智能博弈趨勢下未來空天防御體系展望

王波蘭

（上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

軍事智能化是以人工智能技術為代表的前沿科學技術向軍事領域滲透應用，全面提升智能化條件下軍隊作戰(zhàn)能力的過程。通過對裝備的智能化賦能，使裝備具備類人的“智能行為”，能夠自適應感知戰(zhàn)場變化，自主識別決策、自主協(xié)同打擊、自主學習升級等，極大提升作戰(zhàn)效能。隨著人工智能在軍事領域中的不斷應用，智力必將超越火力、信息力等成為決定戰(zhàn)爭勝負的最關鍵因素，從機械化戰(zhàn)爭以物釋能、信息化戰(zhàn)爭以網(wǎng)聚能，上升到智能化戰(zhàn)爭以智馭能，推動戰(zhàn)爭體系的深刻變革，從而改變部隊編成、作戰(zhàn)樣式和作戰(zhàn)思想［1］。

空天防御體系作戰(zhàn)時間敏感性強、技術要求高、協(xié)同難度大、系統(tǒng)構(gòu)成冗雜，對應用人工智能技術的需求迫切［2］。未來空天防御體系發(fā)展需要將智能化要素融入其中，催使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外在形態(tài)都發(fā)生深刻變化，形成以智能體單元為節(jié)點、動態(tài)聚優(yōu)網(wǎng)絡為基礎、智能博弈決策為核心的智能化空天防御體系，凝聚和釋放出更大作戰(zhàn)效能。

1 智能軍事科技在空天防御體系的應用優(yōu)勢

人工智能技術在許多領域上取得成功，深度學習的研究促進了自動駕駛、圖像識別的突破；自然語言處理的進步改善了信息檢索、個性推送、知識理解等應用。將智能化技術應用在空天防御體系中，可解決復雜戰(zhàn)場態(tài)勢預判、強干擾環(huán)境探測識別、集群對抗任務籌劃、異構(gòu)彈群協(xié)同制導、靈巧精準殺傷等難題，大幅提升體系效能。人工智能技術在空天防御體系中的應用優(yōu)勢見表1。

表1 空天防御中人工智能與傳統(tǒng)技術優(yōu)勢比較Tab.1 Comparison of the advantages between artificial intelligence and traditional technology in aerospace defense system

1.1 有效破解戰(zhàn)爭迷霧，深入挖掘威脅目標屬性

隨著空天打擊武器性能的不斷攀升，電磁、氣象等戰(zhàn)場環(huán)境的日趨復雜，高速、隱身、集群飽和等來襲目標（如圖1 所示）會對態(tài)勢感知系統(tǒng)帶來巨大壓力［3］。基于多源廣域的智能感知技術，能有效聚合天、空、地、海預警偵察體系，實現(xiàn)對不同方向、不同維度、不同類型目標的全方位、多手段與高精度的預警監(jiān)視，并對戰(zhàn)場態(tài)勢進行理解和預測。通過大數(shù)據(jù)驅(qū)動的深度學習技術，革新傳統(tǒng)戰(zhàn)場感知機制，深入挖掘目標深層屬性，實現(xiàn)軍民識別、敵我識別和關鍵部位的精細化識別，進一步完成目標威脅估計、作戰(zhàn)行動預判和未來戰(zhàn)況走向預估等，支撐指揮決策從信息域向認知域跨越。

圖1 集群飽和來襲目標示意圖Fig.1 Schematic diagram of incoming targets with cluster saturation

1.2 深刻變革制勝機理，極大提升決策博弈效率

空天防御作戰(zhàn)具有高動態(tài)、非完全信息博弈、強不確定性等特點。傳統(tǒng)指揮控制作戰(zhàn)決策鏈路長，規(guī)則相對固化，方案裕度低。而智能決策博弈技術通過探索規(guī)則不固定、信息不完全等情況下作戰(zhàn)方案快速尋優(yōu)和推演，實現(xiàn)作戰(zhàn)單元部署、火力配置優(yōu)化、目標分配和殺傷效果評估等決策支持，并根據(jù)指揮員意圖快速進行任務分析籌劃和行動動態(tài)調(diào)整，極大縮減以指揮員為核心的作戰(zhàn)決策時間，提高空天防御作戰(zhàn)的決策博弈效率，實現(xiàn)制勝機理的深刻變革。

