潛艇與智能無(wú)人水下航行器協(xié)同系統(tǒng)控制體系及決策研究

王圣潔， 康鳳舉， 韓翃

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學(xué) 水下信息與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072)

潛艇與智能無(wú)人水下航行器協(xié)同系統(tǒng)控制體系及決策研究

王圣潔1,2， 康鳳舉1,2， 韓翃1,2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.西北工業(yè)大學(xué) 水下信息與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710072)

無(wú)人作戰(zhàn)是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，然而，當(dāng)下無(wú)人水下航行器(UUV)的智能水平有限，造成UUV編隊(duì)在水下網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(UWNCW)中的應(yīng)用具有局限性。針對(duì)以上問(wèn)題，將人的智能引入智能UUV編隊(duì)，形成一種潛艇與智能UUV結(jié)合的協(xié)同系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及復(fù)雜性，并對(duì)系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)及決策問(wèn)題等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)系統(tǒng)在突發(fā)威脅情況下的航跡規(guī)劃過(guò)程進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)避障并能躲避突發(fā)威脅，提升了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)急能力。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 潛艇； 智能無(wú)人水下航行器； 協(xié)同； 決策

0 引言

以多智能無(wú)人水下航行器(UUV)系統(tǒng)為主要作戰(zhàn)平臺(tái)的無(wú)人水下網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(UWNCW)滿足“零傷亡”、“非接觸”的戰(zhàn)爭(zhēng)理念，是UUV編隊(duì)在UWNCW發(fā)展的方向與目標(biāo)[1]。但是從目前的使用情況來(lái)看，其發(fā)揮突出優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，由于智能UUV的智能化水平不足，自主決策能力較差，在缺乏指揮人員直接參與作戰(zhàn)行動(dòng)的情況下，多智能UUV系統(tǒng)雖然能進(jìn)行路徑規(guī)劃、避障避碰、編隊(duì)航行等簡(jiǎn)單智能行為，但是由于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)以及作戰(zhàn)規(guī)則的復(fù)雜多變，智能UUV很難迅速采取有針對(duì)性的措施，作戰(zhàn)靈活性較差，不足以實(shí)現(xiàn)自主作戰(zhàn)；且智能UUV通過(guò)自主學(xué)習(xí)進(jìn)化的過(guò)程比較緩慢，無(wú)法快速適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。

因此，雖然智能UUV具有諸多優(yōu)點(diǎn)和多種能力，其在UWNCW中的應(yīng)用仍具有局限性。人工智能技術(shù)和智能指控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀還不能實(shí)現(xiàn)UUV的完全自主作戰(zhàn)指揮控制，智能UUV還不能完全代替有人航行器實(shí)現(xiàn)無(wú)人作戰(zhàn)，在當(dāng)前和今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，只能是有人航行器的一個(gè)有效的補(bǔ)充。本文從兩方面闡述了潛艇與智能UUV結(jié)合對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，分析了其復(fù)雜性，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)及仿真應(yīng)用研究。

1 系統(tǒng)分析

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)過(guò)程中，潛艇最主要的任務(wù)是作為指揮員的工作平臺(tái)，將人的決策引入戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，它的工作重心在于實(shí)現(xiàn)對(duì)智能UUV編隊(duì)的頂層指揮，而不是對(duì)其進(jìn)行操縱控制，其主要功能如下：

1)態(tài)勢(shì)感知功能：通過(guò)自身傳感器以及智能UUV回傳的信息感知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，作出戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)威脅評(píng)估；

2)輔助決策功能：通過(guò)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)威脅信息以及自身?xiàng)l件等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合與評(píng)估，進(jìn)行決策，給出初步方案供指揮人員進(jìn)行參考；

3)人機(jī)交互功能：提供人機(jī)顯示界面及操縱機(jī)構(gòu)，向指揮員顯示態(tài)勢(shì)圖像，提供輔助決策方案，為指揮員進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)視和智能UUV指揮控制提供直觀信息；

4)通訊功能：發(fā)送命令給智能UUV、接收來(lái)自智能UUV的狀態(tài)信息，用于整個(gè)體系對(duì)抗條件下對(duì)潛艇與智能UUV編隊(duì)的指揮控制以及智能UUV探測(cè)信息的收發(fā)處理；

5)任務(wù)規(guī)劃管理：在戰(zhàn)略層高度上為智能UUV制定滿足任務(wù)要求和相關(guān)約束的任務(wù)計(jì)劃，或者接收智能UUV自主規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，監(jiān)控任務(wù)計(jì)劃的執(zhí)行情況并對(duì)應(yīng)急情況做出反應(yīng)，在必要的時(shí)候?qū)θ蝿?wù)計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)修改。

與多智能UUV系統(tǒng)相結(jié)合，增強(qiáng)了潛艇的戰(zhàn)場(chǎng)感知度和作戰(zhàn)環(huán)境透明度，提高了潛艇的作戰(zhàn)效能。從潛艇的角度看，與智能UUV結(jié)合對(duì)其作戰(zhàn)的影響包括[2-4]：

