云彈藥系統

李杰，游寧，李兵，關震宇，楊成偉

（1.北京理工大學機電學院，北京100081；2.復雜地面系統仿真重點實驗室，北京100012）

云彈藥系統

李杰1，游寧2，李兵2，關震宇1，楊成偉1

（1.北京理工大學機電學院，北京100081；2.復雜地面系統仿真重點實驗室，北京100012）

隨著云計算技術的蓬勃發展及在軍事領域的廣泛應用，使得大規模智能彈藥協同作戰成為可能。為了深化和擴展協同作戰的內涵，從系統科學的角度出發，提出了云彈藥系統的概念，基于協同學的相關理論對系統內涵進行了論述，并對系統的主要特征進行了機理分析和數學描述。給出了云彈藥系統的主要功能，并對云彈藥系統的發展趨勢及亟需解決的問題進行了討論。

兵器科學與技術；云彈藥系統；自組織；作戰效能

1　云彈藥系統的概念及內涵

云彈藥系統是基于分布式感知與計算和自主式組網與協同的彈藥群系統。它具有協同搜索、協同感知、協同任務決策、協同攻擊及毀傷效果評估等功能，其行為具有整體性與有機關聯性、自組織性、自適應性、魯棒性、演化性與自修復性等特征。

云彈藥系統的概念按照“屬+種差”進行表述［1］。云彈藥系統的“屬”是“彈藥群系統”；“種差”是“分布式感知與計算”、“自組網”和“自主協同”。

云彈藥系統由偵察、感知、攻擊、毀傷效果評估等不同作戰任務屬性的子系統構成。根據云彈藥系統各個子系統之間既相互獨立又相互關聯及復雜耦合的特點，按照系統協調的思路，進行系統整體優化設計，使各子系統相互協作、高效的完成云彈藥系統總的作戰任務，以實現云彈藥系統戰斗力的增效作用［2］。

考慮云彈藥系統各子系統（如偵察子系統、感知子系統、攻擊子系統、毀傷效果評估子系統等）h∈［1，m］，設其演化過程的序參變量（如感知能力、打擊能力等）εh=（εh1，εh2，…，εhn），其中εhi∈［ahi，bhi］，ahi、bhi分別為子系統h第i個序參變量的下限和上限，一般情況下其范圍滿足0≤ahi＜bhi≤1.

則云彈藥系統的有序度

云彈藥系統的有序度uh（εhi）與序參變量εhi呈正相關關系。

從總體上來看序參變量對云彈藥系統總體貢獻可以通過uh（εhi）綜合集成來實現：

式中：λhi為權重變量。

依據Haken［3］對協同的定義，云彈藥系統的自主協同是指云彈藥系統組成單元即單枚智能彈藥間的相互協調配合以達到全系統的戰術對抗目的。

2　云彈藥系統的主要特征

2.1整體性與有機關聯性

云彈藥系統是由許多“彈藥個體”組成，每個彈藥個體是云彈藥系統中的一個節點，每個節點自身的運動特征又與其他節點的運動相關，體現了云彈藥系統整體性與有機關聯性［4-5］。

Bertalanffy［6］分3個層面來描述系統的整體性與有機關聯性之間的關系：

第1層：考慮系統的時變性，用微分方程組描述；

第2層：考慮系統的“時-空”特性，用偏微分方程組描述；

第3層：考慮系統的“時-空”特性及當前事件對過去事件存在依賴性，用微分積分方程組描述。

云彈藥系統具有時變性、空間分布的流動性及當前狀態對過去狀態的依賴性特點，利用增補變量的方法［7-8］，使得云彈藥系統各狀態之間的轉移構成一個廣義Markov隨機過程，建立基于狀態轉移的云彈藥系統的微分-積分模型。

設C（t）為云彈藥系統t時刻所處的狀態，為得到一廣義Markov過程，令Tj（t）為系統進入第j個狀態的駐留時間，容易驗證｛C（t），T（t），t＞0｝是一個廣義Markov過程。

為了便于云彈藥系統狀態轉移的概率分析，本文進一步進行了相關的定義：

式中：Pi（t）表示系統在t時刻處于i狀態的概率；Pjk（x，t）表示系統處于狀態j系統依靠自組織自修復到狀態k所需時間為x的概率。

利用全概率公式求得狀態轉移的概率并求極限可得云彈藥系統的微分-積分模型：

式中：λik表示系統從i到k狀態的持續時間；r（x）表示系統遇到障礙、危險等自修復的風險函數。

2.2自組織性

云彈藥系統依靠彈藥個體去形成、改變并不斷地完善系統的空間結構、時間結構和功能結構，個體通過自身形態、其他個體的形態、威脅障礙的形態以及目標信息等，調節自身的運動方向和速度，維持適當的距離，這個負反饋機制，便形成了云彈藥特定的自組織［9-10］方式。

