基于人工智能的艦炮裝備發(fā)展構(gòu)想

李 翔

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

人工智能是人類希望機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)類人腦的智能，并在長期的探索中，對計算、推理和其他思維活動進(jìn)行研究的結(jié)果。人工智能的研究領(lǐng)域包括自然語言處理、自動定理證明、智能數(shù)據(jù)檢索、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別、視覺系統(tǒng)、問題求解、智能控制和程序語言以及自動程序設(shè)計等。

近年來，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，無人駕駛、阿爾法狗、工業(yè)機(jī)器人等人工智能產(chǎn)品不斷推陳出新，人工智能的應(yīng)用研究取得了長足的進(jìn)步。世界許多國家已將發(fā)展人工智能上升到國家戰(zhàn)略。我國于2017 年7 月發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出了面向2030 年我國新一代人工智能發(fā)展的指導(dǎo)思想、戰(zhàn)略目標(biāo)、重點任務(wù)和保障措施，部署構(gòu)筑我國人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢，加快建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強(qiáng)國。

人工智能在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，在船舶、航空、航天、兵器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。國防科技創(chuàng)新面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

艦炮武器裝備包括艦炮武器系統(tǒng)、探測設(shè)備、火控設(shè)備（指揮儀）、艦炮、彈藥、保障設(shè)備等（見圖1）。艦炮武器裝備系統(tǒng)復(fù)雜，是機(jī)、電、液、氣、光等技術(shù)集成的裝備。現(xiàn)代艦炮裝備基本實現(xiàn)了自動化，能否借人工智能發(fā)展的東風(fēng)進(jìn)一步實現(xiàn)智能化？本文將對發(fā)展智能艦炮裝備的初步構(gòu)想進(jìn)行探討。

圖1 艦炮武器裝備的組成Fig. 1 Composition of naval gun

1 智能艦炮裝備的概念圖像

1.1 智能艦炮裝備的作戰(zhàn)流程

高技術(shù)條件下的海上戰(zhàn)爭，艦艇受到來自岸基、海上、空中的多種威脅，需要進(jìn)行海上作戰(zhàn)時，艦艇上裝備的智能艦炮裝備將按圖2 作戰(zhàn)流程遂行其使命任務(wù)。

圖2 智能艦炮裝備的作戰(zhàn)流程Fig. 2 Combat flow of intelligent naval gun

衛(wèi)星、預(yù)警機(jī)、雷達(dá)等對岸上、海面、空中進(jìn)行不間斷地掃描，自主對搜索到的目標(biāo)進(jìn)行識別、威脅判斷、分類處理，當(dāng)威脅升級到需要應(yīng)對時，智能決策系統(tǒng)做出決策，組織火力通道、分配使用武器，將威脅目標(biāo)參數(shù)傳送到武器系統(tǒng)，武器系統(tǒng)鎖定目標(biāo)，對目標(biāo)進(jìn)行捕獲和跟蹤，控制所分配的艦炮進(jìn)行預(yù)調(diào)舷，綜合利用各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動要素解算，進(jìn)行艦炮控制參數(shù)解算，向艦炮發(fā)送射擊諸元，進(jìn)行坐標(biāo)變換，向艦炮發(fā)送射擊瞄準(zhǔn)全角。

艦炮隨動系統(tǒng)帶動艦炮到達(dá)射擊諸元要求的位置，同時彈種識別裝置智能識別所需彈種，供彈機(jī)器人將所需彈藥按規(guī)劃的最優(yōu)路徑向艦炮發(fā)射系統(tǒng)供彈，發(fā)射系統(tǒng)將選定的智能化彈藥投向目標(biāo)，武器系統(tǒng)自動獲取打擊效果，進(jìn)行智能評估、誤差分析和偏差校正，直至完成本次射擊任務(wù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)火或停火。

