基于無人集群的指揮控制架構(gòu)研究?

張卓翔 趙方亮 張耀鴻

（國防科技大學系統(tǒng)工程學院 長沙 410005）

1 引言

在信息化戰(zhàn)爭時代，越來越多的無人作戰(zhàn)裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)場上得到越來越廣泛的應(yīng)用。由于單個無人作戰(zhàn)裝備所能執(zhí)行的任務(wù)比較單一有限，而通過多個無人作戰(zhàn)裝備的能力互補和行動協(xié)調(diào)，可實現(xiàn)整個系統(tǒng)效能的提升，無人作戰(zhàn)的形式逐步從單平臺向著多平臺的“集群式”方向發(fā)展。對于“集群式”的無人作戰(zhàn)體系，若沒有適應(yīng)作戰(zhàn)環(huán)境的科學高效指揮控制架構(gòu)，無人集群將難以發(fā)揮多平臺系統(tǒng)的優(yōu)勢，各個無人作戰(zhàn)裝備之間也會由于缺乏有效的協(xié)調(diào)而降低任務(wù)完成的效率甚至出現(xiàn)矛盾沖突。因此，建立一種科學高效的指揮控制架構(gòu)，對于無人集群更好地適應(yīng)環(huán)境，最大化發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢，提高作戰(zhàn)效能，高效完成作戰(zhàn)任務(wù)有著極其重要的現(xiàn)實意義。

本文將從無人集群和指揮控制的研究情況入手，嘗試提出一種基于無人集群的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)，旨在挖掘單個無人作戰(zhàn)裝備的發(fā)展?jié)撃艿耐瑫r，有效將無人集群通過指揮控制架構(gòu)有機的聯(lián)合起來，實現(xiàn)“1+1>2”的作戰(zhàn)效能，并通過基于熵理論的指揮結(jié)構(gòu)評價方法分析復(fù)合型指揮控制架構(gòu)的作戰(zhàn)效能。

2 無人集群

2.1 無人集群概念

無人集群最初起源于無人機。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和無人機運用范圍的擴展，無人機的應(yīng)用從單一獨立執(zhí)行任務(wù)向著具有地面控制站、測控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等組成的無人機系統(tǒng)方向發(fā)展，逐步形成了具有一定自主協(xié)同能力的無人機集群。隨著無人技術(shù)在其他無人作戰(zhàn)裝備上的普及，集群技術(shù)也在無人車、無人艦艇和無人潛航器上得到應(yīng)用。無人機集群也逐步發(fā)展為無人集群。

2.2 無人集群的作戰(zhàn)特點

2.2.1 自主協(xié)同控制

無人作戰(zhàn)裝備由于其無人特性，需要具備一定的自主控制能力。在無人集群作戰(zhàn)環(huán)境下，無人作戰(zhàn)裝備需要根據(jù)實時的戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢變化做出合適的反應(yīng)，對于一些簡單的行為，無人作戰(zhàn)裝備應(yīng)該能夠自主識別以減短反應(yīng)時間，有效降低作戰(zhàn)人員的工作負荷。對于無人集群，要充分發(fā)揮集群智能優(yōu)勢，實現(xiàn)1+1>2的無人集群系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢要解決好無人作戰(zhàn)裝備之間，作戰(zhàn)人員和無人作戰(zhàn)裝備之間的協(xié)同控制問題。

2.2.2 信息感知與共享

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜多變，信息已逐漸成為了能否取得戰(zhàn)場先機的決定條件。對于無人作戰(zhàn)裝備來說，其輕便靈活機動的特點，可以充分發(fā)揮出信息感知的優(yōu)勢。借助多樣的傳感器和現(xiàn)代偵察手段，無人作戰(zhàn)裝備可以自主感知地理、電磁、氣象等戰(zhàn)場環(huán)境變化。對于無人集群來說，大量無人作戰(zhàn)裝備各自感知到的多源異類信息，在提供給后臺終端處理的同時，各無人作戰(zhàn)裝備之間也應(yīng)該能夠通過網(wǎng)絡(luò)化通信技術(shù)做到實時信息共享。