1)智能UUV可作為潛艇遠(yuǎn)距離航行時(shí)的通信中繼站，從而提高潛艇的隱蔽性、增強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)通信能力；

2)多智能UUV系統(tǒng)可充當(dāng)潛艇的水下遠(yuǎn)程偵察預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)偵察監(jiān)視、威脅預(yù)警、目標(biāo)指示，從而使?jié)撏Ъ皶r(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，爭(zhēng)取作戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)；

3)在作戰(zhàn)過(guò)程中，智能UUV可作為潛艇自衛(wèi)和進(jìn)攻的手段，實(shí)現(xiàn)反水雷、跟蹤和攻擊敵潛艇、作誘餌將敵潛艇誘至埋伏區(qū)等危險(xiǎn)任務(wù)，從而降低指揮人員的生命危險(xiǎn)，提高潛艇的戰(zhàn)場(chǎng)生存率。

智能UUV在協(xié)同作戰(zhàn)過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)對(duì)指定作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行地形勘測(cè)、情報(bào)獲取、目標(biāo)偵察監(jiān)視和跟蹤，對(duì)敵方實(shí)施電子干擾等；

2)實(shí)現(xiàn)與潛艇、編隊(duì)內(nèi)其他智能UUV之間的通信，將所獲得的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)、自身狀態(tài)、任務(wù)情況等傳送出去，接收指揮員的控制指令，與編隊(duì)內(nèi)其他智能UUV進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)；

3)進(jìn)行路徑規(guī)劃，并根據(jù)規(guī)劃結(jié)果生成最優(yōu)航跡，在航行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多智能UUV隊(duì)形控制、避障避碰，并能夠在出現(xiàn)突發(fā)威脅的情況下，對(duì)航跡進(jìn)行快速修正；

4)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的攻擊任務(wù)，按照作戰(zhàn)計(jì)劃完成武器系統(tǒng)的管理與發(fā)射控制。

從智能UUV角度看，與潛艇結(jié)合形成潛艇與智能UUV編隊(duì)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，帶來(lái)以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1)在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中，將人類決策引入到智能UUV編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)中，充分發(fā)揮人類決策的優(yōu)勢(shì)，從更高的層次上對(duì)智能UUV編隊(duì)進(jìn)行管理控制，彌補(bǔ)目前智能UUV智能性和自主水平較低的不足，使人的智慧與智能UUV自動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，產(chǎn)生更佳的指控效果，增強(qiáng)作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)威脅的能力，更好地完成作戰(zhàn)任務(wù)；

2)人為干涉可以加快智能UUV學(xué)習(xí)的過(guò)程，完善智能UUV知識(shí)庫(kù)，為未來(lái)智能UUV完全自主作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。

在UWNCW條件下，潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)具有作戰(zhàn)環(huán)境動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、參戰(zhàn)實(shí)體數(shù)量多、傳感器信息和通信信息不確定等特征，復(fù)雜性作為其本質(zhì)屬性之一，除了傳統(tǒng)的環(huán)境復(fù)雜性、信息復(fù)雜性、交互復(fù)雜性、任務(wù)復(fù)雜性、涌現(xiàn)性、自適應(yīng)性、非平衡性等[5-6]，還存在：

1)指控結(jié)構(gòu)復(fù)雜性：從全局看，作戰(zhàn)雙方均具有層次型的指揮控制結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)會(huì)隨著戰(zhàn)局的發(fā)展而演化；單看我方系統(tǒng)的指揮控制功能，也是具有層次的，并不是由潛艇集中完成，而是在潛艇具有有限的中央控制權(quán)的前提下由潛艇和智能UUV協(xié)同完成，且存在協(xié)同過(guò)程中指控權(quán)的分配等問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；

2)人的參與：潛艇與智能UUV編隊(duì)指揮控制系統(tǒng)是一個(gè)人機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)，指揮人員的參與也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)，將指揮員的智能與智能UUV的人工智能相結(jié)合，提高了智能UUV的作戰(zhàn)效果、擴(kuò)展了潛艇的活動(dòng)范圍并降低了指揮人員安全威脅，能夠充分發(fā)揮二者在作戰(zhàn)指揮控制領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，還能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)

2.1 控制體系結(jié)構(gòu)分類

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中，控制體系結(jié)構(gòu)是存在于實(shí)體之間的信息和控制關(guān)系模式，是實(shí)體之間實(shí)現(xiàn)有效合作的基本元素之一[7]。各參戰(zhàn)實(shí)體根據(jù)控制關(guān)系嚴(yán)格地組織在一起，彼此進(jìn)行交互，動(dòng)態(tài)地調(diào)整自身的目標(biāo)和行為，相互協(xié)同、相互服務(wù)以實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)。每個(gè)實(shí)體的行為都既體現(xiàn)了其自主性，也體現(xiàn)了編隊(duì)作戰(zhàn)的整體組織性。

根據(jù)系統(tǒng)中是否具有集中管理服務(wù)提供者以及各實(shí)體之間的相互控制關(guān)系，傳統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)主要有以下3種基本形式[8-10]：

