海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)及關鍵技術分析

羅 榮 周作鵬 王 亮 崔東華 完顏娟

近年來,在軍事大數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)云、分布式殺傷、馬賽克戰(zhàn)、算法戰(zhàn)、蜂群戰(zhàn)等新理論、新技術、新概念驅(qū)動下,軍事智能無人技術快速發(fā)展,呈現(xiàn)出深度學習、人裝融合、跨域協(xié)同、集群對抗、自主操控、無人作戰(zhàn)等新特征,各類性能好、自主性強、新質(zhì)作戰(zhàn)能力突出的智能無人裝備加速進入海戰(zhàn)場,推動海戰(zhàn)樣式由信息化聯(lián)合作戰(zhàn)向具有智能化、無人化特征的海上方向聯(lián)合全域作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變.有人平臺與無人平臺協(xié)同可使得人類智能與機器智能實現(xiàn)平行交互與融合,將人的直覺、經(jīng)驗、靈感、聯(lián)想等優(yōu)勢與機器數(shù)據(jù)處理速度快、精度高、能力強等優(yōu)勢相結(jié)合,有利于有人平臺與無人平臺的雙向聚優(yōu)補差,從而提升海上編隊的整體作戰(zhàn)效能,是未來海上方向聯(lián)合全域作戰(zhàn)的重要行動樣式之一[1-3].

針對強博弈、高對抗海戰(zhàn)場環(huán)境下,高價值、高性能主戰(zhàn)艦艇平臺生存性差、技術升級困難、系統(tǒng)架構(gòu)靈活性不足等問題,美海軍基于蓬勃發(fā)展的海上有人無人作戰(zhàn)平臺,提出“海上分布式殺傷”的作戰(zhàn)理念,旨在融合陸、海、空、天、電、網(wǎng)等作戰(zhàn)域搭載平臺,構(gòu)建全方位立體式的態(tài)勢感知網(wǎng),通過遍布各域的軍用通訊網(wǎng)絡和一體化的指揮控制系統(tǒng),構(gòu)建主戰(zhàn)有人平臺與分布式無人平臺無縫鉸鏈的作戰(zhàn)體系,實施武器系統(tǒng)集群/分導飽和攻擊的作戰(zhàn)樣式,提高整體作戰(zhàn)與打擊效能.為根本上實現(xiàn)分布式協(xié)同作戰(zhàn)思想,美海軍高度重視海上方向有人無人協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術的攻關研究,陸續(xù)啟動了“協(xié)作無人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制”“自主協(xié)同的分散偵察與探測系統(tǒng)”“分布式敏捷反潛系統(tǒng)”等海上有人無人協(xié)同研究項目,開展了海上有人無人協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術演示驗證工作,取得良好效果[4-6].國內(nèi)海上方向有人無人協(xié)同作戰(zhàn)研究起步較晚,尚處于研究初期.盡管如此,我國利用各類無人系統(tǒng)和裝備分別開展了湖/海上試驗,也取得了一定成果.2018 年1 月,華中科技大學實現(xiàn)了4 艘水面無人艇組網(wǎng),并進行了協(xié)同勘探、巡邏緝私、物資投送、污染清理等試驗；同年5 月,云洲智能公司使用56 艘水面無人艇,驗證了航跡規(guī)劃、編隊控制、集群內(nèi)部沖突解脫算法的有效性；此外,我國還演示了數(shù)十艘無人艇、無人車、無人機組成圖案編隊航行,演示了“海-陸-空”無人系統(tǒng)集群編隊航行概念.然而,上述演示不具有復雜環(huán)境動態(tài)適應、多種任務能力兼容等集群智能屬性,而且尚未充分體現(xiàn)海上分布式協(xié)同作戰(zhàn)的主旨要義與典型特征.因此,目前我國無論是在作戰(zhàn)概念創(chuàng)新方面,還是在關鍵技術攻關方面,亦或是在研究成果演習演練方面均與美海軍有一定差距[7-8].

為此,本文針對海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念內(nèi)涵、面臨問題、協(xié)同模式、體系結(jié)構(gòu)以及關鍵技術等內(nèi)容開展了系統(tǒng)深入的研究,以為開展海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)研究提供參考與借鑒.

