智能火炮武器系統(tǒng)研究綜述

楊維，趙凱，耿修堂，王越，劉學超

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099 )

21世紀以來，世界主要國家在大力推進以隱身、智能、多功能為主要特征裝備的同時，積極面向未來，從戰(zhàn)略和體系上謀劃下一代武器裝備發(fā)展，加快構建攻防兼?zhèn)溲b備體系[1]。未來作戰(zhàn)向非接觸、非對稱、零傷亡變革，由此以遠程遙控、態(tài)勢感知、目標識別、輔助決策、精確毀傷等特征的智能火炮需求明確，并對未來戰(zhàn)爭模式產生較大影響。目前以智能化為典型特征的火炮技術發(fā)展較快，由于智能化、無人化火炮具有持續(xù)行動能力強、少人員傷亡、長期無人值守等特點，可用于快速機動、遠程偵查、情報處理和火力打擊等作戰(zhàn)和支援任務。

1 國外智能火炮武器發(fā)展現(xiàn)狀及定義

近年來，以美國和俄羅斯為代表的諸多國家持續(xù)進行了無人化、智能化火炮裝備研究。美國研制了“黑騎士”、“魔爪”系列、ARV-A智能化無人火炮，其中“黑騎士”智能火炮具備30 mm速射炮火力系統(tǒng)、全地形通過能力，全頻譜感知器組、完善的戰(zhàn)術數據鏈以及先進的人工智能指揮系統(tǒng)，如圖1所示[2]。作戰(zhàn)試驗中，配合單兵、“布雷德利”等模擬了信息共享、聯(lián)合戰(zhàn)斗編組等一系列聯(lián)合戰(zhàn)斗模式，顯示了其遂行多任務的能力和未來發(fā)展的潛力。

俄羅斯軍工企業(yè)推出了11種不同戰(zhàn)斗全重級別的智能無人火炮，較為典型的有“平臺-M”、BAS-01G BM“戰(zhàn)友”、“天王星-9”，如圖2所示[3]。敘利亞戰(zhàn)爭中，俄軍派出了包含1個榴彈炮群、6輛無人戰(zhàn)車和4輛偵察車，并由遠程進行作戰(zhàn)指揮。實戰(zhàn)中，70多名恐怖武裝分子被擊斃，敘利亞政府軍無一陣亡，取得了很好的實戰(zhàn)效果。

智能火炮武器系統(tǒng)是將人工智能技術應用于火炮武器任務理解、目標探測、作戰(zhàn)指揮、行動控制等作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，使火炮武器具有自主感知、自主判斷、自主決策、自主行動和自主協(xié)同的能力，實現(xiàn)從探測、跟蹤、打擊到毀傷目標整個作戰(zhàn)過程的局部自主性或完全自主性。只有當火炮武器具備了“自主”的特征和“智能”的能力[4]，才能稱得上智能化武器裝備。

2 火炮武器系統(tǒng)的智能化內涵

基于火炮武器作戰(zhàn)流程，形成對應的智能作戰(zhàn)控制系統(tǒng)OODA(Observe-Orient-Decide-Act)[5]循環(huán)如圖3所示。每個循環(huán)點對應的智能化內涵如下：

觀察(Observe)：主要包括兩方面內涵，一是任務理解：任務理解以作戰(zhàn)場景、指令集和知識庫為支撐，為作戰(zhàn)行動序列方案生成提供支撐；二是目標探測：以作戰(zhàn)場景和對應的知識庫為輸入，基于探測器完成地形地貌探測、戰(zhàn)場目標搜索和探測，基于狀態(tài)傳感器完成智能火炮平臺信息感知。

判斷(Orient)：以觀察結果和對應的知識庫為輸入，基于深度學習卷積神經網絡目標檢測與識別方法，重點完成目標識別，在此基礎上進行知識推理，完成戰(zhàn)場態(tài)勢認知。

決策(Decide)：以戰(zhàn)場態(tài)勢、火力特性和目標特性知識庫為輸入，基于深度強化學習等人工智能算法，完成編隊、打擊協(xié)同輔助決策及目標毀傷評估。

行動(Act)：以觀察、判斷、決策結果為輸入，控制火炮武器系統(tǒng)完成自主打擊。

3 智能火炮武器的主要特征

3.1 以“認知”為基礎的智能控制

面對現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境高度的復雜性、動態(tài)性和不確定性，智能火炮在情報獲取、目標探測、火力打擊等各階段應對相關信息域中的態(tài)勢要素進行感知與學習，提取經驗與知識，并用于戰(zhàn)斗中的估計、分類、決策和控制，實現(xiàn)智能認知[6-7]。

