無人機(jī)自主通信和組網(wǎng)能力評估方法

趙海濤，高士順，王海軍，雍婷，魏急波

（1.國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.信息系統(tǒng)安全技術(shù)國家重點實驗室，北京 100191）

1 引言

無人機(jī)作為一種可裝載多種傳感器的移動智能體，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]，例如安保防護(hù)、搜救行動、風(fēng)力預(yù)測、災(zāi)難管理、農(nóng)作物管理、土地邊防監(jiān)控以及通信。在通信應(yīng)用中，無人機(jī)可作為地面用戶的臨時基站。尤其是在臨時熱點區(qū)域或緊急情況下，無人機(jī)不僅能擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，更能提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。移動的無人機(jī)之間可以構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)，而無人機(jī)和地面用戶也可構(gòu)建高效的通信鏈路，于是地面上無法直接通信的用戶節(jié)點可通過無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多跳通信。一方面，無人機(jī)的飛行高度使其能夠盡可能地與地面用戶建立視距傳輸鏈路；另一方面，無人機(jī)移動的靈活性也能夠?qū)崿F(xiàn)快速和按需部署。

無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展方向由傳統(tǒng)的單個無人機(jī)向高智能、大規(guī)模集群的形態(tài)發(fā)展。特別是在臨時通信或者軍事通信領(lǐng)域，無人機(jī)將是未來網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，不僅可作為實時、主動、全天候地探測和收集各類情報的重要手段，更能協(xié)助人們完成戰(zhàn)略支援、信息對抗和火力攻擊等高難度任務(wù)。無人機(jī)往往工作在復(fù)雜而難以預(yù)測的環(huán)境，因此，為了提升無人機(jī)系統(tǒng)的智能化作戰(zhàn)水平，適應(yīng)瞬息萬變的對抗態(tài)勢和復(fù)雜環(huán)境，無人機(jī)系統(tǒng)必須具備自主性[2]。而自主通信與組網(wǎng)能力則是無人機(jī)系統(tǒng)自主性的重要體現(xiàn)，同時也是無人機(jī)系統(tǒng)獲得自主性的基本保證。

無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力的重要性已經(jīng)被人們所公認(rèn)，特別是隨著近幾年國內(nèi)人工智能技術(shù)的爆發(fā)，將人工智能技術(shù)與無人機(jī)相結(jié)合從而提高無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信能力，是無人機(jī)系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。目前，大量提升無人機(jī)系統(tǒng)自主性的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)或正在突破，但如何評價無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信與組網(wǎng)能力，特別是定量地分析無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信與組網(wǎng)能力仍然是一個開放的問題，至今沒有很好的解決。

基于這一現(xiàn)狀，本文嘗試分析無人機(jī)系統(tǒng)自主或智能化通信和組網(wǎng)方面的能力評估方法，主要探討的問題歸納如下。

1) 構(gòu)建信息物理融合的無人機(jī)系統(tǒng)自主能力模型。該模型解決以往主要依靠定性分析來確定無人機(jī)系統(tǒng)自主能力和無法反映各相互關(guān)聯(lián)因素對無人機(jī)性能的影響等問題。

2) 基于進(jìn)化的思想，提出可評估無人機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力的評估方法?；跓o人機(jī)多次運行性能之間的差異性，可評估無人機(jī)的自我學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)的能力，從而定量化地反映其職能化程度。

3) 構(gòu)建3 種典型評估場景。貼近無人機(jī)系統(tǒng)實際可能面臨的環(huán)境，本文構(gòu)建了友好、干擾和對抗這3 種典型場景，從而使無人機(jī)系統(tǒng)自主性能的評估結(jié)果更全面、更客觀。

2 相關(guān)工作

近年來，無人機(jī)系統(tǒng)的通信和組網(wǎng)技術(shù)吸引了大量學(xué)者進(jìn)行研究。針對不同的應(yīng)用場景和設(shè)計目標(biāo)，各類文獻(xiàn)從不同的角度進(jìn)行了研究，其中具有代表性的工作如文獻(xiàn)[3-6]所示。筆者也對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的按需覆蓋與接入[7-9]、拓?fù)錁?gòu)建[10]和群體移動[11]等進(jìn)行了研究。近年來，無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要趨勢就是智能化，比如基于認(rèn)知無線電的思想[12-13]，使無人系統(tǒng)具備動態(tài)頻譜認(rèn)知和接入的能力，從而大大增強(qiáng)其靈活性和抗干擾能力。盡管通信組網(wǎng)的智能化已經(jīng)成為大勢所趨，也越來越被專家學(xué)者所重視[14-16]，但已有的文章主要通過智能算法使網(wǎng)絡(luò)中吞吐量、時延、網(wǎng)絡(luò)覆蓋等性能優(yōu)化，這些典型文獻(xiàn)都是對智能協(xié)議或算法進(jìn)行研究，極少對智能自主能力本身的評價方法進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[17-18]對無人機(jī)總體的自主性評估進(jìn)行了研究，但忽略了通信與組網(wǎng)方面在其中的重要性。

