張杰勇 鐘赟 孫鵬 馬晉哲

1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院陜西西安710077 2.空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機工程學(xué)院陜西西安710051 3.中國人民解放軍94040部隊新疆庫爾勒841000

新軍事變革背景下, 戰(zhàn)爭形態(tài)將按照機械化→信息化→智能化的圖景次第展開[1].當(dāng)前, 我軍空中作戰(zhàn)裝備仍然以有人機(Manned Aerial Vehicle,MAV)為主,相比于有人機,無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)具有戰(zhàn)術(shù)實現(xiàn)靈活、持續(xù)作戰(zhàn)能力強、平臺成本低的顯著優(yōu)勢, 必將在未來空中作戰(zhàn)中發(fā)揮越來越重要的作用[2].

依賴于“分布式作戰(zhàn)”、“蜂群作戰(zhàn)” 和“馬賽克戰(zhàn)” 等作戰(zhàn)理論牽引[3?5], 以及態(tài)勢感知技術(shù)、智能決策技術(shù)、協(xié)同控制技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,未來空中聯(lián)合作戰(zhàn)體系將向“有人機與無人機協(xié)同作戰(zhàn)”(以下稱為“有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)”)、“全無人機協(xié)同作戰(zhàn)”的方向發(fā)展.

在實際作戰(zhàn)中, 無人機并不能完全替代有人機.將有人機和無人機構(gòu)成混合作戰(zhàn)體系, 通過協(xié)同態(tài)勢感知、協(xié)同作戰(zhàn)決策、協(xié)同火力打擊及協(xié)同毀傷評估,實施從“傳感器”到“射擊器”的一體化作戰(zhàn)行動: 無人機作為作戰(zhàn)執(zhí)行者, 能夠前置戰(zhàn)場空間, 實時掌握前沿戰(zhàn)場信息,突前執(zhí)行枯燥、惡劣、危險和縱深(Dull,Dirty,Dangerous and Deep,4D)任務(wù);有人機作為作戰(zhàn)管理者, 在一定戰(zhàn)場空域?qū)嵤φ麄€作戰(zhàn)行動的監(jiān)督控制,并在必要時對無人機實施計算、信息、決策、火力支援或進行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同.這種作戰(zhàn)模式實現(xiàn)了有人機與無人機的能力互補、優(yōu)勢集成,具有廣泛的作戰(zhàn)應(yīng)用前景[6].

1 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展

根據(jù)美國空軍對自主控制等級(Autonomous Control Level,ACL)的定義[7],無人機自主控制等級被分為10 級, 從低到高分別對應(yīng)非自主、單機自主、多機自主和集群自主.然而,任何一種作戰(zhàn)理念從概念提出到實踐落地的過程都不是一蹴而就的,無人機的完全自主在短期內(nèi)難以實現(xiàn).目前, 美軍典型現(xiàn)役無人機中, MQ-1“捕食者”的ACL 為2 級,RQ-4“全球鷹”和RQ-8“火力偵察兵”的ACL 為3 級,MQ-9“收割者”的ACL 為3 ～4 級.此外,由于有人機指揮員的操控和指揮, 能夠發(fā)揮指揮員的作戰(zhàn)智慧和經(jīng)驗, 有人機在空中作戰(zhàn)中仍然十分重要.如圖1所示,為不同自主控制等級下的無人機功能架構(gòu).

圖1 不同自主控制等級下的無人機功能架構(gòu)Fig.1 UAV functional architecture under different ACL

2014年, 為應(yīng)對主要戰(zhàn)略對手軍事發(fā)展并保持自身軍事優(yōu)勢,美國提出“第三次抵消戰(zhàn)略”,并指出其中五大重點發(fā)展領(lǐng)域[8]: 自主學(xué)習(xí)技術(shù)、人機協(xié)作技術(shù)、機器輔助人類作戰(zhàn)技術(shù)、先進有人/無人編隊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)使能武器技術(shù).可以看到,有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)是美軍未來作戰(zhàn)優(yōu)先發(fā)展選項.

事實上,至早追溯到20 世紀(jì)90年代末期,美國、英國和法國等國就開展了有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)演示驗證工作.

1996年, 美國陸軍航空與導(dǎo)彈研究、研發(fā)與工程中心開展了“機載有人/無人系統(tǒng)技術(shù)”(Airborne Manned-Unmanned System Technology, AMUST) 研究[9],開發(fā)作戰(zhàn)管理所需的軟件和程序,有人機(AH-60D“長弓阿帕奇”直升機)利用作戰(zhàn)管理軟件,通過戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈對無人機(“無人小鳥”)進行載荷控制和飛行控制, 初步實現(xiàn)有人機與無人機間的互聯(lián)互通互操作.

