面向無人機作戰(zhàn)的虛擬孿生系統(tǒng)設(shè)計方案

紀廣， 郝建國， 張振偉

(國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

0 引言

無人機(UAV)憑借其操作便攜高效、行動靈活多變、傷亡有效避免的卓越性能，近年來一直是軍事領(lǐng)域的研究熱點之一，面對缺少實戰(zhàn)體驗的作戰(zhàn)仿真體系和復(fù)雜多變的真實戰(zhàn)場環(huán)境，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)仿真技術(shù)難以支撐智能化作戰(zhàn)需求，主要原因在于，傳統(tǒng)作戰(zhàn)仿真對戰(zhàn)場要素的構(gòu)建僅僅依據(jù)一定的現(xiàn)實條件做出想定，多取決于人為想法，與實際作戰(zhàn)條件沒有直接聯(lián)系，模型精度高低基本取決于建模人員的知識儲備，且傳統(tǒng)作戰(zhàn)仿真多采取離線仿真形式，仿真推演結(jié)果只能為現(xiàn)實作戰(zhàn)場景提供借鑒，無法根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢實時響應(yīng)，不過分注重仿真推演畫面增強的方式也很難在仿真作戰(zhàn)中帶給指揮員高效的體驗感。無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)的建立有助于加強真實戰(zhàn)場和仿真體系之間的信息融合，借助人工智能的強大推演能力，創(chuàng)建更加全面的數(shù)據(jù)庫，輔助指揮員做出科學(xué)合理的指揮決策。

作為2020年重大科學(xué)問題之一，虛擬孿生技術(shù)的提出本質(zhì)上是基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出的宗旨意在智能制造等現(xiàn)實領(lǐng)域突破物理世界與信息世界交互與共融所面臨的瓶頸。對無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)而言，虛擬孿生技術(shù)的內(nèi)涵是指利用戰(zhàn)場傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對無人機真實作戰(zhàn)環(huán)境各實體對象的行為、特征、性能和行為過程等進行描述和建模的過程和方法。

就軍事應(yīng)用領(lǐng)域而言，虛擬孿生和數(shù)字孿生在技術(shù)內(nèi)涵上是統(tǒng)一的，都以打造精準的交互式高逼真度數(shù)字模型為核心理念，并力求構(gòu)造一個與現(xiàn)實世界作戰(zhàn)元素一一對應(yīng)的虛擬仿真世界，在作戰(zhàn)行為過程中，虛擬孿生與數(shù)字孿生在實時性、同步性和交互性上的追求保持一致，但是虛擬孿生更強調(diào)對智能實體的關(guān)注，如無人機等在仿真作戰(zhàn)環(huán)境下的智能化軍事應(yīng)用與開發(fā)。與數(shù)字孿生強調(diào)的基于物理實體的多維度多尺度數(shù)字孿生體構(gòu)造不同，為了能夠滿足對新型軍事武器裝備的創(chuàng)造性設(shè)計和便攜式調(diào)試，物理實體之于現(xiàn)實世界的存在也可以后于數(shù)字孿生體之于仿真世界的存在，通過在高置信度仿真環(huán)境下對新型軍事武器裝備數(shù)字孿生體的精細打磨以及仿真對抗運行，指導(dǎo)現(xiàn)實世界的實裝生產(chǎn)，提升裝備開發(fā)效率。相比數(shù)字孿生，虛擬孿生更能滿足智能實體的設(shè)計與開發(fā)。

虛擬孿生技術(shù)的運用對于無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的研制發(fā)揮著重要作用，而人工智能各項技術(shù)的合理規(guī)劃與運用又對虛擬孿生技術(shù)的進展有著巨大的推動作用，如何有效利用虛擬孿生技術(shù)對無人機作戰(zhàn)仿真中物理戰(zhàn)場和孿生戰(zhàn)場進行高效的融合與拓展，并對新型武器裝備等進行預(yù)研與開發(fā)，成為當(dāng)前無人機作戰(zhàn)領(lǐng)域的一大創(chuàng)新點。本文以陶飛等提出的數(shù)字孿生五維模型為理論基礎(chǔ)對無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)架構(gòu)進行設(shè)計和分析，陶飛等將數(shù)字孿生系統(tǒng)根據(jù)規(guī)模分為個層級，即單元級、系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級，本文提出的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)論規(guī)模可以理解為虛擬孿生技術(shù)支撐下的系統(tǒng)級系統(tǒng)。

