李明, 劉若愚, 姜春蘭, 寇家勛

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

智能彈藥的突出優(yōu)勢之一是極大限度地保證我方作戰(zhàn)人員安全，這就要求武器使用過程中在敵火力封鎖范圍外或防區(qū)外進(jìn)行指揮控制，通信傳輸距離較遠(yuǎn). 決策是指揮控制的關(guān)鍵一環(huán)，細(xì)微的差別可能造成打擊效果的巨大差異，系統(tǒng)在此過程中加入智能算法提升打擊效果，同時為了避免智能算法應(yīng)對動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境時由于自身性能可能出現(xiàn)的不足[3]，在自主協(xié)同的基礎(chǔ)上設(shè)計人在回路控制模式，保證指揮控制的能力、效率和生存力[4]，確保在復(fù)雜多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境下實時掌握武器系統(tǒng)狀態(tài). 本文以真實戰(zhàn)場環(huán)境為背景，從網(wǎng)絡(luò)化彈藥研究開發(fā)和室外環(huán)境使用的需求出發(fā)，以無線智能節(jié)點、終端指揮軟件以及仿真平臺軟件為基本組成，并通過翻譯官節(jié)點連通兩類網(wǎng)絡(luò)并增加通信距離，設(shè)計了具有良好人機(jī)交互性、較強(qiáng)自主性和便于指揮控制的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng).

1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)化彈藥是一種包含多種傳感器探測、多節(jié)點協(xié)同攻擊的智能武器，可以采用地面人工布設(shè)或空中投放，具有體積小、成本低、打擊高效等特點，系統(tǒng)具備自主定位、自動警戒、多模探測、識別及跟蹤目標(biāo)和攻擊決策等功能[5]. 其遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由控制中心、子節(jié)點、中心節(jié)點(也稱主節(jié)點)和翻譯官節(jié)點構(gòu)成，如圖1所示. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為多簇中心網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地位分為翻譯官節(jié)點、中心節(jié)點和子節(jié)點，操作人員通過控制中心可以觀察節(jié)點布設(shè)情況和系統(tǒng)工作狀態(tài)，并在必要時進(jìn)行控制干預(yù).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包含翻譯官節(jié)點、中心節(jié)點和子節(jié)點，各節(jié)點可以根據(jù)組網(wǎng)程序或控制指令加入或退出網(wǎng)絡(luò)，具備與指揮中心多種終端設(shè)備遠(yuǎn)距離通信的能力.

2.1 中心節(jié)點與子節(jié)點

基于抗毀性和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重組的要求，中心節(jié)點和子節(jié)點采用同構(gòu)設(shè)計，硬件組成如圖2所示，均由自定位、反饋、信號處理、通信、核心處理和電源6個基本模塊構(gòu)成. 自定位模塊包含電子羅盤、GPS和北斗芯片；信號處理模塊通過DSP芯片及電路完成對目標(biāo)信號的A/D轉(zhuǎn)換、濾波、特征提取及目標(biāo)定向、定距；通信模塊具有較高接收靈敏度和抗干擾性能，可在多個頻段下工作，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點間通信；帶有休眠模式的低功耗32位ARM處理器是節(jié)點的“大腦”，與其他模塊相互連接，可處理目標(biāo)信息、節(jié)點位置與狀態(tài)數(shù)據(jù)、解析控制指令、運行定位跟蹤算法以及攻擊決策算法. 節(jié)點在室內(nèi)調(diào)試采用插座供電，室外使用時采用鋰電池供電[6].

2.2 翻譯官節(jié)點

該類節(jié)點具備兩項主要功能：一是連通節(jié)點間無線網(wǎng)絡(luò)和指揮終端TCP/IP兩類網(wǎng)絡(luò)，二是充當(dāng)中繼增加通信距離. 系統(tǒng)至少包含1個翻譯官節(jié)點，且數(shù)量隨著指揮中心與布設(shè)區(qū)域距離的增加而增多. 硬件組成如圖3所示，嵌入RF射頻芯片的節(jié)點間通信模塊在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下與中心節(jié)點或同

類節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，帶有WIFI芯片的遠(yuǎn)程通信模塊用來在TCP/IP協(xié)議下與指揮中心終端設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，兩個通信模塊間通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，LCD液晶顯示屏顯示翻譯官節(jié)點自身工作狀態(tài)信息.

3 終端指揮軟件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

終端指揮軟件和仿真平臺軟件均采用C#語言進(jìn)行開發(fā). 通過軟件可以驗證系統(tǒng)工作流程、觀察節(jié)點布設(shè)區(qū)域信息，并且可以實時對節(jié)點進(jìn)行指揮控制，軟件功能結(jié)構(gòu)如圖4所示.

