu),并另外單獨(dú)指派一個(gè)無(wú)人平臺(tái)作為無(wú)人集群有限中心控制節(jié)點(diǎn),對(duì)所有組長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制管理,有人節(jié)點(diǎn)則作為更高一級(jí)控制單元對(duì)無(wú)人集群控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指揮,可見(jiàn),該結(jié)構(gòu)在底層的無(wú)人小組內(nèi)、無(wú)人小組組長(zhǎng)間構(gòu)成了網(wǎng)狀信息網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行信息的共享.而在單獨(dú)指派的無(wú)人節(jié)點(diǎn)(無(wú)人集群控制節(jié)點(diǎn))與各無(wú)人小組組長(zhǎng)之間、有人節(jié)點(diǎn)與無(wú)人集群控制節(jié)點(diǎn)之間則以指揮關(guān)系為主,除了必要的信息上報(bào),并不構(gòu)成雙向信息共享鏈路,因此可在一定程度減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的壓力.

3.2 基于馬賽克戰(zhàn)概念的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)

馬賽克戰(zhàn)理論所提出的殺傷網(wǎng)、功能要素分離、功能節(jié)點(diǎn)等重要概念對(duì)水下集群作戰(zhàn)的設(shè)計(jì)、組織、實(shí)施具有重要意義.

在戶型內(nèi)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)師以戶型功能要求為依據(jù)，對(duì)裝配式建筑戶型進(jìn)行布置，從結(jié)構(gòu)庫(kù)中選取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)戶型，結(jié)合戶型功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案等對(duì)設(shè)備模塊進(jìn)行選擇，使建筑、戶型能夠相互匹配，以免出現(xiàn)構(gòu)件不合，相互碰撞等情況。在對(duì)戶型內(nèi)設(shè)計(jì)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的便是剪力墻體系的模塊化設(shè)計(jì)，該部分設(shè)計(jì)量較大，采用系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的戶型庫(kù)能夠在很大程度上使協(xié)同效率提高，從而達(dá)到模塊精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

上述典型的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)及其改良版本各具特點(diǎn),但在面對(duì)水下特殊環(huán)境要求時(shí)則或多或少都暴露出不足,前3種典型控制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在介紹時(shí)已經(jīng)提到;第4種控制結(jié)構(gòu)雖然考慮了作戰(zhàn)指揮過(guò)程中以及具體任務(wù)分解和執(zhí)行時(shí)的節(jié)點(diǎn)間的層次化關(guān)系,也在一定程度上考慮到對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的縮減要求,并有針對(duì)性地進(jìn)行了設(shè)計(jì),但仍存在以下不足:一是指揮關(guān)系復(fù)雜繁瑣,結(jié)構(gòu)中除了對(duì)每個(gè)無(wú)人平臺(tái)小組設(shè)置組長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)外,還單獨(dú)設(shè)置了一個(gè)無(wú)人節(jié)點(diǎn)作為集群有限中央控制節(jié)點(diǎn),在此之上又將有人節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)集群的集中控制中心,層次過(guò)多將導(dǎo)致集群控制效率降低;二是指揮職責(zé)固定,該結(jié)構(gòu)中無(wú)論是無(wú)人小組組長(zhǎng)節(jié)點(diǎn),還是集群有限中心控制節(jié)點(diǎn)以及作為集群集中控制中心的有人節(jié)點(diǎn),其指揮職責(zé)都是固定的,如果任一層次任一個(gè)指揮節(jié)點(diǎn)失效,其所管理的組(或群)則同步失效,結(jié)構(gòu)的靈活性不高.

水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)的構(gòu)建應(yīng)充分考慮水下空間特殊的環(huán)境要求,并充分利用無(wú)人平臺(tái)的智能化特征,確保結(jié)構(gòu)適應(yīng)實(shí)戰(zhàn)要求,借鑒馬賽克戰(zhàn)思想,可對(duì)水下有人-無(wú)人集群的控制結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步優(yōu)化.

