有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)綜述

王榮浩,高星宇,向崢嶸

(1.陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院, 南京 210007; 2.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210094)

0 引言

目前無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展日趨成熟,已實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一復(fù)雜任務(wù)的高效執(zhí)行。然而隨著實(shí)際任務(wù)執(zhí)行要求的提高,已經(jīng)出現(xiàn)了一些僅靠傳統(tǒng)的單無(wú)人機(jī)甚至由多個(gè)無(wú)人機(jī)組成的編隊(duì)系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù),尤其是面向軍事領(lǐng)域的復(fù)雜任務(wù)。例如現(xiàn)役軍用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行偵查、監(jiān)視與情報(bào)(intelligence,surveillance and reconnaissance,ISR)的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)[1]。當(dāng)前的無(wú)人機(jī)雖能攜帶一些武器,如小型和大威力的精確制導(dǎo)武器、激光武器或反輻射導(dǎo)彈[2-3],但戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變,現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)并不能完全代替人類大腦做出精準(zhǔn)的判斷和決策。更有效的方式是將有人機(jī)和若干架無(wú)人機(jī)組成混合編隊(duì),并由載人機(jī)就近向無(wú)人機(jī)發(fā)布指令從而執(zhí)行實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)。該方向已經(jīng)受到廣泛關(guān)注,并逐漸成為當(dāng)前有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)問題。

當(dāng)前民用無(wú)人機(jī)已經(jīng)基本滿足大多數(shù)任務(wù)需求,并且民用領(lǐng)域的任務(wù)通常情況下并不十分復(fù)雜,且對(duì)相關(guān)技術(shù)如編隊(duì)協(xié)同控制、路徑規(guī)劃等問題的研究日趨成熟。相對(duì)而言有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較多,是近年來(lái)備受推崇和關(guān)注的多域作戰(zhàn)[4-5]和跨域協(xié)同作戰(zhàn)[6]中的熱點(diǎn)問題,本文中涉及該方向的相關(guān)介紹和研究綜述將以軍事領(lǐng)域?yàn)楸尘啊?/p>

作為較先進(jìn)的作戰(zhàn)體系,世界各國(guó)都在無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上開展了面向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的研究。圖1為美空軍RQ-4B全球鷹大型偵察無(wú)人機(jī)。

圖1 RQ-4B全球鷹無(wú)人機(jī)

以英國(guó)和美國(guó)為代表,兩國(guó)分別在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)研究領(lǐng)域取得了成功。英國(guó)QinetiQ公司實(shí)現(xiàn)了有人機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)群戰(zhàn)術(shù)層面的協(xié)調(diào)與控制[7-8];美國(guó)麻省理工學(xué)院和波音公司合作實(shí)現(xiàn)了機(jī)載駕駛員利用語(yǔ)音傳輸與識(shí)別技術(shù)向無(wú)人機(jī)傳達(dá)指令協(xié)調(diào)執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)前美軍的C2BMC(command and control,battle management and communications)系統(tǒng)是全球較為領(lǐng)先的指控系統(tǒng)[9],該系統(tǒng)具備了絕大部分有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的關(guān)鍵指揮控制類技術(shù),如態(tài)勢(shì)感知、自適應(yīng)規(guī)劃、通信、建模、仿真與分析等。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的研究和發(fā)展仍處于起步階段,但針對(duì)各類自主無(wú)人系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了不少成果,這些成果融合了人工智能、機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)控制和決策等諸多高精尖科技成分[10]。筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)地面無(wú)人系統(tǒng)的多智能體平臺(tái)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)開展了相關(guān)研究工作[11],近年來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)自主協(xié)同編隊(duì)控制問題進(jìn)行了研究[12-13],后期考慮到人的干預(yù)行為,有望將有人控制與無(wú)人平臺(tái)深度融合實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人空地協(xié)同系統(tǒng)?？v觀國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的理論研究與實(shí)現(xiàn)問題十分復(fù)雜,涉及諸多技術(shù)難點(diǎn),如鏈路通信以及高標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)交互和人機(jī)智能融合等。因此,除了上述已開展的研究工作,無(wú)人機(jī)群的規(guī)?？刂?、戰(zhàn)力提升以及各種人機(jī)輔助操作、交互系統(tǒng)的開發(fā)[14]等也均為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展甚至將來(lái)仍需面對(duì)的問題。本文中將詳細(xì)總結(jié)并分析有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的組成架構(gòu),運(yùn)行機(jī)理以及關(guān)鍵技術(shù),并提出未來(lái)的發(fā)展方向。

