航空軍事領域的人機混合智能技術

鄧平煜 裘旭益 姚子羽

摘要：本文對未來航空軍事領域的發展趨勢——人機混合智能技術進行了闡述。人機混合智能技術是當前人工智能領域的重要研究方向，針對航空軍事領域的典型問題，本文提出了運用人機混合智能技術解決未來空戰中感知、判斷、決策和執行問題的基本解決方案，最后對人機混合智能的未來發展進行了展望。

關鍵詞：人機混合智能；空戰；OODA；人機融合；人工智能

中圖分類號：TP18文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.10.001

人機混合智能作為人工智能2.0的重要方向，是一種顛覆性的人工智能技術，它旨在通過人機協作的方式，提高人與系統綜合的性能，使得人類智能和人工智能的結合成為最高效的解決復雜任務問題的基本方式[1]。當前的人工智能技術在解決以環境高復雜、邊界不確定、博弈強對抗、響應強實時和樣本稀疏為主要特征的航空軍事問題上還存在較大挑戰，在航空軍事領域的人工智能應用還十分有限，人機混合智能概念的出現給解決航空軍事智能問題提供了可行的途徑[2-4]。本文針對當前航空軍事領域的典型問題——空戰，提出采用人機混合智能方法的一般技術途徑，可供相關科研人員參考。

當前航空軍事領域的空戰問題主要集中在感知、判斷、決策和執行（博伊德“OODA”循環）等方面[5-7]，如圖1所示。在這4個方面運用人機混合智能方法實現能力突破，就能在未來航空軍事問題的解決上占得先機。采用人機混合智能技術解決感知問題的核心是實現戰場態勢的知識彌散與聚合；解決判斷問題的關鍵是實現戰場全域全維度的時空因果價值評估；實現智能決策的重要方法是將人類規則和智能網絡進行復合優化；實現高效執行的主要途徑是將新概念人機交互技術與自動化技術進行有機融合。最終形成基于人機混合智能的未來空戰問題復雜任務解決范式。

1態勢感知中的知識彌散與聚合

針對空戰中的戰場態勢感知問題，當前主要的方式為：超視距態勢運用傳感器（雷達、紅外、SAR、電子戰等）捕獲戰場信息，視距內主要依靠飛行員的個人視覺進行戰場信息搜集。在當前軍用飛機座艙中，平視顯示器、下視顯示器、無線電導航系統、多種通信鏈路等機載設備源源不斷地將戰場信息提供給飛行員，與此同時軍用飛機的健康管理系統也實時地將飛機的運行狀態以特定方式進行呈現。數以萬計的傳感器如同不同的感知器官，提供對周圍環境的信息搜集能力。因此，當前的主要關于態勢感知的研究主要聚焦在面向多傳感器的數據融合領域，很少涉及具體任務戰術戰法對態勢的影響，也即缺乏知識層的融合，使得態勢感知更像一種客觀世界的信息呈現。

事實上，隨著傳感器數量的提升，飛行員面臨著信息嚴重“過載”的問題，海量信息與數據的呈現如同一把“雙刃劍”，如何實現高效的態勢感知是當前面臨的重要難題[8]。人機混合智能技術從知識的彌散與聚合角度提出了一種新的研究思路：OODA環的目標是完成空戰任務，各個階段環環相扣，感知問題與判斷、決策和執行之間存在緊密的關聯，因此可以考慮將感知環節的數據和信息提煉為知識，與其他各個環節進行關聯。構建以任務和環境為核心認知的混合智能感知系統，以人類感知和機器感知的高效結合為抓手，綜合多類異構廣義傳感器的數據信息特征，以最有效的方式獲取戰場信息，實現感知知識的彌散；與此同時，判斷、決策和執行環節的領域知識與感知知識進行融合后形成新的認知知識結構，將各個環節綜合形成的新的認知需求反饋至感知環節，協同感知知識進化式的分類、匯總與自組織，完成知識聚合，形成感知環節自我完善的知識體系，實現完整戰場信息的智能化呈現，支撐作戰行動的有效開展，具體思路如圖2所示。