2.1.1 集中式

該體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是存在唯一的中央控制結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)組內(nèi)所有實(shí)體的任務(wù)和資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理。系統(tǒng)中各智能UUV將傳感器探測(cè)到的信息和系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送給潛艇，經(jīng)過(guò)潛艇分析決策、集中計(jì)算與統(tǒng)一規(guī)劃后，將求解結(jié)果以控制指令的形式發(fā)送給各智能UUV執(zhí)行。在集中式體系結(jié)構(gòu)中，指揮控制功能集中在潛艇，智能UUV僅具有底層控制功能。如圖1所示。

圖1 集中式組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Centralized organization structure

在集中式組織模式下，潛艇具有極強(qiáng)的決策能力和權(quán)威，擁有相關(guān)聯(lián)的智能UUV成員以及環(huán)境的知識(shí)和信息，控制著全局?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，與其他智能UUV之間存在著一種主從關(guān)系，是組內(nèi)公共資源和行為的協(xié)調(diào)者。它負(fù)責(zé)確定智能UUV的全局目標(biāo)，根據(jù)各智能UUV的能力以及其他相關(guān)的環(huán)境因素分解任務(wù)，并分配給各智能UUV成員。但是，組內(nèi)被管理的智能UUV成員并非完全受控，它們具有一定的自主權(quán)限和自主能力，在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，智能UUV將對(duì)自身的行為進(jìn)行規(guī)劃和控制。

集中式體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，中央集權(quán)度高，能夠從全局對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解和優(yōu)化，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、減少了實(shí)體間由協(xié)商產(chǎn)生的通信開(kāi)銷，且智能UUV之間的耦合度低，相互影響較小，便于故障隔離。但在實(shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用中存在以下不足：

1)智能UUV需要不斷將自身狀態(tài)與探測(cè)到的信息傳送給潛艇，對(duì)通信依賴性大,對(duì)通信帶寬要求高，而這在水下戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中常常難以得到滿足；

2)智能UUV與潛艇之間的通信延遲，以及潛艇集中求解的計(jì)算復(fù)雜性，導(dǎo)致智能UUV難以實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化的快速反應(yīng)；

3)所有的計(jì)算集中在唯一的中央結(jié)點(diǎn)，對(duì)中央控制單元的存儲(chǔ)和計(jì)算能力要求很高。如果系統(tǒng)中實(shí)體的數(shù)目比較多，或各實(shí)體的行為比較復(fù)雜，則很難得出一個(gè)全局最優(yōu)解；

4)作戰(zhàn)過(guò)程中智能UUV往往具有更精確的局部信息，但潛艇仍會(huì)將其基于粗略的全局信息所規(guī)劃出的計(jì)劃強(qiáng)制下發(fā)；

5)系統(tǒng)缺乏魯棒性，潛艇是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，如果該結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障、受到干擾或遭到損毀，將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。同時(shí)某一智能UUV失效或者發(fā)現(xiàn)新的任務(wù)目標(biāo)，在原有基礎(chǔ)上的再分配也是相當(dāng)復(fù)雜的。

因此集中式的方法主要適用于系統(tǒng)規(guī)模不大、外圍節(jié)點(diǎn)較少，系統(tǒng)環(huán)境相對(duì)明確的環(huán)境，或在動(dòng)態(tài)、開(kāi)放的環(huán)境下進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)預(yù)先規(guī)劃，以及當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)生重大變化時(shí)在較粗的時(shí)間粒度和控制粒度上對(duì)任務(wù)進(jìn)行全局性調(diào)整。

2.1.2 分布式

這種組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用各成員自治和協(xié)作的方法來(lái)解決全局控制問(wèn)題，所有成員都是獨(dú)立自治的，不存在相互管理和控制關(guān)系。將任務(wù)分解為能夠由系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)解決的子任務(wù)，然后由各結(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合求解。如圖2所示。

圖2 分散式UUV組織結(jié)構(gòu)Fig.2 Distributed organization structure

各實(shí)體由局部通信網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)結(jié)，在可能的社會(huì)規(guī)則和共享資源管理策略的基礎(chǔ)上，通過(guò)彼此的相互作用和對(duì)所處環(huán)境的感知，運(yùn)用其自身的知識(shí)進(jìn)行合理地判斷、推理、自主決策來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體控制和全局決策的制定。智能UUV具有充分的自治權(quán)，在大部分時(shí)間里按照自己的任務(wù)目標(biāo)和控制策略自主控制，只在必要的時(shí)候通過(guò)信息交換與相互協(xié)商實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配和任務(wù)協(xié)調(diào)，系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以充分發(fā)揮各智能UUV的自治能力。

與集中式體系結(jié)構(gòu)相比，分布式體系結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)智能UUV能夠快速訪問(wèn)傳感器獲取的環(huán)境信息和自身狀態(tài)信息，通過(guò)自主決策與控制實(shí)現(xiàn)對(duì)局部態(tài)勢(shì)變化的快速反應(yīng)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；

