管東林，王成飛，吳鑫輝

(中國人民解放軍91977部隊, 北京 100036)

0 引 言

無人作戰(zhàn)平臺因其成本低廉、行動范圍廣、可生產(chǎn)性高、隱蔽性好、避免人員傷亡等優(yōu)勢，將在未來戰(zhàn)場扮演越來越重要的角色。世界軍事強國紛紛投入巨額資源加大無人裝備研發(fā)，無人機、無人艇、無人潛航器等無人裝備初具實戰(zhàn)能力，并在納卡沖突、俄烏沖突等局部戰(zhàn)爭中得到應(yīng)用，取得了一系列戰(zhàn)果[1–3]。

無人化作戰(zhàn)是未來軍事發(fā)展的重要趨勢。作為一種新型軍事力量，無人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)例如無人通信測控技術(shù)、無人圖像智能識別技術(shù)、無人自主規(guī)劃控制技術(shù)等迅猛發(fā)展，初步具備實戰(zhàn)能力。同時，為了適應(yīng)未來無人智能作戰(zhàn)需求，無人系統(tǒng)通過“通用平臺”+“模塊化任務(wù)載荷”發(fā)展方式，大大拓展了無人集群多樣化任務(wù)執(zhí)行能力，從傳統(tǒng)的廣域監(jiān)視、中繼通信、補給運輸?shù)葐我蝗蝿?wù)向察打一體、通探一體、反艦、反水雷等綜合攻防任務(wù)發(fā)展[4]。

相比傳統(tǒng)造價昂貴、對人員技能要求高的大型艦船、飛機等平臺，無人集群作戰(zhàn)具有規(guī)模作戰(zhàn)優(yōu)勢、體系生存率高、作戰(zhàn)成本低等非對稱優(yōu)勢，已成為無人作戰(zhàn)平臺發(fā)展趨勢。在未來海戰(zhàn)場應(yīng)用背景中，無人平臺將體現(xiàn)出多平臺協(xié)同工作的特點，即由多臺相同或不同型號的無人平臺組成多無人系統(tǒng)，協(xié)同作業(yè)、共同完成任務(wù)[5]。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，對于火力的需求不再簡單地指火力密度和速度，而更是指火力的及時性、精確性和高效性。隨著無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展，研究能夠適應(yīng)未來戰(zhàn)爭發(fā)展的無人集群火力控制體系和協(xié)同要素已成為重中之重。

1 無人作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)涵及其分類

1.1 無人系統(tǒng)的內(nèi)涵

無人系統(tǒng)是和有人系統(tǒng)對應(yīng)的一個概念。目前定義的無人系統(tǒng)實際上應(yīng)該被稱為無人化系統(tǒng)，更準確地講是平臺無人化的系統(tǒng)。目前無人系統(tǒng)的概念還在不斷拓展，還沒有一個公認的、標準定義。美軍在2013年公布的無人系統(tǒng)發(fā)展綜合路線圖中，將空中無人系統(tǒng)、地面無人系統(tǒng)和海洋無人系統(tǒng)統(tǒng)稱為無人系統(tǒng)，并分別給出了定義。美國國防部無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017–2042）將無人系統(tǒng)重點發(fā)展方向分為互操作性、自主性、安全網(wǎng)絡(luò)、人機協(xié)同4個主題，其中，明確了形成有人無人協(xié)同作戰(zhàn)能力是未來重要發(fā)展目標之一。2021年美海軍發(fā)布了《無人作戰(zhàn)框架》，提出了無人系統(tǒng)發(fā)展的五大目標，將無人系統(tǒng)發(fā)展分為人工操作（Human Operated）、遠程操作（Remote Operated）、人工監(jiān)督（Human Supervised）、人工-機器編組（Human-Machine Teaming）、自主操作（Near-Independent Autonomy）5個階段，并明確了具體發(fā)展內(nèi)容和目標。隨著無人系統(tǒng)與智能技術(shù)的深度結(jié)合，無人系統(tǒng)將向無人化、自主化、智能化高速發(fā)展[6–7]。

