有人/無人機協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計*

覃 睿，陳子健，閆 玲

(中國民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300)

在傳統(tǒng)森林航空消防體系中，有人機(manned aerial vehicle, MAV)通常負責(zé)執(zhí)行日常巡護、火場偵查、空中滅火等多項作戰(zhàn)任務(wù)。但由于目前存在飛機機源總量不足、機型單一、空中直接滅火能力不足等問題，飛行員在執(zhí)行任務(wù)時往往要承擔(dān)較大的安全風(fēng)險和工作負荷。而無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)具有成本低、費效比高、生存能力強、機動性能好、環(huán)境生存能力強等諸多優(yōu)勢，可輔助或代替有人機在復(fù)雜嚴(yán)峻的火場環(huán)境下執(zhí)行多項滅火任務(wù)，這不僅可以減少有人機執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險，還可以一定程度上降低任務(wù)成本，因而備受森林消防隊伍青睞[1]。

現(xiàn)階段，關(guān)于MAV與UAV協(xié)同的研究主要集中在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域，其重點研究方向主要包括：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計[2-4]、協(xié)同路徑規(guī)劃[5-7]、協(xié)同編隊控制[8-10]、協(xié)同作戰(zhàn)能力評估[11-13]、協(xié)同作戰(zhàn)決策[14]等。針對MAV/UAV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究較少，將其應(yīng)用于森林消防領(lǐng)域的研究更是幾乎空白。隨著UAV在森林消防領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，UAV如何與MAV相互補充、相互配合形成整體滅火力量將成為擬解決的關(guān)鍵問題[15]。

然而，MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，指揮節(jié)點繁多。還涉及到飛行管制、氣象條件、通信情況和火場態(tài)勢等諸多影響因素。并隨著體系內(nèi)多種UAV智能化、自主化的發(fā)展，其智能因素與MAV駕駛員的人因因素也應(yīng)被重點考慮。為了提高MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的互操作性以及減少或避免多重指揮、單一指揮或無序指揮的現(xiàn)象發(fā)生，亟需一種統(tǒng)一框架下的體系結(jié)構(gòu)描述方法。

鑒于美國國防部架構(gòu)框架(Department of Defense architecture framework, DoDAF)在復(fù)雜組織架構(gòu)開發(fā)方面具有很強的規(guī)范性和指導(dǎo)性，本文從頂層設(shè)計理念出發(fā)，基于DoDAF作戰(zhàn)視點設(shè)計了一種MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)，全面描述了MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)指揮控制關(guān)系，深入剖析了該體系的運行機制。另外，為滿足多種機型聯(lián)合滅火的需求，在MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還重點考慮了UAV控制權(quán)轉(zhuǎn)移、滅火策略與戰(zhàn)術(shù)選擇等對消防模式的影響。以期推進新型滅火力量融入傳統(tǒng)的森林滅火指揮作戰(zhàn)體系，有助于提升多機協(xié)同聯(lián)合滅火作戰(zhàn)能力，更好地應(yīng)對森林火災(zāi)中瞬息變化的火場態(tài)勢。

1 基于DoDAF的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 DoDAF概述

DoDAF2.02版本是在自動化指揮系統(tǒng)(C4ISR)框架的基礎(chǔ)上，借鑒了英國國防部體系結(jié)構(gòu)框架(MoDAF)、北約體系結(jié)構(gòu)框架(NoDAF)和開放團體體系結(jié)構(gòu)框架(TOGAF)中的優(yōu)秀成果，經(jīng)歷了DoDAF1.0版、DoDAF1.5版不斷地繼承、完善和發(fā)展形成的?？梢詾榧审w系結(jié)構(gòu)的開發(fā)提供重要指南和標(biāo)準(zhǔn)，旨在提升能力之間和被集成的體系結(jié)構(gòu)之間的互操作性，實現(xiàn)有序的信息共享，提高關(guān)鍵決策的能力[16]。DoDAF2.02版以數(shù)據(jù)為中心，可遴選8個視點(圖1)。從不同層次、對象、因素對研究對象體系結(jié)構(gòu)進行了分析，可對復(fù)雜系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行規(guī)范化的描述。盡管模型眾多但并不強制性使用，開發(fā)者可根據(jù)任務(wù)需求及自身目的，結(jié)合“適用”原則，裁剪選擇合適的視圖。

