海上無(wú)人集群有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu)

王 勇,王 聘，李關(guān)防,孫之光

(1.江蘇自動(dòng)化研究所,江蘇 連云港 222061；2.海軍裝備部連云港地區(qū)軍事代表室，江蘇 連云港 222061)

當(dāng)前及今后一段時(shí)期,我國(guó)國(guó)家安全威脅主要來(lái)自海上，不僅要應(yīng)對(duì)主要方向的軍事威脅,還要應(yīng)對(duì)東海、南海和其他戰(zhàn)略方向的連鎖反應(yīng),更重要的是應(yīng)對(duì)美國(guó)的遏制和圍堵。在國(guó)家“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略背景下,提升我海上攻防作戰(zhàn)對(duì)抗能力和水平,已成為海上軍事發(fā)展的迫切需求。

正如20世紀(jì)80年代遠(yuǎn)程精確打擊裝備引發(fā)火力打擊方式變革一樣,隨著無(wú)人作戰(zhàn)登上人類戰(zhàn)爭(zhēng)的舞臺(tái),無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)也必將引發(fā)軍事領(lǐng)域的深刻變革,推動(dòng)世界新軍事革命向縱深發(fā)展。無(wú)人潛航器、水下無(wú)人預(yù)置平臺(tái)、無(wú)人水面艇、艦載無(wú)人機(jī)等通過(guò)遙控操縱或自主運(yùn)行的航行器,與任務(wù)載荷、數(shù)據(jù)鏈和控制基站等組成無(wú)人系統(tǒng),具有作戰(zhàn)人員零傷亡，機(jī)動(dòng)性能高，作戰(zhàn)持續(xù)能力強(qiáng)，全壽命周期成本低等特點(diǎn),能夠替代有人系統(tǒng)執(zhí)行“遠(yuǎn)程、高危、大規(guī)模、低烈度、長(zhǎng)時(shí)、枯燥”等特點(diǎn)的任務(wù)。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展,海上無(wú)人系統(tǒng)種類逐漸增多,可執(zhí)行任務(wù)不斷拓展,已經(jīng)逐步從執(zhí)行情偵監(jiān)(ISR)任務(wù)拓展為執(zhí)行電子對(duì)抗、察打一體任務(wù),并正在向執(zhí)行無(wú)人僚機(jī)/艇/器自主打擊、集群協(xié)同跨域攻防等復(fù)雜任務(wù)能力發(fā)展。

無(wú)人系統(tǒng)在一定自主性的基礎(chǔ)上,結(jié)合各類海上無(wú)人裝備的不同性能特點(diǎn),通過(guò)與有人艦艇或岸基的協(xié)同,可構(gòu)成性能強(qiáng)大、效費(fèi)比高的有機(jī)作戰(zhàn)體系。該體系具有以下3方面優(yōu)勢(shì)。

1)分布式協(xié)同優(yōu)勢(shì):將單個(gè)有人艦艇的各項(xiàng)功能,如偵察監(jiān)視、電子干擾、打擊與評(píng)估等能力“化整為零”,分散到大量低成本、功能受限的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái),通過(guò)大量異構(gòu)、異型的個(gè)體實(shí)現(xiàn)原本復(fù)雜的系統(tǒng)功能,基于有人艦艇相關(guān)系統(tǒng)能力和指揮員智慧,實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人協(xié)同系統(tǒng)相對(duì)個(gè)體指數(shù)級(jí)的效能倍增。

2)系統(tǒng)健壯抗毀性:去中心化的海上集群利用自組網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)海上有人/無(wú)人集群之間信息的共享,提高集群的抗故障與自愈能力。集群能夠監(jiān)控已建立的鏈接,具備應(yīng)對(duì)意外中斷的自動(dòng)恢復(fù)、擁塞處理和沖突應(yīng)對(duì)能力。在對(duì)抗過(guò)程中,當(dāng)部分個(gè)體失去作戰(zhàn)能力時(shí),整個(gè)體系仍具有一定完整性,可繼續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。

