中国指挥与控制学会会刊 
无人机蜂群是利用陆基、海基或空基等平台搭载的大量低成本、多载荷小型无人机,在预定区域释放或发射后形成的具备功能分布、自主协同和集群智能等典型特征的无人机机群。无人机蜂群可通过态势感知和无线网络实现集群态势共享,具备编队飞行、航路规划、目标分配等自主控制和决策功能,能够遂行侦察引导、诱骗干扰、协同攻击等多种作战任务[1,2,3]。
当前无人机装备建设已进入快速发展阶段,对无人机蜂群作战的建模与仿真研究是开展无人机蜂群作战实验、创新无人机蜂群作战理论的重要支撑。目前对无人机蜂群的建模仿真研究重点集中在算法研究和技术开发层面,包括航路规划、任务分配、编队控制、集群协同避障等[1,4-7],国内外对于无人机蜂群作战运用的建模仿真还比较少。建立无人机蜂群作战仿真模型及实验系统,首先要对无人机蜂群作战行动进行详细的过程论证和概念分析,以便研究人员从中提取无人机蜂群作战系统的结构、功能以及行为等关键要素和特征,并根据各要素之间的相互关系对其进行精确描述,从而形成军事人员和建模仿真人员都能够理解和认可的概念知识体,为构建无人机蜂群作战仿真模型及系统奠定基础。
1 概念模型建模方法
军事概念模型是对现实世界军事活动的第一次抽象,是军事人员和系统分析人员根据作战仿真系统的建设目标和应用范围等对各类军事实体、任务、行动、交战、指挥控制和作战环境等军事活动要素的结构化的规范描述,是数学逻辑模型建立的依据,也是仿真模型以及作战仿真系统的校核、验证和确认(VV&A)的参照。概念建模方法包括对使命空间进行概念分析的方法以及将分析所得信息进行描述的方法,概念分析侧重于思维,概念描述侧重于形式。概念模型通常用形式化的语言来描述。目前按照概念模型描述来分类时,概念建模方法可分为两类[2]:1)基于过程的概念建模方法,采用分析事物客观活动规律的方式进行建模,如基于IDEF的概念建模方法、基于XML的概念建模方法等;2)基于实体的概念建模方法,采用面向对象分析的方法进行设计,如基于UML的概念建模方法等。
无人机蜂群作为新质作战力量具有功能分布、自主协同以及集群智能等新特点,使得无人蜂群相比于简单无人机编队,其技术机理和作战运用方法发生了重大变化,因此,现有建模方法难以准确描述无人机蜂群的作战行动。对无人机蜂群作战行动建模需要进一步考虑以下需求:一是如何描述单无人机平台的个体行为,包括局部感知、自主导航、路径跟踪、自主避障碍等个体行为能力;二是如何描述无人机蜂群的群智行为,包括信息共享、信息融合、协同攻击、任务规划、航路规划、飞行编队自主控制等群体行为能力;三是如何描述无人机蜂群的内外部交互关系,通常包括内外部两种关系:1)蜂群外部交互关系,即蜂群指控中心、任务蜂群和目标等作战实体之间的交互关系,2)蜂群内部不同功能个体之间的网络交互关系。为支撑对抗条件下无人机蜂群作战的建模与仿真,本文在实体行为网络交互(EBNI:Entity Behavior Network Interaction)建模框架[3]的基础上,以无人机蜂群对海作战任务为例,建立了无人机蜂群对海作战军事概念模型。
2 基于EBNI的无人机蜂群对海作战概念模型
2.1 实体描述
军事概念模型中的实体是指参与作战行动的装备、人员以及组织等。每类实体都有不同的属性,主要用于描述实体状态的变化。实体属性既可以继承自实体的父类,也可以是自己独有。根据无人机蜂群作战运用仿真的目标和要求,将无人机蜂群对海作战作为军事概念建模的用例,确定了无人机蜂群对海作战中实体描述的颗粒度。参与这一过程的实体包括运载平台、单无人机平台、无人机蜂群、无人机蜂群指控中心、无人机蜂群网络以及实施反无人机蜂群作战的水面舰艇等实体,在无人机蜂群对海作战过程中,这6类实体主要描述和任务清单如下:
运载平台实体:主要描述发射、释放或回收无人机的运载平台属性,运载平台可以是运输机、驱护舰、战斗机或潜艇等。
单无人机实体:主要描述作为蜂群基本组成单元的无人机个体的属性,可基于无人机装备的战技术参数指标视角建立无人机个体属性模型。鉴于目前无人机蜂群装备的发展现状,无人机通常是小型且载荷有限,不能同时携带雷达、通信、电子战、武器弹药等多类载荷系统,因此在对海作战任务中根据无人机载荷不同,单无人机分为侦察引导、干扰诱骗、对舰打击。
