群体智能无人机系统作战仿真需求分析关键问题

许瑞明,黄 谦

(军事科学院评估论证研究中心,北京 100091)

美军把无人作战系统作为第三次“抵消战略”中的关键力量。迄今为止,美军相继发表了多版无人系统或无人机路线图。2016年5月17日，美国空军发布了美国空军未来20年小型无人机路线图《2016-2036小型无人机系统发展计划》,提出在远期(未来10到20年)实现“蜂群”作战概念目标[1-2]。随着人工智能技术的发展与应用,未来10到20年,群体智能无人机系统作战将可能成为战场上一种重要的作战样式[3-4]。

群体智能无人机系统主要由智能无人机集群和地面控制站组成。智能无人机集群是在地面站控制和支撑下,由多架无人机构成的、通过相互协同共同完成给定作战任务的一个有机整体,这个整体中不仅各架无人机具有一定个体智能,而且还具有超越个体智能的群体智能[5-7]。

群体智能无人机系统是“由构想的武器装备组成的构想作战系统”,是未来的作战系统。对于这类未来的作战系统,其作战仿真的主要目的是系统作战能力演示和作战效果验证。这一目的与技术仿真有所不同,技术仿真主要是对系统技术设计或有关算法进行验证。

对这类系统进行仿真设计,首先我们要明确系统具有哪些类别的作战能力要素,特别是明确与群体智能直接相关的关键作战能力要素,并要明确衡量这些能力水平的关键指标项。在此基础上,可进一步分析确定系统的作战能力仿真演示需求和针对作战效果验证的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述这些需求是群体智能无人机系统作战仿真需求的关键内容,是确定其他配套需求的决定性需求。

1 群体智能无人机系统关键作战能力要素与能力指标

作为未来的作战系统,群体智能无人机系统具有无机载人员损失、更高的机动性、更好的隐蔽性、更强的环境适应性、更长的续航力、起飞着陆容易、低成本等个体特点和规模效应、高鲁棒性、整体自适应性(通过智能体现)等群体特点。其中,整体自适应性指群体智能无人机系统作为具有智能的整体,能够在没有外界干预或少量干预时自适应地调整任务分工、规划航路、规避障碍、应对突发威胁等的特性。毫无疑问,作战仿真需要合理体现群体智能无人机系统的这些特点。仿真活动中,这些特点的体现主要分两个环节完成。第一个是仿真系统设计环节,该环节需要把刻画这些特点的能力参数和作战运用方案参数设计为仿真系统的输入,如机动性需通过过载等能力参数来刻画,这要求把过载等参数设计为仿真系统的输入参数,同样对于整体自适应性也是如此。第二个是仿真执行环节,该环节需要将刻画相应特点的输入参数设置成反映该特点的一系列参数值。本文探讨的是作战仿真系统的需求问题,属于第一个环节的问题。第一个环节完成的标志是列出刻画所有特点所需的参数。上述参数中,作战运用方案参数主要包括作战编组、配置、各编组任务等参数类型,这与过去的作战仿真系统类似,故不再赘述。

反映群体智能无人机系统特点的关键能力是群体智能,为突出重点,本文仅讨论群体智能这个关键能力。结合OODA环理论对群体智能无人机系统的群体智能进行梳理分析,其群体智能主要包括信息协同融合、威胁自主协同判断、群体自主决策、群体自主控制、群体自主通信组网、群体自主管理等能力要素。这些关键能力要素与能力指标如表1所示。