2)充分發(fā)揮智能UUV的自治能力，每個(gè)智能UUV的計(jì)算量與計(jì)算的復(fù)雜度小，無(wú)需具備復(fù)雜的計(jì)算能力；

3)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性，任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或功能喪失，都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體性能產(chǎn)生太大的影響，抗干擾能力強(qiáng)，且系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

然而，分布式結(jié)構(gòu)具有以下不足：通信頻繁、通信量比較大，且將隨著系統(tǒng)內(nèi)智能UUV的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)；對(duì)智能UUV的自適應(yīng)能力要求比較高，各智能UUV之間耦合度升高，系統(tǒng)的控制算法復(fù)雜度增加；缺乏對(duì)分散的數(shù)據(jù)和資源有效的分配和管理，容易發(fā)生沖突。因此，該組織結(jié)構(gòu)適用于智能UUV具有一定處理能力、通信基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。

2.1.3 集散式

集中式結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展積累了大量的研究成果，其中很多方法具有較好的規(guī)劃效果，然而分布式結(jié)構(gòu)才是未來(lái)智能UUV編隊(duì)指揮控制的發(fā)展方向。但是，分布式結(jié)構(gòu)要求智能UUV具有較高的智能性，而現(xiàn)階段智能UUV在態(tài)勢(shì)評(píng)估、任務(wù)決策等方面的智能水平和指揮員還相去甚遠(yuǎn)，人依然是指揮決策中的關(guān)鍵因素。

通過(guò)比較集中式和分布式兩種方法可知，分布式方法實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，能快速對(duì)任務(wù)信息進(jìn)行采集和分析，得到解決任務(wù)分配問(wèn)題的具體方案，但得到的方案往往不是全局最優(yōu)的；而集中式方法恰恰相反，實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，但是由于所有信息都要返回中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總，所以能進(jìn)行全面而詳細(xì)的規(guī)劃，獲得的方案一般都是全局最優(yōu)方案。在許多情況下，分布式結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)于集中式結(jié)構(gòu)，但是當(dāng)智能UUV執(zhí)行約束性強(qiáng)的任務(wù)時(shí)，集中式結(jié)構(gòu)往往具有更好的性能。將兩種方法進(jìn)行整合，得到了集散式方法，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 集散式Agent組Fig.3 Collected-distributed organization structure

在集散式體系結(jié)構(gòu)中，由智能UUV構(gòu)成分布式體系結(jié)構(gòu)，再通過(guò)潛艇與各智能UUV之間建立集中式結(jié)構(gòu)。潛艇實(shí)時(shí)監(jiān)控各智能UUV，對(duì)智能UUV返回的信息進(jìn)行歸納和分析，可以隨時(shí)對(duì)智能UUV發(fā)布指令，進(jìn)行操控，在沒(méi)有接收到指令情況下，智能UUV在分布式體系結(jié)構(gòu)下工作。這樣既提高了實(shí)時(shí)性，又大大減小了潛艇的任務(wù)量，得到的任務(wù)分配方案也是相對(duì)合理的。

然而，雖然集散式體系結(jié)構(gòu)采納了集中式和分布式體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其并沒(méi)有完全摒除以上兩種體系的不足之處，如各智能UUV之間的通信量并沒(méi)有減少，反而增加了，所以此體系結(jié)構(gòu)并沒(méi)有將上述兩種體系結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，只是簡(jiǎn)單的進(jìn)行了融合。

2.2 軍階標(biāo)識(shí)的有限中央控制層級(jí)組織結(jié)構(gòu)

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)條件下，每個(gè)實(shí)體都具有獨(dú)立的作戰(zhàn)能力。各實(shí)體之間針對(duì)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，其裝載的設(shè)備、彈藥都有可能不同，因此是一個(gè)異構(gòu)系統(tǒng)，各實(shí)體需要通過(guò)協(xié)作才能完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。

潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)具有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是層次性：

1)戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制關(guān)系具有層次性，要求系統(tǒng)形成層次關(guān)系，上一層次的作戰(zhàn)實(shí)體對(duì)下一層次受控作戰(zhàn)實(shí)體擁有部分的控制能力，上級(jí)實(shí)體可以統(tǒng)籌規(guī)劃、調(diào)度下級(jí)實(shí)體，從而高效地完成集群任務(wù)，例如編隊(duì)航路規(guī)劃、協(xié)同攻擊等；同時(shí)下級(jí)實(shí)體之間通過(guò)局部協(xié)作，可以完成上級(jí)委派的任務(wù)，或者通過(guò)自主行為應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，例如避障等；當(dāng)局部的合作完成不了任務(wù)時(shí)，下級(jí)實(shí)體還可通過(guò)上級(jí)實(shí)體向其他實(shí)體發(fā)出協(xié)作請(qǐng)求，共同完成任務(wù)，例如圍捕等攻擊行為或者戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息收集等。