3)對(duì)抗交換比更高:根據(jù)戰(zhàn)爭(zhēng)理論中的蘭切斯特方程,體系效能正比于個(gè)體效能一次方與個(gè)體數(shù)量平方的積,因此,低成本的無(wú)人系統(tǒng)集群能夠?qū)崿F(xiàn)更大的對(duì)敵優(yōu)勢(shì),比傳統(tǒng)艦艇武器系統(tǒng)具有更高的效費(fèi)比。海上無(wú)人集群協(xié)同有人艦艇協(xié)同作戰(zhàn)時(shí),敵方應(yīng)對(duì)大量低成本的無(wú)人系統(tǒng)個(gè)體需要消耗數(shù)十倍，甚至上百倍的成本來(lái)進(jìn)行防御,這將在戰(zhàn)爭(zhēng)中為我方有人艦艇帶來(lái)顯著的成本優(yōu)勢(shì)和能力優(yōu)勢(shì)。

1 無(wú)人集群與有人協(xié)同作戰(zhàn)運(yùn)用

在作戰(zhàn)運(yùn)用層面,執(zhí)行海上高烈度作戰(zhàn)任務(wù)的海上無(wú)人集群與有人艦艇的協(xié)同,可初步分為戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)協(xié)同、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)協(xié)同、指控保障協(xié)同、感知通導(dǎo)保障協(xié)同、作戰(zhàn)綜合保障協(xié)同5個(gè)方面。

1)戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)協(xié)同

無(wú)人機(jī)、中小型水面無(wú)人艇和無(wú)人潛航器的航程、續(xù)航時(shí)間不足,利用有人艦艇續(xù)航力優(yōu)勢(shì)對(duì)其進(jìn)行搭載,可實(shí)現(xiàn)無(wú)人裝備的超極限航程戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)。自航出動(dòng)的大型/超大型無(wú)人潛航器,相對(duì)有人艦艇，在遠(yuǎn)程奔襲中航速過(guò)低,可采用預(yù)先出動(dòng)部署實(shí)現(xiàn)其與有人艦艇在戰(zhàn)區(qū)抵達(dá)時(shí)空匹配。超大型無(wú)人僚艦可以長(zhǎng)期伴隨水面艦艇編隊(duì)遠(yuǎn)程突擊,支持遠(yuǎn)海持續(xù)有人/無(wú)人作戰(zhàn)協(xié)同。

2)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)協(xié)同

無(wú)人裝備和有人艦艇在任務(wù)海區(qū),展開戰(zhàn)斗編組,需要通過(guò)交戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)協(xié)同,以分布式機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)最大化“保存和隱蔽自己,發(fā)現(xiàn)和消滅敵人”的作戰(zhàn)對(duì)抗效能,主要包括有人艦艇/無(wú)人裝備編組的分布式搜索效能、分布式防御效能、分布式殺傷效能等。

3)感知通導(dǎo)保障協(xié)同

綜合運(yùn)用有人艦艇和無(wú)人裝備的分布式跨域機(jī)動(dòng)協(xié)同、傳感器工作狀態(tài)協(xié)同、信號(hào)相參協(xié)同、信息配準(zhǔn)協(xié)同等方式,可實(shí)現(xiàn)有人艦艇/無(wú)人裝備編組的廣域持續(xù)戰(zhàn)場(chǎng)感知和快速準(zhǔn)確認(rèn)知,以及有人艦艇等核心節(jié)點(diǎn)的“低-零功耗”探測(cè)隱蔽。通過(guò)有人艦艇/無(wú)人裝備編組動(dòng)態(tài)組網(wǎng)通信協(xié)同、復(fù)雜環(huán)境集群相對(duì)導(dǎo)航協(xié)同等方式,可實(shí)現(xiàn)有人艦艇/無(wú)人裝備編組適應(yīng)高烈度復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境通信導(dǎo)航需求。

4)指控保障協(xié)同

在未來(lái)可預(yù)見的時(shí)期,執(zhí)行海上高烈度作戰(zhàn)任務(wù)的無(wú)人裝備將始終以有人艦艇為指控信息保障中心,海上無(wú)人裝備不斷提高行動(dòng)自動(dòng)化和智能化程度,但在核心的戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)深度感知理解、復(fù)雜環(huán)境交戰(zhàn)決策意志等方面將始終依賴有人艦艇。

5)作戰(zhàn)綜合保障

在遠(yuǎn)海戰(zhàn)區(qū),有人艦艇可為無(wú)人僚艦/艇提供彈藥、油水氣電液等物質(zhì)能量保障、檢測(cè)維修保障;未來(lái)，還可能出現(xiàn)無(wú)人補(bǔ)給艦,往返于基地與遠(yuǎn)海戰(zhàn)區(qū),為執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的有人艦艇和無(wú)人艦艇提供固體和液體物資補(bǔ)給。

