无人自主系统综合试验测试平台设计*

王 健，李 智，李兢尧，孙智伟

（1.西北工业大学电子与信息学院，西安 710129；2.西北工业大学第365 所，西安 710065）

0 引言

无人自主系统通过自组织和自同步的异构多自主系统，能在未知的新环境中进行感知与推理，增强武器系统的适用范围、作战能力，减少人员伤害。近年来，无人自主系统技术获得高速发展，已呈现出改变人类生活方式与战争规则的重大效能，在国民经济建设与国防安全等各个领域崭露头角［1-2］。美军将人工智能+无人系统融合为无人自主系统，认为无人自主系统能够具有面向模糊不确定威胁的自主认知态势、复杂动态对抗环境的自适应决策以及多自主系统的集群作战样式，均是传统武器装备所不具备的能力，逐步将其作为军事领域改变游戏规则的革命性技术之一［3-5］。

无人自主系统需要通过试验鉴定与评估方式以验证其最终战斗力，美国和欧洲等国家制定相关战略规划，推动综合试验测试关键技术的发展，并纷纷建立无人机、无人车、无人船等综合试验测试中心［6］。美国以空天地一体网络化试验与鉴定为主线，率先提出了联合试验与评估（joint test & evalua tion，JT&E）概念［7］，20 世纪90 年代后期提出了“基础倡议2010”（FI2010），将试验鉴定与评估作为四大重点研究子领域之一［8］，美国国防部于2018 年8月30 日发布了《2017-2042 财年无人系统综合路线图》（简称2042 年路线图），对无人作战平台中开展高度复杂的自主系统试验、鉴定、验证和确认。美国国防预先研究计划局（DARPA）实施“进攻性集群使能战术”项目，重点发展无人自主集群集成试验床关键技术［9］。美国国防部的联合试验技术领域试验与鉴定领域的总体发展方向，开发了（仿真）高层体系结构（HLA）、试验与训练使能体系结构（TENA）、联合试验（任务）环境能力（JMETC）等［10］。

我国从2016 年开始，陆续启动“国家智能网联汽车（上海）试点示范区”封闭测试区、国家智能汽车与智慧交通（京冀）示范区海淀基地、珠海万山无人船海上测试场等项目建设。工信部开展基于宽带移动互联网的智能汽车与智慧交通应用示范合作框架协议等研究。2021 年9 月8 日，国内第一个面向全行业的专业无人机系统试验测试公共服务平台——靖边通用机场（无人机试验测试中心）获颁机场使用许可证并正式投用，可解决我国无人机产业链在试验测试领域存在的瓶颈问题提供一种途径［11］。

当前，国内外采用的模型驱动试验测试与评估方式，主要以无人驾驶测试为主，缺乏全体系、综合化的专业测试评估标准、方法与平台，测试内容局限于无人系统自身功能性、技术性测试，以及初级阶段的系统测试，难以有效测试与评估基于生物社会学、复杂网络、混沌动力学等复杂性科学的群体智能社会行为。随着我国探索无人自主系统能力测试评估技术发展，自动化→自主化→群体智能化的发展趋势，带来面向认知、决策和涌现性等全新试验鉴定问题；人工智能的算法空间规模巨大和不确定黑箱推理模型，造成自主系统作战行为和交战结果难以预测；群体智能涌现出的社会行为，带来面向复杂性科学的试验鉴定问题；人-机协同中存在的信任和理解问题，需要试验鉴定来确定系统自主层级和人-机交互效能；自主性技术的嵌入式和普遍性，带来多域协同背景下的无人自主体系联合试验测试问题［12］。我国在开始探索无人系统自主能力的测试评估方面，面临缺少对应的试验鉴定方法，迫切需要建立新的试验与评价体系与方法取代传统试验与评价方法，以满足未来无人系统装备试验与评估的需要。

无人自主系统综合试验测试研究平台立足于国内第一个专业无人机系统试验测试平台，是我国无人自主系统研究体系的重要组成部分及重大科技基础设施，具有空、天、地、海多维应用场景的多层级和体系化无人自主系统综合交叉研究平台，具备开展多维应用场景、跨域试验环境下的无人自主系统综合试验验证环境构建、复杂环境模拟仿真、综合试验测试技术研究、多域协同试验效能评估能力，可实现基于不同应用需求的智能化无人自主系统综合试验测试。