1.2 無人系統(tǒng)的分級

根據(jù)自主完成任務(wù)的能力，可以把無人系統(tǒng)分為初級、中級、高級和超級4個級別。

1）初級無人系統(tǒng)

主要以傳統(tǒng)的無人平臺遠程遙控方式為主， 即“平臺無人、系統(tǒng)有人”。無人平臺具有一定的感知、處理和執(zhí)行能力，具備與操作員的交互能力，但不具備決策和學(xué)習(xí)能力。由人設(shè)定任務(wù)目的并操控完成任務(wù)，典型代表為無人機。

2）中級無人系統(tǒng)

主要以人工遠程控制監(jiān)督+單平臺自主感知執(zhí)行結(jié)合方式，其中，平臺的任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行、狀態(tài)控制、火力打擊等由人工遠程控制與監(jiān)督，而平臺具有初級的自主感知、自主識別、自主避障等功能，能自主完成特定的任務(wù)。典型代表為無人駕駛車輛，駕駛員輸入目的地，并全程監(jiān)督車輛行駛，必要時人工干預(yù)；無人車則自主識別人、道路和車輛，規(guī)劃行進路線，自主避障避險。

3）高級無人系統(tǒng)

主要以人工遠程監(jiān)督+多平臺集群自主控制為主，無人系統(tǒng)具備一定程度智能水平，能夠根據(jù)人工預(yù)設(shè)的任務(wù)要求、角色定位、職責分工，多機協(xié)同自主完成隊形變換、戰(zhàn)場偵察、目標識別、火力打擊、效果評估等工作。操縱人員需要在遠程實時監(jiān)控無人集群行為，并針對突發(fā)事件及時干預(yù)修正無人集群行為，典型代表為無人機群。

4）超級無人系統(tǒng)

主要以多平臺集群自主控制為主，以人工監(jiān)督干預(yù)為輔。此時，無人系統(tǒng)已具備強大的自主學(xué)習(xí)進化能力，已經(jīng)具備自主感知、交互、決策、學(xué)習(xí)和執(zhí)行能力，面對各種突發(fā)情況時分析決策能力已超過人類水平，形成了類人甚至超人的無機生命，典型代表為科幻的未來無人系統(tǒng)。

本文所研究的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是指高級的，用于作戰(zhàn)的無人系統(tǒng)。

2 火力協(xié)同控制體系架構(gòu)

系統(tǒng)體系架構(gòu)是復(fù)雜系統(tǒng)在其所處環(huán)境中的最高層次，是系統(tǒng)組成要素及其相互聯(lián)系與互操作性的綜合模型，也是系統(tǒng)設(shè)計的觀念與原則的總綱[8]。結(jié)合無人裝備的發(fā)展，以“有人/無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)正在成為現(xiàn)代作戰(zhàn)的主要模式”為基礎(chǔ)。無人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同火控系統(tǒng)包含了有人、無人、指揮、協(xié)同、理解、決策、數(shù)據(jù)傳輸與信息共享等要素，適應(yīng)有人/無人武器系統(tǒng)的協(xié)同管控，如圖1所示。

圖1 火力協(xié)同系統(tǒng)體系架構(gòu)概略圖Fig.1 The system architecture of fire cooperation system

火力協(xié)同體系架構(gòu)是一個由有人干預(yù)與無人平臺節(jié)點組成的多層、多維體系結(jié)構(gòu)，在組成配置上包含無人平臺上的感知資源和計算資源、通信鏈路、系統(tǒng)控制任務(wù)組，以及作戰(zhàn)管理中的部分。