通過(guò)以上5個(gè)方面的作戰(zhàn)運(yùn)用協(xié)同,海上無(wú)人裝備可與有人艦艇實(shí)現(xiàn)異構(gòu)多體分布式-認(rèn)知信息物理協(xié)同,達(dá)到1+1>2的整體效費(fèi)比正向非線性涌現(xiàn)。

2 國(guó)外海上無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展路線

有人艦艇相關(guān)協(xié)同控制技術(shù)相對(duì)成熟,國(guó)外為有效達(dá)成有人/無(wú)人協(xié)同能力,立足無(wú)人集群自身特點(diǎn),重點(diǎn)以有人/無(wú)人集群任務(wù)協(xié)同能力集成驗(yàn)證為抓手,通過(guò)構(gòu)建開放式集群協(xié)同控制框架,逐步驗(yàn)證信息互通、行動(dòng)協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù),在協(xié)同控制框架基礎(chǔ)上，不斷豐富應(yīng)用新技術(shù),促進(jìn)有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)能力的持續(xù)提升。

1)集群協(xié)同控制框架

早在2004年,美國(guó)海軍就已經(jīng)結(jié)合美國(guó)國(guó)家航空局對(duì)火星探測(cè)器的研發(fā)成果開始開發(fā)“機(jī)器人感知系統(tǒng)控制體系架構(gòu)(CARACaS)”。CARACaS采用開放式軟件體系,可根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)快速增加、減少、改變相關(guān)功能模塊,并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)與其他無(wú)人平臺(tái)的互操作,有效地支持跨平臺(tái)資源共用、信息共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)能力,在應(yīng)用層，CARACaS由行動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、感知等三大模塊組成,如圖1所示。

圖1 CARACaS應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

此后,海軍研究署繼續(xù)對(duì)CARACaS進(jìn)行完善,通過(guò)增加目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和識(shí)別軟件,使水面無(wú)人艇具備目標(biāo)自主識(shí)別能力;利用多目標(biāo)決策理論構(gòu)建艇間行為協(xié)調(diào)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)協(xié)同決策。

2)信息互通設(shè)計(jì)

由于無(wú)人機(jī)發(fā)展領(lǐng)先于其他無(wú)人領(lǐng)域,美國(guó)和歐洲率先在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域開展信息互聯(lián)互通設(shè)計(jì)工作,隨后將該系列標(biāo)準(zhǔn)推廣至無(wú)人地面車輛、無(wú)人潛航器、無(wú)人水面艇等無(wú)人系統(tǒng)。在研究方法上,先從頂層設(shè)計(jì)入手,優(yōu)先開展標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工作,隨后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,并反饋使標(biāo)準(zhǔn)的版本迭代升級(jí)。

美國(guó)和歐洲在無(wú)人領(lǐng)域制定的關(guān)于互聯(lián)互通的標(biāo)準(zhǔn)主要為北約發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議(STANAG 4586)和機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作組SAE AS-4發(fā)布的聯(lián)合無(wú)人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(JAUS)系列標(biāo)準(zhǔn)。

STANAG 4586定義了適應(yīng)作戰(zhàn)需求的互操作等級(jí)(LOI)以及無(wú)人機(jī)地面控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)源和消息格式,同時(shí)還明確了要求采用的其他北約標(biāo)準(zhǔn),如成像系統(tǒng)可互操作數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)(STANAG 7085)以及與機(jī)上有效載荷有關(guān)的數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(STANAG 7023,4545,4607,4609)等。

JAUS定義了一種模塊化、松耦合、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu),以及一組與具體應(yīng)用無(wú)關(guān)、可重用的構(gòu)件和服務(wù),同時(shí)規(guī)定了進(jìn)行內(nèi)部和外部通信的標(biāo)準(zhǔn)接口消息,從而使符合JAUS的無(wú)人系統(tǒng)具備互操作能力。

3)行動(dòng)協(xié)同控制技術(shù)

