多無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)研究*

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

水面無(wú)人艇又稱USV（unmanned surface vessel），是一種具有自主航行與路徑規(guī)劃能力，可搭載不同任務(wù)載荷，能夠完成多種任務(wù)的水面艦艇。將人工智能運(yùn)用到水面無(wú)人艇上，可以極大地提升無(wú)人艇的自主能力。由于未來(lái)作戰(zhàn)模式的改變，無(wú)人裝備代替有人裝備執(zhí)行任務(wù)的必然趨勢(shì)將使無(wú)人艇在未來(lái)海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，隨著無(wú)人艇技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人艇必將更加智能化、規(guī)范化、集群化。水面無(wú)人艇編隊(duì)協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)是未來(lái)海軍作戰(zhàn)的主流趨勢(shì)，人艇協(xié)同作業(yè)可以豐富海上行動(dòng)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法、協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間搭配、提升分布式探測(cè)與執(zhí)行的能力并且降低作業(yè)的耗損。

2 無(wú)人艇作戰(zhàn)的特點(diǎn)

水面無(wú)人艇作為一種新型的水面智能化、無(wú)人化作戰(zhàn)平臺(tái)，能夠執(zhí)行警戒巡邏、偵察監(jiān)視、反潛反水雷、海上救援和海上打擊等多種任務(wù)[1]。具有工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、成本低、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中無(wú)人員傷亡的特點(diǎn)，能夠在危險(xiǎn)海域執(zhí)行任務(wù)并且可以有效地提高戰(zhàn)略要地和艦艇編隊(duì)的安全防護(hù)能力。因此，無(wú)人艇凸顯出巨大的軍事價(jià)值并將會(huì)在未來(lái)的海上作戰(zhàn)中發(fā)揮重要的作用。

水面無(wú)人艇區(qū)別于有人艦艇的最大特點(diǎn)是“人在環(huán)上，不在艇上”[2]即操控人員在遠(yuǎn)離無(wú)人艇的地面或艦船上，對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行更高級(jí)別的、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)上的指揮控制。但由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，要求無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能進(jìn)行有效分析、實(shí)時(shí)調(diào)整策略，并對(duì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中遇到的突發(fā)事件有快速反應(yīng)的能力。這就要求無(wú)人艇必須具備自主性，包括自主航行、自主避碰以及自主決策等能力，這些能力需要作戰(zhàn)控制系統(tǒng)具有高度智能化，自動(dòng)化。

在水面無(wú)人艇編隊(duì)協(xié)同聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)，編隊(duì)指揮中心會(huì)對(duì)無(wú)人艇下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行人艇協(xié)同，無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，必須保證與其他無(wú)人艇的高度協(xié)同，通過(guò)多艇聯(lián)合彌補(bǔ)單艇在高度動(dòng)態(tài)的水域中的能力不足，這就要求無(wú)人艇具備交互性和協(xié)作性，只有這樣才能充分發(fā)揮水面無(wú)人艇艇群靈活、部署快、監(jiān)控范圍廣，作戰(zhàn)組織靈活、抗毀重構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

綜上，水面無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

1）高度的自主性

無(wú)人艇能夠根據(jù)編隊(duì)指揮中心下達(dá)的作戰(zhàn)任務(wù)和在上級(jí)指揮節(jié)點(diǎn)允許的范圍內(nèi)進(jìn)行自主規(guī)劃、決策和行動(dòng)，并在探測(cè)到戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2）信息的分布性

編隊(duì)指揮中心，具有全局的情報(bào)信息、決策信息和上級(jí)的命令，而戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)信息時(shí)刻變化，分布于各無(wú)人艇，只有通過(guò)對(duì)這些信息的共享，才能做出有效的戰(zhàn)術(shù)決策，采取相應(yīng)的作戰(zhàn)行動(dòng)。

3）協(xié)同的復(fù)雜性

協(xié)同分為人艇協(xié)同和艇群間協(xié)同，人艇協(xié)同的操控臺(tái)與無(wú)人艇在空間上是分離的，處于分布式狀態(tài)，操控臺(tái)需要收集分析編隊(duì)整體的情報(bào)信息和無(wú)人艇艇群發(fā)回的情報(bào)和決策信息，以制定相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法。艇群間協(xié)同時(shí)，無(wú)人艇不僅要根據(jù)已探測(cè)到的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境自主制定作戰(zhàn)方案，還需與其他無(wú)人艇交互，互通有無(wú)，以獲得更多更詳盡的信息，并隨時(shí)根據(jù)新的情報(bào)信息采用新的行動(dòng)計(jì)劃與其他無(wú)人艇協(xié)作執(zhí)行任務(wù)。