經(jīng)典的用于無人機(jī)系統(tǒng)自主能力評估的方法分為等級法[19-20]（如圖1(a)所示）、雙坐標(biāo)軸法、三坐標(biāo)軸法、查表法、蛛網(wǎng)模型（如圖1(b)所示）以及公式法[21]等。這些方法絕大部分都可完成對無人機(jī)系統(tǒng)自主能力的粗粒度定性分析，但仍存在3 個比較大的問題：1) 只能進(jìn)行定性或者粗粒度的定量分析，無法完成細(xì)化的定量分析；2) 難以考察各因素之間的邏輯關(guān)系和相互影響，在評估時存在重疊，因而難以給出準(zhǔn)確的、具有直接參考意義的定量評價結(jié)果；3) 這些方法的核心是基于單次評估或者多次評估的平均結(jié)果，無法反映無人機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)能力是高端無人機(jī)系統(tǒng)自主能力的一個重要體現(xiàn)，特別是隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，其重要性越來越突出。具備強(qiáng)學(xué)習(xí)能力的高端無人機(jī)系統(tǒng)，即使應(yīng)對相同的場景，其學(xué)習(xí)前后的表現(xiàn)也會有較大的差異，因為它可以從先前的經(jīng)驗中進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而改善其性能和表現(xiàn)。為了解決這3 個方面的問題，本文需要研究考慮多維因素、適用范圍較廣的定量自主能力分析方法，通過迭代評估體系來確定無人機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力。

本文針對無人機(jī)系統(tǒng)自主通信和組網(wǎng)方面的能力評估，提出一種多維度、多場景的迭代評估模型。該模型綜合性地考慮了無人機(jī)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力、自主決策能力、指令理解能力、計算及信息物理融合能力以及學(xué)習(xí)能力等典型的高端無人機(jī)特征，并全面地結(jié)合無人機(jī)在不同應(yīng)用場景下的性能，提出一種無人機(jī)系統(tǒng)綜合量化評估方法。

圖1 現(xiàn)有典型的定量分析方法

3 自主通信和組網(wǎng)能力構(gòu)成模型

自主或自主性是一個應(yīng)用很廣泛的詞，很多領(lǐng)域都有關(guān)于其的不同描述。一般而言，無人機(jī)系統(tǒng)的自主性是其擁有感知和分析、交流和協(xié)同、分析和決策以及指令理解能力的綜合體現(xiàn)。它以完成人類布置的任務(wù)為首要目標(biāo)，可以根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜性與環(huán)境的變化進(jìn)行動態(tài)自適應(yīng)，甚至是自我修正和學(xué)習(xí)，而這些都建立在無人機(jī)系統(tǒng)自主通信和組網(wǎng)能力的基礎(chǔ)上，因而無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信和組網(wǎng)能力也將由上述行為能力的多個關(guān)鍵技術(shù)綜合評定來確定。

3.1 環(huán)境自適應(yīng)能力

環(huán)境自適應(yīng)能力是指無人機(jī)系統(tǒng)對動態(tài)環(huán)境做出反應(yīng)并達(dá)到該環(huán)境下系統(tǒng)通信性能最優(yōu)的能力。無人機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)能力提高了系統(tǒng)的生存能力和任務(wù)完成能力，無疑是無人機(jī)系統(tǒng)自主能力的一個重要體現(xiàn)。無人機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)能力可從3 個方面進(jìn)行評估：物理環(huán)境自適應(yīng)、電磁環(huán)境自適應(yīng)和系統(tǒng)環(huán)境自適應(yīng)，如圖2 所示。

圖2 無人機(jī)系統(tǒng)環(huán)境自適應(yīng)能力需要應(yīng)對的3 種環(huán)境

環(huán)境自適應(yīng)能力體現(xiàn)在無人機(jī)系統(tǒng)與環(huán)境交互和系統(tǒng)內(nèi)交互的方方面面，逐一地進(jìn)行自適應(yīng)行為評估顯然不符合實際。不僅如此，不同的無人機(jī)系統(tǒng)所體現(xiàn)的自適應(yīng)方式也可能不盡相同。因此，無人機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)能力評估需要建立一套完善獨立的評估準(zhǔn)則，且能夠適用于不同的無人機(jī)系統(tǒng)。