無(wú)人集群在行動(dòng)過(guò)程中既要能使每個(gè)無(wú)人平臺(tái)都能進(jìn)入集群中,又要使無(wú)人平臺(tái)之間保持一定的距離和隊(duì)形結(jié)構(gòu)。每一個(gè)無(wú)人平臺(tái)既要能有一定的自主行動(dòng)能力,又要保持多個(gè)無(wú)人平臺(tái)之間的協(xié)同工作。對(duì)于整個(gè)無(wú)人集群系統(tǒng)來(lái)說(shuō),既要能在運(yùn)動(dòng)中保持穩(wěn)定,根據(jù)任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)集群的隊(duì)形調(diào)整,又能夠根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜情況實(shí)現(xiàn)集群飛行中的防撞、規(guī)避、重規(guī)劃等。因此,無(wú)人集群的行為可看成向目標(biāo)區(qū)域運(yùn)動(dòng),隊(duì)形的集結(jié)、保持和重構(gòu),防撞與規(guī)避三個(gè)子行為。

在行動(dòng)協(xié)同控制方面,國(guó)外軍事發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)論是在理論層面,還是在技術(shù)驗(yàn)證層面,在無(wú)人機(jī)群、無(wú)人艇群均采用了大量仿真和真實(shí)飛行/航行試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,取得了巨大成果,具備工程應(yīng)用條件。

美國(guó)海軍針對(duì)無(wú)人艇特性,借鑒了多智能體協(xié)同控制方法,研發(fā)了艇群系統(tǒng)行動(dòng)控制模塊(CAMPOUT),該模塊融合了多類控制結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)機(jī)器人的控制。該模塊嵌入在艇群系統(tǒng)的CARACaS中,經(jīng)過(guò)兩次艇群試驗(yàn),艇群行動(dòng)協(xié)同控制算法具有很高的技術(shù)成熟度,具備工程化條件。

4)作戰(zhàn)使用驗(yàn)證

為盡快搶得先機(jī),在預(yù)算有保障的條件下讓美國(guó)國(guó)防部盡快實(shí)現(xiàn)無(wú)人作戰(zhàn)能力,美國(guó)海軍和美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)使用了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的并且真實(shí)有效的項(xiàng)目開發(fā)措施,比如，美國(guó)海軍少將韋恩·E·梅耶在美國(guó)海軍宙斯盾項(xiàng)目中建立的理念——“建造一點(diǎn),測(cè)試一點(diǎn),學(xué)到很多”。基于這個(gè)理念,美國(guó)不間斷開展關(guān)鍵技術(shù)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證,成立了無(wú)人試驗(yàn)部隊(duì),開展無(wú)人裝備使用工作。

2021年9月8日,美國(guó)海軍宣布成立第59特遣隊(duì),這是一個(gè)新的特遣隊(duì),將有人系統(tǒng)與無(wú)人系統(tǒng)和人工智能相結(jié)合,用于美國(guó)海軍第5艦隊(duì)作戰(zhàn)區(qū)域或美國(guó)海軍中央司令部的海上行動(dòng)區(qū)。第59特遣隊(duì)的目標(biāo)是在海上作戰(zhàn)環(huán)境中使用無(wú)人空中、海上和水下系統(tǒng),為中央司令部測(cè)試、整合、學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)并練習(xí)裝備部署和作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)。

3 有人/無(wú)人集群協(xié)同指揮控制能力需求

未來(lái)智能海上有人/無(wú)人集群一定是由多個(gè)有人艦艇、無(wú)人平臺(tái)組成,以協(xié)同指揮信息網(wǎng)絡(luò)為支撐,以集群智能算法和相關(guān)裝備為核心,形成的低成本、分布式、自協(xié)同、高彈性的作戰(zhàn)體系。為適應(yīng)分布式協(xié)同作戰(zhàn)、“馬賽克戰(zhàn)”等新對(duì)抗方式,集群系統(tǒng)需具備指控關(guān)系彈性可變，兵力運(yùn)用靈活可變，戰(zhàn)術(shù)組合智能可變，任務(wù)能力動(dòng)態(tài)可變，信息服務(wù)按需可變等典型能力特征。基于以上未來(lái)無(wú)人集群系統(tǒng)的能力特征,海上無(wú)人集群有人/無(wú)人協(xié)同控制必須具有如下能力特征。

1)體系兼容,無(wú)縫融入有人艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)

無(wú)人集群系統(tǒng)在作戰(zhàn)運(yùn)用層面,可與有人艦艇完成戰(zhàn)役機(jī)動(dòng)協(xié)同、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)協(xié)同、指控保障協(xié)同、感知通導(dǎo)保障協(xié)同、作戰(zhàn)綜合保障協(xié)同等多個(gè)方面,無(wú)人集群必須融入有人艦艇的作戰(zhàn)系統(tǒng)。