2004年, 美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) 和美國空軍開展軟件使能控制(Software Enabled Control,SEC) 項目研究[10], 由有人機(F-15E“攻擊鷹” 戰(zhàn)斗機)和無人機(T-33 攻擊機)協(xié)同執(zhí)行目標(biāo)信息收集任務(wù),有人機通過語音控制無人機飛行,以保證無人機對突發(fā)威脅的及時準(zhǔn)確響應(yīng).如圖2 所示,為SEC項目試驗想定.

圖2 SEC 項目試驗想定Fig.2 Test scenario of SEC project

2012年, 美國海軍提出“通用控制系統(tǒng)” (Common Control System, CCS) 項目, 該系統(tǒng)能夠支持美國海軍進行有人平臺指揮無人機執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察任務(wù),由于采用了開放式軟件架構(gòu),系統(tǒng)對多類型無人系統(tǒng)均具有集成能力, 有效降低了開發(fā)和維護成本.

2014年,DARPA 開展了“體系綜合技術(shù)和試驗”(System of System Integration Technology and Experimentation, SoSITE)項目研究[11], 其采用開放式體系架構(gòu)技術(shù),基于載荷和平臺分離思想,使關(guān)鍵功能載荷(作戰(zhàn)管理、偵察、通信、電子戰(zhàn)和攻擊等)能即插即用于各類無人航空平臺,通過分布式感知、分布式?jīng)Q策、分布式控制和分布式攻擊,實現(xiàn)分布式空戰(zhàn)效果.如圖3 所示,為SoSITE 項目試驗想定.

圖3 SoSITE 項目試驗想定Fig.3 Test scenario of SoSITE project

2017年3月, 美國洛克希德· 馬丁公司和美國空軍開展最新一輪“忠誠僚機” 項目, 將F-16 試驗機改裝成自主或半自主無人作戰(zhàn)飛機,與F-35 戰(zhàn)斗機共同構(gòu)成長、僚機編組, 主要完成3 方面演示驗證: 一是基于任務(wù)優(yōu)先級和可用作戰(zhàn)資源, 僚機自主規(guī)劃生成作戰(zhàn)攻擊任務(wù)方案并自主執(zhí)行; 二是通過長機座艙內(nèi)的指揮員與飛行器接口, 將指揮員作戰(zhàn)意圖快速準(zhǔn)確翻譯為機器語言, 并發(fā)送至僚機進行執(zhí)行, 實現(xiàn)高效人機交互; 三是針對僚機任務(wù)執(zhí)行過程中的突發(fā)事件, 由長、僚機采用協(xié)同決策方式,實現(xiàn)對戰(zhàn)場突發(fā)事件的自主適應(yīng).

2018年1月,美國雷聲公司受領(lǐng)DARPA“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”(Collaborative Operations in Denied Environment,CODE)項目第3 階段(全任務(wù)階段)合同,該項目旨在提升未來美軍在電子干擾、通信受限及其他惡劣作戰(zhàn)環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)能力, 通過開展單無人機自主、無人機編隊自主、開放式系統(tǒng)架構(gòu)和智能人機接口等關(guān)鍵技術(shù)驗證, 實現(xiàn)通信受限條件下偵察/打擊任務(wù)分配和編隊自主協(xié)同控制.如圖4 所示,為CODE 項目試驗想定.

圖4 CODE 項目試驗想定Fig.4 Test scenario of CODE project

國外進行的有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)相關(guān)演示驗證還包括: 1)2005年,DARPA 主持了“通用作戰(zhàn)系統(tǒng)”(Common Operating System, COS)項目研究,綜合驗證了地面控制站、有人機、無人機和天基通信平臺的互聯(lián)互通能力; 2) 2007年, 英國奎奈蒂克公司將“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機作為有人機,改進BAC1-11 作為無人機,通過“基于智能體推理”(Agent-based Reasoning,ABR) 軟件實現(xiàn)了有人機指揮控制(Command and Control, C2) 下多無人機對地面運動目標(biāo)的模擬攻擊;3)2014年,由法國牽頭,其他5 個歐洲國家(意大利、西班牙、希臘、瑞典和瑞士)參與制造的“神經(jīng)元”(nEUROn)無人機與“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機、“隼”7x 商業(yè)飛機進行了數(shù)百公里的編隊飛行, 對有人/無人機編隊飛行過程中對電子干擾、大氣湍流的抗干擾性能進行了相關(guān)驗證; 4) 2016年, DARPA 推出“駕駛艙內(nèi)自動化系統(tǒng)”(Aircrew Labor In-cockpit Automation System, ALICAS) 項目, 旨在通過引入全自動聲控、觸控駕駛系統(tǒng),實現(xiàn)有人機C2 下無人機起飛、巡航和降落階段的自動感知避障; 5) 2016年和2018年,美國空軍研究實驗室代表DARPA 分別授予洛克希德· 馬丁公司和BAE 系統(tǒng)公司“分布式作戰(zhàn)管理”(Distributed Battle Management,DBM)第2 階段和第3 階段合同,以驗證美軍在未來拒止作戰(zhàn)環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)能力, 通過將決策輔助軟件分布式部署在無人機上,保證通信受限條件下的持續(xù)任務(wù)執(zhí)行能力.