1 海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念

1.1 概念內(nèi)涵

海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)是指高價值有人平臺（比如母機、母艦與母艇）與廣袤前沿海域海量分布式的無人平臺（包括無人艇、艦載無人機、無人潛航器等）之間在組織、感知、決策、規(guī)劃、控制等方面各自進行獨立的計算、存儲、處理,通過高度的信息共享、任務綜合、資源優(yōu)化與交互共融,實施協(xié)調(diào)一致的行動,進而共同完成作戰(zhàn)任務,達成作戰(zhàn)目的.該作戰(zhàn)概念是“分布式殺傷”與“有人無人協(xié)同作戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念在海上方向的融合、拓展與延伸,繼承了“分布式殺傷”與“有人無人協(xié)同作戰(zhàn)”的主旨要義,其思想是不再由大型的、集多用途于一體的高價值作戰(zhàn)平臺獨立完成多樣化作戰(zhàn)任務,而是將偵察、指揮、打擊、干擾等作戰(zhàn)能力分散部署到廣域分散部署的無人艇、艦載無人機、無人潛航器等多類異構(gòu)無人平臺上,由少量有人平臺和海量廣域分布的無人平臺鉸鏈融合形成高韌性的作戰(zhàn)體系,通過高效、精準、實時的協(xié)同共同完成各類復雜作戰(zhàn)任務.這一作戰(zhàn)體系包括少量高價值有人平臺和大量低成本無人平臺,其中,有人平臺作為戰(zhàn)爭指揮員和決策者,負責作戰(zhàn)方案籌劃、決策以及作戰(zhàn)任務分配和實施等相對復雜的任務；無人平臺則用于執(zhí)行態(tài)勢全域感知、火力多維打擊等相對危險或相對簡單的單項任務,有人/無人密切協(xié)同共同完成作戰(zhàn)任務.海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念圖如圖1 所示.

圖1 海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念圖Fig.1 The map of manned and unmanned distributed collaborative operations concept at sea

海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的本質(zhì)是將海上高價值有人平臺與低成本無人平臺無縫鉸鏈和有機融合,通過高度的信息共享、精準的任務聚合、高效的作戰(zhàn)協(xié)同來實現(xiàn)共同的作戰(zhàn)目標,具有作戰(zhàn)信息按需共享、作戰(zhàn)任務深度整合、作戰(zhàn)資源精準規(guī)劃、作戰(zhàn)過程優(yōu)化組織等顯著特點[9].通過有人無人分布式協(xié)同,可以整體形成共長補短、功能銜接、能力相濟的海上新型高效作戰(zhàn)體系.海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)突出了兵力運用的可組合性、可消耗性和去中心化思想,注重人工智能自主技術深度嵌入與全面應用,提升作戰(zhàn)體系韌性,推動實現(xiàn)海上方向智能化、無人化聯(lián)合全域作戰(zhàn),其可以應用于海上方向聯(lián)合全域作戰(zhàn)的整個過程,如協(xié)同搜索偵察、協(xié)同跟蹤識別、協(xié)同導航定位、協(xié)同防御打擊以及協(xié)同毀傷評估等各個環(huán)節(jié)或場景.

1.2 面臨的主要問題分析

在海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的過程中,驅(qū)護艦、潛艇、艦載機等有人平臺,無人艇、無人潛航器以及無人機等無人平臺,以及其他作戰(zhàn)實體與戰(zhàn)場要素相互影響、相互制約、相互融合,共同組成了強對抗性的、高度復雜的巨系統(tǒng).由于敵我雙方存在激烈的博弈對抗性以及無人平臺承擔的作戰(zhàn)任務和面臨的戰(zhàn)場環(huán)境呈現(xiàn)高度的動態(tài)變化性,使得海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)面臨諸多困難,總結(jié)起來有以下幾點[10-11]：

1）海戰(zhàn)場環(huán)境復雜性.海戰(zhàn)場環(huán)境是海上有人無人平臺遂行作戰(zhàn)任務,完成各類作戰(zhàn)活動的空間,海戰(zhàn)場的地理環(huán)境、水文環(huán)境、氣象環(huán)境以及電磁環(huán)境等.海上無人平臺所面臨的是高度復雜的海戰(zhàn)場環(huán)境,不僅不可避免的受到風場、浪場、流場、聲場、磁場、壓力場、深度和海面大氣水氣等一系列海洋環(huán)境要素的影響,而且面臨的電磁環(huán)境日趨復雜,電磁輻射源及電磁信號高度密集,電磁波源繁雜,信號種類多樣.

