楊道錕，盧艷玲，張亞師，賈 碩，王振領(lǐng)

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

無(wú)人集群是以分布式協(xié)同控制和自組網(wǎng)技術(shù)為支撐的大規(guī)模低成本作戰(zhàn)系統(tǒng)，具有數(shù)量眾多、協(xié)同任務(wù)、協(xié)同探測(cè)、協(xié)同攻擊的特點(diǎn)，可極大提高單一無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的作戰(zhàn)效能，是顛覆未來(lái)作戰(zhàn)樣式的一種重要形式。隨著美國(guó)在2014年開(kāi)始開(kāi)展拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目[1]、小精靈項(xiàng)目[2]、進(jìn)攻性蜂群[3]項(xiàng)目后，英國(guó)、歐盟、俄羅斯等也相繼開(kāi)展了集群系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)多家研究所和高校也主要圍繞蜂群任務(wù)分配、編隊(duì)控制和航機(jī)規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展集群前沿課題研究。無(wú)人集群系統(tǒng)雖然具有較多優(yōu)勢(shì)，但也存在大規(guī)模自組網(wǎng)通信、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與規(guī)劃等網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)問(wèn)題。

1 無(wú)人集群網(wǎng)絡(luò)管理現(xiàn)狀分析

無(wú)人集群系統(tǒng)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，通常節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，例如美國(guó)捕食者無(wú)人機(jī)在出動(dòng)任務(wù)時(shí)一般采用4機(jī)編隊(duì)，而在美軍“阿爾法計(jì)劃”仿真演示中甚至使用了 100 架無(wú)人機(jī)[4]，大規(guī)模的無(wú)人機(jī)操控給地面操控人員帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，需要操控人員根據(jù)集群系統(tǒng)的自主情況，決定介入或者輔助控制集群系統(tǒng)管理。

美國(guó)DARPA在OFFSET項(xiàng)目[3]初稿中提出要發(fā)展蜂群戰(zhàn)術(shù)開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)及支撐性的開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，包括先進(jìn)的人-蜂群界面，讓用戶同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控和指揮數(shù)量龐大的蜂群無(wú)人平臺(tái)，并在項(xiàng)目第二階段中將人機(jī)協(xié)同交互合同授予凱斯西儲(chǔ)大學(xué)、查爾斯河分析公司和西北大學(xué),并在《美國(guó)空軍無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行計(jì)劃2009—2047》中提出一名操作人員將可以操控多架無(wú)人機(jī)實(shí)施“更加集中、更加持續(xù)、更具規(guī)?！钡募捍驌簦?2047 年完成 “觀察-判斷-決策-行動(dòng)”(OODA)回路的時(shí)間縮短為μs，甚至ns級(jí)。操作人員的作用也逐漸由“人在回路之內(nèi)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤叭嗽诨芈分稀钡健叭嗽诨芈分狻薄?/p>

國(guó)內(nèi)國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)提出了大規(guī)模無(wú)人機(jī)管理與控制是無(wú)人集群系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，需要研究空域、態(tài)勢(shì)、有人干預(yù)相結(jié)合的集群管理技術(shù)[4]；中國(guó)電子科學(xué)研究院在研究無(wú)人集群城市作戰(zhàn)情況下提出人機(jī)協(xié)同技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等方面的研究是無(wú)人集群作戰(zhàn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[5]。

文中通過(guò)研究無(wú)人集群系統(tǒng)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理，探討無(wú)人集群系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知和人機(jī)交互，為無(wú)人集群系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、集群協(xié)同偵察情報(bào)的高效展現(xiàn)，集群的高效控制提供思路。

2 自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)與無(wú)人集群系統(tǒng)的任務(wù)和功能緊密相關(guān)，具有無(wú)中心、自組織、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇勺儭⑷蝿?wù)執(zhí)行可調(diào)的特點(diǎn)[7-10]，通過(guò)借鑒典型無(wú)人機(jī)地面站的功能和配置[11-13]，提出網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)具有以下典型功能。

1)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控

能夠匯集無(wú)人集群系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和集群任務(wù)情況，實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)，提供任務(wù)全程的任務(wù)狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)關(guān)聯(lián)情況。

2)鏈路狀態(tài)監(jiān)控

根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的鏈路狀態(tài)，實(shí)時(shí)提供節(jié)點(diǎn)的完整鏈路狀態(tài)信息和整網(wǎng)鏈路情況，實(shí)時(shí)反映無(wú)人集群飛行任務(wù)的隊(duì)形、移動(dòng)性對(duì)鏈路穩(wěn)定性的影響，并給出相應(yīng)的告警信息，提醒操作人員關(guān)注節(jié)點(diǎn)的任務(wù)狀態(tài)。

3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)控

能夠結(jié)合網(wǎng)路狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、任務(wù)地圖，可視化展示網(wǎng)絡(luò)受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、地理環(huán)境、編隊(duì)環(huán)境的影響，為操作人員提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c任務(wù)的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

4)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理

根據(jù)任務(wù)需求預(yù)先規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)流量、時(shí)隙分配狀態(tài)，便于自組網(wǎng)快速部署，增加無(wú)人集群系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行速度和成功率。

5)全網(wǎng)信息管理

能夠通過(guò)實(shí)時(shí)記錄、分類、分析全網(wǎng)信息狀態(tài)，快速定位故障節(jié)點(diǎn)和故障原因，給無(wú)人集群系統(tǒng)的優(yōu)化、故障排除和任務(wù)臨時(shí)變更提供必要的全局?jǐn)?shù)據(jù)分析記錄手段。

