張 起 蘇金濤

(1.海裝裝備采購(gòu)中心 北京 100841)(2.江蘇自動(dòng)化研究所 連云港 222061)

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無人反潛系統(tǒng)自主指揮控制研究

張 起1蘇金濤2

(1.海裝裝備采購(gòu)中心 北京 100841)(2.江蘇自動(dòng)化研究所 連云港 222061)

無人反潛系統(tǒng)的指揮控制問題是關(guān)系其具備實(shí)際作戰(zhàn)能力的主要問題之一。論文在分析無人反潛系統(tǒng)指控原理和其自主指控水平分級(jí)的基礎(chǔ)上,采用可變自主控制結(jié)構(gòu),研究了無人反潛系統(tǒng)分級(jí)可變自主指控實(shí)現(xiàn)的方法。該方法可賦予無人反潛系統(tǒng)可變的指揮控制自主性,使其在工作環(huán)境中能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估自身的自主能力,并主動(dòng)引入人工干預(yù)。這種具備人機(jī)智能融合特性的自主指揮控制方法更適應(yīng)無人反潛系統(tǒng)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中實(shí)戰(zhàn)化的需求。

無人; 反潛; 自主; 指揮; 控制; 分級(jí); 可變

Class Number E925

1 引言

無人反潛系統(tǒng)(Unmanned Anti Submarine System,UASS)一般是指用以執(zhí)行反潛作戰(zhàn)任務(wù)的自主型UUV(Unmanned Undersea Vehicle)或USV(Unmanned Surface Vehicle)。它以潛艇或水面艦艇為支援平臺(tái),在指定區(qū)域執(zhí)行搜索、警戒、監(jiān)視、誘騙、攻潛以及中繼通信等多種任務(wù)[1]。作為一種主要遂行反潛作戰(zhàn)任務(wù)的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)(Unmanned Combat System,UCS),其有望成為繼水面艦艇、潛艇之后新一類的海上反潛作戰(zhàn)平臺(tái)。

UASS區(qū)別于有人反潛系統(tǒng)的重要標(biāo)志是“人在環(huán)內(nèi),不在機(jī)上”[2],作為UASS“大腦”的指揮控制系統(tǒng)(Command and Control System,C2S)必須具備與其任務(wù)相匹配的智能控制能力。機(jī)上無人、任務(wù)復(fù)雜性和環(huán)境不確定性等因素決定了UASS必須具備很高的自主性,但從目前所能達(dá)到的技術(shù)水平來看,真正實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下UASS的自主指揮控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

2 UASS指控工作原理

自2000年以來,美軍對(duì)包括UAV、USV、UUV和UGV等在內(nèi)的UASS智能指揮控制的要求包括:UASS自主遠(yuǎn)距離航行時(shí),在無人力控制的情況下,自動(dòng)收集并傳送信息,探測(cè)、評(píng)估并主動(dòng)規(guī)避威脅和障礙物;在出現(xiàn)不可預(yù)知情況及惡劣水文氣象條件下,可根據(jù)任務(wù)目標(biāo)、周圍環(huán)境情況和剩余動(dòng)力,迅速做出反應(yīng),自主決策返航或與其他UASS協(xié)作,組成編隊(duì),協(xié)同完成任務(wù)[3]。

對(duì)UASS指控的界定,可部分借鑒有人系統(tǒng)指控的定義,但UASS指控絕不是有人系統(tǒng)指控概念的移植,這在進(jìn)行UASS指控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)明確,也是真正意義上的無人作戰(zhàn)平臺(tái)與一般無人平臺(tái)的主要區(qū)別之一。有人系統(tǒng)的指控是其作戰(zhàn)指揮與武器控制的簡(jiǎn)稱,其主要功能是情報(bào)綜合處理、指揮決策和武器綜合控制[4]。與有人系統(tǒng)指控的主要區(qū)別之處是,UASS的指控缺少了操作人員的實(shí)時(shí)決策和控制,系統(tǒng)外支援平臺(tái)的干預(yù)具有一定的粒度甚至是沒有的,因此需要其具備一定程度的自主能力。

事實(shí)上,UASS智能指控系統(tǒng)最重要的功能就是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下復(fù)制任務(wù)指揮員的智能或決策。當(dāng)UASS的C2S具備與任務(wù)指揮員相當(dāng)?shù)闹悄芩綍r(shí),其可實(shí)現(xiàn)完全的自主控制:依據(jù)作戰(zhàn)條令,UASS與有人系統(tǒng)的表現(xiàn)并無二異,其與有人系統(tǒng)在作戰(zhàn)過程中處于對(duì)等的地位,這也是無人系統(tǒng)發(fā)展的方向。在目前UASS的C2S的智能水平明顯低于任務(wù)指揮員的智能水平的情況下,面對(duì)不確定性環(huán)境和復(fù)雜任務(wù),單靠UASS的C2S并不能保證其達(dá)到任務(wù)指揮員的期望,任務(wù)指揮員的智能介入顯然是不可或缺的,實(shí)現(xiàn)任務(wù)指揮員的智能與無人系統(tǒng)的智能的融合,是UASS甚至UASS指控體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。