2）海上無人平臺復雜性.海上無人平臺數(shù)量多,而且種類齊全,不僅包括無人艇、無人機,還包括無人潛航器、兩棲無人車等,涵蓋了陸、海、空、潛等物理作戰(zhàn)域.不同類型和用途的無人平臺在作戰(zhàn)過程中承擔不同的作戰(zhàn)任務,而不同無人平臺的結(jié)構(gòu)、航行性能差異很大,同時無人平臺配置的傳感器載荷不盡相同,不同傳感器的工作條件和工作模式也不盡相同.這些均對無人平臺的規(guī)劃、決策與控制提出了更高的要求.

3）任務復雜性.不同性質(zhì)的任務具有不同的要求,不同的作戰(zhàn)任務在作戰(zhàn)目標、時序約束、任務要求等方面存在顯著差異性,并且任務之間存在約束關系.另外,在作戰(zhàn)過程中,無人平臺承擔的作戰(zhàn)任務因戰(zhàn)場態(tài)勢的變化往往持續(xù)處于動態(tài)變化中.任務高度復雜的決策空間和強實時的決策需求已經(jīng)超出了人的認知能力范圍.

4）時間敏感性.鑒于錯綜復雜、激烈對抗的海戰(zhàn)場環(huán)境以及瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢,有人無人分布協(xié)同作戰(zhàn)任務需求通常也是動態(tài)變化的,任務計劃存在很強的時效性,甚至很多任務計劃都是當任務需求和戰(zhàn)場環(huán)境發(fā)生變化之后,根據(jù)實時戰(zhàn)場態(tài)勢臨機籌劃完成的.因此,海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)客觀上需要短時間內(nèi)對無人平臺的作戰(zhàn)行動進行綜合分析和科學決策,能夠在線地、實時地或近實時地為無人平臺提供行動控制、任務規(guī)劃和作戰(zhàn)決策的支持[12].

5）計算復雜性.海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)中,作戰(zhàn)態(tài)勢動態(tài)復雜,敵我作戰(zhàn)實體廣域分布、犬牙交錯,作戰(zhàn)要素相互對抗、相互影響,以致協(xié)同控制問題難以采用形式化、規(guī)范化的方法進行完整準確的描述,其解空間面臨嚴重的組合爆炸問題,協(xié)同控制的最優(yōu)或較優(yōu)解的計算具有高度的復雜性[12].

6）通信受限性.海戰(zhàn)場環(huán)境中,受客觀條件與通信手段的限制,有人無人平臺之間的通信往往存在著長時延、強干擾、帶寬受限、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化等顯著特點,有人無人平臺之間的互聯(lián)互通必然受到較大限制,給實現(xiàn)海上有人無人分布式高效實時協(xié)同帶來極大挑戰(zhàn)[10].

2 海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)研究現(xiàn)狀分析

美國是較早開展海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)相關技術研究的國家,其研究機構(gòu)已突破系列海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)相關關鍵技術,并投入了大量精力進行了檢驗驗證與性能評估.

美軍開展的典型海上有人無人分布式協(xié)同研究項目有分布式敏捷反潛系統(tǒng)、戰(zhàn)術管理系統(tǒng)以及跨域海上監(jiān)視和瞄準系統(tǒng)等.

2.1 分布式敏捷反潛系統(tǒng)

分布式敏捷反潛系統(tǒng)由美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA）于2010 年啟動,旨在利用無人裝備替代大型平臺完成探測、跟蹤和追捕潛艇功能任務,增強美國海軍綜合反潛能力.該系統(tǒng)在淺海區(qū)域利用無人機進行水下目標搜索,深海區(qū)域由固定式被動聲納探測系統(tǒng)及機動式無人潛航器（unmanned underwater vehicle，UUA）集群系統(tǒng)完成分布式作戰(zhàn)任務.2013年DASH 項目測試了深海系統(tǒng)的可靠聲學路徑系統(tǒng)樣機（TRAPS）和無人潛航器集群構(gòu)成的固定式、移動式相結(jié)合的深海聲探潛網(wǎng)絡（SHARK）,TRAPS 為固定部分,利用被動聲納探潛,SHARK 系統(tǒng)為移動部分,具有廣域探潛能力,能夠保護己方航母打擊群.淺海系統(tǒng)使用無人機搭載非聲傳感器探潛.

