海上无人集群有人/无人协同控制架构

王 勇,王 聘，李关防,孙之光

(1.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061；2.海军装备部连云港地区军事代表室，江苏 连云港 222061)

当前及今后一段时期,我国国家安全威胁主要来自海上，不仅要应对主要方向的军事威胁,还要应对东海、南海和其他战略方向的连锁反应,更重要的是应对美国的遏制和围堵。在国家“建设海洋强国”战略背景下,提升我海上攻防作战对抗能力和水平,已成为海上军事发展的迫切需求。

正如20世纪80年代远程精确打击装备引发火力打击方式变革一样,随着无人作战登上人类战争的舞台,无人系统协同作战也必将引发军事领域的深刻变革,推动世界新军事革命向纵深发展。无人潜航器、水下无人预置平台、无人水面艇、舰载无人机等通过遥控操纵或自主运行的航行器,与任务载荷、数据链和控制基站等组成无人系统,具有作战人员零伤亡，机动性能高，作战持续能力强，全寿命周期成本低等特点,能够替代有人系统执行“远程、高危、大规模、低烈度、长时、枯燥”等特点的任务。经过几十年发展,海上无人系统种类逐渐增多,可执行任务不断拓展,已经逐步从执行情侦监(ISR)任务拓展为执行电子对抗、察打一体任务,并正在向执行无人僚机/艇/器自主打击、集群协同跨域攻防等复杂任务能力发展。

无人系统在一定自主性的基础上,结合各类海上无人装备的不同性能特点,通过与有人舰艇或岸基的协同,可构成性能强大、效费比高的有机作战体系。该体系具有以下3方面优势。

1)分布式协同优势:将单个有人舰艇的各项功能,如侦察监视、电子干扰、打击与评估等能力“化整为零”,分散到大量低成本、功能受限的无人作战平台,通过大量异构、异型的个体实现原本复杂的系统功能,基于有人舰艇相关系统能力和指挥员智慧,实现有人/无人协同系统相对个体指数级的效能倍增。

2)系统健壮抗毁性:去中心化的海上集群利用自组网技术可实现海上有人/无人集群之间信息的共享,提高集群的抗故障与自愈能力。集群能够监控已建立的链接,具备应对意外中断的自动恢复、拥塞处理和冲突应对能力。在对抗过程中,当部分个体失去作战能力时,整个体系仍具有一定完整性,可继续执行作战任务。

3)对抗交换比更高:根据战争理论中的兰切斯特方程,体系效能正比于个体效能一次方与个体数量平方的积,因此,低成本的无人系统集群能够实现更大的对敌优势,比传统舰艇武器系统具有更高的效费比。海上无人集群协同有人舰艇协同作战时,敌方应对大量低成本的无人系统个体需要消耗数十倍，甚至上百倍的成本来进行防御,这将在战争中为我方有人舰艇带来显著的成本优势和能力优势。

1 无人集群与有人协同作战运用

在作战运用层面,执行海上高烈度作战任务的海上无人集群与有人舰艇的协同,可初步分为战役机动协同、战术机动协同、指控保障协同、感知通导保障协同、作战综合保障协同5个方面。

1)战役机动协同

无人机、中小型水面无人艇和无人潜航器的航程、续航时间不足,利用有人舰艇续航力优势对其进行搭载,可实现无人装备的超极限航程战役机动。自航出动的大型/超大型无人潜航器,相对有人舰艇，在远程奔袭中航速过低,可采用预先出动部署实现其与有人舰艇在战区抵达时空匹配。超大型无人僚舰可以长期伴随水面舰艇编队远程突击,支持远海持续有人/无人作战协同。

2)战术机动协同

无人装备和有人舰艇在任务海区,展开战斗编组,需要通过交战战术机动协同,以分布式机动实现最大化“保存和隐蔽自己,发现和消灭敌人”的作战对抗效能,主要包括有人舰艇/无人装备编组的分布式搜索效能、分布式防御效能、分布式杀伤效能等。

3)感知通导保障协同

综合运用有人舰艇和无人装备的分布式跨域机动协同、传感器工作状态协同、信号相参协同、信息配准协同等方式,可实现有人舰艇/无人装备编组的广域持续战场感知和快速准确认知,以及有人舰艇等核心节点的“低-零功耗”探测隐蔽。通过有人舰艇/无人装备编组动态组网通信协同、复杂环境集群相对导航协同等方式,可实现有人舰艇/无人装备编组适应高烈度复杂战场环境通信导航需求。

