無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)概念模型研究

吳 濤,馮偉強(qiáng),張 昊

(海軍指揮學(xué)院,江蘇 南京 210016)

無人機(jī)蜂群是利用陸基、?；蚩栈绕脚_(tái)搭載的大量低成本、多載荷小型無人機(jī),在預(yù)定區(qū)域釋放或發(fā)射后形成的具備功能分布、自主協(xié)同和集群智能等典型特征的無人機(jī)機(jī)群。無人機(jī)蜂群可通過態(tài)勢(shì)感知和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集群態(tài)勢(shì)共享,具備編隊(duì)飛行、航路規(guī)劃、目標(biāo)分配等自主控制和決策功能,能夠遂行偵察引導(dǎo)、誘騙干擾、協(xié)同攻擊等多種作戰(zhàn)任務(wù)。

當(dāng)前無人機(jī)裝備建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段,對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的建模與仿真研究是開展無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)理論的重要支撐。目前對(duì)無人機(jī)蜂群的建模仿真研究重點(diǎn)集中在算法研究和技術(shù)開發(fā)層面,包括航路規(guī)劃、任務(wù)分配、編隊(duì)控制、集群協(xié)同避障等,國(guó)內(nèi)外對(duì)于無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)運(yùn)用的建模仿真還比較少。建立無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)仿真模型及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先要對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)行動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的過程論證和概念分析,以便研究人員從中提取無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及行為等關(guān)鍵要素和特征,并根據(jù)各要素之間的相互關(guān)系對(duì)其進(jìn)行精確描述,從而形成軍事人員和建模仿真人員都能夠理解和認(rèn)可的概念知識(shí)體,為構(gòu)建無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)仿真模型及系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 概念模型建模方法

軍事概念模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界軍事活動(dòng)的第一次抽象,是軍事人員和系統(tǒng)分析人員根據(jù)作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)和應(yīng)用范圍等對(duì)各類軍事實(shí)體、任務(wù)、行動(dòng)、交戰(zhàn)、指揮控制和作戰(zhàn)環(huán)境等軍事活動(dòng)要素的結(jié)構(gòu)化的規(guī)范描述,是數(shù)學(xué)邏輯模型建立的依據(jù),也是仿真模型以及作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的校核、驗(yàn)證和確認(rèn)(VV&A)的參照。概念建模方法包括對(duì)使命空間進(jìn)行概念分析的方法以及將分析所得信息進(jìn)行描述的方法,概念分析側(cè)重于思維,概念描述側(cè)重于形式。概念模型通常用形式化的語言來描述。目前按照概念模型描述來分類時(shí),概念建模方法可分為兩類:1)基于過程的概念建模方法,采用分析事物客觀活動(dòng)規(guī)律的方式進(jìn)行建模,如基于IDEF的概念建模方法、基于XML的概念建模方法等;2)基于實(shí)體的概念建模方法,采用面向?qū)ο蠓治龅姆椒ㄟM(jìn)行設(shè)計(jì),如基于UML的概念建模方法等。

無人機(jī)蜂群作為新質(zhì)作戰(zhàn)力量具有功能分布、自主協(xié)同以及集群智能等新特點(diǎn),使得無人蜂群相比于簡(jiǎn)單無人機(jī)編隊(duì),其技術(shù)機(jī)理和作戰(zhàn)運(yùn)用方法發(fā)生了重大變化,因此，現(xiàn)有建模方法難以準(zhǔn)確描述無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)行動(dòng)。對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)行動(dòng)建模需要進(jìn)一步考慮以下需求:一是如何描述單無人機(jī)平臺(tái)的個(gè)體行為,包括局部感知、自主導(dǎo)航、路徑跟蹤、自主避障礙等個(gè)體行為能力；二是如何描述無人機(jī)蜂群的群智行為,包括信息共享、信息融合、協(xié)同攻擊、任務(wù)規(guī)劃、航路規(guī)劃、飛行編隊(duì)自主控制等群體行為能力;三是如何描述無人機(jī)蜂群的內(nèi)外部交互關(guān)系,通常包括內(nèi)外部?jī)煞N關(guān)系:1)蜂群外部交互關(guān)系,即蜂群指控中心、任務(wù)蜂群和目標(biāo)等作戰(zhàn)實(shí)體之間的交互關(guān)系，2)蜂群內(nèi)部不同功能個(gè)體之間的網(wǎng)絡(luò)交互關(guān)系。為支撐對(duì)抗條件下無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的建模與仿真,本文在實(shí)體行為網(wǎng)絡(luò)交互(EBNI:Entity Behavior Network Interaction)建?？蚣艿幕A(chǔ)上,以無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)為例,建立了無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)軍事概念模型。