得益于無人機自主和協(xié)同控制能力的提升, 有人機C2 方式正逐步從“人在回路中”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭嗽诨芈飞稀?使指揮員能夠從底層的飛行和編隊控制中抽離出來,降低工作負荷,從而更加專注于高層任務(wù)控制[12].按照從底到頂?shù)倪壿嬳樞? 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 是涉及計算、通信、控制和決策的完整體系,需要進行相應(yīng)分析.

2 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 分析

2.1 協(xié)同作戰(zhàn)體系組成分析

一般情況下, 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系主要包括指揮中心、有人機、無人機和通信鏈路.

其中,通信鏈路為指揮中心、有人機和無人機提供平臺狀態(tài)信息、戰(zhàn)場態(tài)勢信息和C2 信息等各類信息的傳輸與共享通道,是指揮中心、有人機和無人機間的有效鏈接,保證各類信息的高效流轉(zhuǎn);指揮中心通常部署于空中、海上或陸上,利用其強大態(tài)勢感知和指揮控制能力, 對多個有人/無人機作戰(zhàn)編組進行指揮控制;有人機對本編組內(nèi)無人機進行指揮控制,負責(zé)編組內(nèi)作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行的監(jiān)督控制, 并在必要時提供相應(yīng)支援或直接進行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同, 從而保證作戰(zhàn)任務(wù)的有效執(zhí)行;無人機深入戰(zhàn)場前沿,負責(zé)接收來自指揮中心和有人機的C2 命令,并完成編組內(nèi)作戰(zhàn)任務(wù)的具體執(zhí)行和效果反饋.如圖5 所示,為協(xié)同作戰(zhàn)體系組成.

圖5 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系組成Fig.5 System composition of MAV/UAV cooperative operation

指揮中心包括指揮控制分系統(tǒng)、偵察探測分系統(tǒng)、信息處理分系統(tǒng)和作戰(zhàn)保障分系統(tǒng)等;有人機包括信息綜合顯示和監(jiān)控分系統(tǒng)、智能輔助決策分系統(tǒng)、機載飛控分系統(tǒng)、機載火控分系統(tǒng)、機載導(dǎo)航分系統(tǒng)、機載偵察探測分系統(tǒng)、機載電子對抗分系統(tǒng)、機載武器分系統(tǒng)等;無人機包括機載飛控分系統(tǒng)、機載火控分系統(tǒng)、機載導(dǎo)航分系統(tǒng)、機載偵察探測分系統(tǒng)、機載電子對抗分系統(tǒng)、機載計算分系統(tǒng)、機載武器分系統(tǒng)、發(fā)射回收分系統(tǒng)等;通信鏈路包括平臺控制數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)、指揮控制數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)、情報偵察數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)、武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈分系統(tǒng)等.協(xié)同作戰(zhàn)體系中各組成單元在功能劃分上各不相同, 具體如下.

1) 指揮中心功能: 在作戰(zhàn)保障分系統(tǒng)的作戰(zhàn)保障下, 利用偵察探測分系統(tǒng)收集初始戰(zhàn)場態(tài)勢信息,并經(jīng)信息處理分系統(tǒng)進行信息處理, 隨后通過指揮控制分系統(tǒng)生成相應(yīng)決策指令, 最后通過通信鏈路,向協(xié)同作戰(zhàn)編組分發(fā)相關(guān)態(tài)勢信息和決策指令, 實現(xiàn)相應(yīng)的態(tài)勢信息支援和指揮引導(dǎo).

2) 有人機功能: 在指揮中心的態(tài)勢信息支援和指揮引導(dǎo)下, 利用機載偵察探測分系統(tǒng)和機載電子對抗分系統(tǒng), 為無人機提供實時態(tài)勢信息支援和對敵電子干擾支援; 有人機指揮員通過信息綜合顯示和監(jiān)控分系統(tǒng), 對無人機飛行狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行情況進行實時監(jiān)控,并在特定C2 結(jié)構(gòu)下, 利用智能輔助決策分系統(tǒng)完成平臺編成與任務(wù)執(zhí)行計劃生成/調(diào)整、動態(tài)決策分配、協(xié)同攻擊決策等決策結(jié)果生成;在無人機火力資源無法完成目標(biāo)攻擊時, 有人機利用機載武器分系統(tǒng)和機載火控分系統(tǒng), 對無人機提供火力支援,并且在必要時,有人機對無人機的發(fā)射武器進行他機制導(dǎo).

