一種新的智能化航空器自主能力等級評估方法

涂良輝，曾慶云，李來國，楊 昆，陳雅麗

（中航工業洪都，江西南昌330024）

0 引言

智能化航空器自主能力是指在不需人工干預的條件下，航空器系統通過在線環境感知和信息處理，自主生成優化的控制策略，完成各種戰略或戰術任務，從而形成快速而有效的任務自適應能力。定義中只是給出了自主能力的特點和屬性，較為籠統。為了清晰地評估智能化航空器自主能力的發展水平，需要建立統一、公允的智能化航空器自主能力量化評估方法，這為國家的智能化航空器產業發展規劃提供了合理的量化手段，有利于研制單位或用戶對相關技術或產品進行合理分級和評估，從而為智能化航空器自主能力的發展指引方向，促進智能化航空器自主能力和性能的穩步提高。

1 國內外典型評估方法

1.1 國外情況

2000年美國海軍研究辦公室和空軍研究實驗室(AFRL)率先提出自主作戰 (Autonomous Operations，AO)的基本概念，以此作為智能化航空器自主能力的終極目標。為了實現AO，AFRL和其它研究機構(Alenia Aeronautica等)認為研究者應當關注的智能化航空器自主能力屬性包括“智能(intelligence)、安全性(safety)、可靠性(reliability)、可支付性(affordability)、任務執行有效性(mission effectiveness)”。

美國海軍未來自主作戰能力研究辦公室和美國空軍研究實驗室(AFRL)，采用OODA模型，定義了智能化航空器自主作戰能力的十個等級(ACL：Autonomous Capability Levels)，見表1，作為標準衡量智能化航空器的自主能力水平，并且給出了智能化航空器技術發展的輪廓[1]。

表1 美國AFRL定義的自主能力等級

基于ACL的智能化航空器自主等級分級方法，符合智能化航空器技術研究的性能需求和技術發展的基本規律，因此，在智能化航空器自主能力評級標準中占據著主流位置，對智能化航空器技術起到了良好的工程牽引作用。

但是，該方法依然存在若干問題，具體如下：

1)該方法的主線傾向于描述技術的發展規律，與用戶更關心的 “任務執行有效性(mission effectiveness)”這條線并不完全一致。相對而言，用戶更關心的是智能化航空器能執行何等難度的任務，更期望直接以任務難度作為智能化航空器自主等級劃分的主線。

2)該方法總體分級粗略，其中每級的技術特點并沒有給出更多的具體描述。例如，無法把影子和全球鷹這兩種典型機型的自主能力區分開來。

3)該方法中高等級的多機協同或集群協同，概念不夠明確。5～10級的ACL給出的是多機或集群的能力，然而智能化航空器自主等級本來的目的是要對單個航空器的能力進行區分。因此，現有的ACL方法不利于指導高等級航空器相關技術的提升，不能有效地對高等級航空器的自主能力進行有效區分。該方法甚至無法區分完成同一任務中的多機 (或集群)中的長機與僚機之間的自主等級差別。

1.2 國內情況

國內對智能化航空器自主等級的研究雖然起步較晚，但目前也取得了一定的研究成果。洛陽光電所的高勁松研究員對ACL方法進行了詳細的研究和分析[2]；中科院沈陽自動化所的王越超、劉金國對無人系統的自主性評價方法進行了綜述和評價[3]；北航的陳宗基教授和王英勛教授在ACL方法的基礎上提出了相應的改進方法[4,5]。對于智能化航空器自主等級分級方法的研究，國內現有的方法主要表現在對ACL等國外方法的研究和改進。目前，國內尚未形成統一認可的智能化航空器自主等級分級方法。各位學者所提議的方法雖然有其合理性，但仍有進一步改進的空間。

2 三維坐標評價方法

2.1 提出的原則

智能化航空器自主性是航空器系統擁有感知、觀察、分析、交流、計劃、制定決策和行動的能力，并且完成人類通過人機交互布置給它的任務。根據智能化航空器自主性的定義和內涵，智能化航空器自主性的關鍵技術包括態勢感知、規劃/協同技術、決策/執行技術三個方面。本文評定的智能化航空器自主能力由上述三方面能力來體現，與之相對應的能力包括：內部健康診斷、外部態勢感知、任務規劃、協同、單機決策/執行、團隊決策/執行。

