群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真需求分析關(guān)鍵問(wèn)題

許瑞明,黃 謙

(軍事科學(xué)院評(píng)估論證研究中心,北京 100091)

美軍把無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為第三次“抵消戰(zhàn)略”中的關(guān)鍵力量。迄今為止,美軍相繼發(fā)表了多版無(wú)人系統(tǒng)或無(wú)人機(jī)路線圖。2016年5月17日，美國(guó)空軍發(fā)布了美國(guó)空軍未來(lái)20年小型無(wú)人機(jī)路線圖《2016-2036小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃》,提出在遠(yuǎn)期(未來(lái)10到20年)實(shí)現(xiàn)“蜂群”作戰(zhàn)概念目標(biāo)[1-2]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,未來(lái)10到20年,群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)將可能成為戰(zhàn)場(chǎng)上一種重要的作戰(zhàn)樣式[3-4]。

群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由智能無(wú)人機(jī)集群和地面控制站組成。智能無(wú)人機(jī)集群是在地面站控制和支撐下,由多架無(wú)人機(jī)構(gòu)成的、通過(guò)相互協(xié)同共同完成給定作戰(zhàn)任務(wù)的一個(gè)有機(jī)整體,這個(gè)整體中不僅各架無(wú)人機(jī)具有一定個(gè)體智能,而且還具有超越個(gè)體智能的群體智能[5-7]。

群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是“由構(gòu)想的武器裝備組成的構(gòu)想作戰(zhàn)系統(tǒng)”,是未來(lái)的作戰(zhàn)系統(tǒng)。對(duì)于這類未來(lái)的作戰(zhàn)系統(tǒng),其作戰(zhàn)仿真的主要目的是系統(tǒng)作戰(zhàn)能力演示和作戰(zhàn)效果驗(yàn)證。這一目的與技術(shù)仿真有所不同,技術(shù)仿真主要是對(duì)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)或有關(guān)算法進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),首先我們要明確系統(tǒng)具有哪些類別的作戰(zhàn)能力要素,特別是明確與群體智能直接相關(guān)的關(guān)鍵作戰(zhàn)能力要素,并要明確衡量這些能力水平的關(guān)鍵指標(biāo)項(xiàng)。在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步分析確定系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力仿真演示需求和針對(duì)作戰(zhàn)效果驗(yàn)證的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述這些需求是群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真需求的關(guān)鍵內(nèi)容,是確定其他配套需求的決定性需求。

1 群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵作戰(zhàn)能力要素與能力指標(biāo)

作為未來(lái)的作戰(zhàn)系統(tǒng),群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有無(wú)機(jī)載人員損失、更高的機(jī)動(dòng)性、更好的隱蔽性、更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、更長(zhǎng)的續(xù)航力、起飛著陸容易、低成本等個(gè)體特點(diǎn)和規(guī)模效應(yīng)、高魯棒性、整體自適應(yīng)性(通過(guò)智能體現(xiàn))等群體特點(diǎn)。其中,整體自適應(yīng)性指群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作為具有智能的整體,能夠在沒有外界干預(yù)或少量干預(yù)時(shí)自適應(yīng)地調(diào)整任務(wù)分工、規(guī)劃航路、規(guī)避障礙、應(yīng)對(duì)突發(fā)威脅等的特性。毫無(wú)疑問(wèn),作戰(zhàn)仿真需要合理體現(xiàn)群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的這些特點(diǎn)。仿真活動(dòng)中,這些特點(diǎn)的體現(xiàn)主要分兩個(gè)環(huán)節(jié)完成。第一個(gè)是仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)需要把刻畫這些特點(diǎn)的能力參數(shù)和作戰(zhàn)運(yùn)用方案參數(shù)設(shè)計(jì)為仿真系統(tǒng)的輸入,如機(jī)動(dòng)性需通過(guò)過(guò)載等能力參數(shù)來(lái)刻畫,這要求把過(guò)載等參數(shù)設(shè)計(jì)為仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),同樣對(duì)于整體自適應(yīng)性也是如此。第二個(gè)是仿真執(zhí)行環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)需要將刻畫相應(yīng)特點(diǎn)的輸入?yún)?shù)設(shè)置成反映該特點(diǎn)的一系列參數(shù)值。本文探討的是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的需求問(wèn)題,屬于第一個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題。第一個(gè)環(huán)節(jié)完成的標(biāo)志是列出刻畫所有特點(diǎn)所需的參數(shù)。上述參數(shù)中,作戰(zhàn)運(yùn)用方案參數(shù)主要包括作戰(zhàn)編組、配置、各編組任務(wù)等參數(shù)類型,這與過(guò)去的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)類似,故不再贅述。

