群體智能無人機系統作戰仿真需求分析關鍵問題

許瑞明,黃 謙

(軍事科學院評估論證研究中心,北京 100091)

美軍把無人作戰系統作為第三次“抵消戰略”中的關鍵力量。迄今為止,美軍相繼發表了多版無人系統或無人機路線圖。2016年5月17日，美國空軍發布了美國空軍未來20年小型無人機路線圖《2016-2036小型無人機系統發展計劃》,提出在遠期(未來10到20年)實現“蜂群”作戰概念目標[1-2]。隨著人工智能技術的發展與應用,未來10到20年,群體智能無人機系統作戰將可能成為戰場上一種重要的作戰樣式[3-4]。

群體智能無人機系統主要由智能無人機集群和地面控制站組成。智能無人機集群是在地面站控制和支撐下,由多架無人機構成的、通過相互協同共同完成給定作戰任務的一個有機整體,這個整體中不僅各架無人機具有一定個體智能,而且還具有超越個體智能的群體智能[5-7]。

群體智能無人機系統是“由構想的武器裝備組成的構想作戰系統”,是未來的作戰系統。對于這類未來的作戰系統,其作戰仿真的主要目的是系統作戰能力演示和作戰效果驗證。這一目的與技術仿真有所不同,技術仿真主要是對系統技術設計或有關算法進行驗證。

對這類系統進行仿真設計,首先我們要明確系統具有哪些類別的作戰能力要素,特別是明確與群體智能直接相關的關鍵作戰能力要素,并要明確衡量這些能力水平的關鍵指標項。在此基礎上,可進一步分析確定系統的作戰能力仿真演示需求和針對作戰效果驗證的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述這些需求是群體智能無人機系統作戰仿真需求的關鍵內容,是確定其他配套需求的決定性需求。

1 群體智能無人機系統關鍵作戰能力要素與能力指標

作為未來的作戰系統,群體智能無人機系統具有無機載人員損失、更高的機動性、更好的隱蔽性、更強的環境適應性、更長的續航力、起飛著陸容易、低成本等個體特點和規模效應、高魯棒性、整體自適應性(通過智能體現)等群體特點。其中,整體自適應性指群體智能無人機系統作為具有智能的整體,能夠在沒有外界干預或少量干預時自適應地調整任務分工、規劃航路、規避障礙、應對突發威脅等的特性。毫無疑問,作戰仿真需要合理體現群體智能無人機系統的這些特點。仿真活動中,這些特點的體現主要分兩個環節完成。第一個是仿真系統設計環節,該環節需要把刻畫這些特點的能力參數和作戰運用方案參數設計為仿真系統的輸入,如機動性需通過過載等能力參數來刻畫,這要求把過載等參數設計為仿真系統的輸入參數,同樣對于整體自適應性也是如此。第二個是仿真執行環節,該環節需要將刻畫相應特點的輸入參數設置成反映該特點的一系列參數值。本文探討的是作戰仿真系統的需求問題,屬于第一個環節的問題。第一個環節完成的標志是列出刻畫所有特點所需的參數。上述參數中,作戰運用方案參數主要包括作戰編組、配置、各編組任務等參數類型,這與過去的作戰仿真系統類似,故不再贅述。

反映群體智能無人機系統特點的關鍵能力是群體智能,為突出重點,本文僅討論群體智能這個關鍵能力。結合OODA環理論對群體智能無人機系統的群體智能進行梳理分析,其群體智能主要包括信息協同融合、威脅自主協同判斷、群體自主決策、群體自主控制、群體自主通信組網、群體自主管理等能力要素。這些關鍵能力要素與能力指標如表1所示。