圖1 DoDAF 2.02體系結(jié)構(gòu)視點

其中作戰(zhàn)視點是其他視點產(chǎn)品的基礎(chǔ)，它以任務(wù)或作戰(zhàn)過程等為基礎(chǔ)，集中反映實施作戰(zhàn)所需的任務(wù)、活動、作戰(zhàn)要素以及資源流交換，詳細描述信息交換的種類和性質(zhì)等，其基本構(gòu)成和簡要概述如圖2所示[17]。

圖2 作戰(zhàn)視點構(gòu)成及概述

為進一步描述和構(gòu)建MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)框架，明確MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)使命和作戰(zhàn)任務(wù)，描述滅火作戰(zhàn)過程與各作戰(zhàn)節(jié)點之間的連通性。本文將從作戰(zhàn)視點角度，對MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系進行可視化建模分析，構(gòu)建的作戰(zhàn)視點模型在下一節(jié)會詳細介紹。

1.2 設(shè)計流程

結(jié)合MAV/UAV協(xié)同森林滅火的特定作戰(zhàn)任務(wù)背景，按照DoDAF作戰(zhàn)視點對該體系結(jié)構(gòu)的分析邏輯順序，設(shè)計流程如下：

(1)界定MAV/UAV協(xié)同森林滅火頂層作戰(zhàn)概念?；贛AV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)使命，分析MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)概念與功能需求，以圖形和文本描述直觀描繪頂層作戰(zhàn)設(shè)想，展現(xiàn)協(xié)同滅火作戰(zhàn)目的和架構(gòu)，分析體系結(jié)構(gòu)和外部系統(tǒng)之間的相互作用。

(2)厘清MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系各作戰(zhàn)節(jié)點之間的組織指揮關(guān)系。梳理MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系的功能關(guān)系、組織關(guān)系，確定各個作戰(zhàn)節(jié)點之間的指揮層級，明確隸屬關(guān)系。

(3)探究MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系中各節(jié)點的鏈接關(guān)系與信息交互情況，建立作戰(zhàn)資源流表述模型。詳細描述滅火作戰(zhàn)任務(wù)中的資源交換以及各作戰(zhàn)節(jié)點間信息的流動情況。

(4)剖析MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)過程?？紤]不同作戰(zhàn)階段和節(jié)點間功能的差異，采用作戰(zhàn)活動模型描述MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)活動的先后順序和相互關(guān)系，建立作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型反映節(jié)點內(nèi)部狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。建立作戰(zhàn)事件跟蹤模型表示節(jié)點間因果順序關(guān)系對外界觸發(fā)的響應(yīng)。

2 MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型

本文以某地高山林區(qū)發(fā)生森林火災(zāi)為例，受地形地貌、森林面積及林內(nèi)復(fù)雜環(huán)境等多方面因素限制，僅考慮采用MAV與UAV協(xié)同執(zhí)行森林滅火作戰(zhàn)任務(wù)。通過對任務(wù)執(zhí)行過程中MAV/UAV的動態(tài)行為和體系結(jié)構(gòu)特征進行分析，建立如下模型。

2.1 頂層作戰(zhàn)概念圖

森林火災(zāi)場景下MAV/UAV協(xié)同參與滅火作戰(zhàn)任務(wù)流程是：林火發(fā)生后，總指揮調(diào)度中心向MAV與UAV地面控制站下達滅火任務(wù)，UAV地面控制站控制小型UAV編隊搭載光電吊艙等探測設(shè)備前出火場開展偵查，并控制重型UAV編隊裝載滅火彈飛至火場附近某聚集點匯集待命。小型UAV編隊在抵達火場后，獲取森林火災(zāi)現(xiàn)場實時圖像，第一時間上報火場地理坐標(biāo)、過火面積、火場蔓延趨勢等火場態(tài)勢信息，同時對火頭、火翼、火尾保持監(jiān)測。UAV地面控制站將處理后的火場信息發(fā)送給MAV，MAV根據(jù)信息決定出動架次，尋找水源并吊桶取水，隨后趕往火場附近聚集點處接收重型UAV編隊控制權(quán)形成混合編隊前往火場進行滅火，同時接收小型UAV編隊控制權(quán)繼續(xù)跟蹤監(jiān)視火勢并于滅火完成后進行滅火效果評估。

