智能無人集群協(xié)同作戰(zhàn)仿真模型功能與體系設計*

伊 山 杜 靜 丁澤柳 鞏炳林

（軍事科學院戰(zhàn)略評估咨詢中心 北京 100091）

1 引言

當前人類社會已進入智能化機器人時代，以人工智能為標志的第二次機器革命正在加速智能化機器時代戰(zhàn)爭的形成［1］。無人車、無人機、無人艇、無人潛航器等無人系統(tǒng)［2］的集群作戰(zhàn)將產(chǎn)生顛覆性的作戰(zhàn)樣式。作戰(zhàn)仿真模擬是演示作戰(zhàn)概念、驗證無人集群裝備、評估無人作戰(zhàn)智能等級和無人系統(tǒng)對聯(lián)合作戰(zhàn)整體貢獻度的有效方法手段。作戰(zhàn)仿真模型是智能無人集群作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的核心組成部分，也是決定仿真評估效果的關(guān)鍵。

目前，對智能無人集群仿真模型研究，主要聚焦在無人集群任務規(guī)劃［3～4］、飛行控制［5］、態(tài)勢感知、自組網(wǎng)通信、行為規(guī)則［6］和智能算法等技術(shù)層面。國內(nèi)外對無人集群作戰(zhàn)運用建模仿真研究還在探索階段［7］。軍事科學院許瑞明等基于群體智能無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)能力指標對仿真演示需求和實體分辨率需求進行了分析［8］，國防大學鄒立巖構(gòu)建了一種基于OODA—L的智能無人集群作戰(zhàn)仿真建模框架［9］。以上論文對無人集群作戰(zhàn)建模的某個側(cè)面進行了闡述，而沒有從智能無人集群作戰(zhàn)體系對抗和組件化建模角度分析模型體系。本研究以無人化體系作戰(zhàn)理論為牽引，基于組件化建模思想，從未來智能無人集群作戰(zhàn)運用、體系對抗角度，設計仿真模型功能，分析組件化建模思路，提出智能無人集群體系作戰(zhàn)組件化仿真模型體系。

2 無人集群作戰(zhàn)仿真模型功能設計

未來智能化特點的信息化戰(zhàn)場上，以智能化裝備為裝備體系主體，打贏無人系統(tǒng)及集群體系對抗行動為主要作戰(zhàn)目的，并將不斷產(chǎn)生新的聯(lián)合作戰(zhàn)樣式。為了驗證機器人操作［10］系統(tǒng)性能，檢驗無人系統(tǒng)裝備作戰(zhàn)運用，模擬演示無人化作戰(zhàn)產(chǎn)生的新型作戰(zhàn)樣式，評估無人系統(tǒng)作戰(zhàn)對聯(lián)合作戰(zhàn)的體系貢獻率，牽引智能化作戰(zhàn)體系的設計和論證，不僅需構(gòu)建仿真引擎、作戰(zhàn)想定編輯、仿真推演、各方作業(yè)、態(tài)勢顯示、仿真評估和仿真模型管理等仿真支撐系統(tǒng)［11～12］，更需要設計開發(fā)完備的智能無人集群體系對抗行動仿真所需的各類仿真模型。

為了開展智能無人集群體系作戰(zhàn)仿真，基于自主開發(fā)的仿真引擎及組件化建模框架，突破無人系統(tǒng)單體和群體構(gòu)模技術(shù)，設計典型作戰(zhàn)場景涉及的空中、陸上、水面和水下多域異構(gòu)無人系統(tǒng)及集群模型，開發(fā)集成聯(lián)合作戰(zhàn)模型，包括武器裝備模型、兵力模型、通信交互模型及指揮控制模型等，構(gòu)建戰(zhàn)場環(huán)境模型和評估模型，從而逐步形成組件化多分辨率無人集群體系對抗仿真模型體系。

