王 勇,王 聘，李關防,孫之光

(1.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061；2.海軍裝備部連云港地區(qū)軍事代表室，江蘇 連云港 222061)

當前及今后一段時期,我國國家安全威脅主要來自海上，不僅要應對主要方向的軍事威脅,還要應對東海、南海和其他戰(zhàn)略方向的連鎖反應,更重要的是應對美國的遏制和圍堵。在國家“建設海洋強國”戰(zhàn)略背景下,提升我海上攻防作戰(zhàn)對抗能力和水平,已成為海上軍事發(fā)展的迫切需求。

正如20世紀80年代遠程精確打擊裝備引發(fā)火力打擊方式變革一樣,隨著無人作戰(zhàn)登上人類戰(zhàn)爭的舞臺,無人系統(tǒng)協同作戰(zhàn)也必將引發(fā)軍事領域的深刻變革,推動世界新軍事革命向縱深發(fā)展。無人潛航器、水下無人預置平臺、無人水面艇、艦載無人機等通過遙控操縱或自主運行的航行器,與任務載荷、數據鏈和控制基站等組成無人系統(tǒng),具有作戰(zhàn)人員零傷亡，機動性能高，作戰(zhàn)持續(xù)能力強，全壽命周期成本低等特點,能夠替代有人系統(tǒng)執(zhí)行“遠程、高危、大規(guī)模、低烈度、長時、枯燥”等特點的任務。經過幾十年發(fā)展,海上無人系統(tǒng)種類逐漸增多,可執(zhí)行任務不斷拓展,已經逐步從執(zhí)行情偵監(jiān)(ISR)任務拓展為執(zhí)行電子對抗、察打一體任務,并正在向執(zhí)行無人僚機/艇/器自主打擊、集群協同跨域攻防等復雜任務能力發(fā)展。

無人系統(tǒng)在一定自主性的基礎上,結合各類海上無人裝備的不同性能特點,通過與有人艦艇或岸基的協同,可構成性能強大、效費比高的有機作戰(zhàn)體系。該體系具有以下3方面優(yōu)勢。

1)分布式協同優(yōu)勢:將單個有人艦艇的各項功能,如偵察監(jiān)視、電子干擾、打擊與評估等能力“化整為零”,分散到大量低成本、功能受限的無人作戰(zhàn)平臺,通過大量異構、異型的個體實現原本復雜的系統(tǒng)功能,基于有人艦艇相關系統(tǒng)能力和指揮員智慧,實現有人/無人協同系統(tǒng)相對個體指數級的效能倍增。

2)系統(tǒng)健壯抗毀性:去中心化的海上集群利用自組網技術可實現海上有人/無人集群之間信息的共享,提高集群的抗故障與自愈能力。集群能夠監(jiān)控已建立的鏈接,具備應對意外中斷的自動恢復、擁塞處理和沖突應對能力。在對抗過程中,當部分個體失去作戰(zhàn)能力時,整個體系仍具有一定完整性,可繼續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務。

3)對抗交換比更高:根據戰(zhàn)爭理論中的蘭切斯特方程,體系效能正比于個體效能一次方與個體數量平方的積,因此,低成本的無人系統(tǒng)集群能夠實現更大的對敵優(yōu)勢,比傳統(tǒng)艦艇武器系統(tǒng)具有更高的效費比。海上無人集群協同有人艦艇協同作戰(zhàn)時,敵方應對大量低成本的無人系統(tǒng)個體需要消耗數十倍，甚至上百倍的成本來進行防御,這將在戰(zhàn)爭中為我方有人艦艇帶來顯著的成本優(yōu)勢和能力優(yōu)勢。

1 無人集群與有人協同作戰(zhàn)運用

在作戰(zhàn)運用層面,執(zhí)行海上高烈度作戰(zhàn)任務的海上無人集群與有人艦艇的協同,可初步分為戰(zhàn)役機動協同、戰(zhàn)術機動協同、指控保障協同、感知通導保障協同、作戰(zhàn)綜合保障協同5個方面。

1)戰(zhàn)役機動協同

無人機、中小型水面無人艇和無人潛航器的航程、續(xù)航時間不足,利用有人艦艇續(xù)航力優(yōu)勢對其進行搭載,可實現無人裝備的超極限航程戰(zhàn)役機動。自航出動的大型/超大型無人潛航器,相對有人艦艇，在遠程奔襲中航速過低,可采用預先出動部署實現其與有人艦艇在戰(zhàn)區(qū)抵達時空匹配。超大型無人僚艦可以長期伴隨水面艦艇編隊遠程突擊,支持遠海持續(xù)有人/無人作戰(zhàn)協同。