1 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概念、架構(gòu)與組成

1.1 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)概念

實(shí)際應(yīng)用中的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng),在大多數(shù)情況下指的是有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng),是軍事領(lǐng)域中的概念。有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)概念是指:通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸和通信,將有人機(jī)作為指揮機(jī),無(wú)人機(jī)作為功能性僚機(jī)自主編隊(duì)并受控于有人機(jī)以及位于地面的指揮控制系統(tǒng),與有人機(jī)進(jìn)行密切協(xié)同。通過(guò)指揮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)信息共享、可用資源統(tǒng)一調(diào)度及作戰(zhàn)任務(wù)的綜合管理。在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中,每架飛機(jī)都能夠發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)[15],由無(wú)人機(jī)完成目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、攻擊和評(píng)估,將所得信息數(shù)據(jù)與有人機(jī)進(jìn)行互通,由有人機(jī)完成戰(zhàn)術(shù)決策、指揮判斷和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知等復(fù)雜工作,并指揮無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行特定作戰(zhàn)任務(wù)[16]。

1.2 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)分層架構(gòu)

美國(guó)洛克希德馬丁公司(lockheed martin)多年以前就已經(jīng)為協(xié)同自治(collaborative autonomy)開發(fā)出一種通用架構(gòu)。具體來(lái)說(shuō),該架構(gòu)為無(wú)人車輛提供了一定的自治和協(xié)同能力,其中自治能力使得無(wú)人車的智能程度和獨(dú)立操作能力獲得提升,而協(xié)同能力讓無(wú)人車融入有人/無(wú)人系統(tǒng)的效果更為優(yōu)異[17-18]。盡管這樣的架構(gòu)是為有人/無(wú)人車輛協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,但目前在軍事應(yīng)用中完全自主操作的無(wú)人駕駛車輛并不多見,應(yīng)用較為廣泛的是負(fù)責(zé)執(zhí)行一些特定任務(wù)的無(wú)人機(jī)。因此,總體來(lái)說(shuō)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)才是當(dāng)前以及未來(lái)的主流,而非有人/無(wú)人車輛[18]。

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的架構(gòu)具有一定的復(fù)雜性,可以從縱向方面進(jìn)行解析。此處所謂的縱向,是一種將有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)按照層次進(jìn)行劃分的方法。這種思路認(rèn)為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)可劃分為第1任務(wù)級(jí)(mission level)、第2任務(wù)集群級(jí)(task-cluster level)和第3任務(wù)級(jí)(task level)3個(gè)層級(jí)[19-20],如圖2所示。

圖2 聯(lián)盟的邏輯關(guān)系

圖2中C1代表第1任務(wù)聯(lián)盟(mission coalition),與之對(duì)應(yīng)的層級(jí)是第1任務(wù)級(jí);C2代表著第2任務(wù)集群聯(lián)盟(task-cluster coalition),對(duì)應(yīng)的層級(jí)是第2任務(wù)集群級(jí);C3則為第3任務(wù)級(jí)對(duì)應(yīng)的第3任務(wù)級(jí)聯(lián)盟(task coalition)。在分析有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)時(shí),第1任務(wù)級(jí)中可以包含若干個(gè)第2任務(wù)集群級(jí)以及第3任務(wù)級(jí)。

應(yīng)當(dāng)指出的是,第1任務(wù)級(jí)對(duì)應(yīng)的第1任務(wù)聯(lián)盟是一個(gè)虛擬的概念,這一層級(jí)包含的是整個(gè)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。從直觀的角度來(lái)說(shuō),只要C2和C3聯(lián)盟形成,C1聯(lián)盟就自然形成。第2任務(wù)集群聯(lián)盟中包含的是有人機(jī)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)系統(tǒng),第3任務(wù)聯(lián)盟中則只包含無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。也就是說(shuō),這3個(gè)層次的包含關(guān)系是:第1任務(wù)聯(lián)盟包含第2任務(wù)集群聯(lián)盟,而第2任務(wù)集群聯(lián)盟又包含第3任務(wù)聯(lián)盟。第2任務(wù)集群聯(lián)盟的形成計(jì)劃決定了特定的有人機(jī)指揮無(wú)人機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)集群;第3任務(wù)聯(lián)盟決定了特定的無(wú)人機(jī)在相應(yīng)的任務(wù)集群中執(zhí)行指定任務(wù)。第2任務(wù)集群聯(lián)盟中包含的有人機(jī)一般為1～2架。同時(shí)一個(gè)第2任務(wù)集群聯(lián)盟中雖然只包含一個(gè)第3任務(wù)級(jí)聯(lián)盟,但是單個(gè)第3任務(wù)聯(lián)盟中可以包含若干架(一般為4～6架)無(wú)人機(jī)。受制于現(xiàn)有技術(shù),對(duì)當(dāng)前有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言,尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)少量有人機(jī)對(duì)大規(guī)模集群無(wú)人機(jī)的直接指揮控制。