2.2.3 作戰(zhàn)力量靈活配置

在快節(jié)奏的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，武器系統(tǒng)需要面對靈活多變的戰(zhàn)場環(huán)境，在極短時間內(nèi)快速配置武器力量并在搞對抗環(huán)境中做出對抗反擊。無人作戰(zhàn)裝備的大量應(yīng)用和普及，使武器力量的配置也有了更多的可能。不同于傳統(tǒng)武器，無人作戰(zhàn)裝備具有低成本靈活機動的特點，可以快速進入戰(zhàn)場。針對不同的戰(zhàn)場環(huán)境，無人戰(zhàn)車、無人機、無人艦艇、無人潛水器等組成的異構(gòu)無人集群可以和傳統(tǒng)的作戰(zhàn)力量進行靈活配置，充分發(fā)揮武器系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)勢。

3 基于無人集群的指揮控制架構(gòu)

3.1 OODA環(huán)指控模型

美國空軍上校John Boyd在20世紀80年代提出的OODA環(huán)理論是由觀察、判斷、決策、行動四個環(huán)節(jié)構(gòu)成的決策環(huán)路。OODA環(huán)理論四個基本環(huán)節(jié)中，觀察是對戰(zhàn)場環(huán)境進行偵察感知，得到戰(zhàn)場環(huán)境的信息和數(shù)據(jù)；判斷是對得到的戰(zhàn)場環(huán)境信息進行戰(zhàn)場態(tài)勢的分析和評估，對信息數(shù)據(jù)進一步加工處理；決策是指揮員根據(jù)分析得到的戰(zhàn)場態(tài)勢和敵我狀態(tài)，制定出合適的作戰(zhàn)方案；行動是依據(jù)決策階段制定的行動方案來實施作戰(zhàn)行動。

3.2 復(fù)合型指揮控制架構(gòu)

無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為一個大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)，如何基于大量具有一定自主能力的個體，提高各個個體和各子系統(tǒng)之間的耦合能力，發(fā)揮出更大的系統(tǒng)優(yōu)勢，成為了無人作戰(zhàn)和指揮控制方面一個亟需解決的問題。基于傳統(tǒng)的OODA環(huán)理論，嘗試提出一種適用于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭和無人作戰(zhàn)的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)。

作為一個具備能夠獨立完成作戰(zhàn)任務(wù)能力的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，應(yīng)該由無人作戰(zhàn)集群，戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員，遠程服務(wù)器，后方指揮部四個部分組成。如圖1所示。

圖1 無人作戰(zhàn)系統(tǒng)構(gòu)成

為了應(yīng)對復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，參考OODA環(huán)的作戰(zhàn)理念，加快作戰(zhàn)行動中的“觀察-判斷-決策-行動”循環(huán)，本文提出的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)，圍繞作戰(zhàn)任務(wù)，將整個作戰(zhàn)行動細化為大量的子任務(wù)，依據(jù)不同子任務(wù)的類型和難度等級采取不同的指揮決策方式，也就產(chǎn)生了不同的OODA環(huán)。

對于難度較低的Ⅰ類任務(wù)，OODA環(huán)將只會在終端服務(wù)器和無人集群內(nèi)部完成循環(huán)過程。各無人作戰(zhàn)裝備通過各個傳感器感知戰(zhàn)場信息，并將大量的信息數(shù)據(jù)回傳到后方的終端服務(wù)器，完成“觀察”階段。在信息共享的情況下，終端服務(wù)器接收來自各無人作戰(zhàn)裝備節(jié)點的信息流和數(shù)據(jù)流，對信息情報進行加工處理，實時更新戰(zhàn)場態(tài)勢，并針對各階段的子任務(wù)做出輔助決策，完成“判斷”階段。各無人作戰(zhàn)裝備在得到終端服務(wù)器更新的戰(zhàn)場態(tài)勢和輔助決策后，依據(jù)自身的自主決策能力和各無人作戰(zhàn)裝備之間的協(xié)同能力完成“決策”和“行動”階段。如圖2所示。

圖2 Ⅰ類任務(wù)OODA環(huán)