2 基于EBNI的無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)概念模型

2.1 實(shí)體描述

軍事概念模型中的實(shí)體是指參與作戰(zhàn)行動(dòng)的裝備、人員以及組織等。每類實(shí)體都有不同的屬性,主要用于描述實(shí)體狀態(tài)的變化。實(shí)體屬性既可以繼承自實(shí)體的父類,也可以是自己獨(dú)有。根據(jù)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)運(yùn)用仿真的目標(biāo)和要求,將無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)作為軍事概念建模的用例,確定了無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)中實(shí)體描述的顆粒度。參與這一過程的實(shí)體包括運(yùn)載平臺(tái)、單無人機(jī)平臺(tái)、無人機(jī)蜂群、無人機(jī)蜂群指控中心、無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)施反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的水面艦艇等實(shí)體,在無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)過程中,這6類實(shí)體主要描述和任務(wù)清單如下:

運(yùn)載平臺(tái)實(shí)體:主要描述發(fā)射、釋放或回收無人機(jī)的運(yùn)載平臺(tái)屬性,運(yùn)載平臺(tái)可以是運(yùn)輸機(jī)、驅(qū)護(hù)艦、戰(zhàn)斗機(jī)或潛艇等。

單無人機(jī)實(shí)體:主要描述作為蜂群基本組成單元的無人機(jī)個(gè)體的屬性,可基于無人機(jī)裝備的戰(zhàn)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)視角建立無人機(jī)個(gè)體屬性模型。鑒于目前無人機(jī)蜂群裝備的發(fā)展現(xiàn)狀,無人機(jī)通常是小型且載荷有限,不能同時(shí)攜帶雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、武器彈藥等多類載荷系統(tǒng),因此在對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)中根據(jù)無人機(jī)載荷不同,單無人機(jī)分為偵察引導(dǎo)、干擾誘騙、對(duì)艦打擊。

無人機(jī)蜂群實(shí)體:描述作為整體的無人機(jī)蜂群的屬性,主要說明無人機(jī)蜂群內(nèi)部個(gè)體成員間的層次關(guān)系和指揮協(xié)同關(guān)系,為構(gòu)建無人機(jī)蜂群屬性模型、無人機(jī)蜂群隊(duì)形模型以及執(zhí)行不同任務(wù)的無人機(jī)蜂群間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等模型提供支撐。由于受通信范圍和個(gè)體作戰(zhàn)能力限制,蜂群中的無人機(jī)個(gè)體并非兩兩均構(gòu)成聯(lián)系,而是存在一定的等級(jí)關(guān)系。因此在無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)概念模型描述中,無人機(jī)蜂群分為指控節(jié)點(diǎn)和協(xié)同節(jié)點(diǎn)。指控節(jié)點(diǎn)可對(duì)一定范圍內(nèi)的無人機(jī)蜂群進(jìn)行指揮控制,其有效通信范圍的其他無人機(jī)個(gè)體設(shè)置為協(xié)同節(jié)點(diǎn);同時(shí)為避免單個(gè)指控節(jié)點(diǎn)損失或失效造成其他協(xié)同節(jié)點(diǎn)失能,蜂群中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的指控或協(xié)調(diào)角色可根據(jù)任務(wù)需要和通信狀態(tài)靈活設(shè)置。為描述無人機(jī)蜂群的集群運(yùn)動(dòng)、實(shí)時(shí)避障等群智行為,在無人機(jī)蜂群實(shí)體中可設(shè)置引領(lǐng)節(jié)點(diǎn)和跟隨節(jié)點(diǎn)等屬性的描述,為構(gòu)建無人機(jī)編隊(duì)飛行控制算法提供支持。