2)戰(zhàn)術機動協同

無人裝備和有人艦艇在任務海區(qū),展開戰(zhàn)斗編組,需要通過交戰(zhàn)戰(zhàn)術機動協同,以分布式機動實現最大化“保存和隱蔽自己,發(fā)現和消滅敵人”的作戰(zhàn)對抗效能,主要包括有人艦艇/無人裝備編組的分布式搜索效能、分布式防御效能、分布式殺傷效能等。

3)感知通導保障協同

綜合運用有人艦艇和無人裝備的分布式跨域機動協同、傳感器工作狀態(tài)協同、信號相參協同、信息配準協同等方式,可實現有人艦艇/無人裝備編組的廣域持續(xù)戰(zhàn)場感知和快速準確認知,以及有人艦艇等核心節(jié)點的“低-零功耗”探測隱蔽。通過有人艦艇/無人裝備編組動態(tài)組網通信協同、復雜環(huán)境集群相對導航協同等方式,可實現有人艦艇/無人裝備編組適應高烈度復雜戰(zhàn)場環(huán)境通信導航需求。

4)指控保障協同

在未來可預見的時期,執(zhí)行海上高烈度作戰(zhàn)任務的無人裝備將始終以有人艦艇為指控信息保障中心,海上無人裝備不斷提高行動自動化和智能化程度,但在核心的戰(zhàn)場綜合態(tài)勢深度感知理解、復雜環(huán)境交戰(zhàn)決策意志等方面將始終依賴有人艦艇。

5)作戰(zhàn)綜合保障

在遠海戰(zhàn)區(qū),有人艦艇可為無人僚艦/艇提供彈藥、油水氣電液等物質能量保障、檢測維修保障;未來，還可能出現無人補給艦,往返于基地與遠海戰(zhàn)區(qū),為執(zhí)行戰(zhàn)斗任務的有人艦艇和無人艦艇提供固體和液體物資補給。

通過以上5個方面的作戰(zhàn)運用協同,海上無人裝備可與有人艦艇實現異構多體分布式-認知信息物理協同,達到1+1>2的整體效費比正向非線性涌現。

2 國外海上無人系統(tǒng)發(fā)展路線

有人艦艇相關協同控制技術相對成熟,國外為有效達成有人/無人協同能力,立足無人集群自身特點,重點以有人/無人集群任務協同能力集成驗證為抓手,通過構建開放式集群協同控制框架,逐步驗證信息互通、行動協同等關鍵技術,在協同控制框架基礎上，不斷豐富應用新技術,促進有人/無人協同作戰(zhàn)能力的持續(xù)提升。

1)集群協同控制框架

早在2004年,美國海軍就已經結合美國國家航空局對火星探測器的研發(fā)成果開始開發(fā)“機器人感知系統(tǒng)控制體系架構(CARACaS)”。CARACaS采用開放式軟件體系,可根據作戰(zhàn)任務快速增加、減少、改變相關功能模塊,并通過標準化接口實現與其他無人平臺的互操作,有效地支持跨平臺資源共用、信息共享、優(yōu)勢互補能力,在應用層，CARACaS由行動控制、動態(tài)規(guī)劃、感知等三大模塊組成,如圖1所示。

圖1 CARACaS應用結構圖

此后,海軍研究署繼續(xù)對CARACaS進行完善,通過增加目標圖像數據庫和識別軟件,使水面無人艇具備目標自主識別能力;利用多目標決策理論構建艇間行為協調機制,實現協同決策。

2)信息互通設計

由于無人機發(fā)展領先于其他無人領域,美國和歐洲率先在無人機領域開展信息互聯互通設計工作,隨后將該系列標準推廣至無人地面車輛、無人潛航器、無人水面艇等無人系統(tǒng)。在研究方法上,先從頂層設計入手,優(yōu)先開展標準設計工作,隨后進行試驗驗證,并反饋使標準的版本迭代升級。

美國和歐洲在無人領域制定的關于互聯互通的標準主要為北約發(fā)布的標準化協議(STANAG 4586)和機動車工程師協會無人機系統(tǒng)工作組SAE AS-4發(fā)布的聯合無人系統(tǒng)體系結構(JAUS)系列標準。

STANAG 4586定義了適應作戰(zhàn)需求的互操作等級(LOI)以及無人機地面控制系統(tǒng)的體系結構、接口、通信協議、數據源和消息格式,同時還明確了要求采用的其他北約標準,如成像系統(tǒng)可互操作數據鏈標準(STANAG 7085)以及與機上有效載荷有關的數字傳感器數據標準(STANAG 7023,4545,4607,4609)等。