評價自適應(yīng)能力的一般性思路是：當(dāng)環(huán)境發(fā)生了變化，性能在一定時間內(nèi)能夠很快恢復(fù)。相應(yīng)地，有2 個關(guān)鍵的指標(biāo)參數(shù)：1) 恢復(fù)時間（因為這一過程往往是通過迭代或不斷嘗試最終收斂完成的，可稱其為收斂時間）；2) 收斂后的性能相較于之前性能是否有損失。這樣，在某一次環(huán)境變化后，其自適應(yīng)能力可以表示為

其中，TI表示收斂時間；表示性能的損失；fI表示第一類性能函數(shù)，它是減函數(shù)。

3.2 指令理解能力

在無人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)過程中，最理想的狀態(tài)是一旦放飛后就不需要人的參與，其完全按照人的意圖來執(zhí)行整個任務(wù)。但要達(dá)到這個理想狀態(tài)還有很長的路要走，在很長一段時間內(nèi)，無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過程中的人機(jī)交互是必須的，而且該過程也體現(xiàn)了無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力的大小。

人機(jī)交互的目的是讓無人機(jī)系統(tǒng)理解人的要求并按照人的指令行動。對無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，由于其無線資源受限，需要占用盡可能少的無線資源完成信息的交互。因此，無人機(jī)指令理解能力可以從指令數(shù)據(jù)量和信息熵2 個方面來衡量，具體如下。

一方面，可以通過檢測無人機(jī)系統(tǒng)和人控終端的數(shù)據(jù)信息和指令數(shù)據(jù)的傳輸量來衡量無人機(jī)系統(tǒng)與人工交互的深度。一般而言，用戶輸入無人機(jī)系統(tǒng)的指令越多表明無人機(jī)的自主能力越差。

另一方面，可以通過綜合計算指令數(shù)據(jù)所包含的信息熵來衡量無人機(jī)系統(tǒng)的理解能力。信息熵是指數(shù)據(jù)信息中所包含的信息量。簡單來說，越具體的指令（其可能的變化越少）包含的信息量越少，越具體的指令也表明無人機(jī)系統(tǒng)的自主性越低。

綜上所述，指令理解能力可以通過單位指令包含的信息熵來描述，即

3.3 信息物理融合能力

“智能”很大程度反映在對資源的利用能力上。無人機(jī)系統(tǒng)可利用的資源主要包括計算資源、通信資源和移動控制資源。其中，計算主要側(cè)重于在消耗最少資源條件下如何通過計算迅速、可靠地解決問題，一般通過各種優(yōu)化算法實現(xiàn)；通信主要側(cè)重于在消耗最少資源條件下如何快速、可靠地傳遞信息，一般通過恰當(dāng)?shù)膫鬏敊C(jī)制實現(xiàn)，它是各種無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同的基礎(chǔ)；移動控制則側(cè)重于為了完成特定任務(wù)對無人機(jī)系統(tǒng)個體和群體的移動行為進(jìn)行高效控制。通信和計算可看作信息域操作，而移動控制直接應(yīng)對物理環(huán)境產(chǎn)生影響，可看作物理域操作，因此無人機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)上是一個信息物理融合系統(tǒng)（CPS,cyber-physic system）。這三者之間的耦合作用在無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同中尤其明顯，移動控制可以為通信網(wǎng)絡(luò)維持最佳的聯(lián)通性和拓?fù)?，通信可以為計算提供必須的外界信息，反過來，計算可以支持更準(zhǔn)確的移動控制、更高效的通信。三者之間計算資源和能力將起到核心作用，而它們的緊密耦合將決定無人機(jī)系統(tǒng)效能（或者理解為性能），如圖3 所示。

圖3 從CPS 的角度來看無人機(jī)系統(tǒng)效能

為了反映三者之間的耦合效應(yīng)，本文通過信息物理融合“效能函數(shù)”來反映計算、通信和移動控制3 個方面對無人機(jī)系統(tǒng)能力的貢獻(xiàn)程度[22]。效能函數(shù)的一般性表示為

其中，x、y和z分別表示通信能力、計算能力和移動控制能力；fIII表示第三類性能函數(shù)，它為增函數(shù)；B為用于有效數(shù)據(jù)通信和移動控制信令通信的總帶寬；k1、k2、k3和α、β、γ、δ分別為線性和指數(shù)效應(yīng)參數(shù)，它們都可以根據(jù)應(yīng)用場景和需求進(jìn)行調(diào)整。在式(3)的第三行，本文給出了一種近似的形式[22]。

在效能函數(shù)的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合無人機(jī)系統(tǒng)通信組網(wǎng)場景和任務(wù)，可探索計算、通信和移動控制3 個方面能力與效能的轉(zhuǎn)換規(guī)律，為全面評估無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信和組網(wǎng)能力提供支撐。如圖4 所示，三者之間存在一個最佳性能點（即best performance point，圖中圓點處），這個融合點可以通過人工調(diào)整獲得，也可以通過無人機(jī)系統(tǒng)自主調(diào)整獲得。圖4 中畫出了2 個曲面，其中上面的曲面是在更高計算能力的情況下畫出的，表示更高的計算能力，可以支持更高的整體性能。