3) 無人機功能: 利用機載飛控分系統(tǒng)和機載導(dǎo)航分系統(tǒng)完成多無人機編隊的任務(wù)集結(jié)、編隊控制等; 利用機載偵察探測分系統(tǒng)、機載電子對抗分系統(tǒng)、機載火控分系統(tǒng)、機載武器分系統(tǒng)完成指定任務(wù)區(qū)域的偵察、跟蹤、電子對抗和協(xié)同攻擊等;在特定C2 結(jié)構(gòu)下,利用機載計算分系統(tǒng)完成平臺編成與任務(wù)執(zhí)行計劃生成/調(diào)整、動態(tài)決策分配、協(xié)同攻擊決策等決策結(jié)果生成需要進行的各類解算.

4) 通信鏈路功能: 利用所配置的各類數(shù)據(jù)鏈通信、衛(wèi)星通信和激光通信分系統(tǒng), 完成平臺狀態(tài)信息、情報保障信息、C2 信息和攻擊指令信息在協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)部的實時/準(zhǔn)實時交互, 為作戰(zhàn)行動提供可靠信息保障,實現(xiàn)信息共享基礎(chǔ)上的作戰(zhàn)協(xié)同.

2.2 協(xié)同作戰(zhàn)C2 結(jié)構(gòu)分析

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)過程中, 為了實現(xiàn)平臺作戰(zhàn)能力有效組合、充分補益、自發(fā)涌現(xiàn),要求協(xié)同作戰(zhàn)C2 具有一定敏捷性, 即作戰(zhàn)C2 具有魯棒性、可靠性和適應(yīng)性.結(jié)構(gòu)決定功能[13],協(xié)同作戰(zhàn)C2 結(jié)構(gòu)在一定程度上決定了協(xié)同作戰(zhàn)體系作戰(zhàn)效能的發(fā)揮.從結(jié)構(gòu)分類上看,有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 結(jié)構(gòu)分為集中式、分布式和混合式結(jié)構(gòu).

2.2.1 集中式C2 結(jié)構(gòu)

集中式C2 結(jié)構(gòu)是指,體系中存在中央控制節(jié)點(一般為有人機)進行統(tǒng)一的作戰(zhàn)指揮,各無人機將偵察探測信息和平臺狀態(tài)信息發(fā)送至有人機, 有人機經(jīng)過統(tǒng)一決策后, 將決策結(jié)果以指令形式發(fā)送給無人機執(zhí)行.如圖6 所示,為有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)集中式C2 結(jié)構(gòu).

圖6 集中式C2 結(jié)構(gòu)Fig.6 Centralized C2 structure

集中式C2 結(jié)構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、便于集中管理、易于全局優(yōu)化的優(yōu)點,但仍然存在以下幾點不足: 1)由于有人機需要掌握所有受控節(jié)點的狀態(tài)和探測信息,因此,對有人機與無人機間的通信鏈路帶寬和可靠性要求較高.2)無人機與有人機之間存在一定通信延遲, 導(dǎo)致前沿部署的無人機難以實時響應(yīng)戰(zhàn)場態(tài)勢變化.3)計算、信息、決策均集中于有人機, 對于大規(guī)模作戰(zhàn)體系而言, 求解復(fù)雜度較高.4)作戰(zhàn)體系魯棒性不足, 有人機出現(xiàn)損毀或故障會影響整體作戰(zhàn)效能.

2.2.2 分布式C2 結(jié)構(gòu)

與集中式C2 結(jié)構(gòu)將計算、信息、決策等功能集中于有人機不同的是,分布式C2 結(jié)構(gòu)將信息、計算、決策等功能分散到各無人機, 將復(fù)雜問題分解為各無人機處理的簡單子問題.無人機采用自治+ 協(xié)作方式, 通過局部協(xié)商機制完成對全局問題的優(yōu)化求解.如圖7 所示, 為有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)分布式C2結(jié)構(gòu).

圖7 分布式C2 結(jié)構(gòu)Fig.7 Distributed C2 structure

相比于集中式C2 結(jié)構(gòu), 分布式C2 結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點: 1)無人機能夠快速獲取環(huán)境信息和狀態(tài)信息,而無需時時向有人機上報相關(guān)信息,有效減少了指揮層級,能夠?qū)崿F(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢變化的快速響應(yīng).2)各無人機充分發(fā)揮信息、計算、決策“能動性”,有效降低了有人機的C2 負載,使其能夠?qū)Ｗ⒂诟邔尤蝿?wù)控制.3) 各無人機之間采用基于網(wǎng)絡(luò)化通信的決策結(jié)果協(xié)商機制,只對高層協(xié)作信息進行共享,大大降低了對通信帶寬的需求.4)各無人機作為作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點, 單節(jié)點的損毀或故障不會影響體系性能,且作戰(zhàn)節(jié)點出、入網(wǎng)便捷,作戰(zhàn)體系的魯棒性、伸縮性較好.

盡管分布式C2 結(jié)構(gòu)相比于集中式C2 結(jié)構(gòu)而言優(yōu)點較多, 但仍然存在一定缺陷.具體地, 由于分布式?jīng)Q策結(jié)果的生成需要多輪協(xié)商, 決策效率相對集中式C2 結(jié)構(gòu)不高;此外,由于分布式C2 結(jié)構(gòu)在決策過程中涉及多架無人機之間的協(xié)商, 得到的可能是各方滿意的均衡解,因此,解的全局最優(yōu)性在一定程度上難以保證.