JAUS定義了一種模塊化、松耦合、可擴展的體系結構,以及一組與具體應用無關、可重用的構件和服務,同時規(guī)定了進行內部和外部通信的標準接口消息,從而使符合JAUS的無人系統(tǒng)具備互操作能力。

3)行動協同控制技術

無人集群在行動過程中既要能使每個無人平臺都能進入集群中,又要使無人平臺之間保持一定的距離和隊形結構。每一個無人平臺既要能有一定的自主行動能力,又要保持多個無人平臺之間的協同工作。對于整個無人集群系統(tǒng)來說,既要能在運動中保持穩(wěn)定,根據任務需求實現集群的隊形調整,又能夠根據戰(zhàn)場復雜情況實現集群飛行中的防撞、規(guī)避、重規(guī)劃等。因此,無人集群的行為可看成向目標區(qū)域運動,隊形的集結、保持和重構,防撞與規(guī)避三個子行為。

在行動協同控制方面,國外軍事發(fā)達國家無論是在理論層面,還是在技術驗證層面,在無人機群、無人艇群均采用了大量仿真和真實飛行/航行試驗進行驗證,取得了巨大成果,具備工程應用條件。

美國海軍針對無人艇特性,借鑒了多智能體協同控制方法,研發(fā)了艇群系統(tǒng)行動控制模塊(CAMPOUT),該模塊融合了多類控制結構,能夠實現對多個機器人的控制。該模塊嵌入在艇群系統(tǒng)的CARACaS中,經過兩次艇群試驗,艇群行動協同控制算法具有很高的技術成熟度,具備工程化條件。

4)作戰(zhàn)使用驗證

為盡快搶得先機,在預算有保障的條件下讓美國國防部盡快實現無人作戰(zhàn)能力,美國海軍和美國海軍陸戰(zhàn)隊使用了經過驗證的并且真實有效的項目開發(fā)措施,比如，美國海軍少將韋恩·E·梅耶在美國海軍宙斯盾項目中建立的理念——“建造一點,測試一點,學到很多”?；谶@個理念,美國不間斷開展關鍵技術研究和試驗驗證,成立了無人試驗部隊,開展無人裝備使用工作。

2021年9月8日,美國海軍宣布成立第59特遣隊,這是一個新的特遣隊,將有人系統(tǒng)與無人系統(tǒng)和人工智能相結合,用于美國海軍第5艦隊作戰(zhàn)區(qū)域或美國海軍中央司令部的海上行動區(qū)。第59特遣隊的目標是在海上作戰(zhàn)環(huán)境中使用無人空中、海上和水下系統(tǒng),為中央司令部測試、整合、學習經驗教訓并練習裝備部署和作戰(zhàn)戰(zhàn)術。

3 有人/無人集群協同指揮控制能力需求

未來智能海上有人/無人集群一定是由多個有人艦艇、無人平臺組成,以協同指揮信息網絡為支撐,以集群智能算法和相關裝備為核心,形成的低成本、分布式、自協同、高彈性的作戰(zhàn)體系。為適應分布式協同作戰(zhàn)、“馬賽克戰(zhàn)”等新對抗方式,集群系統(tǒng)需具備指控關系彈性可變，兵力運用靈活可變，戰(zhàn)術組合智能可變，任務能力動態(tài)可變，信息服務按需可變等典型能力特征?；谝陨衔磥頍o人集群系統(tǒng)的能力特征,海上無人集群有人/無人協同控制必須具有如下能力特征。

1)體系兼容,無縫融入有人艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)

無人集群系統(tǒng)在作戰(zhàn)運用層面,可與有人艦艇完成戰(zhàn)役機動協同、戰(zhàn)術機動協同、指控保障協同、感知通導保障協同、作戰(zhàn)綜合保障協同等多個方面,無人集群必須融入有人艦艇的作戰(zhàn)系統(tǒng)。

無人集群作戰(zhàn)指揮融入有人作戰(zhàn)指揮包含兩個方面含義:一方面是無人集群指揮控制系統(tǒng)必須按照有人艦艇作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)設計規(guī)范開展設計,同時必須采用模塊化設計,能夠以功能服務形式加載到有人艦艇作戰(zhàn)指揮中,或以獨立功能服務形式嵌入在有人臺位中；另一方面是有人和無人裝備無縫共享戰(zhàn)場態(tài)勢信息,無人裝備利用自身優(yōu)勢,能夠隱蔽前出,使艦艇編隊看得更遠,有人裝備提供戰(zhàn)場綜合態(tài)勢的深度感知理解和復雜環(huán)境的戰(zhàn)場決策,兩者相輔相成構成態(tài)勢準確、決策清晰的戰(zhàn)場態(tài)勢。

