坦克分队快速机动协同控制系统构想

刘 勇，胡建军，陈 旺

（中国北方车辆研究所，北京 100072）

坦克分队快速机动协同控制系统构想

刘 勇，胡建军，陈 旺

（中国北方车辆研究所，北京 100072）

作为一体化联合作战体系中重要的陆基栅格节点，坦克分队的快速机动能力对于顺利完成机动突击任务具有重要影响，而坦克分队的机动协同控制则是实现分队快速机动的关键。首先提出一种坦克分队协同控制系统架构，然后对该架构的组成及关键技术进行了探讨和分析，期望有助于提升新型坦克分队的快速机动能力。

坦克分队，快速机动，协同控制

0 引言

坦克是一体化联合作战中陆上主要的基本武器系统和机动突击平台［1］。坦克分队是指以坦克为主体装备，并配套指挥车、侦察车、通信指挥车等组成的战斗分队。在未来作战中，坦克分队将在基于信息系统的一体化联合作战体系中实施地面机动突击、目标机动防卫、区域稳定控制、体系作战，担任一体化信息系统的陆基栅格节点。

信息化条件下，“机动是实现集中的手段”［2］。坦克分队快速机动，是指坦克分队在基于信息系统的联合作战力量体系中，在统一的协同控制下，充分利用全维感知、多通道信息传输模块、智能辅助决策和快速机动等能力，实现向目标地域的快速机动。

对于坦克来说，由于本身体积庞大，且驾驶员闭舱驾驶时视野受限，难以准确判断本车与纵向车辆以及其他相邻车辆的距离，所以坦克分队在编队行驶时很难保持队形，编队行进速度比较慢。而且驾驶员还需要时刻注意观察本车与相邻车辆的距离，以免发生碰撞，工作负荷大，降低了坦克的作战效能。

造成坦克分队机动性差的原因主要有以下几方面：一是车辆缺乏强大的环境感知能力，无法实时准确获得行驶环境的详细信息，如相邻车辆距离、相对位置、障碍物信息等；二是车辆间的协同控制能力较低，虽然可以通过指控系统共享编队中各车辆的位置和速度等信息，但缺乏统一的协调控制，乘员需要对获得的其他车辆的信息进行判断和分析，并依赖乘员的直观认识和经验对车辆的速度、行驶方向进行控制来维持队形，完成队形变换，效率低且效果差。

针对上述存在的问题，本文提出一种坦克分队机动协同控制系统架构及其关键技术，期望有助于提高坦克分队的快速机动能力。

1 坦克分队机动协同控制系统架构

坦克作为陆军地面突击平台，坦克分队未来将面临信息化的战场环境，作战对象将是信息化程度较高或者具有一定信息作战能力的敌人。

本文为适应这种信息化的战场特点，以信息为核心，以协同控制为实现途径，提出了一种坦克分队机动协同控制系统架构，如图1所示。

图1 坦克分队机动协同控制系统架构

本文的坦克分队机动协同指挥控制系统，与传统的控制系统不同，不追求单个庞大、复杂的控制系统，而是利用编队中的各个个体，通过相互之间的通讯和协调，构建一个分布式的协同控制系统，共同完成编队行进、队形变换等复杂的控制任务。

由图1可知，坦克分队中的各坦克与配套侦察车、指挥车等为实现分队机动协同控制，分队中的各个体都需具备感知能力（环境感知模块）、信息处理能力（信息综合处理模块）、决策能力（智能控制与辅助决策模块）和协同能力（指挥控制模块）。另外，还需要多通道信息传输模块为指挥所与坦克分队之间、其他分队与坦克分队之间、坦克分队之间、坦克之间的信息传输提供通道，为坦克分队机动协同控制提供网络环境。