反映群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)的關(guān)鍵能力是群體智能,為突出重點(diǎn),本文僅討論群體智能這個(gè)關(guān)鍵能力。結(jié)合OODA環(huán)理論對(duì)群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的群體智能進(jìn)行梳理分析,其群體智能主要包括信息協(xié)同融合、威脅自主協(xié)同判斷、群體自主決策、群體自主控制、群體自主通信組網(wǎng)、群體自主管理等能力要素。這些關(guān)鍵能力要素與能力指標(biāo)如表1所示。

表1 群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵能力要素與關(guān)鍵指標(biāo)

注:①切換指飛行編隊(duì)隊(duì)形發(fā)生變化的一種編隊(duì)動(dòng)作，如從一字隊(duì)形變換成菱形隊(duì)形的切換。

②縮放指飛行編隊(duì)隊(duì)形不變，編隊(duì)中飛機(jī)間距離發(fā)生變化的一種編隊(duì)動(dòng)作。

表1中的關(guān)鍵指標(biāo)是對(duì)群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)運(yùn)用起關(guān)鍵作用的能力指標(biāo),不是能力指標(biāo)的全集。通常講,對(duì)群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)運(yùn)用起關(guān)鍵作用的能力指標(biāo)包括成功率/正確率/合理性、準(zhǔn)確度/精確性、執(zhí)行相應(yīng)能力動(dòng)作所需時(shí)間等類指標(biāo),表中的能力關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置除了個(gè)別能力(如群體通信組網(wǎng)能力有特殊要求、移動(dòng)目標(biāo)信息融合子能力需要更多的能力指標(biāo)進(jìn)行刻畫)外均與此相符。這些相符的關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置分為僅有1個(gè)布爾型指標(biāo)、類型相符但指標(biāo)個(gè)數(shù)小于3個(gè)、完全相符三種情形。其中,第一種情形只關(guān)注能力的有無(wú),而其他能力事項(xiàng)已經(jīng)或正在得到解決,不在關(guān)心之列;第二種情形設(shè)置理由與第一種類似,不再贅述。

2 作戰(zhàn)能力仿真演示需求

作戰(zhàn)能力仿真演示的目的是讓觀者直觀觀察到群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)所擁有的能力及能力形成的關(guān)鍵過(guò)程。

2.1 信息協(xié)同融合

對(duì)于地面固定目標(biāo)信息融合,在信息融合完成后,根據(jù)觀者需要，適時(shí)顯示信息融合前各個(gè)無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)探測(cè)得到的可見光、紅外、SAR雷達(dá)圖像等輸入信息和目標(biāo)類別判斷、定位誤差、信息融合所用時(shí)間等輸出信息。

對(duì)于空中移動(dòng)目標(biāo)信息融合,在信息融合完成后,根據(jù)觀者需要，適時(shí)顯示信息融合前各個(gè)無(wú)人機(jī)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)得到的航跡等輸入信息和融合后的航跡、融合性能參數(shù)、融合所用時(shí)間等輸出信息。

2.2 威脅自主協(xié)同判斷

在判斷完成后,根據(jù)觀者需要適時(shí)顯示威脅判斷結(jié)果(如雷達(dá)威脅包絡(luò)線、來(lái)襲飛機(jī)/導(dǎo)彈的位置、速度等)、測(cè)量誤差、判斷所用時(shí)間等信息。

2.3 群體自主決策

在群體自主任務(wù)分配完成后,根據(jù)觀者需要，適時(shí)顯示群體中各架無(wú)人機(jī)的任務(wù)參數(shù)、任務(wù)分配所用時(shí)間、任務(wù)分配原則等信息。

在群體自主航路規(guī)劃完成后,根據(jù)觀者需要，適時(shí)顯示群體的規(guī)劃航路、航路規(guī)劃所用時(shí)間、規(guī)劃原理等信息。規(guī)劃航路顯示信息除了包括二維、三維空間中的曲線外,還包括曲線上各點(diǎn)的飛行速度矢量信息,以及與任務(wù)規(guī)劃相關(guān)的航路周邊的威脅源、地形氣象障礙等信息。