表1 群體智能無人機系統關鍵能力要素與關鍵指標

注:①切換指飛行編隊隊形發生變化的一種編隊動作，如從一字隊形變換成菱形隊形的切換。

②縮放指飛行編隊隊形不變，編隊中飛機間距離發生變化的一種編隊動作。

表1中的關鍵指標是對群體智能無人機系統作戰運用起關鍵作用的能力指標,不是能力指標的全集。通常講,對群體智能無人機系統作戰運用起關鍵作用的能力指標包括成功率/正確率/合理性、準確度/精確性、執行相應能力動作所需時間等類指標,表中的能力關鍵指標設置除了個別能力(如群體通信組網能力有特殊要求、移動目標信息融合子能力需要更多的能力指標進行刻畫)外均與此相符。這些相符的關鍵指標設置分為僅有1個布爾型指標、類型相符但指標個數小于3個、完全相符三種情形。其中,第一種情形只關注能力的有無,而其他能力事項已經或正在得到解決,不在關心之列;第二種情形設置理由與第一種類似,不再贅述。

2 作戰能力仿真演示需求

作戰能力仿真演示的目的是讓觀者直觀觀察到群體智能無人機系統所擁有的能力及能力形成的關鍵過程。

2.1 信息協同融合

對于地面固定目標信息融合,在信息融合完成后,根據觀者需要，適時顯示信息融合前各個無人機對目標探測得到的可見光、紅外、SAR雷達圖像等輸入信息和目標類別判斷、定位誤差、信息融合所用時間等輸出信息。

對于空中移動目標信息融合,在信息融合完成后,根據觀者需要，適時顯示信息融合前各個無人機對移動目標探測得到的航跡等輸入信息和融合后的航跡、融合性能參數、融合所用時間等輸出信息。

2.2 威脅自主協同判斷

在判斷完成后,根據觀者需要適時顯示威脅判斷結果(如雷達威脅包絡線、來襲飛機/導彈的位置、速度等)、測量誤差、判斷所用時間等信息。

2.3 群體自主決策

在群體自主任務分配完成后,根據觀者需要，適時顯示群體中各架無人機的任務參數、任務分配所用時間、任務分配原則等信息。

在群體自主航路規劃完成后,根據觀者需要，適時顯示群體的規劃航路、航路規劃所用時間、規劃原理等信息。規劃航路顯示信息除了包括二維、三維空間中的曲線外,還包括曲線上各點的飛行速度矢量信息,以及與任務規劃相關的航路周邊的威脅源、地形氣象障礙等信息。

2.4 群體自主控制

群體自主控制能力的飛行編隊構建/重建、自主切換、自主縮放、自主旋轉、自主避障子能力需要通過飛行編隊中各架無人機的飛行過程才能比較直觀地展現。

2.5 群體自主通信組網

在群體形成后，根據觀者需要，適時展現網絡拓撲結構、節點和鏈路特性、有關時間參數等信息;在成員或拓撲結構發生變化時，適時顯式反映這一變化。展現方式以網絡拓撲結構圖為基礎,通過鏈接展現各類信息。

2.6 群體自主管理

在仿真中,通過一定方式顯示群體中各成員之間的關系;在成員之間關系發生變化時，根據觀者需要，適時顯式反映這一變化。關系圖和關系矩陣是顯示群體中各成員之間關系的兩種途徑。關系圖比較直觀,但當群體成員比較多時，不易看清成員間的關系;關系矩陣雖直觀性差一些,但展現效果不受成員數量的影響。

3 作戰效果驗證仿真分析需求

作戰效果驗證包括兩方面:一是無人機系統具有群體智能與不具有群體智能作戰效果對比驗證;二是無人機系統具有不同程度群體智能條件下作戰效果的比較驗證。

1)有無群體智能的對比驗證

無人機系統有無群體智能時，戰法是不同的,需要根據任務性質設置對應任務要求的有群體智能和無群體智能的典型應用場景。基于典型應用場景,經仿真計算和結果統計，得到有群體智能和無群體智能達到同樣作戰效果的裝備、彈藥、人員損耗及各類作戰人員需求。通過這些裝備、彈藥、人員損耗及各類作戰人員需求的變化可體現群體智能的效用。

2)不同程度群體智能的比較驗證

群體智能水平的不同作戰效果也會有所不同,通過設置反映不同智能水平的能力參數,查看作戰效果的變化。

本文以對地面固定目標信息融合為例。通過設置不同的融合正確率、定位準確度、融合時間,得到對應作戰效果(如敵我裝備、彈藥、人員的損耗)數據,并以曲線、柱狀圖等形式展現這些數據,以便于觀者直觀查看出現的變化。