6)全網(wǎng)應(yīng)急控制能力

在網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生意外時(shí)，能及時(shí)定位并采取緊急控制，將故障節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移出集群任務(wù)或設(shè)定獨(dú)特的任務(wù)要求，保證整個(gè)無(wú)人集群系統(tǒng)的正常工作，避免節(jié)點(diǎn)飛行異常導(dǎo)致的集群系統(tǒng)任務(wù)失敗。

7)隨機(jī)接入權(quán)限管理

由于自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理可以監(jiān)控、控制、記錄和分析無(wú)人集群下的網(wǎng)絡(luò)狀況、節(jié)點(diǎn)情況和任務(wù)執(zhí)行情況，因此需要嚴(yán)格管理操作網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)人員的權(quán)限，避免因誤操作或非法操作所導(dǎo)致的集群任務(wù)失敗情況，提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)管理能力。

3 自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成

自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要由通信管理、配置管理、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、鏈路狀態(tài)監(jiān)控、告警管理、日志管理、視頻管理、拓?fù)涔芾?、?yīng)急管理、用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)分析等功能模塊組成，如圖1所示。

圖1 自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)功能模塊組成

4 自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采用層次性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為前端界面、后端邏輯、接口通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等4層架構(gòu)。通過(guò)設(shè)置通信接口，信息流進(jìn)入到接口通信緩存中，后端邏輯對(duì)各端口緩存信息按照通信協(xié)議解析后生成相應(yīng)無(wú)人集群節(jié)點(diǎn)群/簇狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)鏈路狀態(tài)，從而產(chǎn)生相關(guān)的狀態(tài)展示圖和告警圖示，并根據(jù)相關(guān)操作完成數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

前端界面層是自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)將無(wú)人集群自組網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)直觀、有效的展示給操作人員。為了能夠?qū)?fù)雜繁多的無(wú)人集群網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有效展示出來(lái)，按照人類注意力機(jī)制，視覺(jué)的焦點(diǎn)集中在中心、標(biāo)簽等圖例上，視線移動(dòng)方向也傾向于左上-中間-左下-右下的方向，通過(guò)圖形變化、顏色變化吸引操作人員的視線方向。界面采用一致性原則，提示、菜單、按鍵采用相同的顏色、大小、字體等，并在每個(gè)操作序列中增加反饋信息。

為了滿足集群系統(tǒng)大規(guī)模無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)工作的情況，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)提供直觀的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和地圖拓?fù)鋱D相結(jié)合的方式，軟件默認(rèn)顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并允許用戶開(kāi)啟地圖拓?fù)鋱D模式，地圖拓?fù)鋱D是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D在地面界面上的疊加。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D采用簡(jiǎn)單的“點(diǎn)-線”模式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目梢暬ㄟ^(guò)實(shí)時(shí)解算集群系統(tǒng)的群內(nèi)狀態(tài)、群間狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，形成如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)自動(dòng)顯示并根據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)狀態(tài)形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)間連線將變?yōu)辄S色、紅色等警示色，示意當(dāng)前狀態(tài)異常。節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)時(shí)，拓?fù)鋱D實(shí)時(shí)更新，消除退網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)彈窗給操作人員提示。

為了清晰展示大規(guī)模集群節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)結(jié)合集群系統(tǒng)任務(wù)情況，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D按群劃分，每個(gè)群代表一個(gè)子任務(wù)，操作用戶根據(jù)子任務(wù)執(zhí)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)情況，并在任務(wù)結(jié)束后，將子任務(wù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D匯總，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

告警圖采用如圖3所示的統(tǒng)計(jì)方式將網(wǎng)絡(luò)中的基本狀態(tài)展現(xiàn)給操作人員，讓操作人員可以清晰的看到網(wǎng)絡(luò)總業(yè)務(wù)流量、全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化情況、各任務(wù)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，了解任務(wù)執(zhí)行中網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化趨勢(shì)，及時(shí)管理任務(wù)執(zhí)行。

圖3 網(wǎng)絡(luò)告警圖設(shè)計(jì)

后端邏輯主要通過(guò)C++完成，通過(guò)設(shè)置端口管理邏輯，完成拓?fù)鋱D生成、地圖加載、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)分析等操作。具體流程是協(xié)議解析模塊將通信接口中的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議解析，各模塊按照自身功能解析并分析、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將網(wǎng)絡(luò)變化信息、鏈路變化信息、告警數(shù)據(jù)發(fā)送至前端界面，更新前端界面顯示。后端邏輯操作的數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 后端邏輯設(shè)計(jì)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)4架實(shí)體旋翼無(wú)人機(jī)和操控軟件生成的虛擬無(wú)人機(jī)進(jìn)行軟件烤機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，網(wǎng)絡(luò)管理軟件能夠較好的為操作人員提供必要的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控和管理，并及時(shí)提供節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)異常和網(wǎng)絡(luò)丟失的情況。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)無(wú)人集群系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，研究了自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)具有的核心功能，并按照這些功能設(shè)計(jì)了一種無(wú)人集群項(xiàng)目的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控自組網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和飛行過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。通過(guò)該系統(tǒng)，操作人員從以往的單/雙節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理變成了128個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)管理的狀態(tài)，為無(wú)人集群系統(tǒng)的飛行任務(wù)提供良好的操作依據(jù)。