無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的智能決策與對抗能力

張兆鑫　高興隆　馬建光

21世紀(jì)以來，世界無人作戰(zhàn)技術(shù)加速向前發(fā)展，帶動無人裝備應(yīng)用范圍不斷拓展、應(yīng)用層次不斷提升，部分已進(jìn)入主戰(zhàn)裝備，戰(zhàn)場應(yīng)對環(huán)境也正由低烈度沖突和低威脅環(huán)境向高強(qiáng)度交戰(zhàn)和中高威脅環(huán)境邁進(jìn)，對軍事領(lǐng)域各方面產(chǎn)生重要影響。面對日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境與戰(zhàn)場態(tài)勢，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的智能決策與對抗能力已成為世界主要軍事國家的重點發(fā)展方向。

信息化戰(zhàn)爭中，無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)器人、電子對抗裝備等武器逐漸融合智能，使戰(zhàn)場各類信息交織難辨，大大增加了感知元件收集有效情報的難度。智能態(tài)勢感知技術(shù)著眼于未來復(fù)雜、高度動態(tài)變化的戰(zhàn)場環(huán)境，建立以大量終端上的各類傳感器為核心的偵察監(jiān)視系統(tǒng)，通過高速戰(zhàn)場信息通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的情報傳輸系統(tǒng)，利用戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)、云計算、信息融合與共享、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)學(xué)建模等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)感知戰(zhàn)場態(tài)勢的瞬息變化，并進(jìn)行分析和判斷。無人機(jī)具備了智能態(tài)勢感知技術(shù)就如同獲得了耳目，能夠自主收集一定范圍內(nèi)的信息，在真正意義上與傳統(tǒng)裝備形成代差。“在這片森林中，他人就是地獄，就是永恒的威脅，任何暴露自己存在的生命都將很快被消滅。”《三體》的此言不僅能夠用來描繪宇宙的環(huán)境，還很好地形容了未來戰(zhàn)爭中感知能力的關(guān)鍵性。只有掌握了先進(jìn)的智能態(tài)勢感知技術(shù)，無人機(jī)才可能比敵方先一步偵測到位置，在被發(fā)現(xiàn)之前摧毀敵方武器裝備，同時保證自己的存活，以便于進(jìn)行下一步的作戰(zhàn)任務(wù)。此外，無人機(jī)高度智能化的前提就是智能態(tài)勢感知技術(shù)，一旦無法掌握目標(biāo)有效信息，無人機(jī)的智能決策便因缺少數(shù)據(jù)而無法展開。目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)挖掘、信息融合與共享、知識庫與專家決策系統(tǒng)、動態(tài)樹結(jié)構(gòu)、復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知與推理技術(shù)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)等手段實現(xiàn)能夠適應(yīng)智能無人機(jī)系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力。

無人機(jī)智能化態(tài)勢感知

在信息對抗技術(shù)日益更新的未來戰(zhàn)場中，網(wǎng)絡(luò)對抗、電子對抗勢必會滲透戰(zhàn)爭中的方方面面。因此，無人機(jī)離開人的遙控、自主執(zhí)行任務(wù)的情況將會成為常態(tài)，這便需要無人機(jī)根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢智能決策，在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中計算出最優(yōu)解。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)庫，無人機(jī)在感知戰(zhàn)場態(tài)勢后多線運算，將當(dāng)前情況與數(shù)據(jù)庫中的預(yù)設(shè)盡可能擬合，達(dá)到如同戰(zhàn)斗人員臨場決策的效果。智能自主控制技術(shù)主要包括智能化飛行控制技術(shù)、智能化火力控制技術(shù)和智能化任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，這些技術(shù)是實現(xiàn)未來無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展核心領(lǐng)域，是實現(xiàn)多機(jī)編隊、協(xié)同作戰(zhàn)的基礎(chǔ)。同時為了提高無人機(jī)智能自主控制的能力，提高對意外事件處理的應(yīng)對能力，還要開展集成自主系統(tǒng)的智能計算、智能目標(biāo)檢測與跟蹤、單無人機(jī)智能自主控制、多無人機(jī)系統(tǒng)智能協(xié)同自主控制、自主故障診斷和自主控制重構(gòu)等方面的研究。