針對作戰(zhàn)仿真和輔助決策支持系統(tǒng)的研究，國外方面，影響力較大的是美國對“深綠”計劃的啟動，其主要依賴于動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用系統(tǒng)(DDDAS)提供的技術(shù)支持，該技術(shù)是Darema于2000年3月的一次專題學(xué)術(shù)討論會上正式確立的。與2002年國際建模與仿真會議上Fujimoto等提出的共生仿真(S3))不同，從作戰(zhàn)仿真和指揮決策支持系統(tǒng)的角度而言，DDDAS強調(diào)對真實戰(zhàn)場或戰(zhàn)場的建模精準度，S3強調(diào)指揮員的決策對于仿真系統(tǒng)的有效反饋。國內(nèi)方面，最早由王飛躍提出平行系統(tǒng)方法，其在作戰(zhàn)研究方面意在提供更加有效和逼真的戰(zhàn)爭模擬，平行仿真技術(shù)的提出讓仿真系統(tǒng)和實際系統(tǒng)的平行執(zhí)行成為理論上的可能，面向指揮決策支持平臺的平行仿真系統(tǒng)研究也取得一定進展，能夠?qū)崿F(xiàn)在線仿真輔助決策。平行系統(tǒng)和平行仿真概念存在區(qū)別，平行系統(tǒng)強調(diào)仿真系統(tǒng)中任何現(xiàn)象應(yīng)該視為現(xiàn)實中可能出現(xiàn)事件，即“虛”與“實”的地位平等，而平行仿真強調(diào)動態(tài)數(shù)據(jù)的實時更新，并實現(xiàn)模型和參數(shù)的演化調(diào)整。對于在2016年—2018年連續(xù)三年被世界著名咨詢公司Gartner列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢的數(shù)字孿生技術(shù)，其理念最早可追溯到美國國家航空航天局(NASA)于1969年在阿波羅項目中提出的在軌裝配技術(shù)。之后Grieves等對該技術(shù)深入研究，豐富了數(shù)字孿生的內(nèi)涵要義。2010年, 美國國家航空航天局 (NASA) 在太空技術(shù)路線圖中首次引入數(shù)字孿生概念，旨在刻畫和映射物理系統(tǒng)的全生命周期過程，有效實現(xiàn)對物理系統(tǒng)運行狀態(tài)、使用壽命、任務(wù)可行性的診斷和預(yù)測，基于此，數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)展中逐漸成型，其也可以被視為平行系統(tǒng)的特例或子集。相較于DDDAS和S3，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛實交互和數(shù)據(jù)映射功能，更能夠滿足無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的實時性要求。相較于平行系統(tǒng)和平行仿真，數(shù)字孿生的核心要義在于多維度多尺度的數(shù)字化建模，更能夠滿足無人機等裝備模型的精準化要求。

雖然現(xiàn)階段數(shù)字孿生技術(shù)還沒有運用到軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域，但鄧燁等提出了數(shù)字孿生戰(zhàn)場的建設(shè)方案，從數(shù)字孿生的內(nèi)涵要義出發(fā)，構(gòu)建了相應(yīng)的體系架構(gòu)，對數(shù)字孿生運用于軍事領(lǐng)域進行了初步探討。在無人機作戰(zhàn)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用同樣還沒有相關(guān)研究與應(yīng)用，但美國NASA和美國空軍研究實驗室曾合作提出未來飛行器的數(shù)字孿生體范例。國內(nèi)，廣東工業(yè)大學(xué)介紹了一種關(guān)于多旋翼無人機的數(shù)字孿生仿真平臺，利用Unity、Ros、MATLAB等工具軟件實現(xiàn)對無人機的多尺度仿真。吳東陽等對四旋翼飛行器的數(shù)字孿生系統(tǒng)做出初步設(shè)計，對系統(tǒng)可行性進行了分析，從工程應(yīng)用上體現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)對無人機飛行仿真的重要作用。這些研究為無人機的數(shù)字孿生體構(gòu)造及其系統(tǒng)開發(fā)提供了有效的借鑒。