2.4 群體自主控制

群體自主控制能力的飛行編隊(duì)構(gòu)建/重建、自主切換、自主縮放、自主旋轉(zhuǎn)、自主避障子能力需要通過(guò)飛行編隊(duì)中各架無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程才能比較直觀地展現(xiàn)。

2.5 群體自主通信組網(wǎng)

在群體形成后，根據(jù)觀者需要，適時(shí)展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)和鏈路特性、有關(guān)時(shí)間參數(shù)等信息;在成員或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，適時(shí)顯式反映這一變化。展現(xiàn)方式以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ),通過(guò)鏈接展現(xiàn)各類信息。

2.6 群體自主管理

在仿真中,通過(guò)一定方式顯示群體中各成員之間的關(guān)系;在成員之間關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)觀者需要，適時(shí)顯式反映這一變化。關(guān)系圖和關(guān)系矩陣是顯示群體中各成員之間關(guān)系的兩種途徑。關(guān)系圖比較直觀,但當(dāng)群體成員比較多時(shí)，不易看清成員間的關(guān)系;關(guān)系矩陣雖直觀性差一些,但展現(xiàn)效果不受成員數(shù)量的影響。

3 作戰(zhàn)效果驗(yàn)證仿真分析需求

作戰(zhàn)效果驗(yàn)證包括兩方面:一是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有群體智能與不具有群體智能作戰(zhàn)效果對(duì)比驗(yàn)證;二是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有不同程度群體智能條件下作戰(zhàn)效果的比較驗(yàn)證。

1)有無(wú)群體智能的對(duì)比驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)有無(wú)群體智能時(shí)，戰(zhàn)法是不同的,需要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)設(shè)置對(duì)應(yīng)任務(wù)要求的有群體智能和無(wú)群體智能的典型應(yīng)用場(chǎng)景。基于典型應(yīng)用場(chǎng)景,經(jīng)仿真計(jì)算和結(jié)果統(tǒng)計(jì)，得到有群體智能和無(wú)群體智能達(dá)到同樣作戰(zhàn)效果的裝備、彈藥、人員損耗及各類作戰(zhàn)人員需求。通過(guò)這些裝備、彈藥、人員損耗及各類作戰(zhàn)人員需求的變化可體現(xiàn)群體智能的效用。

2)不同程度群體智能的比較驗(yàn)證

群體智能水平的不同作戰(zhàn)效果也會(huì)有所不同,通過(guò)設(shè)置反映不同智能水平的能力參數(shù),查看作戰(zhàn)效果的變化。

本文以對(duì)地面固定目標(biāo)信息融合為例。通過(guò)設(shè)置不同的融合正確率、定位準(zhǔn)確度、融合時(shí)間,得到對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)效果(如敵我裝備、彈藥、人員的損耗)數(shù)據(jù),并以曲線、柱狀圖等形式展現(xiàn)這些數(shù)據(jù),以便于觀者直觀查看出現(xiàn)的變化。

4 實(shí)體分辨率需求

分辨率是仿真中系統(tǒng)各要素及其行為被描述得詳細(xì)程度。實(shí)體分辨率內(nèi)容主要包括實(shí)體粒度、實(shí)體屬性分辨率、實(shí)體行動(dòng)分辨率等。當(dāng)實(shí)體粒度、實(shí)體屬性分辨率、實(shí)體行動(dòng)分辨率確定后,實(shí)體關(guān)聯(lián)、實(shí)體交互的分辨率也基本確定(通過(guò)實(shí)體關(guān)聯(lián)及交互，可以對(duì)較受關(guān)注的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)一站多機(jī)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述)。

實(shí)體分辨率需求要與作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗(yàn)證仿真分析需求相對(duì)應(yīng),在滿足這一要求的前提下,仿真分辨率應(yīng)盡可能就低不就高,以降低仿真建模與仿真分析難度，減少其工作量。

4.1 實(shí)體粒度

實(shí)體粒度是仿真中對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體描述的最小規(guī)模,同一個(gè)模型或仿真中,不同類實(shí)體的最小規(guī)?？梢圆煌?。

