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

（2）以激發(fā)工作機制進(jìn)行通信；

（3）個體行為規(guī)則簡單；

（4）系統(tǒng)組織機制是自組織的。

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“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證對象，開展無人集群系統(tǒng)仿真平臺設(shè)計。其創(chuàng)新性包含如下兩點：

第一，以集群控制算法為核心驗證對象，并圍繞其開展仿真模型設(shè)計和評估模型設(shè)計。

第二，平臺消息通信架構(gòu)采用DDS，以實現(xiàn)對象間的時空統(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，國內(nèi)外研究機構(gòu)開展了大量研究工作。美國在該領(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。我國在該領(lǐng)域緊跟美國，部分技術(shù)成果處于領(lǐng)先地位。

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

國內(nèi)在無人集群理論研究方面有一定積累，為我國在該領(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架固定翼無人機集群編隊飛行”打破固定翼無人機集群飛行世界紀(jì)錄的消息。2017年5月，該聯(lián)合團(tuán)隊又成功完成了119架固定翼無人機集群飛行試驗，演示了集群地面密集彈射、空中集結(jié)、編隊飛行、多目標(biāo)分組、編隊合圍等科目。

1.2　集群仿真

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

關(guān)于仿真技術(shù)，美國國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劃，提出了未來建模/仿真的共同技術(shù)框架，包括三個方面：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提供了仿真平臺體系架構(gòu)設(shè)計思想，其核心思想是使用面向?qū)ο蟮姆椒?，設(shè)計、開發(fā)及實現(xiàn)系統(tǒng)不同層次和粒度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真平臺高層次上的互操作性和可重用性。CMMS和DS規(guī)定了仿真平臺的模型規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，多數(shù)仿真平臺采用運行支撐環(huán)境（RTI）實現(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，實現(xiàn)各仿真對象間的信息交互。其中，仿真數(shù)據(jù)的高效發(fā)布是RTI的重要功能，是實現(xiàn)RTI的重點和難點。2007年1月，對象管理組織（OMG）發(fā)布了關(guān)于分布式實時系統(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，并提供實時性能級別控制功能。目前，DDS被廣泛應(yīng)用于實時性要求高的任務(wù)系統(tǒng)。將DDS用于仿真數(shù)據(jù)的實時發(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。

模型是仿真平臺的基本元素，是對認(rèn)識對象的一種簡化描述，是對原型進(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單體行為的運動模型、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中的重點和難點。

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)象時最先提出了群體中個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動狀態(tài)由內(nèi)部環(huán)境（群內(nèi)個體間的吸引力/排斥力）和外部環(huán)境（局部感知環(huán)境）同時決定[10]。集群單體具有一定自主能力，包括自主運動控制、局部范圍信息傳感、處理和通信等[11]。因此，對集群單體傳感器、武器系統(tǒng)以及集群運行環(huán)境準(zhǔn)確建模，是構(gòu)建集群仿真平臺的一項重要工作。

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系統(tǒng)

無人集群系統(tǒng)分布于陸?？仗斓雀鱾€領(lǐng)域，包括無人車群、無人船群、潛航器群、無人機群、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)由無人平臺系統(tǒng)和控制站系統(tǒng)兩個部分組成。其中，控制站系統(tǒng)可分為地面站系統(tǒng)、機載站系統(tǒng)、車載站系統(tǒng)、艦載站系統(tǒng)和星載站系統(tǒng)等。下面以由無人機平臺組成的集群系統(tǒng)為例介紹典型無人集群系統(tǒng)的構(gòu)成要素。

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

圖 1 無人機集群系統(tǒng)要素組成示意圖

其中，無人機系統(tǒng)包括機載任務(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)、機電子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)，見圖 2。

圖 2 無人機系統(tǒng)組成圖

機載任務(wù)子系統(tǒng)，實現(xiàn)基于集群整體任務(wù)目標(biāo)的本平臺任務(wù)分配、任務(wù)跟蹤，以及本平臺與集群友機間的任務(wù)協(xié)同和本平臺與地面站系統(tǒng)間的任務(wù)交互。該子系統(tǒng)實現(xiàn)集群任務(wù)分解，包括情報采集、干擾攻擊等任務(wù)。其中，情報采集任務(wù)包括情報探測、目標(biāo)識別、情報分發(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)實現(xiàn)基于集群局部信息的避撞檢測和路徑規(guī)劃。其中，避撞檢測包括針對地理環(huán)境信息的避撞檢測、針對集群友機的避撞檢測以及針對敵方防御設(shè)施的避撞檢測。路徑規(guī)劃實現(xiàn)基于集群整體任務(wù)和避撞策略的本平臺路徑規(guī)劃和路徑跟蹤。集群控制子系統(tǒng)是整個集群運行的基礎(chǔ)和保障，對于集群任務(wù)的正確執(zhí)行起到關(guān)鍵作用。

通信子系統(tǒng)實現(xiàn)集群內(nèi)部組網(wǎng)以及對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)實現(xiàn)地理定位、時空基準(zhǔn)、本平臺姿態(tài)獲取等功能。飛控子系統(tǒng)和機電子系統(tǒng)分別實現(xiàn)本平臺飛行控制功能和機械控制功能。能源子系統(tǒng)提供本平臺飛行、計算所需的動力能源和電力能源。

2.2　以管理評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)、人機交互子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、評估子系統(tǒng)，見圖 3。

圖 3 控制站系統(tǒng)組成圖

地面任務(wù)子系統(tǒng)主要實現(xiàn)整個集群的任務(wù)管理和態(tài)勢管理。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)勢管理包括對集群系統(tǒng)全局態(tài)勢場景的管理，以及對集群成員單體的監(jiān)視管理。

人機交互子系統(tǒng)實現(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、語音等方式。數(shù)據(jù)顯示包括臺式工作站顯示、大屏顯示、手持移動終端顯示、虛擬現(xiàn)實顯示等方式。

通信子系統(tǒng)實現(xiàn)地面站與無人機的遠(yuǎn)程通信功能，或者通過大型空基平臺、海基平臺、天基平臺中繼實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。評估子系統(tǒng)實現(xiàn)針對任務(wù)執(zhí)行、集群控制等集群能力的評估。

（未完待續(xù)）

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