隨著虛擬孿生技術(shù)的提出，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用相較于數(shù)字孿生而言，更能體現(xiàn)對無人機等智能實體的兼容性與創(chuàng)造性，結(jié)合人工智能相關(guān)先進技術(shù)的融合，擁有較為廣闊的發(fā)展前景。本文基于虛擬孿生技術(shù)，針對無人機作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的設(shè)計進行探討。

1 無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)框架

根據(jù)虛擬孿生技術(shù)的相關(guān)要義，其在框架設(shè)計原則上遵循數(shù)字孿生對系統(tǒng)框架的虛實交互以及數(shù)據(jù)映射等要求，并利用五維模型原則，設(shè)計無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)框架如圖1所示，其主要由物理層、虛擬層、數(shù)據(jù)層和服務(wù)層4部分組成。五維模型中涉及的連接，在本文系統(tǒng)框架下可以等價為各模塊之間的數(shù)據(jù)流。

1.1 物理層

物理層是系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)。物理層中，以真實無人機戰(zhàn)場為主模塊。必要前提是搭建較為完善的戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)，能夠?qū)崟r捕捉戰(zhàn)場關(guān)鍵信息，并將其及時傳遞給數(shù)據(jù)層中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標識別系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)上的初步處理。無人機作戰(zhàn)檔案庫基于歷史作戰(zhàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建，能夠?qū)?shù)據(jù)傳遞給基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢評估系統(tǒng)，并實時更新系統(tǒng)新的態(tài)勢評估。

物理層的構(gòu)建高度依賴物理設(shè)施的完善性，相較于文獻[20-21]等對無人機的數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)造方案而言，本文方案除了注重對實體無人機的仿真構(gòu)建，還強調(diào)對無人機作戰(zhàn)戰(zhàn)場的孿生構(gòu)建，意在打造要素全面的仿真系統(tǒng)。

1.2 虛擬層

虛擬層是在物理層基礎(chǔ)上構(gòu)建的虛擬對象。以虛擬孿生無人機戰(zhàn)場為主模塊，其在無人機虛擬孿生仿真系統(tǒng)的支撐和增強現(xiàn)實模塊的渲染下，能夠?qū)⒃鰪娛娇梢暬瘧?zhàn)場場景傳遞給戰(zhàn)場指揮員，提升指揮員的作戰(zhàn)體驗。戰(zhàn)場決策仿真庫能夠存儲服務(wù)層實時傳遞的智能化決策和作戰(zhàn)計劃智能化生成模塊生成的實時方案，并實時傳遞給仿真環(huán)境搭建系統(tǒng)進行推演平臺的實時更新。同時，作戰(zhàn)計劃智能化生成模塊在獲取新的智能化決策以后，實時將數(shù)據(jù)傳遞給孿生仿真環(huán)境進行驅(qū)動更新。

虛實環(huán)境交互主要基于增強現(xiàn)實技術(shù)。增強現(xiàn)實(AR)的三大特征是虛擬世界與現(xiàn)實世界的信息融合、虛擬與現(xiàn)實實現(xiàn)實時交互、三維空間上虛擬物體的添加。增強現(xiàn)實的引入主要用于兩個方面：

圖1 無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)框架Fig.1 Virtual twin system framework for UAV combat