2.2 戰(zhàn)術管理系統(tǒng)

戰(zhàn)術管理系統(tǒng)是由美國海軍研究實驗室（United States Naval Research Laboratory，NRL）基于深度學習等先進人工智能技術研發(fā)出來的智能軟件系統(tǒng),具備目標身份自動推理、目標戰(zhàn)術意圖自主識別、目標行為動向智能預測、作戰(zhàn)計劃自動生成等功能,包括行為識別器、計劃器以及計劃執(zhí)行預測器等組件,通過組件之間的規(guī)劃與協(xié)作完成目標主動行為識別.為便于有人機飛行員對無人機編隊的指揮控制,簡化有人機和無人機分布式協(xié)同作戰(zhàn)流程,該系統(tǒng)通過智能體引導控制有人機-無人機編組的無人“僚機”.

2.3 跨域海上監(jiān)視和瞄準系統(tǒng)

2015 年,DARPA 啟動跨域海上監(jiān)視和瞄準系統(tǒng)項目,旨在研究提出一種新型網(wǎng)絡信息體系架構(gòu)以支持跨網(wǎng)、跨域連接海上分布式有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)各個節(jié)點與單元,構(gòu)建實裝-虛擬-構(gòu)造測試開發(fā)平臺,建立分布式實驗環(huán)境,驗證先進探測傳感器、彈性組網(wǎng)通信網(wǎng)絡、集成分布式無人系統(tǒng)以及新型遠程精確打擊武器系統(tǒng)等多項關鍵技術.

該項目將之前高價值大型平臺才具備的預警監(jiān)視、跟蹤瞄準等海上作戰(zhàn)功能分解至海量低成本可升級、可重組的海上有人無人系統(tǒng)上,分散部署至廣袤的作戰(zhàn)海域,建立一種能夠跨域（指通過水下、水面及空中等不同領域）或間接（例如,利用第三方傳感器實現(xiàn)目標指示）執(zhí)行監(jiān)視與瞄準任務的“系統(tǒng)之系統(tǒng)”體系結(jié)構(gòu),以轉(zhuǎn)變美海軍當前的海上力量編成體系,形成無處不在、能夠快速響應的進攻能力,迫使對手大幅提升海上行動成本或有效阻止對手海上作戰(zhàn)力量投送,保持美軍海上絕對控制權.

除了關鍵技術攻關研究,美軍也在實際海戰(zhàn)場環(huán)境下開展了大量海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)相關的試驗演示,充分驗證了海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念的可行性與優(yōu)勢所在.

2014 年8 月,美國海軍開展了13 艘水面無人艇集群協(xié)同搜索、圍捕的試驗,驗證了“分散與數(shù)據(jù)自動融合系統(tǒng)”和“機器人智能感知系統(tǒng)控制體系架構(gòu)”這兩個軟件在水面無人艇集群協(xié)同任務分解和自主決策方面應用的有效性.2015 年7 月,美軍在菲律賓海域成功完成由40 艘無人潛航器組成的“海底星座”網(wǎng)絡大范圍對潛探測演示驗證.美國通用電力公司于2016 年實現(xiàn)了水下無人機器人,無人機,核潛艇之間的跨域通信,2017 年在實現(xiàn)跨域通信的基礎上,實現(xiàn)由水下機器人發(fā)射無人機,2019 年實現(xiàn)水面無人艇,水下無人機器人,瀕海戰(zhàn)斗艦以及核潛艇等有人無人作戰(zhàn)平臺跨域協(xié)同通信、探測信息傳輸驗證,2020 年進行了通用水面無人艇,“金槍魚-9”水下無人機器人,瀕海戰(zhàn)斗艦以及核潛艇等無人作戰(zhàn)平臺跨域協(xié)同通信、探測信息傳輸驗證.2017 年8 月,美軍“先進海軍技術演習”（ANTX）中演示了利用6 艘無人潛航器,2 艘無人水面艇和1 架無人機共9 型異構(gòu)無人系統(tǒng)成功定位并模擬擊中水下目標的驗證試驗.2021 年6 月,在美海軍組織的首次海上有人無人分布式協(xié)同艦隊級演習中,P-8A 反潛巡邏機、洛杉磯級潛艇、朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦等有人平臺與“艾弗”lver4 型無人潛航器、MQ-9B 無人機、T38 無人水面艇、“作戰(zhàn)獵手”反潛無人水面艇等15 種無人平臺進行了分布式協(xié)同反潛搜索、協(xié)同跟蹤演練,驗證了海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的必要性與可行性.

