楊維，趙凱，耿修堂，王越，劉學(xué)超

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099 )

21世紀以來，世界主要國家在大力推進以隱身、智能、多功能為主要特征裝備的同時，積極面向未來，從戰(zhàn)略和體系上謀劃下一代武器裝備發(fā)展，加快構(gòu)建攻防兼?zhèn)溲b備體系[1]。未來作戰(zhàn)向非接觸、非對稱、零傷亡變革，由此以遠程遙控、態(tài)勢感知、目標識別、輔助決策、精確毀傷等特征的智能火炮需求明確，并對未來戰(zhàn)爭模式產(chǎn)生較大影響。目前以智能化為典型特征的火炮技術(shù)發(fā)展較快，由于智能化、無人化火炮具有持續(xù)行動能力強、少人員傷亡、長期無人值守等特點，可用于快速機動、遠程偵查、情報處理和火力打擊等作戰(zhàn)和支援任務(wù)。

1 國外智能火炮武器發(fā)展現(xiàn)狀及定義

近年來，以美國和俄羅斯為代表的諸多國家持續(xù)進行了無人化、智能化火炮裝備研究。美國研制了“黑騎士”、“魔爪”系列、ARV-A智能化無人火炮，其中“黑騎士”智能火炮具備30 mm速射炮火力系統(tǒng)、全地形通過能力，全頻譜感知器組、完善的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈以及先進的人工智能指揮系統(tǒng)，如圖1所示[2]。作戰(zhàn)試驗中，配合單兵、“布雷德利”等模擬了信息共享、聯(lián)合戰(zhàn)斗編組等一系列聯(lián)合戰(zhàn)斗模式，顯示了其遂行多任務(wù)的能力和未來發(fā)展的潛力。

俄羅斯軍工企業(yè)推出了11種不同戰(zhàn)斗全重級別的智能無人火炮，較為典型的有“平臺-M”、BAS-01G BM“戰(zhàn)友”、“天王星-9”，如圖2所示[3]。敘利亞戰(zhàn)爭中，俄軍派出了包含1個榴彈炮群、6輛無人戰(zhàn)車和4輛偵察車，并由遠程進行作戰(zhàn)指揮。實戰(zhàn)中，70多名恐怖武裝分子被擊斃，敘利亞政府軍無一陣亡，取得了很好的實戰(zhàn)效果。

智能火炮武器系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于火炮武器任務(wù)理解、目標探測、作戰(zhàn)指揮、行動控制等作戰(zhàn)環(huán)節(jié)，使火炮武器具有自主感知、自主判斷、自主決策、自主行動和自主協(xié)同的能力，實現(xiàn)從探測、跟蹤、打擊到毀傷目標整個作戰(zhàn)過程的局部自主性或完全自主性。只有當(dāng)火炮武器具備了“自主”的特征和“智能”的能力[4]，才能稱得上智能化武器裝備。

2 火炮武器系統(tǒng)的智能化內(nèi)涵

基于火炮武器作戰(zhàn)流程，形成對應(yīng)的智能作戰(zhàn)控制系統(tǒng)OODA(Observe-Orient-Decide-Act)[5]循環(huán)如圖3所示。每個循環(huán)點對應(yīng)的智能化內(nèi)涵如下：

觀察(Observe)：主要包括兩方面內(nèi)涵，一是任務(wù)理解：任務(wù)理解以作戰(zhàn)場景、指令集和知識庫為支撐，為作戰(zhàn)行動序列方案生成提供支撐；二是目標探測：以作戰(zhàn)場景和對應(yīng)的知識庫為輸入，基于探測器完成地形地貌探測、戰(zhàn)場目標搜索和探測，基于狀態(tài)傳感器完成智能火炮平臺信息感知。

判斷(Orient)：以觀察結(jié)果和對應(yīng)的知識庫為輸入，基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標檢測與識別方法，重點完成目標識別，在此基礎(chǔ)上進行知識推理，完成戰(zhàn)場態(tài)勢認知。

決策(Decide)：以戰(zhàn)場態(tài)勢、火力特性和目標特性知識庫為輸入，基于深度強化學(xué)習(xí)等人工智能算法，完成編隊、打擊協(xié)同輔助決策及目標毀傷評估。

行動(Act)：以觀察、判斷、決策結(jié)果為輸入，控制火炮武器系統(tǒng)完成自主打擊。

3 智能火炮武器的主要特征

3.1 以“認知”為基礎(chǔ)的智能控制

面對現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境高度的復(fù)雜性、動態(tài)性和不確定性，智能火炮在情報獲取、目標探測、火力打擊等各階段應(yīng)對相關(guān)信息域中的態(tài)勢要素進行感知與學(xué)習(xí)，提取經(jīng)驗與知識，并用于戰(zhàn)斗中的估計、分類、決策和控制，實現(xiàn)智能認知[6-7]。