考慮到對(duì)UASS指控的要求和當(dāng)前的技術(shù)水平,UASS指控的工作原理可用圖1表示,主要包括平臺(tái)行為控制、行為決策控制和支援平臺(tái)控制三個(gè)部分[5]。圖1所示的UASS指控的原理,主要從系統(tǒng)行為表現(xiàn)方面進(jìn)行描述,其中平臺(tái)行為控制是UASS個(gè)體行為,屬于自動(dòng)控制范疇;自主行為決策控制和支援平臺(tái)控制緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)UASS分級(jí)自主指控,屬于自主控制范疇。

圖1 UASS指控工作原理框圖

平臺(tái)行為控制主要包括反潛武器及器材控制、傳感器控制和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制。反潛武器及器材控制和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制通過改變UASS的行為和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境;再通過傳感器控制完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的不斷探測(cè),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知。

行為決策控制根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、戰(zhàn)術(shù)知識(shí)和作戰(zhàn)規(guī)則實(shí)時(shí)做出戰(zhàn)術(shù)決策、實(shí)施動(dòng)作規(guī)劃和執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作,為UASS平臺(tái)行為控制發(fā)出相應(yīng)的命令和控制信號(hào)。在行為決策控制中,C2S根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),進(jìn)行任務(wù)沖突預(yù)測(cè),對(duì)當(dāng)前自主等級(jí)需求進(jìn)行判定,并與支援平臺(tái)控制形成響應(yīng),實(shí)現(xiàn)C2S可變的自主指控等級(jí)。

支援平臺(tái)控制與UASS行為決策控制交互,用于監(jiān)督和管理UASS。在UASS分級(jí)自主指控結(jié)構(gòu)中,支援平臺(tái)控制除對(duì)UASS的任務(wù)分配和任務(wù)監(jiān)測(cè)外,還需要響應(yīng)UASS指控系統(tǒng)自主等級(jí)調(diào)整需求,對(duì)UASS指控進(jìn)行響應(yīng),根據(jù)需要及時(shí)介入任務(wù)指揮員操作,對(duì)UASS指控進(jìn)行“智能支援”。UASS指控中所采用的分級(jí)自主指控等級(jí)體系結(jié)構(gòu),使其可按需所取的向任務(wù)指揮員進(jìn)行智能索取,使UASS由“被動(dòng)自主”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)自主”。

3 UASS分級(jí)可變自主指控

UASS發(fā)展規(guī)劃中,其與有人系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)闹悄芩绞亲铋L(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)之一。從UASS工作環(huán)境不確定性、任務(wù)復(fù)雜性、人工智能水平以及其它制約條件看,其脫離任務(wù)指揮員的監(jiān)督和操控而完全自主運(yùn)行在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)更是難以實(shí)現(xiàn)的。隨著UASS信息化和智能化水平的提高,人機(jī)智能融合的交互控制逐漸處于主導(dǎo)地位。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能融合的UASS指控,需要根據(jù)UASS指控的能力將其劃分成幾種具有不同自主能力的自主等級(jí)模式。在需要的時(shí)候通過決策方法確定一種合理的自主等級(jí),自主提示任務(wù)指揮員進(jìn)行任務(wù)干預(yù),或者在UASS指控完全勝任任務(wù)時(shí)忽略任務(wù)指揮員的存在完全自主控制。

3.1 UASS自主指控等級(jí)

對(duì)自主控制等級(jí)的劃分,有自動(dòng)等級(jí)[6](Levels of automation,LOA)、改進(jìn)的十層次自主控制等級(jí)[7]、三層次自主控制等級(jí)劃分模型[8]和無人系統(tǒng)自主控制等級(jí)框架[9](Autonomy levels for unmanned systems,ALFUS)等方法。UASS指控主要完成UASS執(zhí)行搜潛、攻潛任務(wù)過程中的決策和控制,在其分級(jí)自主指控等級(jí)體系結(jié)構(gòu)中,其自主行為可在一定程度上類比于有人反潛系統(tǒng)中戰(zhàn)術(shù)輔助決策與操作員的關(guān)系,但是在有人反潛系統(tǒng)中,這種關(guān)系是單向不變的,較UASS來講要簡(jiǎn)單。結(jié)合UASS指控的使用要求和實(shí)際特點(diǎn),從人機(jī)交互的角度出發(fā),將UASS自主指控等級(jí)劃分為全自主、啟發(fā)、裁斷和全人工四個(gè)等級(jí),如表1所示。表1中對(duì)于UASS自主指控等級(jí)的劃分,模擬了“完全智能體”(具有完全自主能力)與“部分智能體”(具有部分自主能力)之間交互的過程,符合人類智能交互活動(dòng)的機(jī)理。