在較低的層次上（資源層），這些無人平臺節(jié)點所包含的資源生成了面向協(xié)同動作的反應(yīng)式行為；在中間層上（任務(wù)層），人工干預(yù)或自主分解戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)任務(wù)，形成一系列可用于無人系統(tǒng)實際操作的協(xié)同指令和控制指令；在作戰(zhàn)應(yīng)用層次上（作戰(zhàn)管理層），整個系統(tǒng)在人機交互作用下產(chǎn)生了面向有人/無人作戰(zhàn)集群戰(zhàn)役級作戰(zhàn)任務(wù)目標分解，形成一系列戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)任務(wù)。通過構(gòu)建無人系統(tǒng)層次化火力協(xié)同架構(gòu)，在上下層次之間，實現(xiàn)不同指揮層級無人系統(tǒng)的兵力協(xié)同、偵察協(xié)同、火力協(xié)同等作戰(zhàn)任務(wù)分解。在同一層次之間，實現(xiàn)同一指揮層級無人系統(tǒng)感知、認知、想象、推理等行為協(xié)同。在低層上，側(cè)重于實時作戰(zhàn)行動控制，時間片?。〝?shù)分鐘至數(shù)小時之間）且行為控制精度要求高；反之，在高層上，側(cè)重于戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級作戰(zhàn)籌劃與指揮決策，時間片長（數(shù)小時至數(shù)天之間）且行為控制精度要求低。通過分層次分解，將“指揮”與“控制”分開，指揮層級更側(cè)重于全局性作戰(zhàn)籌劃，控制層級更側(cè)重于局部兵力與武器裝備控制。

在任務(wù)組各平臺能力均衡情況下，每個任務(wù)組的無人平臺采用無中心分布式架構(gòu)，如圖2所示。每個無人平臺（節(jié)點）采用對等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，各節(jié)點具備完整的自主規(guī)劃、定位導(dǎo)航、目標探測、指揮控制、武器打擊能力，通過通信技術(shù)，形成節(jié)點對等、無中心、具有自組織能力的無人集群系統(tǒng)。

圖2 分布式架構(gòu)無人作戰(zhàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 The distributed architecture for unmanned combat system

3 火力協(xié)同要素

火力協(xié)同系統(tǒng)的組成要素，是指在單個有人艦艇平臺火控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)目標殺傷網(wǎng)高精度、低時延等快速響應(yīng)需求，將多平臺感知資源、數(shù)據(jù)鏈、指揮控制資源、火力資源等高效組織運用，形成網(wǎng)鏈式、響應(yīng)式動態(tài)協(xié)同控制模式，提升無人化、分布式、智能化目標打擊效能。而這些要素基于上述火力協(xié)同體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的火控系統(tǒng)融合在一起，火力協(xié)同系統(tǒng)的組成要素如圖3所示。

圖3 火力協(xié)同系統(tǒng)要素組成圖Fig.3 The composition diagrams of fire cooperation system

感知資源主要為無人平臺攜帶的各種用于探測目標的傳感器，無人平臺包括海上各型無人艇和無人機。

數(shù)據(jù)鏈是火力協(xié)同系統(tǒng)的實現(xiàn)保證，具有動態(tài)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)特性。根據(jù)火力打擊時效性要求，需要高帶寬、高速率、低延遲的專用武器協(xié)同鏈、情報偵察鏈、指揮控制鏈，同時，針對反電子偵察、反電子干擾等要求，各類數(shù)據(jù)鏈應(yīng)以定向波束、高頻率、低功耗通信設(shè)備為主。

指揮控制是火力協(xié)同系統(tǒng)的邏輯指揮中心，由平臺信息融合功能模塊、任務(wù)分配、決策等模塊組成。在戰(zhàn)斗編組中，每個平臺的邏輯指揮中心可形成相同的融合信息、統(tǒng)一的戰(zhàn)斗態(tài)勢圖。武器平臺將按照指揮控制中的“智能決策”輸出的火力分配結(jié)果對敵方目標進行協(xié)作打擊，同時，武器平臺作為“神經(jīng)末梢”，將向“指揮控制”實時上報在平臺上探測并處理后的敵方目標等作戰(zhàn)信息，供邏輯指揮中心進行戰(zhàn)斗信息融合和戰(zhàn)斗任務(wù)決策。