1)無人機戰(zhàn)場場景下，利用Gazebo等仿真軟件構(gòu)造全景仿真場景，不僅提供面向無人機作戰(zhàn)目標、作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)環(huán)境的全景仿真能力，而且實現(xiàn)實裝、模擬器與仿真模型的互聯(lián)互操作，從而不斷提高無人機受訓(xùn)人員駕駛操控能力和指揮員隨機應(yīng)變判斷力。提供無人機模擬作戰(zhàn)的仿真平臺較多，如ROS，該平臺強大的交互能力有望為構(gòu)建更加貼近實戰(zhàn)的作戰(zhàn)場景提供借鑒。除此以外，對于無人機作戰(zhàn)場景的數(shù)字孿生構(gòu)造，可以從數(shù)字孿生智慧城市發(fā)展建設(shè)的理念中，借鑒其利用GIS打造大數(shù)據(jù)融合的孿生城市、利用綜合性的感知設(shè)備支撐數(shù)字孿生系統(tǒng)運行、利用區(qū)塊鏈建立數(shù)字孿生系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺等思路，從現(xiàn)實世界出發(fā)，分別就戰(zhàn)場三維地理特征、城市感知設(shè)備和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通進行設(shè)計，為虛擬孿生技術(shù)下軍事仿真戰(zhàn)場的開發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2)無人機作戰(zhàn)場景下，重點實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的實時交互，無人機作戰(zhàn)場景要求全面可靠的真實戰(zhàn)場信息與數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理采集到的戰(zhàn)場信息后，將真實戰(zhàn)場的重點軍事行為對象信息與虛擬孿生戰(zhàn)場的模型信息相互融合，為虛擬孿生戰(zhàn)場提供更加飽滿的信息量。最后，通過可視化的手段將作戰(zhàn)場景信息以更具沖擊效力的三維空間表達方式傳遞給指揮員，不僅能夠幫助指揮員掌握更加全面的戰(zhàn)場信息，而且有利于幫助指揮員捕捉因機器數(shù)據(jù)處理局限性而忽略的一些關(guān)鍵信息，以更形象化的方式增加指揮員決策的科學(xué)性與可靠性。

與現(xiàn)階段數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)造方案相區(qū)別的是，本文方案的虛擬層強調(diào)引入增強現(xiàn)實等技術(shù)加強對虛擬環(huán)境的仿真構(gòu)造，意在提升指揮員的作戰(zhàn)體驗。通過身臨其境的作戰(zhàn)體驗，強化指揮員的作戰(zhàn)意識，提升作戰(zhàn)效率。

1.3 數(shù)據(jù)層

人工智能的手段已經(jīng)廣泛運用于各領(lǐng)域，數(shù)據(jù)層意在借助研究前沿的人工智能技術(shù)增強系統(tǒng)運行可靠性，主要包含數(shù)據(jù)處理、仿真引擎和數(shù)據(jù)挖掘3個模塊。

數(shù)據(jù)處理模塊主要包含基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標識別系統(tǒng)和基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢評估系統(tǒng)，圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是可以有效揭示深層拓撲信息的模型，基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鏈路預(yù)測問題即給定一些點和邊的特征，從而學(xué)習(xí)一個預(yù)測邊的模型。其核心思想是將知識圖譜中的點或邊映射為向量空間的點，從而對向量空間中的點做處理。圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引入，能夠充分挖掘無人機操控專家知識圖譜拓撲結(jié)構(gòu)的特征信息，并就預(yù)測鏈路問題作出相應(yīng)的態(tài)勢評估。目標及事件識別作戰(zhàn)數(shù)據(jù)庫能夠為系統(tǒng)提供較為豐富的作戰(zhàn)模型資源，提升數(shù)據(jù)處理模塊識別精準度和效率，基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢評估系統(tǒng)意在識別戰(zhàn)場目標，并就雙方形式作出評估；仿真引擎模塊主要包含仿真環(huán)境搭建系統(tǒng)、推演系統(tǒng)和無人機虛擬孿生仿真系統(tǒng)，在仿真環(huán)境搭建和仿真系統(tǒng)運行下，使推演系統(tǒng)生成人工大數(shù)據(jù)，并驅(qū)動無人機虛擬孿生仿真系統(tǒng)的運行，該模塊意在充分運用實時數(shù)據(jù)推動戰(zhàn)場景的演化；數(shù)據(jù)挖掘模塊主要包含關(guān)聯(lián)規(guī)則及序列模式挖掘系統(tǒng)，該模塊將戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策知識系統(tǒng)產(chǎn)生的決策數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)挖掘?qū)有纬尚?shù)據(jù)庫，關(guān)聯(lián)規(guī)則及序列模式挖掘系統(tǒng)將從戰(zhàn)場實時采集的小數(shù)據(jù)進行離散化處理，并挖掘仿真推演系統(tǒng)生成的人工大數(shù)據(jù)，將挖掘的數(shù)據(jù)傳遞給關(guān)聯(lián)規(guī)則及序列模式庫，意在將結(jié)果不斷用來優(yōu)化無人機操縱專家知識圖譜。