綜上所述,在這種基于縱向角度對(duì)有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的劃分模式下,研究者們研究的重點(diǎn)僅為第2任務(wù)集群聯(lián)盟和第3任務(wù)聯(lián)盟的形成與調(diào)整。在上述關(guān)于聯(lián)盟形成的問題中,更受重視的問題是如何形成第3任務(wù)聯(lián)盟[20];相應(yīng)的還有任務(wù)調(diào)整或匹配,該類問題在第2任務(wù)集群聯(lián)盟和第3任務(wù)聯(lián)盟中均有涉及。

1.3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)組成部分

基于縱向解析的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)具有層次分明、層級(jí)直觀的特點(diǎn)。針對(duì)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)而言,則更側(cè)重每個(gè)模塊的功能作用,因此可以從橫向角度加以分析。橫向指的是從系統(tǒng)的組成部分來(lái)考慮,將該系統(tǒng)拆分成若干個(gè)“平行”的功能單元,每個(gè)功能單元,也即每個(gè)組成部分有其各自任務(wù)和特點(diǎn),它們往往需要較高的效率才能確保整個(gè)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行的高效、迅捷。這種視角認(rèn)為,通常情況下,除了包括載人機(jī)、無(wú)人機(jī)之外,整個(gè)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)還需要包括無(wú)人機(jī)通信數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)以及指揮控制系統(tǒng)等組成部分,如圖3所示。

圖3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)組成部分

載人機(jī)(有人機(jī))系統(tǒng)在自身配備機(jī)載火控系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,還需配置用于與無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信的人機(jī)交互系統(tǒng)和任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)等,以此滿足在以有人機(jī)為長(zhǎng)機(jī)、多架無(wú)人機(jī)作為僚機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)時(shí)有人機(jī)對(duì)于無(wú)人機(jī)的指揮控制以及戰(zhàn)術(shù)決策要求。應(yīng)當(dāng)指出的是,在現(xiàn)有的有人機(jī)系統(tǒng),乃至整個(gè)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中,載人機(jī)中的飛行員是核心決策者和重要指令的發(fā)布者。飛行員需要接收來(lái)自指揮系統(tǒng)的任務(wù)指示和要求,進(jìn)行任務(wù)數(shù)據(jù)以及相關(guān)資料的分析,同時(shí)根據(jù)有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及周圍復(fù)雜多變的環(huán)境因素做出適當(dāng)?shù)臎Q策,并通過(guò)位于座艙的人機(jī)交互系統(tǒng),對(duì)編隊(duì)中的無(wú)人機(jī)組進(jìn)行任務(wù)分配。這種執(zhí)行任務(wù)的方式和流程決定了整個(gè)系統(tǒng)對(duì)有人機(jī)中的飛行員提出了相當(dāng)高的要求。盡管指揮控制系統(tǒng)同樣能夠?qū)庩?duì)中的無(wú)人機(jī)發(fā)布命令、設(shè)定參數(shù),但在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中,由于當(dāng)前的鏈路通信仍存在傳輸數(shù)據(jù)量以及傳輸速度的限制,因此通常情況并不希望自始至終均由指揮系統(tǒng)直接向無(wú)人機(jī)發(fā)布所有指令。綜上所述,有人機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中占據(jù)關(guān)鍵地位。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括的功能系統(tǒng)有:檢測(cè)系統(tǒng)、彈體系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、發(fā)射和回收系統(tǒng)、遙控和遙測(cè)系統(tǒng)等。與單純的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相比,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中對(duì)無(wú)人機(jī)的軟硬件要求沒有顯著差異,但受制于無(wú)人機(jī)的體積、形態(tài)以及載重等物理指標(biāo),大量用于傳輸信息的通信設(shè)備、裝置主要搭載于具有一定空間裕量的有人機(jī)上,并可與其他機(jī)載裝置進(jìn)行一體化整合。

對(duì)通信數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的組成存在著多種劃分方法[21-23],可以歸納為3個(gè)部分:上行/下行鏈路系統(tǒng)、控制站數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)和機(jī)載數(shù)據(jù)鏈路終端。對(duì)于有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言,可靠的通信數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有效協(xié)同的基礎(chǔ)支撐,因此諸多研究者針對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中的鏈路通信相關(guān)理論和技術(shù)展開研究,取得了不少成果。

