區塊鏈的無人機集群控制應用研究

秦望龍　錢海力　劉冠邦

摘? 要：區塊鏈具有信息分布存儲、數據安全保密、數據溯源追溯等優點，在軍事領域有著廣闊的應用前景。文章對區塊鏈的基本概念、關鍵技術進行了介紹，接著重點分析了區塊鏈技術在無人機集群控制方面的應用，對我軍信息化建設具有一定參考意義。

關鍵詞：區塊鏈;數據安全保密;無人機集群;信息化建設

中圖分類號：E11-39 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）21-0181-02

Abstract： Blockchain is a kind of distributed ledger technology， which has the basic characteristics of decentralization， data security and data traceability. The application of Blockchain technology has broad prospects in the military field. The concept and key technologies of blockchain are firstly discussed， and the applications in UAV cluster control is then studied， in the hope that this technology can be a significant reference for the development of informatization of military applications in our country.

Keywords： Blockchain; data security; UAV cluster; informatization

引言

區塊鏈最初由中本聰在論文《Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System》中提出。在文中中本聰為了改變傳統的依賴第三方機構的電子貨幣交易模式，基于對等（Peer to Peer， P2P）網絡傳輸、非對稱加密、時間戳等技術創建了比特幣技術，這也標志著區塊鏈1.0技術的誕生。在隨后的幾年中，區塊鏈技術經歷了基于智能合約的可編程區塊鏈技術和目前基于商用分布式應用系統（Enterprise Operation System，EOS）的可擴展區塊鏈技術的發展。隨著區塊鏈技術的不斷發展和完善，其應用從數字貨幣領域不斷推廣到公正審計、金融交易、醫療教育、供應鏈管理等領域[1]。

近年來隨著比特幣、以太坊等數字貨幣的發展，區塊鏈技術得到越來越多學者的關注和研究。Yang等人[2]對基于區塊鏈的網絡服務架構特點、挑戰和發展趨勢進行了總結，Ali等人[3]對區塊鏈在物聯網方面的應用研究進展、趨勢進行了總結，徐宏偉對區塊鏈在公共服務平臺的應用開展了研究[4]。

在國防和軍事領域，美國Maxwell空軍基地的Neil B. Barnas少校對區塊鏈的國防應用前景進行了研究[5]，廉藺等人對區塊鏈在情報績效激勵、武器裝備管理方面的潛在軍事價值進行了探討[6]。

無人機集群控制是當前的研究熱點之一，如何對處于電磁干擾環境中的參戰無人機集群進行信息安全保密防護，阻止外界的信息欺騙和干擾是當前的一大難點。本文基于區塊鏈技術構建了無人機集群情報偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈，實現了無人機集群的信息安全防護。此外基于區塊鏈智能合約討論了無人機集群的群體智能涌現，對我軍信息化建設有一定參考意義。

1 區塊鏈概述

區塊鏈是一種由多方共同維護，使用密碼學技術保證訪問和傳輸安全，能夠實現多方數據一致存儲、難以篡改的記賬技術，也稱為分布式賬本技術。與傳統的分布式數據庫相比，區塊鏈有如下幾個優勢：一是由傳統的復式記賬模式轉換為“全網共享”的分布式賬本模式，參與記賬的各方之間通過同步協調機制，保證數據的防篡改和一致性，規避了復雜的多方對賬過程。二是賬本操作從“增刪改查”變為僅支持“增查”，使得數據難以篡改，提高了數據信息的可信度。三是賬本維護模式由傳統的單方維護模式變成多方共同維護，數據的寫入和同步需要經過多方驗證并形成共識。四是引入智能合約，基于事先約定的規則獨立執行協同，實現了信息流與資金流的整合。

2 區塊鏈關鍵技術

區塊鏈是集成了多種現有技術進行的組合式創新，關鍵技術主要包括：

2.1點對點（P2P）通訊技術

區別于傳統的“客戶端-服務器”模型，P2P通訊技術是一種在平等的同級節點之間傳遞信息的互聯網技術。

2.2 分布式賬本技術

區塊鏈中交易記賬由分布在不同地方的多個節點共同完成，每一個節點記錄的是完整的賬目，它們既可以參與監督交易的合法性，也可以共同為交易作證。

2.3 非對稱加密和授權技術

區塊鏈用戶采用兩個秘鑰（公鑰和私鑰）來進行加密和解密。公鑰和私鑰是一對，用公鑰對數據進行加密，用對應的私鑰來解密。如果使用私鑰進行數據的簽名，需公鑰來驗簽。

2.4 共識機制

區塊鏈中所有記賬節點之間按照共識認定記錄的有效性。此外共識機制也是數據記錄防篡改的手段。當前學者已經提出了多種區塊鏈共識機制，分別適用于不同的應用場景，可以根據應用效率和安全性需求進行合理選擇。