3.2 基于“有中心”及“無中心”的智能協(xié)同

在未來相當長的一段時間內，無人作戰(zhàn)平臺難以取代有人作戰(zhàn)平臺獨立完成復雜的作戰(zhàn)任務。因此采用有人/無人編組智能協(xié)同作戰(zhàn)[8]發(fā)揮火炮武器綜合作戰(zhàn)效能成為未來戰(zhàn)爭的一種應用模式，是指有人智能火炮武器帶領一群無人智能火炮武器，各無人智能火炮武器在較高自主性等級的指令下工作，實現(xiàn)有人裝備與無人裝備間的互信協(xié)同作戰(zhàn)。

3.3 基于“資源池”模式的能力柔性重組

各武器平臺利用“資源池”實現(xiàn)跨平臺式的實時預警、信息融合、指揮控制、目標識別、協(xié)同跟蹤、協(xié)同打擊等功能，打破原有火力單元與探測單元、信息處理單元、執(zhí)行單元“硬連接”的設計思想，通過資源整合，將其充分解耦，實現(xiàn)“軟連接”，使武器系統(tǒng)具有良好的“柔性”和擴展性[9]。

3.4 “算法”和“算力”將成為戰(zhàn)爭勝負的關鍵

借助人工智能算法，智能火炮可實現(xiàn)對態(tài)勢信息的認知處理，對自身狀態(tài)信息的有效監(jiān)控，以及全壽命周期的健康管理；可運用深度學習等技術形成作戰(zhàn)策略，進一步發(fā)揮機器的優(yōu)勢。“算力”是人工智能支撐基礎之一，算力的強弱從根本上反應了火炮智能化水平和對算法的執(zhí)行能力。

4 智能火炮武器的系統(tǒng)架構

智能火炮武器借助人工智能技術從而具備感知、決策、控制和反饋能力。典型智能火炮武器的系統(tǒng)架構如圖4所示，智能火炮武器系統(tǒng)一般由智能感知系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和智能反饋系統(tǒng)組成[10]。

4.1 智能感知系統(tǒng)

智能感知系統(tǒng)是指通過傳感器和衛(wèi)星等模塊來偵察、探測和收集各類戰(zhàn)場信息，例如紅外感應、可見光圖像、雷達回波、激光回波、地形地勢等信息。采用機器視覺、語音識別、神經網絡等人工智能技術，實現(xiàn)全天候、全地形條件下對空中目標、地面目標、戰(zhàn)場環(huán)境的智能感知，形成多角度、多頻譜、多特性的戰(zhàn)場態(tài)勢，使武器裝備具有戰(zhàn)場態(tài)勢的全局理解和認知能力。

4.2 智能決策系統(tǒng)

智能決策系統(tǒng)以戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知結果、外部數據接入信息、武器平臺狀態(tài)、火力特性和目標特性為輸入，采用深度學習、專家系統(tǒng)等人工智能技術，通過任務規(guī)劃理解、目標探測識別、態(tài)勢感知推理、作戰(zhàn)智能決策，以及自動化執(zhí)行的綜合集成，形成火炮作戰(zhàn)智能決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)火炮武器裝備自主識別、自主判斷和自主決策。

4.3 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)以智能決策結果、智能反饋為輸入，主要通過智能裝填、智能跟蹤解算、動態(tài)集群式作戰(zhàn)中智能安全管控及智能驅動算法實現(xiàn)對火炮武器平臺的執(zhí)行機構進行智能驅動控制。

4.4 智能反饋系統(tǒng)

智能反饋系統(tǒng)通過信息化、智能化傳感器，將智能彈藥引信、目標毀傷圖像、彈目偏差、火炮武器平臺狀態(tài)等信息反饋至智能決策及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能彈藥控制、系統(tǒng)閉環(huán)校射、毀傷等級評估及系統(tǒng)健康管理，提升智能火炮武器的精確打擊能力、故障預測及維護保養(yǎng)能力。

5 火炮武器系統(tǒng)智能化涉及的關鍵技術

5.1 戰(zhàn)場態(tài)勢智能認知技術

態(tài)勢認知是在態(tài)勢感知和數據整合的基礎上，對戰(zhàn)場態(tài)勢判讀、理解和預測，進行態(tài)勢分析[11]。由于火炮武器的探測傳感器數量有限且受視場、頻段、抗干擾能力及探測精度的限制，比如雷達易受電磁干擾，紅外、電視、激光在惡劣氣候條件下威力嚴重下降，很難做到戰(zhàn)場態(tài)勢的全面?zhèn)刹楹涂陀^理解，因此，未來需在網絡信息體系架構下將不同平臺上覆蓋寬廣地域、頻域的各種有源和無源探測器實現(xiàn)共享，從多角度、多頻譜、多特性對環(huán)境進行多維度感知。將人工智能的理論和方法應用于情報處理，建立多類知識庫、規(guī)則庫，以及各類特征庫，利用積累的知識指導信息融合、目標識別與態(tài)勢評估，將“信息”轉化為“知識”，并最終上升為指揮員的“認知”，實現(xiàn)認知層面態(tài)勢的自動生成和可視化呈現(xiàn)，滿足武器系統(tǒng)“看得見”、“辨得明”的戰(zhàn)場感知能力要求。