3 Agent技術(shù)概述

Agent技術(shù)是隨分布式人工智能的研究發(fā)展起來(lái)的，它是存在于某個(gè)環(huán)境之中具有自主控制能力、具有某種思維特征、能夠接收環(huán)境（包括人工和其他Agent）刺激并作出相應(yīng)反應(yīng)的行為實(shí)體[3]。

通常將分布式系統(tǒng)中具有自主性，交互性，反應(yīng)性，智能性，適應(yīng)性和可通信性的計(jì)算實(shí)體稱為Agent。Agent作為一個(gè)計(jì)算實(shí)體能獨(dú)立尋找和獲取資源，在動(dòng)態(tài)的環(huán)境中解決實(shí)際問題；能與其他Agent交互，并相互依賴相互制約；能感知外部環(huán)境并作出相應(yīng)的行動(dòng)；具有一定程度的智能，包括推理、自學(xué)習(xí)等并能從自身的經(jīng)歷，所處的環(huán)境和其他Agent的交互中學(xué)習(xí)；可以進(jìn)行信息的交換，多Agent的協(xié)作、協(xié)商都是以通信為基礎(chǔ)。

Agent的智能與結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，可以分為認(rèn)知型Agent、反應(yīng)型Agent和混合型Agent。認(rèn)知型Agent被看作是一種意識(shí)系統(tǒng)，能夠模擬或表現(xiàn)出被代理者具有的意識(shí)態(tài)度，是一個(gè)基于知識(shí)的人工智能系統(tǒng)[4]，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 認(rèn)知型Agent的結(jié)構(gòu)

1）用戶界面：用戶可以通過(guò)用戶界面向知識(shí)庫(kù)中添加規(guī)則，也可以直接通過(guò)該界面將命令和決策發(fā)給推理計(jì)算模塊從而控制Agent的行為和通信。

2）知識(shí)庫(kù)：用于存儲(chǔ)用戶增加的和通過(guò)學(xué)習(xí)模塊學(xué)習(xí)獲得的知識(shí)。

3）推理計(jì)算模塊：利用已有的知識(shí)，結(jié)合用戶的命令信息和其他Agent的協(xié)商信息，生成具體的決策，并將決策信息發(fā)送到行為動(dòng)作模塊。

4）學(xué)習(xí)模塊：Agent能夠在與環(huán)境和其他Agent的相互作用中“學(xué)習(xí)”和“積累經(jīng)驗(yàn)”，并能根據(jù)學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)豐富知識(shí)庫(kù)從而改變自身的結(jié)構(gòu)和行為策略。

5）行為動(dòng)作模塊：負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行具體的決策，將決策分解為一系列的行動(dòng)或任務(wù)，并將其傳送到效應(yīng)器。

6）效應(yīng)器：分配或調(diào)用底層不同的效應(yīng)器來(lái)執(zhí)行行為動(dòng)作模塊的行動(dòng)或任務(wù)。

7）通訊模塊：負(fù)責(zé)與其他Agent的通信。

8）傳感器：負(fù)責(zé)收集周圍的環(huán)境信息。

9）建模：將收集到的環(huán)境信息翻譯成為準(zhǔn)確、恰當(dāng)?shù)拿枋龇?hào)。

反應(yīng)型Agent僅執(zhí)行從傳感器到效應(yīng)器的簡(jiǎn)單映射，通過(guò)觸發(fā)規(guī)則對(duì)環(huán)境的變化或來(lái)自其他Agent的消息產(chǎn)生反應(yīng)，執(zhí)行預(yù)先指定的條件-動(dòng)作規(guī)則，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 反應(yīng)型Agent的結(jié)構(gòu)

