無人系統核心架構綜述及標準化芻議

摘 要：近些年來無人系統民用和軍用領域發展突飛猛進，應用廣泛。本文從無人系統自主性、無人系統互操作性和無人系統協同三個方面對無人系統核心架構進行了梳理和總結。首先對無人系統核心技術，即自主性和互操作性進行了概念內涵、關鍵技術、互操作性標準體系和能力評估等方面進行論述；其次，結合國內外相關的研究和應用介紹了無人系統協作的發展現狀；最后從規范無人系統的發展和軍民融合發展角度提出相關標準化建議和思考。

關鍵詞：無人系統，自主性，互操作性，人機協同，跨域協同，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.17.011

Overview of Core Architecture and Brief Discussion of Standardization of Unmanned System

SUN Meng-nan

（Armed Police Force Research Institute）

Abstract： In recent years， unmanned systems in civil and military fi elds are developing rapidly and widely applied. This paper sorts out and summarizes the core architecture of unmanned systems from three aspects： autonomy， interoperability and collaboration of unmanned systems. Firstly， the paper expounds core technologies of unmanned systems， namely autonomy and interoperability， in terms of concept connotation， key technologies， interoperability standards system， and capability evaluation. Secondly， the paper introduces the development status of unmanned system collaboration， based on relevant research and application at home and abroad. Finally， the paper puts forward relevant standardization suggestions from the perspective of regulating the development of unmanned systems and military-civilian integration.

Keywords： unmanned system， autonomy， interoperability， human-machine collaboration， cross-domain collaboration， standardization

0 引 言

無人系統（Unmanned System，UMS）是指在主要部件上無需操作者的干預，完成指定任務的動力物理系統[1]。我國學者中楊巍等[2]認為無人系統是指無人駕駛/操控的、通過遙感/預編程操作或自主運行的、可搭載任務載荷進行各類民用或軍用工作任務的系統。按照活動的物理空間劃分，無人系統主要包括空中無人系統，如無人機系統或飛行器（UAS或UAV）；地面無人系統，如無人地面載具（UGV）；海上無人系統，如無人水面車輛（USV）和無人水下車輛（UUV）等。

近年來，隨著人工智能技術不斷取得突破，無人系統在軍用和民用領域的發展突飛猛進，應用廣泛，如軍用方面的海洋主權維護、搶險救災，民用方面的無人機噴灑農藥、無人機電網全自動巡檢、無人消毒等等。無人系統由于具有更強的性能、更出色的高危作業能力以及更低的成本，受到廣泛關注；自主性和機器人技術的進步成為無人系統發展的倍增器。

美國國防部發布的《無人系統綜合路線圖（2017—2042）》[3]中，重點強調了無人系統的互操作性、自主性、網絡安全和人機協同四項關鍵主題。從國內外的實踐來看，無人系統的自主性、無人系統的互操作性、無人系統的協同性是無人系統架構的重要核心。自主性將大大提高有人和無人系統的效能，互操作性是無人系統集成和操作的主要推動力，無人系統間的協同和人機協同是無人系統發展的最終目標，而互操作性、自主性是無人系統協同的關鍵支撐。

本文將從無人系統自主性、互操作性和無人系統協同三個方面論述無人系統架構研究與應用，并從標準化角度探討無人系統開展標準化工作的主要思路。

1 自主性

1.1 自主性概念

目前比較公認的關于無人系統自主性的定義，是由美國國家標準與技術研究院無人系統自主性等級特別工作組（ALFUS）提出的[1]，認為無人系統的自主性（Autonomy）是指無人系統擁有傳感、感知、分析、交流、計劃、決策和行動/執行的能力，并完成人類通過人機交互布置的指定的任務，是系統的自我管理能力。

國內學者也對無人系統自主性進行了廣泛的研究。劉佩林等[4]將無人系統自主性定義為無人系統實體對象根據對外部環境的感知以及對環境與自身的理解，在外部任務驅動下，實現獨立制定并選擇不同行動方案的能力。王菖等[5]強調了“自主”和“自動”的區別，認為“自動”是數據驅動的，沒有環境感知與自主決策的能力；而“自主”是信息甚至知識驅動的，具有感知、判斷、決策、行動的能力。

1.2 自主性技術

人工智能和機器學習是無人系統自主性的關鍵支撐技術。人工智能和機器學習可以使無人系統實現自主學習和決策，從而提升系統的自主等級，拓展并改進系統功能。在美國國防部最新一版的《無人系統綜合路線圖》[3]中，提出將主要采用以下方式來加速人工智能和機器學習技術的發展：發展云計算、VR和AR技術，以提升無人系統的決策能力和人機交互能力；加強與亞馬遜、蘋果等高科技公司的合作；建設專用軍事訓練數據；開展廣泛的學術交流活動；開發相關驗證方法等。