4)指控保障协同

在未来可预见的时期,执行海上高烈度作战任务的无人装备将始终以有人舰艇为指控信息保障中心,海上无人装备不断提高行动自动化和智能化程度,但在核心的战场综合态势深度感知理解、复杂环境交战决策意志等方面将始终依赖有人舰艇。

5)作战综合保障

在远海战区,有人舰艇可为无人僚舰/艇提供弹药、油水气电液等物质能量保障、检测维修保障;未来，还可能出现无人补给舰,往返于基地与远海战区,为执行战斗任务的有人舰艇和无人舰艇提供固体和液体物资补给。

通过以上5个方面的作战运用协同,海上无人装备可与有人舰艇实现异构多体分布式-认知信息物理协同,达到1+1>2的整体效费比正向非线性涌现。

2 国外海上无人系统发展路线

有人舰艇相关协同控制技术相对成熟,国外为有效达成有人/无人协同能力,立足无人集群自身特点,重点以有人/无人集群任务协同能力集成验证为抓手,通过构建开放式集群协同控制框架,逐步验证信息互通、行动协同等关键技术,在协同控制框架基础上，不断丰富应用新技术,促进有人/无人协同作战能力的持续提升。

1)集群协同控制框架

早在2004年,美国海军就已经结合美国国家航空局对火星探测器的研发成果开始开发“机器人感知系统控制体系架构(CARACaS)”。CARACaS采用开放式软件体系,可根据作战任务快速增加、减少、改变相关功能模块,并通过标准化接口实现与其他无人平台的互操作,有效地支持跨平台资源共用、信息共享、优势互补能力,在应用层，CARACaS由行动控制、动态规划、感知等三大模块组成,如图1所示。

图1 CARACaS应用结构图

此后,海军研究署继续对CARACaS进行完善,通过增加目标图像数据库和识别软件,使水面无人艇具备目标自主识别能力;利用多目标决策理论构建艇间行为协调机制,实现协同决策。

2)信息互通设计

由于无人机发展领先于其他无人领域,美国和欧洲率先在无人机领域开展信息互联互通设计工作,随后将该系列标准推广至无人地面车辆、无人潜航器、无人水面艇等无人系统。在研究方法上,先从顶层设计入手,优先开展标准设计工作,随后进行试验验证,并反馈使标准的版本迭代升级。

美国和欧洲在无人领域制定的关于互联互通的标准主要为北约发布的标准化协议(STANAG 4586)和机动车工程师协会无人机系统工作组SAE AS-4发布的联合无人系统体系结构(JAUS)系列标准。

STANAG 4586定义了适应作战需求的互操作等级(LOI)以及无人机地面控制系统的体系结构、接口、通信协议、数据源和消息格式,同时还明确了要求采用的其他北约标准,如成像系统可互操作数据链标准(STANAG 7085)以及与机上有效载荷有关的数字传感器数据标准(STANAG 7023,4545,4607,4609)等。

JAUS定义了一种模块化、松耦合、可扩展的体系结构,以及一组与具体应用无关、可重用的构件和服务,同时规定了进行内部和外部通信的标准接口消息,从而使符合JAUS的无人系统具备互操作能力。

3)行动协同控制技术

无人集群在行动过程中既要能使每个无人平台都能进入集群中,又要使无人平台之间保持一定的距离和队形结构。每一个无人平台既要能有一定的自主行动能力,又要保持多个无人平台之间的协同工作。对于整个无人集群系统来说,既要能在运动中保持稳定,根据任务需求实现集群的队形调整,又能够根据战场复杂情况实现集群飞行中的防撞、规避、重规划等。因此,无人集群的行为可看成向目标区域运动,队形的集结、保持和重构,防撞与规避三个子行为。

在行动协同控制方面,国外军事发达国家无论是在理论层面,还是在技术验证层面,在无人机群、无人艇群均采用了大量仿真和真实飞行/航行试验进行验证,取得了巨大成果,具备工程应用条件。

美国海军针对无人艇特性,借鉴了多智能体协同控制方法,研发了艇群系统行动控制模块(CAMPOUT),该模块融合了多类控制结构,能够实现对多个机器人的控制。该模块嵌入在艇群系统的CARACaS中,经过两次艇群试验,艇群行动协同控制算法具有很高的技术成熟度,具备工程化条件。

4)作战使用验证

为尽快抢得先机,在预算有保障的条件下让美国国防部尽快实现无人作战能力,美国海军和美国海军陆战队使用了经过验证的并且真实有效的项目开发措施,比如，美国海军少将韦恩·E·梅耶在美国海军宙斯盾项目中建立的理念——“建造一点,测试一点,学到很多”。基于这个理念,美国不间断开展关键技术研究和试验验证,成立了无人试验部队,开展无人装备使用工作。