認(rèn)知型Agent具有一定的智能，符合人們的思維習(xí)慣，能夠進(jìn)行復(fù)雜的推理，但其對(duì)環(huán)境的變化難以做到快速響應(yīng)；反應(yīng)型Agent能夠根據(jù)環(huán)境的變化做出快速的反應(yīng)，但Agent的行為與所處系統(tǒng)的整體行為和全局的目標(biāo)缺乏關(guān)聯(lián)性?；旌闲虯gent可以有效地發(fā)揮上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，采取分層的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在上層強(qiáng)調(diào)Agent的自主性，能通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，或在與其他Agent的交互中，使其知識(shí)不斷增加，能力不斷增強(qiáng)，具有更高的智能。在下層則強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，能夠快速應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化。這種特性更符合戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)實(shí)際，具有更廣闊的應(yīng)用空間，可以大幅提升無(wú)人艇的作戰(zhàn)能力[5]。

將Agent技術(shù)用于無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)協(xié)同復(fù)雜性，自主性和信息分布性的要求，并實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的智能化協(xié)同作戰(zhàn)。

4 基于Agent技術(shù)的無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)

4.1 無(wú)人艇作戰(zhàn)過(guò)程分析

圖3 無(wú)人艇指揮決策過(guò)程

要建立基于Agent的水面無(wú)人艇智能指揮控制系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)對(duì)作戰(zhàn)指揮的決策過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的分析。首先來(lái)看傳統(tǒng)水面艦艇指揮決策過(guò)程，主要分為信息，決策，行動(dòng)，艦艇將輔助決策方案提供給指揮員，由指揮員選擇最終的執(zhí)行方案，艦艇平臺(tái)的控制并不在指揮控制的范圍之內(nèi)，例如水面艦艇需要進(jìn)行武器發(fā)射占位時(shí)，平臺(tái)的機(jī)動(dòng)是在人為的控制下完成的。而對(duì)于無(wú)人艇而言，其生成的決策方案就是最終的執(zhí)行方案，而其搜索攻擊目標(biāo)等行為與對(duì)無(wú)人艇平臺(tái)的指揮控制緊密的結(jié)合在一起。所以無(wú)人艇的指揮決策過(guò)程應(yīng)如圖3所示，分為信息處理層、指揮決策層、控制層。

信息處理層包括信息融合和態(tài)勢(shì)評(píng)估，接收各傳感器收集到的信息和數(shù)據(jù)按一定準(zhǔn)則進(jìn)行綜合分析、處理，并根據(jù)融合后的航跡數(shù)據(jù)、理論數(shù)據(jù)和性能數(shù)據(jù)反應(yīng)真實(shí)的態(tài)勢(shì)，將得到的戰(zhàn)斗力分布信息、活動(dòng)和戰(zhàn)場(chǎng)周圍環(huán)境與地方作戰(zhàn)意圖和機(jī)動(dòng)能力結(jié)合起來(lái)，作為指揮決策的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；指揮決策包括戰(zhàn)術(shù)決策和計(jì)劃生成，根據(jù)態(tài)勢(shì)信息，按預(yù)先設(shè)定的戰(zhàn)術(shù)原則，生成最終的決策和行動(dòng)方案，如戰(zhàn)斗發(fā)起時(shí)間、戰(zhàn)法、兵力部署、任務(wù)協(xié)同等，可在指揮決策層的權(quán)限范圍之內(nèi)通過(guò)控制層對(duì)無(wú)人艇其他各系統(tǒng)進(jìn)行指揮控制[6]；控制層包含計(jì)劃執(zhí)行，用于執(zhí)行生成的行動(dòng)方案，可以同時(shí)對(duì)無(wú)人艇進(jìn)行機(jī)動(dòng)控制和武器控制。

4.2 水面無(wú)人艇單艇Agent的結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合混合型Agent與無(wú)人艇指揮控制過(guò)程，將用戶和用戶界面抽象為編隊(duì)指揮中心，將推理計(jì)算模塊、知識(shí)庫(kù)、學(xué)習(xí)模塊抽象為決策規(guī)劃模塊，將建模抽象為信息處理模塊，將行為動(dòng)作模塊抽象為控制模塊，將條件-動(dòng)作規(guī)則抽象為反應(yīng)模塊，如圖4所示。