知識圖譜在補充挖掘知識的基礎(chǔ)上，可以為圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供非歐幾里得結(jié)構(gòu)特征信息，提高數(shù)據(jù)的準確性和可解釋性，圖2所示為基于數(shù)據(jù)挖掘與知識圖譜的行為學(xué)習(xí)流程。

圖2 基于數(shù)據(jù)挖掘與知識圖譜的行為學(xué)習(xí)流程Fig.2 Behavior learning process based on data mining and knowledge graph

數(shù)據(jù)層引入的知識挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)，是在數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)上，虛擬孿生技術(shù)對仿真系統(tǒng)構(gòu)造的擴展與補充，其對數(shù)據(jù)的處理效率和精度高于傳統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)建設(shè)方案，對系統(tǒng)的可靠性具備更強的支撐作用。

1.4 服務(wù)層

服務(wù)層中，知識決策模塊主要包含人機操縱專家知識圖譜和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策知識系統(tǒng)，無人機戰(zhàn)術(shù)庫與行為規(guī)則庫對無人機操縱專家知識圖譜做初始化處理，并驅(qū)動無人機虛擬孿生系統(tǒng)的運行，同時將知識分類傳遞給基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)，決策知識庫為決策知識系統(tǒng)提供具體的數(shù)據(jù)支撐。該模塊意在態(tài)勢評估的基礎(chǔ)上智能輔助決策，并將智能化決策實時傳遞給戰(zhàn)場指揮員，為其提供決策較優(yōu)方案。除此以外，服務(wù)層還提供定制化服務(wù)的接口，能夠根據(jù)作戰(zhàn)需求定制編隊訓(xùn)練、意圖識別、路徑規(guī)劃和態(tài)勢感知等智能化作戰(zhàn)服務(wù)。

決策支持系統(tǒng)采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行搭建。決策知識庫包含數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫和知識庫4個子庫，在前期態(tài)勢評估和知識圖譜決策的基礎(chǔ)上，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策支持系統(tǒng)經(jīng)過演算并根據(jù)決策知識庫已有知識做出最終決策，并由智能化決策生成模塊作為人機接口與指揮員交互。圖3為決策支持系統(tǒng)流程圖。

圖3 決策支持系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of decision support system (DSS)

與文獻[20-21]等面向無人機仿真的單一服務(wù)相區(qū)別，本文設(shè)計方案的服務(wù)層支持面向用戶的多功能服務(wù)開發(fā)，提供標準交互接口，具備一定的普適性。

2 案例研究

以單兵作戰(zhàn)四旋翼無人機作戰(zhàn)過程為例，分析其在虛擬孿生系統(tǒng)下的運行流程，為虛擬孿生系統(tǒng)開發(fā)多樣化的軍事作戰(zhàn)需求提供可行性思路。

2.1 設(shè)計方法

為了實現(xiàn)對虛擬孿生系統(tǒng)的有效開發(fā)，本文案例基于機器人操作系統(tǒng)ROS進行研究。具體方法步驟為：

1)對硬件架構(gòu)進行設(shè)計，基于現(xiàn)實條件搭建物理實體，通過調(diào)試，保證物理實體的有效運行與控制。基于系統(tǒng)開發(fā)需求，選擇支持二次開發(fā)的飛行控制硬件，并在架構(gòu)邏輯上支持指揮員對系統(tǒng)的操作控制；

2)基于ROS操作系統(tǒng)的相關(guān)功能支持，對軟件架構(gòu)進行開發(fā)，以傳感器采集的數(shù)據(jù)為輸入，以智能化輔助決策為輸出，軟件架構(gòu)的各功能模塊需要依據(jù)需求單獨進行設(shè)計；

3)通過對系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行，驗證系統(tǒng)相關(guān)功能。