表1 UASS自主指控等級(jí)的劃分

· 全自主:UASS指控具有完全的自主能力,其智能水平與任務(wù)指揮員智能水平相當(dāng),可以支持UASS在各種復(fù)雜環(huán)境中完全自主完成各種任務(wù),并且具備不斷學(xué)習(xí)和經(jīng)驗(yàn)累積的能力。

· 啟發(fā):UASS指控向任務(wù)指揮員請(qǐng)求必要的輔助信息,以幫助其解決復(fù)雜決策問題的求解,任務(wù)指揮員提供的信息可明顯增加UASS指控自主決策的可靠性和可信度,但不影響其做出決策。

· 裁斷:UASS指控可提供一套完整或篩選后的決策或操作選擇方案攻任務(wù)指揮員決策,或者提供一套決策或操作方案供任務(wù)指揮員確認(rèn),方案經(jīng)任務(wù)指揮員確認(rèn)后執(zhí)行。

· 全人工:任務(wù)指揮員根據(jù)所分配的任務(wù)完成任務(wù)決策和對(duì)UASS的遙控操作,忽略UASS指控的存在。但任務(wù)指揮員需要通過UASS傳感器獲取環(huán)境信息,所以很難完成真正意義上的全人工操作。

3.2 UASS可變自主指控結(jié)構(gòu)

UASS指控系統(tǒng)自主水平的變化是對(duì)其所分配的任務(wù)與其完成所分配任務(wù)的能力之間沖突的消解。這種沖突,主要來源于任務(wù)的復(fù)雜性和環(huán)境的復(fù)雜性[10]。任務(wù)復(fù)雜性就是具體任務(wù)所需的子任務(wù)和以及相關(guān)決策,其可以用UASS任務(wù)空間內(nèi)的具體性能、允許的態(tài)勢(shì)感知和知識(shí)需求進(jìn)行度量。UASS一般是在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中運(yùn)行,環(huán)境的復(fù)雜性是UASS運(yùn)行其間最大的未知數(shù),最常見的環(huán)境復(fù)雜性是指作戰(zhàn)區(qū)域變化,氣候變化、流動(dòng)性約束條件,作戰(zhàn)對(duì)象頻率、密度和意圖,通信限制和依賴關(guān)系等。

UASS在執(zhí)行任務(wù)指揮員分配的任務(wù)時(shí),通過對(duì)任務(wù)和環(huán)境的理解,指控系統(tǒng)確定其自主等級(jí),控制UASS完成相應(yīng)的任務(wù);當(dāng)任務(wù)的改變或環(huán)境的改變使得再評(píng)估的自主等級(jí)發(fā)生改變時(shí),指控系統(tǒng)決定是否更改自主等級(jí),是否需要任務(wù)指揮員的參與,以及參與的內(nèi)容。例如,UASS執(zhí)行搜潛任務(wù)時(shí),當(dāng)搜潛海區(qū)環(huán)境簡(jiǎn)單時(shí),UASS指控采取全自主方式工作,進(jìn)行航路規(guī)劃、航線跟蹤以及搜潛器材控制;當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),取決于環(huán)境信息和目標(biāo)信息的富裕度,決定采用全自主方式工作或啟發(fā)方式工作,進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和判定;當(dāng)需要跟蹤潛艇目標(biāo)至某一邊界條件時(shí),可采用啟發(fā)方式工作或裁斷方式工作,決定繼續(xù)跟蹤或放棄;當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境異常惡劣條件下,如穿越狹窄航路、雷區(qū)等時(shí),可降至全人工方式工作。

UASS可變自主指控的原理可由圖2表示。自主指控等級(jí)的改變是由可變自主模塊實(shí)現(xiàn),其由任務(wù)建模、態(tài)勢(shì)評(píng)估和自主等級(jí)評(píng)定三個(gè)子模塊構(gòu)成[11]。可變自主模塊與支援平臺(tái)控制、UASS行為及外部環(huán)境進(jìn)行交互,對(duì)UASS任務(wù)復(fù)雜性和環(huán)境復(fù)雜性進(jìn)行綜合求解,得出可行的決策解決方案。