1.2 智能艦炮裝備的技術(shù)特征

1）自主化

整個艦炮裝備將實現(xiàn)無人值守，根據(jù)需要也可使人在回路，但彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)、引信裝定、艦炮操控等操作無需人員參加，自主完成作戰(zhàn)任務(wù)，可大大減少炮班、彈藥班的人員數(shù)量，降低勞動強(qiáng)度。

2）智能戰(zhàn)場態(tài)勢感知

對于海量信息，能夠自動地“排除無用信息，不漏掉有用信息（包括潛在的有用信息）”，并對有用信息進(jìn)行自主優(yōu)化和處理，為指揮員或指揮系統(tǒng)顯示完備的、準(zhǔn)確的、時效性強(qiáng)的戰(zhàn)場態(tài)勢（目標(biāo)識別、威脅判斷、作戰(zhàn)決策），使之盡量不依賴人而提高戰(zhàn)場指揮控制能力。

3）智能供彈

使用彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人、引信裝定機(jī)器人、彈藥裝填機(jī)器人等智能設(shè)備，快速、準(zhǔn)確、可靠地完成在任意射角下的彈藥交接、引信裝定、輸送彈丸和裝填入膛等動作。

4）艦炮智能控制

可對隨動系統(tǒng)、彈藥輸送、艦炮狀態(tài)、數(shù)據(jù)通信等進(jìn)行無人控制，使艦炮可以自主地實現(xiàn)其預(yù)定功能。

5）智能彈藥

能夠?qū)崿F(xiàn)態(tài)勢感知、電子對抗、戰(zhàn)場偵察、精確打擊、高效毀傷和毀傷評估等功能的靈巧化、制導(dǎo)化、智能化、微型化、多能化的彈藥，具有模塊結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、智能控制、精確打擊的特點。

6）系統(tǒng)效能智能評估

能夠?qū)ψ鲬?zhàn)指揮能力、火力打擊能力、保障能力等進(jìn)行快速的、定量的、正確的評估。

2 智能艦炮裝備的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知與評估技術(shù)

圖3 具有人工智能特征的深度學(xué)習(xí)戰(zhàn)場態(tài)勢模型Fig. 3 Model of artificially intelligent study of battlefield situation

戰(zhàn)場態(tài)勢是指作戰(zhàn)雙方各要素（主要包括兵力部署情況、裝備情況、地理環(huán)境、天氣條件等）的狀態(tài)、變化和發(fā)展趨勢。通過語言識別、圖像處理、視覺處理、自然語言處理等手段，取得的大數(shù)據(jù)信息（圖形、圖像和報告等）具有全維的特點，含有大量的不確定因素和非線性復(fù)雜信息，基于深度學(xué)習(xí)等的人工智能方法是處理這些復(fù)雜信息、進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢評估的有效手段，可充分挖掘大數(shù)據(jù)的整體信息，全面探索數(shù)據(jù)中的多樣性和相關(guān)性，對大數(shù)據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行科學(xué)合理的特征表示。

2.2 威脅目標(biāo)的智能識別技術(shù)

艦艇及編隊利用多種傳感器獲取大量目標(biāo)數(shù)據(jù)，采用模糊理論、證據(jù)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能信息處理技術(shù)，進(jìn)行多傳感器目標(biāo)數(shù)據(jù)的智能融合，使識別系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)性、自學(xué)習(xí)性以及魯棒性更強(qiáng)，目標(biāo)識別更加準(zhǔn)確有效。

圖4 目標(biāo)識別融合技術(shù)原理圖Fig. 4 Target identification convergence technology schematic drawing

2.3 智能威脅估計技術(shù)

威脅估計是在高級信息融合的基礎(chǔ)上，根據(jù)敵我兵力、作戰(zhàn)目標(biāo)、我方保衛(wèi)目標(biāo)和雙方的作戰(zhàn)策略，以定量的方式對敵方威脅程度進(jìn)行評估和分析，由提取威脅要素、敵方意圖估計、敵打擊目標(biāo)估計和威脅等級確定等過程組成，存在大量信息數(shù)據(jù)的使用問題。可采用進(jìn)化策略、遺傳編程、人工免疫算法、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能算法進(jìn)行問題求解。