指挥控制模块用于实现坦克与指挥所、坦克等车际的指挥控制信息的交互；智能控制与辅助决策模块用于实现车辆的智能控制；信息综合处理模块包括信息的优先排序、传感信息的融合等；环境感知模块包括平台的感知与环境的感知，平台感知是指对坦克自身状态的感知，环境感知指对行驶环境和战场环境的感知。分队中各车辆的指挥控制模块共同实现分队的机动协同指挥控制；各车辆的环境感知模块共同实现坦克分队的全维环境感知。

本文提出的坦克分队机动协同控制系统不仅具有一般智能系统所具有的资源共享、易于扩展、可靠性强、灵活性强、实时性好的特点，而且各智能控制个体通过相互协调和协作可解决大规模的复杂问题，克服了建立一个庞大知识库所造成的知识管理和扩展的困难，使系统具有很强的鲁棒性、可靠性和自组织性。

下面分别对本文坦克分队机动协同控制系统的各组成部分及关键技术进行分析和探讨。

2 机动协同控制系统组成

2.1 机动协同指挥控制

坦克分队要想实现快速机动，在编队行进或战场环境中保持队形或实现快速的队形变换，编队控制是关键。对于体积庞大、控制复杂的坦克来说，只有通过统一的协同控制，各坦克在编队行进或队形变换时才能快速、准确的到达目标位置或按指定的路径行驶，或在行进过程中遇到障碍物时，才能快速绕过障碍物，并恢复初始队形。

目前，各坦克均通过一体化的指控系统进行指挥和控制，但是各坦克仅能依靠指控系统共享编队中各车辆的位置和速度等信息，缺乏统一的协调控制，接收上级指令后，仅依赖乘员的直观认识和经验对车辆的速度、行驶方向进行控制来维持队形以及行进速度，效率低且效果差。

在本文提出的坦克分队机动协同控制系统中，机动协同指挥控制由分队中各个体的指挥控制模块组成，共同完成分队的机动协同控制。协同控制模型由两部分组成：部署在指挥车上的全局协同控制模型与部署在单车上的智能控制模型。

在部署在指挥车上的全局协同控制模型中，以分队机动速度最快为优化目标，分队的行驶环境（包括导航线、偏航阈值、障碍物位置）、分队中相邻车辆之间的最小距离，以及分队中各车的当前速度与方向为约束条件，利用优化求解算法求解分队的队形变量（包括头车的速度、方向，以及各车的目标位置等），从而在分队机动过程中，实时计算分队的队形，为分队中的每个坦克和配套车辆分配其在队形中的相对位置，作为每个个体智能控制的目标。每次计算完成后，将头车的速度和方向发送至头车，并向各车发送目标位置。

在部署在单车上的智能控制模型中，以本车下一时刻的位置与指挥车下发的目标位置距离最短为优化目标，以本车与相邻车辆之间距离不小于规定的最小距离和下一刻行驶方向与当前方向相隔角度不大于规定安全角度为约束条件，求解本车的车速与行驶方向。各单车在行进过程中实时地将自身的速度、方向、地理位置等信息传输至分队中其他车辆。

图2 坦克分队编队行驶协同控制示意图

2.2 全维环境感知

由于坦克具有车身重、车体长、宽等先天劣势，驾驶员在驾驶过程中，驾驶室内的视野不到180°，车辆与周围障碍物之间的距离只能通过人眼进行估测。这样极大地降低了坦克装甲车辆驾驶的机动灵活性。

本文机动协同控制系统中，全维环境感知由分队中坦克及配套的侦察车、车载无人机等共同完成，不仅用于完成机动行驶环境感知（如地形、障碍物等），用于分队快速机动；同时还作为一体化联合作战的感知栅格节点，完成作战环境的感知（包括风向、风速、核生化沾染情况、敌方目标信息等）。

