面向任務(wù)的航空數(shù)據(jù)鏈動(dòng)態(tài)組網(wǎng)策略*

張步碩，呂 娜，陳柯帆，梁曉龍，劉 創(chuàng)，曹芳波

（1.空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077；2.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院，西安 710051）

0 引言

隨著數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)的不斷深化，作戰(zhàn)場(chǎng)景、作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)對(duì)象等戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境更加復(fù)雜多變，大規(guī)模航空飛行器群通過(guò)航空數(shù)據(jù)鏈組成航空自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)將會(huì)成為未來(lái)航空作戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)形態(tài)［1-2］。

大規(guī)模航空飛行器群協(xié)同執(zhí)行多樣化任務(wù)，必須依賴對(duì)航空作戰(zhàn)平臺(tái)高效的指揮控制。傳統(tǒng)的指揮控制方式難以滿足較大規(guī)模作戰(zhàn)平臺(tái)協(xié)同需求。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能體技術(shù)逐漸運(yùn)用到了指揮控制系統(tǒng)中［3-4］，并隨著信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，逐漸呈現(xiàn)出群體化網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)［5-6］。智能化的航空作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)群體智能需要航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)提供通信支撐。航空作戰(zhàn)平臺(tái)的智能化改變了傳統(tǒng)的信息處理與傳遞機(jī)制，信息交互更加面向具體任務(wù)需求，目前基于智能化航空作戰(zhàn)平臺(tái)的研究主要集中在任務(wù)規(guī)劃與分配等應(yīng)用控制層面［7-8］，缺乏對(duì)智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)描述。同時(shí)，現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)研究基于傳統(tǒng)OSI分層模型，以提升傳輸性能為研究目標(biāo)［9］，關(guān)注于更為健壯的網(wǎng)絡(luò)路由，具有更高信道利用率和更加公平的媒體接入控制方式等，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要考慮信道利用率、信息傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量等通信指標(biāo)，缺乏通信網(wǎng)絡(luò)層面與任務(wù)應(yīng)用需求層面的深度耦合，因此，無(wú)法體現(xiàn)對(duì)任務(wù)需求的實(shí)際支撐能力。

為提升現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈作戰(zhàn)效能，本文以任務(wù)需求為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，研究了智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的信息處理與傳遞機(jī)制，并基于所設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)提出了一種面向任務(wù)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)策略。

1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，考慮了航空作戰(zhàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)群體智能的信息傳輸需求，采用了跨層融合的設(shè)計(jì)思路，描述了智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)信息處理傳遞機(jī)制，下層網(wǎng)絡(luò)行為由上層任務(wù)需求進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)智能化航空作戰(zhàn)平臺(tái)間的信息交互與動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與實(shí)際任務(wù)需求的深度耦合。

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為6個(gè)主要層次，分別是應(yīng)用感知層、信息處理層、智能決策層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層。

1.1 體系結(jié)構(gòu)總體描述

比較現(xiàn)有的航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在信息處理層和網(wǎng)絡(luò)層之間增加了智能決策層，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層分別增加了對(duì)應(yīng)的智能控制模塊，并對(duì)應(yīng)用層（本文稱作應(yīng)用感知層）和信息處理層進(jìn)行了任務(wù)與功能上的擴(kuò)展。

圖1 面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在滿足傳統(tǒng)任務(wù)與功能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用感知層能夠利用各類傳感器系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境信息進(jìn)行感知并生成與之對(duì)應(yīng)的各類激勵(lì)信息；信息處理層能夠?qū)?yīng)用感知層各類傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的各類激勵(lì)信息進(jìn)行參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化為可用于航空智能體自身與航空智能體間各類傳感器交互協(xié)同的交感信息，同時(shí)將交感信息存儲(chǔ)于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)航空智能體對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的信息收集。智能決策層主要通過(guò)接收信息處理層和網(wǎng)絡(luò)層輸入的交感信息，完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息的收集存儲(chǔ)，根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境生成任務(wù)信息，使航空智能體內(nèi)部各執(zhí)行單元，根據(jù)當(dāng)前任務(wù)需求產(chǎn)生相應(yīng)的智能行為。3個(gè)智能控制模塊的主要功能是根據(jù)當(dāng)前任務(wù)需求控制數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)鏈路構(gòu)建，包括控制通信協(xié)議的選擇、網(wǎng)絡(luò)連接的建立、網(wǎng)絡(luò)資源的分配以及數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制等，使得下層網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議與參數(shù)能以任務(wù)需求為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

