許瑞明,黃 謙

(軍事科學(xué)院評估論證研究中心,北京 100091)

美軍把無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為第三次“抵消戰(zhàn)略”中的關(guān)鍵力量。迄今為止,美軍相繼發(fā)表了多版無人系統(tǒng)或無人機路線圖。2016年5月17日，美國空軍發(fā)布了美國空軍未來20年小型無人機路線圖《2016-2036小型無人機系統(tǒng)發(fā)展計劃》,提出在遠(yuǎn)期(未來10到20年)實現(xiàn)“蜂群”作戰(zhàn)概念目標(biāo)[1-2]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,未來10到20年,群體智能無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)將可能成為戰(zhàn)場上一種重要的作戰(zhàn)樣式[3-4]。

群體智能無人機系統(tǒng)主要由智能無人機集群和地面控制站組成。智能無人機集群是在地面站控制和支撐下,由多架無人機構(gòu)成的、通過相互協(xié)同共同完成給定作戰(zhàn)任務(wù)的一個有機整體,這個整體中不僅各架無人機具有一定個體智能,而且還具有超越個體智能的群體智能[5-7]。

群體智能無人機系統(tǒng)是“由構(gòu)想的武器裝備組成的構(gòu)想作戰(zhàn)系統(tǒng)”,是未來的作戰(zhàn)系統(tǒng)。對于這類未來的作戰(zhàn)系統(tǒng),其作戰(zhàn)仿真的主要目的是系統(tǒng)作戰(zhàn)能力演示和作戰(zhàn)效果驗證。這一目的與技術(shù)仿真有所不同,技術(shù)仿真主要是對系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計或有關(guān)算法進行驗證。

對這類系統(tǒng)進行仿真設(shè)計,首先我們要明確系統(tǒng)具有哪些類別的作戰(zhàn)能力要素,特別是明確與群體智能直接相關(guān)的關(guān)鍵作戰(zhàn)能力要素,并要明確衡量這些能力水平的關(guān)鍵指標(biāo)項。在此基礎(chǔ)上,可進一步分析確定系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力仿真演示需求和針對作戰(zhàn)效果驗證的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述這些需求是群體智能無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真需求的關(guān)鍵內(nèi)容,是確定其他配套需求的決定性需求。

1 群體智能無人機系統(tǒng)關(guān)鍵作戰(zhàn)能力要素與能力指標(biāo)

作為未來的作戰(zhàn)系統(tǒng),群體智能無人機系統(tǒng)具有無機載人員損失、更高的機動性、更好的隱蔽性、更強的環(huán)境適應(yīng)性、更長的續(xù)航力、起飛著陸容易、低成本等個體特點和規(guī)模效應(yīng)、高魯棒性、整體自適應(yīng)性(通過智能體現(xiàn))等群體特點。其中,整體自適應(yīng)性指群體智能無人機系統(tǒng)作為具有智能的整體,能夠在沒有外界干預(yù)或少量干預(yù)時自適應(yīng)地調(diào)整任務(wù)分工、規(guī)劃航路、規(guī)避障礙、應(yīng)對突發(fā)威脅等的特性。毫無疑問,作戰(zhàn)仿真需要合理體現(xiàn)群體智能無人機系統(tǒng)的這些特點。仿真活動中,這些特點的體現(xiàn)主要分兩個環(huán)節(jié)完成。第一個是仿真系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)需要把刻畫這些特點的能力參數(shù)和作戰(zhàn)運用方案參數(shù)設(shè)計為仿真系統(tǒng)的輸入,如機動性需通過過載等能力參數(shù)來刻畫,這要求把過載等參數(shù)設(shè)計為仿真系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),同樣對于整體自適應(yīng)性也是如此。第二個是仿真執(zhí)行環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)需要將刻畫相應(yīng)特點的輸入?yún)?shù)設(shè)置成反映該特點的一系列參數(shù)值。本文探討的是作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的需求問題,屬于第一個環(huán)節(jié)的問題。第一個環(huán)節(jié)完成的標(biāo)志是列出刻畫所有特點所需的參數(shù)。上述參數(shù)中,作戰(zhàn)運用方案參數(shù)主要包括作戰(zhàn)編組、配置、各編組任務(wù)等參數(shù)類型,這與過去的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)類似,故不再贅述。

