無人機集群系統彈性研究

顧凌楓, 何 明, 陳國友, 季敏惠, 劉錦濤

(1. 陸軍工程大學指揮控制工程學院, 江蘇 南京 210001; 2. 江蘇省公安廳, 江蘇 南京 210001)

0 引 言

無人機集群(unmanned aerial vehicle swarm, UAVS)是由一定數量的無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)組成,以交感網絡為基礎,整體具有自組織特性的空中移動多智能體系統[1]。在偵察、監視、搜救、作戰等方面,UAVS具有廣闊的應用前景[2],引起了廣泛關注[3]。

UAVS領域現有研究主要集中于改進任務執行性能,如集群拓撲設計[4]、協同控制[5-6]、路徑規劃[7-8]、任務規劃[9-11]等。上述研究普遍默認UAVS處于無干擾環境,但在現實情況中,UAVS運行環境中存在著大量擾動,這些擾動可以分為外部因素和內部因素。外部因素包括惡劣天氣影響、人為干擾破壞[12]等;內部因素包括組件故障、通信中斷等。擾動會造成UAVS網絡節點失效、鏈路中斷等問題,進而導致集群網絡拓撲發生變動,影響UAVS任務執行性能。擾動具有不可預測性,包括擾動來源、擾動范圍以及擾動造成后果的隨機性和不可預測性;擾動同時具有不可避免性,即對于UAVS要做好必然遭受擾動的準備。因此,對UAVS承受擾動能力進行考察,是十分有必要的。

已經有部分研究開始關注UAVS應對擾動的方法,并提出了相關指標。文獻[13]將抗毀性引入多智能體系統中,通過K-連通性和系統能耗兩個標準進行抗毀性設計。文獻[14]提出了UAVS魯棒性指標,用于衡量集群遭受攻擊后維持原有功能的能力。文獻[15-16]分別從UAV自身和集群網絡拓撲兩方面分析了UAVS的可靠性。上述幾類評估指標從不同維度對UAVS承受擾動的能力進行了描述,但并不能反映集群從遭受破壞到恢復性能的完整過程。

近年來,彈性概念開始逐步應用到UAVS研究中[17-18]。與上述指標相比,彈性考慮了系統從受損到恢復的全過程,可以更好地衡量應對方法的有效性,并對UAVS抵御干擾能力進行全面評估。

本文對UAVS彈性研究和發展進行了綜述。首先介紹了UAVS的理論研究現狀和相關概念,對彈性的應用領域進行了概述,進而提出了UAVS彈性的定義,并與近似指標進行了對比分析,說明了在UAVS中引入彈性的意義。進一步,對集群性能曲線、性能指標選取和彈性定量指標選取進行述評,對當前提升集群彈性的措施進行了概述,為UAVS彈性研究提供了一個較為完整的框架。最后,對集群彈性未來研究的主要問題和方向進行了討論。

1 UAVS復雜網絡模型

通常基于復雜網絡理論對UAVS進行建模,把各UAV視為節點,UAV之間的聯系視為邊(本文假定UAV通信為雙向鏈路),集群的動態變化視為復雜網絡節點和邊的變化,從而將集群系統視為一類復雜網絡[13-14,17-18]。根據控制算法的不同[5-6,19],集群網絡的結構也會不同,一類簡化的集群網絡如圖1(a)所示。在擾動階段,通過移除失效節點vi和與之相連的邊{vi,vj},建立集群遭受擾動時的模型,如圖1(b)所示,陰影節點為失效節點,虛線邊為失效邊。根據移除節點的重要性不同(通常按照節點度、介數、集聚系數等分類)[20],擾動對于集群的破壞程度也不同。圖1(c)表示集群一類恢復模型,紅邊為增加邊。將圖論引入UAVS網絡研究,可以對UAVS網絡進一步分析[21-24]。集群網絡中的節點和邊組成頂點集V和邊集E。繼而,UAVS可以抽象表示為圖G={V,E}。在集群中,UAV只與自身通信范圍內的UAV進行信息交互,因此UAVS網絡拓撲又可歸類于鄰近圖[25],即邊{vi,vj}∈E當且僅當vj處于vi鄰域內。通過拉普拉斯矩陣[23,26]等工具,可以對集群性質進行有效分析。