1.2 信息處理與傳遞機(jī)制

圖2 信息處理與傳遞機(jī)制

利用圖2對(duì)所設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)下航空智能體信息處理與傳遞機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)描述。其中，激勵(lì)信息是指航空智能體通過(guò)自身傳感器系統(tǒng)感知外部環(huán)境產(chǎn)生的信息；交感信息是對(duì)各類傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的不同類型激勵(lì)信息進(jìn)行參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化處理后產(chǎn)生的，用于單個(gè)航空智能體內(nèi)部和多個(gè)航空智能體之間，相同類型或不同類型傳感器系統(tǒng)間的交互與協(xié)同；任務(wù)信息是由航空智能體利用交感信息與知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配映射產(chǎn)生的表征具體任務(wù)類型、任務(wù)需求及任務(wù)相關(guān)關(guān)系的信息。

如圖2所示，對(duì)任意航空智能體存在2路信息輸入，一是利用各類傳感器系統(tǒng)感知外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境而產(chǎn)生的激勵(lì)信息輸入，二是利用數(shù)據(jù)鏈通信設(shè)備接收其他航空智能體借助于智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)慕桓行畔⒍a(chǎn)生的交感信息輸入。

對(duì)于輸入的激勵(lì)信息，首先經(jīng)過(guò)參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化的信息處理，將不同類型傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵(lì)信息轉(zhuǎn)化為交感信息，并將交感信息存入知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的信息感知。對(duì)于信息輸出，一方面按需將交感信息通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到其他航空智能體，以實(shí)現(xiàn)不同航空智能體間傳感器系統(tǒng)的協(xié)同；另一方面，若戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息庫(kù)中的交感信息實(shí)現(xiàn)了與任務(wù)想定模型庫(kù)中相關(guān)任務(wù)模型的匹配映射，則生成任務(wù)信息，并將任務(wù)信息輸入智能行為規(guī)則庫(kù)針對(duì)不同的執(zhí)行單元確定相應(yīng)的行為規(guī)則，使得相應(yīng)的執(zhí)行單元產(chǎn)生合適的智能行為（圖中虛箭頭表示控制驅(qū)動(dòng)，實(shí)箭頭表示信息流）。

對(duì)于輸入的交感信息，一方面將通過(guò)航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)接收的交感信息輸入戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息庫(kù)，各傳感器系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息庫(kù)，提取用于傳感器協(xié)同的交感信息；另一方面同激勵(lì)信息輸入一樣，通過(guò)更新戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息庫(kù)促使相關(guān)執(zhí)行單元產(chǎn)生智能行為。

2 面向任務(wù)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)策略

現(xiàn)有的航空數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)方式一般以地理位置為參考，主要考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束，將處于相同區(qū)域內(nèi)的作戰(zhàn)平臺(tái)組成一個(gè)子網(wǎng)［10-12］。雖然也有部分組網(wǎng)方式考慮了任務(wù)的需求，但也都基于事先規(guī)劃，無(wú)法針對(duì)突發(fā)任務(wù)進(jìn)行面向任務(wù)的靈活組網(wǎng)［13］。為使網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建能支撐航空智能體利用群體智能面向具體任務(wù)，本文基于面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，提出了一種面向任務(wù)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)策略。

2.1 相關(guān)定義

依據(jù)FINC（兵力、信息、網(wǎng)絡(luò)與指揮控制）模型［14］，本文歸納出決定任務(wù)完成質(zhì)量的3個(gè)要素：

1）布勢(shì)時(shí)間。由航空智能體的任務(wù)協(xié)商時(shí)間與位置部署時(shí)間決定。是任務(wù)準(zhǔn)備階段的主要衡量指標(biāo)；

2）協(xié)同系數(shù)。指任務(wù)執(zhí)行者在實(shí)施任務(wù)的過(guò)程中相互之間交互能力資源的能力；

3）任務(wù)執(zhí)行力。由參數(shù)P表示，PT表示對(duì)任務(wù)T的任務(wù)執(zhí)行力。由平臺(tái)能力資源與任務(wù)能力資源需求的匹配程度決定。航空智能體i所具備的能力資源可表示為ak（i），解釋為某一航空智能體具備第k類能力，能力大小為ak（i）。由于航空智能體的類型分工明確，故考慮任意航空智能體僅具備單一能力。任務(wù)能力資源需求可由能力集向量進(jìn)行表征，記為