指揮控制系統(tǒng)是有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)組成中最為復(fù)雜和龐大的部分。隨著當(dāng)前軍事領(lǐng)域中重點(diǎn)發(fā)展的跨域協(xié)同作戰(zhàn)概念的不斷完善,指揮控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能除了對(duì)有人機(jī)、無(wú)人機(jī)進(jìn)行任務(wù)分配、路徑規(guī)劃、命令下達(dá)、各類異構(gòu)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集和分析之外,還需要與衛(wèi)星進(jìn)行通信,依靠衛(wèi)星收發(fā)指令信息,使用衛(wèi)星對(duì)有人機(jī)和無(wú)人機(jī)實(shí)施精確定位導(dǎo)航以及收集匯總氣象衛(wèi)星的天氣數(shù)據(jù)等。如果任務(wù)執(zhí)行所在的空間涉及海面,還需要各類水中設(shè)施及單元共享情報(bào)資料,因此,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中需要收集和分析的數(shù)據(jù)量是巨大的,指揮控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)及相應(yīng)算法的深化處理和加工。實(shí)際上有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的許多關(guān)鍵技術(shù)都依賴于指控中心(系統(tǒng)),這也側(cè)面印證了指揮控制系統(tǒng)的重要地位和功能。

2 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前單純的無(wú)人機(jī)以及無(wú)人機(jī)集群的相關(guān)技術(shù)仍是世界上絕大多數(shù)軍事大國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的重點(diǎn),本世紀(jì)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)和沖突發(fā)生直接導(dǎo)致了無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的突破,圖4展示了戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中任務(wù)執(zhí)行的姿態(tài)。

圖4 執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)及集群相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也促成了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展步入了嶄新的時(shí)期。在20世紀(jì)末,美英等一些發(fā)達(dá)國(guó)家便已將有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)考慮進(jìn)了發(fā)展進(jìn)程,并不斷取得相關(guān)領(lǐng)域的重大成就與重難點(diǎn)技術(shù)的突破,在實(shí)踐演示層面和理論研究層面具有一定的示范性。美國(guó)也因?yàn)橛腥?無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的作戰(zhàn)優(yōu)越性不斷被發(fā)掘而連續(xù)多年側(cè)重發(fā)展相關(guān)技術(shù),著重強(qiáng)調(diào)在原本的無(wú)人系統(tǒng)中加入“有人”這一環(huán)節(jié),圖5為美國(guó)防部公開的2013—2038和2017—2042無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖封面,該路線圖指出人機(jī)協(xié)同是加速無(wú)人系統(tǒng)作戰(zhàn)應(yīng)用的四大驅(qū)動(dòng)力之一。

圖5 美國(guó)國(guó)防部無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展路線圖封面

在實(shí)踐演示層面,機(jī)載有人/無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)(airborne manned/unmanned system technology,AMUST)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)“阿帕奇”和無(wú)人機(jī)“獵人”的協(xié)同作戰(zhàn);在美國(guó)空軍組織開展的“軟件使能控制(software enabled control,SEC)”研究計(jì)劃中,由有人機(jī)F-35E的飛行員通過(guò)語(yǔ)音指令控制無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行任務(wù);美國(guó)播音公司試驗(yàn)了有人戰(zhàn)斗機(jī)與無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行技術(shù),并驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)能夠具有一定的自主控制能力,體現(xiàn)在項(xiàng)目中表現(xiàn)為:該公司研制的聯(lián)合無(wú)人空中作戰(zhàn)系統(tǒng)(J-UCAS)中,有人機(jī)T-33與無(wú)人機(jī)X-45A(見圖6),在相互通信基礎(chǔ)上成功完成了協(xié)同飛行試驗(yàn)[24];在有人/無(wú)人系統(tǒng)集成能力(manned/unmanned systems integration capability,MUSIC)綜合演練中實(shí)現(xiàn)了多架異型有人機(jī)與多架異型無(wú)人機(jī)的協(xié)同控制;在2015年實(shí)現(xiàn)了F16戰(zhàn)機(jī)與F16改裝無(wú)人機(jī)編隊(duì),完成了有人機(jī)的指揮以及控制僚機(jī)的航路跟隨,此外無(wú)人機(jī)完成預(yù)先規(guī)劃任務(wù)后能夠進(jìn)行毀傷評(píng)估、重新編組和自動(dòng)空中防撞等[25]。

圖6 波音X-45A無(wú)人機(jī)

在理論研究層面,Mansur等[26]設(shè)計(jì)了較早的用于有人/無(wú)人機(jī)控制的人機(jī)交互系統(tǒng)界面;Bertuccelli等[27]研究了多無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的操作者選擇建模問題,將人在環(huán)路(human-in-the-loop)問題進(jìn)行了具體的實(shí)踐并證明其可行性;Schmitt等[28]將混合計(jì)劃方法應(yīng)用于有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中進(jìn)行輔助規(guī)劃,提高無(wú)人機(jī)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率,進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃和決策效率;Schwerd等[29]提出了一種用于MUM-T飛行器應(yīng)用的認(rèn)知狀態(tài)估計(jì)框架用于輔助機(jī)載飛行員執(zhí)行任務(wù);Wang等[30]提出了一種基于拍賣(auction-based)的算法解決有人/無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)任務(wù)分配問題;Dong等[31]提出了一種針對(duì)編隊(duì)構(gòu)型的優(yōu)化方法并建立了有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)保持策略和相應(yīng)的任務(wù)控制方法。