2.2.3 混合式C2 結(jié)構(gòu)

分布式C2 結(jié)構(gòu)在魯棒性、伸縮性和通信需求方面存在優(yōu)勢,集中式C2 結(jié)構(gòu)在決策效率和決策質(zhì)量方面存在優(yōu)勢.

隨著無人機自主水平的不斷提高, 未來有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 結(jié)構(gòu)將更趨分布,但當(dāng)前的自主水平難以實現(xiàn)完全自主,無人機在態(tài)勢感知與認知、任務(wù)決策與控制等方面的能力與有人機指揮員仍然存在一定差距,指揮員仍然是有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2的關(guān)鍵.

因此, 為實現(xiàn)無人機有限自主決策能力和有人機指揮員人類決策能力的優(yōu)勢互補, 提高作戰(zhàn)體系魯棒性、伸縮性, 提高作戰(zhàn)體系決策效率和決策質(zhì)量,并降低作戰(zhàn)體系通信負載,可以考慮綜合集中式C2 結(jié)構(gòu)和分布式C2 結(jié)構(gòu)各自優(yōu)長,采用混合式C2結(jié)構(gòu).如圖8 所示, 為有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)混合式C2 結(jié)構(gòu).

圖8 混合式C2 結(jié)構(gòu)Fig.8 Hybrid C2 structure

混合式C2 結(jié)構(gòu)中, 有人機和無人機共同參與決策, 按照決策主導(dǎo)者的不同可以分為有人機主導(dǎo)型混合式?jīng)Q策和無人機主導(dǎo)型混合式?jīng)Q策, 按照混合程度的不同可以分為建議、干預(yù)、知會型混合式?jīng)Q策.

在有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)混合式C2 結(jié)構(gòu)中,有人機與無人機構(gòu)成多個作戰(zhàn)編組, 各有人/無人機編組的平臺組成及作戰(zhàn)任務(wù)由指揮中心確定, 指揮中心負責(zé)對有人/無人機編組進行戰(zhàn)場指揮控制,開展全局決策;在各有人/無人機編組內(nèi)部,由有人機對配屬無人機進行戰(zhàn)術(shù)級C2, 開展局部決策.無人機通過機載傳感器獲取戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù), 在編組內(nèi)各無人機之間進行情報共享, 各無人機進行情報數(shù)據(jù)融合后形成戰(zhàn)場態(tài)勢上報有人機; 有人機指揮員通過智能輔助決策系統(tǒng)對編組內(nèi)無人機執(zhí)行任務(wù)情況進行監(jiān)督控制,無人機采用自主分布式協(xié)商機制進行決策,有人機僅在需要時收回決策權(quán).

因此, 混合式C2 結(jié)構(gòu)中的“混合”,包括時間和空間上兩層含義, 從時間上看, “混合” 是指時而集中、時而分布, 從空間上看, “混合” 是指底層分布、上層集中.采用混合式C2 結(jié)構(gòu)也為可變自主決策的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ), 有人機能夠基于無人機所能達到的最高決策等級, 根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢需要對無人機進行動態(tài)賦權(quán),從而最大程度地實現(xiàn)體系柔性.

2.3 協(xié)同作戰(zhàn)C2 復(fù)雜性分析

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)構(gòu)成感知、決策、行動、評估環(huán),從C2 角度看,主要涉及指揮中心對有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的C2 和有人機對無人機的C2.協(xié)同作戰(zhàn)過程中,作戰(zhàn)環(huán)境開放復(fù)雜、動態(tài)變化,作戰(zhàn)任務(wù)廣域分布、高度耦合,作戰(zhàn)平臺類型眾多、能力異構(gòu), 協(xié)同關(guān)系內(nèi)容多維(時間協(xié)同、空間協(xié)同、任務(wù)協(xié)同)、多域交叉(物理域、信息域、認知域交叉).因此,有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)過程是一個存在非線性、非平衡、非簡約等作用機制, 包含隨機性、模糊性、區(qū)間性等多重不確定性的復(fù)雜過程.具體來說, 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 具有以下復(fù)雜性.

1)作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜性.有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系面臨的是強對抗性、非結(jié)構(gòu)化戰(zhàn)場環(huán)境,戰(zhàn)場態(tài)勢處于實時變化狀態(tài),需要協(xié)同作戰(zhàn)體系作出實時(準(zhǔn)實時)反應(yīng).

2)作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜性.對不同敵方目標(biāo)涉及偵察、打擊、評估等不同作戰(zhàn)任務(wù),不同作戰(zhàn)任務(wù)在資源需求、時序約束等方面差異明顯,使得任務(wù)決策空間復(fù)雜高維;同時,平臺失效、目標(biāo)變更、突發(fā)威脅、無人機自主攻擊決策困難等突發(fā)事件間或發(fā)生, 對作戰(zhàn)計劃臨機調(diào)整的時效和質(zhì)量要求較高.