踝關(guān)節(jié)是下肢最重要的關(guān)節(jié)之一，幾乎承載著人體的全部重量，后踝對于維持踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性起著重要的作用。但后踝骨折塊多大才需行手術(shù)固定目前尚無定論，大多數(shù)學(xué)者推薦當(dāng)后踝骨折塊大小超過脛骨穹窿的25%～33%時需進(jìn)行內(nèi)固定治療[3-4]。作者認(rèn)為外踝復(fù)位后，若后踝骨折塊仍存在超過2 mm的移位應(yīng)行切開復(fù)位內(nèi)固定，以恢復(fù)關(guān)節(jié)面平整，盡量避免創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。

軟件運行流程為：在完成初始化設(shè)置后加載地理信息，配置接口參數(shù)后進(jìn)行通信，即終端與節(jié)點間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，終端接收數(shù)據(jù)后按節(jié)點和目標(biāo)兩大類進(jìn)行解析，在交互界面可以選擇自主攻擊或人工控制干預(yù). 自主攻擊通過終端軟件算法模塊或中心節(jié)點核心處理模塊使用改進(jìn)后的AHP算法生成攻擊決策方案，人工控制干預(yù)通過發(fā)送指令或點擊相應(yīng)按鈕完成操作，在完成攻擊后全網(wǎng)數(shù)據(jù)自動更新.

3.1 交互顯示技術(shù)

人機(jī)交互界面的好壞直接影響用戶的使用效率[7]，在交互模塊設(shè)計過程中充分考慮操作的便捷性. 主界面采用全屏布局顯示地理信息、節(jié)點位置、網(wǎng)絡(luò)連通關(guān)系和目標(biāo)軌跡，并對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及目標(biāo)的變化狀態(tài)進(jìn)行文本和語音提示. 主界面頂端為功能菜單，左右兩側(cè)的“信息提示區(qū)”和“指揮控制區(qū)”可隱藏以增大顯示面積. 菜單項如圖5所示置于交互界面頂端，可以自主選擇工作模式、切換地圖顯示、查看通信和決策環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)；地理信息顯示主要包含布設(shè)區(qū)域地形、地貌，是現(xiàn)代化武器指揮控制系統(tǒng)的重要組成部分[8]，軟件在帶有位置信息的底圖[9]上通過Gmap.NET控件經(jīng)過二次開發(fā)實現(xiàn)任務(wù)區(qū)域的地理信息顯示；為避免在長時間監(jiān)控與操作過程中遺漏重要信息，開發(fā)了文字和語音狀態(tài)提示模塊；節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)連通關(guān)系以中心節(jié)點回傳的網(wǎng)絡(luò)連通表為依據(jù)，在對其進(jìn)行解析后按時間順序以父子關(guān)系對各個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通狀態(tài)進(jìn)行判斷，并畫出網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接線；節(jié)點上方顯示網(wǎng)絡(luò)地位及編號，目標(biāo)可以顯示人員、直升機(jī)、裝甲車輛等多個種類；當(dāng)目標(biāo)位置發(fā)生改變時，可實時顯示其運動軌跡.

3.2 接口通信技術(shù)

終端軟件和“翻譯官”節(jié)點間的通信是人機(jī)交互的窗口[10]，其信息收發(fā)在TCP/IP傳輸控制協(xié)議下以Thread類開啟通信專用線程進(jìn)行. 由于具有傳輸數(shù)據(jù)可自定義、數(shù)據(jù)量小、傳輸時間短、可以加密等優(yōu)點，選用Socket通信方式. 通過byte[] buffer開辟用于通信輸入輸出的緩沖區(qū)，終端作為服務(wù)端啟動網(wǎng)絡(luò)與翻譯官節(jié)點建立通信連接. 翻譯官節(jié)點作為客戶端入網(wǎng)后向終端回傳在網(wǎng)節(jié)點及目標(biāo)數(shù)據(jù)，并且可以向中心節(jié)點發(fā)送自身接收的指揮控制指令. 通信數(shù)據(jù)用符號進(jìn)行分隔，以數(shù)據(jù)類型標(biāo)志量為解析方法判斷依據(jù)，終端軟件按照相應(yīng)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析. 主要控制指令如表1所示，可以對單個節(jié)點或全網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行指揮控制.