圖1 UAVS系統建模

2 UAVS彈性的概念

彈性用于衡量系統或者實體在遭受破壞后恢復到正常狀態的能力[27]。彈性概念由生態學家Holling提出[28],并將其引入到工程領域[29],隨后開始應用到基礎設施[30]、通信網絡[31]、物流網絡[32]等領域,將其建模為復雜網絡進行彈性研究[33]。彈性指系統對變化因素有準備和規劃,可以承受、吸收擾動,并具有從擾動中恢復的能力[34]。

近年來,隨著UAVS研究逐步由理論走向實踐,擾動也成為UAVS實際應用中需要考慮的重要因素。UAVS自組織特性使得集群對于擾動具有一定適應性和恢復力。傳統的可靠性設計并不能預測復雜環境中的未知擾動,且不具備成本效益[35]。魯棒性和抗毀性指標并不能反映集群自適應和恢復能力。彈性可以對系統應對未知擾動以及系統從擾動中恢復的能力進行評估,因此將彈性概念引入UAVS中更為合適。

UAVS彈性指的是集群在遭受擾動(例如電磁干擾、組件故障)的情況下,能否及時降低損失,并盡快恢復至預期性能的能力。從廣義上講,UAVS彈性包含UAV自身彈性和集群網絡拓撲彈性兩部分。UAV自身彈性指UAV個體抵御擾動并從擾動中恢復至理想狀態的能力;UAVS網絡拓撲彈性指集群網絡拓撲吸收擾動,并能從擾動產生的破壞中及時恢復到預期性能的能力。由于UAVS的理論研究通常把UAV視為智能體[36],并沒有太多考慮UAV自身變化,因此對于集群彈性的研究也主要關注較為狹義的集群彈性概念,即UAVS的網絡拓撲彈性。本文中的UAVS彈性特指較為狹義的彈性概念。為便于理解,以第1節圖1舉例,集群在擾動階段能保持的連通子圖越大,在恢復階段失聯節點連接時間越短,說明該集群彈性越高。

在UAVS中,還存在除上述指標以外的生存性[31]、容錯性[37]等屬性。這些屬性從不同角度對UAVS特性進行刻畫,區分并不明顯[31]。彈性與這些概念相比,既有重疊[27],也有更進一步的發展。

在UAVS屬性描述中,魯棒性與彈性的區分最為關鍵。魯棒性是UAVS中較為常見的度量指標,可以有效衡量集群在面臨已知擾動中承受少量節點或者鏈路損失的能力,常用的魯棒性指標通常綜合節點度、聚類系數等網絡參數進行計算[14]。通過增加節點和鏈路實現系統冗余等方法,集群可以達到很高的魯棒性指標。然而,該集群并不一定擁有高彈性,因為魯棒性指標并沒有反映集群遭受擾動后的恢復時效和面對未知擾動時的性能變化。如果在發生較大規模破壞后,集群不能在有限時間內恢復拓撲,可以認為該集群彈性并不高。總的來說,相比于魯棒性,彈性可以更加全面地反映集群受損和恢復的能力,可以評估應對威脅的各種措施,彈性概念涵蓋了魯棒性。

通過彈性指標可以對UAVS應對各類擾動的能力進行定量反映,繼而可以研究不同網絡和拓撲結構設計與恢復措施對于集群應對擾動的提升作用并進行比較,從而對集群對于擾動的應對能力進行總體評估,對于UAVS進一步走向實際應用具有推動作用。

3 UAVS彈性評估方法

本節給出了UAVS性能變化曲線、性能選取指標以及彈性定量指標。

3.1 UAVS性能變化曲線

UAVS彈性研究主要關注兩個部分:一是吸收擾動的能力,二是從擾動中恢復的能力。通過魯棒性和快速性兩個彈性屬性,可以對上述兩部分能力進行評估。魯棒性在第2節中已有相關介紹,在此不做贅述;快速性用于衡量集群網絡拓撲快速從遭受擾動恢復到預期性能的能力。結合上述兩個屬性,利用集群在擾動中的性能變化曲線,可以度量集群的彈性指標。

UAVS在擾動過程中的典型性能變化曲線如圖2所示[17-18]。在t0時刻,當UAVS正常運行時,可以認為集群性能為100%。在t1時刻,集群受到擾動,性能會出現降級;在tmin時刻,集群性能到達最低值Qmin。通過執行恢復策略或擾動減弱,性能逐漸上升,至t2時刻恢復至穩定水平Qfinal,直到觀察期tend結束。