3 海上有人無人分布式協(xié)同模式

相比于無人平臺,有人裝備指揮員在模糊信息處理、不確定性推理、不完備信息條件下決策判斷等方面具有顯著的優(yōu)勢,故當前海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)過程中仍需以艦載機、驅(qū)護艦、潛艇等大型有人平臺為中心節(jié)點,海量廣域分布的無人平臺為分支節(jié)點,作為有人平臺力量的前置與延伸,兩者相輔相成,相互融合、相互支撐.

根據(jù)協(xié)同過程中有人平臺和無人平臺之間的主從隸屬關系,海上有人無人分布式協(xié)同模式可分為子母式協(xié)同、主僚式協(xié)同以及對等式協(xié)同等3 種基本模式.在這3 種基本協(xié)同模式中,有人平臺和無人平臺的搭配互不相同,其差異體現(xiàn)在任務設備功能匹配以及機動能力、最大航程、飛行高度、運動速度等平臺性能方面[13].

子母式協(xié)同模式中,通常以艦載機、驅(qū)護艦艇、潛艇等有人平臺作為指揮中樞與控制中心,指揮多臺同類或者異構(gòu)無人平臺組成編隊遂行作戰(zhàn)任務.在此種協(xié)同模式中,艦載機、驅(qū)護艦艇、潛艇等有人平臺通常在任務海域外指揮同類或異構(gòu)無人平臺編隊前出執(zhí)行任務,不參與無人平臺編隊組成.同類或者異構(gòu)無人平臺組成編隊執(zhí)行任務,其機動能力、最大航程、飛行高度、運動速度等平臺能力一般應相互間匹配.因有人平臺不參與無人編隊構(gòu)成,有人平臺對無人平臺平臺性能方面一般無匹配要求.

主僚式協(xié)同模式中,通常以艦載機、驅(qū)護艦艇、潛艇等有人平臺作為“主”平臺,以機動能力、最大航程、飛行高度、運動速度等平臺性能與之相近的若干同類無人平臺作為“僚”平臺,組成編隊共同遂行作戰(zhàn)任務.主僚式協(xié)同模式適用于同域同構(gòu)平臺組成的編隊（比如艦載機與無人機編隊、驅(qū)護艦與無人艇編隊、潛艇與無人潛航器編隊等）之間的協(xié)同,無人平臺的任務載荷功能與有人平臺任務系統(tǒng)功能互補或相近,無人平臺執(zhí)行態(tài)勢感知、武器攻擊、欺騙干擾等作戰(zhàn)任務,從而有效突破有人平臺傳感器和載彈量等方面限制,提升有人平臺作戰(zhàn)頻次,豐富有人平臺作戰(zhàn)資源,延伸有人平臺作戰(zhàn)范圍.

對等式協(xié)同模式中,無人平臺與有人平臺沒有主從隸屬關系,相互間對等配合.在此模式中,有人平臺可控制無人平臺的任務載荷乃至運動控制,但由于兩者可不采用編隊形式,因此,有人平臺對無人平臺機動能力、最大航程、飛行高度、運動速度等平臺性能方面無匹配要求；無人平臺搭載與有人平臺功能互補或相近的任務載荷,根據(jù)任務需要平等地配合有人平臺執(zhí)行作戰(zhàn)任務.對等協(xié)同模式特點為：點數(shù)量有限,通信距離近,節(jié)點間關系較松散,無人平臺自主等級要求高,有人平臺對無人平臺平臺性能方面匹配要求弱,交互控制需求少.

4 海上有人無人分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)

在海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)過程中,不僅存在單個有人平臺對多個同類或異構(gòu)無人平臺的協(xié)同關系,還存在多個有人平臺對多個同類或異構(gòu)無人平臺的協(xié)同關系.海上有人無人分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)有以下4 種基本類型：基于有人控制站的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、基于中心節(jié)點的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、基于多agent 的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、混合式分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)[11].

基于有人控制站的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)中,每臺無人平臺直接受有人控制站的指揮與控制,無人平臺之間沒有信息交互關系與指揮控制關系.每臺無人平臺將自身偵察到的海上戰(zhàn)場態(tài)勢實時回傳到有人控制站,有人控制站將各無人平臺發(fā)送來的戰(zhàn)場態(tài)勢信息以及其他有人平臺分發(fā)的戰(zhàn)場態(tài)勢信息進行融合,形成戰(zhàn)場綜合態(tài)勢并依此決策和控制各無人平臺的作戰(zhàn)行動,通過遙控指揮各無人平臺完成作戰(zhàn)任務.在這種體系結(jié)構(gòu)中海上有人無人分布式協(xié)同是由有人控制站進行決策與控制的,并不是無人平臺間直接的協(xié)同.