對于稍復(fù)雜的Ⅱ類任務(wù)，基于Ⅰ類任務(wù)的OO?DA循環(huán)基礎(chǔ)上，戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員將會參與到OODA循環(huán)過程中。“觀察”階段同樣由大量的無人作戰(zhàn)裝備完成。在Ⅰ類任務(wù)的OODA循環(huán)的“判斷”之外，戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員能夠通過手持終端得到無人作戰(zhàn)裝備感知到的戰(zhàn)場信息，并根據(jù)終端服務(wù)器處理后的信息情報進行進一步的加工融合。在“決策”階段，戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員依據(jù)終端服務(wù)器提供的輔助決策和自己的判斷能力制定合適的作戰(zhàn)方案。在“行動”階段，對于一些復(fù)雜的行為，戰(zhàn)場作戰(zhàn)人員將會對無人作戰(zhàn)裝備的行動進行一定程度的干預(yù)。如圖3所示。

圖3 Ⅱ類任務(wù)OODA環(huán)

對于難度較高，規(guī)模較大的Ⅲ類作戰(zhàn)任務(wù)，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的各組成部分都將會參與到OODA循環(huán)過程中。作為最高指揮層，指揮部的作用更多體現(xiàn)在對于戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷和作戰(zhàn)行動的決策能力上。戰(zhàn)爭的最終執(zhí)行者終歸要落實到人上，人才是戰(zhàn)爭勝負的決定因素。指揮部能夠?qū)⒁恍┯嬎銠C無法量化的社會性因素考慮到戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷和指揮決策過程中。從戰(zhàn)略層次上實現(xiàn)戰(zhàn)略目標。如圖4所示。

圖4 Ⅲ類任務(wù)OODA環(huán)

以任務(wù)為中心的多層次指揮控制架構(gòu)，能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，最大程度上更好更快地完成OODA循環(huán)，減輕作戰(zhàn)人員的負擔，提高作戰(zhàn)效能，發(fā)揮無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢。

4 基于熵理論的指揮結(jié)構(gòu)評價方法

4.1 熵理論

作為一個熱力學概念，“熵”最初由德國物理學家克勞修斯在1856年提出。在熱力學的基礎(chǔ)上，信息論之父香農(nóng)提出了“信息熵”的概念，用于信源不確定度的描述，將數(shù)學上的概率與信息的冗余度聯(lián)系了起來。

4.2 指揮組織結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)熵

隨著，“信息熵”理論的發(fā)展，熵學在管理學領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如企業(yè)生產(chǎn)和公司管理，在軍事上，“熵理論”主要用于指揮組織結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)效能評估。

由于“信息熵”理論主要是描述信源的不確定度，因此“熵理論”在評估指揮組織結(jié)構(gòu)時，主要從信息流的角度出發(fā)。我們用時效性來刻畫信息在組織體系中的運行速度，用準確性來刻畫信息流在組織結(jié)構(gòu)中的交互作用質(zhì)量。為了能夠定量分析指揮組織結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)效能，我們分別引用時效熵和質(zhì)量熵的概念來分別度量指揮組織結(jié)構(gòu)中信息流的時效性和準確性。

4.2.1 指揮組織結(jié)構(gòu)的時效熵

為了使問題的描述簡單起見，將指揮組織結(jié)構(gòu)看成一個系統(tǒng)。我們用熵來度量信息在指揮組織結(jié)構(gòu)中，各拓撲基層元素之間流通的時效性，并將之稱為系統(tǒng)的時效熵。

在一個指揮層次為l層，指揮控制節(jié)點為N個的組織體系中，編號為i，j的節(jié)點之間的聯(lián)系長度用L(ij)來表示，其數(shù)值為i，j節(jié)點之間的最短路徑，每經(jīng)過一個節(jié)點，長度增加1。

