無人反潛系統自主指揮控制研究

張 起 蘇金濤

(1.海裝裝備采購中心 北京 100841)(2.江蘇自動化研究所 連云港 222061)

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無人反潛系統自主指揮控制研究

張 起1蘇金濤2

(1.海裝裝備采購中心 北京 100841)(2.江蘇自動化研究所 連云港 222061)

無人反潛系統的指揮控制問題是關系其具備實際作戰能力的主要問題之一。論文在分析無人反潛系統指控原理和其自主指控水平分級的基礎上,采用可變自主控制結構,研究了無人反潛系統分級可變自主指控實現的方法。該方法可賦予無人反潛系統可變的指揮控制自主性,使其在工作環境中能夠實時評估自身的自主能力,并主動引入人工干預。這種具備人機智能融合特性的自主指揮控制方法更適應無人反潛系統在復雜戰場環境中實戰化的需求。

無人; 反潛; 自主; 指揮; 控制; 分級; 可變

Class Number E925

1 引言

無人反潛系統(Unmanned Anti Submarine System,UASS)一般是指用以執行反潛作戰任務的自主型UUV(Unmanned Undersea Vehicle)或USV(Unmanned Surface Vehicle)。它以潛艇或水面艦艇為支援平臺,在指定區域執行搜索、警戒、監視、誘騙、攻潛以及中繼通信等多種任務[1]。作為一種主要遂行反潛作戰任務的無人作戰系統(Unmanned Combat System,UCS),其有望成為繼水面艦艇、潛艇之后新一類的海上反潛作戰平臺。

UASS區別于有人反潛系統的重要標志是“人在環內,不在機上”[2],作為UASS“大腦”的指揮控制系統(Command and Control System,C2S)必須具備與其任務相匹配的智能控制能力。機上無人、任務復雜性和環境不確定性等因素決定了UASS必須具備很高的自主性,但從目前所能達到的技術水平來看,真正實現非結構化環境下UASS的自主指揮控制是一項具有挑戰性的技術難題。

2 UASS指控工作原理

自2000年以來,美軍對包括UAV、USV、UUV和UGV等在內的UASS智能指揮控制的要求包括:UASS自主遠距離航行時,在無人力控制的情況下,自動收集并傳送信息,探測、評估并主動規避威脅和障礙物;在出現不可預知情況及惡劣水文氣象條件下,可根據任務目標、周圍環境情況和剩余動力,迅速做出反應,自主決策返航或與其他UASS協作,組成編隊,協同完成任務[3]。

對UASS指控的界定,可部分借鑒有人系統指控的定義,但UASS指控絕不是有人系統指控概念的移植,這在進行UASS指控系統設計之初就應明確,也是真正意義上的無人作戰平臺與一般無人平臺的主要區別之一。有人系統的指控是其作戰指揮與武器控制的簡稱,其主要功能是情報綜合處理、指揮決策和武器綜合控制[4]。與有人系統指控的主要區別之處是,UASS的指控缺少了操作人員的實時決策和控制,系統外支援平臺的干預具有一定的粒度甚至是沒有的,因此需要其具備一定程度的自主能力。

事實上,UASS智能指控系統最重要的功能就是在動態環境下復制任務指揮員的智能或決策。當UASS的C2S具備與任務指揮員相當的智能水平時,其可實現完全的自主控制:依據作戰條令,UASS與有人系統的表現并無二異,其與有人系統在作戰過程中處于對等的地位,這也是無人系統發展的方向。在目前UASS的C2S的智能水平明顯低于任務指揮員的智能水平的情況下,面對不確定性環境和復雜任務,單靠UASS的C2S并不能保證其達到任務指揮員的期望,任務指揮員的智能介入顯然是不可或缺的,實現任務指揮員的智能與無人系統的智能的融合,是UASS甚至UASS指控體系結構設計中的重要內容。

考慮到對UASS指控的要求和當前的技術水平,UASS指控的工作原理可用圖1表示,主要包括平臺行為控制、行為決策控制和支援平臺控制三個部分[5]。圖1所示的UASS指控的原理,主要從系統行為表現方面進行描述,其中平臺行為控制是UASS個體行為,屬于自動控制范疇;自主行為決策控制和支援平臺控制緊密結合,實現UASS分級自主指控,屬于自主控制范疇。

圖1 UASS指控工作原理框圖

平臺行為控制主要包括反潛武器及器材控制、傳感器控制和平臺運動控制。反潛武器及器材控制和平臺運動控制通過改變UASS的行為和運動狀態作用于戰場環境;再通過傳感器控制完成對戰場環境的不斷探測,實現實時戰場態勢感知。

