人工智能技术在高炮系统的应用研究

张 春，矫庆丰，郭 鲜，崔星毅，张 蕾，王 歌

(1.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099； 2.中国兵器科学研究院，北京 100089；3.中国人民解放军驻西安北方光电集团军事代表室，陕西 西安 710032)

战争工具和作战样式总在不断变化，武器装备的发展必须与之适应。发展适应未来战争的新概念武器或在传统武器上进行作战理念升级，是适应作战样式转变的重要方式[1]。可以预见，未来高炮武器的作战目标将发生时代性的转变，技术发展的直接动力来源于网络化技术、先进计算与大数据技术、新材料技术和人工智能(AI)技术等，其中，人工智能技术是赋予传统高炮系统新机的重要手段。

1 高炮的技术优长

防空技术在与空中目标的对抗中得到了飞速发展，世界各军事强国都非常重视防空导弹技术的发展，同时，高能激光武器、高功率微波武器等单次射击成本较低的定向能武器得到飞速发展，极大地挤压了高炮的生存空间，高炮无用论的观点甚嚣尘上，严重影响了决策者的客观思维。但是笔者认为，通过对防空火炮的信息化改进、火力打击能力的提升、智能化要素的融入、制导弹药技术的采用和作战应用理念的调整，可使高炮在防空体系中继续发挥无可替代的作用，这些是基于高炮独特的技术优长。

1.1 独特的网式拦截机理

高炮与导弹采用不同机理拦截目标，它主要发射密集的弹丸组成密集火力，在空中散布成一张绵密的火力网，在目标进袭的前方进行动能拦截，相对于防空导弹的小质量破片拦截机理，在拦截厚壁精确制导弹药等小目标方面高炮毁伤机理有着明显优势[2]。现代高炮通过采用多管速射技术、多束定向预制破片弹药技术等，克服了传统高炮射速低、命中率低的致命弱点，形成了高效的杀伤弹幕摧毁能力，如果进一步采用制导化技术进行弹道修正，实现面杀伤与精确点杀伤有机结合，将把网式毁伤优势发挥到极致。

1.2 高效费比抗击蜂群目标能力

蜂群目标具有单体价格低廉、空中目标数量巨大、采用密集攻击等战术特点，面对蜂群目标，防空导弹指挥员将难以做出正确的战术响应，实施火力迎击将极大地消耗数量有限、价值不菲的防空导弹，甚至受弹药基数的限制而无法完成清理空域的任务，更有可能陷入敌方圈套；如果实施火力静默，将完全丧失防空系统的意义。

高炮弹药相对于防空导弹价格低廉，在采用多束定向预制破片弹技术后，高炮拦截小型无人空中目标的毁歼概率和持续作战能力大幅提高，在高能激光武器、高功率微波武器技术成熟并装备部队之前，高炮仍是抗击蜂群目标最有效的利器，甚至在高能激光武器、高功率微波武器广泛应用的同时，高炮预制破片弹药的动能打击方式仍是最有效、最可靠的拦截手段。

1.3 有效拦截厚壁目标能力

随着网络化技术和精确制导技术的发展，精确制导弹药已成为空袭目标的主要形式之一。国外发展的JDAM系列和宝石路系列精确制导弹药是在传统的非制导炸弹基础上增加抗干扰制导组件形成弹药精确制导能力，组件升级流程便捷、价格低廉，得到广泛的装备和作战应用，是防空装备面临的主要空中目标[3]。

精确制导炸弹弹体侧壁厚度较大，非深钻地类精确制导炸弹弹体侧壁厚度可达8～27cm，弹体前部厚度为侧壁厚度的3倍以上，弹体外壳热容量大，现役各型防空导弹难以有效击穿弹药侧壁并击毁目标。在面对此类目标时，防空导弹、高能激光武器和高功率微波武器均难以达成高效作战能力。

高炮配用的穿甲弹可有效击穿厚壁目标侧壁壳体，在制导炸弹装药的局部形成强冲击波，促使炸药局部产生“热点”，“热点”温度大于炸药分解温度时引爆装药；高炮配用破甲弹后，破甲弹的高速金属射流可击穿厚壁目标侧壁壳体，同时，高温的金属射流可引爆装药，因此，高炮配用穿甲弹和破甲弹可有效拦截非深钻地类厚壁目标。