1 无人自主系统综合试验测试平台设计分析

针对无人自主系统试验鉴定这一全新领域带来的挑战，美军无人自主综合测试试验平台从顶层设计开始，采用多路布局、分类对待、一体推进、善抓重点、软硬协同和能力建设同步进行方式逐步实施。美军在具体实施过程中，试验鉴定设计采用模型驱动方式，即“建模仿真→预测结果→实施试验→校正结果”这一循环迭代试验模式。根据美军对于无人自主系统综合试验测试平台的设计思想，结合我们目前的国内需求和发展现状需要进行针对性的设计研究［13］。因此，无人自主系统综合试验测试研究平台采用立足国内现有无人机系统试验测试平台，面向五类作战空间的自主系统，即自主太空系统、自主空中系统、自主地面系统、自主海上系统和自主水下系统方式进行设计。同时关注七类自主性支撑技术，即自主行为预测、集群复杂性模拟、效果和能力评估、试验协议和试验设计、试验床和试验环境、可参考真实数据模型、试验工具与技巧［14］。所建成的试验测试研究平台，能够解决无人自主系统基于虚实结合的智能化复杂环境模拟仿真、多维体系化综合试验验证环境构建、基于云技术的分布式多域协同效能评估测试平台构建、复杂系统体系试验与评估方法等核心技术，完成多类异构无人自主系统在复杂极限环境、特殊应用场景下的多域管控、协同组网、自主决策，以提供高精度、实时、准确测试与精准评估测试试验系统，形成技术引领、工程应用和测试验证于一体的综合交叉研究平台。

依据此目标，无人自主综合试验测试系统应该在联合试验与演练使能体系架构（JTEA）下［7］，利用现有试验测试场内所具有的山地、湖泊、沙地等各种地形地貌有利试验测试条件，形成逼真的试验仿真模拟环境，采用集成试验场内相关专用测试系统以及试验测试资源，构建专业仿真系统和虚实测试平台，形成统一控制、统一管理、集中存储、集中分析的一体化试验测试网络。利用建设无人自主系统综合交叉研究平台，具备开展多维应用场景、跨域试验环境下的无人自主系统综合试验验证环境构建、复杂环境模拟仿真、综合试验测试技术研究、多域协同试验效能评估能力，实现基于不同应用需求的智能化无人自主系统综合试验测试。无人自主系统综合试验测试研究平台总体设计如图1 所示。

图1 无人自主系统综合试验测试研究平台总体设计Fig.1 General design of integrated test and research platform of unmanned autonomous system

2 无人自主系统综合试验测试平台设计

无人自主系统综合试验测试研究平台框架基于具体的试验与测试角度，按照无人自主系统一体化联合作业和体系贡献率的要求，把系统作业效能和适用性以及体系能力作为联合测试试验的主要项目和考核重点。无人自主系统综合试验测试研究平台设计包括四大关键测试系统：1）智能化多域联合无人自主系统综合试验测试评估系统；2）具备开放架构虚实结合无人自主系统体系化协同演练与评估系统；3）多域无人自主系统综合试验测试系统；4）广域多源异构数据存储和管理测试系统［15］。无人自主系统综合试验测试研究平台技术驱动要素主要包括：互操作性、可重用性和可重构性等3个显著的特性，通过将其融合在系统设计之中以实现一体化试验目的。

2.1 智能化多域联合无人自主系统综合试验测试评估系统

无人自主系统综合试验测试的智能化多域联合综合试验测试，主要完成空、天、地、海等多类型无人自主系统探测控制测试、通信组网和测控测试、广域多源异构数据智能处理和广域多源异构数据存储和管理测试［16］。本系统根据现有技术基础，对无人自主系统的试验测试体系与技术进行优化整合，形成多场景下无人自主系统联合应用测试评估能力［17］。

2.1.1 空天地海无人自主系统平台协同探测测试

根据空天地海协同探测需求，空天地海一体化协同探测测试技术需要完成高分辨超高速智能光学传感探测测试技术，高性能抗辐射空间光学传感测试技术以及新型移动探测测试技术研究。

2.1.2 多源空-谱-时智能联合优化观测测试

针对动态目标的多源空—时谱联合域及其特性的测试研究，根据典型目标的空间和光谱特征的物理和化学等特性的变化，能够智能联合测试评估复杂目标的检测、识别性能。

2.1.3 空天地海一体化协同控制测试

空天地海一体化协同控制测试，采用无人系统蜂群/族群控制、天基卫星平台、地面宽带通信网、水下无人航行器通信网络等自主系统多平台一体化控制技术，完成空天地海一体化协同控制测试、评估协同控制能力。

2.2 开放架构虚实结合的无人自主系统体系化协同演练与评估系统

基于开放架构虚实结合的可重构的虚实协同演练与评估子系统，动态构建无人自主系统的应用场景和配置场景要素，完成无人自主系统从性能、系统、任务、体系化等测试，完成复杂环境下极限测试（如系统数量饱和度、感知能力、复杂电磁环境对抗能力、组网通讯能力、决策能力等极限），实现协同演练与评估系统。开放架构虚实结合生成系统结构组成示意如图2 所示。

图2 开放架构虚实结合生成系统结构组成Fig.2 Composition of the structure of virtual and real combination generation system of open architecture

2.2.1 可重构的虚实场景生成系统

按照功能的不同可分为自然环境下的实景生成系统、虚拟仿真生成系统、虚实交互系统、虚实场景重构配置系统等4 部分，通过重构组合生成自然环境和虚拟仿真不同的作业场景下的测试场区。