圖2 UASS可變自主指控結(jié)構(gòu)框圖

任務(wù)建模子模塊將任務(wù)指揮員分配給UASS的任務(wù)進(jìn)行分解,在任務(wù)執(zhí)行海域環(huán)境條件下將任務(wù)轉(zhuǎn)換為UASS指控系統(tǒng)可以理解的任務(wù)子集和任務(wù)支持信息集合,確定UASS需要完成的任務(wù)序列。

態(tài)勢(shì)評(píng)估子模塊主要根據(jù)UASS傳感器信息和外部支持信息識(shí)別出當(dāng)前的態(tài)勢(shì),更進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前態(tài)勢(shì)和相關(guān)領(lǐng)域模型推理出未來可能的態(tài)勢(shì),給出當(dāng)前態(tài)勢(shì)感知集合。

自主等級(jí)評(píng)定子模塊的主要功能是將任務(wù)子集放到態(tài)勢(shì)感知集合中進(jìn)行考量,評(píng)價(jià)UASS是否能完成任務(wù),對(duì)不能完成的任務(wù)給出欠缺說明,最終確定任務(wù)子集的自主等級(jí),任務(wù)子集的自主等級(jí)決定了UASS指控與任務(wù)指揮員交互的內(nèi)容:需要任務(wù)指揮員的決策、支援信息、確定命令等。

4 UASS可變自主指控與通信

實(shí)現(xiàn)UASS人機(jī)融合的可變自主指控的一個(gè)前提是UASS與支援平臺(tái)以及其它系統(tǒng)之間的通信。UASS類型不同,對(duì)于通信的要求也相應(yīng)不同,雖然對(duì)于UCAS來講,其自主水平已經(jīng)很大程度上不僅僅依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展水平,但對(duì)于以UUV或USV為平臺(tái)的UASS來講,其工作環(huán)境決定了通信帶寬還是其自主水平的重要制約,這在進(jìn)行UASS自主指控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就要考慮的問題。

隨著UASS自主指控等級(jí)的變化,UASS指控和任務(wù)指揮員在“大系統(tǒng)”中的權(quán)利也相應(yīng)發(fā)生變化,權(quán)利大的任務(wù)指揮員需要在其與UASS之間保持持續(xù)的通信,用以傳輸控制數(shù)據(jù)的帶寬就大;自主性大的UASS指控,與任務(wù)指揮員的交互少,所需的通信帶寬就小。圖3所示是UASS可變自主指控與通信帶寬之間的簡(jiǎn)要關(guān)系圖,如圖所示,任務(wù)指揮員的介入程度與UASS指控自主性之間是一種逆反關(guān)系[10],任務(wù)指揮員與UASS指控之間的通信帶寬與UASS指控的自主水平也是一種逆反關(guān)系。

圖3 UASS可變自主指控與通信帶寬

5 結(jié)語(yǔ)

UASS具有UCS的一般性,也有其特殊性。本文針對(duì)UASS自主指控問題,探討了其原理、實(shí)現(xiàn)方法和關(guān)鍵制約因素等。UASS分級(jí)可變自主指控結(jié)構(gòu),雖然基于UASS特殊的使命任務(wù)設(shè)計(jì),但對(duì)于其它類型的UCS,同樣具有借鑒意義。在UASS等UCS自主指控系統(tǒng)研究中,信息保障與系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)同樣重要,UASS分級(jí)可變自主指控體系結(jié)構(gòu)下不同的自主指控等級(jí)對(duì)于保障信息、通信帶寬和通信方式的詳細(xì)分析和論證是下一步研究的重點(diǎn)。

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Study on Autonomous Command and Control of Unmanned Anti Submarine System

ZHANG Qi1SU Jintao2

(1. Navy Armament Department, Beijing 100841)(2. Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

It is a challenge to the command and control of Unmanned Anti Submarine System(UASS) which determines its actual combat capability. The autonomous command and control method which is hierarchical and adjustable is developed based on the autonomous command and control levels and the adjustable control framework. It makes the UASS momentarily evaluate its autonomous abilities and initiatively request assistance from humans which realizes man-machine intelligence integration, and no more adapts the actual combat demand of UASS in complex battlefield.

unmanned, anti-submarine, autonomous, command, control, hierarchical, adjustable

2015年1月5日,

2015年2月27日 作者簡(jiǎn)介:張起,男,工程師,研究方向:系統(tǒng)工程。蘇金濤,男,高級(jí)工程師,研究方向:反潛技術(shù),魚雷防御技術(shù)。

E925

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.011