反映群體智能無人機系統(tǒng)特點的關(guān)鍵能力是群體智能,為突出重點,本文僅討論群體智能這個關(guān)鍵能力。結(jié)合OODA環(huán)理論對群體智能無人機系統(tǒng)的群體智能進行梳理分析,其群體智能主要包括信息協(xié)同融合、威脅自主協(xié)同判斷、群體自主決策、群體自主控制、群體自主通信組網(wǎng)、群體自主管理等能力要素。這些關(guān)鍵能力要素與能力指標(biāo)如表1所示。

表1 群體智能無人機系統(tǒng)關(guān)鍵能力要素與關(guān)鍵指標(biāo)

注:①切換指飛行編隊隊形發(fā)生變化的一種編隊動作，如從一字隊形變換成菱形隊形的切換。

②縮放指飛行編隊隊形不變，編隊中飛機間距離發(fā)生變化的一種編隊動作。

表1中的關(guān)鍵指標(biāo)是對群體智能無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)運用起關(guān)鍵作用的能力指標(biāo),不是能力指標(biāo)的全集。通常講,對群體智能無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)運用起關(guān)鍵作用的能力指標(biāo)包括成功率/正確率/合理性、準(zhǔn)確度/精確性、執(zhí)行相應(yīng)能力動作所需時間等類指標(biāo),表中的能力關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置除了個別能力(如群體通信組網(wǎng)能力有特殊要求、移動目標(biāo)信息融合子能力需要更多的能力指標(biāo)進行刻畫)外均與此相符。這些相符的關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置分為僅有1個布爾型指標(biāo)、類型相符但指標(biāo)個數(shù)小于3個、完全相符三種情形。其中,第一種情形只關(guān)注能力的有無,而其他能力事項已經(jīng)或正在得到解決,不在關(guān)心之列;第二種情形設(shè)置理由與第一種類似,不再贅述。

2 作戰(zhàn)能力仿真演示需求

作戰(zhàn)能力仿真演示的目的是讓觀者直觀觀察到群體智能無人機系統(tǒng)所擁有的能力及能力形成的關(guān)鍵過程。

2.1 信息協(xié)同融合

對于地面固定目標(biāo)信息融合,在信息融合完成后,根據(jù)觀者需要，適時顯示信息融合前各個無人機對目標(biāo)探測得到的可見光、紅外、SAR雷達圖像等輸入信息和目標(biāo)類別判斷、定位誤差、信息融合所用時間等輸出信息。

對于空中移動目標(biāo)信息融合,在信息融合完成后,根據(jù)觀者需要，適時顯示信息融合前各個無人機對移動目標(biāo)探測得到的航跡等輸入信息和融合后的航跡、融合性能參數(shù)、融合所用時間等輸出信息。

2.2 威脅自主協(xié)同判斷

在判斷完成后,根據(jù)觀者需要適時顯示威脅判斷結(jié)果(如雷達威脅包絡(luò)線、來襲飛機/導(dǎo)彈的位置、速度等)、測量誤差、判斷所用時間等信息。

2.3 群體自主決策

在群體自主任務(wù)分配完成后,根據(jù)觀者需要，適時顯示群體中各架無人機的任務(wù)參數(shù)、任務(wù)分配所用時間、任務(wù)分配原則等信息。

在群體自主航路規(guī)劃完成后,根據(jù)觀者需要，適時顯示群體的規(guī)劃航路、航路規(guī)劃所用時間、規(guī)劃原理等信息。規(guī)劃航路顯示信息除了包括二維、三維空間中的曲線外,還包括曲線上各點的飛行速度矢量信息,以及與任務(wù)規(guī)劃相關(guān)的航路周邊的威脅源、地形氣象障礙等信息。