5.2 復雜背景下目標的智能識別技術

穩(wěn)定獲取目標類型、目標位置、目標速度、目標航跡，是火炮武器平臺實施精確有效打擊、敵我態(tài)勢威脅評估的前提。未來海陸空天戰(zhàn)爭中，目標數量日益增多，機動強度越來越高，電磁環(huán)境十分惡劣，但傳感器和直接識別技術已經越來越不能完成識別打擊目標的作用，因此必須使用目標智能識別的方式進行識別。智能識別是利用雷達、光電、頻譜感知儀等多類傳感器所收集到的多種目標屬性信息，綜合出準確的目標屬性，進行目標類型、作戰(zhàn)意圖識別。利用人工智能技術構建自主學習的智能識別框架，融合以無監(jiān)督學習的方式學習和半監(jiān)督式的學習方法，采用自學習的機器學習方法來綜合利用標注和未標注的數據提高學習出的模型，使算法平臺具有對環(huán)境的適應能力和自我進化能力，提高復雜背景下的目標識別精度。

5.3 智能輔助決策技術

在感知、認知以及數據融合與挖掘的基礎上，利用專家系統(tǒng)、模糊控制、深度學習人工智能算法進行智能學習和計算，根據敵方戰(zhàn)術意圖、目標類型和行為預測、武器平臺狀態(tài)，實施生成作戰(zhàn)方案，完成地面陣地智能調配、火力智能分配、火炮武器智能協(xié)同等一系列打擊策略，實現(xiàn)決策的快速性和精確性。圖5為一種人-機協(xié)同混合智能輔助決策系統(tǒng)結構，利用人工智能擅長海量存儲、快速搜索、快速精確計算及人類智能擅長抽象思維、推理、學習的特點，使二者優(yōu)勢互補，實現(xiàn)更高級、更魯棒、更增強的智能。

5.4 智能控制技術

智能控制以現(xiàn)代控制理論、計算機技術、運籌學、人工智能等學科為基礎，并對相關理論和技術進行了擴展，其中應用較多的有神經網絡、模糊控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應控制、自組織控制、自學習控制等技術?；鹋谖淦骺刂葡到y(tǒng)是一個非線性、時變、多變量的復雜控制系統(tǒng)，除了要保證精確控制以外，還必須具備較高的反應速度和抗擾能力?；鹋谖淦鞯闹悄芸刂萍夹g一般包括：高可靠彈藥敏捷智能裝填技術、動態(tài)集群式作戰(zhàn)中的智能安全控制技術、基于在線毀傷概率計算的智能火控解算技術和基于自適應模糊控制的智能隨動驅動技術。

5.5 智能健康管理技術

健康管理是利用各類先進傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)運行的各類狀態(tài)參數及特征信號，借助各種智能推理算法和模型評估武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)，在故障發(fā)生前對故障進行預測，并結合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障決策[12]。通過預埋多種類型傳感器，實時測量火炮武器關鍵組件的振動和位移、身管溫度、膛壓和溫度、彈丸初速、液壓油溫、電機溫度、電壓及電流，積累裝備全壽命周期中的大量數據，建立火炮武器知識庫和預測模型，采用基于數據驅動的故障預測技術完成多源海量數據知識挖掘，實現(xiàn)對火炮武器裝備的異常預測和效能評估，有效提高火炮武器的可用度和任務可靠性，降低壽命周期費用，提高火炮武器綜合保障能力。智能健康管理技術主要依賴BIT技術、專家系統(tǒng)的知識和經驗、機器學習技術，實現(xiàn)裝備的診斷/預測/評估/決策任務。根據美軍綜合數據統(tǒng)計，F(xiàn)35的自主保障系統(tǒng)使設備故障減少50%，維護人員減少20%～40%，飛機執(zhí)行任務的架次增加25%.

6 結束語

智能化武器裝備必將推動信息化戰(zhàn)爭形態(tài)由“數字化+網絡化”的初級階段向“智能化+類人化”的高級階段加速演進。目前人工智能技術在火炮武器裝備領域應用才剛剛起步，應抓住機遇，積極推動人工智能在火炮領域的技術研究和應用，使火炮綜合作戰(zhàn)能力顯著提升，推動火炮技術發(fā)展。