图3 坦克分队全维环境感知原理示意图

如图3所示，坦克分队的全维感知能力是由平台感知、环境感知和车际感知等多种感知能力共同组成的有机整体。

平台感知是指各节点（坦克、侦察车或无人机等）利用自身的传感器获得平台状态信息，如车速、发动机转速、航向等；环境感知是指各节点利用自身具备的环境感知能力（毫米波雷达、激光雷达、可见光CCD、热像仪等）获得行驶环境信息和作战环境信息，并通过指挥控制模块与分队中各节点实现平台状态信息与环境感知信息的共享；车际感知是指通过指挥控制模块获得分队中其他节点共享的环境信息和指挥所传输来的作战环境信息。并由信息处理模块完成感知信息的融合，以获得更准确、更全面的环境信息，为乘员了解行驶环境和坦克的智能控制提供支撑。

2.3 智能控制与辅助决策模块

智能控制与辅助决策是指利用先进的计算机技术、信息技术、传感技术来感知行驶环境信息、车辆运行信息等，根据分队机动协同控制模块分配的目标（如各节点在队形中的相对位置或导航线等）和行进速度等，结合分队中其他节点的状态（包括相对位置、方位、速度、加速度等信息）和车辆行驶状态，自动调整自身的行进方向和速度，给乘员进行提示或给出合理建议，或自动采取措施代替驾驶员进行车辆控制操作，从而保证分队中各节点机动控制的实时性与精确性。

另外，基于坦克分队的全维环境感知能力，智能控制与辅助决策模块还可实现坦克分队的编队跟随行驶、定速巡航、防撞预警等，从而有效地提高坦克分队的机动性能。

2.4 信息综合处理模块

信息综合处理模块主要用于实现信息融合处理以及信息的优先排序等。

信息融合处理是指为了适应战场环境的复杂性和任务的多样性，将装甲平台感知的多维信息源融合为有机整体，包括感知融合和态势融合。通过白光、热像、雷达等感知信息的融合，可提升乘员观察、发现和智能识别目标的能力。态势融合是指融合车际车内信息，将装甲平台的感知能力由局部感知扩展到对战场的全方位态势感知，实现合成级、判断级和更新级的目标情报融合，扩展情报的空间和时间覆盖范围，形成坦克分队协同感知的统一态势。

信息优先排序是在复杂战场环境下根据任务的优先级别，从信息本身的类型、紧急程度等角度出发，确定信息的优先级，对需要并行处理的信息进行优先排序，从而使计算资源能够得到更合理的规划和分配，使车辆的各任务能够得到更合理的调度和执行。一方面用于坦克的智能控制与辅助决策，另一方面将经过优先排序的告警、提示信息提供给乘员，以便及时、准确地处理坦克的各种状况。

2.5 多通道信息传输模块

传统坦克车辆主要通过电台这种单一的通信方式实现车际之间、战车与指挥所之间的数据、话音通讯。当坦克分队在山地、水网稻田地和城市等地形下进行机动突击时，地形会对电台通讯产生非常大的干扰，或者当电台出现故障时，就会导致车际之间无法正常通讯，影响战斗任务完成。

在本文坦克分队机动协同控制系统中，为实现坦克之间、坦克分队之间、坦克分队与指挥所之间的信息共享与交互，构建网络化感知-态势分发-机动协同的链路，形成从传感器到执行器的高速信息获取、处理、发布和执行的一体化信息平台，高速、实时、可靠、多维度的信息传输链路和车际网络调度技术是关键。

在本文提出的协同控制系统中，包括卫星通讯、数据链、电台等多种车际通讯方式。多种车际通信方式应根据传输特性的不同和统一规划，相互协作、互相补充、合理备份，实现不同的信息传输需求，增强信息传输路由的重构能力，实现多层次、多维度车际通信，保障信息畅通。

3 机动协同控制关键技术分析

为实现本文提出的坦克分队机动协同控制，还需针对协同控制算法与模型、乘员智能操控、目标智能搜索与识别以及车际网络传输多通道调度机制等关键技术进行研究，以为协同架构的实现提供支撑。

3.1 协同控制算法与模型

坦克分队要想实现快速机动，只有通过统一的协同控制，各坦克在编队行进或队形变换时才能快速、准确地到达目标位置或按指定的路径行驶。因此，对于本文坦克分队的协同控制系统而言，一套可靠的、功能完善的、高效的协同控制算法与模型是该协同架构实现的核心和关键。