2.4 群體自主控制

群體自主控制能力的飛行編隊構(gòu)建/重建、自主切換、自主縮放、自主旋轉(zhuǎn)、自主避障子能力需要通過飛行編隊中各架無人機的飛行過程才能比較直觀地展現(xiàn)。

2.5 群體自主通信組網(wǎng)

在群體形成后，根據(jù)觀者需要，適時展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點和鏈路特性、有關(guān)時間參數(shù)等信息;在成員或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，適時顯式反映這一變化。展現(xiàn)方式以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ),通過鏈接展現(xiàn)各類信息。

2.6 群體自主管理

在仿真中,通過一定方式顯示群體中各成員之間的關(guān)系;在成員之間關(guān)系發(fā)生變化時，根據(jù)觀者需要，適時顯式反映這一變化。關(guān)系圖和關(guān)系矩陣是顯示群體中各成員之間關(guān)系的兩種途徑。關(guān)系圖比較直觀,但當(dāng)群體成員比較多時，不易看清成員間的關(guān)系;關(guān)系矩陣雖直觀性差一些,但展現(xiàn)效果不受成員數(shù)量的影響。

3 作戰(zhàn)效果驗證仿真分析需求

作戰(zhàn)效果驗證包括兩方面:一是無人機系統(tǒng)具有群體智能與不具有群體智能作戰(zhàn)效果對比驗證;二是無人機系統(tǒng)具有不同程度群體智能條件下作戰(zhàn)效果的比較驗證。

1)有無群體智能的對比驗證

無人機系統(tǒng)有無群體智能時，戰(zhàn)法是不同的,需要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)設(shè)置對應(yīng)任務(wù)要求的有群體智能和無群體智能的典型應(yīng)用場景?；诘湫蛻?yīng)用場景,經(jīng)仿真計算和結(jié)果統(tǒng)計，得到有群體智能和無群體智能達到同樣作戰(zhàn)效果的裝備、彈藥、人員損耗及各類作戰(zhàn)人員需求。通過這些裝備、彈藥、人員損耗及各類作戰(zhàn)人員需求的變化可體現(xiàn)群體智能的效用。

2)不同程度群體智能的比較驗證

群體智能水平的不同作戰(zhàn)效果也會有所不同,通過設(shè)置反映不同智能水平的能力參數(shù),查看作戰(zhàn)效果的變化。

本文以對地面固定目標(biāo)信息融合為例。通過設(shè)置不同的融合正確率、定位準(zhǔn)確度、融合時間,得到對應(yīng)作戰(zhàn)效果(如敵我裝備、彈藥、人員的損耗)數(shù)據(jù),并以曲線、柱狀圖等形式展現(xiàn)這些數(shù)據(jù),以便于觀者直觀查看出現(xiàn)的變化。

4 實體分辨率需求

分辨率是仿真中系統(tǒng)各要素及其行為被描述得詳細(xì)程度。實體分辨率內(nèi)容主要包括實體粒度、實體屬性分辨率、實體行動分辨率等。當(dāng)實體粒度、實體屬性分辨率、實體行動分辨率確定后,實體關(guān)聯(lián)、實體交互的分辨率也基本確定(通過實體關(guān)聯(lián)及交互，可以對較受關(guān)注的無人機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和無人機系統(tǒng)一站多機控制結(jié)構(gòu)進行描述)。

實體分辨率需求要與作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗證仿真分析需求相對應(yīng),在滿足這一要求的前提下,仿真分辨率應(yīng)盡可能就低不就高,以降低仿真建模與仿真分析難度，減少其工作量。