圖5 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的威脅估計模型體系結(jié)構(gòu)Fig. 5 Configuration of threat estimation model based on wavelet network

2.4 智能射擊決策技術(shù)

圖6 基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的威脅估計算法流程Fig. 6 Flow of estimation algorithm based on wavelet network

圖7 決策支持專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 7 Decision support expert system construction drawing

射擊決策一般包括射擊方式選擇，開、停、轉(zhuǎn)火時機(jī)的確定，火力通道組織，占領(lǐng)有利陣位，艦艇機(jī)動等。利用專家系統(tǒng)以及各類知識庫、模型庫、規(guī)則庫和方案庫，進(jìn)行充分集成和融合模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造具有抗干擾特性的、完整的、高性能的、一體化的智能決策系統(tǒng)，使作戰(zhàn)過程中的戰(zhàn)術(shù)決策方案制定實現(xiàn)智能化，提高作戰(zhàn)指揮效率。

2.5 目標(biāo)軌跡智能預(yù)測技術(shù)

由于目標(biāo)（特別是高速機(jī)動目標(biāo)）模型的不確定性，傳統(tǒng)的濾波算法無法給出高精度的目標(biāo)軌跡預(yù)測結(jié)果。多傳感器給出的海量目標(biāo)信息為精確預(yù)測目標(biāo)軌跡創(chuàng)造了條件，可采用大數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等技術(shù)，進(jìn)行目標(biāo)軌跡的智能、高精度預(yù)測。

圖8 遺傳算法原理示意圖Fig. 8 Genetic algorithm schematic drawing

2.6 最佳供彈路徑規(guī)劃技術(shù)

艦炮使用彈藥種類越來越多，在彈藥庫中的存放位置分散、不確定，在需要某種彈藥時，需要將該彈藥快速轉(zhuǎn)運(yùn)至艦炮發(fā)射位置，需要進(jìn)行最佳供彈路徑規(guī)劃，也就是尋求最短路徑解的過程。可利用遺傳算法、模糊聚類、群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能方法，建立供彈路徑的量化模型，進(jìn)行路徑推算，尋找最優(yōu)解。

圖9 艦炮自動化彈庫示意圖Fig. 9 Naval gun automation magazine schematic drawing

2.7 智能揚(yáng)彈供彈技術(shù)

艦炮特別是大口徑艦炮的彈藥質(zhì)量和尺寸較大，形狀不規(guī)則，需要快速、準(zhǔn)確、可靠地完成在任意射角下的彈藥交接、引信裝定、輸送彈丸和裝填入膛等動作，傳統(tǒng)艦炮需要復(fù)雜的機(jī)構(gòu)完成這些動作。

圖10 某型艦炮復(fù)雜的揚(yáng)彈供彈機(jī)構(gòu)Fig. 10 Ammunition hoisting and feeding mechanisms of certain naval gun