圖2 UAVS擾動中的性能變化曲線

3.2 UAVS性能選取指標

在當前研究中,UAVS性能通常指集群執行或完成特定任務的能力,例如在聯合偵察任務中,用集群感知區域大小作為性能指標[18];在搜索-攻擊任務中,用戰場覆蓋率和目標存活時間衡量集群性能[38]。UAVS通過內部的信息交互反饋實現自組織并執行任務,因此上述性能的選取可以認為是以集群的信息交換能力為基礎[39],結合特定任務分別增加相關指標。具體可表示為:UAVS性能Q=集群信息交換能力QE+任務執行能力QP。QE一般以集群網絡拓撲相關參數或集群內信息流量作為指標,文獻[40-41]用網絡連通性表達QE,以此反映任務完成的可能性,文獻[18]引入UAV數量(可抽象為節點數量)、UAV鄰居數量(可抽象為節點度)用于度量QE，文獻[17,42]則用集群內接收或交換的信息總量對QE進行評估。QP則以具體任務設定指標,表1給出了在幾類任務中UAVS的性能選取指標。

表1 執行不同任務中UAVS性能指標選取

3.3 適用于UAVS的彈性定量指標

3.3.1 以網絡拓撲參數定義彈性指標

該方法通過選取網絡拓撲中可承受的最大故障節點數[43]、受擾動后的最大連通子圖相對大小[44]等參數的函數對網絡彈性進行度量。這類彈性研究表述方式簡單直觀,可以體現網絡在受擾動后的相關參數變化趨勢,但該方法沒有考慮UAVS特性,且無法反映網絡的恢復過程,僅適用于從復雜網絡模型角度進行簡單彈性分析。文獻[45]在最大連通子圖的基礎上作出了改進,但是仍然無法體現彈性的完整定義。

3.3.2 以性能累積變化定義彈性指標

此方法將彈性指標定義為網絡在觀察期內的總體性能變化,用積分形式[46]表示為

(1)

在實驗環境中,Q(t)通過離散時間步長獲得,因此上述彈性還可以表示為

(2)

以性能累積變化的彈性指標反映了性能的動態變化,可以完整地體現網絡吸收擾動和從擾動中恢復的過程,普遍運用于系統彈性度量,但單純的指標值并不能精確地反映魯棒性和快速性,需要結合性能變化曲線考察。

3.3.3 考慮魯棒性和快速性的彈性指標

該指標基于性能變化曲線,綜合考慮了集群網絡的總體性能變化α、魯棒性β、快速性τ和恢復度γ。其中,

(3)

(4)

(5)

(6)

文獻[18]分別從擾動階段和恢復階段進行考慮,將α分為擾動時的性能變化α1和恢復時的性能變化α2,將τ表示為吸收快速性τ1和恢復快速性τ2,進而將彈性指標定義為

R3=α1τ1β+α2τ2γ

(7)

Tran等人[39]考慮到了網絡的波動性,提出了波動因子θ,并將彈性指標表述為

(8)

對于遭受多次擾動的情況,可以對每次擾動時的系統彈性值加權求和得出總彈性值。此類指標可以較為完整準確地體現集群彈性的定義。

在后續的研究中,可以在上述主要基于復雜網絡的彈性研究基礎上,進一步納入UAV自身特征,例如UAV通信功率調整成本對集群續航的影響等。

4 提升集群彈性的措施

擾動會影響集群網絡的信息交換能力,導致網絡中的節點和鏈路出現缺失,進而影響集群性能。根據UAVS彈性定義,從提高吸收擾動能力和恢復能力兩方面對提升措施進行闡述。

4.1 提高集群吸收擾動能力的措施

提高集群吸收擾動能力主要指采取相關策略,盡可能減少集群受損范圍,保持預期性能。根據遭受擾動時間點的不同,本節從擾動發生前和擾動階段對提高吸收能力進行概述。

擾動發生前采取的措施主要是對網絡拓撲結構進行優化。一是將集群進行分區,每個區根據相關指標動態選取該區域的關鍵節點,其余節點作為邊緣節點,邊緣節點僅與該區的關鍵節點進行交互[22,47],以獲得更靈活的通信結構,實現更高的連通性。另外,通過提高關鍵節點間的通信冗余度,可以進一步提高網絡拓撲魯棒性[48]。二是采用切換通信拓撲結構,當擾動造成拓撲變化時,可以及時建立新的可靠連接[49]。

