智能无人集群体系作战仿真系统功能与架构设计

伊 山,黄 谦,杨鹏飞

(军事科学院,北京 100091)

党的十九大报告明确指出,要“加快军事智能化发展”。随着AI技术、群体智能技术[1-2]、无人系统作战运用的不断创新和发展,无人系统将在未来陆地、海洋、空中和太空战场[3-5]上具有更重要的功能和更大的效益,由此掀起“第三次战争革命”[6]。无人机、无人战车、无人舰艇、无人潜航器等无人系统[7-8]自主作战和群体协同作战将对传统战争形态构成显著影响,将产生颠覆性的作战样式。通过对产生颠覆性作战样式的无人集群体系作战行动的仿真实验,可以演示作战概念,验证无人集群装备、机器人操作系统的关键技术,评估无人作战智能等级和无人系统对联合作战整体效能的贡献度,有助于牵引机器人操作系统技术研发和作战能力生成,为探索优化无人作战新概念,推动智能化无人作战体系设计提供“实验床”。

目前对群体无人集群建模与仿真的研究,主要聚焦机器人操纵系统、无人系统任务规划、编队控制、自组网通信、智能算法等技术层面。比如军事科学院戴华东等构建了机器人操作系统平行学习架构[9],北京理工大学王玥教授建立了微小型飞行器集群作战过程模型[10],空军工程大学姜禹呈研究了有人/无人协同作战随机网络拓扑模型[11],以及群体智能任务分配[12-13]、航迹规划优化算法[14]等。

国内外对无人集群作战运用建模与仿真研究成果还比较少[15]。基于新型作战构想,从作战体系对抗视角,开展智能无人集群体系作战仿真与评估研究更是在初始探索阶段。许瑞明等基于群体智能无人机系统作战能力指标对仿真演示需求和实体分辨率需求进行了分析[16],齐智敏等设计了智能无人集群任务规划系统架构[17]。中国电子科学研究院刘立辉等对无人集群技术级仿真平台架构进行了设计[18]。以上文献对无人集群技术级仿真或作战仿真的某个侧面进行了阐述,而没有从智能无人集群作战体系对抗和仿真平台全局进行分析。本文以智能化机器时代战争和无人化体系作战理论为牵引,从未来智能无人集群作战运用、体系对抗角度,提出仿真系统特点,设计智能无人集群体系作战仿真系统(Intelligent Unmanned Cluster SoS Operation Simulation System,IUCSOSS)的功能和体系架构。

1 IUCSOSS特点

当前人类社会已进入智能化机器人时代,以人工智能为标志的第二次机器革命正在加速智能化机器时代战争的形成[19]。智能化机器时代，战争以打赢智能无人集群体系对抗作战行动为主要目的。智能无人集群体系对抗作战行动具有以机器人操作系统为技术支柱,智能化装备为装备体系主体,“有人—无人协同”为作战编成编组形态等特点,并将不断产生新的作战样式。因此,IUCSOSS需要突破传统作战仿真系统的限制,构建新型智能无人集群体系对抗仿真评估系统。IUCSOSS应具备以下几个特点和能力。

1)可牵引机器人操作系统关键技术研发。机器人操作系统是智能无人集群自主性和智能水平的核心关键,也是无人集群体系对抗仿真实验关注的核心。美军在无人机平台上研发了通用操作系统—COS,COS可整合无人机平台的武器、传感器和通信等设备资源。美国DARPA推出了SoSITE体系集成项目[20],重点构建无人平台操作系统软件结构。IUCSOSS应对机器人操作系统管理无人机、无人车、无人船、无人潜航器等的资源和行为任务进行仿真,在体系对抗条件下验证机器人操作系统观察、判断、决策和行动(OODA环)运行机制和效果,牵引机器人操作系统关键技术研发。

2)可检验任务规划系统的“角色”设定合理性,探索操纵系统“角色”生成与演化机理。文献[6]设计了可持续自主学习的micROS机器人操作系统平行学习架构,并提出了基于角色模型的群体智能机器人操作系统控制抽象。角色是智能无人集群面向特定任务的一次行为抽象。IUCSOSS应对无人系统任务规划系统的角色控制设定和任务预规划规则的合理性进行检验,对无人集群角色的扮演、激活、调度和迁移等过程进行演示验证。

3)可仿真演示智能化机器时代战争的新型作战样式。在未来智能化特点的信息化战场上,智能化无人系统和智能无人集群将是制胜的重要手段,也必将产生智能化蜂群消耗战、智能化跨域机动战、智能化认知控制战、自主精确渗透战等新型作战样式。IUCSOSS应对以上作战样式的无人战场感知、无人精确打击、无人阻击、无人电子对抗、无人与有人协同等行动场景进行仿真模拟,演示新作战样式,仿真无人作战对抗行动过程,牵引新型作战概念。