智能艦炮可使用機(jī)器人包括彈藥轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人、引信裝定機(jī)器人、彈藥裝填機(jī)器人等，是完成這一任務(wù)的有效手段。這些機(jī)器人需具備自主型智能機(jī)器人的3 個要素：一是感覺要素，用來認(rèn)識周圍環(huán)境狀態(tài)；二是運(yùn)動要素，對外界做出反應(yīng)性動作；三是思考要素，根據(jù)感覺要素所得到的信息，思考出采用什么樣的動作。感覺要素包括能感知視覺、接近、距離等的非接觸型傳感器和能感知力、壓覺、觸覺等的接觸型傳感器。這些要素實質(zhì)上就是相當(dāng)于人的眼、鼻、耳等五官，它們的功能可以利用諸如攝像機(jī)、圖像傳感器、超聲波傳成器、激光器、導(dǎo)電橡膠、壓電元件、氣動元件、行程開關(guān)等機(jī)電元器件來實現(xiàn)，能夠獲取彈藥和外部機(jī)構(gòu)的大量特征數(shù)據(jù)，自動判斷彈藥的形狀、重量、尺寸、材料等信息。對運(yùn)動要素來說，智能機(jī)器人需要有一個無軌道型的移動機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)彈藥庫內(nèi)、艦艇艙室內(nèi)等不同的環(huán)境，可以借助輪子、履帶、支腳、吸盤、氣墊等移動機(jī)構(gòu)來完成所需要的功能。在運(yùn)動過程中要對移動機(jī)構(gòu)進(jìn)行實時控制，這種控制不僅要包括位置控制，而且還要有力度控制、位置與力度混合控制、伸縮率控制等，實現(xiàn)艦炮所需彈藥按照規(guī)劃的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、裝填等。智能機(jī)器人的思考要素是3 個要素中的關(guān)鍵，也是人們要賦予機(jī)器人必備的要素。思考要素包括有判斷、邏輯分析、理解等方面的智力活動。這些智力活動實質(zhì)上是一個信息處理過程，而計算機(jī)則是完成這個處理過程的主要手段。通過自學(xué)習(xí)和思考，訓(xùn)練機(jī)器人去自主完成任務(wù)功能。

2.8 艦炮智能控制技術(shù)

艦炮控制系統(tǒng)不僅要完成隨動系統(tǒng)控制、彈藥輸送控制、艦炮狀態(tài)及邏輯控制、數(shù)據(jù)通信等基本功能，還要在此基礎(chǔ)上完成人—機(jī)交互和故障分析定位等附加功能。

具有人工智能的艦炮控制系統(tǒng)事先無法編制運(yùn)動程序，而是要在運(yùn)動的過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制方式。當(dāng)外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是隨時間和條件自動改變的。

模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制、基因控制、專家系統(tǒng)等控制技術(shù)以及這些控制方法的綜合應(yīng)用，可推動艦炮控制技術(shù)向智能化方向發(fā)展。

圖11 艦炮智能控制結(jié)構(gòu)圖Fig. 11 Naval gun intelligent control construction drawing

2.9 智能彈藥技術(shù)

彈藥是艦炮武器裝備的最終毀傷單元，在傳統(tǒng)彈藥技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用計算機(jī)技術(shù)、制導(dǎo)技術(shù)、目標(biāo)探測技術(shù)、人工智能技術(shù)等形成智能彈藥，具有信息感知與處理、推理判斷與決策、執(zhí)行某種動作與任務(wù)等功能，諸如搜索、探測和識別目標(biāo)，控制和改變自身狀態(tài)，選擇所要攻擊的目標(biāo)甚至攻擊部位和方式，偵察、監(jiān)視、評估作戰(zhàn)效果和戰(zhàn)場態(tài)勢等。常見的智能彈藥主要有：末敏彈藥、制導(dǎo)彈藥、彈道修正彈藥、巡飛偵察彈藥等，可使作戰(zhàn)效能提高100～1 000 倍，效費(fèi)比提高30～40 倍。

圖12 制導(dǎo)炮彈結(jié)構(gòu)圖Fig. 12 Guided ammunition construction drawing

其他如射擊效能智能評估技術(shù)、智能故障診斷與維修技術(shù)、智能保障技術(shù)等也將為智能艦炮裝備發(fā)揮更好的效能提供技術(shù)保障。

3 結(jié) 語

本文基于人工智能技術(shù)的發(fā)展提出智能艦炮裝備的發(fā)展構(gòu)想，描述了智能艦炮裝備的目標(biāo)圖像，分析了發(fā)展智能艦炮裝備需解決的主要關(guān)鍵技術(shù)。隨著國家對人工智能技術(shù)發(fā)展的進(jìn)一步重視，按照國家人工智能發(fā)展規(guī)劃的思路，結(jié)合艦炮技術(shù)的深入研究，智能艦炮裝備終將在未來海上戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要的作用。