4 實體分辨率需求

分辨率是仿真中系統各要素及其行為被描述得詳細程度。實體分辨率內容主要包括實體粒度、實體屬性分辨率、實體行動分辨率等。當實體粒度、實體屬性分辨率、實體行動分辨率確定后,實體關聯、實體交互的分辨率也基本確定(通過實體關聯及交互，可以對較受關注的無人機系統的組織結構和無人機系統一站多機控制結構進行描述)。

實體分辨率需求要與作戰能力仿真演示需求和作戰效果驗證仿真分析需求相對應,在滿足這一要求的前提下,仿真分辨率應盡可能就低不就高,以降低仿真建模與仿真分析難度，減少其工作量。

4.1 實體粒度

實體粒度是仿真中對現實世界中的實體描述的最小規模,同一個模型或仿真中,不同類實體的最小規模可以不同。

群體智能無人機系統仿真以無人機系統仿真為核心,仿真中涉及的實體除了無人機系統外，還包括與無人機系統對抗的敵方目標和支援無人機系統作戰的己方兵力。無人機系統由無人機和地面站組成。無人機系統對抗的敵方目標和支援無人機系統作戰的己方力量與無人機系統擔負的任務相關。無人機系統對抗的敵方目標包括無人機系統偵察/監視、打擊的目標和敵方偵察/監視、打擊無人機的目標;支援無人機系統作戰的己方兵力包括偵察預警、指揮、掩護、支援等力量等。概括起來,典型的目標或力量有地面工事、地面移動裝備(如戰車、火炮、指揮/通信車輛、運輸車輛等)、預警雷達、防空火力、飛機(含預警機、電子戰飛機、作戰飛機)等。

本文針對這些典型目標或兵力,根據作戰能力仿真演示需求和作戰效果驗證仿真分析需求,給出其實體粒度要求，如表2所示。

表2 典型實體粒度要求

4.2 實體屬性分辨率

實體屬性主要有標識屬性、編成屬性、配置屬性、性能屬性和狀態屬性等,其中，性能屬性用于反映實體裝備/設施的作戰能力特性,隨著仿真需求的變化有較大的變化空間,是實體屬性分辨率需求確定的重點。

作戰能力仿真演示需求和作戰效果驗證仿真分析需求對無人機實體性能屬性有特定要求,集中體現在反映智能水平的關鍵能力指標上,即將反映智能水平的關鍵能力指標作為性能屬性項。

除了無人機這一主要研究對象外,其他典型實體的屬性分辨率要與無人機實體相配套。例如,作為偵察、打擊目標的工事實體,為了計算偵察打擊效果,其屬性需要包括幾何形狀、尺寸、光學/雷達/紅外反射或輻射特性、材質等。

4.3 實體行動分辨率

實體行動主要有機動、觀察(偵察監視)、射擊/干擾等。通過分析作戰能力仿真演示需求和作戰效果驗證仿真分析需求,可得到典型實體行動分辨率要求,如表3所示。

表3 典型實體行動分辨率要求

從表3可以看出,不同實體的行動分辨率是有區別的。對于無人機,其機動仿真模型需要基本按照運動學、動力學模型要求來構建,而預警機機動仿真模型則可按照質點機動模型來構建,其原因在于無人機仿真需要滿足群體自主控制等作戰能力仿真演示需求，而預警機卻不需要滿足此類需求。

5 結束語

針對“由構想的武器裝備組成的構想作戰系統”的作戰仿真,本文提出其作戰仿真的主要目的是系統作戰能力演示和作戰效果驗證。這一目的與技術仿真不同,技術仿真主要是對系統技術設計或有關算法進行驗證。對這類系統進行仿真設計,首先需要明確系統具有哪些類別的作戰能力要素,并同時明確衡量這些能力水平的關鍵指標項。在此基礎上,可進一步分析確定系統的作戰能力仿真演示需求和針對作戰效果驗證的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述這些關鍵需求確定的思路對于同類系統仿真的需求分析具有一定的借鑒意義。