群體智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)仿真以無(wú)人機(jī)系統(tǒng)仿真為核心,仿真中涉及的實(shí)體除了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)外，還包括與無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)抗的敵方目標(biāo)和支援無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)的己方兵力。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)和地面站組成。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)抗的敵方目標(biāo)和支援無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)的己方力量與無(wú)人機(jī)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)相關(guān)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)抗的敵方目標(biāo)包括無(wú)人機(jī)系統(tǒng)偵察/監(jiān)視、打擊的目標(biāo)和敵方偵察/監(jiān)視、打擊無(wú)人機(jī)的目標(biāo);支援無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)的己方兵力包括偵察預(yù)警、指揮、掩護(hù)、支援等力量等。概括起來(lái),典型的目標(biāo)或力量有地面工事、地面移動(dòng)裝備(如戰(zhàn)車、火炮、指揮/通信車輛、運(yùn)輸車輛等)、預(yù)警雷達(dá)、防空火力、飛機(jī)(含預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、作戰(zhàn)飛機(jī))等。

本文針對(duì)這些典型目標(biāo)或兵力,根據(jù)作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗(yàn)證仿真分析需求,給出其實(shí)體粒度要求，如表2所示。

表2 典型實(shí)體粒度要求

4.2 實(shí)體屬性分辨率

實(shí)體屬性主要有標(biāo)識(shí)屬性、編成屬性、配置屬性、性能屬性和狀態(tài)屬性等,其中，性能屬性用于反映實(shí)體裝備/設(shè)施的作戰(zhàn)能力特性,隨著仿真需求的變化有較大的變化空間,是實(shí)體屬性分辨率需求確定的重點(diǎn)。

作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗(yàn)證仿真分析需求對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)體性能屬性有特定要求,集中體現(xiàn)在反映智能水平的關(guān)鍵能力指標(biāo)上,即將反映智能水平的關(guān)鍵能力指標(biāo)作為性能屬性項(xiàng)。

除了無(wú)人機(jī)這一主要研究對(duì)象外,其他典型實(shí)體的屬性分辨率要與無(wú)人機(jī)實(shí)體相配套。例如,作為偵察、打擊目標(biāo)的工事實(shí)體,為了計(jì)算偵察打擊效果,其屬性需要包括幾何形狀、尺寸、光學(xué)/雷達(dá)/紅外反射或輻射特性、材質(zhì)等。

4.3 實(shí)體行動(dòng)分辨率

實(shí)體行動(dòng)主要有機(jī)動(dòng)、觀察(偵察監(jiān)視)、射擊/干擾等。通過(guò)分析作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗(yàn)證仿真分析需求,可得到典型實(shí)體行動(dòng)分辨率要求,如表3所示。

表3 典型實(shí)體行動(dòng)分辨率要求

從表3可以看出,不同實(shí)體的行動(dòng)分辨率是有區(qū)別的。對(duì)于無(wú)人機(jī),其機(jī)動(dòng)仿真模型需要基本按照運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型要求來(lái)構(gòu)建,而預(yù)警機(jī)機(jī)動(dòng)仿真模型則可按照質(zhì)點(diǎn)機(jī)動(dòng)模型來(lái)構(gòu)建,其原因在于無(wú)人機(jī)仿真需要滿足群體自主控制等作戰(zhàn)能力仿真演示需求，而預(yù)警機(jī)卻不需要滿足此類需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)“由構(gòu)想的武器裝備組成的構(gòu)想作戰(zhàn)系統(tǒng)”的作戰(zhàn)仿真,本文提出其作戰(zhàn)仿真的主要目的是系統(tǒng)作戰(zhàn)能力演示和作戰(zhàn)效果驗(yàn)證。這一目的與技術(shù)仿真不同,技術(shù)仿真主要是對(duì)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)或有關(guān)算法進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),首先需要明確系統(tǒng)具有哪些類別的作戰(zhàn)能力要素,并同時(shí)明確衡量這些能力水平的關(guān)鍵指標(biāo)項(xiàng)。在此基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步分析確定系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力仿真演示需求和針對(duì)作戰(zhàn)效果驗(yàn)證的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述這些關(guān)鍵需求確定的思路對(duì)于同類系統(tǒng)仿真的需求分析具有一定的借鑒意義。