綜上所述,可以看出有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)已取得了不少進(jìn)展,值得指出的是該系統(tǒng)涉及的領(lǐng)域仍有眾多需要研究的問題。接下來(lái),本文歸納了目前有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的幾大關(guān)鍵技術(shù),并進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

有人機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)時(shí),為了達(dá)到“1+1>2”的目的,應(yīng)集成有人機(jī)、無(wú)人機(jī)各自的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)最大化協(xié)同合作效率。具體來(lái)說(shuō)既要充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)在結(jié)構(gòu)特性上的優(yōu)點(diǎn),還需充分利用機(jī)載飛行員的個(gè)體智慧以及實(shí)時(shí)判斷決策能力,盡可能排除干擾,在復(fù)雜環(huán)境條件下能夠指揮無(wú)人機(jī)采取較優(yōu)的行動(dòng)方案,完成協(xié)同任務(wù)。其中涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)為:協(xié)同控制與交互技術(shù)、協(xié)同態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估技術(shù)、協(xié)同目標(biāo)分配與航路規(guī)劃技術(shù)、毀傷效能評(píng)估技術(shù)和智能決策技術(shù)。

3.1 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同控制與交互技術(shù)

有人機(jī)和無(wú)人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)時(shí),二者擔(dān)任的角色是不同的,必須通過(guò)相互之間的數(shù)據(jù)、信息交互來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的協(xié)同。在執(zhí)行整個(gè)協(xié)同任務(wù)的過(guò)程中,有人機(jī)中的飛行員不僅要接收來(lái)自指控中心的信息、數(shù)據(jù),執(zhí)行本機(jī)承擔(dān)的任務(wù),同時(shí)還要根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境狀況,及時(shí)接收來(lái)自無(wú)人機(jī)以及周圍環(huán)境的信息、數(shù)據(jù),并加以分析實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的指揮和控制。這對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)中的飛行員提出了較高要求,相較于單純的有人機(jī)編隊(duì)中的飛行員,其所承擔(dān)的任務(wù)工作負(fù)擔(dān)更為繁重。因此,只有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同控制方式和人機(jī)交互手段,才能夠有效減輕飛行員的負(fù)擔(dān),提高任務(wù)執(zhí)行效率。協(xié)同控制的方式有多種手段,其實(shí)現(xiàn)交互是多模塊的,語(yǔ)音、文本、圖形均可作為交互控制手段。圖7展示了有人飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的構(gòu)造。

圖7 飛行駕駛艙模擬器

由圖7可知,圖片、文本以及語(yǔ)音等交互設(shè)備和載體占據(jù)了相當(dāng)一部分空間,為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同控制和人機(jī)交互提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用平臺(tái)。但是無(wú)論使用哪種方法,都必須定義一套完整的控制指令集,以便確保交互信息在無(wú)人機(jī)端的識(shí)別、理解、執(zhí)行以及在機(jī)間數(shù)據(jù)鏈中的傳輸。

控制指令集按照所處平臺(tái)可以分成3個(gè)部分:有人機(jī)任務(wù)命令、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)命令以及指令編碼(即命令用語(yǔ)和指令之間的轉(zhuǎn)換)。對(duì)指令集的設(shè)計(jì)首先應(yīng)當(dāng)考慮到實(shí)際應(yīng)用中各種突發(fā)事件的可能性,并依次保證收發(fā)指令的流暢性以及持續(xù)性,確保在惡劣、動(dòng)態(tài)或是其他可能的非理想環(huán)境中,有人機(jī)與無(wú)人機(jī)仍然能夠保持通信,并且信息交互流暢。其次,要盡可能地將指令集設(shè)計(jì)得精簡(jiǎn),一方面可以減輕飛行員的操作和工作負(fù)擔(dān),另一方面當(dāng)其轉(zhuǎn)換成無(wú)人機(jī)能夠識(shí)別、理解和執(zhí)行的指令時(shí)可以確保指令在時(shí)間和數(shù)據(jù)量上的優(yōu)勢(shì)。此外,運(yùn)行于變化的實(shí)時(shí)環(huán)境或是面對(duì)惡劣環(huán)境時(shí),簡(jiǎn)單的指令集能夠節(jié)省不必要的信息交互量和時(shí)間,對(duì)實(shí)時(shí)性有著重要影響。最后,規(guī)范設(shè)計(jì)指令集能夠降低信息交互過(guò)程中的干擾和噪聲,提高信息發(fā)送和接收的準(zhǔn)確率,同時(shí)規(guī)范化的指令長(zhǎng)度需要考慮數(shù)據(jù)鏈帶寬和格式,便于在鏈路中進(jìn)行傳輸[32]。