2.1 智能無人系統(tǒng)模型功能設計

1）無人系統(tǒng)單實體模型。要設計智能無人集群體系作戰(zhàn)涉及的空中、陸上、水面和水下多域異構(gòu)無人系統(tǒng)裝備模型和組件模型。一是無人系統(tǒng)裝備模型，描述多域異構(gòu)無人系統(tǒng)裝備平臺的戰(zhàn)技性能，如無人機運動學、動力學特性。描述地理、氣象、電磁環(huán)境對裝備平臺機動、探測、通信、射擊的影響效果。二是無人系統(tǒng)組件模型，構(gòu)建無人系統(tǒng)的載荷模型、武器系統(tǒng)模型，包括雷達、紅外、光電傳感器、導航設備等載荷物理模型以及武器系統(tǒng)模型。

2）無人集群管理模型。通過對無人集群靜態(tài)屬性、行動屬性、隊形管理、行為規(guī)范、群間關(guān)系、交互屬性等進行描述，具備群內(nèi)部管理、群間管理、群與其它作戰(zhàn)單元之間緊密關(guān)聯(lián)的能力。一是集群靜態(tài)屬性，描述群的基本信息，包括群成員構(gòu)成、群成員指揮關(guān)系、群成員通信關(guān)系等。二是集群行動屬性，描述群的動作行為信息，包括建立群、解散群、群成員加入、群成員退出和群基礎動作等。三是集群隊形管理，包括群隊形編輯、群隊形變換、群隊形維持、速度控制、航行路線控制等。四是集群行為規(guī)則，描述集群內(nèi)所有成員遵循的共同規(guī)則，規(guī)定集群行動的觸發(fā)時機和條件，如無人機群長機確定規(guī)則、長機接替規(guī)則、通信規(guī)則、群避讓規(guī)則、目標分配規(guī)則等。五是集群交互屬性，描述集群與外界環(huán)境的交互關(guān)系。如集群的傳感器探測信息、集群傳感器綜合信息、集群與作戰(zhàn)指揮單元的指令交互。

3）無人系統(tǒng)集群行為模型。運用建模和AI技術(shù)，實現(xiàn)執(zhí)行典型作戰(zhàn)任務涉及的無人系統(tǒng)自主OODA（感知-判斷-決策-行動）行為鏈模型。一是感知模型。對無人系統(tǒng)裝載的雷達、紅外、光電傳感器的偵察、探測行為進行細粒度仿真，能夠?qū)o人系統(tǒng)傳感器探測目標、周圍背景信息以及外部指揮信息系統(tǒng)輸入的態(tài)勢信息進行融合處理，適應戰(zhàn)場目標數(shù)量、類別、位置的變化，形成無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)實時戰(zhàn)場態(tài)勢，具備破除假目標、電子干擾、隱蔽偽裝、地形地貌等戰(zhàn)場迷霧能力。二是判斷模型。根據(jù)無人系統(tǒng)感知模型輸出的戰(zhàn)場態(tài)勢數(shù)據(jù)，對戰(zhàn)場態(tài)勢進行分析判斷和認知，形成對局部戰(zhàn)場態(tài)勢的評估判斷結(jié)論。三是決策模型。將觀察、判斷環(huán)節(jié)的感知數(shù)據(jù)和作戰(zhàn)命令，轉(zhuǎn)化為無人系統(tǒng)的具體行動指令，包括路徑規(guī)劃、任務協(xié)同、編隊協(xié)同、威脅規(guī)避、指令仲裁、跨域協(xié)同打擊等決策模型，實現(xiàn)面向無人集群整體的協(xié)同與決策規(guī)劃。四是行動模型。基于決策模型得到的行動方案，對無人系統(tǒng)的作戰(zhàn)行動過程進行仿真，如無人機起飛/降落、編隊、沿預定航線飛行和避障、偵察監(jiān)視、通信中繼、導航增強、打擊目標、應對威脅等。