基于中心節(jié)點的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)中,參與分布式協(xié)同的無人平臺集群中存在一個中心節(jié)點（可根據(jù)需要進行指定無人平臺集群某個個體充當中心節(jié)點）,無人平臺集群中除中心節(jié)點以外的其他無人平臺偵察到的戰(zhàn)場態(tài)勢都傳遞給中心節(jié)點進行融合處理并接受中心節(jié)點的指揮控制.中心節(jié)點一方面作為無人平臺集群的指揮中樞,承擔無人平臺集群作戰(zhàn)決策任務,另一方面作為有人控制站與無人平臺集群通信的中繼站,承擔有人控制站與無人平臺集群之間必要的信息交互工作.

若無人平臺都具有較高等級的自主決策能力,則可將其稱為agent.基于多agent 的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)中,各無人平臺根據(jù)自身偵察到的局部戰(zhàn)場態(tài)勢自主決策自身作戰(zhàn)行動,各無人平臺之間無指揮與控制關系,但根據(jù)任務需要,任意兩個無人平臺之間都可以進行實時信息交互.這種體系結(jié)構(gòu)沒有決策中心點,實現(xiàn)了真正意義上的無人平臺間直接協(xié)同,客觀上要求每個無人平臺都具有較強的自主感知與決策能力.

混合分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)將基于有人控制站的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、基于中心節(jié)點的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)和基于多Agent 的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)有機地集成融合起來,可根據(jù)具體任務場景或有人控制站指令,采用上述3 種分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)之一進行協(xié)同,并可根據(jù)具體任務場景與有人控制站指令的變化,自動轉(zhuǎn)換為合適的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu).無人平臺集群在沒有接受到有人控制站指令的情況下,優(yōu)先采用基于多agent 的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)進行協(xié)同,否則依據(jù)有人控制站指令選擇分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)進行協(xié)同.

當海上無人平臺自主程度低時,難以實現(xiàn)無人平臺之間直接的協(xié)同,需要進行集中式?jīng)Q策,此時適合采用基于有人控制站的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)和基于中心節(jié)點的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu),此時有人控制站或中心節(jié)點計算處理能力決定了海上有人無人編隊對海戰(zhàn)場態(tài)勢的反應速度.當海上無人平臺自主程度高時,無人平臺具備直接相互協(xié)同能力,此時適合采用基于多agent 的分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)進行分布式?jīng)Q策.但各無人平臺根據(jù)自身感知到的局部態(tài)勢進行自主決策,因態(tài)勢感知過程的強不確定性,往往導致不同無人平臺感知的同一局部態(tài)勢往往不同,導致決策結(jié)果具有較強的不一致性,存在一定矛盾,因此,需要無人平臺就各自的決策結(jié)果與其他無人平臺決策結(jié)果之間矛盾進行協(xié)商,以確保在決策結(jié)果一致后進行協(xié)同作戰(zhàn)行動,所以無人平臺集群決策結(jié)果協(xié)商速度決定了海上有人無人平臺集群對海戰(zhàn)場態(tài)勢的反應速度.當海戰(zhàn)場態(tài)勢錯綜復雜且瞬息萬變時,上述4 類分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)存在海上有人無人編隊難以實時對海戰(zhàn)場態(tài)勢作出反應,較大地制約了海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)效能的發(fā)揮.

為解決上述問題,在無人平臺自主決策前引入態(tài)勢同步環(huán)節(jié),從而提出一種改進的基于多agent 的海上有人無人分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu),其過程如圖2所示.該分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)中通過態(tài)勢同步過程,消除了各無人平臺感知到的態(tài)勢的不一致性,實現(xiàn)了無人平臺集群對態(tài)勢的一致理解與同步認知,保證了決策結(jié)果的一致性,從而避免了繁瑣復雜的決策結(jié)果協(xié)商過程,有力地提升海上有人無人編隊對海戰(zhàn)場態(tài)勢的反應速度.