该协同控制算法必须能够根据上级指令，自动生成分队中各节点的控制指令；并在分队机动过程中能够实时根据行驶环境信息和分队运行状态信息，实时动态调整各节点的控制指令，从而保证坦克分队能够快速、准确地完成机动任务，如编队行驶、避障行驶、防护行驶等。

3.2 乘员智能显控技术

为了实现坦克的高机动性，必须有效地提高乘员的显控能力，使坦克乘员能够快速、准确地了解行驶环境信息，并及时、准确地对车辆进行操控。如利用先进的三维视觉和语音技术，实现坦克车辆的一体化视觉语音显控，包括环境信息、态势信息的三维实时显示，以及部分功能的语音和视觉控制等；还可利用信息综合处理模块提供的信息优先排序能力，根据当前任务、乘员操作和车辆当前状态，自动将乘员执行任务过程中最需要了解的信息推送并显示给乘员，而不需要乘员手动切换界面查看，保证高效完成作战任务；从提高乘员操控能力角度，可通过合理的规划乘员操作方式，实现操作分区，使所有操控符合人机工程。

通过提高乘员的智能操控能力，还可有效降低乘员负荷，提高乘员效率，进而有助于提高坦克及分队的作战效能。

3.3 行驶环境感知与融合技术

为了支持坦克分队全域、全天候的快速机动能力，必须具备支持全天候的环境感知能力。因此，一方面，坦克车辆应配备可见光、热像仪、毫米波雷达等多种传感器，以组成一个综合的环境感知系统，以实现在不同背景、光照和距离下对环境的感知；另一方面，应充分利用通过车际网络传输来的其他感知节点获得的环境信息，实现传感信息的融合处理，从而获得更准确和全面的环境信息。

3.4 车际网络传输多通道调度机制

为支持坦克分队机动协同控制，坦克之间、坦克分队之间以及与之产生协同关系的其他兵种战斗单位等信息节点之间需要实时交互大量信息，包括指挥控制信息、情报信息、协同信息和保障信息等；从信息类型来分，又包括语音数据、图像信息、数据等。

在本文提出协同架构中，包括了卫星通讯、数据链、北斗短报文、电台、分队级自组网等多种车际通信方式。由于各传输方式的通信速率、通信距离和支持信息类型不同，坦克分队在机动过程中，应根据传输特性的不同和信息传输需求，进行统一规划，使多个传输通道能够相互协作、互相补充、合理备份，增强信息传输路由的重构能力，实现多层次、多维度车际通信，保障信息畅通。

4 结论

本文提出了一种坦克分队协同控制系统架构，然后对该系统的各组成部分进行了分析，并指出了实现该架构需要的若干关键技术。期望该协同控制系统能够有助于实现坦克分队的快速机动，并推广应用于坦克分队机动突击协同控制或指打一体化控制等，从而提升坦克分队的机动突击效能。

［1］肖顺旺，张卫东.国外陆军一体化指挥控制信息系统［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［2］秦永华.军事名家论兵精要［M］.北京：军事科学出版社，1997.

A Fast Cooperative Maneuvering Control System for Tank Units

LIU Yong，HU Jian-jun，CHEN Wang
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

As one of the most important land-based grid node in joint warfare systems，the fast maneuvering capability of tank units contributes has an atfort on completing tactical assault tasks. Furthermore，tactical cooperative control is the key point to reach this target.In this paper，a cooperative controlling architecture among tank units is proposed.Then the composition and key technologies of the architecture are discussed and analyzed.It’s expected to help improving tank units’maneuvering capability.

tank unit，fast maneuver，cooperative control

E917

A

1002-0640（2015）03-0104-04

2014-01-17

2014-03-25

刘 勇（1973- ），男，河北邢台人，研究员，硕士。研究方向：坦克装甲车辆总体设计、车辆综合电子系统设计。