无人机蜂群实体:描述作为整体的无人机蜂群的属性,主要说明无人机蜂群内部个体成员间的层次关系和指挥协同关系,为构建无人机蜂群属性模型、无人机蜂群队形模型以及执行不同任务的无人机蜂群间的关联关系等模型提供支撑。由于受通信范围和个体作战能力限制,蜂群中的无人机个体并非两两均构成联系,而是存在一定的等级关系。因此在无人机蜂群对海作战概念模型描述中,无人机蜂群分为指控节点和协同节点。指控节点可对一定范围内的无人机蜂群进行指挥控制,其有效通信范围的其他无人机个体设置为协同节点;同时为避免单个指控节点损失或失效造成其他协同节点失能,蜂群中单个节点的指控或协调角色可根据任务需要和通信状态灵活设置。为描述无人机蜂群的集群运动、实时避障等群智行为,在无人机蜂群实体中可设置引领节点和跟随节点等属性的描述,为构建无人机编队飞行控制算法提供支持。
无人机蜂群指控中心实体:主要描述无人机蜂群控制中心的相关属性,主要通过卫星或数据链通信链路以及导航定位系统实现对蜂群的指挥与控制。
无人机蜂群网络实体:主要描述无人机蜂群之间的自组织网络拓扑结构的属性以及在对抗过程中由蜂群自适应行为导致的网络结构的变化,为蜂群行为建模提供支持,是网络空间的虚拟实体。
水面舰艇实体:主要描述水面舰艇的机动能力、探测能力、电磁能力、各类武器的使用效能、毁伤以及抗毁伤能力。
2.2 行为描述
军事概念模型中,行为包括实体可以执行的任务、动作或任务过程,也称行动。行动通常有明确目标,由某个实体执行且有一定的时间跨度。行为模型主要描述行为的触发条件、结束条件以及行为执行主客体的属性和状态的变化过程。对无人机蜂群作战行动进行建模,首先需要对无人机蜂群作战行动过程进行描述,此处以无人机蜂群对海作战行动为例进行分析和描述。无人机蜂群对海作战行动建模如图1 所示。
1)无人机蜂群对海作战行动流程
① 无人机蜂群形成。运载平台在安全区域发射无人机,无人机在空中预定区域集结编队,形成无人机蜂群。无人机蜂群通过卫星或数据链通信网络与蜂群控制站建立连接,蜂群内部则通过自组织网络建立内部连接。蜂群控制站根据目标任务、无人机载荷情况等对蜂群进行任务分配、航路规划等。对海作战任务描述中将无人机蜂群根据任务不同分为侦察引导、干扰诱骗、对舰打击等3类无人机蜂群,航路规划和任务分配完毕后,无人机蜂群向目标区机动。
② 侦察识别。负责侦察引导任务的无人机蜂群携带雷达、红外和光电等侦察探测设备,在具有无人机蜂群指控能力的有人机或无人机的指挥与控制下,对预警机难以识别的远距离水面目标实施抵近侦察,每架无人机可将侦察探测的目标信息通过蜂群网络进行汇聚、融合、识别和处理,形成战场目标态势。
③ 欺骗干扰。负责欺骗干扰的无人机携带电子侦察和干扰设备,在具有无人机蜂群指控能力的有人机或无人机的指挥与控制下,模拟有人机的信号特征,诱导敌水面舰艇预警探测系统开机,暴露信号特征,同时吸引水面舰艇的防空火力,为后续兵力的突击行动提供支援。
④ 协同攻击。负责攻击舰艇的无人机可利用自身数量多、雷达红外特征弱的特点,在具有无人机蜂群指控能力的有人机或无人机的指挥与控制下,携带多种类型的武器弹药,从多个方向对水面舰艇实施饱和攻击,主要对水面舰艇的雷达、通信、武器、舰岛等舰面重要设备设施和人员实施打击,降低其作战能力,为后续兵力的补充打击提供支持。
⑤ 打击效果评估。攻击无人机群对舰打击完成后,侦察无人机群可抵近水面舰艇进行侦察,查明目标毁伤情况,无人机蜂群控制站可根据目标毁伤情况组织二次打击。
⑥ 无人机蜂群返航和回收。对舰打击完成后幸存的无人机组成新的无人机蜂群,根据导航信息向运载平台所在的安全区域机动,在机动过程中可实时根据敌情威胁以及障碍物情况实施规避机动,到达安全区后由运载平台进行回收。
2)水面舰艇拦截无人机蜂群作战流程
鉴于单架无人机的雷达反射截面积小、红外特征较弱,水面舰艇的预警探测系统难以发现,待发现无人机时已无法使用防空导弹对其实施拦截,仅可使用密集阵武器系统和电子战系统对无人机进行软硬杀伤。舰载预警探测系统负责对空中目标搜索、跟踪和识别,将目标数据传递给指挥决策系统。指挥决策系统负责确定敌目标数量、优先级,创建舰艇周边威胁目标态势。作战人员根据目标态势定下交战决心,将交战命令、目标优先级传递给相应的武器控制系统,其根据收到的交战命令、目标优先级对目标实施打击。