行為決策控制根據戰場態勢、戰術知識和作戰規則實時做出戰術決策、實施動作規劃和執行戰術動作,為UASS平臺行為控制發出相應的命令和控制信號。在行為決策控制中,C2S根據戰場態勢,進行任務沖突預測,對當前自主等級需求進行判定,并與支援平臺控制形成響應,實現C2S可變的自主指控等級。

支援平臺控制與UASS行為決策控制交互,用于監督和管理UASS。在UASS分級自主指控結構中,支援平臺控制除對UASS的任務分配和任務監測外,還需要響應UASS指控系統自主等級調整需求,對UASS指控進行響應,根據需要及時介入任務指揮員操作,對UASS指控進行“智能支援”。UASS指控中所采用的分級自主指控等級體系結構,使其可按需所取的向任務指揮員進行智能索取,使UASS由“被動自主”轉向“主動自主”。

3 UASS分級可變自主指控

UASS發展規劃中,其與有人系統具有相當的智能水平是最長遠的目標之一。從UASS工作環境不確定性、任務復雜性、人工智能水平以及其它制約條件看,其脫離任務指揮員的監督和操控而完全自主運行在相當長時間內更是難以實現的。隨著UASS信息化和智能化水平的提高,人機智能融合的交互控制逐漸處于主導地位。為了實現人機智能融合的UASS指控,需要根據UASS指控的能力將其劃分成幾種具有不同自主能力的自主等級模式。在需要的時候通過決策方法確定一種合理的自主等級,自主提示任務指揮員進行任務干預,或者在UASS指控完全勝任任務時忽略任務指揮員的存在完全自主控制。

3.1 UASS自主指控等級

對自主控制等級的劃分,有自動等級[6](Levels of automation,LOA)、改進的十層次自主控制等級[7]、三層次自主控制等級劃分模型[8]和無人系統自主控制等級框架[9](Autonomy levels for unmanned systems,ALFUS)等方法。UASS指控主要完成UASS執行搜潛、攻潛任務過程中的決策和控制,在其分級自主指控等級體系結構中,其自主行為可在一定程度上類比于有人反潛系統中戰術輔助決策與操作員的關系,但是在有人反潛系統中,這種關系是單向不變的,較UASS來講要簡單。結合UASS指控的使用要求和實際特點,從人機交互的角度出發,將UASS自主指控等級劃分為全自主、啟發、裁斷和全人工四個等級,如表1所示。表1中對于UASS自主指控等級的劃分,模擬了“完全智能體”(具有完全自主能力)與“部分智能體”(具有部分自主能力)之間交互的過程,符合人類智能交互活動的機理。

表1 UASS自主指控等級的劃分

· 全自主:UASS指控具有完全的自主能力,其智能水平與任務指揮員智能水平相當,可以支持UASS在各種復雜環境中完全自主完成各種任務,并且具備不斷學習和經驗累積的能力。

· 啟發:UASS指控向任務指揮員請求必要的輔助信息,以幫助其解決復雜決策問題的求解,任務指揮員提供的信息可明顯增加UASS指控自主決策的可靠性和可信度,但不影響其做出決策。

· 裁斷:UASS指控可提供一套完整或篩選后的決策或操作選擇方案攻任務指揮員決策,或者提供一套決策或操作方案供任務指揮員確認,方案經任務指揮員確認后執行。

· 全人工:任務指揮員根據所分配的任務完成任務決策和對UASS的遙控操作,忽略UASS指控的存在。但任務指揮員需要通過UASS傳感器獲取環境信息,所以很難完成真正意義上的全人工操作。

3.2 UASS可變自主指控結構

UASS指控系統自主水平的變化是對其所分配的任務與其完成所分配任務的能力之間沖突的消解。這種沖突,主要來源于任務的復雜性和環境的復雜性[10]。任務復雜性就是具體任務所需的子任務和以及相關決策,其可以用UASS任務空間內的具體性能、允許的態勢感知和知識需求進行度量。UASS一般是在非結構化環境中運行,環境的復雜性是UASS運行其間最大的未知數,最常見的環境復雜性是指作戰區域變化,氣候變化、流動性約束條件,作戰對象頻率、密度和意圖,通信限制和依賴關系等。