1.4 优越的低空超低空性能

低空、超低空是一个看不远也难跟踪的空域，高炮火力猛烈、基本无低空射击死角，其有效探测手段、密集的火网对于低空、超低空来袭目标构成极大的威胁，而此空域又是无人机的主要飞行空域。同时，密集的高炮火力可有效拦截低空、超低空目标，或将部分空袭目标逼入中、高空等防空导弹的优势空域，进而发挥防空导弹作战能力。

现代高炮具有性能优良、干扰能力强、持续作战能力强、机动性好、作战使用灵活、作战成本低廉和维护保障简单的优势，是最合适的“保底”防空力量。

2 未来高炮的主要作战任务

随着技术的进步和战争模式的演化，空袭兵器和空袭样式也发生了时代性的转变，在体系防空的理念下，未来高炮的主要作战任务是抗击战术无人机、蜂群无人机、低成本空中目标和精确制导弹药[4]。

无人机研发和装备的初衷是取代有人系统执行长时、重复、枯燥和危险的任务，可作为作战网络的前出探测器、信息中继节点、空中攻击平台或假目标使用，由于装备和使用成本相对低廉，被大量地生产并投入到战场，在近年来的局部军事冲突中表现出优异的适用性，成为高炮在战场主要打击的具有数量优势的空中目标。蜂群类空中目标由众多机动的、具有主观能动性的无人机单体组成，各单体遵循简单的运动规则，但是群体表现出复杂的行为模式，是典型的复杂自适应系统，具有分散自主决策、自组织、没有条令、没有指令、甚至没有固定的蜂王等特点，可用于实施饱和攻击，也可用于消耗敌方防空火力，给防空系统带来巨大的技术挑战和弹药消耗压力。

精确制导弹药具有制导精度高、作战能力强、防区外超视距打击效果好、作战使用效费比高和弹体壁厚大等战术特点[5]。在近年来的多次局部战争中得到了广泛的使用，给防空体系带来了巨大的技术和成本压力，特别是弹体壁厚大特点，使传统导弹类防空兵器失去了有效打击能力。

未来高炮的主要作战任务还包括打击如滑翔翼、浮空气球、诱饵目标等低成本空中目标。

3 智能化高炮的技术发展方向

人工智能概念是美国人麦卡锡于1956年提出的，在随后的60年中得到了飞速发展，得益于大数据、高性能计算机和先进算法，近年来，人工智能技术突飞猛进[6]。在防空高炮系统基础上，采用人工智能技术，可大幅提升高炮在未来战场的作战能力。采用人工智能技术实现高炮智能化是抗击新型目标的有效途径，智能化高炮的主要发展方向如下。

3.1 战场态势认知和预测

态势认知是在态势感知和数据整合的基础上，对战场态势判读、理解和预测，进行态势分析[7]。例如目标识别、运动轨迹预判、未来作战意图预估等，是指挥控制活动从信息域向认知域跨越的重要标志。目前的先进防空系统在目标探测、目标建航、运动轨迹平滑、威胁判定、战场态势显示等方面已发展了多种算法并得到广泛应用，但是，离态势认知仍有较大差距。未来高炮系统需要发展对高度复杂性、动态性和不确定性的态势理解能力，具有理解战场态势全局和预测态势能力；另外，通过人工智能技术理解和预测未来战场海、陆、空、天、网、电多维空间的互相铰链态势，敌、我、友、天、地、社等情报瞬息万变态势，实现认知层面态势的自动生成和可视化呈现，呈现态势未来发展趋势，解决传统高炮系统有“态”无“势”的问题。

3.2 智能交互信息集中表达和全面表达

智能交互是利用多种人类可以接受的显示和表达手段实现信息的图形化、图像化、音频化、触觉化等，实现对态势信息的集中表达和全面表达，使战时操作手的注意力集中于与装备操作直接相关的内容；同时，具有让操作手全面掌握装备技术状态的能力，提高操作手快速认知能力和认知准确度，使操作手融入作战环境；将传递给操作手或接受操作手的思想，例如可通过草图、口语、手势进行人机交流或成为操作手决策的“指挥官助手”，使人机融合为共生的有机整体[8]。