表1 群体智能无人机系统关键能力要素与关键指标

注:①切换指飞行编队队形发生变化的一种编队动作，如从一字队形变换成菱形队形的切换。

②缩放指飞行编队队形不变，编队中飞机间距离发生变化的一种编队动作。

表1中的关键指标是对群体智能无人机系统作战运用起关键作用的能力指标,不是能力指标的全集。通常讲,对群体智能无人机系统作战运用起关键作用的能力指标包括成功率/正确率/合理性、准确度/精确性、执行相应能力动作所需时间等类指标,表中的能力关键指标设置除了个别能力(如群体通信组网能力有特殊要求、移动目标信息融合子能力需要更多的能力指标进行刻画)外均与此相符。这些相符的关键指标设置分为仅有1个布尔型指标、类型相符但指标个数小于3个、完全相符三种情形。其中,第一种情形只关注能力的有无,而其他能力事项已经或正在得到解决,不在关心之列;第二种情形设置理由与第一种类似,不再赘述。

2 作战能力仿真演示需求

作战能力仿真演示的目的是让观者直观观察到群体智能无人机系统所拥有的能力及能力形成的关键过程。

2.1 信息协同融合

对于地面固定目标信息融合,在信息融合完成后,根据观者需要，适时显示信息融合前各个无人机对目标探测得到的可见光、红外、SAR雷达图像等输入信息和目标类别判断、定位误差、信息融合所用时间等输出信息。

对于空中移动目标信息融合,在信息融合完成后,根据观者需要，适时显示信息融合前各个无人机对移动目标探测得到的航迹等输入信息和融合后的航迹、融合性能参数、融合所用时间等输出信息。

2.2 威胁自主协同判断

在判断完成后,根据观者需要适时显示威胁判断结果(如雷达威胁包络线、来袭飞机/导弹的位置、速度等)、测量误差、判断所用时间等信息。

2.3 群体自主决策

在群体自主任务分配完成后,根据观者需要，适时显示群体中各架无人机的任务参数、任务分配所用时间、任务分配原则等信息。

在群体自主航路规划完成后,根据观者需要，适时显示群体的规划航路、航路规划所用时间、规划原理等信息。规划航路显示信息除了包括二维、三维空间中的曲线外,还包括曲线上各点的飞行速度矢量信息,以及与任务规划相关的航路周边的威胁源、地形气象障碍等信息。

2.4 群体自主控制

群体自主控制能力的飞行编队构建/重建、自主切换、自主缩放、自主旋转、自主避障子能力需要通过飞行编队中各架无人机的飞行过程才能比较直观地展现。

2.5 群体自主通信组网

在群体形成后，根据观者需要，适时展现网络拓扑结构、节点和链路特性、有关时间参数等信息;在成员或拓扑结构发生变化时，适时显式反映这一变化。展现方式以网络拓扑结构图为基础,通过链接展现各类信息。

2.6 群体自主管理

在仿真中,通过一定方式显示群体中各成员之间的关系;在成员之间关系发生变化时，根据观者需要，适时显式反映这一变化。关系图和关系矩阵是显示群体中各成员之间关系的两种途径。关系图比较直观,但当群体成员比较多时，不易看清成员间的关系;关系矩阵虽直观性差一些,但展现效果不受成员数量的影响。

3 作战效果验证仿真分析需求

作战效果验证包括两方面:一是无人机系统具有群体智能与不具有群体智能作战效果对比验证;二是无人机系统具有不同程度群体智能条件下作战效果的比较验证。

1)有无群体智能的对比验证

无人机系统有无群体智能时，战法是不同的,需要根据任务性质设置对应任务要求的有群体智能和无群体智能的典型应用场景。基于典型应用场景,经仿真计算和结果统计，得到有群体智能和无群体智能达到同样作战效果的装备、弹药、人员损耗及各类作战人员需求。通过这些装备、弹药、人员损耗及各类作战人员需求的变化可体现群体智能的效用。

2)不同程度群体智能的比较验证

群体智能水平的不同作战效果也会有所不同,通过设置反映不同智能水平的能力参数,查看作战效果的变化。

本文以对地面固定目标信息融合为例。通过设置不同的融合正确率、定位准确度、融合时间,得到对应作战效果(如敌我装备、弹药、人员的损耗)数据,并以曲线、柱状图等形式展现这些数据,以便于观者直观查看出现的变化。