4)可仿真评估智能无人集群体系作战效能。随着智能技术的不断发展,智能化装备将不断走入战场。当前,各类无人作战系统不断加入战场实践。比如,无人机自主飞行几千千米对目标进行侦察和打击。“有人—无人协同”成为主要作战编组形态。因此,IUCSOSS应在无人系统协同作战典型行动场景的牵引下,对智能无人集群装备效能进行仿真评估,对无人系统自主编组、有人—无人协同编组进行仿真实验。更重要的是,系统应具备在作战体系对抗条件下,可优化无人系统编配和战法,检验无人系统装备作战运用,评估无人系统作战对联合作战整体行动的体系贡献率,牵引智能化作战体系的设计和论证。

2 IUCSOSS功能设计

为了实现以上仿真系统能力,设计者应在联合作战模型体系基础上构建智能无人单体和集群模型,在传统仿真引擎、作战想定编辑、仿真推演、各方作业、态势显示、仿真评估和仿真资源管理等仿真支撑系统[21]基础上,突破智能兵力关联、基于“角色”的任务进程规划、无人集群控制台监视与控制、OODA环立体定格分析、智能逻辑可视化、无人集群体系作战因果推理评估等技术,不断优化完善和扩展IUCSOSS各支撑系统功能。

2.1 多分辨率作战仿真模型体系设计

作战仿真模型是IUCSOSS的核心组成部分。IUCSOSS不仅要构建传统联合作战行动仿真所需各军兵种指挥控制模型、兵力模型、武器装备模型[22],还要突破无人系统单体和群体模型构建技术,设计多域异构无人系统及集群模型体系。

1)无人系统单体模型。设计研发集成空中、陆上、水面和水下多域异构无人系统装备模型、组件模型和行为模型。无人系统装备模型,描述无人系统各种战技参数,如无人系统运动学、动力学特性。无人系统组件模型包括无人系统的雷达、红外、光电传感器等载荷模型以及武器系统模型。单体行为模型包括无人系统单体自主感知模型、判断模型、决策模型和行动模型。

2)智能无人集群模型。无人集群模型是对无人系统集群的属性和行为的抽象。系统应构建集群管理模型和集群行为模型。集群管理模型,实现对无人集群的群静态属性、群队形管理、群间关系、交互属性等的描述与管理。集群行为模型,实现无人集群OODA环行为链模型。集群感知模型,能够对无人集群获取的态势信息以及外部指挥信息系统输入的态势信息进行融合处理。集群判断模型,基于集群感知模型获得的战场态势场景,进行战场态势的分析判断和认知,可动态识别即时优势窗口,评判作战时机。集群决策模型,基于无人集群判断模型结果,生成作战行动方案,能够智能调整作战行动,如目标选择、任务分配、规避威胁等。集群行动模型,基于无人集群模型决策模型结果,在仿真中执行作战行动。

2.2 无人集群想定管理与任务规划功能

IUCSOSS不仅要实现想定生成、想定管理、战场要素显示管理、地理数据管理等基本功能,还要突破无人集群角色进程规划、作战智能的生成与表达技术,实现智能兵力关联、智能任务进程规划和作战规则规划等功能。

1)智能兵力关联功能。根据无人集群作战任务分析、目标研判结果,建立“作战目标选择—行动载荷配置—无人平台配备—无人作战编组”智能规划机制,生成智能兵力关联方案。目标—载荷关联,以任务目标清单为输入,通过人工或关联规则,综合权衡载荷的性能、价值等因素,实现针对不同目标给出具体载荷型号、数量的推荐。载荷—平台关联,实现无人集群载荷挂载模式的匹配和优化。针对已有的无人平台,考虑挂点数量、重量、尺寸等约束,根据载荷需求,确定合理的载荷挂载匹配模式,完成作战平台的载荷匹配。兵力编组生成,根据不同目标关联的无人作战平台,结合目标聚类结果,形成平台的群队编组。

2)基于“角色”的任务进程规划功能。在智能兵力关联规划的基础上,对计划无人集群的具体作战任务(“角色”)及执行任务的流程进行规划。通过探索机器人操纵系统“角色”控制生成与演化机理,实现角色规划、角色跳转关系规划功能。角色规划是根据任务分析内容,确定角色需求,完成角色的建立、角色信息录入等。角色跳转关系规划是角色之间转换的条件及转换方式的规划,比如无人机集群分支、接续、自循环以及角色动态规划等。

