區(qū)塊鏈的無(wú)人機(jī)集群控制應(yīng)用研究

秦望龍　錢(qián)海力　劉冠邦

摘? 要：區(qū)塊鏈具有信息分布存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全保密、數(shù)據(jù)溯源追溯等優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。文章對(duì)區(qū)塊鏈的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，接著重點(diǎn)分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在無(wú)人機(jī)集群控制方面的應(yīng)用，對(duì)我軍信息化建設(shè)具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;數(shù)據(jù)安全保密;無(wú)人機(jī)集群;信息化建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：E11-39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）21-0181-02

Abstract： Blockchain is a kind of distributed ledger technology， which has the basic characteristics of decentralization， data security and data traceability. The application of Blockchain technology has broad prospects in the military field. The concept and key technologies of blockchain are firstly discussed， and the applications in UAV cluster control is then studied， in the hope that this technology can be a significant reference for the development of informatization of military applications in our country.

Keywords： Blockchain; data security; UAV cluster; informatization

引言

區(qū)塊鏈最初由中本聰在論文《Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System》中提出。在文中中本聰為了改變傳統(tǒng)的依賴第三方機(jī)構(gòu)的電子貨幣交易模式，基于對(duì)等（Peer to Peer， P2P）網(wǎng)絡(luò)傳輸、非對(duì)稱加密、時(shí)間戳等技術(shù)創(chuàng)建了比特幣技術(shù)，這也標(biāo)志著區(qū)塊鏈1.0技術(shù)的誕生。在隨后的幾年中，區(qū)塊鏈技術(shù)經(jīng)歷了基于智能合約的可編程區(qū)塊鏈技術(shù)和目前基于商用分布式應(yīng)用系統(tǒng)（Enterprise Operation System，EOS）的可擴(kuò)展區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用從數(shù)字貨幣領(lǐng)域不斷推廣到公正審計(jì)、金融交易、醫(yī)療教育、供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域[1]。

近年來(lái)隨著比特幣、以太坊等數(shù)字貨幣的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)得到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注和研究。Yang等人[2]對(duì)基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)架構(gòu)特點(diǎn)、挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，Ali等人[3]對(duì)區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用研究進(jìn)展、趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，徐宏偉對(duì)區(qū)塊鏈在公共服務(wù)平臺(tái)的應(yīng)用開(kāi)展了研究[4]。

在國(guó)防和軍事領(lǐng)域，美國(guó)Maxwell空軍基地的Neil B. Barnas少校對(duì)區(qū)塊鏈的國(guó)防應(yīng)用前景進(jìn)行了研究[5]，廉藺等人對(duì)區(qū)塊鏈在情報(bào)績(jī)效激勵(lì)、武器裝備管理方面的潛在軍事價(jià)值進(jìn)行了探討[6]。

無(wú)人機(jī)集群控制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，如何對(duì)處于電磁干擾環(huán)境中的參戰(zhàn)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行信息安全保密防護(hù)，阻止外界的信息欺騙和干擾是當(dāng)前的一大難點(diǎn)。本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了無(wú)人機(jī)集群情報(bào)偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)集群的信息安全防護(hù)。此外基于區(qū)塊鏈智能合約討論了無(wú)人機(jī)集群的群體智能涌現(xiàn)，對(duì)我軍信息化建設(shè)有一定參考意義。

1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由多方共同維護(hù)，使用密碼學(xué)技術(shù)保證訪問(wèn)和傳輸安全，能夠?qū)崿F(xiàn)多方數(shù)據(jù)一致存儲(chǔ)、難以篡改的記賬技術(shù)，也稱為分布式賬本技術(shù)。與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)相比，區(qū)塊鏈有如下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是由傳統(tǒng)的復(fù)式記賬模式轉(zhuǎn)換為“全網(wǎng)共享”的分布式賬本模式，參與記賬的各方之間通過(guò)同步協(xié)調(diào)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的防篡改和一致性，規(guī)避了復(fù)雜的多方對(duì)賬過(guò)程。二是賬本操作從“增刪改查”變?yōu)閮H支持“增查”，使得數(shù)據(jù)難以篡改，提高了數(shù)據(jù)信息的可信度。三是賬本維護(hù)模式由傳統(tǒng)的單方維護(hù)模式變成多方共同維護(hù)，數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和同步需要經(jīng)過(guò)多方驗(yàn)證并形成共識(shí)。四是引入智能合約，基于事先約定的規(guī)則獨(dú)立執(zhí)行協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了信息流與資金流的整合。

2 區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)羌闪硕喾N現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行的組合式創(chuàng)新，關(guān)鍵技術(shù)主要包括：

2.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）通訊技術(shù)

區(qū)別于傳統(tǒng)的“客戶端-服務(wù)器”模型，P2P通訊技術(shù)是一種在平等的同級(jí)節(jié)點(diǎn)之間傳遞信息的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

2.2 分布式賬本技術(shù)

區(qū)塊鏈中交易記賬由分布在不同地方的多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同完成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)記錄的是完整的賬目，它們既可以參與監(jiān)督交易的合法性，也可以共同為交易作證。