2.2 硬件架構(gòu)

考慮現(xiàn)實作戰(zhàn)需求，硬件架構(gòu)的構(gòu)建需要滿足：

1)無人機應(yīng)當(dāng)配備攝像頭，以滿足日常巡航，及時發(fā)現(xiàn)敵情；

2)無人機應(yīng)當(dāng)攜帶一定載荷，以實現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)；

3)無人機應(yīng)當(dāng)支持開發(fā)，以滿足不同功能的作戰(zhàn)需求。

硬件層是虛擬孿生系統(tǒng)下孿生模型構(gòu)建的物理對象，如圖4所示。根據(jù)以上需求分析，選擇深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的DJI F450型自組裝無人機，其中組件包含電機、電調(diào)、飛控、GPS、螺旋槳、電池等。無人機上還將搭載信號接收與傳送裝置，包括電臺和遙控接收器。地面電臺連接地面控制設(shè)備，指揮員可以通過地面控制設(shè)備監(jiān)測無人機狀態(tài)、觀察孿生無人機同步運行界面、給無人機定制化功能下達指令，同時也可以通過無人機操縱遙控控制無人機機動動作。

圖4 硬件架構(gòu)Fig.4 Hardware architecture

采用該硬件架構(gòu)的優(yōu)勢在于：1)自組裝無人機的飛控開源，能夠有針對性地進行開發(fā)，以實現(xiàn)相關(guān)任務(wù)需求；2)該組裝無人機成本較低，能夠節(jié)約作戰(zhàn)開支；3)該組裝無人機體積適中，能夠較為輕松地滿足編隊化作戰(zhàn)需求；4)該組裝無人機方便組裝攝像頭，也能夠在支架上安裝彈倉，攜帶小量載荷。

2.3 軟件架構(gòu)

在硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，軟件架構(gòu)的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)滿足：1)支撐硬件的建模與仿真運行；2)能夠?qū)崿F(xiàn)無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)框架的各項功能；3)能夠為指揮員實時輸出智能決策。

軟件層涉及到虛擬孿生系統(tǒng)下孿生模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理、仿真環(huán)境搭建、數(shù)據(jù)挖掘、智能化輔助決策、可視化界面顯示等。如圖5所示，系統(tǒng)輸入為傳感器在戰(zhàn)場實時采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過各軟件模塊對數(shù)據(jù)的處理，最終單兵作戰(zhàn)四旋翼無人機作戰(zhàn)過程中的可行性輔助決策將傳遞給戰(zhàn)場指揮員，同時指揮員能夠根據(jù)可視化仿真環(huán)境界面觀察孿生無人機同步運行情況。

圖5 軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture

2.3.1 孿生模型構(gòu)建方法

孿生模型的構(gòu)建是對實體無人機的孿生構(gòu)造，需要從幾何、物理、行為和規(guī)則等多個方面進行模型構(gòu)建。幾何模型是對無人機三維幾何特征的可視化描述，可利用Solidworks等建模軟件進行建模；物理模型是對無人機動力學(xué)仿真的描述，可采用常規(guī)四旋翼動力學(xué)模型；行為模型是對無人機回路控制的描述，可采用常規(guī)PID控制回路；規(guī)則模型是對無人機執(zhí)行各項任務(wù)的規(guī)則描述，可根據(jù)任務(wù)進行構(gòu)建。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理模塊主要對無人機采集圖片進行預(yù)處理。無人機巡航過程中實時航拍上傳畫面，對不同時刻圖像按幀進行批量化導(dǎo)出，借助已建數(shù)據(jù)庫標定可疑作戰(zhàn)對象，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行目標檢測，并利用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行態(tài)勢評估。

2.3.3 仿真環(huán)境搭建及界面顯示方法

仿真環(huán)境是對無人機作戰(zhàn)可視化環(huán)境的虛擬構(gòu)造，可利用ROS支持的仿真軟件如Gazobo、UE等進行仿真構(gòu)建，同時能夠滿足系統(tǒng)的調(diào)用，并提供基礎(chǔ)仿真運行界面，以實現(xiàn)對無人機作戰(zhàn)過程的可視化顯示。