在上述分析基礎(chǔ)上,本文提出一種新的、基于馬賽克戰(zhàn)理論的有人-無(wú)人集群接替式控制結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)充分考慮了水下空間限制,貫徹面向?qū)崙?zhàn)、頑存抗毀的力量編成頂層要求,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效靈活的特點(diǎn),其典型結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 基于馬賽克戰(zhàn)的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Control structure of underwater manned and unmanned swarm based on mosaic warfare

新結(jié)構(gòu)的機(jī)理是在一個(gè)包含多個(gè)彼此關(guān)聯(lián)無(wú)人智能編組的水下有人-無(wú)人集群中,編組間基于平等關(guān)系產(chǎn)生聯(lián)系,集群中在任意時(shí)刻有且僅有一個(gè)主節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)由某一編組主節(jié)點(diǎn)兼任但并不固定,當(dāng)態(tài)勢(shì)變化或行動(dòng)需要時(shí),將由新的符合集群作戰(zhàn)要求的新編組主節(jié)點(diǎn)接替當(dāng)前集群主節(jié)點(diǎn),這種結(jié)構(gòu)形式在保持集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系的同時(shí),可有效避免由于主節(jié)點(diǎn)固定而導(dǎo)致的因故障或戰(zhàn)損等原因帶來(lái)的連鎖效應(yīng).

基于主節(jié)點(diǎn)接替機(jī)制的水下無(wú)人集群體系的具體構(gòu)建思路為:

1)根據(jù)任務(wù)要求組建集群,通常由一個(gè)有人節(jié)點(diǎn)和多個(gè)智能無(wú)人平臺(tái)構(gòu)成,按照一定規(guī)則將無(wú)人平臺(tái)分為若干編組,每一編組由多個(gè)具有綜合作戰(zhàn)能力的無(wú)人節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,根據(jù)實(shí)際需要在編組內(nèi)產(chǎn)生主節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)編組內(nèi)其余UUV的控制管理,并接受上級(jí)控制節(jié)點(diǎn)的指揮;該職責(zé)將根據(jù)編組作戰(zhàn)需要由組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)接替,編組內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間共享所獲取的信息,無(wú)人編組內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)具有不同的組內(nèi)職責(zé),如探測(cè)、信息處理與決策、打擊等.

3)隨著作戰(zhàn)過(guò)程的展開(kāi)和推進(jìn),集群主節(jié)點(diǎn)職責(zé)將根據(jù)態(tài)勢(shì)變化(如當(dāng)前承擔(dān)集群主節(jié)點(diǎn)責(zé)任的節(jié)點(diǎn)及其編組遠(yuǎn)離目標(biāo),而群內(nèi)另一編組具有更佳的探測(cè)或打擊條件)和集群決策需要在各編組主節(jié)點(diǎn)之間接替,以確保集群更好地開(kāi)展行動(dòng).

4)有人節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前集群主節(jié)點(diǎn)聯(lián)系,對(duì)集群及其所獲取的信息和處理結(jié)果進(jìn)行采集,對(duì)整個(gè)集群運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視;僅在必要時(shí)刻對(duì)集群行為做出干預(yù),結(jié)合自身對(duì)集群信息處理、識(shí)別、融合的結(jié)果影響集群決策.

5)當(dāng)個(gè)別無(wú)人編組由于戰(zhàn)損等原因造成成員減少時(shí),剩余節(jié)點(diǎn)仍可在集群主節(jié)點(diǎn)的控制下領(lǐng)受并執(zhí)行任務(wù);當(dāng)編組減員較多或根據(jù)集群需要,這些節(jié)點(diǎn)可在集群控制下進(jìn)行重組,重組的節(jié)點(diǎn)既可以執(zhí)行其原有職責(zé),也可以結(jié)合其自身功能并根據(jù)決策需要執(zhí)行新的職責(zé),重組過(guò)程如圖6所示,由于集群的網(wǎng)絡(luò)一直保持對(duì)群內(nèi)成員標(biāo)識(shí)、位置及武器狀態(tài)的互通,可保障完成上述重組過(guò)程.

圖6中,當(dāng)編組1、2、3分別損失了探測(cè)或攻擊節(jié)點(diǎn)時(shí),通過(guò)集群控制,可將編組3剩余的探測(cè)節(jié)點(diǎn)和指揮節(jié)點(diǎn)分別與編組1和2中剩余節(jié)點(diǎn)重新組合,生成功能完備的新無(wú)人編組.

上述控制結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn):

1)指揮層級(jí)簡(jiǎn)化,效率高,集群主節(jié)點(diǎn)直接由滿足要求的編組主節(jié)點(diǎn)擔(dān)任,指揮層級(jí)大幅簡(jiǎn)化,指揮效率高.

2)集群自治能力強(qiáng),編組各節(jié)點(diǎn)具有較高的智能化水平,可在較大范圍內(nèi)自主進(jìn)行目標(biāo)信息處理,完成運(yùn)動(dòng)要素解算、信息融合與決策.