1.3 顛覆傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式，大幅提升防御作戰(zhàn)效能

傳統(tǒng)攔截武器作戰(zhàn)空域有限，性能相對固定，協(xié)同程度低［4］。發(fā)展以跨空域作戰(zhàn)、分布式協(xié)同、多任務變構(gòu)形、智能靈巧毀傷等特征為代表的智能防御手段，能夠打破原有空天防御作戰(zhàn)的物理界限、控制邏輯和作戰(zhàn)規(guī)則，顛覆傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式，有效應對新型作戰(zhàn)威脅。未來智能空天防御武器可根據(jù)飛行環(huán)境、飛行剖面和作戰(zhàn)任務的不同進行自主變形和能量優(yōu)化，對其自身飛行特性進行智能調(diào)節(jié)，大幅擴展防御范圍，提升防御作戰(zhàn)效能。

2 國外空天防御體系智能化發(fā)展特點

空天防御體系是由承擔空天一體化防御任務的各種武器裝備、部隊編成和戰(zhàn)場設施構(gòu)成的有機整體，涉及廣域多類預警探測、火力攔截智能體的一體化調(diào)配與銜接。對這樣一個高技術密集的復雜系統(tǒng)進行智能化提升［5］，不能一蹴而就，美軍在推進人工智能軍事應用中主要采取了體系需求牽引、資源優(yōu)勢整合、技術創(chuàng)新賦能等舉措，具有重要借鑒意義。

2.1 以需求牽引空天防御體系智能賦能

隨著當前威脅環(huán)境的變化和“全球戰(zhàn)略”的不斷推進，美軍在不斷提升武器單裝效能的同時，以現(xiàn)有導彈防御體系為基礎，通過智能軍事技術賦能和頂層架構(gòu)調(diào)整，充分提升體系整體的作戰(zhàn)彈性和效能，優(yōu)化區(qū)域、國土乃至全球的智能化空天防御體系，形成對傳統(tǒng)彈道導彈及新威脅的一體化智能化防御能力。美軍以指揮控制/作戰(zhàn)管理和通信一體的反導指揮控制系統(tǒng)（Command and Control，Battle Management and Communications，C2BMC）為智能中樞打造智能化國土防御體系，如圖2 所示，將部署于全球的防御裝備和遍布陸、海、空、天的預警探測系統(tǒng)進行智能動態(tài)聚優(yōu)，擴大探測和交戰(zhàn)能力，從而實現(xiàn)各類傳感器和防御武器的最佳協(xié)同配合，推進空天防御體系的智能化提升［6］。

圖2 美軍國土防御體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the land defense system of the US army

2.2 整合優(yōu)勢資源推動智能軍事技術創(chuàng)新

為高效發(fā)展和推動人工智能技術的軍事應用，保持技術與作戰(zhàn)優(yōu)勢，需整合資源、建設優(yōu)勢部門，加速智能化軍事應用的步伐。美國國防部2017 年4 月簽發(fā)了關于成立“算法戰(zhàn)跨職能小組”的備忘錄。目前，該小組已經(jīng)開發(fā)出成套的智能算法，標志著“算法戰(zhàn)”已經(jīng)從概念逐步走向?qū)嵺`，加速了人工智能、大數(shù)據(jù)和機器學習等關鍵技術在軍事領域的應用。同時，為了整合國防部人工智能研究的人才和技術資源，加速擴大軍事領域中人工智能的應用，2018 年6 月，美國國防部宣布成立聯(lián)合人工智能中心，旨在加快國防部交付人工智能的能力，將人工智能應用于“一系列密切相關的、緊迫的聯(lián)合挑戰(zhàn)”領域。

2.3 智能技術創(chuàng)新與裝備迭代升級并重

目前尚未完全實現(xiàn)自主智能的導彈，但以美國為代表的軍事強國所研制的導彈武器已經(jīng)具備了未來智能導彈的一些初步技術特征，其中最為著名的當屬隱形亞聲速巡航導彈LRASM，如圖3 所示。其最大特點是智能化程度高，在天基中繼制導信息支持的情況下可進行自主導航和精確末制導，突入敵方防御系統(tǒng)，對特定目標進行智能識別和精確打擊［7］。此外，為了應對更復雜多樣的導彈威脅，美軍不斷升級迭代其防御武器系統(tǒng)核心算法，擴大算法優(yōu)勢。例如“宙斯盾”系統(tǒng)正進行基線10 升級測試，未來將整合SPY-6（AMDR）雷達、Link-16/CEC 數(shù)據(jù)鏈、“標準”系列導彈（SM-3、SM-6 等），提升彈道導彈防御能力，擴大探測防御范圍，突出編隊體系化防御能力。