圖2 改進的基于多agent 的海上有人無人分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)協(xié)同過程Fig.2 Improved multi-agent based manned and unmanned distributed collaborative architecture collaboration process at sea

5 海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術體系構(gòu)建與分析

在上述改進的基于多agent 的海上有人無人分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu)中在同步戰(zhàn)場態(tài)勢、決策、規(guī)劃與任務執(zhí)行等環(huán)節(jié)中,存在大量有人無人分布式協(xié)同任務,比如同步戰(zhàn)場態(tài)勢環(huán)節(jié)存在各有人無人平臺協(xié)同進行對海戰(zhàn)場態(tài)勢感知與認知等,決策環(huán)節(jié)存在各有人無人平臺協(xié)同進行敵方目標威脅判斷、目標分配等,規(guī)劃與任務執(zhí)行環(huán)節(jié)存在各有人無人平臺協(xié)同進行航路規(guī)劃、資源管控與打擊鏈構(gòu)建等.海上有人無人系統(tǒng)高效順利完成上述協(xié)同任務,需要有相應關鍵技術作為支撐.為此,依據(jù)海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念具體實施步驟與主要作戰(zhàn)環(huán)節(jié),構(gòu)建海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術體系,如圖3 所示.關鍵技術分析如下.

圖3 海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術體系Fig.3 Key technology system for manned and unmanned distributed collaborative operations at sea

5.1 有人無人分布式協(xié)同交互控制技術

母機、母艦、母艇等海上有人平臺和廣域分布的無人機、無人艇、無人潛航器等無人平臺在執(zhí)行任務過程中處于不同角色,承擔不同職責,通過相互之間大量數(shù)據(jù)、信息、指令的交互,實現(xiàn)分布式協(xié)同,共同完成作戰(zhàn)任務.在整個協(xié)同作戰(zhàn)過程中,為了完成編隊分配給有人平臺自身的作戰(zhàn)任務,有人平臺需要接收和處理來自岸基指揮所、編隊指揮所等指揮中心的指揮控制信息,另外,為了實現(xiàn)對無人平臺的科學指揮與高效監(jiān)控,還需要根據(jù)戰(zhàn)場情況實時指揮控制多個無人平臺,這無疑顯著增加了有人平臺指揮人員的工作負擔.突破有人無人分布式協(xié)同交互控制技術,設計簡約高效的協(xié)同交互控制方式,構(gòu)建一套完整齊全、簡約規(guī)范的指令集（包括有人平臺任務命令集、無人平臺指令集以及指令編碼等部分）,以便于交互信息在無人平臺端的高效識別、正確理解、精準執(zhí)行以及在無人平臺間數(shù)據(jù)鏈中的實時傳輸,從而為作戰(zhàn)任務的順利完成奠定堅實基礎.

5.2 協(xié)同態(tài)勢估計技術

協(xié)同態(tài)勢估計技術是海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的基礎.在海上有人無人編隊中,有人平臺提供匯聚融合各無人平臺傳感器所偵察的海戰(zhàn)場態(tài)勢信息,生成海戰(zhàn)場綜合態(tài)勢,從而協(xié)同完成態(tài)勢估計.態(tài)勢估計可分成3 級,沿著一個信息處理鏈從感知通過解釋到預測規(guī)劃,從低級到高級,具體為: 第1級是對戰(zhàn)場環(huán)境中各要素的感知（信息的輸入）,第2級是對當前態(tài)勢的綜合理解（信息的處理）,第3 級是對隨后態(tài)勢的預測和規(guī)劃（信息的輸出）.態(tài)勢估計包含態(tài)勢感知、態(tài)勢理解、態(tài)勢預測等3 個相互銜接的階段.態(tài)勢估計的目的就是根據(jù)客觀態(tài)勢要素,分析確定發(fā)生的事件,關聯(lián)敵方作戰(zhàn)條例及作戰(zhàn)風格等主觀因素,形成戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖,推斷出敵方作戰(zhàn)企圖.

5.3 協(xié)同威脅估計技術

協(xié)同威脅估計技術是根據(jù)生成的戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖以定量形式估計和分析敵方的威脅程度的一類專用技術.威脅估計是從態(tài)勢估計分析得到的可能發(fā)生的戰(zhàn)場事件、敵方作戰(zhàn)企圖、作戰(zhàn)目的、作戰(zhàn)計劃等出發(fā)推理敵方目標定量的作戰(zhàn)能力與對我方威脅程度.對于來襲的空中目標,目標威脅程度影響因素包括目標攻擊意圖、目標攻擊可能性、目標攻擊能力,目標攻擊意圖是指目標攻擊意向或決心,目標攻擊可能性是指目標命中受保護艦艇的可能性,目標攻擊能力是指目標本身具有的毀傷受保護艦艇的能力.