圖6 水下有人-無(wú)人集群重組過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of underwater unmanned and unmanned swarm reorganization process

3)靈活性強(qiáng),在編組主節(jié)點(diǎn)層面按需生成集群主節(jié)點(diǎn),相比設(shè)置固定集群主節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)形式無(wú)疑大幅提高了結(jié)構(gòu)的靈活性,可有效提高集群在復(fù)雜環(huán)境中的頑存性.

4)實(shí)用性較強(qiáng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了無(wú)人平臺(tái)性能的實(shí)際情況,由一個(gè)綜合能力強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任編組主節(jié)點(diǎn),而編組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)可由功能單一,性能較弱的無(wú)人平臺(tái)擔(dān)任,這種組合方式可有效降低集群的構(gòu)成成本.

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于馬賽克戰(zhàn)的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu)的合理性,在限定條件下進(jìn)行概念性仿真,仿真場(chǎng)景設(shè)定如下:

1)設(shè)在有限區(qū)域內(nèi)分布著由一個(gè)有人節(jié)點(diǎn)和多個(gè)UUV 編組構(gòu)成的有人-無(wú)人集群,每個(gè)編組包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和分別至少一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)和一個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn);設(shè)集群內(nèi)可構(gòu)成滿足集群內(nèi)信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).

2)當(dāng)某一敵方目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域,觸發(fā)區(qū)域報(bào)警,集群依據(jù)預(yù)先確定的約束條件(如對(duì)目標(biāo)距離)進(jìn)行決策,確定編組1的主節(jié)點(diǎn)為集群主節(jié)點(diǎn)并對(duì)集群目標(biāo)跟蹤信息進(jìn)行處理;指揮滿足條件的兩個(gè)編組(設(shè)為編組1、2)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,并分別形成針對(duì)目標(biāo)的殺傷鏈.

3)設(shè)編組1、2在對(duì)目標(biāo)接觸中分別損失感知和攻擊節(jié)點(diǎn),集群據(jù)此及目標(biāo)機(jī)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行決策,控制編組1、2剩余節(jié)點(diǎn)重組為編組4;由符合約束條件的編組3接替集群主節(jié)點(diǎn),并在之前集群主節(jié)點(diǎn)(編組1 主節(jié)點(diǎn))信息處理成果基礎(chǔ)上繼續(xù)處理;集群依托編組3、4分別形成對(duì)目標(biāo)的殺傷鏈.

根據(jù)上述場(chǎng)景設(shè)定,以目標(biāo)航向精度為例進(jìn)行集群對(duì)目標(biāo)的協(xié)同解算仿真,結(jié)果如圖7所示.

由圖7可見(jiàn),集群對(duì)目標(biāo)可保持持續(xù)跟蹤并實(shí)現(xiàn)解算收斂,在此基礎(chǔ)上,集群可通過(guò)進(jìn)一步?jīng)Q策,控制多條殺傷鏈對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊.

5 結(jié)論

馬賽克戰(zhàn)是美軍針對(duì)傳統(tǒng)對(duì)稱性作戰(zhàn)方式在應(yīng)對(duì)高端戰(zhàn)爭(zhēng)威脅時(shí)的短板弱項(xiàng)而提出的非對(duì)稱作戰(zhàn)方式,馬賽克戰(zhàn)依托人工智能、彈性高效通信網(wǎng)絡(luò)和自主作戰(zhàn)系統(tǒng),在廣闊的戰(zhàn)場(chǎng)空間內(nèi)構(gòu)建高效的動(dòng)態(tài)殺傷網(wǎng)絡(luò),在顯著縮短自身OODA環(huán)路周期的同時(shí),向?qū)κ謱?shí)施多重打擊.馬賽克戰(zhàn)對(duì)水下空間作戰(zhàn)有啟示作用,以馬賽克戰(zhàn)重要概念為基礎(chǔ),本研究提出了一種簡(jiǎn)潔、高效的水下有人-無(wú)人集群控制結(jié)構(gòu),分析及仿真表明,該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,適用于水下集群作戰(zhàn)環(huán)境要求,對(duì)構(gòu)建基于真實(shí)環(huán)境和裝備的水下有人-無(wú)人集群具有一定的參考借鑒意義.

圖7 水下有人-無(wú)人集群對(duì)目標(biāo)航向協(xié)同解算精度Fig.7 Cooperative calculation accuracy of underwater manned and unmanned for target course