2.5 智能合約

智能合約基于可信的不可篡改的數據，自動化的執行一些預先定義好的規則和條款。以保險為例，如果系統中保險客戶的信息真實可信，可設置智能合約規則實現標準化保險產品的自動化理賠。

3 區塊鏈的無人機集群應用

本文基于區塊鏈技術構建了分布式無人機集群的信息安全防護體系（如圖1）。在無人機集群中，每個無人機節點類似于區塊鏈系統中的用戶，擁有自己的用戶身份和數字簽名。無人機集群內部維護情報偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈等多條區塊鏈，多鏈之間通過跨鏈技術進行信息傳遞交互。在情報偵察階段，無人機集群偵察節點間以對等網絡通信方式進行數據通信，將各自傳感器偵察到的局部情報信息進行全網廣播，經過驗證的所有局部情報信息經記賬節點打包寫入情報偵察鏈中并分發至全網節點，形成全局共用作戰圖。在發現目標后，無人機集群各節點在事先注入的智能合約規則調度下，根據實時的共用作戰圖進行集群智能決策，合理分配無人機節點執行目標識別和跟蹤任務，形成一致的打擊行動方案并記入集群控制鏈。在武器打擊階段，無人機集群中執行打擊任務的無人機從情報偵察鏈中獲得信息支撐，在智能合約的規則驅動下選擇合適的時機和位置進行武器發射和打擊。由于采用了區塊鏈技術，無人機集群的情報偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈的信息需要參與節點共同驗證才能生效，杜絕了外部虛假信息的介入，提高了無人機集群系統的安全性。此外，P2P組網的通信方式契合無人機集群的分布式架構，集群中的個別無人機損毀不會影響到無人機集群的整體任務的實施。

由于在無人機集群放飛前的任務規劃階段注入了區塊鏈智能合約，無人機集群能夠按照事先規劃的任務航線進行集群航線飛行，并能在智能合約的規則驅動下執行隊形變換、機動飛行、威脅規避、任務分配、目標打擊等任務。為了驅動無人機集群的群體智能涌現，文中將智能合約分為群體合約規則和單體合約規則兩部分。群體合約規則用于定義集群整體規則，如集群長機定義、編隊選擇、共用作戰圖生成、任務節點選擇等。單體合約規則用于定義個體無人機的規則，如平臺飛行控制、機動規則、保底自毀規則等。無人機集群在基于區塊鏈技術的群體合約規則和單體合約規則的共同驅動下完成復雜的作戰任務。

4 結束語

區塊鏈技術的發展將在一定程度上改變未來的戰爭形態和作戰樣式。本文在區塊鏈技術基礎上，重點研究分析了區塊鏈技術在無人機集群控制領域的應用，對我軍無人機集群的發展具有一定參考意義。

參考文獻：

[1]靳志偉.區塊鏈在工業控制領域的應用探討[J].信息技術與網絡安全，2019，38（10）：1-5.

[2]YANG W， AGHASIAN E， GARG S， et al. A survey on blockchain-based internet service architecture： requirements， challenges， trends， and future[J]. IEEE Access， 2019， 7： 75845-75872.

[3]ALI M， VECCHIO M， PINCHEIRA M， et al. Applications of blockchains in the Internet of things： a comprehensive survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2019， 21： 1676-1717.

[4]徐宏偉.區塊鏈在我國公共服務平臺應用研究綜述[J].科技創新與應用，2019，23：62-64.

[5]Neil B. Barnas. BLOCKCHAINS IN NATIONAL DEFENSE： TRUSTWORTHY SYSTEMS IN A TRUSTLESS WORLD[D]. Alabama： Maxwell Air Force Base， 2016.

[6]廉藺，朱啟超，趙炤.區塊鏈技術及其潛在的軍事價值[J].國防科技，2016，37（2）： 30-34.