通過對滅火作戰(zhàn)任務(wù)流程的分析，在MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系當(dāng)中會涉及到總指揮調(diào)度中心、MAV、UAV地面控制站、小型UAV編隊、重型UAV編隊及導(dǎo)航、通信衛(wèi)星等多個作戰(zhàn)節(jié)點，由此可以建立頂層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)(圖3)。

圖3 頂層作戰(zhàn)概念圖

2.2 組織關(guān)系圖

在滅火作戰(zhàn)過程中，各作戰(zhàn)節(jié)點通過資源整合和協(xié)同組網(wǎng)，構(gòu)建出森林火警監(jiān)測系統(tǒng)、聯(lián)動指揮控制系統(tǒng)、應(yīng)急通信系統(tǒng)、情報支援系統(tǒng)，并主要以協(xié)同關(guān)系和指揮控制關(guān)系連接在一起[18]。如圖4所示為MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系的組織關(guān)系圖。

圖4 組織關(guān)系圖

2.3 作戰(zhàn)資源流表述模型

MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系各節(jié)點之間用需求線連接，圖5清晰展示了系統(tǒng)之間資源交換的需求和資源的流向[19]。

圖5 作戰(zhàn)資源流表述模型

2.4 作戰(zhàn)活動模型

根據(jù)MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)資源結(jié)構(gòu)和能力的需求，本文采用分層思想，基于觀察-判斷-決策-行動(OODA)環(huán)創(chuàng)建了作戰(zhàn)活動模型[20]，將MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)活動逐層分解為消防戰(zhàn)備狀態(tài)調(diào)整、火場態(tài)勢感知、林火蔓延威脅評估、滅火作戰(zhàn)計劃制定、混合編隊空中滅火、滅火效果評估等六個作戰(zhàn)活動，進一步研究各種活動之間輸入、輸出信息流的相互關(guān)系?；顒臃纸馇闆r如圖6所示。

圖6 作戰(zhàn)活動模型

2.5 作戰(zhàn)事件跟蹤模型

為了厘清MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)任務(wù)中的各節(jié)點做出的動作以及先后順序，本文建立了作戰(zhàn)事件跟蹤模型，如圖7所示。其中主要作戰(zhàn)節(jié)點包括：總指揮調(diào)度中心、UAV地面控制站、MAV編隊、小型UAV編隊、重型UAV編隊和火場。

圖7 作戰(zhàn)事件跟蹤模型

2.6 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

面對作戰(zhàn)過程中的不同事件，各作戰(zhàn)節(jié)點會改變自身的狀態(tài)做出響應(yīng)。本文以進入消防戰(zhàn)備狀態(tài)后MAV、小型UAV及重型UAV作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為例，通過繪制作戰(zhàn)節(jié)點的狀態(tài)圖來建立作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型如圖8所示。

圖8 作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

3 體系結(jié)構(gòu)模型驗證

為驗證本文所構(gòu)建的體系結(jié)構(gòu)模型是否具有合理的邏輯關(guān)系與行為關(guān)系，考慮到體系結(jié)構(gòu)模型驗證工具IBM Rational Rhapsody可基于統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)建立可執(zhí)行模型并測試仿真。故將設(shè)計好的作戰(zhàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型(OV-6b)、作戰(zhàn)事件跟蹤模型(OV-6c)導(dǎo)入Rhapsody平臺，通過比較模型驗證結(jié)果與預(yù)期作戰(zhàn)流程的一致程度即可判斷模型設(shè)計是否合理。

本文模型執(zhí)行驗證結(jié)果如圖9所示，主要反映了在MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)過程中總指揮控制中心、UAV地面控制站、MAV編隊、小型UAV編隊和重型UAV編隊之間的動態(tài)行為和響應(yīng)順序。將圖9的模型執(zhí)行驗證結(jié)果與圖7的作戰(zhàn)事件跟蹤模型(OV-6c)進行進一步比較，可以看出：

圖9 模型執(zhí)行驗證結(jié)果

(1)在任務(wù)規(guī)劃階段，圖7中總指揮控制中心首先創(chuàng)建任務(wù)、規(guī)劃任務(wù)，并向UAV地面控制站及MAV發(fā)布滅火作戰(zhàn)任務(wù)，MAV編隊開始巡航；UAV地面控制站向小型、重型UAV編隊發(fā)送航線規(guī)劃信息，引導(dǎo)小型、重型UAV編隊進入巡航狀態(tài)。圖9中總指揮控制中心執(zhí)行創(chuàng)建任務(wù)，隨后向UAV地面控制站及MAV發(fā)布滅火作戰(zhàn)任務(wù)，MAV編隊起飛進入巡航狀態(tài)；UAV地面控制站在接到任務(wù)之后向小型、重型UAV編隊發(fā)送不同的航線規(guī)劃信息，進入各自任務(wù)巡航狀態(tài)。由此可見，在該階段二者流程一致。