在UAVS中,UAV之間通過自組網技術[50-52]進行信息交換,因此網絡的性能與網絡拓撲結構變化密切相關。在擾動階段,通過引入鏈路狀態預測和中斷/延遲容忍網絡(delay tolerant networks, DTN),改善擾動狀態下的集群網絡性能,進而提高網絡拓撲結構的魯棒性。鏈路狀態預測用于發現網絡中的連接情況[53]、鏈路質量[54]和鏈路穩定性[55],進而采用鏈路優化等方式進行重連。近年,機器學習[56]、深度學習[57]方法開始引入鏈路預測中,用于分析未知擾動和拓撲發生頻繁變化的網絡。DTN通過“擺渡”節點執行“存儲-攜帶-轉發”協議實現受限網絡中的信息傳遞[58],適用于高延遲、不可靠連接網絡,對于解決UAVS網絡因高速運動、復雜環境擾動造成的拓撲變化、通信中斷具有很強的實用意義。

4.2 提高集群恢復能力的措施

提高恢復能力是指在恢復階段,UAVS執行相關策略,盡快達到或者接近預期性能。UAVS自組織算法允許UAVS在出現個別UAV或鏈路故障時逐步恢復到新的穩定狀態[59]。采用相關恢復策略可以進一步提高集群恢復能力。一是執行邊重連策略[26],失聯UAV采用隨機連接到附近UAV、優先加入節點度較高的UAV等方式重新加入集群。二是采用鏈路評估算法,調整節點度分布使集群趨于穩定[21]。上述兩類方式主要通過提高UAV通信功率實現,圖1(c)顯示了v5失效后,孤立節點v7通過增大功率與節點v4相連以重新加入集群。三是采用自修復算法,檢測損壞UAV,采用遞歸修復[22,60]、冗余節點備份[61]等方式用邊緣UAV、備份UAV代替損壞的關鍵節點UAV。

通過防護策略和恢復策略的配合,UAVS可以有效提高魯棒性和快速性,從而提高UAVS彈性。

5 未來研究關鍵問題和主要方向

UAVS領域相關研究方興未艾,對于UAVS系統彈性研究也正處于起步階段。針對當前有限的UAVS系統彈性研究現狀,提出以下關鍵問題及研究方向,以期為后續研究提供參考,推動UAVS真正走向實際運用。

5.1 對集群遭受大規模破壞和集群崩潰邊界的研究

崩潰邊界是指集群可以承受的擾動范圍,即最多可以接受多少節點和鏈路的損失,剩余節點在有限時間內仍可以通過相關策略繼續執行并完成任務。

在當前的研究中,對于UAVS所遭受的擾動主要從集群小規模受損方面考慮。然而,UAVS會用于執行一些危險任務,在執行這些任務的過程中,不乏一些會對集群造成重大破壞的因素(例如飽和攻擊、電磁干擾),導致集群出現大規模的節點失效和鏈路中斷,迅速達到崩潰邊界。集群是否可以從這樣的破壞中恢復預期性能,同樣也是彈性的研究內容。

5.2 UAVS特性與復雜網絡的結合

對于UAVS彈性的研究方法目前還處于理想化階段,主要采用復雜網絡的方式進行研究,每個UAV通常都被抽象成為一個節點。但在實際應用中,UAVS需要考慮諸多約束條件,例如有限的通信范圍、UAV動力學模型[62-63]、姿態控制、戶外風擾動[64]等。此外,對于集群的擾動也通常從復雜網絡角度出發,按照節點的重要性,將擾動分為隨機失效和惡意攻擊。但是現實中的擾動(如導彈攻擊)會對整個殺傷半徑內的UAV造成傷害,此時應更多考慮將集群自組織特性應用到集群恢復策略中。

5.3 集群彈性的整體評估方法

在UAVS中引入彈性概念不僅是為了衡量集群在特定任務中對于擾動的響應,更是為了從整體上描述集群應對各項擾動的能力。事實上,一類完整的任務執行過程不僅指到達指定地點執行指定任務,還需要完成準備階段的投放集結、協同控制、路徑規劃、避碰避障等任務。在這些準備階段,集群同樣面臨擾動,而目前的研究主要集中于任務執行階段。整體評估就是要從整個任務執行過程出發,根據集群在每個階段的行為特征,構造完整的擾動場景集合,對集群彈性進行評估。

6 結 論

隨著UAVS逐步由理論走向實踐,UAVS受到的各種擾動也開始成為研究熱點。本文總結了復雜網絡彈性的相關文獻,并應用于UAVS中,介紹了集群彈性的概念、意義、評估方法以及防護和恢復措施。針對現有集群彈性評估、恢復策略等研究應用于實際場景和重大破壞時的不足,本文提出了UAVS的關鍵問題和可能的研究方向,為后續的研究提供了相關參考。