無(wú)人集群作戰(zhàn)指揮融入有人作戰(zhàn)指揮包含兩個(gè)方面含義:一方面是無(wú)人集群指揮控制系統(tǒng)必須按照有人艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范開展設(shè)計(jì),同時(shí)必須采用模塊化設(shè)計(jì),能夠以功能服務(wù)形式加載到有人艦艇作戰(zhàn)指揮中,或以獨(dú)立功能服務(wù)形式嵌入在有人臺(tái)位中；另一方面是有人和無(wú)人裝備無(wú)縫共享戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,無(wú)人裝備利用自身優(yōu)勢(shì),能夠隱蔽前出,使艦艇編隊(duì)看得更遠(yuǎn),有人裝備提供戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)的深度感知理解和復(fù)雜環(huán)境的戰(zhàn)場(chǎng)決策,兩者相輔相成構(gòu)成態(tài)勢(shì)準(zhǔn)確、決策清晰的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

2)架構(gòu)開放,支持任務(wù)和隊(duì)形靈活重構(gòu)

無(wú)人集群通過(guò)配屬不同無(wú)人平臺(tái)和載荷,可以遂行偵察、驅(qū)離、打擊等多種任務(wù),或者根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景不同,能夠變換成“一”字形、菱形、三角形等多個(gè)隊(duì)形,或者在有平臺(tái)故障或失能情況下,能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整加入和退出平臺(tái)節(jié)點(diǎn),保持任務(wù)的健壯性以及兵力運(yùn)用的靈活性。

集群指揮控制系統(tǒng)必須具有自組網(wǎng)通信以及通信管理能力,能夠支撐平臺(tái)通信節(jié)點(diǎn)的自主加入與退出,對(duì)集群內(nèi)多種通信手段和通信鏈路進(jìn)行管理。對(duì)于指揮控制功能,必須具有分布式作戰(zhàn)指揮能力,編組指揮控制節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)可變。

3)以智賦能,支持群體智能持續(xù)涌現(xiàn)

無(wú)人與智能具有先天結(jié)合性,無(wú)人系統(tǒng)要形成戰(zhàn)斗能力,必須具有智能?；凇爸悄?”理念,在無(wú)人集群系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知、指揮決策方面,必須運(yùn)用人工智能技術(shù),形成無(wú)人集群智能協(xié)同態(tài)勢(shì)認(rèn)知、智能臨機(jī)決策等能力,提升無(wú)人集群作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)感知與構(gòu)建的清晰度、準(zhǔn)確度、可信度,強(qiáng)化重規(guī)劃決策的高效性、實(shí)時(shí)性和環(huán)境適應(yīng)性,支撐集群群體強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的智能作戰(zhàn)能力生成,同時(shí)智能算法須具備學(xué)習(xí)能力,通過(guò)仿真訓(xùn)練或?qū)崙?zhàn)推演的數(shù)據(jù)能夠反饋進(jìn)無(wú)人集群系統(tǒng),通過(guò)智能算法的學(xué)習(xí)能力和反饋的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)集群指揮控制能力的再提升,支撐無(wú)人集群作戰(zhàn)能力持續(xù)升級(jí)。

4 海上有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu)設(shè)計(jì)與部署

1)有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照“開放式、服務(wù)化、智能化”的發(fā)展理念,以海上無(wú)人集群裝備“進(jìn)體系”“能演進(jìn)”為目標(biāo),設(shè)計(jì)“云邊一體”的海上無(wú)人集群有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu),構(gòu)筑無(wú)人集群群體智能能力生成生態(tài),具備異構(gòu)無(wú)人艇平臺(tái)靈活編組，復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)動(dòng)態(tài)適應(yīng)，任務(wù)載荷和功能服務(wù)“即插即用”，集群系統(tǒng)快速重構(gòu)的能力,支持單無(wú)人系統(tǒng)自主和集群智能算法的持續(xù)演進(jìn)和迭代升級(jí),提升集群系統(tǒng)信息靈活共享、要素級(jí)協(xié)同控制和集成優(yōu)化水平,以及系統(tǒng)健壯抗毀能力，如圖2所示。

圖2 “云邊一體”的海上無(wú)人集群有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu)