3.2 基于“有中心”及“無中心”的智能協(xié)同

在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，無人作戰(zhàn)平臺難以取代有人作戰(zhàn)平臺獨立完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。因此采用有人/無人編組智能協(xié)同作戰(zhàn)[8]發(fā)揮火炮武器綜合作戰(zhàn)效能成為未來戰(zhàn)爭的一種應(yīng)用模式，是指有人智能火炮武器帶領(lǐng)一群無人智能火炮武器，各無人智能火炮武器在較高自主性等級的指令下工作，實現(xiàn)有人裝備與無人裝備間的互信協(xié)同作戰(zhàn)。

3.3 基于“資源池”模式的能力柔性重組

各武器平臺利用“資源池”實現(xiàn)跨平臺式的實時預(yù)警、信息融合、指揮控制、目標識別、協(xié)同跟蹤、協(xié)同打擊等功能，打破原有火力單元與探測單元、信息處理單元、執(zhí)行單元“硬連接”的設(shè)計思想，通過資源整合，將其充分解耦，實現(xiàn)“軟連接”，使武器系統(tǒng)具有良好的“柔性”和擴展性[9]。

3.4 “算法”和“算力”將成為戰(zhàn)爭勝負的關(guān)鍵

借助人工智能算法，智能火炮可實現(xiàn)對態(tài)勢信息的認知處理，對自身狀態(tài)信息的有效監(jiān)控，以及全壽命周期的健康管理；可運用深度學(xué)習(xí)等技術(shù)形成作戰(zhàn)策略，進一步發(fā)揮機器的優(yōu)勢?！八懔Α笔侨斯ぶ悄苤位A(chǔ)之一，算力的強弱從根本上反應(yīng)了火炮智能化水平和對算法的執(zhí)行能力。

4 智能火炮武器的系統(tǒng)架構(gòu)

智能火炮武器借助人工智能技術(shù)從而具備感知、決策、控制和反饋能力。典型智能火炮武器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，智能火炮武器系統(tǒng)一般由智能感知系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)和智能反饋系統(tǒng)組成[10]。

4.1 智能感知系統(tǒng)

智能感知系統(tǒng)是指通過傳感器和衛(wèi)星等模塊來偵察、探測和收集各類戰(zhàn)場信息，例如紅外感應(yīng)、可見光圖像、雷達回波、激光回波、地形地勢等信息。采用機器視覺、語音識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)全天候、全地形條件下對空中目標、地面目標、戰(zhàn)場環(huán)境的智能感知，形成多角度、多頻譜、多特性的戰(zhàn)場態(tài)勢，使武器裝備具有戰(zhàn)場態(tài)勢的全局理解和認知能力。

4.2 智能決策系統(tǒng)

智能決策系統(tǒng)以戰(zhàn)場態(tài)勢智能感知結(jié)果、外部數(shù)據(jù)接入信息、武器平臺狀態(tài)、火力特性和目標特性為輸入，采用深度學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)，通過任務(wù)規(guī)劃理解、目標探測識別、態(tài)勢感知推理、作戰(zhàn)智能決策，以及自動化執(zhí)行的綜合集成，形成火炮作戰(zhàn)智能決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)火炮武器裝備自主識別、自主判斷和自主決策。

4.3 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)以智能決策結(jié)果、智能反饋為輸入，主要通過智能裝填、智能跟蹤解算、動態(tài)集群式作戰(zhàn)中智能安全管控及智能驅(qū)動算法實現(xiàn)對火炮武器平臺的執(zhí)行機構(gòu)進行智能驅(qū)動控制。

4.4 智能反饋系統(tǒng)

智能反饋系統(tǒng)通過信息化、智能化傳感器，將智能彈藥引信、目標毀傷圖像、彈目偏差、火炮武器平臺狀態(tài)等信息反饋至智能決策及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能彈藥控制、系統(tǒng)閉環(huán)校射、毀傷等級評估及系統(tǒng)健康管理，提升智能火炮武器的精確打擊能力、故障預(yù)測及維護保養(yǎng)能力。

5 火炮武器系統(tǒng)智能化涉及的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 戰(zhàn)場態(tài)勢智能認知技術(shù)

態(tài)勢認知是在態(tài)勢感知和數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)上，對戰(zhàn)場態(tài)勢判讀、理解和預(yù)測，進行態(tài)勢分析[11]。由于火炮武器的探測傳感器數(shù)量有限且受視場、頻段、抗干擾能力及探測精度的限制，比如雷達易受電磁干擾，紅外、電視、激光在惡劣氣候條件下威力嚴重下降，很難做到戰(zhàn)場態(tài)勢的全面?zhèn)刹楹涂陀^理解，因此，未來需在網(wǎng)絡(luò)信息體系架構(gòu)下將不同平臺上覆蓋寬廣地域、頻域的各種有源和無源探測器實現(xiàn)共享，從多角度、多頻譜、多特性對環(huán)境進行多維度感知。將人工智能的理論和方法應(yīng)用于情報處理，建立多類知識庫、規(guī)則庫，以及各類特征庫，利用積累的知識指導(dǎo)信息融合、目標識別與態(tài)勢評估，將“信息”轉(zhuǎn)化為“知識”，并最終上升為指揮員的“認知”，實現(xiàn)認知層面態(tài)勢的自動生成和可視化呈現(xiàn)，滿足武器系統(tǒng)“看得見”、“辨得明”的戰(zhàn)場感知能力要求。