其中，HT表示任務(wù)T需求的能力資源類型，dHT表示任務(wù)需求的第HT類能力資源大小。

2.2 面向任務(wù)的組網(wǎng)流程

本文所提組網(wǎng)策略是以面向任務(wù)的方式進(jìn)行子網(wǎng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源面向任務(wù)的有效動(dòng)態(tài)復(fù)用［9］。現(xiàn)將組網(wǎng)流程描述如下：

1）通過(guò)傳感器系統(tǒng)感知外部戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的航空智能體產(chǎn)生激勵(lì)信息，并將激勵(lì)信息通過(guò)參數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化的信息處理轉(zhuǎn)化為交感信息輸入知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；

2）接收到網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)廣播的交感信息的航空智能體i，將交感信息輸入知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。航空智能體i將發(fā)送該交感信息的航空智能體作為網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)，若有多個(gè)航空智能體發(fā)送了相同交感信息，則選擇平臺(tái)號(hào)最小的航空智能體作為網(wǎng)路主節(jié)點(diǎn)，并執(zhí)行步驟3）；

3）航空智能體i判斷自身是否正在執(zhí)行任務(wù)，否則執(zhí)行步驟4）；是則判斷新任務(wù)優(yōu)先級(jí)是否高于當(dāng)前正在執(zhí)行任務(wù)，若不高則放棄進(jìn)行新任務(wù)入網(wǎng)申請(qǐng)，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)，否則執(zhí)行步驟4）。

4）航空智能體i利用知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取自身能力資源ak（i），若k?AT，即自身不具備任務(wù)所需求的能力類型，則放棄入網(wǎng)；若k∈AT則執(zhí)行步驟5）。

5）航空智能體i判斷是否能在閾值時(shí)間內(nèi)到達(dá)指定任務(wù)執(zhí)行區(qū)域，到達(dá)任務(wù)執(zhí)行區(qū)域時(shí)間可由交感信息，主節(jié)點(diǎn)位置信息與航空智能體i自身位置信息確定。假設(shè)任務(wù)執(zhí)行區(qū)域?yàn)榘霃絛的圓形區(qū)域，圓心坐標(biāo)為（xT，yT），到達(dá)時(shí)間可由下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，（xi，yi）表示航空平臺(tái)i當(dāng)前坐標(biāo)，v表示航空平臺(tái)飛行速度。若 tarrive＞tT，則放棄入網(wǎng)；若 tarrive＜tT，則執(zhí)行步驟6）；

6）航空智能體i向網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)、自身能力資源情況ak（i）與到達(dá)任務(wù)執(zhí)行區(qū)域的時(shí)間tarrive；

7）網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)確定當(dāng)前任務(wù)屬性，并且依據(jù)任務(wù)屬性和表1確定優(yōu)化順序，在所得入網(wǎng)申請(qǐng)者組合中求出當(dāng)所有能力類型為k的航空智能體到達(dá)任務(wù)執(zhí)行區(qū)域時(shí)，到達(dá)時(shí)間最短的組合；

8）網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)將選擇結(jié)果通過(guò)廣播的方式發(fā)送到其他航空智能體；

9）發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)的航空智能體接收到網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)的選擇結(jié)果后，判斷自身是否為網(wǎng)絡(luò)成員，是則完成入網(wǎng)開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)，否則放棄入網(wǎng)。

2.3 組網(wǎng)策略合理性分析

對(duì)于布勢(shì)時(shí)間，計(jì)算到布勢(shì)時(shí)間大于任務(wù)要求的航空智能體將不會(huì)進(jìn)行入網(wǎng)申請(qǐng)，保證了參與執(zhí)行任務(wù)的航空智能體都能在任務(wù)要求時(shí)間內(nèi)完成作戰(zhàn)布勢(shì)。

對(duì)于協(xié)同系數(shù)，影響參數(shù)分別為任務(wù)執(zhí)行者數(shù)量以及任務(wù)執(zhí)行者相互之間的距離。nk表示參與任務(wù)執(zhí)行的能力類型為k的航空智能體數(shù)量。提高協(xié)同系數(shù)可考慮減小nk以及nk個(gè)航空智能體間的平均傳輸距離，但由于航空智能體具有較高機(jī)動(dòng)性，相互之間距離不能保證；同時(shí)只有當(dāng)nk≥5減小nk個(gè)航空智能體間平均距離才可能達(dá)到與減少nk相同的性能，條件較為苛刻，證明如下：