2)作戰(zhàn)任務(wù)也具有層次性，一個(gè)總體任務(wù)可以層層劃分為子任務(wù)，直至可直接執(zhí)行的任務(wù)為止。例如協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)作出對(duì)潛攻擊決策，這就是系統(tǒng)的總體任務(wù)，該任務(wù)可劃分為對(duì)潛觀察和對(duì)潛攻擊等子任務(wù)，其中對(duì)潛觀察子任務(wù)又可劃分為對(duì)潛搜索、對(duì)潛跟蹤、接敵機(jī)動(dòng)等子子任務(wù)，類似的子子任務(wù)還可以繼續(xù)劃分，直至劃分為可以直接執(zhí)行的原任務(wù)。

而且，由于水下特殊的通信環(huán)境，實(shí)體間直接通信的距離不宜過(guò)長(zhǎng)，通信負(fù)載不宜過(guò)大，編隊(duì)比較適合采用分層式通信結(jié)構(gòu)。

另外，在編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)過(guò)程中，系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)具有一定的動(dòng)態(tài)性和開(kāi)放性。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)體隨著自身狀態(tài)的變化會(huì)動(dòng)態(tài)地退出或加入系統(tǒng)，且各成員之間的關(guān)系也可能隨著運(yùn)行時(shí)任務(wù)或環(huán)境的變化而發(fā)生改變，從而促使組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。所以需要采取措施保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過(guò)上述分析，可以得出潛艇與智能UUV人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)需要具有自主性、協(xié)作性、層次性和穩(wěn)定性等特征。針對(duì)這些特征，結(jié)合目前UUV智能技術(shù)發(fā)展水平，為了充分發(fā)揮潛艇指揮員的全局指揮決策能力和智能UUV的自治性，提高系統(tǒng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化的反應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)性和魯棒性，減少系統(tǒng)通信量，更自然、真實(shí)地模擬作戰(zhàn)的過(guò)程，本文對(duì)集散式結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種通過(guò)軍階進(jìn)行標(biāo)識(shí)的有限中央控制下的層級(jí)分布式結(jié)構(gòu)來(lái)描述潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。

設(shè)有n枚智能UUV，將它們盡可能平均地分成i組，每一組成員之間構(gòu)成分布式組織結(jié)構(gòu)。從每組成員中隨機(jī)選取一枚智能UUV作為該組的組長(zhǎng)，各組長(zhǎng)之間又構(gòu)成分布式組織結(jié)構(gòu)。作戰(zhàn)開(kāi)始時(shí)，首先由潛艇通過(guò)預(yù)分配為智能UUV編隊(duì)分配一個(gè)初始的作戰(zhàn)任務(wù)，當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)發(fā)生變化時(shí)，最高級(jí)別智能UUV與潛艇進(jìn)行決策分配，各小組中的智能UUV互相通信進(jìn)行協(xié)同決策，從而對(duì)局部態(tài)勢(shì)做出迅速的反應(yīng)。

以潛艇攜帶13個(gè)智能UUV為例，形成一個(gè)3層作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中士兵級(jí)9個(gè)，班長(zhǎng)級(jí)智能UUV 3個(gè)，排長(zhǎng)級(jí)智能UUV 1個(gè)，根據(jù)以上設(shè)想，建立如圖4所示的有限中央控制下的層級(jí)分布式結(jié)構(gòu)。將士兵級(jí)智能UUV分為3組，小組內(nèi)成員之間可以任意交互，呈分布式組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)上一級(jí)的班長(zhǎng)進(jìn)行有限中央控制；小組之間通過(guò)班長(zhǎng)進(jìn)行交互形成高一層次的分布式組織結(jié)構(gòu)，再通過(guò)排長(zhǎng)進(jìn)行有限中央控制，最終由潛艇進(jìn)行集中控制。

圖4 有限中央控制的層級(jí)分布式組織結(jié)構(gòu)Fig.4 Limited central control hierarchical organization structure

在有限中央控制的層級(jí)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中，潛艇根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)預(yù)先規(guī)劃制定智能UUV編隊(duì)的初始作戰(zhàn)任務(wù)，在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中潛艇只對(duì)智能UUV編隊(duì)進(jìn)行高層次的指揮控制，負(fù)責(zé)做出全局決策。而智能UUV編隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)級(jí)指揮控制主要由最高級(jí)別的排長(zhǎng)級(jí)別智能UUV完成，根據(jù)編隊(duì)的作戰(zhàn)任務(wù)、成員狀態(tài)信息和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，進(jìn)行局部決策。小組內(nèi)智能UUV通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取、融合后獲得戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，采用分布式組織結(jié)構(gòu)協(xié)同完成任務(wù)，并將戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)發(fā)送給最高級(jí)智能UUV. 在整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程中，潛艇指揮員始終監(jiān)視智能UUV編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的情況并保留隨時(shí)干預(yù)的權(quán)利，但潛艇只是在必要的時(shí)候向智能UUV發(fā)布指控命令，因此其工作負(fù)荷大為減輕，使一艘潛艇控制多枚智能UUV執(zhí)行任務(wù)成為可能。