3.3 单装无人值守自主作战

由于战争内在的复杂性和对手行为的不确定性，需要引入作战指挥辅助防空决策，构建多目标的满意估计和验证评价标准，实现多种作战计划的优选优化和面向博弈对抗，使智能决策能灵活适应任务环境变化，灵活应对战场不确定性。同时，提升“从数据到决策”的能力，利用大数据挖掘技术，直接形成决策方案和作战计划，尽量减少指挥员介入，从而使决策走向自动化、智能化，大大加快决策的速度。随着未来作战模式的转变，自主化无人智能防空作战平台的大量应用必将成为一种重要的发展趋势，在此作战模式下，操作手仅完成战前准备和相关勤务操作，武器系统通过对网络化、信息化技术的综合与集成，实现单装作战由智能化设备控制高炮系统完成目标搜索、威胁判定、自主截获、平稳跟踪、航路预测、弹种选择、火力控制、适时发射等作战流程，使高炮控制具有“人在回路之上”而非“人在回路之中”的监督控制能力。

3.4 集群式抗蜂群作战

将人工智能技术应用于火力平台控制对抗蜂群类空中目标时，需要解决群体目标与单体目标的识别、无固定规则运动目标信息的融合处理、空中蜂群中单体目标的威胁判定、单体目标飞行运动假定模型自适应转化、火力拦截控制策略的生成与转换、高概率拦截火力发射时机控制、火力平台转火策略控制等技术问题。通过人工智能技术的融入，实现防空火力平台控制系统在与目标交战过程中的自组织、自学习、自适应；同时，需要解决多装联合作战目标自适应分配和连续作战中的协同火力调转控制策略。

3.5 动态集群式作战中的安全控制

传统固定阵地作战的高炮系统通常采用禁瞄和多区域禁射等功能实现集群式作战中的安全控制，该方式战前准备时间长、操作使用复杂，不适于快速动态变化的集群式作战环境。自行高炮通常采用低射角限制功能实现集群式作战中的安全控制，该方式不适用于起伏地形，且使高炮丧失了在超低空的火力优势。在未来快速动态变化的集群式作战环境中，各防空高炮需要根据自身及周边己方装备和目标的实时动态空间坐标信息，由智能化控制系统根据自身坐标和定向信息，构建动态变化的二维或三维(基于弹药自毁原理，存在一定安全隐患)禁射空域，实现在动态集群式作战环境中的安全控制。

3.6 装备状态管理和模式优化

在装备长期使用、出现故障或发生战损时，由装备智能化状态管理系统通过状态监控、智能推理，根据作战任务类型，进行系统重构管理，优化系统工作模式，必要时可对装备进行降级使用，提高完成任务的可靠性。另外，通过装备智能化状态管理，确定装备的健康水平，进行监控告警，提示开展预防性维修，指导实施修复性维修，触发自主式保障功能，降低寿命周期费用，缩小后勤规模，根据装备长期使用经验，将计划维修升级为视情维修，优化维修模式，提高装备综合保障能力。

3.7 基于人工智能的模拟训练

精良的装备不代表强悍的战斗力，过硬的军事素养是部队战斗力的最终体现，在和平时期如何模拟瞬息万变的真实战场环境，并将操作手和指挥员置身在这种环境中摔打磨练是和平时期提升部队战斗力的有效方式[9]。基于人工智能的模拟训练系统需要模拟典型战例或突发事件的过程，模拟带战术背景的军事行动，甚至自主学习外军的军事条令条例，模拟外军的空袭军事方案的制定、推演和计划执行情况，并根据外军的军事装备情况和技术能力，预设各种地理条件和作战环境，有针对性地训练指挥员组织作战指挥的能力，训练操作手在对抗压力环境下对装备各项功能操作应用的能力。

4 结束语

人工智能概念这两年来备受关注，各级领导、各大院校都非常重视该技术的发展和应用。但是应清楚地认识到，人工智能技术应用周期短，技术积累周期长，当前的热潮得益于学术界上一轮深度学习算法的突破和应用红利的显现，即刻在高炮系统应用，需要认识到问题的难度，静下心来广泛学习、深入研究；另外，目前国际上人工智能技术显现出的曙光，其技术并不能简单移植到高炮系统，需要从基础开始探索，需要一个厚积薄发的静默期，静默期的长短取决于大家的努力。