2.3 动作模型
动作是实体所具备的能力或功能属性,是实体基本和最底层的行为要素。根据抽象等级不同,行动可以逐层分解直至将高层抽象行为分解为具体动作,这通常是由建模仿真目标决定的。在无人机蜂群对海作战建模中,针对实体的描述建立相应的动作模型列表,如表1 所示。
表1 实体动作列表 |
| 实体类别 | 动作 |
|---|---|
| 运载平台 | 发射/释放 |
| 回收 | |
| 无人机蜂群指控中心 | 任务分配 |
| 航路规划 | |
| 单无人机平台 | 机动(航向调整/速度调整/高度调整/跟随等) |
| 侦察探测(传感器开关、监视范围设置等) | |
| 导航定位 | |
| 目标分发/上报(指控/协作节点) | |
| 电子干扰/欺骗 | |
| 攻击目标 | |
| 自主躲避威胁/障碍 | |
| 无人机蜂群 | 队形控制 |
| 成员管理(加入/退出/调整) | |
| 节点设置(指控节点/协作节点) | |
| 节点设置(引领节点/跟随节点) | |
| 目标分配 | |
| 航路规划 | |
| 无人机蜂群网络 | 网络拓扑结构管理 |
| 链路状态管理 | |
| 吞吐量查询 | |
| 服务速率查询 | |
| 水面舰艇 | 机动(航向调整/速度调整/计划航线等) |
| 侦察探测(传感器开关、侦察范围设置等) | |
| 电子干扰/欺骗 | |
| 对空攻击 | |
| 对舰/地攻击 | |
| 密集阵/火炮攻击 |
2.4 网络化交互模型
交互即实体相互作用的效果,主要描述实体在完成行为的过程中对其他相关实体产生的作用结果,这些效果反映了实体对象属性和状态的变化。由于无人机蜂群相比于传统无人机编队具备自主协同和自适应行为能力,如在对抗过程中某无人机节点被毁伤或通信中断,蜂群内部网络结构的变化可能会导致蜂群节点基于自组织网络的指控关系和协同关系发生变化,为刻画蜂群的自适应行为能力需要针对蜂群内部网络化交互进行建模(如图2 );同时无人机蜂群在完成对海作战任务过程中,无人机蜂群作战系统作为整体与目标实体发生的交互也是概念模型需要重点描述的内容。
1)蜂群内部网络化交互
为准确描述无人机蜂群的自适应和群智特征,需要对蜂群内部的网络交互加以描述。对海作战任务描述中将无人机蜂群根据任务不同分为侦察引导、干扰诱骗、对舰打击等3类无人机蜂群,每类无人蜂群中都配置了多个不同类型的网络。在无人机蜂群内部,指控节点与其通信范围内的其他协调节点组成指控网络,主要保障指控节点和协调节点之间传递和共享目标融合信息、任务分配等相关信息;各协调节点之间构成对等通信网络,可在协同节点之间共享定位信息、局部感知等信息。根据蜂群任务的不同,侦察引导蜂群、干扰欺骗蜂群以及协同打击蜂群中的指控节点和无人机蜂群控制中心形成较大空间范围内的指挥控制网络,主要传递目标信息、航路规划以及任务分配等信息。
2)蜂群外部交互
为描述无人机蜂群对海作战过程中的外部交互,建立无人机对海作战运用仿真模型及系统开展无人机蜂群作战概念验证以及装备作战运用研究,建立无人机蜂群对海作战交互示意如图3 所示。通过定义无人机蜂群指控中心、无人机运载平台、无人机蜂群指控节点、任务蜂群和水面舰艇目标等5类作战实体间带有顺序和时间属性的交互示意图,动态描述“成功完成一次无人机蜂群对海作战任务”所要完成的作战活动及外部交互。
3 结束语
军事概念模型将军事行动描述成军事、建模仿真等各领域人员容易理解、易用、结构化和规范化的信息,能够为军事领域专家和系统开发人员提供沟通的桥梁。EBNI建模方法是对传统概念建模的方法的扩展,对无人机蜂群作战的概念建模有一定的优势。本文以无人机蜂群对海作战任务为例,基于EBNI的概念建模方法对无人机蜂群对海作战行动进行了详细描述,对于无人机蜂群对海作战行动的具体任务、作战实体以及在行动过程中产生的各类动作和交互进行了详细描述,建立了无人机蜂群对海作战概念模型。模型为无人机蜂群作战仿真模型和系统的研究打下了基础,使得军事和建模仿真等不同领域的人员能够对无人机蜂群作战仿真的理解和认识达成一致。随着无人机蜂群装备的不断发展,无人机蜂群作战运用的研究必将逐渐走向深入,下一步将针对无人机蜂群作战建模的算法和数据需求进行深入研究。