2.3 非對(duì)稱加密和授權(quán)技術(shù)

區(qū)塊鏈用戶采用兩個(gè)秘鑰（公鑰和私鑰）來(lái)進(jìn)行加密和解密。公鑰和私鑰是一對(duì)，用公鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，用對(duì)應(yīng)的私鑰來(lái)解密。如果使用私鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)的簽名，需公鑰來(lái)驗(yàn)簽。

2.4 共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈中所有記賬節(jié)點(diǎn)之間按照共識(shí)認(rèn)定記錄的有效性。此外共識(shí)機(jī)制也是數(shù)據(jù)記錄防篡改的手段。當(dāng)前學(xué)者已經(jīng)提出了多種區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可以根據(jù)應(yīng)用效率和安全性需求進(jìn)行合理選擇。

2.5 智能合約

智能合約基于可信的不可篡改的數(shù)據(jù)，自動(dòng)化的執(zhí)行一些預(yù)先定義好的規(guī)則和條款。以保險(xiǎn)為例，如果系統(tǒng)中保險(xiǎn)客戶的信息真實(shí)可信，可設(shè)置智能合約規(guī)則實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化保險(xiǎn)產(chǎn)品的自動(dòng)化理賠。

3 區(qū)塊鏈的無(wú)人機(jī)集群應(yīng)用

本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了分布式無(wú)人機(jī)集群的信息安全防護(hù)體系（如圖1）。在無(wú)人機(jī)集群中，每個(gè)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)類(lèi)似于區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的用戶，擁有自己的用戶身份和數(shù)字簽名。無(wú)人機(jī)集群內(nèi)部維護(hù)情報(bào)偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈等多條區(qū)塊鏈，多鏈之間通過(guò)跨鏈技術(shù)進(jìn)行信息傳遞交互。在情報(bào)偵察階段，無(wú)人機(jī)集群偵察節(jié)點(diǎn)間以對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將各自傳感器偵察到的局部情報(bào)信息進(jìn)行全網(wǎng)廣播，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的所有局部情報(bào)信息經(jīng)記賬節(jié)點(diǎn)打包寫(xiě)入情報(bào)偵察鏈中并分發(fā)至全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，形成全局共用作戰(zhàn)圖。在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，無(wú)人機(jī)集群各節(jié)點(diǎn)在事先注入的智能合約規(guī)則調(diào)度下，根據(jù)實(shí)時(shí)的共用作戰(zhàn)圖進(jìn)行集群智能決策，合理分配無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行目標(biāo)識(shí)別和跟蹤任務(wù)，形成一致的打擊行動(dòng)方案并記入集群控制鏈。在武器打擊階段，無(wú)人機(jī)集群中執(zhí)行打擊任務(wù)的無(wú)人機(jī)從情報(bào)偵察鏈中獲得信息支撐，在智能合約的規(guī)則驅(qū)動(dòng)下選擇合適的時(shí)機(jī)和位置進(jìn)行武器發(fā)射和打擊。由于采用了區(qū)塊鏈技術(shù)，無(wú)人機(jī)集群的情報(bào)偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈的信息需要參與節(jié)點(diǎn)共同驗(yàn)證才能生效，杜絕了外部虛假信息的介入，提高了無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)的安全性。此外，P2P組網(wǎng)的通信方式契合無(wú)人機(jī)集群的分布式架構(gòu)，集群中的個(gè)別無(wú)人機(jī)損毀不會(huì)影響到無(wú)人機(jī)集群的整體任務(wù)的實(shí)施。

由于在無(wú)人機(jī)集群放飛前的任務(wù)規(guī)劃階段注入了區(qū)塊鏈智能合約，無(wú)人機(jī)集群能夠按照事先規(guī)劃的任務(wù)航線進(jìn)行集群航線飛行，并能在智能合約的規(guī)則驅(qū)動(dòng)下執(zhí)行隊(duì)形變換、機(jī)動(dòng)飛行、威脅規(guī)避、任務(wù)分配、目標(biāo)打擊等任務(wù)。為了驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)集群的群體智能涌現(xiàn)，文中將智能合約分為群體合約規(guī)則和單體合約規(guī)則兩部分。群體合約規(guī)則用于定義集群整體規(guī)則，如集群長(zhǎng)機(jī)定義、編隊(duì)選擇、共用作戰(zhàn)圖生成、任務(wù)節(jié)點(diǎn)選擇等。單體合約規(guī)則用于定義個(gè)體無(wú)人機(jī)的規(guī)則，如平臺(tái)飛行控制、機(jī)動(dòng)規(guī)則、保底自毀規(guī)則等。無(wú)人機(jī)集群在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的群體合約規(guī)則和單體合約規(guī)則的共同驅(qū)動(dòng)下完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展將在一定程度上改變未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)和作戰(zhàn)樣式。本文在區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在無(wú)人機(jī)集群控制領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)我軍無(wú)人機(jī)集群的發(fā)展具有一定參考意義。

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