表1 主要控制指令

3.3 決策算法

為了使終端具有決策支持系統(tǒng)(DDS)的功能，即通過數(shù)據(jù)、模型和知識，以人機(jī)交互方式進(jìn)行決策，且在節(jié)點具有智能決策功能的前提下提高抗打擊能力，終端通過調(diào)用算法具備中心決策的功能. 指揮終端包含算法模塊的另一個優(yōu)點是可以不斷改進(jìn)更新，而彈藥節(jié)點形成產(chǎn)品后其內(nèi)置決策算法更新較為困難. 當(dāng)前采用改進(jìn)后的AHP層次分析法，AHP是一種多屬性智能決策方法[11]，核心思想是構(gòu)建“目標(biāo)-準(zhǔn)則-方案”層次結(jié)構(gòu)，并構(gòu)造攻擊準(zhǔn)則判斷矩陣，最后對各個決策方案進(jìn)行排序.

首先建立標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣，設(shè)有a個方案、b個屬性，M表示方案，x表示屬性的數(shù)值，則決策矩陣P為

(1)

由于屬性指標(biāo)量綱各不相同，需要進(jìn)行歸一化處理，變換后的矩陣為S=[sij]的元素為

(i=1,2,…,a;j=1,2,…,b)

(2)

對標(biāo)準(zhǔn)化矩陣進(jìn)行加權(quán)，各個屬性的權(quán)向量為W=[w1w2…wb]，可得出加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣為

Y=WTS.

(3)

(4)

與負(fù)理想解的歐幾里得度量為

(5)

則方案與理想解的貼近度為

(6)

采用AHP算法可以將目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、目標(biāo)類型、目標(biāo)角度、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)屬性和節(jié)點自身狀態(tài)作為關(guān)鍵屬性進(jìn)行判斷，網(wǎng)絡(luò)屬性指中心節(jié)點或子節(jié)點，自身狀態(tài)主要指電池電量. 以貼近理想解的程度作為判斷依據(jù)對節(jié)點進(jìn)行排序，排序靠前的節(jié)點優(yōu)先進(jìn)行攻擊. 算法模塊采用C語言編寫并封裝為dll動態(tài)鏈接庫，可以減少內(nèi)存消耗、加快運行速度且C#可以直接調(diào)用.

4 仿真平臺軟件設(shè)計

4.1 軟件設(shè)計

根據(jù)彈藥工作流程和實際指揮控制數(shù)據(jù)及指令交互情況進(jìn)行仿真平臺設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖6. 仿真平臺以節(jié)點模擬器為依托，與指揮終端軟件建立連接，即終端指揮軟件啟動并監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，仿真平臺與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸戰(zhàn)場環(huán)境、節(jié)點及目標(biāo)信息. 模擬器界面采用上下布局，“信息發(fā)送欄”顯示數(shù)據(jù)信息，“狀態(tài)顯示欄”顯示模擬器自身工作情況. 通信傳輸通過多線程技術(shù)以Socket客戶端方式模擬真實通信過程，模擬器匹配IP、IPA并經(jīng)過認(rèn)證后入網(wǎng). 仿真任務(wù)可以隨時修改進(jìn)程，模擬真實戰(zhàn)場上的動態(tài)環(huán)境. 節(jié)點模型、網(wǎng)絡(luò)模型、目標(biāo)模型通過使用相應(yīng)函數(shù)生成不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的虛擬節(jié)點和不同種類的虛擬目標(biāo).

4.2 仿真測試

通過仿真平臺軟件和終端指揮軟件，模擬執(zhí)行封鎖野戰(zhàn)機(jī)場任務(wù). 仿真測試終端運行結(jié)果如圖7所示，入網(wǎng)9個節(jié)點，其中1個中心節(jié)點和8個子節(jié)點. 對接收到的2個不同種類目標(biāo)信息進(jìn)行顯示，依據(jù)其位置坐標(biāo)繪制了運動軌跡. 通過終端算法模塊計算，9號節(jié)點對工程車輛進(jìn)行了攻擊，9號節(jié)點及目標(biāo)車輛顯示動態(tài)爆炸效果，最后全網(wǎng)進(jìn)行了狀態(tài)刷新. 重復(fù)多次實驗，仿真平臺發(fā)送數(shù)據(jù)與終端接收數(shù)據(jù)一致，終端根據(jù)虛擬節(jié)點與目標(biāo)信息可以生成決策方案. 在手動模式下，模擬目標(biāo)進(jìn)入節(jié)點攻擊區(qū)域后，手動輸入攻擊指令，相應(yīng)攻擊節(jié)點響應(yīng)指令對目標(biāo)進(jìn)行了攻擊.

5 實 驗

為了全面檢驗系統(tǒng)組網(wǎng)、顯示、控制和決策性能，在室外進(jìn)行綜合指揮控制實驗. 實驗設(shè)備共有1臺筆記本電腦(內(nèi)存4 GB、酷睿i5雙核處理器)、1個翻譯官節(jié)點、1個中心節(jié)點和23個子節(jié)點.