UASS在執行任務指揮員分配的任務時,通過對任務和環境的理解,指控系統確定其自主等級,控制UASS完成相應的任務;當任務的改變或環境的改變使得再評估的自主等級發生改變時,指控系統決定是否更改自主等級,是否需要任務指揮員的參與,以及參與的內容。例如,UASS執行搜潛任務時,當搜潛海區環境簡單時,UASS指控采取全自主方式工作,進行航路規劃、航線跟蹤以及搜潛器材控制;當發現目標時,取決于環境信息和目標信息的富裕度,決定采用全自主方式工作或啟發方式工作,進行目標識別和判定;當需要跟蹤潛艇目標至某一邊界條件時,可采用啟發方式工作或裁斷方式工作,決定繼續跟蹤或放棄;當戰場環境異常惡劣條件下,如穿越狹窄航路、雷區等時,可降至全人工方式工作。

UASS可變自主指控的原理可由圖2表示。自主指控等級的改變是由可變自主模塊實現,其由任務建模、態勢評估和自主等級評定三個子模塊構成[11]?？勺冏灾髂K與支援平臺控制、UASS行為及外部環境進行交互,對UASS任務復雜性和環境復雜性進行綜合求解,得出可行的決策解決方案。

圖2 UASS可變自主指控結構框圖

任務建模子模塊將任務指揮員分配給UASS的任務進行分解,在任務執行海域環境條件下將任務轉換為UASS指控系統可以理解的任務子集和任務支持信息集合,確定UASS需要完成的任務序列。

態勢評估子模塊主要根據UASS傳感器信息和外部支持信息識別出當前的態勢,更進一步根據當前態勢和相關領域模型推理出未來可能的態勢,給出當前態勢感知集合。

自主等級評定子模塊的主要功能是將任務子集放到態勢感知集合中進行考量,評價UASS是否能完成任務,對不能完成的任務給出欠缺說明,最終確定任務子集的自主等級,任務子集的自主等級決定了UASS指控與任務指揮員交互的內容:需要任務指揮員的決策、支援信息、確定命令等。

4 UASS可變自主指控與通信

實現UASS人機融合的可變自主指控的一個前提是UASS與支援平臺以及其它系統之間的通信。UASS類型不同,對于通信的要求也相應不同,雖然對于UCAS來講,其自主水平已經很大程度上不僅僅依賴于計算機技術和通信技術的發展水平,但對于以UUV或USV為平臺的UASS來講,其工作環境決定了通信帶寬還是其自主水平的重要制約,這在進行UASS自主指控系統設計之初就要考慮的問題。

隨著UASS自主指控等級的變化,UASS指控和任務指揮員在“大系統”中的權利也相應發生變化,權利大的任務指揮員需要在其與UASS之間保持持續的通信,用以傳輸控制數據的帶寬就大;自主性大的UASS指控,與任務指揮員的交互少,所需的通信帶寬就小。圖3所示是UASS可變自主指控與通信帶寬之間的簡要關系圖,如圖所示,任務指揮員的介入程度與UASS指控自主性之間是一種逆反關系[10],任務指揮員與UASS指控之間的通信帶寬與UASS指控的自主水平也是一種逆反關系。

圖3 UASS可變自主指控與通信帶寬

5 結語

UASS具有UCS的一般性,也有其特殊性。本文針對UASS自主指控問題,探討了其原理、實現方法和關鍵制約因素等。UASS分級可變自主指控結構,雖然基于UASS特殊的使命任務設計,但對于其它類型的UCS,同樣具有借鑒意義。在UASS等UCS自主指控系統研究中,信息保障與系統本身的設計同樣重要,UASS分級可變自主指控體系結構下不同的自主指控等級對于保障信息、通信帶寬和通信方式的詳細分析和論證是下一步研究的重點。

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Study on Autonomous Command and Control of Unmanned Anti Submarine System

ZHANG Qi1SU Jintao2

(1. Navy Armament Department, Beijing 100841)(2. Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

It is a challenge to the command and control of Unmanned Anti Submarine System(UASS) which determines its actual combat capability. The autonomous command and control method which is hierarchical and adjustable is developed based on the autonomous command and control levels and the adjustable control framework. It makes the UASS momentarily evaluate its autonomous abilities and initiatively request assistance from humans which realizes man-machine intelligence integration, and no more adapts the actual combat demand of UASS in complex battlefield.

unmanned, anti-submarine, autonomous, command, control, hierarchical, adjustable

2015年1月5日,

2015年2月27日 作者簡介:張起,男,工程師,研究方向:系統工程。蘇金濤,男,高級工程師,研究方向:反潛技術,魚雷防御技術。

E925

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.011