2.3.4 數(shù)據(jù)挖掘技輔助決策方法

基于數(shù)據(jù)挖掘與知識圖譜的行為學(xué)習(xí)流程如圖2所示，通過對數(shù)據(jù)的后期處理，并基于一定的人為構(gòu)建規(guī)則，可以為系統(tǒng)挖掘更多智能化決策方案。并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策知識庫的篩選，為指揮員實時輸出智能決策。

2.4 虛擬孿生系統(tǒng)下無人機作戰(zhàn)流程

通過對無人機硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)的構(gòu)建，完成了對案例系統(tǒng)的初步設(shè)計方案，將該系統(tǒng)運用于無人機作戰(zhàn)，其流程如圖6所示。指揮員在地面控制設(shè)備劃定作戰(zhàn)路線，地面控制設(shè)備將規(guī)劃航線實時上傳給無人機，實體無人機將航拍得到的情報實時傳遞給系統(tǒng)，系統(tǒng)及時識別敵情并作出態(tài)勢評估，經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘處理，將知識傳遞給知識決策模塊，最后輸出智能化決策，孿生無人機與實體無人機同步運行，數(shù)據(jù)傳遞給仿真推演系統(tǒng)，仿真推演系統(tǒng)同時接收實體無人機和孿生無人機的數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)融合以后，將仿真預(yù)測結(jié)果傳給數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)下的運行同時也通過三維可視化傳遞給指揮員。

圖6 虛擬孿生系統(tǒng)下無人機作戰(zhàn)流程Fig.6 UAV combat process under virtual twin system

2.5 相關(guān)功能及數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)階段工作中，已經(jīng)對實體無人機和孿生無人機的基礎(chǔ)運行進行了聯(lián)合實驗，能夠從可視化仿真界面獲取孿生無人機虛擬的狀態(tài)運行顯示界面，即完成了無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)處理模塊和仿真引擎模塊。相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘模塊和知識決策模塊下的模型構(gòu)建還有待在后續(xù)工作中進一步開發(fā)與實現(xiàn)。

從2.4節(jié)無人機作戰(zhàn)流程來看，本文案例實現(xiàn)了下行支線功能，滿足了無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行，如圖7紅框所示，具體實現(xiàn)的功能包括戰(zhàn)場環(huán)境的虛擬構(gòu)建、孿生無人機仿真運行、指揮員遠程監(jiān)測等。

圖7 虛擬孿生系統(tǒng)實現(xiàn)功能Fig.7 Implementation of virtual twin system

2.5.1 戰(zhàn)場環(huán)境的虛擬構(gòu)建

功能需求上首先對無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)仿真環(huán)境進行搭建。本文案例戰(zhàn)場虛擬環(huán)境基于Gazebo軟件構(gòu)建，該軟件包含一些基本環(huán)境元素模型，也支持導(dǎo)入自建環(huán)境模型，具有較強的兼容性，支持對虛擬環(huán)境的可視化輸出。

如圖8所示，從視覺效果和維度特征上可以判斷出仿真環(huán)境存在較高的逼真度。盡管相比真實環(huán)境而言，虛擬環(huán)境無法做到完全意義上的細節(jié)構(gòu)建，但對重點要素能夠基本呈現(xiàn)。

圖8 虛實環(huán)境對比圖Fig.8 Comparison of virtual and real environments

2.5.2 孿生無人機仿真運行

在ROS系統(tǒng)下導(dǎo)入孿生無人機模型以后，指揮員可在指令窗口啟動系統(tǒng)。通過對實體無人機狀態(tài)信息進行獲取，孿生無人機可基于虛擬環(huán)境同步仿真運行。

相關(guān)運行界面如圖9所示，可以顯示無人機在孿生戰(zhàn)場下的相關(guān)視圖，為指揮員提供可視化操作界面，并支持通過對孿生體的運行控制，達到對實體無人機反饋精準控制的目的。