根據（4）式所建立的基于狀態轉移的云彈藥系統模型，通過引入一個虛擬的力場，即云彈藥系統中的個體之間通過增加一個排斥力/吸引力的作用［11-14］，只要個體之間的距離在某個閾值范圍內，這個力的作用就顯現出來了，當彈藥個體間相互靠近時，排斥力增大，當達到一個危險的閾值時，排斥力趨于無窮大防止碰撞，當個體之間相互遠離時，吸引力增大，實現云彈藥系統群集的效果，從而實現云彈藥系統的自組織行為。因此，云彈藥系統自組織問題可以描述為求輸入控制律使得系統實現穩定無碰撞的自我調整的行為。

云彈藥系統自組織行為的控制輸入由如下三部分組成：

式中：αi1為控制系統中個體之間的距離，使得個體間在不發生碰撞的情況下整體勢能最小，即避碰、聚集；αi2為控制個體與目標之間的距離，使得個體能夠快速到達目標點；βi用于調整系統中個體的速度，使得速度最終達到一致。

云彈藥系統的自組織行為的控制律描述如下：

式中：pi=（xi，yi，zi）T為位置變量；Uij表示個體i、j之間的勢能函數；pij=‖pi-pj‖2為系統中兩個個體之間的距離；Uig為個體i與目標點g之間的勢能函數；pig=‖pi-pg‖2為系統中個體i與目標點g之間的距離；vi為第i個體的速度變量；Ki、aij為常量。

2.3自適應性

當云彈藥系統受到時空變化影響時，具有能自動適應這些環境變化的能力，如遇到山體、建筑物等障礙時具有自動避障能力，感受有源和無源干擾時的抗干擾能力。云彈藥系統能根據外界條件的變化動態改變效能期望，從而及時響應戰場的變化，體現出自適應［15-16］的優點，這樣才能提高作戰效能。自適應的目的就是使自己的效能函數在作戰過程中最大化，即尋找策略s，使得效能期望值總和［17］達到最大。此處c0是初始狀態，ut是t時刻的獎勵，αt∈（0，1］是t時刻的貼現系數。

2.4魯棒性

云彈藥系統的魯棒性［18］是指在作戰過程中，如某個或某幾個組成單元出現故障、通信中斷、被毀等情況，通過高動態自組網及云計算技術，依據一定的規則，重新組合成一種優化穩定的狀態，防止出現系統內的“真空”或“重疊”。

本文采用一個數組（E，M）來定量描述云彈藥系統的魯棒性，其中：E是云彈藥系統作戰環境的描述；M是作戰任務狀態的有限狀態機，可用三元組（S（t），s0（t），T（t））來描述，S表示作戰任務狀態的集合，s0表示作戰任務初始狀態，T表示作戰任務狀態轉移的概率矩陣。

2.5演化性與自修復性

演化性是云彈藥系統的基本屬性，云彈藥系統的演化終極原因在于高度動態的相互作用及系統內部彈藥個體之間的合作和博弈，呈現為一個動態過程。自修復性是云彈藥系統的特殊屬性，云彈藥系統個體消亡后的自補充或者因為威脅、障礙等原因使得云彈藥系統自我修復，體現了自修復的特性。根據群體智能的集群動態演化機理［19-20］，本文對云彈藥系統的演化過程進行如下描述：

式中：c1、c2分別表示自組織過程中內部漲落力與外部漲落力的權重；r1、r2分別為［0，1］上隨機變量、控制云彈藥系統內個體的數量；E#為只存在內部漲落力的效能量；E*為只存在外部漲落力的效能量；E為云彈藥系統的效能量；V為根據效能量所調整的變量。解釋為通常演化中的云彈藥系統，其效能量E中可能出現Ei≤0的情況，表明該個體被毀傷或離群并從云彈藥系統中退出，其留下來的空缺由新進入彈藥個體來代替。由于新進入個體頂替消亡或離群個體在系統中的作用，所以新進入個體必須對云彈藥系統的決策集進行調整。