3.2 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估技術(shù)

態(tài)勢(shì)感知(situation awareness,SA)的概念并非新提出的,最初是飛行員的專業(yè)詞匯。在1988年,Endsley第1次給出了態(tài)勢(shì)感知的定義:在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境要素的感知、對(duì)其意義的理解以及對(duì)其在不久將來(lái)的狀態(tài)預(yù)測(cè)。根據(jù)定義,不難看出SA有3個(gè)顯著的要素[33]:感知(perception)、理解(understand)以及預(yù)測(cè)(projection)。態(tài)勢(shì)感知的主要形式是通用態(tài)勢(shì)戰(zhàn)術(shù)圖(common operational picture,COP)[34],而態(tài)勢(shì)感知的本質(zhì)是一種輔助決策技術(shù),可以認(rèn)為是進(jìn)行決策的先決條件,態(tài)勢(shì)感知信息融合度越高,任務(wù)決策者制定計(jì)劃時(shí)可參考的內(nèi)容價(jià)值就越大。需要指出的是,即便是擁有高水平的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)也不意味著決策的質(zhì)量一定會(huì)提高很多,這是由于最終決策者是人,而出于各種因素的考量以及受經(jīng)驗(yàn)、冒險(xiǎn)心態(tài)的影響,最終的決策并不一定是最優(yōu)的。但客觀上高質(zhì)量的態(tài)勢(shì)感知確實(shí)能夠增加做出優(yōu)質(zhì)決策的可能性,而且作為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的輔助工具,一定程度上也減小了飛行員的判斷乃至決策壓力,因此該技術(shù)重要性不言而喻。

態(tài)勢(shì)感知方法是多樣的,有基于績(jī)效的方法、主觀性方法、問卷以及詢問性方法,以上這幾種都是在航空領(lǐng)域較早使用的一些方法。這些方法可觀、獲取簡(jiǎn)單并且是非入侵的,但是在復(fù)雜環(huán)境中,缺乏敏感性和診斷價(jià)值,其衡量標(biāo)準(zhǔn)是以整體任務(wù)性能為依據(jù),容易忽略如環(huán)境或飛行員等高度可變的因素帶來(lái)的影響,有時(shí)對(duì)整體任務(wù)而言可能是致命的。針對(duì)上述問題,Endsley提出了態(tài)勢(shì)感知全局評(píng)估技術(shù)(situation awareness global assessment technique,SAGAT)[35],認(rèn)為直接測(cè)量SA能夠避免前面所提方法存在的缺陷。而從SAGAT方法被提出后,這項(xiàng)技術(shù)便被廣泛應(yīng)用于SA的測(cè)量,并且如前文所說(shuō),SA起初只在空域中被研究,后來(lái)也擴(kuò)展到地域,SAGAT也同樣適用于測(cè)量地面SA。地面兵力的態(tài)勢(shì)感知技術(shù)發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng),主要應(yīng)用3種技術(shù):SAGAT、態(tài)勢(shì)感知行為評(píng)價(jià)尺度(situation awareness behavioral rating scale,SABARS)和態(tài)勢(shì)感知參與者問卷方法(post-trail subjective situation awareness questionnaire,PSAQ)。SABARS是利用專家觀察者/控制者(expert observer/controllers,O/Cs)的評(píng)級(jí)來(lái)評(píng)估步兵小單位的態(tài)勢(shì)感知,這種方法也可以預(yù)測(cè)各種性能指標(biāo)[36]。對(duì)于測(cè)量SA的方法而言,此處介紹的只是冰山一角,專門為SA測(cè)量設(shè)計(jì)的方法目前已達(dá)到幾十余種[37]。

3.3 協(xié)同目標(biāo)分配與航路規(guī)劃技術(shù)