(2)在火場探測階段，圖7中，MAV編隊進入尋找水源狀態(tài)并完成吊桶取水，前往聚集點待命；小型UAV編隊前出火場探測，將火場情況反饋給UAV地面控制站, UAV地面控制站綜合林火行為、強度等信息進行態(tài)勢分析并反饋給MAV編隊。圖9中，MAV編隊進入尋水狀態(tài)，完成取水后前往聚集點集合待命；小型UAV編隊前往火場進行持續(xù)探測，不斷調(diào)整飛行狀態(tài)以采集高精度火場數(shù)據(jù)，并將火場情況傳遞給UAV地面控制站，待其分析后獲得下一步指令；重型UAV編隊在此階段巡航至聚集點與MAV編隊集合待命。由此可見，在該階段二者流程一致。

(3)在編隊構(gòu)成階段，圖7中，MAV編隊收到火場態(tài)勢信息反饋后開始啟動滅火計劃，接收重型UAV編隊控制權(quán)形成混合編隊，接收小型UAV編隊控制權(quán)令其繼續(xù)跟蹤監(jiān)視火勢。圖9中，MAV編隊向小型、重型UAV編隊發(fā)送滅火任務(wù)啟動指令，重型UAV編隊移交控制權(quán)與MAV編隊形成混合滅火編隊并等待下一步任務(wù)指令，MAV編隊控制小型UAV編隊繼續(xù)保持對火場情況的監(jiān)視探測。由此可見，在該階段二者流程一致。

(4)在編隊滅火階段，圖7中，MAV編隊執(zhí)行火頭撲滅任務(wù)，向重型UAV編隊發(fā)出指令，分配目標(biāo)區(qū)域；重型UAV編隊執(zhí)行火翼、火尾的封鎖任務(wù)。圖9中，MAV編隊向重型UAV編隊提供目標(biāo)分配信息并發(fā)出任務(wù)指令，重型UAV編隊負責(zé)火翼、火尾的封鎖，MAV編隊負責(zé)火頭的撲打，共同減緩火勢蔓延。由此可見，在該階段二者流程一致。

(5)在效果評估階段，圖7中，MAV編隊向小型UAV編隊發(fā)出評估指令，小型UAV編隊前出火場進行火場復(fù)檢與評估，并將評估結(jié)果傳遞給MAV編隊。MAV編隊將評估結(jié)果進一步整理形成任務(wù)報文上交給總指揮調(diào)度中心，聯(lián)合滅火作戰(zhàn)任務(wù)結(jié)束。圖9中，滅火任務(wù)完成后，MAV編隊向小型UAV編隊發(fā)出評估指令，小型UAV編隊采集火場情況并對滅火效果進行評估，之后將評估結(jié)果傳遞給MAV編隊，經(jīng)MAV編隊確認無異常后形成任務(wù)報文傳至總指揮調(diào)度中心并結(jié)束滅火。由此可見，在該階段二者流程一致。

綜上所述，該模型執(zhí)行驗證結(jié)果與預(yù)期作戰(zhàn)流程保持一致，因此MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4 結(jié)論

本文基于美國國防部體系結(jié)構(gòu)框架，在分析MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)流程的基礎(chǔ)上，從作戰(zhàn)視點角度構(gòu)建了MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型。該模型全面描述了MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)的頂層概念，明確了MAV/UAV協(xié)同森林滅火作戰(zhàn)系統(tǒng)節(jié)點的組成，厘清了作戰(zhàn)活動之間輸入、輸出信息流的相互關(guān)系和信息動態(tài)的時序邏輯。這對實現(xiàn)人與滅火裝備器材的最佳結(jié)合，實現(xiàn)高效聯(lián)合滅火作戰(zhàn)具有指導(dǎo)意義，可為森林滅火組織指揮與控制提供技術(shù)支撐。最后，基于模型驗證工具IBM Rational Rhapsody驗證了體系結(jié)構(gòu)模型的邏輯關(guān)系和行為關(guān)系的正確性。