在完成任務(wù)過(guò)程中，智能UUV由于毀傷等因素會(huì)造成組織結(jié)構(gòu)的變化，智能UUV之間的合作方式以及動(dòng)態(tài)組織結(jié)構(gòu)重組過(guò)程如圖5所示。

圖5 智能UUV組織重構(gòu)過(guò)程Fig.5 Restructuring procedure of intelligent UUV organization

該組織結(jié)構(gòu)通過(guò)建立層次使實(shí)體之間的分工更明確，簡(jiǎn)化了對(duì)智能UUV的管理和協(xié)調(diào)策略，且智能UUV小組間的信息處理過(guò)程對(duì)外屏蔽，上層不必關(guān)心下層的執(zhí)行細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了信息流，降低通信量、提高通信效率，可以有效解決智能UUV數(shù)目大帶來(lái)的通信量劇增問(wèn)題。

3 潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)決策問(wèn)題

3.1 潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)決策分配

在潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)的過(guò)程中，系統(tǒng)作戰(zhàn)決策不僅可以由潛艇或者智能UUV單獨(dú)作出，還可以由潛艇與智能UUV協(xié)同給出。

為了充分發(fā)揮潛艇與智能UUV的優(yōu)勢(shì)，需要將決策功能進(jìn)行分配。

確定決策分配等級(jí)的過(guò)程分為兩個(gè)大的部分，首先通過(guò)潛艇與智能UUV的優(yōu)勢(shì)評(píng)判比較得到可能度，從而確定自動(dòng)化等級(jí)范圍；其次對(duì)在范圍內(nèi)的多個(gè)等級(jí)進(jìn)行多屬性決策排優(yōu)，得到的最優(yōu)等級(jí)就是決策分配的等級(jí)。

潛艇與智能UUV之間的優(yōu)勢(shì)綜合評(píng)估主要是人的智能與UUV的人工智能之間的能力優(yōu)勢(shì)的比較，二者的優(yōu)勢(shì)集合如表1所示[11]。

表1 潛艇與智能UUV能力優(yōu)勢(shì)集合

自動(dòng)化等級(jí)化分的方法采用文獻(xiàn)[12]中Parasuraman等提出的自動(dòng)化等級(jí)劃分原則，如表2所示。

表2 自動(dòng)化等級(jí)

具體步驟及方法介紹如下：

1)采用5級(jí)標(biāo)度法，根據(jù)表1的優(yōu)勢(shì)集合，由專家分別給出潛艇和智能UUV優(yōu)勢(shì)的重要性比值，進(jìn)而得到權(quán)重ws、wUUV；

2)由專家給出每個(gè)優(yōu)勢(shì)對(duì)決策的影響程度，并分別對(duì)潛艇和智能UUV的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行綜合評(píng)估；

3)計(jì)算評(píng)估結(jié)果之間的可能度，根據(jù)規(guī)則[11]確定決策功能決策分配等級(jí)范圍；

4)對(duì)等級(jí)范圍內(nèi)的數(shù)個(gè)方案進(jìn)行多屬性決策，最終確定決策分配等級(jí)。

在對(duì)等級(jí)范圍內(nèi)方案進(jìn)行決策的過(guò)程中，文獻(xiàn)[11]使用不確定性語(yǔ)言型多屬性決策方法，將所有指標(biāo)都看做語(yǔ)言值，通過(guò)多個(gè)專家分別對(duì)各個(gè)方案的指標(biāo)作出語(yǔ)言評(píng)估，只考慮了自然語(yǔ)言描述的定性指標(biāo)，具有很強(qiáng)的主觀性。

在實(shí)際評(píng)估過(guò)程中，存在如系統(tǒng)費(fèi)用等可以用實(shí)數(shù)或區(qū)間數(shù)衡量的定性指標(biāo)，為了降低評(píng)估的主觀性，可以直接采用實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)原方法無(wú)法對(duì)定性和定量指標(biāo)直接進(jìn)行分析評(píng)估，需要對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行專家評(píng)估，主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn)，采用一種混合信息的多屬性決策方法，將實(shí)數(shù)型和不確定型語(yǔ)言屬性轉(zhuǎn)化為區(qū)間型，從而將混合屬性統(tǒng)一到區(qū)間屬性值框架下，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)多屬性決策問(wèn)題進(jìn)行求解。

當(dāng)aL=aU時(shí)區(qū)間數(shù)退化為實(shí)數(shù)，即實(shí)數(shù)為區(qū)間數(shù)的特例，所以實(shí)數(shù)r轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)為

r=[r,r],

(1)

設(shè)不確定語(yǔ)言E={ei|i∈{0,1,…,(L/2)-1,L/2,(L/2)+1,…,L}}，其中ei為第i個(gè)有序語(yǔ)言標(biāo)簽，L+1為標(biāo)簽個(gè)數(shù)，L一般為偶數(shù)，則E轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)[13]為

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3.2 智能UUV決策及UUV群決策問(wèn)題

為了適應(yīng)潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)，以混合Agent體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了智能UUV的組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 智能UUV組織結(jié)構(gòu)Fig.6 Intelligent UUV organization structure