2)架構開放,支持任務和隊形靈活重構

無人集群通過配屬不同無人平臺和載荷,可以遂行偵察、驅離、打擊等多種任務,或者根據任務場景不同,能夠變換成“一”字形、菱形、三角形等多個隊形,或者在有平臺故障或失能情況下,能夠動態(tài)調整加入和退出平臺節(jié)點,保持任務的健壯性以及兵力運用的靈活性。

集群指揮控制系統(tǒng)必須具有自組網通信以及通信管理能力,能夠支撐平臺通信節(jié)點的自主加入與退出,對集群內多種通信手段和通信鏈路進行管理。對于指揮控制功能,必須具有分布式作戰(zhàn)指揮能力,編組指揮控制節(jié)點動態(tài)可變。

3)以智賦能,支持群體智能持續(xù)涌現

無人與智能具有先天結合性,無人系統(tǒng)要形成戰(zhàn)斗能力,必須具有智能?；凇爸悄?”理念,在無人集群系統(tǒng)的態(tài)勢感知、指揮決策方面,必須運用人工智能技術,形成無人集群智能協同態(tài)勢認知、智能臨機決策等能力,提升無人集群作戰(zhàn)態(tài)勢感知與構建的清晰度、準確度、可信度,強化重規(guī)劃決策的高效性、實時性和環(huán)境適應性,支撐集群群體強對抗環(huán)境下的智能作戰(zhàn)能力生成,同時智能算法須具備學習能力,通過仿真訓練或實戰(zhàn)推演的數據能夠反饋進無人集群系統(tǒng),通過智能算法的學習能力和反饋的數據,實現集群指揮控制能力的再提升,支撐無人集群作戰(zhàn)能力持續(xù)升級。

4 海上有人/無人協同控制架構設計與部署

1)有人/無人協同控制架構設計

按照“開放式、服務化、智能化”的發(fā)展理念,以海上無人集群裝備“進體系”“能演進”為目標,設計“云邊一體”的海上無人集群有人/無人協同控制架構,構筑無人集群群體智能能力生成生態(tài),具備異構無人艇平臺靈活編組，復雜作戰(zhàn)任務動態(tài)適應，任務載荷和功能服務“即插即用”，集群系統(tǒng)快速重構的能力,支持單無人系統(tǒng)自主和集群智能算法的持續(xù)演進和迭代升級,提升集群系統(tǒng)信息靈活共享、要素級協同控制和集成優(yōu)化水平,以及系統(tǒng)健壯抗毀能力，如圖2所示。

圖2 “云邊一體”的海上無人集群有人/無人協同控制架構

該架構以有人岸基/艦載指揮中心構建無人集群中心云,集成無人集群指揮、無人系統(tǒng)遙控控制功能服務，通過集群自組網通信設備和相關功能服務,實現無人集群有中心指揮與分布式協同控制,能夠融入海上有人作戰(zhàn)體系?！爸行脑啤痹诓煌蝿针A段的作用略有差異:在任務初始階段,完成對無人集群的任務分配、全局作戰(zhàn)方案生成與調整、全局任務監(jiān)控與干預、重要信息顯示與管理、智能算法訓練演進及系統(tǒng)復盤推演等功能;在任務執(zhí)行過程中,局部形成對等協商和權重決策相結合的無人集群編組,組內成員角色和協同機制動態(tài)可調，功能服務按需啟用,編組自主形成編組態(tài)勢，實施臨機決策方案，實現編組協同控制。

在無人平臺“邊緣云”,按照可擴展、可升級等要求,基于統(tǒng)一的服務調度與集成標準,打破集群協同控制、單無人系統(tǒng)任務控制、航行控制等功能界面,解耦形成服務化的基礎功能構件,優(yōu)化控制流程，減少中間環(huán)節(jié),實現集群協同控制、單平臺任務控制、單平臺航行控制和傳感器探測數據處理等服務的自適應靈活調度,支持單平臺任務載荷即插即用,提升無人集群任務規(guī)劃和行動方案的響應速度和執(zhí)行效果。