3)作戰(zhàn)平臺復(fù)雜性.有人機平臺價值高,屬于優(yōu)先保護平臺, 且當(dāng)前對無人機指揮控制的人機比仍然較高, 單架有人機能夠指揮控制的無人機數(shù)量有限, 存在指揮控制容量閾值; 無人機數(shù)量眾多, 傳感器和武器等資源類型各異, 不同資源工作模式各不相同(傳感器資源的成像方式、武器資源的攻擊距離等),使得執(zhí)行同一任務(wù)的不同無人機對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知與理解、作戰(zhàn)任務(wù)效果各不相同.

4)指揮員人因復(fù)雜性.有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)過程中,有人機指揮員負責(zé)對所屬作戰(zhàn)編組的C2 提供人的決策,但指揮員作為“有限理性”的決策者,其決策方式必定不同于計算機的“非此即彼”式?jīng)Q策,而是具有獨特的決策習(xí)慣和偏好;同時,指揮員需要完成的任務(wù)類型眾多,主要包括操控、認知、決策、監(jiān)督和干預(yù)等, 較大的工作負荷會影響指揮員工作效能的發(fā)揮.

5)計算/通信復(fù)雜性.有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系中要素眾多、關(guān)系復(fù)雜、交互頻繁,較難采用線性化、規(guī)律性方法進行完整統(tǒng)一建模與描述, 且隨著個體數(shù)量的增長,問題求解空間出現(xiàn)組合爆炸現(xiàn)象,給機載計算的時效性和準(zhǔn)確性帶來較大挑戰(zhàn);同時,平臺高速運動易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)、網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)時延較大等現(xiàn)象,對高度依賴信息共享的C2 造成較大困難.

作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜性、作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜性、作戰(zhàn)平臺復(fù)雜性、指揮員人因復(fù)雜性和計算/通信復(fù)雜性等多種復(fù)雜性相互交織,使得有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 極具挑戰(zhàn)性.傳統(tǒng)集中式C2 結(jié)構(gòu), 雖然具有較高的決策效率,但在面對動態(tài)戰(zhàn)場態(tài)勢時顯得過于剛性,難以實現(xiàn)對動態(tài)戰(zhàn)場態(tài)勢的自適應(yīng), 進而影響作戰(zhàn)決策的自組織,最終阻礙作戰(zhàn)行動的自同步.

3 協(xié)同作戰(zhàn)C2 系統(tǒng)

基于對有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系組成、C2 結(jié)構(gòu)和C2 復(fù)雜性的分析,要求必須考慮作戰(zhàn)任務(wù)的層次性,指揮中心、有人機和無人機的功能層次性,以及C2 系統(tǒng)自身層次性特點, 構(gòu)建具有層次劃分、層內(nèi)關(guān)聯(lián)、層間耦合的有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 系統(tǒng),從而有效應(yīng)對各個層次內(nèi)的不同復(fù)雜性挑戰(zhàn).

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 系統(tǒng)包括3 層,從底層到頂層分別是計算通信層、協(xié)同控制層和規(guī)劃決策層[14].其中,計算通信層主要提供航空計算、機載通信和節(jié)點組網(wǎng)等功能; 協(xié)同控制層主要提供飛行控制、隊形控制和集結(jié)控制等功能;規(guī)劃決策層主要提供決策模式優(yōu)選與躍遷、輔助決策與人機協(xié)同、航路規(guī)劃、行動規(guī)劃和兵力規(guī)劃等功能.如圖9 所示,為有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)遞階式C2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu).

圖9 遞階式C2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Hierarchical C2 system structure

在有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)遞階式C2 系統(tǒng)中,對計算通信層、協(xié)同控制層和規(guī)劃決策層中規(guī)劃技術(shù)的相關(guān)研究成果較多, 而規(guī)劃決策層中決策問題有其自身所特有的運行模式和演化規(guī)律: 作戰(zhàn)體系的層次結(jié)構(gòu)、人因因素,戰(zhàn)場態(tài)勢的復(fù)雜、不確定和動態(tài)特性,作戰(zhàn)能力的不可簡約、自發(fā)涌現(xiàn),要求采用區(qū)別于傳統(tǒng)有人機協(xié)同作戰(zhàn)和未來全無人機協(xié)同作戰(zhàn)的研究范式開展相關(guān)研究.

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)決策涉及參戰(zhàn)平臺、作戰(zhàn)任務(wù)、決策內(nèi)容眾多,且耦合關(guān)系復(fù)雜,若采用一體化設(shè)計方法, 則會導(dǎo)致問題規(guī)模過大而影響決策效率和決策質(zhì)量.