根據無人系統自主性定義，可以將無人系統自主性的關鍵技術分為態勢感知、自動規劃、策略學習等幾大方面。態勢感知主要是針對無人系統所感知的多維信息進行處理，理解與預測目標的未來態勢[6]。感知主要可分為導航感知、任務感知、系統健康感知和操作感知四類[7]。目前態勢感知方法主要包括基于專家系統的態勢感知方法、基于模板匹配的態勢感知方法、基于貝葉斯推斷的態勢感知方法和基于深度學習的態勢感知方法。

自動規劃主要從規劃論的視角，目的是提供全局目標和路線。目前的研究聚焦于如何通過在地圖規劃合理路線為智能體提供子目標。比較普遍的方法包括基于啟發式搜索的方法和基于深度強化學習的方法。策略學習主要基于機器學習、深度強化學習算法，通過與場景進行交互構建出環境狀態到行為決策的映射。

1.3 自主性評估方法

構建無人系統自主性評估體系和方法具有重要意義，可以為無人系統規劃提供方向性指導，幫助系統研發人員進行系統性能衡量，評估系統能力等。目前比較經典的自主性評估方法主要有ALFUS框架，其他學者也提出了不同的自主性評價方法，如蛛網評價模型[8]、模糊評價方法[9]、公式法[10]等。

ALFUS框架由美國國家標準與技術研究院無人系統自主性等級特別工作組提出[1]，從任務復雜性（MC）、環境復雜性（EC）和人的獨立性/自主水平（HI）三個方面/軸來衡量無人系統的自主程度，每一個維度各有一套指標體系，如圖1所示。通過三維坐標的方法對無人系統的自主等級進行綜合評價。對一個無人系統進行自主性評估時，首先對任務進行逐級分解，根據詳細模型中對三個維度等級的具體描述為其分配權值，將其自主性等級線性化為0-10的一個范圍，最終得出評估結果。

根據ALFUS框架，將無人系統自主性級別分為0-10級，如圖2所示?？傮w來看，可以將無人系統的自主性分為低、中、高三個水平。低自主水平指在簡單環境中控制簡單任務；中自主水平指計劃并執行操作員指定的任務，對環境和作戰變化及信息的理解和反應有限；高自主水平指可以完成所有高復雜性的任務，能夠完全獨立于操作員的干預。

2 互操作性

2.1 無人系統互操作性概念

互操作性的概念源于信息系統領域，其本質是實現異構系統之間的信息交換能力[11]。電氣與電子工程師協會（IEEE）將互操作性定義為兩個或多個系統或組成部分之間交換信息以及使用已交換信息的能力[12]。美國國防部認為互操作是系統、單元或軍隊其他系統之間提供/接收服務，并協同高效合作的能力[13]。我國國家軍用標準《軍事信息系統互操作性等級與評估》（GJB/Z 144A—2015）認為，互操作性是“兩個或兩個以上系統或應用之間交換信息并相互利用所交換信息的能力”[14]。這些概念都強調了系統之間的信息交換。

互操作性是無人系統的技術基礎，能夠加速無人系統間的信息傳輸以及信息收集者、決策者、規劃者和作戰人員之間的信息傳輸，可以提高信息共享能力，促進作戰系統間的相互協作，從而帶來更高的財政效率和作戰效果?；ゲ僮餍允菍崿F有人-無人系統協同和跨域無人系統協同的基礎。

2.2 互操作標準體系

一些國際組織和國家對無人系統互操作性制定了相關標準體系。其中，北約發布的《用于北約無人機互操作性的無人機控制系統標準接口》（NATO STANAG）系列標準[15]是代表性的無人系統互操作性標準。該系列標準事實上已經成為國際上度量無人機互操作性的主要標準。STANAG標準從數據格式、接口要求和通信協議四個方面定義了互操作性標準。

美國參與并使用NATO STANAG系列標準，強調互操作性的五項關鍵支撐因素，包括通用/開放架構、模塊化/互換性、能力驗證、數據傳輸和數據規范。

國際標準化組織/國際電工委員會第一聯合技術委員會物聯網及應用分技術委員會ISO/IEC JTC1/SC 41制定了《物聯網系統互操作性》（ISO/IEC 21823），主要包括框架、傳輸、語義、句法、行為和策略互操作。