2戰場時空因果的價值評估分析

判斷環節的核心目標是將戰場中的數據和信息轉化為戰場價值的認知，以解決戰場邊界不確定條件下的定勢問題。實現認知雙方作戰力量的分布特征與威脅影響區域，面向全武器的攻防能力開展評估，針對特定的空戰時空環境，理解和挖掘其態勢發展的關鍵要素，基于時空因果進行推演和預測，形成任務過程戰場全區域全維度價值體系的構建，最終為任務博弈決策提供有效的依據[9-10]。當前進行態勢評估的主要方法有貝葉斯網絡、隱式馬爾可夫過程、共軛梯度法等算法，多半需要生成帶標簽的樣本，無法解決不確定邊界的問題，難以獲得通用的解決方案。

面向空戰的具體問題，以單機的人機協同系統、編隊的有無人協同系統和體系的高層指揮控制系統為研究對象，考慮從超視距空戰、中距離空戰到近距離空戰的空間序列，從實時、短時到長時的時間序列下的全武器攻擊、防御和逃逸的價值評估問題。目前在單機的系統中，部分功能（如電子偵察等）已經可以實現自主敵我認知判斷，圖像識別等技術的引入也可將本來需要人工識別的任務實現了自動化的功能，這樣就把人機系統的認知任務聚焦到了空戰任務本身，使得更高層級的復雜戰場時空因果分析成為可能?？梢酝茢啵瑔螜C的人機協同系統一旦實現純自主的認知判斷，就可以將認知的層級提升到編隊級的有人無人協同空戰任務認知，進一步提升編隊級的智能層級，最終將可實現全戰場的態勢的純自主分析判斷。但除了最后的形態，人機混合智能將會覆蓋從當前到最終目標的每一個階段，成為戰場時空因果價值評估分析的主要研究形式。圖3為多維度戰場時空因果價值評估。

3“規則+網絡”的強對抗博弈

此處的“規則”指的是人類的智能，人類智能的優勢在于“靈感”“演繹”“推理”；“網絡”指的是機器的智能，機器人工智能的優勢在于“計算”“存儲”“持久”，如圖4所示。如何將人類智能與機器人工智能進行復合優化，實現有機的結合是決策環節主要考慮的問題。

空戰決策問題本質是強對抗條件下的博弈問題，需要人機綜合系統給出最優的復雜任務問題解決方案。智能空戰決策問題是當前的前沿課題，美國空戰AI阿爾法采用的遺傳模糊決策樹方法，本質上就是一種智能算法結合人類經驗的解決方案。遺傳模糊決策樹將人類的經驗模糊化，使得其可以適應于全任務空間的決策中，形成模糊決策規則；然后根據模糊規則的輸入輸出關系，將各種規則進行參數耦合，構建完整的決策邏輯組織，形成空戰模糊決策規則樹；最后根據任務需求，設計目標適應度函數，將模糊決策樹中的相關變量表示為目標的優化函數，最終將復雜的非結構化空戰任務問題轉化為結構化的最優數學問題，通過遺傳算法等優化方法不斷地遍歷任務過程，尋求最優的解決方案。從文獻檢索結果來看，我國雖然發表了大量自主空戰、無人機空戰、智能空戰相關的文章，聚焦在機動決策、電磁對抗、火力控制和群體對抗問題上，采用了深度學習、強化學習、馬爾可夫規則、支持向量機等算法，但是多數研究沒有給出相對完整的解決方案，并且以無人作戰概念為主，在航空軍事智能技術未成熟的情況下，由于理想化的假設，無法將研究成果應用于工程中，缺乏參考意義。

