學(xué)報(bào)：一種無人集群系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)（上）無人集群及其仿真技術(shù)要素分析

（2）以激發(fā)工作機(jī)制進(jìn)行通信；

（3）個(gè)體行為規(guī)則簡(jiǎn)單；

（4）系統(tǒng)組織機(jī)制是自組織的。

受上述理念啟發(fā)，控制領(lǐng)域出現(xiàn)了眾多智能涌現(xiàn)模型[5]，并催生了“蜂群”、“狼群”等新型系統(tǒng)。美國(guó)海軍是“蜂群”作戰(zhàn)領(lǐng)域的先驅(qū)，其下屬的海軍研究生院對(duì)“蜂群”作戰(zhàn)進(jìn)行了深入分析研究，其中，LV Pham等人于2012年12月發(fā)表了《UAV swarm attack：protection system alternatives for destroyers》，引起了科學(xué)界、軍事科學(xué)界的廣泛關(guān)注。以“蜂群”為代表的無人集群系統(tǒng)，通常規(guī)模較大、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)中心控制，是典型的分布式系統(tǒng)。集群協(xié)同控制問題是該類系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題[6]。

本文以無人機(jī)集群為例，從集群系統(tǒng)組成和功能特性分析入手，以任務(wù)執(zhí)行能力和集群控制能力為主要驗(yàn)證對(duì)象，開展無人集群系統(tǒng)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。其創(chuàng)新性包含如下兩點(diǎn)：

第一，以集群控制算法為核心驗(yàn)證對(duì)象，并圍繞其開展仿真模型設(shè)計(jì)和評(píng)估模型設(shè)計(jì)。

第二，平臺(tái)消息通信架構(gòu)采用DDS，以實(shí)現(xiàn)對(duì)象間的時(shí)空統(tǒng)一和高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)傳輸。

1　無人集群及其仿真技術(shù)

1.1　無人集群

無人集群概念被提出以來，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開展了大量研究工作。美國(guó)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，開展了作戰(zhàn)樣式、投放回收、集群組網(wǎng)、體系論證等全方位的研究工作。我國(guó)在該領(lǐng)域緊跟美國(guó)，部分技術(shù)成果處于領(lǐng)先地位。

在美國(guó)國(guó)防部的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）、戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）、海軍等機(jī)構(gòu)，分別啟動(dòng)了“小精靈”（Gremlins）、“灰山鶉”（Perdix）、低成本無人機(jī)集群技術(shù)（LOCUST）等項(xiàng)目。這些項(xiàng)目在功能上相互獨(dú)立、各有側(cè)重，在體系上又互為補(bǔ)充、融合發(fā)展。此外，英國(guó)、新加坡、巴西等國(guó)家也相繼開展了關(guān)于集群控制相關(guān)領(lǐng)域的研究。

國(guó)內(nèi)在無人集群理論研究方面有一定積累，為我國(guó)在該領(lǐng)域取得突破提供了良好基礎(chǔ)。2016年11月，珠海航展公布了中國(guó)電子科技集團(tuán)聯(lián)合清華大學(xué)和北京泊松技術(shù)有限公司完成的“67架固定翼無人機(jī)集群編隊(duì)飛行”打破固定翼無人機(jī)集群飛行世界紀(jì)錄的消息。2017年5月，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)又成功完成了119架固定翼無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，演示了集群地面密集彈射、空中集結(jié)、編隊(duì)飛行、多目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍等科目。

1.2　集群仿真

上述部分項(xiàng)目開展了實(shí)物試驗(yàn)，這是無人集群研究的重要組成部分。然而，由于空域和經(jīng)費(fèi)限制等問題，一般采用仿真方法來先期驗(yàn)證集群的功能性能。通過構(gòu)建仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，結(jié)合仿真過程事件的隨機(jī)化處理，使系統(tǒng)具備快速批量運(yùn)行能力，為分析評(píng)估提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]。

關(guān)于仿真技術(shù)，美國(guó)國(guó)防建模與仿真辦公室（DMSO）于1995年10月制定了建模與仿真主計(jì)劃，提出了未來建模/仿真的共同技術(shù)框架，包括三個(gè)方面：高層體系結(jié)構(gòu)（HLA），任務(wù)空間概念模型（CMMS）和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（DS）。HLA提供了仿真平臺(tái)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，其核心思想是使用面向?qū)ο蟮姆椒?，設(shè)計(jì)、開發(fā)及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同層次和粒度的對(duì)象模型，來獲得仿真部件和仿真平臺(tái)高層次上的互操作性和可重用性。CMMS和DS規(guī)定了仿真平臺(tái)的模型規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，多數(shù)仿真平臺(tái)采用運(yùn)行支撐環(huán)境（RTI）實(shí)現(xiàn)HLA接口規(guī)范，RTI提供類似分布式網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)各仿真對(duì)象間的信息交互。其中，仿真數(shù)據(jù)的高效發(fā)布是RTI的重要功能，是實(shí)現(xiàn)RTI的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2007年1月，對(duì)象管理組織（OMG）發(fā)布了關(guān)于分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)的規(guī)范——數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）1.2版，其采用了發(fā)布/訂閱體系結(jié)構(gòu)，以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)建發(fā)布/訂閱通信模型，并提供實(shí)時(shí)性能級(jí)別控制功能。目前，DDS被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)系統(tǒng)。將DDS用于仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布，能夠很好地解決HLA架構(gòu)中數(shù)據(jù)高效分發(fā)的難題。

模型是仿真平臺(tái)的基本元素，是對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象的一種簡(jiǎn)化描述，是對(duì)原型進(jìn)行模擬形成的特定樣態(tài)[8]。無人集群系統(tǒng)作為一種由大量實(shí)體組成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其仿真模型至少包含描述無人平臺(tái)單體行為的運(yùn)動(dòng)模型、傳感器模型、武器模型等，以及描述集群群體行為的網(wǎng)絡(luò)模型、避障規(guī)則模型等。其中群體行為模型是集群仿真和飛行試驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