完成態(tài)勢感知與智能決策后，無人機(jī)的對抗手段成為重中之重。經(jīng)過無人機(jī)作戰(zhàn)理論的不斷成熟，諸如無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)、人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)等新式戰(zhàn)法出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，并且取得令人矚目的戰(zhàn)果。世界軍事強(qiáng)國已經(jīng)預(yù)見到無人作戰(zhàn)的強(qiáng)悍威力，認(rèn)為其是未來智能化作戰(zhàn)的主力軍，將更多的資源投入到此領(lǐng)域。為了更好地完成作戰(zhàn)任務(wù)，多種無人機(jī)需要進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，此時數(shù)據(jù)共享、目標(biāo)分配、任務(wù)分擔(dān)、機(jī)次分組的合理統(tǒng)一化便尤為重要。在該過程中，智能協(xié)同交互技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，將可配置無人機(jī)作為一項因素加入智能決策中，使無人機(jī)突破算法的孤立性，在抵近偵察、精確打擊、保障補(bǔ)給方面具備協(xié)調(diào)有效的集群作業(yè)模式。智能協(xié)同交互技術(shù)的主要內(nèi)容包括：協(xié)同態(tài)勢感知技術(shù)、信息交互與通信技術(shù)、作戰(zhàn)云技術(shù)、智能決策與智能攻擊技術(shù)、集群協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)、學(xué)習(xí)與進(jìn)化智能技術(shù)等。

人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)

小精靈項目概念圖

蜂群作戰(zhàn)是智能決策與對抗在戰(zhàn)場運用的里程碑式戰(zhàn)法。無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)是由大量單功能或多功能無人機(jī)組成的，在交感網(wǎng)絡(luò)的支撐下，其節(jié)點具有交互與反饋、激勵與響應(yīng)等交感行為，屬于可通過單個平臺行為自主決策和平臺間行為協(xié)同最終實現(xiàn)能力涌現(xiàn)的自主式空中作戰(zhàn)體系。依據(jù)此概念，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)功能全面，通過信息交互和聚集協(xié)同實現(xiàn)群體智能行為，從而在態(tài)勢感知、整體防御、火力打擊、效果評估等方面形成集群優(yōu)勢。但蜂群的組成需要幾百、幾千甚至數(shù)以萬計的微型無人機(jī)，通過人工的控制幾乎無法實現(xiàn)，只能依靠構(gòu)建算法去處理源自無人機(jī)群的龐大信息。

為了真正實現(xiàn)蜂群作戰(zhàn)，無人機(jī)群各功能分區(qū)都需實現(xiàn)智能化改造。智能感知、智能武器系統(tǒng)、智能交互系統(tǒng)等共同構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到單機(jī)為基點、蜂群為系統(tǒng)的智能對抗的目標(biāo)，覆蓋三維空間，做到海陸空一體推進(jìn)。美軍將蜂群作戰(zhàn)作為軍隊發(fā)展的重要方向，接連啟動了小精靈、山鶉等小微型無人機(jī)項目，在技術(shù)上加快相關(guān)算法構(gòu)建，在實踐上提前為無人機(jī)的停靠與發(fā)射建設(shè)平臺。同樣，2016年11月，歐洲防務(wù)局啟動歐洲蜂群項目，加緊了蜂群作戰(zhàn)的智能化核心技術(shù)攻關(guān)。而在真正的戰(zhàn)場上，由智能決策支撐的蜂群作戰(zhàn)初出茅廬便銳不可當(dāng)。納卡沖突中，阿塞拜疆曾出動小型無人機(jī)蜂群對敵人進(jìn)行大規(guī)模殺傷。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，無人機(jī)蜂群在24小時內(nèi)便摧毀亞美尼亞方面坦克130輛、火箭發(fā)射系統(tǒng)50個、武裝車輛64部、防空導(dǎo)彈系統(tǒng)25個，還有S-300導(dǎo)彈、大批火箭炮、榴彈炮和裝甲車等。

蜂群覆蓋三維空間，做到海陸空一體推進(jìn)

然而，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)對于智能決策與對抗技術(shù)的要求極高，目前的算法水平尚不能滿足蜂群作戰(zhàn)的需要，大型無人機(jī)蜂群的構(gòu)建無法實現(xiàn)。鑒于數(shù)據(jù)鏈等通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)，無人機(jī)在從單元智能化作戰(zhàn)到集群智能化作戰(zhàn)的發(fā)展中演變出一個過渡階段，即人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)。通過戰(zhàn)斗人員的干預(yù)，無人機(jī)對戰(zhàn)場態(tài)勢的算法判斷復(fù)雜度降低。對于無人機(jī)智能化計算出的作戰(zhàn)方案，戰(zhàn)斗人員根據(jù)總體戰(zhàn)斗目標(biāo)進(jìn)行修正和調(diào)整，反饋給無人機(jī)，并人為預(yù)測戰(zhàn)場走向，幫助無人機(jī)確定下一步的任務(wù)執(zhí)行。此外，有人戰(zhàn)斗力量配備，令人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的武器裝備研發(fā)更平滑，可以在傳統(tǒng)裝備上進(jìn)行更新與改造。美陸軍首個雨型攻擊偵察營已于2015年3月組建完畢，具備有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力。同樣，俄羅斯國防部機(jī)器人技術(shù)科學(xué)研究試驗中心主任波波夫上校在“俄聯(lián)邦武裝力量機(jī)器人化”會議上稱：“在日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，無人裝備與有人裝備的協(xié)同作戰(zhàn)能力將成為未來俄軍無人作戰(zhàn)的一個重要發(fā)展方向。”