基于以上分析，本文認為人機混合決策可以同時兼顧機器學習的優勢以及不確定性問題的約束。未來空戰問題的一般解決方案可以參考遺傳模糊決策樹的方式，將人類經驗知識以結構化的方式進行歸納與總結，構建面向復雜任務的一般運行框架，采用深度強化學習等前沿人工智能方法將結構化的知識模型進行以自我博弈為特征的進化處理，最終形成最優任務決策解決方案。

4人機互信的協同與融合

空戰執行環節的目標是以最高效的方式將任務決策形成的方案轉化為控制指令，自動快捷地實現任務目標，解決響應強實時的問題。人機交互幾乎貫穿執行環節的每一個細節，需要充分發揮人機協同在執行上的優勢以合理的方式實現人機權限分配，達到人機互相信任以及能力互補的水平，提升人與系統深度綜合的能力狀態。

實現人機融合需要突破兩方面的混合智能技術（見圖5），自然人機交互技術和智能可信任技術。自然人機交互技術主要實現人機之間無差異的信息交互，針對空戰問題，基于對飛行員生理、情緒和動機、能力等特征的認知，建立主動適應其感知通道（視覺、聽覺、觸覺）與行為通道（語音、手足、頭、眼、生理）的自然人機交互方式，提升飛行員的作戰行為能力，從操作交互、知識交互到意識交互，不斷提升飛行員與機器智能之間的交互層級。智能可信任技術的目標是建立人類智能與機器智能之間的信任關系，需要從智能技術可解釋性和人機知識交互兩個方面實現技術突破。當前以大數據和深度學習為特征的智能算法多數為不可解釋的黑盒，如何將此黑盒打開，以可解釋邏輯模型代替現有模型是亟待解決的問題。與此同時，將機器智能形成的知識與人類智能形成的知識進行深度融合，使得二者可以具備相同的知識背景，就有望形成人機之間深度的信任關系，實現人機從交互、意圖到意識思想的融合。一旦實現人機一體化融合，空戰任務執行將以極高效的方式進行持續運作。

5結束語

近年來，人機混合智能逐漸成為人工智能領域新的研究方向，它在解決復雜任務和稀疏數據的問題上是一個值得深度探索的重要課題，有著廣泛的應用前景。本文以空戰問題為研究對象，從感知、判斷、決策和執行4個方面初步闡述了人機混合智能在空戰問題上的一般技術途徑，相信隨著人機混合智能技術的不斷發展，未來會有更多領域獲得技術輻射收益。隨著人工智能技術的發展，人類智能與人工智能如何能夠更加和諧共處，實現良好的智能系統運行生態，將是我們在研究人機混合智能技術的同時需要思考的問題，其中涉及的技術甚至是人機倫理的問題值得進一步的探索。

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作者簡介

鄧平煜（1979-）男，研究員。主要研究方向：航空電子技術、航空特種飛機任務系統。

裘旭益（1983-）男，高級工程師。主要研究方向：人機混合智能技術、人與系統綜合技術。

姚子羽（1989-）男，博士研究生，工程師。主要研究方向：機器學習、飛行器設計、人與系統綜合技術。

Tel：18112869699E-mail：yzy_4028@foxmail.com

Human-Machine Hybrid Intelligence Technology in Military Aviation Field

Deng Pingyu1，Qiu Xuyi2，Yao Ziyu2，*

1. AVIC Leihua Electronic Technology Research Institute，Wuxi 214000，China

2. Science and Technology on Avionics Integration Laboratory，AVIC Aeronautical Radio Electronics Research Institute，Shanghai 200233，China

Abstract： In this paper， the future development trend of military aviation field： human-machine hybrid intelligence technology is described. Man-machine hybrid intelligence technique is the important research direction in the field of artificial intelligence. In view of the typical problems in the field of military aviation， this paper puts forward the basic solution of the problem of using man-machine hybrid intelligent technology to solve the future air combat in perception， judgment， decision and carry out. Finally the future development of the man-machine hybrid intelligence is proposed.

Key Words： human-machine hybrid intelligence； air combat； OODA； man-machine fusion； artificial intelligence