圖3 LRASM 作戰(zhàn)場景圖Fig.3 Combat scene of LRASM

3 未來空天防御體系智能化發(fā)展設想

未來智能空天防御體系主要具備動態(tài)資源智能聚優(yōu)、空天態(tài)勢智能認知、作戰(zhàn)方案自主決策、智能全域火力攔截等特征，依托分布式的智能體系架構(gòu)，結(jié)合地海空天廣域作戰(zhàn)資源的智能關聯(lián)重組，不改變部署即可動態(tài)調(diào)整防御重點，匹配威脅態(tài)勢并增強防御體系交戰(zhàn)規(guī)模，最終實現(xiàn)偵察預警自主靈敏，指揮控制智能高效，火力打擊自主協(xié)同。

3.1 未來智能空天防御體系主要特征

1）動態(tài)資源智能聚優(yōu)。

傳統(tǒng)防御體系以樹狀剛性架構(gòu)為主，各節(jié)點間關系相對固定，無法形成以信息共享為基礎，多武器平臺、多傳感器節(jié)點與指控節(jié)點構(gòu)成的有機作戰(zhàn)體系。

未來空天防御體系是融合信息、決策、火力的智能綜合體，其體系架構(gòu)如圖4 所示。基于多智能體行為特征和交互方式，通過智能體之間的數(shù)據(jù)交互、動態(tài)自適應組網(wǎng)、多平臺信息融合及作戰(zhàn)任務分配，實現(xiàn)分散平臺在時間、空間、功能上的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，具有體系開放、彈性互聯(lián)、動態(tài)重構(gòu)、自組織協(xié)同等特征。在體系架構(gòu)設計中納入分散式體系結(jié)構(gòu)理念，實現(xiàn)彈性與分散式防御體系結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性、抗毀性與修復性。通過排列組合廣泛分布的作戰(zhàn)要素來構(gòu)成可能的殺傷鏈，殺傷鏈可以根據(jù)需要多次解體、重構(gòu)，甚至變更某些功能單元以適應臨時任務，具備動態(tài)演進特征。

圖4 智能空天防御體系架構(gòu)Fig.4 Architecture of intelligent aerospace defense system

2）空天態(tài)勢智能認知。

未來空天防御體系將陸海空天網(wǎng)等不同體制、頻域的各種偵察感知裝備進行態(tài)勢融合，從而形成全域、全頻、全時的分布式戰(zhàn)場感知體系，確保各作戰(zhàn)單元從不同空間、距離、頻率精確獲取所需情報信息，支撐對戰(zhàn)場態(tài)勢的理解、分析、推理、決策［8-9］。

未來空天態(tài)勢智能感知模型（如圖5 所示）由戰(zhàn)場態(tài)勢探測分析、人在回路決策執(zhí)行、學習模型智能迭代等部分組成。通過深度學習算法對戰(zhàn)場態(tài)勢模型數(shù)據(jù)庫內(nèi)的有效資源進行特征提取以及整合聚類，建立與實際作戰(zhàn)環(huán)境相似度高的態(tài)勢感知模型，為空天防御的態(tài)勢分析、理解提供依據(jù)；同時以多域傳感器和情報系統(tǒng)的信息融合作為態(tài)勢觀察的基礎，將獲得的綜合信息與學習模型的典型特征進行匹配，從而達到對實時戰(zhàn)場環(huán)境的態(tài)勢預測，為作戰(zhàn)方案快速謀劃和動態(tài)調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎。

圖5 智能空天防御體系態(tài)勢認知模型Fig.5 Situation cognition model of aerospace defense system

3）作戰(zhàn)方案自主決策。

空天防御體系核心是指揮控制、作戰(zhàn)管理和通信系統(tǒng)，以時間約束的方式將防御作戰(zhàn)各智能體串聯(lián)，實現(xiàn)感知智能體群和火力智能體群之間的協(xié)同配合，主要包括傳感器資源和火力資源任務規(guī)劃，以構(gòu)建動態(tài)全局尋優(yōu)的防御作戰(zhàn)網(wǎng)［10］。

未來空天防御自主決策模型可由信息綜合處理、作戰(zhàn)任務規(guī)劃、智能博弈對抗等部分組成，如圖6 所示［11］。信息綜合處理模塊在對目標探測跟蹤基礎上，分配出多個數(shù)據(jù)校準任務序列來匹配和更新目標數(shù)據(jù)庫，推演出目標航路軌跡和威脅意圖。作戰(zhàn)任務規(guī)劃模塊自主規(guī)劃出最優(yōu)作戰(zhàn)決策方案，分發(fā)給中繼跟蹤系統(tǒng)和火力攔截系統(tǒng)。為適應以認知決策為核心的“決策中心戰(zhàn)”需求，發(fā)展自博弈訓練和對抗博弈數(shù)據(jù)庫等技術，實現(xiàn)作戰(zhàn)方案動態(tài)博弈調(diào)整和協(xié)同優(yōu)化能力。

