無人機集群系統(tǒng)能力評估

孫怡愷

摘 要：目前無人機集群在民間及軍事上應用越來越普遍，所發(fā)揮的作用也越來越重要，但是在對無人機集群執(zhí)行某項任務之前要對其進行系統(tǒng)的能力評估，這對無人機集群能否勝任某項任務起到了先期研判作用。本文主要從平臺分配關系、平臺控制關系、決策實體間關系、以及決策實體間信息交互關系4各方面進行論證。

關鍵詞：無人機群;系統(tǒng)能力;評估

一、無人機集群定義

無人機集群由一定數(shù)量的單功能和多功能無人航空飛行器共同組成，在交感網(wǎng)絡的支撐下，節(jié)點之間進行信息交互與反饋、激勵與響應等交感行為。

無人機集群并不是簡單的多航空器平臺的編隊，其集群能力也不是諸多平臺單一能力的簡單疊加，而是由多航空器平臺通過科學的方法聚集后，經(jīng)過集群自組織機制與行為調(diào)控機制的有機耦合，產(chǎn)生了新的能力或原有能力發(fā)生了質(zhì)的變化。集群整體具有能力涌現(xiàn)的特點，可實現(xiàn)單個平臺行為自主決策、平臺間行為協(xié)同，最終產(chǎn)生能力涌現(xiàn)的自主式空中移動系統(tǒng)。

二、無人機集群體系能力評估的意義

無人機集群體系能力評估是對能力的定量評價，是評價集群能力與使命環(huán)境匹配程度的依據(jù)，包含兩個步驟：“用什么測”和“如何測”?！坝檬裁礈y”就是如何選取合適的性能測度參數(shù)作為評價集群能力的客觀依據(jù)，“如何測”就是如何通過正確的性能測度方法實現(xiàn)集群能力的評價，合適的性能測度參數(shù)和正確的性能測度方法對最終的結(jié)果有著決定性的作用。

做好無人機集群體系能力評估主要有以下幾點作用：一是可以根據(jù)評估結(jié)果去匹配相應難度的任務，防止出現(xiàn)任務難度過高而無人機集群不能完成的現(xiàn)象，或者用過高等級的無人機集群去完成較低難度的任務，造成資源浪費;二是通過能力評估可以掌握不同種類不同數(shù)量不同協(xié)同方式的無人機組合成無人機集群后所具備的能力現(xiàn)狀，從而建立無人機集群體系能力數(shù)據(jù)庫，為今后執(zhí)行不同種類的任務提供參考和幫助;三是可以了解無人機集群所呈現(xiàn)的能力現(xiàn)狀與當前無人機市場的需求是否相吻合，從而為下一步無人機技術的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和幫助。

三、無人機集群能力評估方法

（一）任務-平臺分配關系性能測度。

該測度一般包括作戰(zhàn)任務的完成時間、平臺的平均移動距離和平臺在任務上的平均協(xié)作量等。

1.作戰(zhàn)任務的完成時間。該測度是最常用的性能測度，即平臺完成整個任務序列圖的時間。任務的完成時間越小，任務的完成效率越高，因此，在優(yōu)化設計任務-平臺分配關系時，應該盡可能減小整個作戰(zhàn)任務的完成時間。

2.平臺的平均運動距離。據(jù)研究，如果一個目標處于運動狀態(tài)，其被發(fā)現(xiàn)的概率會比處于靜止狀態(tài)時增加90%以上，因此，在設計任務-平臺分配關系時，應該盡可能減少平臺在整個任務完成過程中的運動距離，降低被發(fā)現(xiàn)的可能性，進而保證平臺安全、順利完成任務。

3.平臺在任務上的平均協(xié)作量。平臺之間交互協(xié)作過多會降低完成任務的效能，不必要的交互會導致任務出錯。因此，在優(yōu)化設計任務-平臺分配關系時，應該盡可能減少不必要的協(xié)作，從而降低平臺的協(xié)作代價。

