海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)架構(gòu)

李凌昊，張曉晨，王 浩，劉 耿

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

0 引 言

未來的戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，戰(zhàn)場空間全面覆蓋陸、海、空、天、電、網(wǎng)等多個緯度，奪取信息優(yōu)勢成為克敵制勝的關(guān)鍵，新概念武器的作戰(zhàn)性能和殺傷力也越來越大，對戰(zhàn)爭具有決定因素的人面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，而無人平臺具備執(zhí)行“枯燥的、惡劣的、危險的、縱深的”（Dull，Dirty，Dangerous，Deep）4D 任務(wù)的特性，因此迫切需要無人化的裝備替代人來完成各種作戰(zhàn)任務(wù)。以水面無人艇、無人機為代表的無人平臺在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，具有反偵察能力強、工作持續(xù)時間長、不擔(dān)心人員傷亡、可操作性強、偵察能力強、可擔(dān)負(fù)多種作戰(zhàn)任務(wù)等特點，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于執(zhí)行多種危險和復(fù)雜的任務(wù)。

海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)是指在海上編隊作戰(zhàn)體系頂層一體化設(shè)計要求下，將不同類型、不同能力的無人裝備進行面向能力的集成和協(xié)同，以完成特定的作戰(zhàn)任務(wù)。以無人艇與無人機為例，將無人艇與無人機有機結(jié)合、協(xié)同控制，能夠提升對中、小目標(biāo)的海空探測打擊的時敏性、范圍、持續(xù)工作時間，形成海空一體的偵察、監(jiān)視、打擊系統(tǒng)，可高效完成警戒監(jiān)視、協(xié)同探測、對海打擊等作戰(zhàn)任務(wù)，充分發(fā)揮無人艇、無人機在海戰(zhàn)中的綜合作戰(zhàn)效能。但無人艇、無人機是2 種不同類型的無人平臺，存在強烈的“異構(gòu)”特征，主要表現(xiàn)為行為模式、作戰(zhàn)域、作戰(zhàn)任務(wù)能力和智能水平4 個方面的差異。這些異構(gòu)特征使操控工作量和復(fù)雜度大幅增加，操控人員的專注程度削弱，導(dǎo)致無人系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能難以達到期望。因此，為充分發(fā)揮無人艇、無人機等異構(gòu)無人裝備整體協(xié)同作戰(zhàn)效能，需要開展異構(gòu)無人裝備作戰(zhàn)概念研究，構(gòu)建扁平高效的異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)控制體系架構(gòu)，提高異構(gòu)無人系統(tǒng)自主性，增強系統(tǒng)自組織和自適應(yīng)能力。

1 海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)概念

水面無人艇通常依靠遙控或自主方式在水面航行，具有不同程度的自主性。主要用于執(zhí)行危險或者不適于有人船只執(zhí)行的任務(wù)。無人艇可以搭載在其他大中型水面艦艇上，利用其自主性強、低可探測性、帶載能力大、持續(xù)工作時間長、費效比高、避免人員傷亡等綜合優(yōu)勢，擴大現(xiàn)有艦艇編隊的作戰(zhàn)能力、管控范圍，形成局部戰(zhàn)術(shù)技術(shù)優(yōu)勢，達到影響戰(zhàn)爭結(jié)果的目的。無人艇配備先進的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行偵察、警戒監(jiān)視、水文地理勘察、反潛反水雷、對海突擊、海上搜救等不同任務(wù)。但無人艇在執(zhí)行任務(wù)時，仍存在航速較慢、傳感器探測范圍和通信距離較近等短板，對無人艇執(zhí)行任務(wù)的覆蓋能力、時效性影響較大。

相比于水面無人艇，無人機則具有飛行速度快、傳感器探測范圍廣的優(yōu)勢，在近些年的部分戰(zhàn)爭中，無人機逐漸開始扮演越來越重要的角色，其偵察、打擊能力優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，但其帶載能力弱、持續(xù)工作時間短，極大限制了在海戰(zhàn)中的應(yīng)用。

目前，水面無人艇與無人機基本上是以相對獨立的方式運行。盡管兩者在功能性能上存在較強的互補性，具有極強的協(xié)同作戰(zhàn)潛力，但針對警戒監(jiān)視、協(xié)同探測、對海打擊等典型作戰(zhàn)任務(wù)時，對水面無人艇與無人機各自應(yīng)側(cè)重承擔(dān)的使命任務(wù)，以及水面無人艇與無人機的類型、數(shù)量、性能要求、協(xié)同方式等均不明確。