5.2 復(fù)雜背景下目標的智能識別技術(shù)

穩(wěn)定獲取目標類型、目標位置、目標速度、目標航跡，是火炮武器平臺實施精確有效打擊、敵我態(tài)勢威脅評估的前提。未來海陸空天戰(zhàn)爭中，目標數(shù)量日益增多，機動強度越來越高，電磁環(huán)境十分惡劣，但傳感器和直接識別技術(shù)已經(jīng)越來越不能完成識別打擊目標的作用，因此必須使用目標智能識別的方式進行識別。智能識別是利用雷達、光電、頻譜感知儀等多類傳感器所收集到的多種目標屬性信息，綜合出準確的目標屬性，進行目標類型、作戰(zhàn)意圖識別。利用人工智能技術(shù)構(gòu)建自主學(xué)習(xí)的智能識別框架，融合以無監(jiān)督學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)和半監(jiān)督式的學(xué)習(xí)方法，采用自學(xué)習(xí)的機器學(xué)習(xí)方法來綜合利用標注和未標注的數(shù)據(jù)提高學(xué)習(xí)出的模型，使算法平臺具有對環(huán)境的適應(yīng)能力和自我進化能力，提高復(fù)雜背景下的目標識別精度。

5.3 智能輔助決策技術(shù)

在感知、認知以及數(shù)據(jù)融合與挖掘的基礎(chǔ)上，利用專家系統(tǒng)、模糊控制、深度學(xué)習(xí)人工智能算法進行智能學(xué)習(xí)和計算，根據(jù)敵方戰(zhàn)術(shù)意圖、目標類型和行為預(yù)測、武器平臺狀態(tài)，實施生成作戰(zhàn)方案，完成地面陣地智能調(diào)配、火力智能分配、火炮武器智能協(xié)同等一系列打擊策略，實現(xiàn)決策的快速性和精確性。圖5為一種人-機協(xié)同混合智能輔助決策系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用人工智能擅長海量存儲、快速搜索、快速精確計算及人類智能擅長抽象思維、推理、學(xué)習(xí)的特點，使二者優(yōu)勢互補，實現(xiàn)更高級、更魯棒、更增強的智能。

5.4 智能控制技術(shù)

智能控制以現(xiàn)代控制理論、計算機技術(shù)、運籌學(xué)、人工智能等學(xué)科為基礎(chǔ)，并對相關(guān)理論和技術(shù)進行了擴展，其中應(yīng)用較多的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論和自適應(yīng)控制、自組織控制、自學(xué)習(xí)控制等技術(shù)?；鹋谖淦骺刂葡到y(tǒng)是一個非線性、時變、多變量的復(fù)雜控制系統(tǒng)，除了要保證精確控制以外，還必須具備較高的反應(yīng)速度和抗擾能力?；鹋谖淦鞯闹悄芸刂萍夹g(shù)一般包括：高可靠彈藥敏捷智能裝填技術(shù)、動態(tài)集群式作戰(zhàn)中的智能安全控制技術(shù)、基于在線毀傷概率計算的智能火控解算技術(shù)和基于自適應(yīng)模糊控制的智能隨動驅(qū)動技術(shù)。

5.5 智能健康管理技術(shù)

健康管理是利用各類先進傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)運行的各類狀態(tài)參數(shù)及特征信號，借助各種智能推理算法和模型評估武器系統(tǒng)的健康狀態(tài)，在故障發(fā)生前對故障進行預(yù)測，并結(jié)合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障決策[12]。通過預(yù)埋多種類型傳感器，實時測量火炮武器關(guān)鍵組件的振動和位移、身管溫度、膛壓和溫度、彈丸初速、液壓油溫、電機溫度、電壓及電流，積累裝備全壽命周期中的大量數(shù)據(jù)，建立火炮武器知識庫和預(yù)測模型，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測技術(shù)完成多源海量數(shù)據(jù)知識挖掘，實現(xiàn)對火炮武器裝備的異常預(yù)測和效能評估，有效提高火炮武器的可用度和任務(wù)可靠性，降低壽命周期費用，提高火炮武器綜合保障能力。智能健康管理技術(shù)主要依賴BIT技術(shù)、專家系統(tǒng)的知識和經(jīng)驗、機器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)裝備的診斷/預(yù)測/評估/決策任務(wù)。根據(jù)美軍綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計，F(xiàn)35的自主保障系統(tǒng)使設(shè)備故障減少50%，維護人員減少20%～40%，飛機執(zhí)行任務(wù)的架次增加25%.

6 結(jié)束語

智能化武器裝備必將推動信息化戰(zhàn)爭形態(tài)由“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化”的初級階段向“智能化+類人化”的高級階段加速演進。目前人工智能技術(shù)在火炮武器裝備領(lǐng)域應(yīng)用才剛剛起步，應(yīng)抓住機遇，積極推動人工智能在火炮領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用，使火炮綜合作戰(zhàn)能力顯著提升，推動火炮技術(shù)發(fā)展。