隨著時代的發(fā)展，各種高新技術(shù)武器層出不窮，使得戰(zhàn)場數(shù)據(jù)總量與環(huán)境變化不確定性急劇增大。無論是量的提升還是環(huán)境的改變，都增大了無人機(jī)收集戰(zhàn)場數(shù)據(jù)的困難，丟失部分信息是不可避免的。這就要求無人機(jī)具備在不完全的信息下通過算法擬合出完整模型的本領(lǐng)，即非完備信息的智能挖掘技術(shù)。在非完備信息的條件下，無人機(jī)面臨著對自身對抗環(huán)境的不確定性與對敵方意圖判斷的不確定性，極大增加了付出與收益的不對等程度。一旦決策失誤，無人機(jī)存活的可能性甚微。目前針對空戰(zhàn)信息不完備情況進(jìn)行有效處理的方法還較少，可以通過利用人工智能、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)庫、可視化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并揭示出大量數(shù)據(jù)中隱含的、先前未知的并有潛在價值的信息等，可為無人機(jī)有效攻防決策提供必需的信息，因而研究無人機(jī)非完備信息的智能挖掘技術(shù)具有較大的實際意義。

無人機(jī)挖掘地面信息

為了提升作戰(zhàn)效率與任務(wù)冗余性，降低資源的浪費，要求不同機(jī)種、不同功能的無人機(jī)相互協(xié)同合作完成不同類型和復(fù)雜程度的任務(wù)。如果把人的智慧與經(jīng)驗引入智能空戰(zhàn)系統(tǒng)的攻防決策計算回路中，利用人對模糊、不確定問題分析與響應(yīng)的優(yōu)勢，將高級認(rèn)知機(jī)制與無人機(jī)智能決策緊密耦合，可使兩者相互適應(yīng)、協(xié)同工作，并最終成“1+1>2”的增強(qiáng)智能形態(tài)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需從人類-自主無人系統(tǒng)集群交互的基本理論、自主無人系統(tǒng)集群和人類認(rèn)知模型、人機(jī)交互與協(xié)同、基于控制共享的人機(jī)合作等幾個方面入手。因此，開展基于混合增強(qiáng)智能的無人機(jī)群多目標(biāo)協(xié)同攻防決策技術(shù)相關(guān)研究，不僅可推動混合增強(qiáng)智能技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，也為未來戰(zhàn)場全維作戰(zhàn)環(huán)境下的智能決策提供了重要的參考。

以目前的技術(shù)水平，基于人機(jī)混合的決策技術(shù)更能提高作戰(zhàn)效能

隨著信息化技術(shù)的高速發(fā)展和先進(jìn)裝備的大量列裝，空戰(zhàn)智能化程度及戰(zhàn)場復(fù)雜程度和智能化程度愈來愈高，多無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)智能決策與評估問題已成為了爭奪戰(zhàn)場制空權(quán)亟需解決的問題，也是無人機(jī)自主空戰(zhàn)決策的關(guān)鍵問題之一。為了適應(yīng)協(xié)同作戰(zhàn)空戰(zhàn)環(huán)境中出現(xiàn)的態(tài)勢變化快、敵情復(fù)雜、敵我信息量大及模型復(fù)雜等問題，需建立詳細(xì)的評價指標(biāo)體系和評價模型，利用智能評估方法對無人機(jī)空戰(zhàn)攻防決策結(jié)果進(jìn)行評估，判斷是否需要二次決策，完成整個閉環(huán)的空戰(zhàn)過程，可降低作戰(zhàn)資源的浪費，從根本上提高多無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的作戰(zhàn)效能。目前的效能評估體系考慮了任務(wù)可靠度、雷達(dá)能力、數(shù)據(jù)鏈能力、協(xié)同攻擊能力、指揮控制決策能力以及飛機(jī)可用度等指標(biāo)，較全面地描述了無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的效能指標(biāo)。不過，該體系局限在單一無人機(jī)的作戰(zhàn)中，協(xié)同作戰(zhàn)、蜂群作戰(zhàn)的智能評估體系仍要持續(xù)研發(fā)與推進(jìn)。

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