2.2 作戰(zhàn)模型功能設計

作戰(zhàn)模型是無人系統(tǒng)在聯(lián)合作戰(zhàn)體系對抗背景下，面對作戰(zhàn)情況時需要運用的各類仿真模型，主要包括武器裝備模型［22］、兵力模型、通信交互模型及指揮控制模型等。

1）武器裝備模型。一是作戰(zhàn)平臺。構(gòu)建無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的陸、海、空、火、天、電作戰(zhàn)平臺仿真模型，支持對作戰(zhàn)平臺行動的仿真，反映作戰(zhàn)平臺各種戰(zhàn)術(shù)技術(shù)參數(shù)的作用，如雷達反射截面積、運動速度、加速度、飛行高度等參數(shù)。根據(jù)需要描述作戰(zhàn)平臺的運動學、動力學特性，描述地理、氣象、電磁環(huán)境對平臺機動、探測、通信、射擊等性能的影響。二是傳感器。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的武器平臺裝載的傳感器模型，支持其探測各類目標功能的仿真。對無人系統(tǒng)裝載的雷達、紅外、光電傳感器的偵察、探測過程及功能進行較細粒度的建模。三是電子干擾、欺騙設備。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的干擾、欺騙設備模型，如電子誘餌、箔條彈、多頻譜煙霧，支持其對各類雷達、光電設備、通信設備的干擾、欺騙功能的仿真。對無人系統(tǒng)干擾、欺騙設備進行較細粒度的建模。四是通信設備。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的通信設備模型，支持作戰(zhàn)平臺之間的信息傳輸功能的仿真。對無人系統(tǒng)搭載的通信設備進行較細粒度的建模。五是武器系統(tǒng)。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的作戰(zhàn)平臺搭載的武器系統(tǒng)模型，支持各類作戰(zhàn)平臺對所掛載彈藥的發(fā)射控制和制導攻擊過程的仿真，支持對所掛載彈藥的武器選擇、發(fā)射條件判斷、彈藥發(fā)射、制導控制等功能的仿真。對無人系統(tǒng)空空作戰(zhàn)武器系統(tǒng)、空地作戰(zhàn)武器系統(tǒng)、地空作戰(zhàn)武器系統(tǒng)等進行較細粒度的建模。六是彈藥。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的彈藥模型，支持對彈藥發(fā)射、飛行到命中目標的過程的仿真，以及命中后對特定打擊目標的毀傷效果的仿真。

2）兵力模型。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的不同粒度的紅藍方兵力模型，最小可到作戰(zhàn)編組，較小作戰(zhàn)單元的兵力模型可聚合為較大單元的兵力模型，如班可聚合為排，排可聚合為連。

3）通信交互模型。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的紅藍方作戰(zhàn)通信交互模型，描述由各類通信結(jié)點構(gòu)成的通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，支持指控信息、測控信息、情報信息的傳遞以及信息的中繼傳輸?shù)裙δ艿姆抡妗Ｔ趶姼蓴_條件下，對無人系統(tǒng)域內(nèi)通信、域間通信進行建模，實現(xiàn)無人系統(tǒng)態(tài)勢感知信息的共享，指控信息和協(xié)同信息的傳遞等。

4）指揮控制模型。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的紅藍方指揮控制模型，支持情報融合、態(tài)勢判斷、指揮決策、行動控制等功能的仿真，包括指揮控制關(guān)系模型、信息（態(tài)勢）融合模型、指揮決策模型、指揮信息流模型等。

2.3 戰(zhàn)場環(huán)境模型功能設計

針對無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的應用場景，構(gòu)建虛擬立體戰(zhàn)場環(huán)境，包括地理環(huán)境、氣象環(huán)境、電磁環(huán)境等。

1）地理環(huán)境。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及的地理環(huán)境模型，支持對地理數(shù)據(jù)的管理、運算、分析及顯示，根據(jù)系統(tǒng)仿真需要，可抽象出其對作戰(zhàn)行動影響最大的典型因素，如地形的起伏、植被、地貌等，并可對通行性、通視性、隱蔽性等進行量化描述。