圖6 智能空天防御體系自主決策模型Fig.6 Independent decision making model of intelligent aerospace defense system

4）智能全域火力攔截。

未來空天防御火力體系可探索發(fā)展新型導彈防御能力和多手段區(qū)域拒止防空能力，構(gòu)建弧段銜接、空域聯(lián)合的智能全域攔截系統(tǒng)，實現(xiàn)對多樣化目標的一體化智能化防御。

智能武器通過模塊化設計、自適應變構(gòu)形、最優(yōu)能量管控、智能感知探測等技術，可根據(jù)目標類型、遭遇條件和環(huán)境條件，自主調(diào)整飛行包絡和攔截任務，做到毀傷效果最大化［12］。

此外，為應對蜂群作戰(zhàn)概念，在單武器智能化基礎上發(fā)展群體智能。攔截組網(wǎng)編隊可實時生成目標群威脅清單，利用網(wǎng)間數(shù)據(jù)交互，動態(tài)調(diào)整組網(wǎng)內(nèi)防御單元進行群目標鎖定與毀傷，如圖7所示。

圖7 多目標殺傷器概念圖Fig.7 Concept diagram of multi-objective weapon

3.2 未來空天防御體系智能化發(fā)展階段設想

1）技術創(chuàng)新，實現(xiàn)空天防御體系局部智能化提升。第1 階段，以空天防御體系局部智能提升為主要任務，以現(xiàn)役或在研武器系統(tǒng)智能化賦能為主要標志。此階段以單項技術創(chuàng)新和作戰(zhàn)樣式演進為研究核心。以分布式協(xié)同態(tài)勢感知技術、基于深度學習的抗干擾技術和智能火力攔截技術為突破重點，實現(xiàn)復雜戰(zhàn)場全域感知、多頻域自適應抗干擾和攔截策略自籌劃能力［13］，實現(xiàn)防御體系局部智能化特征的涌現(xiàn)。

2）集成融合，初步構(gòu)建空天防御體系智能化架構(gòu)。第2 階段，以空天防御體系的初步智能化為主要任務，以智能防御體系主體架構(gòu)建立為主要標志。此階段將以決策博弈與武器系統(tǒng)的集成融合為發(fā)展方向。通過自博弈訓練、智能組網(wǎng)對抗等技術，提升決策博弈系統(tǒng)在體系化對抗時的作戰(zhàn)能力，形成實時可靠的智能博弈對抗體系。通過傳感器網(wǎng)絡與武器網(wǎng)絡深度融合，動態(tài)調(diào)整感知和攔截資源，提升體系智能化水平，支撐防御體系向智能體系化協(xié)同防御轉(zhuǎn)變。

3）全域協(xié)同，全面完成空天防御體系智能化升級。第3 階段，以空天防御體系完全智能化為主要任務，以作戰(zhàn)體系全域智能網(wǎng)絡構(gòu)建為主要標志。此階段發(fā)展多平臺態(tài)勢感知預警網(wǎng)絡，通過各感知智能體的彈性互聯(lián)和密切協(xié)同，提升空天戰(zhàn)場全維態(tài)勢理解和戰(zhàn)場預測能力。同時，推進攔截智能體向變構(gòu)形、變空域防御方向轉(zhuǎn)變，并以集群智能攔截博弈為核心框架，構(gòu)建全時預警、全域覆蓋的空天作戰(zhàn)智能防御網(wǎng)。

4 空天防御智能化關鍵技術

為應對未來日趨嚴重的智能武器突防威脅，加快智能化空天防御體系發(fā)展，增強空天防御體系作戰(zhàn)效能，可通過深化人工智能技術在體系集成、態(tài)勢感知、指揮決策、火力攔截等方面的轉(zhuǎn)換應用，從而提升傳統(tǒng)空天防御體系作戰(zhàn)效能。為此，需要重點發(fā)展以下關鍵技術：

1）防御體系要素動態(tài)管理與功能重構(gòu)技術。

未來空天防御體系面向不同平臺和不同任務，發(fā)展防御體系要素動態(tài)管理與功能重構(gòu)技術，以通信和網(wǎng)絡集成技術為基礎，通過體系內(nèi)各種傳感器、通信網(wǎng)絡、指揮控制系統(tǒng)、火力單元等要素解耦，將各個要素聚合成高動態(tài)性、高適應性的防御體系，從而主導作戰(zhàn)優(yōu)勢。通過開放式可重構(gòu)的智能化架構(gòu)、智能要素集合和軟件模塊復用技術，使硬件模塊可替代、軟件復雜度可裁剪和整體結(jié)構(gòu)可擴展，通過參數(shù)配置和軟件重構(gòu)實現(xiàn)任務及功能的重構(gòu)。