1）系統(tǒng)的時效微觀態(tài)總數(shù)為

2）信息在第i，j個節(jié)點之間轉(zhuǎn)移的概率定義為

3）第i，j節(jié)點之間聯(lián)系的時效熵Ht(ij)，定義為

4）按照系統(tǒng)的跨度由上至下，定義系統(tǒng)總的時效熵為

5）系統(tǒng)的最大時效熵定義為

6）系統(tǒng)的時效用R表示，則

系統(tǒng)時效R越大，說明該系統(tǒng)中信息流動的速率越快，同時也意味著在信息流動方面，系統(tǒng)有著更高的有序化程度。

4.2.2 指揮組織結(jié)構(gòu)的質(zhì)量熵

為了描述信息在指揮組織結(jié)構(gòu)中流動的準確性，我們用熵來度量指揮信息的質(zhì)量，并將之稱為質(zhì)量熵。其計算如下。

1）設(shè)k(i)表示指揮組織拓撲結(jié)構(gòu)中聯(lián)系跨度數(shù)，表示與第i個節(jié)點有直接聯(lián)系的元素數(shù)量，則系統(tǒng)質(zhì)量微觀態(tài)總數(shù)為

2）系統(tǒng)第i個節(jié)點質(zhì)量實現(xiàn)的概率pm(i)定義為

3）節(jié)點要素的質(zhì)量熵Hm(i)定義為

4）指揮組織結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量熵為

5）指揮組織結(jié)構(gòu)的最大質(zhì)量熵為

6）指揮組織結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)質(zhì)量定義為

系統(tǒng)質(zhì)量R越大，說明信息在系統(tǒng)中傳遞的準確性越高，同時也意味著在信息質(zhì)量方面，系統(tǒng)有著更高的有序化程度。

5 無人集群的指揮組織結(jié)構(gòu)效能評估

5.1 基于熵的指揮結(jié)構(gòu)評估過程

引入指揮組織結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)熵概念，借助結(jié)構(gòu)熵的評估方法，可以對指揮組織結(jié)構(gòu)進行定量的分析評估，對于指揮組織結(jié)構(gòu)的作戰(zhàn)效能有一個更直觀的認識。

運用結(jié)構(gòu)熵評估一個指揮組織結(jié)構(gòu)，基本流程如下。

1）對所要評估的指揮組織進行分析，明確指揮組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

2）將指揮組織的拓撲結(jié)構(gòu)用樹狀圖的形式表示出來；

3）計算各個節(jié)點元素和元素之間的聯(lián)系長度；

4）分別計算指揮組織結(jié)構(gòu)的時效熵和質(zhì)量熵；

5）通過時效熵和質(zhì)量熵對指揮組織結(jié)構(gòu)進行評估。

5.2 計算過程

運用指揮組織結(jié)構(gòu)熵的評估方法對復(fù)合型指揮控制架構(gòu)中的三類指揮組織結(jié)構(gòu)進行評估。拓撲結(jié)構(gòu)和計算過程如下。

圖5 三類任務(wù)的拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 Ⅰ類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)熵

圖7 Ⅱ類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)熵

三類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)的比較如表1。

從表1的比較可以看出，隨著作戰(zhàn)任務(wù)難度的增加，所采用的指揮組織結(jié)構(gòu)的時效熵在增加，即信息傳遞的時效性在降低；同時，其質(zhì)量熵在減少，即信息傳遞的準確性在升高。在綜合考察系統(tǒng)時效性和準確性時，可以運用系統(tǒng)綜合值（系統(tǒng)時效與系統(tǒng)質(zhì)量的平均值）進行分析，當作戰(zhàn)任務(wù)難度較低時，采用的指揮組織結(jié)構(gòu)的中，信息流動的有序性較高。靈活配置指揮組織結(jié)構(gòu)可以有效地提高作戰(zhàn)效能。

表1 三類任務(wù)指揮組織結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

本文主要針對無人集群作戰(zhàn)，結(jié)合新興的科學技術(shù)，提出一種能夠適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭靈活多變的戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)合型指揮控制架構(gòu)，并運用定量分析方法對提出的指揮控制架構(gòu)從信息流的“時效性”和“準確性”進行了計算分析。隨著科學技術(shù)的發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域運用的不斷擴展，無人集群的指揮控制架構(gòu)也應(yīng)該緊跟時代發(fā)展潮流，不斷提高無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。