2）氣象環(huán)境。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及作戰(zhàn)地區(qū)的氣象環(huán)境模型，可量化描述對無人集群作戰(zhàn)行動有影響的溫度、濕度、風、云、能見度、雨量等氣象征候要素，并重點描述雷雨云、強風等對無人系統(tǒng)作戰(zhàn)行動有較大影響的氣象過程。

3）電磁環(huán)境。建立無人集群典型作戰(zhàn)構(gòu)想涉及作戰(zhàn)地域的電磁環(huán)境模型，包括我方輻射源、敵方輻射源、民用輻射源和自然輻射源，重點描述對無人系統(tǒng)通信、偵察、導航等行動有較大影響的復雜電磁環(huán)境。

2.4 仿真評估模型功能設計

仿真評估模型的作用是，通過對仿真過程和結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算，評估無人集群作戰(zhàn)效能和對聯(lián)合作戰(zhàn)的貢獻度。根據(jù)無人群體不同作戰(zhàn)任務的評估需求，選擇不同的指標集建立相應的指標體系，并可選擇不同的評估方法以構(gòu)建相應的評估計算模型。針對智能無人集群體系作戰(zhàn)評估，要突破因果關(guān)系數(shù)據(jù)推理評估方法，設計評估算法和評估規(guī)則，研究形成無人集群作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)方案、作戰(zhàn)結(jié)果的因果推理路徑，評估無人系統(tǒng)智能水平，優(yōu)化作戰(zhàn)效能。如對智能無人機群體基本飛行能力、作戰(zhàn)過程生存率、抵近偵察能力、群信息和傳輸處理能力、精確打擊能力進行評估。

3 無人集群作戰(zhàn)仿真組件化模型組成設計

為了提高仿真模型的重用性、可移植性、可組合性，當前國內(nèi)外主流作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)基本以組件化建模思路構(gòu)建。組件化建模是將戰(zhàn)場實體按照其功能部件組成及替換、重用的要求進行拆分，分別建立組件模型，再進一步組裝為完整的裝備實體，在統(tǒng)一的作戰(zhàn)想定驅(qū)動下參與仿真運行。本研究按照組件化多粒度建模思路，基于國內(nèi)自主可控的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中規(guī)定的模型框架、建模規(guī)范，設計研發(fā)了智能無人集群體系作戰(zhàn)仿真應用中的無人系統(tǒng)仿真模型和軍種作戰(zhàn)仿真模型。

智能無人集群體系作戰(zhàn)仿真建模工具提供基礎模型體系結(jié)構(gòu)，約束了無人集群作戰(zhàn)仿真模型層次關(guān)系。基于該架構(gòu)開發(fā)的各類模型，通過仿真元素類（sim_element）提供的模型框架（set_framework）、事件管理器（set_event_manager）、仿真元素初始化（on_init）等方法，實現(xiàn)模型與仿真框架、服務等之間的對接，從而被仿真引擎直接識別運行。按照建模對象的功能類別，模型對象類分為作戰(zhàn)實體模型和組件模型。無人集群作戰(zhàn)仿真組件化建模組成規(guī)范如圖1所示。

圖1 組件化建模組成規(guī)范圖

1）作戰(zhàn)實體（SimBSE）。一是平臺實體（Entity），繼承SimBSE類基本功能基礎上，提供組件裝配的功能。按照組件化建模思路，Entity可添加、刪除、獲取組件，是其它組件模型的承載容器，可控制和協(xié)同組件模型運行，實現(xiàn)對實體能力的仿真，例如，組件組裝到實體的過程，是通過平臺實體的關(guān)鍵方法add_component（）實現(xiàn)。平臺實體可添加行為組件，具備行為能力，也能夠產(chǎn)生和處理通信消息。二是武器實體（Weapon_Entity），與平臺實體不同，具備戰(zhàn)斗部和引信，在特定發(fā)射平臺發(fā)射后才能產(chǎn)生。同時，在想定部署階段，武器實體是不能直接部署在戰(zhàn)場上，需掛載到發(fā)射平臺后執(zhí)行。