2）分布式協(xié)同態(tài)勢感知預警技術。

戰(zhàn)場態(tài)勢感知預警技術通過發(fā)展表示學習和可視化、小樣本學習、態(tài)勢感知云、集成學習等技術將遍布陸、海、空、天各領域的傳感器組建成彈性松耦合的智能傳感器網(wǎng)絡，通過智能感知與組網(wǎng)技術，對能夠引起作戰(zhàn)態(tài)勢發(fā)生變化的安全要素進行分布式、多維度的獲取、理解和顯示，從而形成強有力的預警信息網(wǎng)，提高態(tài)勢感知的準確度與決策效率。

3）基于目標特性認知的探測技術。

為應對未來復雜空天戰(zhàn)場環(huán)境下多種新型威脅目標和新型干擾技術，需開展多源信息融合的探測技術，以基于目標多維光學/射頻特征認知的特征信息融合技術和基于自編碼的目標識別技術為發(fā)展重點，通過對重點區(qū)域的威脅目標進行在線學習，獲取多類目標典型特征，自動建立并完善目標特性數(shù)據(jù)庫，從而迭代增加數(shù)據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點，強化對新型威脅的細節(jié)認知。

4）基于強化學習的智能對抗博弈技術。

在信息不完備、裝備參數(shù)不確定等復雜戰(zhàn)場環(huán)境下，采用基于強化學習的博弈對抗訓練與基于貝葉斯理論的制勝要素聯(lián)合優(yōu)化等智能方法，研究群組智能化協(xié)同作戰(zhàn)體系，通過仿真推演自博弈訓練、分布式智能體組網(wǎng)對抗等手段，提升單智能體和多智能體的集群協(xié)同動態(tài)博弈水平［14］。通過強化單元和周邊環(huán)境交互以尋求最優(yōu)化作戰(zhàn)方案，縮短OODA（Obseration，Orientation，Decision，Action）循環(huán)周期，大幅提升作戰(zhàn)效能。

5）智能變形聚合技術。

隨著軍事科技的迅猛發(fā)展和空天一體化進程的快速推進，傳統(tǒng)作戰(zhàn)空域已逐步擴展到太空和鄰近空間等新領域，因此需要發(fā)展以飛行任務、速度和環(huán)境等要素判斷的智能變形聚合技術，其飛行器示意圖如圖8 所示。可采用形狀記憶合金、壓電陶瓷等智能材料、可變形結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)導彈結(jié)構(gòu)外形變化，自適應動態(tài)改變彈體氣動特性，也可通過伸縮翼或柔性可變形充氣翼改變氣動外形，以不同的氣動布局形式滿足不同的飛行任務，實現(xiàn)大空域、寬速域作戰(zhàn)環(huán)境下的多域作戰(zhàn)能力。

圖8 智能變結(jié)構(gòu)飛行器示意圖Fig.8 Schematic diagram of the intelligent variable structure aircraft

6）多武器協(xié)同攔截技術。

針對未來體系對抗條件下單武器作戰(zhàn)效能不斷下降的問題，多武器協(xié)同攔截技術通過合理有效的協(xié)同策略，對作戰(zhàn)資源統(tǒng)籌管理配置，提高防御系統(tǒng)的攔截概率［15］。主要發(fā)展基于移動預測的鏈路穩(wěn)定性的路由技術、基于信道感知的多通道快速接入技術和基于自組網(wǎng)協(xié)同通信的高精度時頻同步技術。利用網(wǎng)間協(xié)同實現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)交互，保證對目標誤差散布區(qū)域的有效覆蓋；通過對網(wǎng)間數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)動態(tài)拓撲，實現(xiàn)信息高速度、低延遲互傳，提高其在復雜電磁環(huán)境下對群目標的防御效能。

5 結(jié)束語

新時代空天防御面臨多維度高強度體系對抗，需以軍事智能科技為主軸，布局推動我國空天防御體系創(chuàng)新超越發(fā)展。本文在分析軍事智能應用優(yōu)勢和國外智能化發(fā)展特點的基礎上，提出了未來智能空天防御體系發(fā)展設想、主要階段和關鍵技術，旨在推進我國空天防御體系智能化演進，保證我國未來空天安全。