可以推得nk≥5。

對(duì)于有效執(zhí)行力指標(biāo)，通過(guò)在滿足任務(wù)需求的航空智能體中選擇能力資源和最小的組合，可實(shí)現(xiàn)有效執(zhí)行力的最大化。

3 仿真分析

利用EXata網(wǎng)絡(luò)仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下的組網(wǎng)策略進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證。

圖3 網(wǎng)絡(luò)仿真場(chǎng)景

假設(shè)在300 km×300 km的范圍內(nèi)存在一個(gè)由40個(gè)航空智能體組成的飛行器群，任意航空智能體采用TDMA的信道接入方式進(jìn)行信息的交互，且最大飛行速度為1 MHz。各航空智能體具備的能力類型與能力資源大小如下頁(yè)表1所示。

令41號(hào)節(jié)點(diǎn)持續(xù)廣播消息，傳輸范圍為150km。假設(shè)任意航空智能體若接收到41號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息則將其視為戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境改變，對(duì)應(yīng)于一個(gè)任務(wù)屬性為1，任務(wù)資源需求為表2的任務(wù)想定（仿真場(chǎng)景只考慮了存在一個(gè)任務(wù)的情況），任務(wù)規(guī)定作戰(zhàn)區(qū)域?yàn)閳A心坐標(biāo)為（100 km，100 km），半徑為80 km的圓形區(qū)域。

仿真結(jié)果如下：

任務(wù)主節(jié)點(diǎn)選擇為1號(hào)節(jié)點(diǎn)，各能力類型的網(wǎng)絡(luò)成員分別為：

能力類型 1：2、3、8；能力類型 2：9、10、11、12；能力類型 3：22、23、24；能力類型 4：27、28、31；能力類型 5：36、37。

表1 航空智能體能力類型與能力資源大小

表2 任務(wù)需求

圖4為網(wǎng)絡(luò)成員提供的能力資源大小與任務(wù)能力資源需求的比較。可以看出，網(wǎng)絡(luò)成員提供的各能力類型資源大于等于任務(wù)對(duì)各能力類型資源需求，保證了任務(wù)的可執(zhí)行。

圖4 網(wǎng)絡(luò)能力大小與能力需求比較

將所得組網(wǎng)結(jié)果與滿足任務(wù)能力資源需求的隨機(jī)組網(wǎng)方式進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 協(xié)同系數(shù)比較

由圖5可以看出，對(duì)于任務(wù)屬性為1的任務(wù)想定，面向任務(wù)的組網(wǎng)策略使得任意相同能力類型航空智能體間的協(xié)同系數(shù)遠(yuǎn)高于隨機(jī)組網(wǎng)的方式。

圖6 有效執(zhí)行力比較

圖6為面向任務(wù)的組網(wǎng)方式與隨機(jī)組網(wǎng)方式在相同協(xié)同系數(shù)的前提下，不同能力類型航空智能體有效執(zhí)行力的比較。可以看出面向任務(wù)的組網(wǎng)方式使得能力類型為1和5的航空智能體的有效執(zhí)行力高于隨機(jī)組網(wǎng)方式，而能力類型2、3、4的有效執(zhí)行力與隨機(jī)組網(wǎng)方式相同的主要原因是對(duì)于任務(wù)屬性為1的任務(wù)想定，優(yōu)先考慮了協(xié)同系數(shù)指標(biāo)，使得有效執(zhí)行力指標(biāo)弱化，但依然可以看出面向任務(wù)的組網(wǎng)方式，在有效執(zhí)行力指標(biāo)上優(yōu)于隨機(jī)組網(wǎng)方式，提升了航空智能體在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的有效執(zhí)行力。

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)了面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，分析總結(jié)了其信息類型與信息處理傳遞機(jī)制。同時(shí)，基于所設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，提出了一種面向任務(wù)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)策略。通過(guò)組網(wǎng)實(shí)例分析，說(shuō)明了在面向任務(wù)的智能化航空數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下所提組網(wǎng)策略對(duì)實(shí)際任務(wù)需求的有效支撐能力。