5.4 協(xié)同目標分配技術

協(xié)同目標分配技術即當海上有人無人編隊對多個目標進行攻擊或防御作戰(zhàn)時,確定各平臺在給定的時間攻擊或防御的目標[14-15].因各平臺對目標的毀傷概率、目標本身價值及威脅程度的不同,目標分配結(jié)果并不唯一,往往存在多種方案,存在方案優(yōu)化與最優(yōu)結(jié)果決策難題.針對海上有人無人編隊面臨的威脅態(tài)勢,通過建立編隊多目標防御的目標分配模型,分析確定最優(yōu)目標分配方案,最大限度地發(fā)揮各平臺的作戰(zhàn)效能.

5.5 協(xié)同航路規(guī)劃技術

協(xié)同航路規(guī)劃技術是在海上有人無人編隊協(xié)同目標分配方案的基礎上,規(guī)劃出各平臺由起始點至目標點符合某種性能指標且可行有效的最優(yōu)或者次優(yōu)航路[16-18].協(xié)同航路規(guī)劃是實現(xiàn)海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵支撐技術之一,是海上無人平臺實現(xiàn)自主運動、智能控制的重要保障,是提高海上有人無人編隊戰(zhàn)場偵察與精確打擊效能的有效手段.航路規(guī)劃的研究集中在單個無人平臺,而對于同類或異構(gòu)多無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)的航路規(guī)劃則研究不多,實用成果較少.單無人平臺的航路規(guī)劃技術已經(jīng)趨于成熟,但同類或異構(gòu)多無人平臺協(xié)同航路規(guī)劃技術還處在初步階段,是下一步研究的重點.

5.6 協(xié)同資源管控技術

協(xié)同資源管控技術即對有限的有人無人平臺作戰(zhàn)資源進行調(diào)度,根據(jù)目標特性、任務環(huán)境、資源狀況、任務要求等變化進行資源規(guī)劃,合理分配有限資源,優(yōu)化資源的使用方案,提高有人無人平臺綜合作戰(zhàn)效能.資源管控策略包括如何確定調(diào)度時間、如何確定資源與目標的分配方案等主要內(nèi)容.

5.7 協(xié)同打擊鏈構(gòu)建技術

海上有人無人編隊分布式協(xié)同抗擊時,需充分考慮不同武器的使用特點,綜合其優(yōu)點,克服相互間的不利影響,合理確定劃分武器的作戰(zhàn)對象、作戰(zhàn)區(qū)域和使用時機,有效提高各武器的作戰(zhàn)效能.通過協(xié)同打擊鏈構(gòu)建技術,構(gòu)建海上有人無人編隊分布式打擊鏈路,使各作戰(zhàn)單元之間能夠連續(xù)不斷、快速地進行交戰(zhàn)信息交換和共享,對各作戰(zhàn)目標形成持續(xù)的、完整的打擊鏈路.

6 結(jié)論

分布式作戰(zhàn)是美軍著眼未來強對抗環(huán)境而提出的新型作戰(zhàn)理念,是信息技術與智能技術的發(fā)展對平臺和武器作戰(zhàn)運用提出的客觀要求.有人無人協(xié)同作戰(zhàn)能充分發(fā)揮有人平臺與無人平臺各自的優(yōu)勢,并彌補各自的不足與劣勢,達到有人平臺與無人平臺的雙向聚優(yōu)補差的效果,實現(xiàn)整體作戰(zhàn)效能最大化.海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)是“分布式殺傷”與“有人無人協(xié)同作戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念在海上方向的融合、拓展與延伸,既體現(xiàn)了作戰(zhàn)方式從“兵力集中”實現(xiàn)“火力集中”向“兵力分散”實現(xiàn)“火力集中”的轉(zhuǎn)變,又體現(xiàn)了作戰(zhàn)協(xié)同從“人人協(xié)同”到“人機協(xié)同”的轉(zhuǎn)變.針對海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)概念內(nèi)涵、面臨問題、協(xié)同模式、體系結(jié)構(gòu)以及關鍵技術等內(nèi)容開展了研究分析,提出了海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的三種基本協(xié)同模式和一種改進的基于多agent的海上有人無人分布式協(xié)同體系結(jié)構(gòu),構(gòu)建并分析了海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵技術體系,為推動海上有人無人分布式協(xié)同作戰(zhàn)研究提供支撐.