4 实体分辨率需求

分辨率是仿真中系统各要素及其行为被描述得详细程度。实体分辨率内容主要包括实体粒度、实体属性分辨率、实体行动分辨率等。当实体粒度、实体属性分辨率、实体行动分辨率确定后,实体关联、实体交互的分辨率也基本确定(通过实体关联及交互，可以对较受关注的无人机系统的组织结构和无人机系统一站多机控制结构进行描述)。

实体分辨率需求要与作战能力仿真演示需求和作战效果验证仿真分析需求相对应,在满足这一要求的前提下,仿真分辨率应尽可能就低不就高,以降低仿真建模与仿真分析难度，减少其工作量。

4.1 实体粒度

实体粒度是仿真中对现实世界中的实体描述的最小规模,同一个模型或仿真中,不同类实体的最小规模可以不同。

群体智能无人机系统仿真以无人机系统仿真为核心,仿真中涉及的实体除了无人机系统外，还包括与无人机系统对抗的敌方目标和支援无人机系统作战的己方兵力。无人机系统由无人机和地面站组成。无人机系统对抗的敌方目标和支援无人机系统作战的己方力量与无人机系统担负的任务相关。无人机系统对抗的敌方目标包括无人机系统侦察/监视、打击的目标和敌方侦察/监视、打击无人机的目标;支援无人机系统作战的己方兵力包括侦察预警、指挥、掩护、支援等力量等。概括起来,典型的目标或力量有地面工事、地面移动装备(如战车、火炮、指挥/通信车辆、运输车辆等)、预警雷达、防空火力、飞机(含预警机、电子战飞机、作战飞机)等。

本文针对这些典型目标或兵力,根据作战能力仿真演示需求和作战效果验证仿真分析需求,给出其实体粒度要求，如表2所示。

表2 典型实体粒度要求

4.2 实体属性分辨率

实体属性主要有标识属性、编成属性、配置属性、性能属性和状态属性等,其中，性能属性用于反映实体装备/设施的作战能力特性,随着仿真需求的变化有较大的变化空间,是实体属性分辨率需求确定的重点。

作战能力仿真演示需求和作战效果验证仿真分析需求对无人机实体性能属性有特定要求,集中体现在反映智能水平的关键能力指标上,即将反映智能水平的关键能力指标作为性能属性项。

除了无人机这一主要研究对象外,其他典型实体的属性分辨率要与无人机实体相配套。例如,作为侦察、打击目标的工事实体,为了计算侦察打击效果,其属性需要包括几何形状、尺寸、光学/雷达/红外反射或辐射特性、材质等。

4.3 实体行动分辨率

实体行动主要有机动、观察(侦察监视)、射击/干扰等。通过分析作战能力仿真演示需求和作战效果验证仿真分析需求,可得到典型实体行动分辨率要求,如表3所示。

表3 典型实体行动分辨率要求

从表3可以看出,不同实体的行动分辨率是有区别的。对于无人机,其机动仿真模型需要基本按照运动学、动力学模型要求来构建,而预警机机动仿真模型则可按照质点机动模型来构建,其原因在于无人机仿真需要满足群体自主控制等作战能力仿真演示需求，而预警机却不需要满足此类需求。

5 结束语

针对“由构想的武器装备组成的构想作战系统”的作战仿真,本文提出其作战仿真的主要目的是系统作战能力演示和作战效果验证。这一目的与技术仿真不同,技术仿真主要是对系统技术设计或有关算法进行验证。对这类系统进行仿真设计,首先需要明确系统具有哪些类别的作战能力要素,并同时明确衡量这些能力水平的关键指标项。在此基础上,可进一步分析确定系统的作战能力仿真演示需求和针对作战效果验证的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述这些关键需求确定的思路对于同类系统仿真的需求分析具有一定的借鉴意义。