4.1 實體粒度

實體粒度是仿真中對現(xiàn)實世界中的實體描述的最小規(guī)模,同一個模型或仿真中,不同類實體的最小規(guī)?？梢圆煌?。

群體智能無人機系統(tǒng)仿真以無人機系統(tǒng)仿真為核心,仿真中涉及的實體除了無人機系統(tǒng)外，還包括與無人機系統(tǒng)對抗的敵方目標(biāo)和支援無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)的己方兵力。無人機系統(tǒng)由無人機和地面站組成。無人機系統(tǒng)對抗的敵方目標(biāo)和支援無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)的己方力量與無人機系統(tǒng)擔(dān)負(fù)的任務(wù)相關(guān)。無人機系統(tǒng)對抗的敵方目標(biāo)包括無人機系統(tǒng)偵察/監(jiān)視、打擊的目標(biāo)和敵方偵察/監(jiān)視、打擊無人機的目標(biāo);支援無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)的己方兵力包括偵察預(yù)警、指揮、掩護、支援等力量等。概括起來,典型的目標(biāo)或力量有地面工事、地面移動裝備(如戰(zhàn)車、火炮、指揮/通信車輛、運輸車輛等)、預(yù)警雷達、防空火力、飛機(含預(yù)警機、電子戰(zhàn)飛機、作戰(zhàn)飛機)等。

本文針對這些典型目標(biāo)或兵力,根據(jù)作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗證仿真分析需求,給出其實體粒度要求，如表2所示。

表2 典型實體粒度要求

4.2 實體屬性分辨率

實體屬性主要有標(biāo)識屬性、編成屬性、配置屬性、性能屬性和狀態(tài)屬性等,其中，性能屬性用于反映實體裝備/設(shè)施的作戰(zhàn)能力特性,隨著仿真需求的變化有較大的變化空間,是實體屬性分辨率需求確定的重點。

作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗證仿真分析需求對無人機實體性能屬性有特定要求,集中體現(xiàn)在反映智能水平的關(guān)鍵能力指標(biāo)上,即將反映智能水平的關(guān)鍵能力指標(biāo)作為性能屬性項。

除了無人機這一主要研究對象外,其他典型實體的屬性分辨率要與無人機實體相配套。例如,作為偵察、打擊目標(biāo)的工事實體,為了計算偵察打擊效果,其屬性需要包括幾何形狀、尺寸、光學(xué)/雷達/紅外反射或輻射特性、材質(zhì)等。

4.3 實體行動分辨率

實體行動主要有機動、觀察(偵察監(jiān)視)、射擊/干擾等。通過分析作戰(zhàn)能力仿真演示需求和作戰(zhàn)效果驗證仿真分析需求,可得到典型實體行動分辨率要求,如表3所示。

表3 典型實體行動分辨率要求

從表3可以看出,不同實體的行動分辨率是有區(qū)別的。對于無人機,其機動仿真模型需要基本按照運動學(xué)、動力學(xué)模型要求來構(gòu)建,而預(yù)警機機動仿真模型則可按照質(zhì)點機動模型來構(gòu)建,其原因在于無人機仿真需要滿足群體自主控制等作戰(zhàn)能力仿真演示需求，而預(yù)警機卻不需要滿足此類需求。

5 結(jié)束語

針對“由構(gòu)想的武器裝備組成的構(gòu)想作戰(zhàn)系統(tǒng)”的作戰(zhàn)仿真,本文提出其作戰(zhàn)仿真的主要目的是系統(tǒng)作戰(zhàn)能力演示和作戰(zhàn)效果驗證。這一目的與技術(shù)仿真不同,技術(shù)仿真主要是對系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計或有關(guān)算法進行驗證。對這類系統(tǒng)進行仿真設(shè)計,首先需要明確系統(tǒng)具有哪些類別的作戰(zhàn)能力要素,并同時明確衡量這些能力水平的關(guān)鍵指標(biāo)項。在此基礎(chǔ)上,可進一步分析確定系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力仿真演示需求和針對作戰(zhàn)效果驗證的仿真分析需求,以及相配套的仿真分辨率需求。上述這些關(guān)鍵需求確定的思路對于同類系統(tǒng)仿真的需求分析具有一定的借鑒意義。