3.4 學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力

學(xué)習(xí)與進(jìn)化能力是指無人機(jī)系統(tǒng)能夠從經(jīng)驗數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)并且改善性能的能力。學(xué)習(xí)能力是高端無人機(jī)系統(tǒng)自主性的主要體現(xiàn)，尤其是隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，其重要性越來越突出。具有強(qiáng)學(xué)習(xí)能力的無人機(jī)系統(tǒng)即使面對相同的應(yīng)用場景，其前后性能表現(xiàn)也會有很大差異，因為無人機(jī)系統(tǒng)可以從累計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)中進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而改善其性能。

直觀來講，無人機(jī)的學(xué)習(xí)能力主要體現(xiàn)在對某一固定場景前后兩次的差異上。因為針對不同場景的適應(yīng)能力，可以通過前面的自適應(yīng)性能力進(jìn)行評估。無人機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力的評估準(zhǔn)則應(yīng)該包括2 個方面：1) 在特定場景下無人機(jī)系統(tǒng)學(xué)習(xí)算法穩(wěn)定后的系統(tǒng)性能；2) 無人機(jī)系統(tǒng)在該場景下的學(xué)習(xí)速率。其中前者代表無人機(jī)系統(tǒng)能夠達(dá)到的最佳性能，后者代表達(dá)到最佳性能所需要的時間。因而，學(xué)習(xí)能力可表示為

其中，TIV表示學(xué)習(xí)時間，單位為s；表示第二次綜合性能相較于第一次綜合性能的提升，可用百分?jǐn)?shù)表示；fIV表示第四類性能函數(shù)，顯然它對TIV和而言分別是減函數(shù)和增函數(shù)。

圖4 無人機(jī)系統(tǒng)中信息物理耦合效應(yīng)示意

對于無人機(jī)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)學(xué)習(xí)穩(wěn)定后的最佳性能可以從環(huán)境自適應(yīng)、指令理解、自主決策和計算及信息物理融合能力4 個方面進(jìn)行衡量，學(xué)習(xí)速率可以通過單位時間內(nèi)性能的提升來計算。

3.5 自主通信與組網(wǎng)能力

在研究對無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力有關(guān)鍵貢獻(xiàn)的各項因素基礎(chǔ)上，本文需要進(jìn)一步將這些因素進(jìn)行整合，來計算無人機(jī)系統(tǒng)整體的自主通信與組網(wǎng)能力。

因為各分項因素之間相互影響和耦合，整體自主通信與組網(wǎng)能力不能簡單地通過求和獲得。這與無人機(jī)系統(tǒng)的信息物理耦合現(xiàn)象非常相似，但更復(fù)雜。在無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力的構(gòu)成模型中，信息物理融合也僅是其中一環(huán)，它與其他因素如環(huán)境自適應(yīng)、指令理解和自主決策等環(huán)環(huán)相扣、互相影響。更重要的是本文要建立可用于定量分析的自主通信與組網(wǎng)能力構(gòu)成模型。盡管蛛網(wǎng)模型可以用于各分項因素的定性或定量分析，但不能反映各因素之間的相互關(guān)系。整體而言，在給定條件下某一次（假設(shè)為第j次）無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力（用Aj來表示）將是各因素的函數(shù)

其中，Ψ{.}表示映射函數(shù)。

無人機(jī)系統(tǒng)各方面屬性間相互影響，在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換（比如信息物理融合能力的提高可以降低對環(huán)境自適應(yīng)能力的要求），但要準(zhǔn)確、定性地分析相互間的關(guān)系卻并非易事。現(xiàn)有的一些工作中利用馬爾可夫模型來分析各因素間的聯(lián)系，但馬爾可夫模型只能反映狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，而無人機(jī)系統(tǒng)的自主過程并不僅僅是狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，還存在各功能模塊的并行或串行操作。針對這一問題，本文可以基于無人機(jī)系統(tǒng)的信息流轉(zhuǎn)過程分析3.1 節(jié)～3.4節(jié)所介紹的多維能力間的關(guān)系和影響?；谛畔⒌牧鬓D(zhuǎn)過程進(jìn)行分析的好處是可以方便地把握自主通信和組網(wǎng)能力在各部分功能中起的作用，同時可清楚地理解各部分功能輸入和輸出間的關(guān)系，因此便于分析它們間的相互影響和關(guān)系，如圖5 所示。圖5 中的箭頭表示各部分的影響關(guān)系，單箭頭表示指向的一方對被指向的一方有影響（前者的輸出將作為后者的輸入），雙箭頭表示其所連接的雙方相互有影響。虛線框（感知和動作）表示無人機(jī)系統(tǒng)與外界的交互接口，不在本文討論的范圍內(nèi)，故不進(jìn)行討論。