圖4 無(wú)人艇單艇Agent的結(jié)構(gòu)分析

1）信息處理模塊

接收來(lái)自傳感器、其他Agent和編隊(duì)指揮中心的外部信息以及無(wú)人艇內(nèi)部信息，對(duì)收集到的目標(biāo)信息進(jìn)行相關(guān)的分析，數(shù)據(jù)融合和敵我識(shí)別等，并實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的綜合評(píng)價(jià)，以此估計(jì)敵方的兵力部署和作戰(zhàn)計(jì)劃。

2）決策規(guī)劃模塊

根據(jù)作戰(zhàn)對(duì)象、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和上級(jí)作戰(zhàn)意圖，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的戰(zhàn)術(shù)原則，進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)方案分析計(jì)算和優(yōu)選，將優(yōu)選的決策結(jié)合知識(shí)庫(kù)中的戰(zhàn)術(shù)規(guī)則進(jìn)行行動(dòng)方案的規(guī)劃，并對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配和管理。

3）控制模塊

主要控制無(wú)人艇的機(jī)動(dòng)，傳感器的綜合檢測(cè)，提供相應(yīng)的武器通道組織方式、控制相應(yīng)武器的使用等[7]；可以根據(jù)預(yù)先制定的條件-動(dòng)作規(guī)則，對(duì)傳感器傳送的緊急情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，也可以根據(jù)通訊模塊傳送的戰(zhàn)場(chǎng)變化情況做出更加合理的應(yīng)急反應(yīng)。

4）反應(yīng)模塊

根據(jù)緊急情況制定的條件-動(dòng)作方案。

5）通訊模塊

在Agent與編隊(duì)指揮中心之間、Agent實(shí)體之間傳輸戰(zhàn)場(chǎng)信息、協(xié)商信息和命令。

4.3 基于Agent的無(wú)人艇智能指揮控制系統(tǒng)在編隊(duì)中的應(yīng)用

現(xiàn)代海戰(zhàn)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)體系中，指揮決策系統(tǒng)更集中體現(xiàn)著信息的共享，包括態(tài)勢(shì)信息、協(xié)同決策信息、作戰(zhàn)意圖信息等。其目標(biāo)在于對(duì)抗條件下能夠獲取信息優(yōu)勢(shì)并將之轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)行快速有效的指揮決策，迅速實(shí)施作戰(zhàn)行動(dòng)，提高編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能力，將己方的作戰(zhàn)潛力最大限度地轉(zhuǎn)換為戰(zhàn)斗力[8]。將基于Agent的無(wú)人艇智能指揮控制系統(tǒng)應(yīng)用于編隊(duì)中可以高效地在無(wú)人艇和有人艇之間共享信息，如圖5所示。

圖5 基于Agent的無(wú)人艇編隊(duì)智能指揮控制系統(tǒng)架構(gòu)

1）自主決策Agent：一方面接受來(lái)自編隊(duì)指揮中心和協(xié)同決策Agent分配的任務(wù)，其中編隊(duì)指揮中心優(yōu)先級(jí)要高于協(xié)同決策Agent，依據(jù)相應(yīng)的命令進(jìn)行單機(jī)作戰(zhàn)；另一方面將本機(jī)探測(cè)到的情報(bào)信息、決策信息發(fā)送給其他無(wú)人艇的自主決策Agent和協(xié)同決策Agent。

2）協(xié)同決策Agent：每艘無(wú)人艇都有一個(gè)協(xié)同決策Agent，由信息處理層和指揮決策層構(gòu)成，其中只有無(wú)人艇指揮節(jié)點(diǎn)的協(xié)同決策Agent為主用Agent，其他為備份節(jié)點(diǎn)，在主用無(wú)人艇受損時(shí)迅速承擔(dān)起該節(jié)點(diǎn)的功能[9]。負(fù)責(zé)綜合全局的信息，得出戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，并結(jié)合編隊(duì)指揮中心的命令，對(duì)己方各無(wú)人艇分配目標(biāo)，制定協(xié)同戰(zhàn)術(shù)，并將結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)庫(kù)[10]。

3）有人艇指控系統(tǒng)：根據(jù)各艇傳送的情報(bào)和預(yù)先制定的計(jì)劃，從全局的角度制定攻擊的輔助決策并交由指揮員進(jìn)行最終決策的確認(rèn)。

4）數(shù)據(jù)庫(kù)：獲取并存儲(chǔ)協(xié)同決策Agent和有人艇指控系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