無人機(jī)蜂群指控中心實(shí)體:主要描述無人機(jī)蜂群控制中心的相關(guān)屬性,主要通過衛(wèi)星或數(shù)據(jù)鏈通信鏈路以及導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂群的指揮與控制。

無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)實(shí)體:主要描述無人機(jī)蜂群之間的自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的屬性以及在對(duì)抗過程中由蜂群自適應(yīng)行為導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化,為蜂群行為建模提供支持,是網(wǎng)絡(luò)空間的虛擬實(shí)體。

水面艦艇實(shí)體:主要描述水面艦艇的機(jī)動(dòng)能力、探測(cè)能力、電磁能力、各類武器的使用效能、毀傷以及抗毀傷能力。

2.2 行為描述

軍事概念模型中,行為包括實(shí)體可以執(zhí)行的任務(wù)、動(dòng)作或任務(wù)過程,也稱行動(dòng)。行動(dòng)通常有明確目標(biāo),由某個(gè)實(shí)體執(zhí)行且有一定的時(shí)間跨度。行為模型主要描述行為的觸發(fā)條件、結(jié)束條件以及行為執(zhí)行主客體的屬性和狀態(tài)的變化過程。對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)行動(dòng)進(jìn)行建模,首先需要對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)行動(dòng)過程進(jìn)行描述,此處以無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)行動(dòng)為例進(jìn)行分析和描述。無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)行動(dòng)建模如圖1所示。

圖1 無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)行動(dòng)建模示意圖

1)無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)行動(dòng)流程

① 無人機(jī)蜂群形成。運(yùn)載平臺(tái)在安全區(qū)域發(fā)射無人機(jī),無人機(jī)在空中預(yù)定區(qū)域集結(jié)編隊(duì),形成無人機(jī)蜂群。無人機(jī)蜂群通過衛(wèi)星或數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡(luò)與蜂群控制站建立連接,蜂群內(nèi)部則通過自組織網(wǎng)絡(luò)建立內(nèi)部連接。蜂群控制站根據(jù)目標(biāo)任務(wù)、無人機(jī)載荷情況等對(duì)蜂群進(jìn)行任務(wù)分配、航路規(guī)劃等。對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)描述中將無人機(jī)蜂群根據(jù)任務(wù)不同分為偵察引導(dǎo)、干擾誘騙、對(duì)艦打擊等3類無人機(jī)蜂群,航路規(guī)劃和任務(wù)分配完畢后,無人機(jī)蜂群向目標(biāo)區(qū)機(jī)動(dòng)。

② 偵察識(shí)別。負(fù)責(zé)偵察引導(dǎo)任務(wù)的無人機(jī)蜂群攜帶雷達(dá)、紅外和光電等偵察探測(cè)設(shè)備,在具有無人機(jī)蜂群指控能力的有人機(jī)或無人機(jī)的指揮與控制下,對(duì)預(yù)警機(jī)難以識(shí)別的遠(yuǎn)距離水面目標(biāo)實(shí)施抵近偵察,每架無人機(jī)可將偵察探測(cè)的目標(biāo)信息通過蜂群網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匯聚、融合、識(shí)別和處理,形成戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)態(tài)勢(shì)。

③ 欺騙干擾。負(fù)責(zé)欺騙干擾的無人機(jī)攜帶電子偵察和干擾設(shè)備,在具有無人機(jī)蜂群指控能力的有人機(jī)或無人機(jī)的指揮與控制下,模擬有人機(jī)的信號(hào)特征,誘導(dǎo)敵水面艦艇預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)開機(jī),暴露信號(hào)特征,同時(shí)吸引水面艦艇的防空火力,為后續(xù)兵力的突擊行動(dòng)提供支援。