根據(jù)水面無人艇與無人機的平臺特點及作戰(zhàn)任務(wù)，水面無人艇與無人機異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)主要有以下樣式：

1）以無人艇為跨域中心協(xié)同作戰(zhàn)

以無人艇為中心進行跨域整合，利用其相對大的有效載荷、大功率儲備，以及更長的續(xù)航能力，為無人機等其他無人平臺提供服務(wù)，如通信中繼、數(shù)據(jù)預(yù)處理及決策、能源等，使得無人機等可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的作業(yè)，增強其他無人平臺作戰(zhàn)能力。

2）異構(gòu)平臺一體化協(xié)同打擊作戰(zhàn)

圖 1 以無人艇為跨域中心示意圖Fig.1 Unmanned surface vehicles as cross-domain center

利用無人機、無人艇隱蔽性強、毀傷代價低、機動靈活等特點進行態(tài)勢感知、目標(biāo)攻擊、跨平臺制導(dǎo)、協(xié)同防御、效能評估等；同時可采用聲東擊西戰(zhàn)術(shù)，讓一部分無人裝備作為誘餌，將敵方防空反導(dǎo)等火力吸引到不相干的方向，而讓另一部分無人裝備或有人平臺趁虛而入，對敵方高價值目標(biāo)進行致命打擊。

3）異構(gòu)平臺協(xié)同探測隱身目標(biāo)

1.2.1 調(diào)查表 自行設(shè)計:①久臥病患照護者一般資料調(diào)查表;②久臥病患照護者30°側(cè)臥位翻身護理掌握測評表;③久臥病患壓瘡分期標(biāo)準(zhǔn)表。調(diào)查表以《臨床護理技術(shù)規(guī)范》［1］、《成人壓瘡預(yù)測和預(yù)防實踐指南》［2］相關(guān)防壓瘡理論為依據(jù)。

圖 2 協(xié)同探測打擊示意圖Fig.2 Cooperative detection and strike

充分利用無人機、無人艇等無人平臺前出距離遠(yuǎn)，不易被發(fā)現(xiàn)等特點，結(jié)合有人平臺從全方位立體偵察探測敵方隱身飛機，實現(xiàn)對敵方隱身目標(biāo)的提前發(fā)現(xiàn)。

2 海上異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)控制體系架構(gòu)初步設(shè)計

由于水面無人艇與無人機在行為模式、作戰(zhàn)任務(wù)能力等多方面都存在巨大差異，同時由于目前無人艇與無人機的研制與使用幾乎完全獨立，導(dǎo)致其控制體系架構(gòu)的差異性較大，無法直接實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作，需開展基于單無人平臺的水面無人艇與無人機通用自主控制體系架構(gòu)的研究。在此基礎(chǔ)上，若要實現(xiàn)水面無人艇與無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)，需進一步針對同型無人平臺集群協(xié)同以及異構(gòu)無人平臺間集群協(xié)同開展研究。形成異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)控制體系架構(gòu)。

圖 3 異構(gòu)無人平臺協(xié)同探測隱身目標(biāo)Fig.3 Cooperative detection of stealth targets by heterogeneous unmanned platforms

如圖4 所示，本文提出了一種異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同控制體系架構(gòu)的初步設(shè)想，包括指揮節(jié)點控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊、異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)控制模塊、異構(gòu)無人集群協(xié)同任務(wù)規(guī)則知識圖譜模塊、異構(gòu)無人裝備協(xié)同自主實時決策模塊。

1）指揮節(jié)點控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊

一般部署在有人指揮節(jié)點，主要承擔(dān)指揮節(jié)點對異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)的指揮控制，向無人平臺發(fā)送協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)行動序列等作戰(zhàn)指令，同時實時監(jiān)控戰(zhàn)場態(tài)勢與編隊內(nèi)各無人平臺狀態(tài)，進行臨機調(diào)整。

圖 4 異構(gòu)無人裝備多協(xié)同控制體系架構(gòu)初步設(shè)想Fig.4 Collaborative control architecture of heterogeneous unmanned equipment