2.2.2 无人自主系统体系化协同演练与评估子系统

借助虚拟现实技术与多维信息融合技术，搭建高模拟度仿真训练测试环境，通过面向随机任务的智能脚本生成技术，建立无人自主系统试验和任务执行的脚本数据库，构造运行程序/过程的随机脚本，实现应用场景高动态、不确定环境下的交互场景驱动，使试验测试效果更贴近于实际应用场景［18］。

2.3 多域无人自主系统综合试验测试系统

多域联合无人自主系统综合试验测试子系统，主要完成无人自主系统共性技术、多域协同培训演练和综合保障等能力试验测试能力。

2.3.1 无人自主系统共性技术试验测试系统

无人自主系统共性技术试验测试系统包括：指控与任务规划系统试验测试、通信数据链系统试验测试、电子系统智能诊断系统、无人自主系统动力系统试验、任务载荷性能测试环境等共性技术测试。

2.3.2 多域无人自主系统协同培训演练平台

多域无人自主系统培训演练体现整个无人系统的综合使用能力，采用人在回路操作方式，利用虚拟的复杂战场环境训练实战能力，确保系统使命遂行，提高无人自主系统协同稳定性。

2.3.3 无人自主系统综合保障子系统

无人自主系统综合保障子系统是利用相关试验基地气象保障系统、无人自主系统试验基地通信保障设施、跟踪与监视设施、平台综合指挥调度演播系统、时空基准与数字试验场多粒度环境等5 个子系统，提供目标的距离、方位、高度、航速等信息环境适应性飞行试验，提高系统综合调度和紧急情况处理能力，以多源数据高效组织、时空数据挖掘和任务驱动的时空信息服务为着力点，支撑网络智能化保障系统对时空信息的需求，实现无人自主系统综合保障。

2.4 无人自主系统广域多源异构试验测试数据存储和管理测试系统

无人自主系统广域多源多维信息的智能处理测试平台，将多源多维数据智能化共性技术进行综合化和专业化的测试。试验测试数据存储和管理测试系统主要由大数据计算区、高性能计算区、云计算平台区、并行存储区和管理区5 个部分，该平台总体架构如图3 所示。

图3 无人自主系统广域多源异构试验测试数据存储和管理测试系统Fig.3 Multi domain heterogeneous test data storage and management test system of unmanned autonomous system

2.4.1 多源无序数据的获取与检索能力测试

对于多源异构无序数据检索、有效测试分析和评估海量感知数据，需要解决很多关键测试问题，包括：复杂事件处理、数据智能融合、分布式流数据处理、流数据挖掘与商业智能技术等能力测试评估，利用基于人工智能多源异构数据智能获取和测试技术，提高天地海无人自主系统多源无序数据的获取与检索测试能力。

2.4.2 高并发、低延迟、高可扩展性的海量数据存储能力测试

无人自主系统获取和产生的多样性数据，分布式文件系统，关系数据库等方式存放，上层应用分析数据时采用对异构数据进行时空特征分析，解决海量数据分析、处理、预测测试实验能力评估。对于无人自主系统对象和空间表现出的多源、低质量、异构、关联数据的表示、清洗、推理、分析的海量管理能力，设计面向实时数据流处理的海量管理测试系统，解决海量数据存储，测试评价实时高并发、高扩展数据流，以及多源异构数据管理系统性能和可靠性。

2.4.3 异构多源的海量数据管理测试

在无人自主系统广域多源数据处理和分析过程中，涉及到非结构化异构数据、无人机拍摄数据、设备监测数据等各类关系型数据，需要针对性设计适用异构多源数据管理能力的分析测试技术。具体需要解决海量多源非结构化数据语义特征提取能力测试，跨分布非结构化数据集成管理能力测试，多网络图数据的交叉关联和查询优化能力测试，全分布式数据分布架构、数据组织以及数据实时压缩能力测试，多模态数据的融合和建模能力等测试。

2.5 无人自主系统综合试验验证设计

无人自主系统应用验证平台主要用于对无人自主系统进行多维多域工程实验和关键技术的实验验证，以及无人自主系统一些典型应用测试，可以包括：低空监测与管制、地形测绘与城镇规划、民政灾情评估、救灾与预警、安保反恐、立体空间动态监测、导航与定位、气象探测、资源探测等领域；在军事领域可应用于情报侦察、空间监视、海洋监视、预警和警戒、导航定位、作战管理/指挥控制、引导控制。

3 结论

无人自主系统立足现有空天地海多维应用场景的多层级和体系化无人系统综合交叉研究平台，具备开展多维应用场景、跨域试验环境下的无人系统综合试验验证环境构建、复杂环境模拟仿真、综合试验测试技术研究、多域协同试验效能评估能力，是支撑无人自主系统多学科与技术的重要交叉研究、测试和试验平台，将对复杂智能无人自主系统一体化联合作业体系管理与指挥架构、能力动态配置与优化、能力分级管理、通信系统架构、异构网络自适应等技术形成强烈的需求牵引，极大地推进数据融合、态势感知、协同控制、计算处理、仿真推演等具体底层技术的发展，促进我国无人自主系统领域相关科学技术的发展和产业化等均具有极为重要的意义。