協(xié)同目標(biāo)分配是指在考慮各種約束條件的前提下,為了使有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同完成任務(wù)而給有人機(jī)和無(wú)人機(jī)分配各自具體的任務(wù)目標(biāo)。有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同目標(biāo)分配是組合優(yōu)化問題,屬于一類非確定性多項(xiàng)式(nondeterministic polynomially,NP)難題。一般來(lái)說(shuō),NP難題中有PT種方法將T個(gè)任務(wù)分配給P個(gè)處理器,需要在所有任務(wù)都滿足空間和時(shí)間限制下,找到一組最優(yōu)可行分配。解決該問題的方法主要有圖論算法、啟發(fā)式算法以及模擬退火法等,其中模擬退火法產(chǎn)生的結(jié)果接近最優(yōu),相較于啟發(fā)式算法,模擬退火法能夠基于全局權(quán)衡,更好地應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜的實(shí)時(shí)問題[38]。此外,啟發(fā)式算法里還包括禁忌搜索、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等。但是無(wú)論是上面提到的任何一種算法,在面對(duì)NP難題時(shí)都無(wú)法避免地付出計(jì)算量龐大的代價(jià)。在實(shí)際應(yīng)用中具體執(zhí)行目標(biāo)分配時(shí)一般可分為2個(gè)階段進(jìn)行:在任務(wù)開始執(zhí)行前,可以在預(yù)規(guī)劃階段利用進(jìn)化算法、禁忌搜索以及粒子群優(yōu)化等集中式求解方法獲得初始任務(wù)分配方案;任務(wù)開始執(zhí)行后,可以利用如合同網(wǎng)(contract net)等協(xié)商方法來(lái)解決動(dòng)態(tài)任務(wù)分布問題[39]。

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃技術(shù)是在協(xié)同目標(biāo)分配方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,實(shí)時(shí)規(guī)劃出各機(jī)可行且較優(yōu)的協(xié)同航路。不同于單純的無(wú)人機(jī)群的協(xié)同航路規(guī)劃,有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)時(shí),一般對(duì)有人機(jī)不會(huì)進(jìn)行路徑預(yù)規(guī)劃。在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,當(dāng)環(huán)境發(fā)生突變時(shí),有人機(jī)會(huì)主動(dòng)指揮無(wú)人機(jī)偏離預(yù)定航路,此時(shí)有人機(jī)自身也可能成為無(wú)人機(jī)群航路中的“障礙”,因此有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃技術(shù)對(duì)于實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃的要求更高。規(guī)劃航路所用的算法有很多,如數(shù)學(xué)規(guī)劃方法、混合整數(shù)線性規(guī)劃法、A*算法、D*算法、Voronoi圖表法以及各種人工智能方法。目前針對(duì)無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃問題的研究較為廣泛,且各種算法成果已經(jīng)十分豐富,此處不再贅述。

3.4 毀傷效能評(píng)估技術(shù)

毀傷效能評(píng)估技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重要,在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中主要用于在編隊(duì)執(zhí)行完任務(wù)后對(duì)打擊目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行綜合評(píng)估。在評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上,指控中心需要判斷任務(wù)是否已經(jīng)達(dá)成預(yù)期,從而籌劃進(jìn)一步的指令和計(jì)劃安排,如是否需要進(jìn)行二次打擊或是否可以返航等。這項(xiàng)技術(shù)的意義和目標(biāo)在于可以節(jié)約武器資源、幫助掌控任務(wù)的進(jìn)展和執(zhí)行任務(wù)的時(shí)機(jī)。

目標(biāo)毀傷效果評(píng)估的一般步驟為:① 確定目標(biāo)系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)對(duì)于目標(biāo)為復(fù)雜系統(tǒng)的情況尤為重要,當(dāng)任務(wù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、僅憑無(wú)人機(jī)提供的影像資料或有人機(jī)飛行員的肉眼觀察無(wú)法科學(xué)、精確進(jìn)行評(píng)估時(shí),就需要借助預(yù)先對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)的科學(xué)建模以及關(guān)鍵指標(biāo)、參數(shù)的提取,在打擊后依靠這些數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的評(píng)估。② 采取損傷樹技術(shù)提取與目標(biāo)毀傷相關(guān)的關(guān)鍵部位。③ 將目標(biāo)系統(tǒng)離散成具有規(guī)則形體的典型目標(biāo),其毀傷效果指標(biāo)按典型目標(biāo)進(jìn)行選取。④ 根據(jù)目標(biāo)的作戰(zhàn)任務(wù),運(yùn)用成熟的效能建模技術(shù),建立基于物理毀傷的效能量化模型,解決目標(biāo)物理毀傷與目標(biāo)效能間的映射關(guān)系。⑤ 根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn),構(gòu)造結(jié)構(gòu)函數(shù),綜合得到基于毀傷的目標(biāo)整體效能衰減函數(shù),解決系統(tǒng)目標(biāo)的整體效能與目標(biāo)毀傷效果間的映射關(guān)系。⑥ 根據(jù)效能模型,計(jì)算武器打擊下目標(biāo)作戰(zhàn)效能的實(shí)際值,用目標(biāo)作戰(zhàn)效能的下降量來(lái)表征其毀傷效果[40]。

3.5 智能決策技術(shù)