3)作战规则规划功能。无人集群作战规则规划是对在一定条件和时机下所遵循的作战规则进行规划。无人集群作战规则包括触发时机、条件和响应动作三要素。触发时机是指什么时候判断战术规则是否适用;条件指的是作战态势满足什么条件时,此对抗规则才能适用;响应动作则是指执行此作战的无人集群/平台该采取何种作战动作。系统应提供可视化的规则编辑界面,支持定义和编辑作战规则、作战算法等。

2.3 导调控制与各方作业功能

IUCSOSS应提供解析想定管理和任务规划文件,运行智能无人集群任务规划脚本,可视化作战态势、智能事件、战况统计效果,引接仿真引擎,控制仿真运行等功能。导调控制,提供以“上帝”视角展示智能无人集群体系对抗战场态势。各方作业,为红方、蓝方推演人员提供“背靠背”的推演服务功能。针对群体智能无人系统,要有针对性地设计研发无人系统任务编辑管理、实时干预和OODA环立体定格分析功能。无人系统任务编辑管理,提供对无人集群“角色”、规则、算法的编辑调整功能。无人集群实时干预,提供在仿真运行过程中对无人集群进行人在回路的干预,调整其作战任务和机动任务。OODA环立体定格分析,可暂停仿真运行,通过丰富的可视化界面对无人集群观察、判断、决策和行动链路进行追踪分析。

2.4 无人集群控制台监视与控制功能

传统联合作战仿真系统通常没有该功能模块。针对无人集群对抗仿真,应重点设计研发无人集群任务监控和群控制功能。无人集群任务监控,提供智能无人集群运动安全管理、群成员管理、任务分配等的监控功能。无人集群控制,依据联合作战战场态势以及智能无人集群监视状态数据,对无人集群进行控制,应提供编队控制、传感器控制、干扰装备控制、武器控制和通信控制等功能。

2.5 无人集群体系作战仿真可视化功能

通过二维、三维联动显示战场综合态势信息,包括作战力量、战场环境、作战对象、指挥控制、作战保障、作战行动及信息交互过程等的可视化。针对智能无人集群要创新设计智能动态运行可视化功能和无人系统平视显示(HUD)功能。智能动态运行可视化,动态展示无人集群基于“角色”的任务规划作战方案仿真进程,提供动态展示角色执行进程、跳转接续情况和角色、作战算法、作战规则详细信息,以及无人集群OODA环运行过程等功能。无人系统HUD显示,通过对无人系统的数据获取、整合,提供显示无人系统运动状态功能,比如无人机飞行高度、飞行速度、航向、垂直速率变化、飞机倾斜角度与飞机横滚角度等。

2.6 无人集群体系作战仿真评估功能

通过对仿真过程和结果数据的统计计算,评估无人集群作战效能和对联合作战的贡献度,通常包括数据预处理、评估指标设计和管理、评估模型管理、评估任务管理、评估显示等功能。针对智能无人集群应突破因果关系数据推理仿真评估方法,通过调整评估算法、规则,构建无人集群作战数据、作战方案、作战结果的因果推理路径,实现作战智能的可解释性,评估无人系统智能水平,优化作战效能。

3 IUCSOSS体系架构设计

依据IUCSOSS特点、功能需求分析,确定系统架构组成。将IUCSOSS架构设置为数据资源层、服务层、支撑系统层和应用层四个层次。其中,第一层为数据资源层,主要提供联合作战及智能无人集群仿真所需模型、数据、规则等资源。第二层为服务层,就是仿真引擎,为作战及无人集群仿真对象间的通信、调度及同步提供底层服务,实现仿真想定与任务规划解析、实体与群管理、仿真时间驱动、事件管理及驱动仿真运行等功能。第三层为支撑系统层,提供模型开发与管理、想定管理与任务规划、导调控制与各方作业、无人集群控制台监视与控制、仿真可视化和仿真评估等功能。第四层为应用层,通过支撑系统层提供的各项功能,开展机器人操作系统关键技术牵引,智能无人集群任务规划验证,新型作战样式演示,体系对抗效能评估等的仿真应用。IUCSOSS体系架构如图1所示。

图1 IUCSOSS体系架构图

4 结束语

产生颠覆性作战样式的集群智能技术,一直被军事强国作为军用人工智能的核心加紧研发。建模与仿真是研究智能无人集群作战不可或缺的有效手段,但把无人集群与作战体系对抗结合起来开展仿真研究还处于初始阶段。本文结合传统联合作战仿真系统基本功能,重点对智能无人集群体系对抗仿真特点、仿真系统功能和系统架构进行了探索,许多理论、方法、技术还需在工程实践中不断深化研究。