④ 協(xié)同攻擊。負(fù)責(zé)攻擊艦艇的無人機(jī)可利用自身數(shù)量多、雷達(dá)紅外特征弱的特點(diǎn),在具有無人機(jī)蜂群指控能力的有人機(jī)或無人機(jī)的指揮與控制下,攜帶多種類型的武器彈藥,從多個(gè)方向?qū)λ媾炌?shí)施飽和攻擊,主要對(duì)水面艦艇的雷達(dá)、通信、武器、艦島等艦面重要設(shè)備設(shè)施和人員實(shí)施打擊,降低其作戰(zhàn)能力,為后續(xù)兵力的補(bǔ)充打擊提供支持。

⑤ 打擊效果評(píng)估。攻擊無人機(jī)群對(duì)艦打擊完成后,偵察無人機(jī)群可抵近水面艦艇進(jìn)行偵察,查明目標(biāo)毀傷情況,無人機(jī)蜂群控制站可根據(jù)目標(biāo)毀傷情況組織二次打擊。

⑥ 無人機(jī)蜂群返航和回收。對(duì)艦打擊完成后幸存的無人機(jī)組成新的無人機(jī)蜂群,根據(jù)導(dǎo)航信息向運(yùn)載平臺(tái)所在的安全區(qū)域機(jī)動(dòng),在機(jī)動(dòng)過程中可實(shí)時(shí)根據(jù)敵情威脅以及障礙物情況實(shí)施規(guī)避機(jī)動(dòng),到達(dá)安全區(qū)后由運(yùn)載平臺(tái)進(jìn)行回收。

2)水面艦艇攔截?zé)o人機(jī)蜂群作戰(zhàn)流程

鑒于單架無人機(jī)的雷達(dá)反射截面積小、紅外特征較弱,水面艦艇的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn),待發(fā)現(xiàn)無人機(jī)時(shí)已無法使用防空導(dǎo)彈對(duì)其實(shí)施攔截,僅可使用密集陣武器系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行軟硬殺傷。艦載預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)空中目標(biāo)搜索、跟蹤和識(shí)別,將目標(biāo)數(shù)據(jù)傳遞給指揮決策系統(tǒng)。指揮決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)確定敵目標(biāo)數(shù)量、優(yōu)先級(jí),創(chuàng)建艦艇周邊威脅目標(biāo)態(tài)勢(shì)。作戰(zhàn)人員根據(jù)目標(biāo)態(tài)勢(shì)定下交戰(zhàn)決心,將交戰(zhàn)命令、目標(biāo)優(yōu)先級(jí)傳遞給相應(yīng)的武器控制系統(tǒng),其根據(jù)收到的交戰(zhàn)命令、目標(biāo)優(yōu)先級(jí)對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊。

2.3 動(dòng)作模型

動(dòng)作是實(shí)體所具備的能力或功能屬性,是實(shí)體基本和最底層的行為要素。根據(jù)抽象等級(jí)不同,行動(dòng)可以逐層分解直至將高層抽象行為分解為具體動(dòng)作,這通常是由建模仿真目標(biāo)決定的。在無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)建模中,針對(duì)實(shí)體的描述建立相應(yīng)的動(dòng)作模型列表,如表1所示。

表1 實(shí)體動(dòng)作列表

2.4 網(wǎng)絡(luò)化交互模型

交互即實(shí)體相互作用的效果,主要描述實(shí)體在完成行為的過程中對(duì)其他相關(guān)實(shí)體產(chǎn)生的作用結(jié)果,這些效果反映了實(shí)體對(duì)象屬性和狀態(tài)的變化。由于無人機(jī)蜂群相比于傳統(tǒng)無人機(jī)編隊(duì)具備自主協(xié)同和自適應(yīng)行為能力,如在對(duì)抗過程中某無人機(jī)節(jié)點(diǎn)被毀傷或通信中斷,蜂群內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化可能會(huì)導(dǎo)致蜂群節(jié)點(diǎn)基于自組織網(wǎng)絡(luò)的指控關(guān)系和協(xié)同關(guān)系發(fā)生變化,為刻畫蜂群的自適應(yīng)行為能力需要針對(duì)蜂群內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)化交互進(jìn)行建模(如圖2);同時(shí)無人機(jī)蜂群在完成對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)過程中,無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)作為整體與目標(biāo)實(shí)體發(fā)生的交互也是概念模型需要重點(diǎn)描述的內(nèi)容。