圖5 各功能模塊間的相互影響和關(guān)系

3.6 關(guān)于性能函數(shù)的選擇

上述評估架構(gòu)中采用了多個性能函數(shù)，本文只是給出了這些函數(shù)的變化特性，并沒明確具體函數(shù)形式。本節(jié)依據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)不同能力在各個典型場景的具體情況，設(shè)計出一組函數(shù)簇，以提供一種解決方案。該函數(shù)簇共包含F(xiàn)1(x)、F2(x)、F3(x)、F4(x)這4 個減函數(shù)，其計算式分別為

若需要對增函數(shù)進(jìn)行擬合，只需要將x替換為1?x，則可將上述函數(shù)轉(zhuǎn)化成增函數(shù)簇。上述函數(shù)的曲線如圖6 所示。

圖6 性能函數(shù)簇實例

觀察圖6 可知，函數(shù)簇包含各個曲率的函數(shù)，能夠?qū)Ω鱾€典型環(huán)境下的無人機(jī)系統(tǒng)的不同能力進(jìn)行較好的擬合。例如，針對指令理解能力在對抗環(huán)境中的建模，由于在對抗場景中無人機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)離控制基站，因此需要減少交互以提高隱蔽性。而以上要求體現(xiàn)在擬合函數(shù)上則要求該性能能夠隨著指令數(shù)量的增多而迅速下降，因此F4(x) 是適合的擬合函數(shù)。

關(guān)于各能力要素到整體自主通信與組網(wǎng)能力的映射函數(shù)，可根據(jù)評估過程中更重視的方面來確定，因而并不唯一，也不應(yīng)該唯一，因為不同的應(yīng)用場景對無人機(jī)系統(tǒng)不同能力的要求不同，比如一些場景特別強(qiáng)調(diào)其可應(yīng)對不同環(huán)境的自適應(yīng)性，而另一些場景更強(qiáng)調(diào)其在固定環(huán)境下的最佳性能（信息物理融合能力）。一般來說，學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力的提升可以對其他各方面能力（包括環(huán)境自適應(yīng)、指令理解和自主決策能力）有一個極大的促進(jìn)，因此，本文認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)化能力對自主通信和組網(wǎng)能力有一個綜合加權(quán)的貢獻(xiàn)。此外，信息物理融合能力涵蓋了信息域和物理域的資源，以及通信、計算和控制等各方面的能力，其從一定程度上可以單獨來反映無人機(jī)的自主通信和組網(wǎng)能力?；谝陨戏治?，本文建立如下的一般性表達(dá)式來定性反映上述各方面能力對自主通信和組網(wǎng)能力指標(biāo)的貢獻(xiàn)，即

其中，a1、a2、a3、a4和τ、ω、ξ、ψ分別為線性和指數(shù)效應(yīng)系數(shù)，它們都可以根據(jù)應(yīng)用場景和需求進(jìn)行調(diào)整；Ψ函數(shù)為增函數(shù)，表示各單方面的能力都對自主通信和組網(wǎng)能力有一個綜合貢獻(xiàn)提升。

另外一個有益的思路是：不明確具體的函數(shù)形式，而將該模型看作一個黑盒子，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法（比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來訓(xùn)練，最終反映各因素對最終能力的影響。

4 評估方法

第3 節(jié)已經(jīng)詳細(xì)分析了無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力的各評估因素，并且對其能力構(gòu)成進(jìn)行了建模。接下來，本節(jié)將要從總體思路、典型應(yīng)用場景出發(fā)，構(gòu)建出具體普適性的多維因素、多場景的迭代評估方法。

4.1 總體思路

對于無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信與組網(wǎng)能力評估，除了上述各方面的具體評估以外，各項之間的關(guān)聯(lián)性也需要進(jìn)行研究確定，指令理解能力、環(huán)境自適應(yīng)能力、自主決策能力和信息物理融合能力四者之間的評估維度并不是完全正交的。環(huán)境自適應(yīng)能力強(qiáng)調(diào)無人機(jī)系統(tǒng)所需要的人機(jī)交互較少，其信息物理融合程度也可能較高。因此需要剔除重復(fù)成分的評估，減少對整體自主能力評估的客觀影響。為了進(jìn)行全面的評估，需要構(gòu)建典型的應(yīng)用場景，這些場景將從實際無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境中抽象出來，分為友好、障礙和對抗3 種，具體將在4.2 節(jié)進(jìn)行介紹。