因此,建立有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)決策體系架構(gòu),主要包括編組層、編隊層和單機層,編組層和編隊層對應(yīng)作戰(zhàn)使命和任務(wù).隨著決策粒度的不斷細分,大規(guī)模復(fù)雜作戰(zhàn)問題被分解為多層簡單問題, 通過對多層簡單問題的高效求解,實現(xiàn)問題解耦.如圖10 所示,為有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)決策層級模型.

從圖10 可以看出,編組層主要由指揮中心、有人機指揮員和編組決策支持系統(tǒng)構(gòu)成的編組決策系統(tǒng)共同完成使命分解、平臺匹配和執(zhí)行調(diào)度等編組層決策, 編隊層主要由有人機指揮員和編隊決策支持系統(tǒng)構(gòu)成的編隊決策系統(tǒng)共同完成任務(wù)計劃、攻擊決策和執(zhí)行調(diào)度等編隊層決策, 平臺層主要由無人機自主決策系統(tǒng)完成任務(wù)計劃、攻擊決策和載荷運用等平臺層決策.在此過程中, 編組層與編隊層、編隊層與平臺層之間進行按級任務(wù)協(xié)同, 而編組層和平臺層之間進行越級任務(wù)協(xié)同.

圖10 決策層級模型Fig.10 Decision-making hierarchy model

4 協(xié)同作戰(zhàn)C2 技術(shù)

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)決策過程是涉及指揮員人的決策、有人機輔助決策和無人機有限自主決策的人類智能和機器智能融合的決策大系統(tǒng), 如何充分發(fā)揮三者優(yōu)勢,協(xié)調(diào)三者之間的決策關(guān)系,是有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)需要迫切解決的重大問題.

4.1 決策模式優(yōu)選與躍遷技術(shù)

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)過程中, 需要采用決策模式優(yōu)選與躍遷技術(shù)合理確定指揮員和自動化系統(tǒng)之間的決策模式, 確保自動化系統(tǒng)以合適的自動化等級輔助指揮員決策,并在條件變化時,進行決策模式調(diào)整.

如圖11 所示,為決策模式優(yōu)選流程.該流程中,指揮員工作負荷、通信鏈路狀況、環(huán)境不確定性程度、任務(wù)緊迫程度和指揮員信任度等五要素構(gòu)成屬性域; 在專家域中, 專家根據(jù)其經(jīng)驗和知識, 給出專家建議決策矩陣, 并經(jīng)過一致性檢驗生成群體決策矩陣; 對參考序列和群體決策矩陣進行關(guān)聯(lián)度計算后, 結(jié)合權(quán)重域中權(quán)重向量, 生成關(guān)聯(lián)度矩陣; 最后,根據(jù)關(guān)聯(lián)度矩陣取值情況,在集中式?jīng)Q策、交互式?jīng)Q策和分布式?jīng)Q策3 種決策模式中選取適宜決策模式.

圖11 決策模式優(yōu)選流程Fig.11 Optimized selection process of decision-making mode

由于自身、對手和環(huán)境的動態(tài)特性,影響決策模式選取的屬性值會隨著作戰(zhàn)進程而發(fā)生較大幅度的波動.因此, 決策模式并不會恒定不變, 而會隨著屬性值的變化而動態(tài)躍遷.同時,為避免決策模式的盲目躍遷,需要合理控制決策模式躍遷的靈敏度,根據(jù)屬性值變化的類型、幅度和頻率,決定決策模式是否躍遷,以及躍遷方式.

如圖12 所示, 為決策模式躍遷示例[15].在躍遷過程中,主要基于最小變更原則,即當(dāng)前后兩次決策模式效用值相差不大,不超過一定閾值時,不進行決策模式的躍遷, 從而保持有人/無人機決策模式的總體穩(wěn)定.

圖12 決策模式躍遷示例Fig.12 Example of decision-making mode transition

4.2 輔助決策技術(shù)

輔助決策系統(tǒng)為有人機指揮員實施有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)決策提供支撐, 其核心是輔助指揮員進行作戰(zhàn)態(tài)勢認知理解的基礎(chǔ)上,進行編隊組織、任務(wù)分配和攻擊決策等.

輔助決策系統(tǒng)由人工認知單元(Artificia Cognitive Unit, ACU)、自解釋模塊(Self Explanatory Module,SEM)、數(shù)據(jù)庫(Data Base,DB)、知識庫(Knowledge Base,KB)、模型庫(Model Base,MB)和方法庫(Solution Base,SB)等組成[16].

如圖13 所示,為輔助決策系統(tǒng)模塊.ACU 模塊主要完成自動化系統(tǒng)自主決策以及決策結(jié)果交互,SEM 模塊將輔助決策系統(tǒng)對于無人機的C2 協(xié)同行為解釋為指揮員可理解及可信行為,DB 模塊存儲各類決策信息,KB 模塊存儲各類專家知識,MB 模塊存儲各項可量化決策內(nèi)容的決策模型,SB 模塊存儲求解決策模型的各類決策方法.