2)功能部署

在開放式海上無人集群有人/無人協同控制架構支撐下,應用服務層全部部署在無人集群中心云,支撐服務層和基礎服務層在無人集群中心云、無人平臺“邊緣云”的部署存在一定的差異。

態(tài)勢顯示、人機交互、協同指揮、算法集智能演進等功能服務部署于岸基/有人艦艇無人集群中心云。編隊協同態(tài)勢感知、編組智能臨機決策、編組自主協同控制等服務部署在無人平臺“邊緣云”,編隊協同態(tài)勢感知負責完成多節(jié)點態(tài)勢融合與綜合識別,完成對編組內多個無人節(jié)點的局部態(tài)勢融合處理,生成全局協同態(tài)勢,在編組內各節(jié)點共享全局態(tài)勢信息。編組智能臨機決策負責在遇到突發(fā)狀況時對當前局勢進行判斷和決策,生成臨機行動計劃并分發(fā)給編組內各節(jié)點執(zhí)行。自主協同行動控制服務負責根據作戰(zhàn)任務執(zhí)行的當前階段和實時進度,完成集群編隊保持、自適應隊形控制和編隊新節(jié)點加入或退出控制。

①在中心式協同控制模式下,岸基/有人艦艇指揮是海上無人集群系統(tǒng)的任務規(guī)劃中心、信息處理中心、指揮決策中心、載荷控制中心,直接控制各無人平臺及其任務載荷,各無人平臺之間不直接交互信息。岸基/艦載無人集群中心云接收并統(tǒng)一處理無人平臺各節(jié)點上傳的環(huán)境感知信息、任務執(zhí)行情況、平臺位置和狀態(tài)信息,自主完成集群系統(tǒng)協同指揮、人機交互、態(tài)勢顯示等應用服務的集成,實現全局態(tài)勢融合生成,并分發(fā)給集群各節(jié)點共享,根據各節(jié)點任務執(zhí)行情況實時調整協同計劃,生成新任務和全局航路,下達給指定無人艇節(jié)點。

該模式優(yōu)點為:岸基/有人艦艇指揮對無人平臺指揮控制層級少，命令下達直接,異構無人平臺集成速度快,對無人平臺掌控能力更強,對無人平臺自主能力要求不高。但存在以下不足:一是對無人平臺協同控制數量有限,不適合規(guī)?；療o人集群應用;二是各無人平臺距離母艦范圍有限,通常在寬帶通信可達范圍內。

②在分布式協同控制模式下,編組內同類型無人平臺通過自組網設備建立節(jié)點對等、無中心、自組織的水面無人集群系統(tǒng),相鄰平臺自主完成信息與命令交互。岸基/有人艦艇中無人集群僅保留集群系統(tǒng)基礎服務中的集群作戰(zhàn)任務分配、集群全局航路規(guī)劃、集群態(tài)勢融合識別及智能算法演進功能服務。在無人平臺上,除集成單艇智能算法、單艇載荷控制、動力控制和狀態(tài)監(jiān)控等功能服務、作戰(zhàn)資源管理、數據清洗與上傳等支撐服務之外,自主將集群/編組協同態(tài)勢感知認知、集群智能臨機決策、自主協同編隊、編隊對抗交戰(zhàn)控制、拒止環(huán)境自主導航等功能服務進行集成重構,支持集群分布式自主協同作戰(zhàn)。

該模式的優(yōu)點為:一是系統(tǒng)組織靈活，信息共享程度高,系統(tǒng)拓撲可任意變化，節(jié)點接入/退出靈活,系統(tǒng)自主重構能力強;二是降低對岸基/有人艦艇集群指揮節(jié)點及其通信節(jié)點聯通能力的依賴性,降低遠距離通信帶寬需求,集群前沿自主行動能力強;三是指揮節(jié)點對無人集群的控制無須過多地考慮集群自組織機制,將集群看成一個整體,便于實現單平臺控制、集群控制、有人/無人協同控制的融合統(tǒng)一。不足之處在于岸基/有人艦艇指揮對無人集群管控要素有限,難以實時對所有無人平臺及各功能載荷進行快速管控。

5 結束語

當前,無人集群系統(tǒng)正處于加速發(fā)展的關鍵時期。本文對國外海上無人系統(tǒng)發(fā)展路線進行了梳理,描述了有人/無人協同的作戰(zhàn)樣式,闡述了無人集群系統(tǒng)的能力特征需求,針對該需求，梳理了無人集群有人/無人協同控制架構以及分布式控制和集中式控制下的兩種功能部署,力圖為海上無人集群系統(tǒng)技術和裝備的發(fā)展貢獻力量。