更重要的是，為了適應(yīng)具有學(xué)習(xí)能力的智能無人機(jī)系統(tǒng)自主通信與組網(wǎng)能力的評估，需要采用迭代式評估方法進(jìn)行多次評估。因為學(xué)習(xí)能力會使無人機(jī)系統(tǒng)的通信組網(wǎng)性能越來越優(yōu)，這只有在相同場景下進(jìn)行多次迭代評估才能體現(xiàn)，最終形成一整套完善綜合的評估思路，如圖7 所示。當(dāng)然，該方法對不具備學(xué)習(xí)能力的無人機(jī)系統(tǒng)自主能力評價也同樣適用，此時只需完成一次迭代即可。

圖7 多維迭代式自主通信與組網(wǎng)能力評估

無人機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力將對其自主通信和組網(wǎng)能力起到非常關(guān)鍵的作用，學(xué)習(xí)能力相對于其他的能力也將具有更高的權(quán)重，在迭代評估過程中需要考慮這一點。本文進(jìn)行迭代評估的初步思路可表示為

其中，B k表示無人機(jī)系統(tǒng)最終在某個場景k下自主能力評估結(jié)果，Aj表示第j次評估獲得的自主能力結(jié)果，λj表示學(xué)習(xí)增益。例如，如果λj隨著j的遞增而增大，則表示更注重?zé)o人機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力；如果λj為一個固定值，則不能反映出學(xué)習(xí)能力的差異，因為這樣統(tǒng)計出的實際是各次評估的平均值。

4.2 典型應(yīng)用場景

針對無人機(jī)系統(tǒng)所面對的實際應(yīng)用場景，本文研究友好、障礙和對抗3種典型評估場景的構(gòu)建和模擬。

友好場景的主要特點與無人機(jī)預(yù)先設(shè)想的場景基本一致，并且當(dāng)無人機(jī)系統(tǒng)接受命令出發(fā)后該場景不會發(fā)生變化，該場景適用于無人機(jī)系統(tǒng)在己方執(zhí)行簡單的巡航探測或者貨物運輸?shù)热蝿?wù)場景，或者無人機(jī)群剛剛起飛，在飛往敵對區(qū)域的途中。

障礙場景的主要特點是無人機(jī)系統(tǒng)任務(wù)場景中存在靜態(tài)或動態(tài)的障礙物，這些障礙物的狀態(tài)和運動模式是確定的，不隨著無人機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)而改變，該場景對應(yīng)于未知的但不存在對抗的前線場景，比如無人機(jī)群在陌生地域執(zhí)行任務(wù)或到達(dá)敵我戰(zhàn)場交接地域。

對抗場景的主要特點是動態(tài)變化，且能對抗無人機(jī)系統(tǒng)做出的應(yīng)急決策，該場景更復(fù)雜也更貼近實戰(zhàn)，比如無人機(jī)群執(zhí)行任務(wù)被敵發(fā)現(xiàn)或戰(zhàn)爭開始被敵攻擊。這些場景的構(gòu)建將有利于更全面地評估無人機(jī)系統(tǒng)的自主能力，如圖8 所示。文獻(xiàn)[23]針對無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議評估構(gòu)建了幾個具體的典型場景，可供有興趣的讀者進(jìn)一步參考。

圖8 3 種典型場景下評估自主能力示意

將這些場景下分別得到的性能再根據(jù)對無人機(jī)在不同場景下的性能期望比值進(jìn)行融合，就可得到最終的無人機(jī)整體性能評估，即

其中，Bk(k∈{1,2,3})為3 種場景下的性能評估結(jié)果；πk為不同場景的融合比重參數(shù)，它由具體應(yīng)用對無人機(jī)在不同場景下的性能期望決定。

4.3 評估算法

對于最終評估函數(shù)的構(gòu)造，根據(jù)前面的分析，本文可以從單場景自主能力建模開始，擴(kuò)展到迭代式評估建模，最終再到多維度多典型場景綜合評估建模，即如圖9 所示計算無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信和組網(wǎng)能力。具體算法流程如算法1 所示。

圖9 評估過程示意

算法1無人機(jī)系統(tǒng)自主通信和組網(wǎng)能力評估方法

5 評估范例

本節(jié)針對在態(tài)勢偵查過程中的群體移動、地面用戶的按需覆蓋和特殊場景的拓?fù)錁?gòu)建3 個方面提出的算法進(jìn)行評估，雖然3 種算法的應(yīng)用場景各不相同，但其中都涉及通信組網(wǎng)的功能，因此本文對它們進(jìn)行抽象，然后在本文提出的架構(gòu)下進(jìn)行自主通信組網(wǎng)能力的評估和比較。值得說明的是，此實驗設(shè)置的主要目的是為了檢驗不同算法在本文所提評估模型中的通用性，并不是將這些算法進(jìn)行對比。