圖2 無人機(jī)蜂群內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交互示意圖

1)蜂群內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)化交互

為準(zhǔn)確描述無人機(jī)蜂群的自適應(yīng)和群智特征,需要對(duì)蜂群內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)交互加以描述。對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)描述中將無人機(jī)蜂群根據(jù)任務(wù)不同分為偵察引導(dǎo)、干擾誘騙、對(duì)艦打擊等3類無人機(jī)蜂群,每類無人蜂群中都配置了多個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)。在無人機(jī)蜂群內(nèi)部,指控節(jié)點(diǎn)與其通信范圍內(nèi)的其他協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成指控網(wǎng)絡(luò),主要保障指控節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間傳遞和共享目標(biāo)融合信息、任務(wù)分配等相關(guān)信息;各協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò),可在協(xié)同節(jié)點(diǎn)之間共享定位信息、局部感知等信息。根據(jù)蜂群任務(wù)的不同,偵察引導(dǎo)蜂群、干擾欺騙蜂群以及協(xié)同打擊蜂群中的指控節(jié)點(diǎn)和無人機(jī)蜂群控制中心形成較大空間范圍內(nèi)的指揮控制網(wǎng)絡(luò),主要傳遞目標(biāo)信息、航路規(guī)劃以及任務(wù)分配等信息。

2)蜂群外部交互

為描述無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)過程中的外部交互,建立無人機(jī)對(duì)海作戰(zhàn)運(yùn)用仿真模型及系統(tǒng)開展無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)概念驗(yàn)證以及裝備作戰(zhàn)運(yùn)用研究,建立無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)交互示意如圖3所示。通過定義無人機(jī)蜂群指控中心、無人機(jī)運(yùn)載平臺(tái)、無人機(jī)蜂群指控節(jié)點(diǎn)、任務(wù)蜂群和水面艦艇目標(biāo)等5類作戰(zhàn)實(shí)體間帶有順序和時(shí)間屬性的交互示意圖,動(dòng)態(tài)描述“成功完成一次無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)”所要完成的作戰(zhàn)活動(dòng)及外部交互。

圖3 無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)交互示意圖

3 結(jié)束語

軍事概念模型將軍事行動(dòng)描述成軍事、建模仿真等各領(lǐng)域人員容易理解、易用、結(jié)構(gòu)化和規(guī)范化的信息,能夠?yàn)檐娛骂I(lǐng)域?qū)＜液拖到y(tǒng)開發(fā)人員提供溝通的橋梁。EBNI建模方法是對(duì)傳統(tǒng)概念建模的方法的擴(kuò)展,對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的概念建模有一定的優(yōu)勢(shì)。本文以無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)任務(wù)為例,基于EBNI的概念建模方法對(duì)無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)行動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)描述,對(duì)于無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)行動(dòng)的具體任務(wù)、作戰(zhàn)實(shí)體以及在行動(dòng)過程中產(chǎn)生的各類動(dòng)作和交互進(jìn)行了詳細(xì)描述,建立了無人機(jī)蜂群對(duì)海作戰(zhàn)概念模型。模型為無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)仿真模型和系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ),使得軍事和建模仿真等不同領(lǐng)域的人員能夠?qū)o人機(jī)蜂群作戰(zhàn)仿真的理解和認(rèn)識(shí)達(dá)成一致。隨著無人機(jī)蜂群裝備的不斷發(fā)展,無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)運(yùn)用的研究必將逐漸走向深入,下一步將針對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)建模的算法和數(shù)據(jù)需求進(jìn)行深入研究。