2021年9月8日,美国海军宣布成立第59特遣队,这是一个新的特遣队,将有人系统与无人系统和人工智能相结合,用于美国海军第5舰队作战区域或美国海军中央司令部的海上行动区。第59特遣队的目标是在海上作战环境中使用无人空中、海上和水下系统,为中央司令部测试、整合、学习经验教训并练习装备部署和作战战术。

3 有人/无人集群协同指挥控制能力需求

未来智能海上有人/无人集群一定是由多个有人舰艇、无人平台组成,以协同指挥信息网络为支撑,以集群智能算法和相关装备为核心,形成的低成本、分布式、自协同、高弹性的作战体系。为适应分布式协同作战、“马赛克战”等新对抗方式,集群系统需具备指控关系弹性可变，兵力运用灵活可变，战术组合智能可变，任务能力动态可变，信息服务按需可变等典型能力特征。基于以上未来无人集群系统的能力特征,海上无人集群有人/无人协同控制必须具有如下能力特征。

1)体系兼容,无缝融入有人舰艇作战系统

无人集群系统在作战运用层面,可与有人舰艇完成战役机动协同、战术机动协同、指控保障协同、感知通导保障协同、作战综合保障协同等多个方面,无人集群必须融入有人舰艇的作战系统。

无人集群作战指挥融入有人作战指挥包含两个方面含义:一方面是无人集群指挥控制系统必须按照有人舰艇作战指挥系统设计规范开展设计,同时必须采用模块化设计,能够以功能服务形式加载到有人舰艇作战指挥中,或以独立功能服务形式嵌入在有人台位中；另一方面是有人和无人装备无缝共享战场态势信息,无人装备利用自身优势,能够隐蔽前出,使舰艇编队看得更远,有人装备提供战场综合态势的深度感知理解和复杂环境的战场决策,两者相辅相成构成态势准确、决策清晰的战场态势。

2)架构开放,支持任务和队形灵活重构

无人集群通过配属不同无人平台和载荷,可以遂行侦察、驱离、打击等多种任务,或者根据任务场景不同,能够变换成“一”字形、菱形、三角形等多个队形,或者在有平台故障或失能情况下,能够动态调整加入和退出平台节点,保持任务的健壮性以及兵力运用的灵活性。

集群指挥控制系统必须具有自组网通信以及通信管理能力,能够支撑平台通信节点的自主加入与退出,对集群内多种通信手段和通信链路进行管理。对于指挥控制功能,必须具有分布式作战指挥能力,编组指挥控制节点动态可变。

3)以智赋能,支持群体智能持续涌现

无人与智能具有先天结合性,无人系统要形成战斗能力,必须具有智能。基于“智能+”理念,在无人集群系统的态势感知、指挥决策方面,必须运用人工智能技术,形成无人集群智能协同态势认知、智能临机决策等能力,提升无人集群作战态势感知与构建的清晰度、准确度、可信度,强化重规划决策的高效性、实时性和环境适应性,支撑集群群体强对抗环境下的智能作战能力生成,同时智能算法须具备学习能力,通过仿真训练或实战推演的数据能够反馈进无人集群系统,通过智能算法的学习能力和反馈的数据,实现集群指挥控制能力的再提升,支撑无人集群作战能力持续升级。

4 海上有人/无人协同控制架构设计与部署

1)有人/无人协同控制架构设计

按照“开放式、服务化、智能化”的发展理念,以海上无人集群装备“进体系”“能演进”为目标,设计“云边一体”的海上无人集群有人/无人协同控制架构,构筑无人集群群体智能能力生成生态,具备异构无人艇平台灵活编组，复杂作战任务动态适应，任务载荷和功能服务“即插即用”，集群系统快速重构的能力,支持单无人系统自主和集群智能算法的持续演进和迭代升级,提升集群系统信息灵活共享、要素级协同控制和集成优化水平,以及系统健壮抗毁能力，如图2所示。

图2 “云边一体”的海上无人集群有人/无人协同控制架构

该架构以有人岸基/舰载指挥中心构建无人集群中心云,集成无人集群指挥、无人系统遥控控制功能服务，通过集群自组网通信设备和相关功能服务,实现无人集群有中心指挥与分布式协同控制,能够融入海上有人作战体系。“中心云”在不同任务阶段的作用略有差异:在任务初始阶段,完成对无人集群的任务分配、全局作战方案生成与调整、全局任务监控与干预、重要信息显示与管理、智能算法训练演进及系统复盘推演等功能;在任务执行过程中,局部形成对等协商和权重决策相结合的无人集群编组,组内成员角色和协同机制动态可调，功能服务按需启用,编组自主形成编组态势，实施临机决策方案，实现编组协同控制。