5 系統(tǒng)的工作過(guò)程

水面無(wú)人艇可以在己方基地、艦艇附近或敵方潛艇航道等指定區(qū)域自主執(zhí)行搜索、警戒、監(jiān)視、攻潛等多種任務(wù)[11]?，F(xiàn)以無(wú)人艇編隊(duì)對(duì)潛應(yīng)召平行搜索為作戰(zhàn)任務(wù)背景，闡述系統(tǒng)的工作過(guò)程。

無(wú)人艇采用“發(fā)現(xiàn)即打擊”、“偵-打”一體的反潛理念，即發(fā)現(xiàn)敵方潛艇、攻擊敵方潛艇并且摧毀敵方潛艇[12]，其任務(wù)的主要目標(biāo)是保障編隊(duì)指揮中心安全和己方后續(xù)作戰(zhàn)任務(wù)能夠順利完成。

假設(shè)任務(wù)空間中有一艘敵方潛艇：QT，編隊(duì)指揮中心僅收到應(yīng)召搜索的相關(guān)指示，并派出4艘無(wú)人艇前往進(jìn)行搜索，其中USV2為無(wú)人艇編隊(duì)指揮節(jié)點(diǎn)，參見圖6。虛線表示原定搜索線路，實(shí)線表示實(shí)際搜索線路。

圖6 多艘無(wú)人艇反潛搜索示意圖

系統(tǒng)開始工作時(shí)，編隊(duì)指揮中心發(fā)布命令，無(wú)人艇指揮節(jié)點(diǎn)收到有關(guān)潛艇最后位置的數(shù)據(jù)或應(yīng)召搜索指示后，立即通過(guò)協(xié)同決策Agent制定協(xié)同戰(zhàn)術(shù)，組成搜索隊(duì)形，全速到達(dá)開始搜索線，按戰(zhàn)術(shù)設(shè)定路線進(jìn)行搜索；4艘無(wú)人艇上的自主決策Agent在航行中不斷探測(cè)外界環(huán)境、結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)要求自主對(duì)路徑、威脅規(guī)避、目標(biāo)確定等選擇做出決策，并發(fā)布情報(bào)決策；當(dāng)某一艘USV發(fā)現(xiàn)潛艇目標(biāo)QT時(shí)，將這一情況發(fā)布給USV2上的協(xié)同決策Agent，并廣播給其它USV上的自主決策Agent；無(wú)人艇指揮節(jié)點(diǎn)上的協(xié)同決策Agent立即制定新的戰(zhàn)術(shù)規(guī)則，如重新進(jìn)行態(tài)勢(shì)分析，規(guī)劃編隊(duì)整體追擊任務(wù)，給USV1、USV3、USV4發(fā)布追擊任務(wù)，并將結(jié)果發(fā)送給編隊(duì)指揮中心；各無(wú)人艇的自主決策Agent根據(jù)分配的追擊任務(wù)，重新制定航行、攻擊策略。同時(shí)，編隊(duì)指揮中心在收到搜索任務(wù)的最新態(tài)勢(shì)后，如對(duì)新戰(zhàn)術(shù)不滿意，可直接向協(xié)同決策Agent或自主決策Agent發(fā)布干預(yù)命令。如果編隊(duì)指揮中心認(rèn)可協(xié)同決策Agent制定的戰(zhàn)術(shù)方案，則無(wú)人艇編隊(duì)按計(jì)劃對(duì)潛艇進(jìn)行圍堵并攻擊。在整個(gè)搜索過(guò)程中，探測(cè)，自主航行，協(xié)同決策等過(guò)程一直進(jìn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

本文將Agent技術(shù)與無(wú)人艇相結(jié)合，介紹了基于Agent的水面無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)智能指揮控制系統(tǒng)。在分析無(wú)人艇作戰(zhàn)特點(diǎn)和Agent組織架構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮單個(gè)Agent的自主性以及多Agent的交互性和協(xié)作性，大大提高了無(wú)人艇遇突發(fā)情況的處理能力，信息的共享能力，協(xié)同作戰(zhàn)的決策能力。使無(wú)人艇指控系統(tǒng)更加智能化，可使戰(zhàn)場(chǎng)中的各種信息資源實(shí)現(xiàn)共享，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)感知，戰(zhàn)術(shù)決策速度加快和自主協(xié)同打擊能力提高。