在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中,指控中心以及有人機(jī)都將面對(duì)大量的信息涌入。面對(duì)如此龐大的信息量,不只是飛行員,位于指控系統(tǒng)頂端的指揮人員即便有一定的數(shù)量,卻仍需根據(jù)環(huán)境、局勢(shì)的不斷變化及時(shí)、準(zhǔn)確地制定和發(fā)布命令及計(jì)劃。復(fù)雜信息的決策處理對(duì)指揮人員的身心素質(zhì)是極大的考驗(yàn),因此需要發(fā)展智能決策系統(tǒng)(intelligent decision systems,IDS)輔助指揮人員進(jìn)行判斷和實(shí)時(shí)決策[41]。智能決策技術(shù)需要依賴各種輸入信息,所有基于前文所提到的關(guān)鍵技術(shù)輸出的信息都可以作為智能決策的參考輸入,而智能決策系統(tǒng)的輸出將用于輔助控制、指令發(fā)布等。

智能決策系統(tǒng)一般具有以下特性:良好的交互性(interactivity)、事件和變更檢測(cè)(event and change detection)、協(xié)助表達(dá)(representation aiding)、錯(cuò)誤檢測(cè)及恢復(fù)(error detection and recovery)、含有數(shù)據(jù)之外的信息(information out of data)以及預(yù)測(cè)能力(predictive capabilities)[42]。其中良好的交互性是為了使系統(tǒng)所做的輔助決策更接近于人腦思維,能夠更加符合使用者的習(xí)慣和思考模式;事件和變更檢測(cè)、錯(cuò)誤檢測(cè)及恢復(fù)是為了能夠?qū)崟r(shí)掌握全局信息,一旦某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題能夠及時(shí)告知指揮人員并實(shí)時(shí)做出補(bǔ)救措施;協(xié)助表達(dá)是指該系統(tǒng)以一種引人注目、信息豐富、以人為本的方式與人交流信息;含有數(shù)據(jù)之外的信息則意味著智能決策系統(tǒng)不只是一個(gè)數(shù)據(jù)及信息匯總樞紐,而是要從繁雜的數(shù)據(jù)中利用算法進(jìn)行提取和分析,并最終將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成計(jì)劃或者方案呈現(xiàn)給決策者;良好的預(yù)測(cè)能力能夠使智能決策系統(tǒng)的分析更加完善,在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中如果作為輔助工具的智能決策系統(tǒng)自身具備一定的預(yù)測(cè)能力,那么整個(gè)系統(tǒng)就能夠避免一些不必要的嘗試,減少飛行員及指控中心的工作量。

4 結(jié)論

1) 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中,各組成部分協(xié)同合作,整個(gè)系統(tǒng)較之單一的有人或無(wú)人機(jī)系統(tǒng)擁有更高的效率并能夠執(zhí)行更加復(fù)雜的任務(wù)。尤其在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域,具有不可替代的地位。

2) 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng),即便是無(wú)人機(jī)群協(xié)同控制領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)目前尚不完全成熟,因此仍有很多問題亟待解決。除介紹的幾種典型關(guān)鍵技術(shù)外,通信協(xié)議的有限帶寬以及通信距離的約束在很大程度上也限制了有人機(jī)與無(wú)人機(jī)間、指控中心與有人機(jī)以及無(wú)人機(jī)編隊(duì)之間的信息交互速度和實(shí)時(shí)性,因此通信技術(shù)是一項(xiàng)需要不斷發(fā)展以滿足任務(wù)需求的課題。

3) 由前文分析可知在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中能夠確保任務(wù)執(zhí)行效率及成功率的關(guān)鍵技術(shù)大多依賴指揮控制系統(tǒng),因此有必要優(yōu)先完善、提升和優(yōu)化有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中指控中心的效能,只有具備了強(qiáng)大而完備的指控系統(tǒng),才能有效提高有人機(jī)與無(wú)人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的能力。在此基礎(chǔ)上,不斷提升人機(jī)交互系統(tǒng)的效率,優(yōu)化無(wú)人機(jī)集群控制等方面的相關(guān)算法和技術(shù),提高鏈路通信量和通信速度等,使得有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)具備更強(qiáng)的實(shí)戰(zhàn)化能力。

4) 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)仍將是未來(lái)數(shù)十年軍事領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)以及重點(diǎn)發(fā)展的作戰(zhàn)系統(tǒng),其中涉及多項(xiàng)復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)需要學(xué)界乃至國(guó)家和軍隊(duì)層面的更多投入。受制于成本、規(guī)模和需求等諸多因素,全自主無(wú)人系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用尚不成熟,短期內(nèi)無(wú)法替代有人機(jī)。在有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)概念的發(fā)展和研究方面,美、英、法等國(guó)已相繼起步并取得了一定成果,這也為我國(guó)軍事領(lǐng)域前沿技術(shù)的發(fā)展提供了參考和借鑒。