該架構(gòu)以有人岸基/艦載指揮中心構(gòu)建無(wú)人集群中心云,集成無(wú)人集群指揮、無(wú)人系統(tǒng)遙控控制功能服務(wù)，通過(guò)集群自組網(wǎng)通信設(shè)備和相關(guān)功能服務(wù),實(shí)現(xiàn)無(wú)人集群有中心指揮與分布式協(xié)同控制,能夠融入海上有人作戰(zhàn)體系。“中心云”在不同任務(wù)階段的作用略有差異:在任務(wù)初始階段,完成對(duì)無(wú)人集群的任務(wù)分配、全局作戰(zhàn)方案生成與調(diào)整、全局任務(wù)監(jiān)控與干預(yù)、重要信息顯示與管理、智能算法訓(xùn)練演進(jìn)及系統(tǒng)復(fù)盤推演等功能;在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,局部形成對(duì)等協(xié)商和權(quán)重決策相結(jié)合的無(wú)人集群編組,組內(nèi)成員角色和協(xié)同機(jī)制動(dòng)態(tài)可調(diào)，功能服務(wù)按需啟用,編組自主形成編組態(tài)勢(shì)，實(shí)施臨機(jī)決策方案，實(shí)現(xiàn)編組協(xié)同控制。

在無(wú)人平臺(tái)“邊緣云”,按照可擴(kuò)展、可升級(jí)等要求,基于統(tǒng)一的服務(wù)調(diào)度與集成標(biāo)準(zhǔn),打破集群協(xié)同控制、單無(wú)人系統(tǒng)任務(wù)控制、航行控制等功能界面,解耦形成服務(wù)化的基礎(chǔ)功能構(gòu)件,優(yōu)化控制流程，減少中間環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)集群協(xié)同控制、單平臺(tái)任務(wù)控制、單平臺(tái)航行控制和傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)處理等服務(wù)的自適應(yīng)靈活調(diào)度,支持單平臺(tái)任務(wù)載荷即插即用,提升無(wú)人集群任務(wù)規(guī)劃和行動(dòng)方案的響應(yīng)速度和執(zhí)行效果。

2)功能部署

在開放式海上無(wú)人集群有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu)支撐下,應(yīng)用服務(wù)層全部部署在無(wú)人集群中心云,支撐服務(wù)層和基礎(chǔ)服務(wù)層在無(wú)人集群中心云、無(wú)人平臺(tái)“邊緣云”的部署存在一定的差異。

態(tài)勢(shì)顯示、人機(jī)交互、協(xié)同指揮、算法集智能演進(jìn)等功能服務(wù)部署于岸基/有人艦艇無(wú)人集群中心云。編隊(duì)協(xié)同態(tài)勢(shì)感知、編組智能臨機(jī)決策、編組自主協(xié)同控制等服務(wù)部署在無(wú)人平臺(tái)“邊緣云”,編隊(duì)協(xié)同態(tài)勢(shì)感知負(fù)責(zé)完成多節(jié)點(diǎn)態(tài)勢(shì)融合與綜合識(shí)別,完成對(duì)編組內(nèi)多個(gè)無(wú)人節(jié)點(diǎn)的局部態(tài)勢(shì)融合處理,生成全局協(xié)同態(tài)勢(shì),在編組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)共享全局態(tài)勢(shì)信息。編組智能臨機(jī)決策負(fù)責(zé)在遇到突發(fā)狀況時(shí)對(duì)當(dāng)前局勢(shì)進(jìn)行判斷和決策,生成臨機(jī)行動(dòng)計(jì)劃并分發(fā)給編組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。自主協(xié)同行動(dòng)控制服務(wù)負(fù)責(zé)根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行的當(dāng)前階段和實(shí)時(shí)進(jìn)度,完成集群編隊(duì)保持、自適應(yīng)隊(duì)形控制和編隊(duì)新節(jié)點(diǎn)加入或退出控制。