圖13 輔助決策系統(tǒng)模塊Fig.13 Assistant decision-making system module

4.3 人機協(xié)同技術(shù)

在有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)C2 系統(tǒng)設(shè)計中,需要提供一定技術(shù)手段,采用人機協(xié)同技術(shù),實現(xiàn)人機智能融合.

圖14 是以對敵方目標(biāo)攻擊行動為例下的人機協(xié)同架構(gòu).該架構(gòu)中,無人機層面主要進行信息匯聚和決策推理,信息匯聚是對本地狀態(tài)信息、外部環(huán)境信息和攻擊目標(biāo)信息進行收集和處理; 決策推理是基于各類信息進行態(tài)勢推理, 主要包括攻擊優(yōu)勢評估和威脅程度評估, 并生成最終自主攻擊決策結(jié)果;有人機層面是指揮員在智能輔助決策分系統(tǒng)輔助決策下,實現(xiàn)對無人機的監(jiān)督控制.通過無人機自主決策和有人機(指揮員)監(jiān)督控制,實現(xiàn)人機決策交互.

圖14 人機協(xié)同架構(gòu)Fig.14 Human-machine collaborative architecture

由于人機決策優(yōu)勢和特點的不同, 要求人機采用不同的決策機制.在對敵方作戰(zhàn)目標(biāo)攻擊過程中,無人機主要采用推理(如混合模糊認知圖) 方法, 進行目標(biāo)攻擊自主決策,包括武器檢測和態(tài)勢估計2 個模塊.

如圖15 所示, 為無人機攻擊決策推理示意圖.在武器檢測模塊,主要是根據(jù)武器動力狀態(tài)、武器火控狀態(tài)、武器制導(dǎo)狀態(tài)和武器戰(zhàn)斗部狀態(tài)等掛載狀態(tài),生成攻擊條件狀態(tài),并作為態(tài)勢估計模塊的輸入;在態(tài)勢估計模塊,由天氣情況、地形情況、電磁環(huán)境情況、目標(biāo)雷達狀態(tài)、目標(biāo)防護能力、相對速度優(yōu)勢和相對距離優(yōu)勢推理生成我方攻擊優(yōu)勢, 由天氣情況、地形情況、目標(biāo)雷達狀態(tài)和目標(biāo)防護能力推理生成敵方威脅程度, 并基于我方攻擊優(yōu)勢和敵方威脅程度推理生成態(tài)勢綜合值.

圖15 無人機攻擊決策推理Fig.15 UAV attack reasoning

當(dāng)無人機由于自主性水平差異出現(xiàn)決策困難狀態(tài)時,則由有人機(指揮員)進行干預(yù),主要包括知識干預(yù)和推理干預(yù)兩種, 干預(yù)強度依次增強.如圖16所示,為有人機(指揮員)干預(yù)轉(zhuǎn)進策略.

圖16 干預(yù)轉(zhuǎn)進策略Fig.16 Intervention transfer strategy

該策略中, 首先進行數(shù)據(jù)更新并判斷是否需要干預(yù), 若是, 則進行知識干預(yù)并判斷干預(yù)效果, 若未達到干預(yù)效果, 則進行推理干預(yù).具體而言, 知識干預(yù)是指對決策門限進行調(diào)整, 推理干預(yù)是指改變?nèi)藱C協(xié)同方式,指揮員收回決策權(quán),根據(jù)作戰(zhàn)智慧和經(jīng)驗,修正無人機決策結(jié)果或直接給出決策結(jié)果.

5 協(xié)同作戰(zhàn)C2 系統(tǒng)技術(shù)研究展望

1)構(gòu)建有人/無人機知識服務(wù)體系

知識更加貼近決策和行動, 其作用是實現(xiàn)信息與決策、行動的交聯(lián),促進個體認知水平提高和群體認知趨同,并有效提高智能C2 水平.下一步需要構(gòu)建有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)知識分類體系,對領(lǐng)域知識進行建模表示,建立知識服務(wù)運作機制[17].

2)實現(xiàn)作戰(zhàn)單元變權(quán)限指揮控制

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)涉及到指揮中心對有人機和無人機編隊的指揮控制、有人機對無人機的指揮控制和無人機的自主控制等,要實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn),關(guān)鍵要解決控制權(quán)限在多個C2 單元之間無縫、連續(xù)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換和遷移,根據(jù)不同任務(wù)需求和C2 單元能力,實現(xiàn)變權(quán)限指揮控制.

3)引入指揮員決策人因因素影響

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)過程中, 指揮員負責(zé)對整個作戰(zhàn)編隊的監(jiān)督控制,對其態(tài)勢認知、決策要求較高, 系統(tǒng)需要適時監(jiān)督指揮員生理和心理狀態(tài)數(shù)據(jù),考慮指揮員決策習(xí)慣和偏好,引入指揮員人因因素,使得模型更加符合實際[18?19].