我國學者王文峰等[16]在國外標準體系的基礎上，提出了一個互操作標準架構，包括框架、機載數據格式、通信鏈路協議、控制系統接口、信息交換模型、協同信息處理、邊緣計算和測試驗證。

2.3 互操作關鍵技術

根據美國國防部發布的《無人系統綜合路線圖》[17]，無人系統互操作所涉及到的關鍵技術主要包括通用/開放架構；模塊化/部件互換性；能力驗證；數據傳輸和數據安全。吳立珍等[18]根據互操作能力生成方式梳理了關鍵技術之間的邏輯關系。自底向上的方式是基于數據、接口、傳輸協議的標準化及軟硬件的模塊化，支撐形成信息傳輸的能力；自頂向下的方式是基于互操作的系統架構和模型等，支撐形成任務協同等能力。無人系統的能力驗證是系統間相互信任的基礎。

本文構建了無人系統互操作性關鍵技術支撐架構，如圖3所示。通用/開放體系架構對于指導無人系統之間的協同起到引導作用，目的是使無人系統在任務空間或操作領域內可以使用共同的標準或服務?；ゲ僮黧w系框架應包含多個視角，如國防部體系結構框架（DoDAF）的操作、系統、服務、數據與信息視角。開放式的體系設計將允許同時控制和集成多個平臺，包括跨領域操作。

互操作標準體系和軟硬件的模塊化/部件互換性是無人系統之間信息交互的基礎。實現互操作的基礎是子系統之間需要使用通用語言進行消息傳輸，這需要標準協議和模塊化接口的支持。根據STANAG標準，對無人系統互操作的數據格式、接口要求和通信協議進行規范。模塊化/部件的互換性可以有效降低系統互操作的困難，實現軟硬件的柔性升級，提高共享能力和系統防護。

進行系統之間互操作的前提是對系統自主性能力進行評估。通過對系統的測試、評估、驗證和確認（TEVV）確定無人系統的自主能力和互操作能力。近年來，美國、英國、法國等北約國家紛紛加大對無人系統的互操作能力驗證力度[18]。2011年美國陸軍進行了有人與無人系統集成能力（Manned Unmanned System Integrated Capability，MUSIC）項目的綜合演練，展示了有人直升機和無人機系統編隊間的互操作性和系統集成能力[17]。

系統互操作會帶來數據量的指數級增加，這產生了數據挑戰。需要改進數據策略，整合大量的數據信息，提高數據交換、處理、和分析的速度，為工作人員提供及時的決策質量信息。此外，數據安全性是無人系統的基本保障，系統互操作過程涉及到各系統間數據權限的問題，既要能支持系統在整個生命周期中的信息交互，提高系統互操作的靈活性，又需確保系統數據和信息的安全性，保證最大化的任務支撐。

3 無人系統協同

3.1 人機協同

隨著信息化和智能化的飛速發展，無人系統協同成為無人機應用形式的新變革。從目前的應用現狀來看，無人系統協同在軍用領域的應用經驗更多、技術也更先進一些。由于目前無人系統的自主化和智能化水平有限，不能完全代替人的思維和決策，有人-無人系統協同將成為新型戰場中主要作戰模式[19]。有人-無人系統協同是指人類操作員與無人系統通過信息、資源等方面的共享和優化，對任務進行理解和分析，進而完成協調一致的作戰行動。人機協同作戰的本質是將人與無人系統有機融合，形成優勢互補、能力相濟的新型高效作戰體系[20]。

例如，在空中作戰領域，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在2015年提出體系集成技術及試驗（System of Systems Intergration Technology and Experimentation，SoSITE）項目[21]，通過分布式航空作戰的架構和技術集成工具，將航空作戰能力分布于有人和無人平臺上，以提高整體作戰效能。其中，有人戰機充當指揮平臺，無人機等進行情報搜集、監視偵查、干擾等；機載計算機結合信息資源制定作戰方案，供飛行員決策；低成本武器可進行“蜂群”式攻擊。這種人機協同作戰體系可以大大提升航空作戰能力和效率。

目前人機協同涉及到的關鍵技術主要包括分布式協同控制體系架構技術、任務理解一致性技術、智能決策技術等。分布式協同控制體系結構是人機協同作戰系統的“骨架”，相同領域甚至不同領域的人機系統必須能夠跨領域、無縫操作，才能最大程度發揮整體的潛能。任務理解一致性是人機協同作戰的前提，只有充分理解用戶指令，才能使無人系統的能效充分發揮。人機融合的協同決策技術是人機協同最高等級的能力的體現，需要將作戰人員對復雜、不確定環境的判斷與無人系統強大搜索計算能力有機結合，進而快速形成最優方案。