2）異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)控制模塊

集中部署在有人指揮節(jié)點，或采用分布式方式直接部署在編隊內(nèi)各無人平臺，該模塊主要承擔(dān)以下任務(wù)：

異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃。根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢、敵方意圖，進行協(xié)同作戰(zhàn)策略的選擇，對協(xié)同方案進行決策評估，并對形成的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)進行細(xì)粒度分解，開展協(xié)同多任務(wù)的分配，并將形成的協(xié)同作戰(zhàn)方案反饋給指揮節(jié)點控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊。

無人平臺個體行為規(guī)劃。在異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃基礎(chǔ)上，根據(jù)協(xié)同規(guī)劃策略，形成平臺可執(zhí)行行動序列，進行各無人平臺的行為選擇，明確個體行為方案，并將個體行為指令上報給指揮節(jié)點控制與態(tài)勢監(jiān)控模塊。

協(xié)同任務(wù)完成識別與評估。異構(gòu)無人平臺在實際協(xié)同作戰(zhàn)過程中將任務(wù)執(zhí)行結(jié)果實時上報，進行任務(wù)完成時間與執(zhí)行效果的評估。

異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)策略學(xué)習(xí)。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)及異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行評價結(jié)果，通過搭建作戰(zhàn)策略強化學(xué)習(xí)模型，在異構(gòu)無人集群協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)則知識圖譜的支撐下，實現(xiàn)對異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)策略的學(xué)習(xí)更新，同步優(yōu)化戰(zhàn)場態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃、個體行為規(guī)劃功能。

3）異構(gòu)無人集群協(xié)同任務(wù)規(guī)則知識圖譜模塊

支撐異構(gòu)無人裝備協(xié)同作戰(zhàn)的策略學(xué)習(xí)和更新，包括集群任務(wù)規(guī)則知識庫、個體行為規(guī)劃知識庫、領(lǐng)域背景知識及作戰(zhàn)規(guī)則等。

4）異構(gòu)無人裝備協(xié)同自主實時決策模塊

部署在編隊內(nèi)無人平臺，基于自主決策規(guī)則庫，支撐無人平臺在實際協(xié)同作戰(zhàn)過程中的自主決策。

基于該協(xié)同控制架構(gòu)，在實際協(xié)同作戰(zhàn)過程中，以戰(zhàn)場態(tài)勢作為輸入，進行戰(zhàn)場態(tài)勢感知和行為識別管理，在指揮員的有限參與下形成作戰(zhàn)方案和具體的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)，并將戰(zhàn)場任務(wù)進行分解表示，進一步按照無人艇與無人機等異構(gòu)無人裝備作戰(zhàn)單元的不同特性和能力，將任務(wù)分配到具體的無人平臺單元，并將任務(wù)進行個體行為規(guī)劃，輸出可執(zhí)行的帶時序行為序列，編譯形成對無人平臺的指控指令反饋給無人平臺，水面無人艇與無人機等各型無人平臺根據(jù)作戰(zhàn)指令進行任務(wù)執(zhí)行，在執(zhí)行過程中，面對各類情況觸發(fā)，根據(jù)自主決策規(guī)則進行快速反應(yīng)，同時進行無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)策略學(xué)習(xí)，將無人平臺執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的歷史數(shù)據(jù)作為樣本，利用強化學(xué)習(xí)模型反復(fù)學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化自主決策規(guī)則，進一步完善任務(wù)規(guī)劃原則，提高對戰(zhàn)場態(tài)勢的理解和策略選擇的精確性，不斷提升水面無人艇與無人機協(xié)同控制能力。

3 結(jié) 語

本文分析了水面無人艇、無人機作戰(zhàn)使用特點、任務(wù)執(zhí)行能力，以及水面無人艇與無人機在行為模式和作戰(zhàn)任務(wù)能力等方面的不同，面向異構(gòu)無人裝備差異化體系架構(gòu)，針對性提出了以無人艇為跨域中心協(xié)同作戰(zhàn)、異構(gòu)平臺一體化協(xié)同打擊作戰(zhàn)、異構(gòu)平臺協(xié)同探測隱身目標(biāo)等作戰(zhàn)概念，分析了海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同機制，初步建立了海上異構(gòu)無人裝備一體化協(xié)同控制體系架構(gòu)，后續(xù)結(jié)合各型無人平臺實際能力及面向的作戰(zhàn)任務(wù)，進一步開展體系架構(gòu)深化設(shè)計工作。