在无人平台“边缘云”,按照可扩展、可升级等要求,基于统一的服务调度与集成标准,打破集群协同控制、单无人系统任务控制、航行控制等功能界面,解耦形成服务化的基础功能构件,优化控制流程，减少中间环节,实现集群协同控制、单平台任务控制、单平台航行控制和传感器探测数据处理等服务的自适应灵活调度,支持单平台任务载荷即插即用,提升无人集群任务规划和行动方案的响应速度和执行效果。

2)功能部署

在开放式海上无人集群有人/无人协同控制架构支撑下,应用服务层全部部署在无人集群中心云,支撑服务层和基础服务层在无人集群中心云、无人平台“边缘云”的部署存在一定的差异。

态势显示、人机交互、协同指挥、算法集智能演进等功能服务部署于岸基/有人舰艇无人集群中心云。编队协同态势感知、编组智能临机决策、编组自主协同控制等服务部署在无人平台“边缘云”,编队协同态势感知负责完成多节点态势融合与综合识别,完成对编组内多个无人节点的局部态势融合处理,生成全局协同态势,在编组内各节点共享全局态势信息。编组智能临机决策负责在遇到突发状况时对当前局势进行判断和决策,生成临机行动计划并分发给编组内各节点执行。自主协同行动控制服务负责根据作战任务执行的当前阶段和实时进度,完成集群编队保持、自适应队形控制和编队新节点加入或退出控制。

①在中心式协同控制模式下,岸基/有人舰艇指挥是海上无人集群系统的任务规划中心、信息处理中心、指挥决策中心、载荷控制中心,直接控制各无人平台及其任务载荷,各无人平台之间不直接交互信息。岸基/舰载无人集群中心云接收并统一处理无人平台各节点上传的环境感知信息、任务执行情况、平台位置和状态信息,自主完成集群系统协同指挥、人机交互、态势显示等应用服务的集成,实现全局态势融合生成,并分发给集群各节点共享,根据各节点任务执行情况实时调整协同计划,生成新任务和全局航路,下达给指定无人艇节点。

该模式优点为:岸基/有人舰艇指挥对无人平台指挥控制层级少，命令下达直接,异构无人平台集成速度快,对无人平台掌控能力更强,对无人平台自主能力要求不高。但存在以下不足:一是对无人平台协同控制数量有限,不适合规模化无人集群应用;二是各无人平台距离母舰范围有限,通常在宽带通信可达范围内。

②在分布式协同控制模式下,编组内同类型无人平台通过自组网设备建立节点对等、无中心、自组织的水面无人集群系统,相邻平台自主完成信息与命令交互。岸基/有人舰艇中无人集群仅保留集群系统基础服务中的集群作战任务分配、集群全局航路规划、集群态势融合识别及智能算法演进功能服务。在无人平台上,除集成单艇智能算法、单艇载荷控制、动力控制和状态监控等功能服务、作战资源管理、数据清洗与上传等支撑服务之外,自主将集群/编组协同态势感知认知、集群智能临机决策、自主协同编队、编队对抗交战控制、拒止环境自主导航等功能服务进行集成重构,支持集群分布式自主协同作战。

该模式的优点为:一是系统组织灵活，信息共享程度高,系统拓扑可任意变化，节点接入/退出灵活,系统自主重构能力强;二是降低对岸基/有人舰艇集群指挥节点及其通信节点联通能力的依赖性,降低远距离通信带宽需求,集群前沿自主行动能力强;三是指挥节点对无人集群的控制无须过多地考虑集群自组织机制,将集群看成一个整体,便于实现单平台控制、集群控制、有人/无人协同控制的融合统一。不足之处在于岸基/有人舰艇指挥对无人集群管控要素有限,难以实时对所有无人平台及各功能载荷进行快速管控。

5 结束语

当前,无人集群系统正处于加速发展的关键时期。本文对国外海上无人系统发展路线进行了梳理,描述了有人/无人协同的作战样式,阐述了无人集群系统的能力特征需求,针对该需求，梳理了无人集群有人/无人协同控制架构以及分布式控制和集中式控制下的两种功能部署,力图为海上无人集群系统技术和装备的发展贡献力量。