同步控制是火力協(xié)同系統(tǒng)的核心組成部分，由多平臺協(xié)同管理與邏輯控制模塊和實施數(shù)據(jù)分發(fā)中間件組成。各平臺武器的同步控制模型相同，每一個平臺根據(jù)接收到的一致的協(xié)調(diào)控制指令，按對本平臺要求的指令，執(zhí)行分配給本平臺的任務(wù)。

人機交互是火力協(xié)同系統(tǒng)的重要組成部分，無人平臺控制系統(tǒng)通過良好的人機交互接口為人員提供無人平臺的控制功能，并能夠?qū)崟r監(jiān)控無人平臺各種類型傳感器反饋信息（位置、速度、方位等），使得人員能夠及時裝完無人平臺的工作狀態(tài)，為人員順利完成任務(wù)提供支持。

4 火力協(xié)同的指揮控制機制和任務(wù)模式

4.1 指揮控制機制

協(xié)同指揮平臺對任務(wù)平臺的指揮控制采用OODA循環(huán)理論。在作戰(zhàn)過程中，作戰(zhàn)管理中心收集各無人作戰(zhàn)系統(tǒng)上報的戰(zhàn)場空間的觀察信息（O），進行態(tài)勢感知，形成戰(zhàn)場判斷（O），結(jié)合作戰(zhàn)任務(wù)進行指揮協(xié)調(diào)和任務(wù)分配決策（D），將分配的子任務(wù)下發(fā)到各無人作戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)組執(zhí)行（A），形成整個有人、有人帶無人、無人武器系統(tǒng)作戰(zhàn)分隊的大OODA循環(huán)。同時，各無人作戰(zhàn)系統(tǒng)按照子任務(wù)完成任務(wù)組的組建，在任務(wù)組中針對受領(lǐng)的子任務(wù)，進行局部戰(zhàn)場細化觀察（O）、戰(zhàn)場態(tài)勢判斷（O），進行臨機“局部決策”（D）與優(yōu)化調(diào)整，將子任務(wù)智能分配為各平臺執(zhí)行的元任務(wù)，控制各平臺協(xié)同執(zhí)行（A），形成任務(wù)組內(nèi)的小OODA。

4.2 協(xié)同任務(wù)模式

按照新一代裝備的特點，結(jié)合各平臺承載的能力，體系內(nèi)各不同平臺相互之間組合主要分2類：有人平臺協(xié)同、無人平臺自主協(xié)同。

有人無人平臺協(xié)同火力控制模式主要解決利用無人平臺上的探測、火力資源，輔助有人平臺進行各項作戰(zhàn)任務(wù)的問題，通過有人平臺人工操控和網(wǎng)絡(luò)化火力資源控制，完成有人/無人平臺間的信息共享和火力協(xié)作運用。

無人平臺自主協(xié)同火力控制模式是一種遠期的作戰(zhàn)模式，主要解決利用多個無人平臺（空中/海面）上的探測、火力資源，通過自主協(xié)同決策和火力資源控制，完成多無人平臺間的探測信息共享、信息中繼、行動引導(dǎo)和火力協(xié)作運用等問題。表1為幾種典型協(xié)作任務(wù)模式，還可以不斷發(fā)展其他模式。