生物數(shù)學(xué)家A.E. Parr于1927年在解釋魚群的內(nèi)聚性現(xiàn)象時(shí)最先提出了群體中個(gè)體間的相互作用由引力、斥力組成的建模思想[9]。K.Warburton和J.Lazarus在1991年構(gòu)建了一系列群體動(dòng)力學(xué)模型，用于研究群體的內(nèi)聚性。此后，各種生物群體集群模型相繼產(chǎn)生。集群中智能單體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由內(nèi)部環(huán)境（群內(nèi)個(gè)體間的吸引力/排斥力）和外部環(huán)境（局部感知環(huán)境）同時(shí)決定[10]。集群?jiǎn)误w具有一定自主能力，包括自主運(yùn)動(dòng)控制、局部范圍信息傳感、處理和通信等[11]。因此，對(duì)集群?jiǎn)误w傳感器、武器系統(tǒng)以及集群運(yùn)行環(huán)境準(zhǔn)確建模，是構(gòu)建集群仿真平臺(tái)的一項(xiàng)重要工作。

2　無人集群技術(shù)要素分析

2.1　以集群控制為核心的無人平臺(tái)系統(tǒng)

無人集群系統(tǒng)分布于陸海空天等各個(gè)領(lǐng)域，包括無人車群、無人船群、潛航器群、無人機(jī)群、衛(wèi)星群等，也可以是跨域的混合集群，比如空地協(xié)同無人集群、空海協(xié)同無人集群等。

通常，無人集群系統(tǒng)由無人平臺(tái)系統(tǒng)和控制站系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。其中，控制站系統(tǒng)可分為地面站系統(tǒng)、機(jī)載站系統(tǒng)、車載站系統(tǒng)、艦載站系統(tǒng)和星載站系統(tǒng)等。下面以由無人機(jī)平臺(tái)組成的集群系統(tǒng)為例介紹典型無人集群系統(tǒng)的構(gòu)成要素。

典型無人機(jī)集群系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分：無人機(jī)系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)，見圖 1。

圖 1 無人機(jī)集群系統(tǒng)要素組成示意圖

其中，無人機(jī)系統(tǒng)包括機(jī)載任務(wù)子系統(tǒng)、集群控制子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系統(tǒng)、飛控子系統(tǒng)、機(jī)電子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)，見圖 2。

圖 2 無人機(jī)系統(tǒng)組成圖

機(jī)載任務(wù)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于集群整體任務(wù)目標(biāo)的本平臺(tái)任務(wù)分配、任務(wù)跟蹤，以及本平臺(tái)與集群友機(jī)間的任務(wù)協(xié)同和本平臺(tái)與地面站系統(tǒng)間的任務(wù)交互。該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集群任務(wù)分解，包括情報(bào)采集、干擾攻擊等任務(wù)。其中，情報(bào)采集任務(wù)包括情報(bào)探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、情報(bào)分發(fā)等。干擾攻擊任務(wù)包括電子偵察干擾、通信偵察干擾、火力攻擊等。

集群控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于集群局部信息的避撞檢測(cè)和路徑規(guī)劃。其中，避撞檢測(cè)包括針對(duì)地理環(huán)境信息的避撞檢測(cè)、針對(duì)集群友機(jī)的避撞檢測(cè)以及針對(duì)敵方防御設(shè)施的避撞檢測(cè)。路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)基于集群整體任務(wù)和避撞策略的本平臺(tái)路徑規(guī)劃和路徑跟蹤。集群控制子系統(tǒng)是整個(gè)集群運(yùn)行的基礎(chǔ)和保障，對(duì)于集群任務(wù)的正確執(zhí)行起到關(guān)鍵作用。

通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集群內(nèi)部組網(wǎng)以及對(duì)外信息交互所需的遠(yuǎn)程通信功能。其中，集群自組織網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和微小型遠(yuǎn)程通信技術(shù)是集群系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地理定位、時(shí)空基準(zhǔn)、本平臺(tái)姿態(tài)獲取等功能。飛控子系統(tǒng)和機(jī)電子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)本平臺(tái)飛行控制功能和機(jī)械控制功能。能源子系統(tǒng)提供本平臺(tái)飛行、計(jì)算所需的動(dòng)力能源和電力能源。

2.2　以管理評(píng)估為中心的地面控制系統(tǒng)

地面站系統(tǒng)包括地面任務(wù)子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、評(píng)估子系統(tǒng)，見圖 3。

圖 3 控制站系統(tǒng)組成圖

地面任務(wù)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)集群的任務(wù)管理和態(tài)勢(shì)管理。其中，任務(wù)管理包括集群任務(wù)規(guī)劃和集群編組控制。態(tài)勢(shì)管理包括對(duì)集群系統(tǒng)全局態(tài)勢(shì)場(chǎng)景的管理，以及對(duì)集群成員單體的監(jiān)視管理。

人機(jī)交互子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作員與集群系統(tǒng)之間的命令交互、數(shù)據(jù)顯示等功能。其中命令交互包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸控、手勢(shì)、語音等方式。數(shù)據(jù)顯示包括臺(tái)式工作站顯示、大屏顯示、手持移動(dòng)終端顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等方式。

通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面站與無人機(jī)的遠(yuǎn)程通信功能，或者通過大型空基平臺(tái)、海基平臺(tái)、天基平臺(tái)中繼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。評(píng)估子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)針對(duì)任務(wù)執(zhí)行、集群控制等集群能力的評(píng)估。

（未完待續(xù)）

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