（二）平臺控制關系性能測度

平臺控制關系設計問題的性能測度包括決策實體的最大工作負載和全部決策實體工作負載的均衡度。

1.決策實體的最大工作負載。通常情況下，對于單個決策實體，該決策實體所承受的工作負載越小，它的信息處理就越精確，效率也就越高，因此，在優(yōu)化平臺控制關系時，應該盡可能減少實體工作量。

2.決策實體工作負載的均衡度。在決策平臺控制關系時，既期望無人機集群中的每個決策實體的工作負載盡可能小，又期望決策實體的工作負載盡可能平衡，這樣使該集群個體在動態(tài)不確定的環(huán)境中能夠具有較強的適應性。因此，可以定義決策實體工作負載的均衡度作為平臺控制關系設計問題的性能測度。

（三）決策實體間關系性能測度

包括決策實體間指揮控制關系設計問題的性能測度和決策實體間信息交互關系設計問題的性能測度。其中，決策實體間指揮控制關系設計問題的性能測度包括附加協(xié)作負載之和以及層次結(jié)構(gòu)中決策實體的最大工作負載。

1.附加協(xié)作負載之和。在生成決策實體之間的層次關系的過程中，會引入決策實體之間附加的協(xié)作負載，因此，在優(yōu)化設計決策實體間指揮控制關系時，期望最小化全部決策實體的附加協(xié)作負載之和，以降低無人機之間的協(xié)作代價，從而提高集群協(xié)作效率。

2.層次結(jié)構(gòu)中決策實體的最大工作負載。在生成決策實體之間的層次關系的過程中，由于引入了決策實體之間附加的協(xié)作負載，從而會導致某些決策實體工作負載增加，因此，在優(yōu)化設計決策實體間指揮控制關系時，期望無人機集群層次結(jié)構(gòu)中決策實體間的工作負載盡可能平衡，在平衡的基礎上使層次結(jié)構(gòu)中決策實體的最大工作負載最小化。

（四）決策實體間信息交互關系性能測度

決策實體間信息交互關系設計問題的性能測度包括信息交互網(wǎng)絡傳輸速度、網(wǎng)絡的建設成本和網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

1.信息交互網(wǎng)絡傳輸速度。設計實體之間信息網(wǎng)絡，保證實體之間的信息交互，所構(gòu)建的網(wǎng)絡的重要指標就是信息傳輸速度。速度越快，傳輸質(zhì)量越高。

2.信息交互網(wǎng)絡成本。加大的網(wǎng)絡成本可能會優(yōu)化信息交互效率，但是成本的加大容易造成資源浪費，加之集群內(nèi)各無人機所擁有的信息交互資源的有限性，交互關系的設計都應該考慮總的網(wǎng)絡構(gòu)建成本，因此，在滿足傳輸基礎效率的基礎上，通過優(yōu)化分配信息鏈路容量，減少網(wǎng)絡構(gòu)建成本。

3.信息交互網(wǎng)絡的可靠性。實際任務過程中信息交互網(wǎng)絡難免會遭受一定程度的攻擊，因此需要保證個別鏈路被摧毀失效時，整個網(wǎng)絡信息交互不至于完全癱瘓，所以應該建立較為可靠的信息交互網(wǎng)絡，具備一定的抗摧毀能力。

四、結(jié)語

當前無人機集群能力評估正處于一個發(fā)展階段，各國都在努力建立一套適合自己的無人機集群能力評估方法和手段，因此提升無人機集群評估能力與發(fā)展無人機集群技術是相輔相成的，相信在不久的將來，各國會根據(jù)更完善的無人機集群能力評估體系建立一套無人機集群體系能力數(shù)據(jù)庫，進而更好地匹配當前的各種任務，達到迅速、高效、節(jié)能的標準要求。

參考文獻：

[1]梁曉龍? 張佳強? 呂娜? 無人機集群? 西北工業(yè)大學出版社? 2018.5