2）組件類（SimComponent），是實體可裝配組件的基類。在組件化建模過程中，組件通過組裝的方式添加到實體上，與實體及其它仿真組件共同完成某項作戰(zhàn)仿真功能。智能無人集群體系作戰(zhàn)仿真建模工具中，從仿真組件基類可繼承多種功能組件，包括機動組件（MotionCom）、武器彈藥組件（WeaponProfile）、武控組件（WeaponSystem）、傳感器組件（Sensor），通信組件（Comdev）、干擾組件（Jammer）、行為組件（BehaviorComponent）和毀傷組件（LethalComponent）等。每種組件反應不同作戰(zhàn)業(yè)務功能，又統(tǒng)一受到實體模型的組織和調(diào)度。

4 無人集群作戰(zhàn)仿真模型體系設計

根據(jù)智能無人集群作戰(zhàn)仿真模型功能設計，基于組件化建模思路，分別對智能無人集群仿真模型架構(gòu)和智能無人集群體系對抗仿真模型體系進行分析研究。

4.1 無人集群仿真模型框架

智能無人集群仿真模型，由無人系統(tǒng)單實體模型、無人集群管理模型和無人系統(tǒng)集群行為模型組成。如智能無人機實體，是在無人機平臺實體上組裝機動、武器彈藥、武控、傳感器，通信、干擾、行為等組件而成。無人機群，通過對集群靜態(tài)屬性、集群行動屬性、集群隊形管理、集群行為規(guī)則和集群交互屬性的協(xié)調(diào)管理，形成有機整體。無人機群行為模型，運用建模和AI技術(shù)，實現(xiàn)執(zhí)行作戰(zhàn)任務中無人機群自主OODA（感知-判斷-決策-行動）行為鏈模型。智能無人集群仿真模型架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能無人集群仿真模型架構(gòu)圖

4.2 無人集群體系作戰(zhàn)仿真模型體系

依據(jù)智能無人集群模型功能設計和組件化模型設計思路，智能無人集群體系作戰(zhàn)仿真模型體系，由無人系統(tǒng)仿真模型、作戰(zhàn)仿真模型和戰(zhàn)場環(huán)境仿真模型等組成。其中，智能無人系統(tǒng)的組件組成與作戰(zhàn)模型組成表面上看比較相似，但不同處在于智能無人系統(tǒng)模型算法的粒度和運行架構(gòu)上，與各類作戰(zhàn)模型的差距是巨大的。比如，無人系統(tǒng)傳感器模型的粒度、特性要求，與戰(zhàn)斗機的不同。無人系統(tǒng)是以OODA環(huán)行為架構(gòu)進行構(gòu)摸，而作戰(zhàn)模型不需要建立這樣的行為架構(gòu)。

智能無人集群作戰(zhàn)仿真模型體系如圖3所示。

圖3 智能無人集群協(xié)同作戰(zhàn)仿真模型體系圖

5 結(jié)語

智能無人集群體系作戰(zhàn)，將帶來新的作戰(zhàn)樣式，也是軍事強國高度關(guān)注和強化的作戰(zhàn)方式［13］。仿真模擬是研究智能無人集群作戰(zhàn)的重要手段，作戰(zhàn)仿真模型又是仿真模擬的關(guān)鍵。本研究結(jié)合傳統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn)仿真模型特點，對智能無人集群作戰(zhàn)仿真模型功能、組件化模型設計、無人集群模型框架、模型體系內(nèi)容等進行了研究。未來將基于本研究提出的模型功能設計和組成內(nèi)容，開展智能無人集群細粒度仿真模型、作戰(zhàn)仿真模型算法研究，并在仿真模型系統(tǒng)研發(fā)中不斷深化實現(xiàn)。