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、協(xié)同攻擊的特點，可極大提高單一無人機節(jié)點的作戰(zhàn)效能，是顛覆未來作戰(zhàn)樣式的一種重要形式。隨著美國在2014年開始開展拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)項目[1]、小精靈項目[2]、進(jìn)攻性蜂群[3]項目后，英國、歐盟、俄羅斯等也相繼開展了集群系統(tǒng)研究，國內(nèi)多家研究所和高校也主要圍繞蜂群任務(wù)分配、編隊控制和航機規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)開展集群前沿課題研究。無人集群系統(tǒng)雖然具有較多優(yōu)勢，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)問題。

1 無人集群網(wǎng)絡(luò)管理現(xiàn)狀分析

無人集群系統(tǒng)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時，通常節(jié)點數(shù)量眾多，例如美國捕食者無人機在出動任務(wù)時一般采用4機編隊，而在美軍“阿爾法計劃”仿真演示中甚至使用了 100 架無人機[4]，大規(guī)模的無人機操控給地面操控人員帶來了極大的挑戰(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DARPA在OFFSET項目[3]初稿中提出要發(fā)展蜂群戰(zhàn)術(shù)開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)及支撐性的開放系統(tǒng)架構(gòu)，包括先進(jìn)的人-蜂群界面，讓用戶同時實時監(jiān)控和指揮數(shù)量龐大的蜂群無人平臺，并在項目第二階段中將人機協(xié)同交互合同授予凱斯西儲大學(xué)、查爾斯河分析公司和西北大學(xué),并在《美國空軍無人機系統(tǒng)飛行計劃2009—2047》中提出一名操作人員將可以操控多架無人機實施“更加集中、更加持續(xù)、更具規(guī)模”的集群打擊，到 2047 年完成 “觀察-判斷-決策-行動”(OODA)回路的時間縮短為μs，甚至ns級。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>

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

文中通過研究無人集群系統(tǒng)自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理，探討無人集群系統(tǒng)實時狀態(tài)感知和人機交互，為無人集群系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、集群協(xié)同偵察情報的高效展現(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

自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)與無人集群系統(tǒng)的任務(wù)和功能緊密相關(guān)，具有無中心、自組織、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇勺?、任?wù)執(zhí)行可調(diào)的特點[7-10]，通過借鑒典型無人機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，實時展示系統(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)點間的鏈路狀態(tài)，實時提供節(jié)點的完整鏈路狀態(tài)信息和整網(wǎng)鏈路情況，實時反映無人集群飛行任務(wù)的隊形、移動性對鏈路穩(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)點移動、地理環(huán)境、編隊環(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、時隙分配狀態(tài)，便于自組網(wǎng)快速部署，增加無人集群系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行速度和成功率。

5)全網(wǎng)信息管理

能夠通過實時記錄、分類、分析全網(wǎng)信息狀態(tài)，快速定位故障節(jié)點和故障原因，給無人集群系統(tǒng)的優(yōu)化、故障排除和任務(wù)臨時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)點發(fā)生意外時，能及時定位并采取緊急控制，將故障節(jié)點轉(zhuǎn)移出集群任務(wù)或設(shè)定獨特的任務(wù)要求，保證整個無人集群系統(tǒng)的正常工作，避免節(jié)點飛行異常導(dǎo)致的集群系統(tǒng)任務(wù)失敗。

7)隨機接入權(quán)限管理

由于自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理可以監(jiān)控、控制、記錄和分析無人集群下的網(wǎng)絡(luò)狀況、節(jié)點情況和任務(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)涔芾怼?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

為了便于自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行擴展，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)采用層次性結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為前端界面、后端邏輯、接口通信、數(shù)據(jù)存儲等4層架構(gòu)。通過設(shè)置通信接口，信息流進(jìn)入到接口通信緩存中，后端邏輯對各端口緩存信息按照通信協(xié)議解析后生成相應(yīng)無人集群節(jié)點群/簇狀態(tài)和節(jié)點鏈路狀態(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)存儲功能。

前端界面層是自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的人機交互界面，負(fù)責(zé)將無人集群自組網(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)雜繁多的無人集群網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有效展示出來，按照人類注意力機制，視覺的焦點集中在中心、標(biāo)簽等圖例上，視線移動方向也傾向于左上-中間-左下-右下的方向，通過圖形變化、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)模無人機節(jié)點工作的情況，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采用簡單的“點-線”模式實現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目梢暬ㄟ^實時解算集群系統(tǒng)的群內(nèi)狀態(tài)、群間狀態(tài)、節(jié)點狀態(tài)，形成如圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。節(jié)點在網(wǎng)時，該節(jié)點自動顯示并根據(jù)與其他節(jié)點狀態(tài)形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若節(jié)點與其他節(jié)點狀態(tài)變化時，節(jié)點間連線將變?yōu)辄S色、紅色等警示色，示意當(dāng)前狀態(tài)異常。節(jié)點退網(wǎng)時，拓?fù)鋱D實時更新，消除退網(wǎng)節(jié)點，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過彈窗給操作人員提示。

為了清晰展示大規(guī)模集群節(jié)點，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，每個群代表一個子任務(wù)，操作用戶根據(jù)子任務(wù)執(zhí)行情況實時監(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)點狀態(tài)變化情況、各任務(wù)中節(jié)點狀態(tài)，了解任務(wù)執(zhí)行中網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化趨勢，及時管理任務(wù)執(zhí)行。

圖3 網(wǎng)絡(luò)告警圖設(shè)計

后端邏輯主要通過C++完成，通過設(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、存儲數(shù)據(jù)，并實時將網(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

5 試驗驗證

通過4架實體旋翼無人機和操控軟件生成的虛擬無人機進(jìn)行軟件烤機試驗，試驗結(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，并及時提供節(jié)點網(wǎng)絡(luò)異常和網(wǎng)絡(luò)丟失的情況。

表1 試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

依據(jù)無人集群系統(tǒng)的工作特點，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)計了一種無人集群項目的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控自組網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和飛行過程中各節(jié)點狀態(tài)。通過該系統(tǒng)，操作人員從以往的單/雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)管理變成了128個節(jié)點同時管理的狀態(tài)，為無人集群系統(tǒng)的飛行任務(wù)提供良好的操作依據(jù)。