①在中心式協(xié)同控制模式下,岸基/有人艦艇指揮是海上無(wú)人集群系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃中心、信息處理中心、指揮決策中心、載荷控制中心,直接控制各無(wú)人平臺(tái)及其任務(wù)載荷,各無(wú)人平臺(tái)之間不直接交互信息。岸基/艦載無(wú)人集群中心云接收并統(tǒng)一處理無(wú)人平臺(tái)各節(jié)點(diǎn)上傳的環(huán)境感知信息、任務(wù)執(zhí)行情況、平臺(tái)位置和狀態(tài)信息,自主完成集群系統(tǒng)協(xié)同指揮、人機(jī)交互、態(tài)勢(shì)顯示等應(yīng)用服務(wù)的集成,實(shí)現(xiàn)全局態(tài)勢(shì)融合生成,并分發(fā)給集群各節(jié)點(diǎn)共享,根據(jù)各節(jié)點(diǎn)任務(wù)執(zhí)行情況實(shí)時(shí)調(diào)整協(xié)同計(jì)劃,生成新任務(wù)和全局航路,下達(dá)給指定無(wú)人艇節(jié)點(diǎn)。

該模式優(yōu)點(diǎn)為:岸基/有人艦艇指揮對(duì)無(wú)人平臺(tái)指揮控制層級(jí)少，命令下達(dá)直接,異構(gòu)無(wú)人平臺(tái)集成速度快,對(duì)無(wú)人平臺(tái)掌控能力更強(qiáng),對(duì)無(wú)人平臺(tái)自主能力要求不高。但存在以下不足:一是對(duì)無(wú)人平臺(tái)協(xié)同控制數(shù)量有限,不適合規(guī)?；療o(wú)人集群應(yīng)用;二是各無(wú)人平臺(tái)距離母艦范圍有限,通常在寬帶通信可達(dá)范圍內(nèi)。

②在分布式協(xié)同控制模式下,編組內(nèi)同類型無(wú)人平臺(tái)通過(guò)自組網(wǎng)設(shè)備建立節(jié)點(diǎn)對(duì)等、無(wú)中心、自組織的水面無(wú)人集群系統(tǒng),相鄰平臺(tái)自主完成信息與命令交互。岸基/有人艦艇中無(wú)人集群僅保留集群系統(tǒng)基礎(chǔ)服務(wù)中的集群作戰(zhàn)任務(wù)分配、集群全局航路規(guī)劃、集群態(tài)勢(shì)融合識(shí)別及智能算法演進(jìn)功能服務(wù)。在無(wú)人平臺(tái)上,除集成單艇智能算法、單艇載荷控制、動(dòng)力控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能服務(wù)、作戰(zhàn)資源管理、數(shù)據(jù)清洗與上傳等支撐服務(wù)之外,自主將集群/編組協(xié)同態(tài)勢(shì)感知認(rèn)知、集群智能臨機(jī)決策、自主協(xié)同編隊(duì)、編隊(duì)對(duì)抗交戰(zhàn)控制、拒止環(huán)境自主導(dǎo)航等功能服務(wù)進(jìn)行集成重構(gòu),支持集群分布式自主協(xié)同作戰(zhàn)。

該模式的優(yōu)點(diǎn)為:一是系統(tǒng)組織靈活，信息共享程度高,系統(tǒng)拓?fù)淇扇我庾兓?，?jié)點(diǎn)接入/退出靈活,系統(tǒng)自主重構(gòu)能力強(qiáng);二是降低對(duì)岸基/有人艦艇集群指揮節(jié)點(diǎn)及其通信節(jié)點(diǎn)聯(lián)通能力的依賴性,降低遠(yuǎn)距離通信帶寬需求,集群前沿自主行動(dòng)能力強(qiáng);三是指揮節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)人集群的控制無(wú)須過(guò)多地考慮集群自組織機(jī)制,將集群看成一個(gè)整體,便于實(shí)現(xiàn)單平臺(tái)控制、集群控制、有人/無(wú)人協(xié)同控制的融合統(tǒng)一。不足之處在于岸基/有人艦艇指揮對(duì)無(wú)人集群管控要素有限,難以實(shí)時(shí)對(duì)所有無(wú)人平臺(tái)及各功能載荷進(jìn)行快速管控。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前,無(wú)人集群系統(tǒng)正處于加速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。本文對(duì)國(guó)外海上無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展路線進(jìn)行了梳理,描述了有人/無(wú)人協(xié)同的作戰(zhàn)樣式,闡述了無(wú)人集群系統(tǒng)的能力特征需求,針對(duì)該需求，梳理了無(wú)人集群有人/無(wú)人協(xié)同控制架構(gòu)以及分布式控制和集中式控制下的兩種功能部署,力圖為海上無(wú)人集群系統(tǒng)技術(shù)和裝備的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。