5.1 被評估的算法描述

在文獻(xiàn)[8,10-11]中，筆者分別提出了針對無人機(jī)集群在態(tài)勢偵查中的群體移動[11]、地面用戶提供通信服務(wù)的按需覆蓋[8]和一些特殊應(yīng)用（比如飛行表演、目標(biāo)搜索等）中的規(guī)則拓?fù)錁?gòu)建算法[10]，如圖10～圖12 所示。其中，算法1 為群體移動算法，在該算法下無人機(jī)集群能從初始點（方形位置）群體移動到目的地（五角星位置），在這個過程中保持通信網(wǎng)絡(luò)的鏈接性，圖10 顯示的是群體移動的動態(tài)過程；算法2 為按需覆蓋算法，該算法下無人機(jī)能根據(jù)地面用戶的分布完成按需分布，圖11 顯示2 種不同地面用戶分布情況下的部署結(jié)果；算法3 為拓?fù)錁?gòu)建算法，該算法下無人機(jī)可通過相互通信分布式完成4 種拓?fù)涞臉?gòu)建（如圖12 所示），圖中圓點為初始（最終）位置，線為軌跡。

整體而言，算法1 和算法2 能適應(yīng)有障礙物的場景，而算法3 不能；算法1 能根據(jù)之前的經(jīng)驗記憶和調(diào)節(jié)參數(shù)，因而有一定的學(xué)習(xí)能力，而其他2 種算法不能；另外，它們對信息物理融合能力也不相同，具體描述如表1 所示（這3 種算法都是分布式完成的，在執(zhí)行過程中都不需要指揮員的參與，因而具有相同的指令理解能力，故在表1 中不再比較）。

5.2 評估結(jié)果

1) 整體性能評估

圖10 群體移動算法

圖11 按需覆蓋算法

圖12 拓?fù)錁?gòu)建算法

根據(jù)前文的描述（如圖9 所示），本文對3 種算法進(jìn)行評估。為了便于說明過程，不區(qū)分無人機(jī)在各方面能力的比重，即各方面能力對無人機(jī)整體性能的影響是相同的，但為了體現(xiàn)學(xué)習(xí)能力，同樣的場景做了兩次評估并且第二次的性能是第一次性能權(quán)重的兩倍，即式(11)中λ2=2λ1。假設(shè)每一種場景下的性能都一樣重要，因此在計算C時，本文用的權(quán)重值相同，即π1=π2=π3。同時，為了能對整體進(jìn)行比較，評估的結(jié)果也做了歸一化處理（1 表示最高的能力）。評估的過程和結(jié)果如表2 所示。

從評估過程可以得到以下3個結(jié)論。1)該評估過程給出的結(jié)果跟傳統(tǒng)的蛛網(wǎng)法一致，可以大體比較不同算法的性能優(yōu)劣（比如算法1 最優(yōu)），但更重要的是，本文提出的方法給出的是定量結(jié)果而不是定性結(jié)果；2) 整體而言，在本文評估過程中，由于算法1 考慮了多種環(huán)境的適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，在自主通信和組網(wǎng)方面性能更優(yōu)，如果更加注重對抗場景下的性能，該算法的性能將更加明顯；3) 評估過程體現(xiàn)出了對學(xué)習(xí)能力重要性的考慮，以友好環(huán)境下的評估為例，算法1 的(A1+A2)=算法2 的(A1+A2)＜算法3 的(A1+A2)，但再進(jìn)一步計算B時可以得到，算法1 的B1卻成為了三者中的最大值。這也說明該架構(gòu)可以非常靈活地根據(jù)實際應(yīng)用場景進(jìn)行調(diào)整，接下來將對其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

表1 3 種被評估算法在各方面能力上的區(qū)別

表2 自主通信與組網(wǎng)評估結(jié)果

2) 關(guān)于評估參數(shù)的使用

上面的評估結(jié)果中，本文沒有特意強(qiáng)調(diào)不同應(yīng)用場景對無人機(jī)能力在不同方面的要求差異。實際上這些差異可以很方便地在評估公式中體現(xiàn)，也就是說人們可以很方便地通過調(diào)節(jié)公式中的評估參數(shù)來強(qiáng)調(diào)不同應(yīng)用場景下對無人機(jī)各方面能力的不同要求。下面，本文以信息物理融合能力的評估（即式(3)）為例來進(jìn)行說明。

圖13 所示為無人機(jī)信息物理融合能力隨著移動控制性能增強(qiáng)的變化曲線?？梢钥吹剑菏紫?，在給定資源情況下，過多地強(qiáng)調(diào)移動控制會造成通信和計算資源的下降，系統(tǒng)的總體性能也會下降，因此有一個最佳值；其次，通過調(diào)節(jié)指數(shù)或者線性效應(yīng)參數(shù)都能引起整體融合能力曲線的變化，也即能反映計算、通信、移動控制對整體性能的不同貢獻(xiàn)。