5.1 多節(jié)點組網(wǎng)控制實驗

實驗場景如圖8所示，節(jié)點開啟后組網(wǎng)程序啟動并開始建立連接；中心節(jié)點周期性向“翻譯官”節(jié)點發(fā)送全網(wǎng)信息，指揮終端通過“翻譯官”節(jié)點獲取全網(wǎng)信息后在軟件交互界面顯示. 終端輸入指揮控制指令“C，A，2”，2號節(jié)點作出LED閃爍和蜂鳴器啟動的響應(yīng)并回傳毀傷信息，交互界面顯示爆炸效果.

進(jìn)行多次實驗，完成組網(wǎng)的平均時間為5 s. 實驗表明節(jié)點組網(wǎng)速度較快，終端能夠顯示節(jié)點位置和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通關(guān)系并對節(jié)點進(jìn)行指令控制.

5.2 狀態(tài)刷新實驗

狀態(tài)刷新時間是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或目標(biāo)的狀態(tài)發(fā)生改變時，從中心節(jié)點向指揮終端發(fā)送更新數(shù)據(jù)到終端軟件完成狀態(tài)更新顯示之間經(jīng)歷的時間. 狀態(tài)刷新時間是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，對顯示節(jié)點工況、目標(biāo)運動軌跡、精確打擊和毀傷評估起著關(guān)鍵作用. 系統(tǒng)通常由中心節(jié)點匯總?cè)W(wǎng)信息并由翻譯官節(jié)點向終端進(jìn)行傳輸. 實驗過程中，節(jié)點數(shù)量從1～24逐次增加，通過獲取節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時間和終端軟件完成解析時間計算狀態(tài)刷新時間，實驗結(jié)果如圖9所示.

根據(jù)實驗結(jié)果可知，單個節(jié)點數(shù)據(jù)刷新時間為32 ms，8個節(jié)點時為132 ms，16個節(jié)點時為187 ms，24個節(jié)點時為250 ms. 實驗表明狀態(tài)刷新時間隨著節(jié)點數(shù)量增加而增加，且刷新時間較快. 通常情況下，只有個別節(jié)點狀態(tài)發(fā)生改變，即便在24個節(jié)點均需狀態(tài)刷新的極端情況下，時間仍可控制在250 ms內(nèi)，能夠滿足系統(tǒng)4 Hz的響應(yīng)要求.

5.3 決策算法性能對比實驗

在指揮終端輔助決策和節(jié)點自主決策兩種模式下，PC端與節(jié)點ARM芯片均采用AHP算法，以目標(biāo)位置、速度、種類以及節(jié)點種類、分布疏密程度、電池電量等屬性為判斷依據(jù)，中心節(jié)點對目標(biāo)信息進(jìn)行預(yù)設(shè)，節(jié)點數(shù)目從1依次增加到24，多次測量取均值計算單獨攻擊決策和加入軌跡跟蹤時決策方案生成時間，實驗結(jié)果如圖10所示.

根據(jù)實驗結(jié)果可知，節(jié)點數(shù)為3時終端決策時間為21 ms、節(jié)點決策時間為35 ms;節(jié)點數(shù)為8時終端決策時間為35 ms、節(jié)點決策時間為132 ms;節(jié)點數(shù)為24時終端決策時間為112 ms、節(jié)點決策時間為400 ms；加入軌跡跟蹤的情況下，節(jié)點數(shù)為3時決策生成時間分別為41,182 ms，節(jié)點數(shù)為8時決策生成時間分別為135,623 ms，節(jié)點數(shù)為24時決策生成時間分別為799,1 364 ms. 實驗表明終端與節(jié)點兩種決策模式下，隨著節(jié)點數(shù)量的增多運算時間均有所增加，終端決策在運算速度上要明顯優(yōu)于節(jié)點決策. 此外，軟件的決策算法模塊相比產(chǎn)品定型后的智能節(jié)點優(yōu)化改進(jìn)更為方便.

上述實驗結(jié)果表明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)化彈藥作戰(zhàn)過程，在不確定條件下考慮多個要素進(jìn)行自主攻擊決策，且系統(tǒng)響應(yīng)時間較短、運算速度較快，能夠在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境中起到輔助決策的作用.

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了包含翻譯官節(jié)點、中心節(jié)點和子節(jié)點以及仿真平臺軟件、終端指揮軟件在內(nèi)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng). 實現(xiàn)了作戰(zhàn)仿真、無線智能節(jié)點組網(wǎng)，對節(jié)點進(jìn)行指揮控制和終端輔助決策. 提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)下的“人在回路”指揮控制方式，有效解決了入網(wǎng)彈藥無法動態(tài)回傳戰(zhàn)場信息和“人在回路”主動控制困難的問題，可以為網(wǎng)絡(luò)化彈藥研究開發(fā)和實際使用提供支持.