傳感器用于感知外部環(huán)境狀態(tài)的變化，并將執(zhí)行效果反饋至學(xué)習(xí)模塊處理；將環(huán)境狀態(tài)信息通過(guò)自信度判斷器進(jìn)行選擇，以決定下一步是由UUV決策模塊產(chǎn)生行為驅(qū)動(dòng)指令還是請(qǐng)求群體協(xié)作。

影響自信度Conf(M)的因素有環(huán)境狀態(tài)更新程度、任務(wù)評(píng)估、是否曾執(zhí)行過(guò)該種任務(wù)或類似的任務(wù)等：

Conf(M)=UpState(T)×Sim×
Est(UUVState(B,W),Threat),

(7)

其中：

1)UpState(T)為環(huán)境狀態(tài)更新函數(shù)。如果智能UUV在當(dāng)前的仿真周期中更新了環(huán)境信息，則取值1，否則將在現(xiàn)在的值基礎(chǔ)上減少k，可以表述為

UpState(T)∈[0,1]∧(PT∨PF)，
PT:Update(T)=True→UpState(T)=1，
PF:Update(T)=False→UpState(T)=
UpState(T)-k,

(8)

式中：Update(T)∈[True,False]表示UUV在當(dāng)前仿真周期內(nèi)是否更新了環(huán)境信息；k表示自信度維持因子，受智能UUV自身能力影響(如探測(cè)范圍等)，智能UUV能力越大，環(huán)境信息更新對(duì)其影響越小，則k取值越小。

2)Sim∈[0,1]表示曾經(jīng)完成的任務(wù)與此次任務(wù)的相似程度，1為完成過(guò)同樣的任務(wù)，0為完成過(guò)的任務(wù)與本次任務(wù)毫無(wú)相似點(diǎn)。

3)Est(UUVState(B,W),Threat)∈[0,1]，表示對(duì)完成當(dāng)前任務(wù)的難易程度的評(píng)估，值越接近1表示越容易完成。其中：UUVState(B,W)表示UUV當(dāng)前仿真周期內(nèi)的狀態(tài)，B為自身狀態(tài)，如正常、故障、毀傷；W為武器系統(tǒng)的狀態(tài)，涉及攜帶武器的射程、毀傷力等；Threat表示對(duì)敵方的威脅度評(píng)估。

如果自信度函數(shù)值高于閾值Thr，意味著UUV有精確的環(huán)境狀態(tài)信息，動(dòng)作執(zhí)行的成功率也較高，則UUV可以直接作出決策，自己完成任務(wù)；如果自信度低于閾值，則通過(guò)群協(xié)作模塊采用合同網(wǎng)機(jī)制請(qǐng)求其他智能UUV協(xié)作完成任務(wù)；由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)性，智能UUV自主決策是有時(shí)間限制的，超過(guò)時(shí)限則判定自主決策失敗，智能UUV尋求協(xié)作。其中閾值Thr的大小與UUV的謹(jǐn)慎程度有關(guān)，越謹(jǐn)慎的UUV閾值越低。

智能UUV之間還能通過(guò)學(xué)習(xí)交流經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)更新數(shù)據(jù)庫(kù)記錄學(xué)到的知識(shí)，再次遇到相同情況就可以自主決策完成任務(wù)。

如果決策權(quán)分配給潛艇，潛艇可以通過(guò)通信模塊直接將指控命令傳遞給智能UUV.

4 仿真應(yīng)用及分析

以潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)防潛對(duì)抗為應(yīng)用實(shí)例，進(jìn)行了仿真運(yùn)行。

潛艇作為仿真中的主要實(shí)體，其人機(jī)界面由兩部分組成，如圖7、圖8所示。

圖7 潛艇態(tài)勢(shì)視圖界面Fig.7 Submarine situation interface

圖8 潛艇決策視圖界面Fig.8 Submarine decision-making interface

態(tài)勢(shì)界面：如圖7所示，右側(cè)顯示各傳感器探測(cè)結(jié)果及數(shù)據(jù)融合結(jié)果動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，融合結(jié)果以圖標(biāo)方式在左側(cè)的傳感器全局態(tài)勢(shì)圖中直觀反映出來(lái)。

決策界面：如圖8所示，為各指控命令的發(fā)布操作界面，左上側(cè)列表框內(nèi)動(dòng)態(tài)顯示探測(cè)到的目標(biāo)，其具體的信息可以在相鄰的信息欄中顯示；右上側(cè)表格中顯示我方潛艇的運(yùn)動(dòng)信息及武器裝備情況，以供決策時(shí)參考。

潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)將人的智慧、經(jīng)驗(yàn)與綜合判斷能力和智能UUV的人工智能算法相結(jié)合，充分利用人的智慧和經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)智能算法的不足，以突發(fā)情況下智能UUV路徑規(guī)劃為例進(jìn)行仿真，系統(tǒng)仿真過(guò)程中的決策流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)決策流程圖Fig.9 Flowchart of system decision-making process