表1 典型協(xié)同任務(wù)模式Tab.1 The typical Cooperative Task-oriented Mode

5 火力協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

作為海戰(zhàn)場的主要力量，無人系統(tǒng)火力協(xié)同更依賴于網(wǎng)絡(luò)信息體系保障支撐，無人信息系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)、無中心式自主規(guī)劃與協(xié)同任務(wù)優(yōu)化技術(shù)、協(xié)同一致性控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)亟待攻關(guān)提高[9]。為了實現(xiàn)無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的火力協(xié)同，必須實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的信息和資源共享，故其網(wǎng)絡(luò)化資源的作戰(zhàn)管理與無中心的自主規(guī)劃與一致性控制尤其關(guān)鍵，其多變性和復(fù)雜性帶來了一系列必須解決的技術(shù)問題，如信息系統(tǒng)構(gòu)建、無中心自主規(guī)劃、協(xié)同一致性控制等。

5.1 信息系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

海上無人系統(tǒng)行動因各類平臺能力特點的限制，易受到通信能力與條件、環(huán)境因素影響、無人平臺與其攜載載荷、不確定性感知環(huán)境、突發(fā)性兵力故障與戰(zhàn)損等方面因素制約。為了提高海上無人作戰(zhàn)系統(tǒng)在對抗條件下的生存力、靈活性與綜合作戰(zhàn)能力，需要研究與構(gòu)建多種基于對抗條件的分布式智能信息處理架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上開展無人系統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn)的兵力配置和使用時機、基于能力與環(huán)境變換的自適應(yīng)角色分配、通信傳輸能力與兵力行動自適應(yīng)匹配、基于無人蜂群多約束條件的自協(xié)同控制等技術(shù)研究，構(gòu)建系統(tǒng)作戰(zhàn)應(yīng)用模式與系統(tǒng)信息架構(gòu)的關(guān)聯(lián)映射關(guān)系，形成無人系統(tǒng)跨平臺資源互操作能力，實現(xiàn)無人系統(tǒng)資源間遠程調(diào)用、復(fù)用與融合，提升無人集群多任務(wù)的支持和處理流程自適應(yīng)優(yōu)化。

5.2 無中心式自主規(guī)劃與協(xié)同任務(wù)優(yōu)化技術(shù)

基于無人集群網(wǎng)絡(luò)自組織特性下無中心式信息處理與服務(wù)方法，構(gòu)建面向群體智能與多智能體分布式自動規(guī)劃為理論的無人集群自主協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，形成復(fù)雜環(huán)境下無人系統(tǒng)無中心式協(xié)同規(guī)劃與智能控制技術(shù)，提升異構(gòu)無人集群在復(fù)雜對抗環(huán)境下自適應(yīng)協(xié)同感知、主動式任務(wù)加載、行為自主規(guī)劃與突發(fā)態(tài)勢下的快速重規(guī)劃能力。

5.3 協(xié)同一致性控制技術(shù)

除了滿足復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的規(guī)劃實時性、避障能力、安全性指標和動力約束處理之外，還需要解決不同作戰(zhàn)單元之間同時抵達或者依次抵達目的地的時間協(xié)同問題、不同作戰(zhàn)單元從不同指定方位抵達目標的空間協(xié)同問題、不同作戰(zhàn)單元作戰(zhàn)載荷使用和信息協(xié)同等問題，滿足有人/無人系統(tǒng)在空間、時間、信息上的戰(zhàn)術(shù)協(xié)調(diào)一致關(guān)系，檢測和消解有人/無人系統(tǒng)航路之間可能存在的碰撞沖突，使有人/無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)效能最大化。

6 結(jié) 語

隨著人工智能技術(shù)和無人技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)爭已逐漸出現(xiàn)無人化趨勢。美國國防部無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017–2042）提出的遠景是“無人系統(tǒng)與有人系統(tǒng)無縫銜接，從而減少傷亡風(fēng)險和壓縮作戰(zhàn)人員的決策過程”。本文基于這一需求，對無人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同火控體系進行了初步研究，提出了多域無人集群火力打擊層次化指揮控制與多要素任務(wù)協(xié)同模式，對提升未來海上無人集群作戰(zhàn)能力和戰(zhàn)場生存能力提供技術(shù)支撐。