圖9 仿真運行界面Fig.9 Simulation operation interface

2.5.3 指揮員遠程監(jiān)測

無人機在操作運行的過程中，可以通過ROS系統(tǒng)對無人機的數(shù)據(jù)狀態(tài)進行監(jiān)控，某架無人機相關(guān)數(shù)據(jù)運行如圖10所示，通過數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測無人機運行健康狀態(tài)，方便對無人機方案的實時調(diào)整和數(shù)據(jù)推演。從數(shù)據(jù)狀態(tài)來看，無人機空間位置和姿態(tài)值較為穩(wěn)定，系統(tǒng)對無人機的控制較為精準。

圖10 某無人機數(shù)據(jù)運行圖Fig.10 Data operation diagram of a UAV

從案例各項功能實現(xiàn)可以看出，單兵作戰(zhàn)四旋翼無人機在虛擬孿生系統(tǒng)技術(shù)支撐下，能夠?qū)崿F(xiàn)對孿生體的虛擬驅(qū)動，并且具備較為精準的控制效果，可視化界面的輸出也增強了指揮員對無人機的實時控制體驗感與便攜度，無人機作戰(zhàn)虛擬孿生系統(tǒng)具備基本的可行性。

2.6 方法比較

針對無人機作戰(zhàn)的虛擬孿生系統(tǒng)研究比較少，但針對無人機的數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)有學(xué)者進行了相關(guān)研究，如文獻[20]介紹的關(guān)于多旋翼無人機的數(shù)字孿生仿真平臺和文獻[21]對四旋翼飛行器的數(shù)字孿生系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計。設(shè)計方法上的區(qū)別在于：

1)相比于文獻[20-21]基于數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計，本文提出利用虛擬孿生技術(shù)進行仿真系統(tǒng)的設(shè)計，從內(nèi)涵要義上，虛擬孿生是對數(shù)字孿生的擴充與完善；

2)相比于文獻[20-21]面向無人機的數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)開發(fā)，本文設(shè)計系統(tǒng)是面向軍事領(lǐng)域的無人機作戰(zhàn)應(yīng)用；

3)相比于文獻[20-21]對旋翼無人機的仿真研究，本文設(shè)計系統(tǒng)在數(shù)字孿生體可建的前提下，可選擇一種或多種無人機進行配合仿真研究。

通過研究比較，可以得出本文方法的優(yōu)勢在于：

1)本文設(shè)計方案更具有普適性，能夠滿足對各類型無人機的仿真運行與推演；

2)本文系統(tǒng)從基本原理上也實現(xiàn)了對孿生無人機的仿真運行，并在此基礎(chǔ)上利用虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能相關(guān)技術(shù)，能夠擴展對無人機作戰(zhàn)過程中的仿真推演和可視化輸出，以此達到對戰(zhàn)場指揮員輔助決策的目的；

3)本文設(shè)計系統(tǒng)具備較強的二次開發(fā)性能，能夠針對無人機的不同作戰(zhàn)需求，開發(fā)定制化服務(wù)內(nèi)容，從而提升系統(tǒng)的利用率。

3 結(jié)論

本文以無人機作戰(zhàn)為問題需求，通過研究虛擬孿生技術(shù)內(nèi)涵，提出面向無人機作戰(zhàn)的仿真系統(tǒng)設(shè)計方案。借助人工智能的手段，推演戰(zhàn)場態(tài)勢，輔助指揮員指揮決策，并通過案例研究初步實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。得出以下主要結(jié)論：

1)本文案例中相關(guān)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)分析表明，所提方案對無人機作戰(zhàn)仿真研究具備較高的精準度，能夠為指揮員提供可靠的實時仿真工具，提升指揮效率。

2)本文研究無人機作戰(zhàn)的虛擬孿生技術(shù)，是適應(yīng)當(dāng)前人工智能技術(shù)發(fā)展背景下，打造智能化軍事的戰(zhàn)場新興技術(shù)，其內(nèi)涵相比數(shù)字孿生技術(shù)，更能適應(yīng)動態(tài)戰(zhàn)場的構(gòu)建與仿真。

3)本文虛擬孿生系統(tǒng)設(shè)計方案對虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的應(yīng)用，極大程度地提升了仿真系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理能力，其作戰(zhàn)效能優(yōu)于傳統(tǒng)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。