因此，根據(jù)實際情況，通過分別（或聯(lián)合）調(diào)整線性效應(yīng)參數(shù)和指數(shù)效應(yīng)參數(shù)，可以方便地獲得效能函數(shù)的變化趨勢，進(jìn)而來區(qū)分對計算、通信、移動控制3 個方面能力有不同要求的場景。

圖13 信息物理融合能力隨參數(shù)的變化曲線

無人機(jī)系統(tǒng)由于需要電池供電，其能耗往往是需要重點考慮的關(guān)鍵因素。而通過信息物理的融合可以顯著達(dá)到節(jié)能的效果。本文設(shè)置了一個仿真場景：2 個距離1 000 m 的無人機(jī)，中間有障礙物遮擋。在這樣的陰影衰落信道場景下，數(shù)據(jù)分組會有大量的發(fā)送錯誤，因而需要增大發(fā)送功率重傳。反之，如果無人機(jī)系統(tǒng)能在允許的范圍內(nèi)移動一下位置，可能會顯著降低衰落的影響（當(dāng)然無人機(jī)的移動也會帶來額外的能量消耗）。圖14 為無人機(jī)系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)幀長度下的仿真對比結(jié)果，它顯示了3種情況：只調(diào)整發(fā)送功率而不移動、只進(jìn)行位置調(diào)整而不增加發(fā)送功率、聯(lián)合進(jìn)行發(fā)送功率與飛行位置的優(yōu)化?？梢园l(fā)現(xiàn)，通過移動控制比單純調(diào)整發(fā)射功率更節(jié)能，而聯(lián)合進(jìn)行移動和通信功率的控制效果最好。

圖14 聯(lián)合利用通信功率和移動控制可顯著降低無人系統(tǒng)能耗

5.3 關(guān)于能力權(quán)重的討論

另外一個值得討論的問題是環(huán)境自適應(yīng)能力（FAdpt）、指令理解能力（FUI）、信息物理融合能力（FCPS）和學(xué)習(xí)進(jìn)化能力（FLearn）在性能評估中映射函數(shù)的設(shè)置及其影響問題。在上面的評估結(jié)果中，為了突出重點對其進(jìn)行了簡化，即假設(shè)它們的線性系數(shù)是相同的。

關(guān)于映射函數(shù)中系數(shù)設(shè)置的原則。各部分能力的系數(shù)設(shè)置一定是依據(jù)具體的應(yīng)用和用戶的期望/需求進(jìn)行設(shè)置的。比如，根據(jù)應(yīng)用需求，用戶更期望無人機(jī)系統(tǒng)有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，則將FAdpt的系數(shù)設(shè)置的更高；如果用戶更希望保護(hù)控制站不被泄露，無人機(jī)系統(tǒng)能自主完成任務(wù)而減少與控制站的交互，則可將FUI的系數(shù)設(shè)置更高；如果更注重?zé)o人機(jī)系統(tǒng)的智能化水平，即自主學(xué)習(xí)的能力，則可將FLearn的系數(shù)設(shè)置在較高的水平。

關(guān)于系數(shù)設(shè)置的方法。系數(shù)的設(shè)計既有針對具體應(yīng)用場景的客觀性，也有用戶期望的主觀性，其具體設(shè)置時有2 種思路：1) 基于專家系統(tǒng)，依賴于以往的數(shù)據(jù)和專家的評估經(jīng)驗；2) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將得到的評估數(shù)據(jù)和期望結(jié)果作為輸入，將系數(shù)設(shè)置及其相關(guān)性作為輸出，通過不斷訓(xùn)練得到恰當(dāng)?shù)南禂?shù)結(jié)果。

6 結(jié)束語

目前，大量無人機(jī)系統(tǒng)自主性的關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，但關(guān)于定量分析無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信和組網(wǎng)能力至今沒有得到很好解決。本文面向?qū)嶋H需求，針對面向復(fù)雜和對抗環(huán)境的無人機(jī)系統(tǒng)，從多個要素方面分析了無人機(jī)系統(tǒng)的自主通信和組網(wǎng)能力及其相互關(guān)系，嘗試建立無人機(jī)系統(tǒng)自主通信和組網(wǎng)能力構(gòu)成模型，解決以往主要依靠定性分析來確定無人機(jī)系統(tǒng)自主能力的問題。本文提出基于多次迭代的評估方法，在評估無人機(jī)系統(tǒng)自主決策、指令理解、信息物理融合、自適應(yīng)能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步量化了其學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力。最后通過友好、障礙、對抗3 種典型場景的構(gòu)建和性能，提出一套具有普適意義的無人機(jī)系統(tǒng)自主通信和組網(wǎng)能力的定量評估方法，希望能對讀者在智能無人機(jī)系統(tǒng)性能評估和智能算法設(shè)計上有所啟發(fā)，更希望能得到同仁的批評。