3.2 無人系統跨域協同

無人系統間的協同主要包括同域無人系統協同作戰及跨域無人系統協同作戰[22]。隨著軍事技術的飛速發展和復雜環境的快速變化，無人系統同域協同已無法滿足當今作戰需求，無人系統跨域協同的重要性逐漸凸顯，也逐漸為各個國家廣為運用。無人系統跨域協同是指陸、海、空等可在不同空間內運行的、多個無人系統組成有機整體，其相互間可通過信息傳輸、行為交互、任務協同等實現能力互補和效能提升[23]。

目前美國等國家先后進行了無人系統跨域協同戰略規劃、技術創新、項目試驗等[21]。如在海上軍事領域，DARPA于2015年發布了跨域海上監視與目標捕獲（CDMaST）項目[24]，旨在構建面向海洋的跨域協同體系。

4 總結與標準化啟示

隨著人工智能等相關技術的快速發展，無人系統自主性、互操作性與系統協同性將會得到長足發展，在民用和軍用領域的重要性逐漸凸顯。現階段，我國無人系統應用領域不斷擴大，軍用領域方面進一步提高軍事行動的效率和安全性，民用領域如森林火災監測、農業農田管理等產業應用更加活躍和多元化。這些發展對無人系統標準化工作提出迫切需求，以更好規范無人系統在不同應用場景下的有序發展。

近些年來，我國在無人系統方面開展了通用要求、試驗規程、信息傳輸等相關標準的制定和研究，如GJB 2347-1995《無人機通用規范》、GJB 9167-2017軍用無人值守雷達通用規范、HB/ Z20013-2012無人駕駛飛機氣動布局設計指南等；主導制定并發布無人機領域國際標準4項，在編國際標準9項，如兩項民用無人機領域國際標準ISO 4358：2023《民用多旋翼無人機系統試驗方法》和ISO 24352：2023《輕小型無人機用電動能源系統技術要求》等，但是缺少從無人系統架構角度的整體布局和統籌考慮，筆者建議聚焦以下三方面，進一步加強標準化工作對無人系統發展的技術支撐。

4.1 注重無人系統的頂層規劃，推進無人系統協作的體系化和標準化

無人系統的協同作戰逐漸成為各國在軍事領域關注的重點。美、法、德、歐盟等國家和國家聯盟紛紛開展多項無人系統跨域協同和人機協同項目[23]，構建無人系統協同的頂層架構。依托無人系統的自主能力和互操性能力，美國等國家相繼推出人機協同作戰項目和跨域協同作戰項目，進行戰略規劃和測試驗證，不斷完善新型作戰藍圖，提高作戰能力。無人系統協同涉及多領域、跨學科，需要借鑒系統學等理論框架，構建體系化和標準化的模型架構，為無人系統的建設和發展提供指導方向。

4.2 建立無人系統能力評價模型，制定無人系統能力驗證系列標準

目前我國在國家軍用標準中對軍事信息系統互操作性等級進行了規范[25]，但缺乏軍用無人系統的自主能力評價標準模型。無人系統包含信息層面和行為層面，目前信息系統等級模型無法涵蓋對高等級無人系統在平臺控制、載荷操作等行為層面的評價。建立考慮人-機-任務-環境空間耦合的復雜性，定性和定量相結合的自主能力評價標準模型，并聚焦無人系統能力驗證系列標準的制定，不但有力提升無人系統互操作性，而且通過系統能力驗證來確認互操作對象的安全性。

4.3 構建動態開放的無人系統軍民通用標準體系，實現制度型開放

無人系統在整體上雖還處于初級發展階段[26]，但在軍用和民用領域的廣泛應用已展現出巨大的發展潛力和社會價值，是實現智能化社會和現代化國防的關鍵支撐，也是落實軍民通用體系的重要應用領域。目前，我國無人系統軍民通用標準體系的建設頗為不足，需要構建動態開放的軍民通用標準體系，研制無人系統軍民共性技術標準，有效減少社會資源的浪費，降低先進技術的交流門檻，促進軍民深度融合。同時，在構建無人系統軍民通用標準體系時，要積極開展“走出去”行動，緊跟國際步伐，加大參與國際標準制定或轉化國際標準為國內標準，掌握科技和產業應用的主動權和話語權。

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作者簡介

孫夢男，博士，助理研究員，主要研究方向為標準規范，新質裝備和新型系統運用。

（責任編輯：張佩玉）