仿真開(kāi)始由潛艇根據(jù)態(tài)勢(shì)及任務(wù)對(duì)系統(tǒng)航行路徑進(jìn)行全局規(guī)劃。在航行過(guò)程中發(fā)生突發(fā)威脅情況，根據(jù)系統(tǒng)與威脅范圍的關(guān)系，通過(guò)決策分配實(shí)現(xiàn)潛艇與智能UUV路徑規(guī)劃問(wèn)題的快速求解，重規(guī)劃出滿足系統(tǒng)航行要求的航跡。仿真過(guò)程分為以下兩種情況：

1)系統(tǒng)不在突發(fā)威脅覆蓋范圍內(nèi)，但是預(yù)規(guī)劃航跡在。此時(shí)，通過(guò)對(duì)綜合態(tài)勢(shì)與威脅程度進(jìn)行評(píng)估，決策分配等級(jí)為1，即由潛艇完成所有決策，操縱智能UUV完成任務(wù)，系統(tǒng)運(yùn)行軌跡如圖10所示。智能UUV獲得的目標(biāo)信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈能及時(shí)傳給潛艇，潛艇具有更好的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知度，能快速對(duì)綜合態(tài)勢(shì)與威脅程度進(jìn)行評(píng)估、決策，幫助智能UUV重規(guī)劃航跡、規(guī)避威脅。

圖10 系統(tǒng)不在威脅范圍仿真軌跡圖Fig.10 Simulation trajectory chart when system is not in threat area

2)系統(tǒng)已經(jīng)接近威脅覆蓋范圍。通過(guò)決策分配，結(jié)果為7，即智能UUV自動(dòng)執(zhí)行，僅在必要時(shí)通知潛艇，系統(tǒng)運(yùn)行軌跡如圖11所示。此時(shí)，如果智能UUV自信度高于閾值，則迅速啟動(dòng)應(yīng)急程序，根據(jù)態(tài)勢(shì)信息快速進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，如果低于閾值，則通過(guò)群協(xié)作實(shí)現(xiàn)局部路徑重規(guī)劃。在規(guī)避威脅后再與潛艇聯(lián)系，避免了等待潛艇規(guī)劃路徑的延遲等造成反應(yīng)不及時(shí)。

圖11 系統(tǒng)接近威脅范圍仿真軌跡圖Fig.11 Simulation trajectory chart when system is near the threat area

系統(tǒng)不在突發(fā)威脅覆蓋范圍內(nèi)，且預(yù)規(guī)劃航跡也不在，則按預(yù)規(guī)劃航跡繼續(xù)航行。仿真結(jié)果表明潛艇與智能UUV協(xié)同系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)避障、地形跟隨、威脅回避，并能躲避突發(fā)威脅。

5 結(jié)論

為了適應(yīng)智能UUV智能性不足的現(xiàn)狀，作為未來(lái)無(wú)人UWNCW的過(guò)渡模式，將人的智慧引入智能UUV編隊(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)，根據(jù)潛艇與智能UUV協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的特征提出一種能夠適應(yīng)其層次性以及動(dòng)態(tài)性的組織結(jié)構(gòu)；引入人的智能，又要充分發(fā)揮UUV的智能，就需要判斷潛艇與智能UUV之間如何決策，研究了系統(tǒng)決策分配模型并給出了分配步驟并進(jìn)行改進(jìn)；最后通過(guò)對(duì)系統(tǒng)遇到突發(fā)威脅情況下航跡規(guī)劃過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)算法的有效性。研究結(jié)果對(duì)有人機(jī)與無(wú)人機(jī)相結(jié)合這種新興的作戰(zhàn)模式研究奠定了基礎(chǔ)。

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Research on Control and Decision-making of Submarine and Intelligent UUV Cooperative System

WANG Sheng-jie1,2， KANG Feng-ju1,2， HAN Hong1,2

(1.School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China;2.State Key Laboratory of Underwater Information and Control, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, Shaanxi, China)

The unmanned battle is a development tendency of the future war, but the intelligent level of unmanned underwater vehicle (UUV) is limited, thus leading to the limitation in the application of UUV formation in the underwater network centric warfare. For the above-mentioned issue, human intelligent is introduced into the intelligent UUV formation to form a cooperative-combat system combining submarine and intelligent UUV, and the advantages and complexity of the system are analyzed. The key technologies of organization structure and decision-making of the system are researched. And finally, the system is simulated to test and verify its effectiveness. The simulation of path planning in the presence of emerging threat is carried out, and the result indicates that the submarine and intelligent UUVs cooperative system is able to realize obstacle avoidance and threat avoidance effectively,and the system’s emergency response capability is improved.

ordnance science and technology; submarine; intelligent UUV; cooperation; decision-making

2016-05-19

王圣潔(1985—)， 女， 博士研究生。 E-mail： xxm1960@126.com

康鳳舉(1947—), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師。 E-mail: kangfengju@nwpu.edu.cn

N945.13

A

1000-1093(2017)02-0335-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.018