3　云彈藥系統的功能

云彈藥系統以C4KISR［21］作戰體系為架構，其關鍵技術主要涉及自組網和自主協同技術，具體包括：分布式感知及信息融合技術、高動態自組網通信技術、協同決策與控制技術等。其功能主要體現以下幾個方面：

3.1云感知功能

感知是云彈藥系統的基礎。云彈藥系統在高度對抗的環境下，通過進行傳感器資源整合，實現精確探測、定位、分類，從而達到對戰場態勢的認知，為云彈藥系統的決策與控制提供數據支持。

3.2云計算通信功能

云彈藥系統利用云計算技術形成各彈藥節點之間及彈藥與平臺之間的組網通信，可實現多網融合和無縫鏈接問題，具有靈活的自主性大規模數據傳輸和抗截獲、抗干擾能力，從而實現異構資源的信息交互與共享。

3.3云決策與控制的功能

利用云計算技術，通過云的相關理論把作戰單元集成為一個高度自適應的綜合決策云。云計算技術將貫穿于探測、識別、分類、跟蹤、打擊、毀傷效果評估這一完整的殺傷鏈中。云彈藥系統按照作戰任務使命，根據戰場態勢，指派最合適的作戰單元去完成相應的作戰任務，從而獲得實時最大作戰效能［22］。具體體現在如下兩個方面：

3.3.1在線規劃功能

云彈藥系統執行任務過程中根據作戰任務及突發狀況進行實時重規劃，提高作戰響應的實時性。

3.3.2智能自主決策功能

云彈藥系統不依賴外界指令和設備支持，在不確定的作戰環境中利用綜合決策云依靠自身的控制設備完成作戰任務［15］。

3.4云毀傷及毀傷效果評估功能

云彈藥系統通過實時的偵控打評和類似“狼群”的云毀傷功效，實現對戰場目標的時空壓制和整體毀癱。具體體現在如下兩個方面：

1）云彈藥系統作戰過程中能夠對敵目標實施全覆蓋地毯式的協同精確火力打擊，以實現對敵目標的高效毀傷。

2）云彈藥系統作戰過程中可攜帶電磁脈沖、高功率微波、電子干擾與誘餌等新概念戰斗部，實現對敵目標全區域、全方位的軟殺傷，降低敵整體戰斗力。

云彈藥系統對目標實施偵察、監視及毀傷效果評估［23］是彈藥間信息交互與協同攻擊相結合自組織進行的，這是云彈藥系統有別于其他彈藥系統的一個主要特征。

4　展望

云彈藥系統是一個嶄新而富有挑戰性的課題，隨著后續相關關鍵技術研究與發展，可逐步實現云彈藥系統所描述的功能，大幅度提高作戰效能。

隨著戰場任務需求的進一步深化、相關理論與技術的進一步發展，云彈藥系統的行為、功能分為基于網絡技術的云彈藥系統協同和基于網絡與云計算技術的云彈藥系統協同兩大臺階進一步擴展，概念會進一步完善。

今后一個時期，云彈藥系統需進一步研究的方面主要包括：

1）在理論建模方面，對云彈藥系統中影響因素進一步細化研究，在模型的相關特性方面，如可控性、自修復性、適定性等。

2）在協同感知方面，在信息缺失的情況下快速有效地實現感知、分類、定位和跟蹤等。

3）在高動態自組網通信方面，海量信息共享數據的處理及信息的在線快速遷移，以及在傳輸過程中的抗干擾、抗截獲能力等。

4）在決策與控制方面，在線實時規劃及在最短時間內最大效能地完成作戰任務決策等。

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Cloud Ammunition System

LI Jie1，YOU Ning2，LI Bing2，GUAN Zhen-yu1，YANG Cheng-wei1
（1.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；2.Science and Technology on Complex Land System Simulation Laboratory，Beijing 100012，China）

The development of cloud computing technology and its wide application in the military field make the large-scale intelligent ammunitions possible to combat cooperatively.In order to deepen and expand the connotation of intelligent ammunition cooperative combat，the concept of cloud ammunition system is proposed from the perspective of system science.The system connotation is discussed based on synergetic theory，and the main features of the system are analyzed in terms of mechanism and mathematical logic.Finally，the main functions of the cloud ammunition system are provided，and the problems which need to be addressed and the development directions of the cloud ammunition system are discussed.

ordnance science and technology；cloud ammunition system；self organization；combat efficiency

N949

A

1000-1093（2015）02-0250-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.009

2014-12-09

李杰（1969—），男，教授，博士生導師。E-mail：lijie@bit.edu.cn