三維坐標評價方法就是基于上述三項關鍵技術，旨在合理評定智能化航空器自主能力水平的評估方法。該方法首先建立三維坐標模型 （如圖1所示），分別將自主性包涵的三項指標（即態勢感知、規劃/協同、決策/執行）描述在3個坐標軸上，每個坐標軸再劃分若干子級指標并賦予一定的分值，以此構建打分體系，最后用戶采用打分的方式評定智能化航空器自主能力的等級。整個打分遵循百分制原則，自主能力水平滿分100分，最差為0分。

2.2 打分體系

三維坐標打分法以三維坐標為模型，對模型的三項指標進行打分，來評定智能化航空器自主能力等級。該方法首先根據具體任務需求，分配3個指標（態勢感知、規劃/協同、決策/執行）的權值，然后對3個指標按各自所涉及的關鍵技術進行子級分解，并分別賦予一定的分值，以此構建打分體系（如圖2所示），最后用戶依照打分體系對智能化航空器三項指標分別進行打分，并進行加權平均，得出智能化航空器自主能力水平總得分。

圖1 三維坐標模型

圖2 三維坐標打分體系圖

2.3 自主能力等級模型

將智能化航空器等級模型分為五級，分別是遙控、遠程操作、半自主、單機完全自主、團隊自主。半自主和團隊自主又均分為三個等級，分別是一般、中等和較高，因此智能化航空器等級模型亦可稱為九級。根據百分制原則，每一級都有相應的分數范圍，對照智能化航空器自主能力水平的最終分數找到其相應的等級。智能化航空器自主能力等級模型如表2所示。

表2 智能化航空器自主能力等級模型

2.4 評判準則和流程

先作如下設定：

1)態勢感知分數：S1，權重系數：w1，其中內部健康診斷分數為S11，外部態勢感知分數為S12；

2)規劃/協同分數：S2，權重系數：w2，其中任務規劃分數為S21，協同分數為S22；

3)決策/執行分數：S3，權重系數：w3，其中單機決策/執行分數為S31，團隊決策/執行分數為S32。

智能化航空器自主能力水平打分流程如下：

第一步，首先打出內部健康診斷分數S11，外部態勢感知分數S12，此時態勢感知分數為S1＝S11＋S12；

第二步，打出任務規劃分數S21，協同分數S22，此時規劃/協同分數為S2＝S21＋S22；

第三步，打出單機決策/執行分數S31，團隊決策/執行分數S32，此時決策/執行分數為S3＝S31＋S32。

因此，智能化航空器自主能力水平總得分（S）：

（說明：自主能力水平總得分遵循百分制原則）

最后，將自主能力水平得分S對照智能化航空器自主能力等級模型（即表2），找到其相應的等級。

3 實例分析

下面采用三維坐標打分法對國外6種智能化航空器進行自主能力水平等級評定，見表3。

三維坐標打分法較之ACL方法，指標更加量化，結果直觀，易于比較和評判。該方法與ACL等級的對應關系見表4。

表3 基于三維坐標法的國內外典型智能化航空器評價

表4 三維坐標打分法與ACL等級的對應關系

4 結論

評定智能化航空器自主能力等級的方法很多，本方法相對于其它方法而言，具有一定的實用性和直觀性，主要表現在：

1）考慮的自主性指標較全面，包涵自主能力的三個主要指標，即態勢感知、規劃/協同、決策/執行；每個指標又分子級指標，考慮的關鍵技術較多、覆蓋面較廣。

2）可以簡單快速的進行量化考核，對評判對象的自主水平進行打分，相對定性考核方法而言，該量化考核方法結果簡單直觀，易于比較。

[1]Office of the Secretary of Defense.Unmanned Aerial Vehicles Roadmap 2000-2025[R].Department of Defense,Washington DC,2001.

[2]高勁松,余菲,季曉光.無人機自主控制等級的研究現狀[J].電光與控制,2009,16(10):51-54.

[3]王越超,劉金國.無人系統的自主性評價方法[J].科學通報,2012,57(15):1290-1299.

[4]陳宗基,魏金鐘等.無人機自主控制等級及其系統結構研究[J].航空學報,2011,32(6):1075-1083.

[5]王英勛,蔡志浩.無人機的自主飛行控制[J].航空制造技術,2009,(8):26-31.