航空集群系统构建机理研究*

胡利平，梁晓龙，张佳强，刘苹妮

（空军工程大学空管领航学院，西安 710051）

航空集群系统构建机理研究*

胡利平，梁晓龙，张佳强，刘苹妮

（空军工程大学空管领航学院，西安 710051）

围绕航空集群系统构建问题，从集群系统构建基本概念与内涵、构建要素以及构建思路及流程3个方面对集群系统构建机理进行阐述。首先，在分析集群系统的基本概念与内涵的基础上，提出了集群系统构建的概念；然后，将集群系统构建要素分为硬件资源、软件资源以及网络资源，并进行了梳理；最后，在分析集群作战一般流程的基础上归纳出了集群系统构建思路，并给出了构建流程。

航空集群，系统构建，构建机理

0 引言

美国空军科学顾问委员会明确指出：“未来的作战飞行器应当以成群而非单独的方式行动”［1］。可见，多平台集群作战将成为未来空中作战的主要样式［2-3］。而航空集群系统的构建是未来集群作战的基础，研究其构建机理对于提升集群作战效能具有重要的现实意义。

航空集群是基于生物集群理论提出的一个新概念，在其系统构建方面还处于起步阶段。关于其构建机理方面的文章，目前还未有公开发表的文献。但是，在作战体系构建方面，国内外众多学者已经进行了卓有成效的研究工作：美国军方在20世纪90年代开发了 C4ISR 体系结构框架［4-5］（C4ISR AF），后来逐渐演化发展成为美国国防部体系框架［6-7］（Department of Defense Architecture Framework，DoDAF）；国内学者端木竹筠［8］提出了一种领域模型驱动的敏捷指控系统的构建方法，并构建了总体框架以及构建实现方法；董印权［9］等基于复杂网络理论，利用Agent技术和OODA作战过程，提出了作战体系模型的构建方法。因此，本文在借鉴前人研究成果的基础上，从集群系统构建基本概念内涵、集群系统构建要素和集群系统构建思路及流程3个方面，对航空集群系统构建机理进行阐述。

1 航空集群系统构建的基本概念与内涵

航空集群由一定数量的单功能和多功能有人或无人航空飞行器共同组成，在交感网络的支撑下，节点具有交互与反馈、激励与响应等交感行为，整体具有涌现特点，可实现单个平台行为自主决策、平台间行为协同，最终产生能力涌现的自主式空中移动系统［10-11］。用于空中作战的航空集群是能够遂行作战任务、适应作战环境、对作战进程进行自主决策的新型空中作战体系。由集群定义可知，航空集群并不等同于“机群”，它不是多航空器平台的简单编队，其集群能力也不是诸多平台单一能力的简单叠加。同时，航空集群技术的根本目标是由多航空器平台通过科学的方法聚集后，经过集群自组织机制与行为调控机制的有机耦合，产生新的能力或原有能力发生质的变化，即能力涌现。因此，在集群系统构建时，需要突破传统空中机群的编组模式，不能够简单以机种或机型作为基本的编组模式，而需要从集群作战效能出发，以全新的方式，对我军现有装备进行科学合理的编组，重塑新的作战流程，以实现新老多代空中作战平台的体系融合，形成新的行动组织方式，最终实现集群能力涌现，从而弥补我军与敌军在装备上的差异，打赢未来战争。

基于分析可知：航空集群系统构建指在集群化作战的指导下，为弥补我军装备与敌军的差距，充分发挥我军装备的最佳性能，由功能上相互联系，性能上相互补充的各种作战平台，按一定结构关系和数量比例综合集成的更高层次的集群作战系统。其构建的主要目标是实现集群能力涌现，本质是利用新方法、新手段、新技术将分散在集群内各飞行器平台上的传感器、武器等任务系统资源在集群内部实现实时共享、柔性重组，形成单个个体不具备的能力或远大于多个简单个体能力的叠加。

2 航空集群系统构建的要素

航空集群把无人机、有人机和不同功能的作战平台通过“神经搭接”集结为一个整体，具有聚集、自组织、他组织、涌现、动态性等特征。根据航空集群系统构建观念及内涵，可以把其构建要素分为硬件资源、软件资源和网络资源三类。其中，硬件资源是物质基础；软件资源支撑硬件资源在战场中快速构建出满足战场需求的作战系统；网络资源将硬件资源与软件资源联接起来，实现集群能力涌现。其结构示意图如图1所示。

2.1 硬件资源

硬件资源表示集群系统构建中所有实体的集合。主要包括飞行器平台以及相应的机载设备。其中，飞行器平台主要包括战斗机（歼击机）、攻击机（强击机）、轰炸机、侦察机、加油机、运输机、预警机、无人机（单功能和多功能）等等；机载设备指对飞机飞行中的各种信息、指令和操纵进行测量、处理、传递、显示和控制的设备，主要包括火力控制、电子对抗、机载雷达、机载武器等。

2.2 软件资源

软件资源指支撑航空集群作战系统在战场中具备快速的反应能力、超强的决策能力、灵活的自组织能力以及高效的协同能力的一切虚拟化的资源要素。为便于这些资源要素的快速调用和柔性重组，借鉴DoDAF2.0中元模型（DM2）的思想，将这些资源数据化，以数据的形式保存下来，并进行归纳分类，最终形成相应的规则库。这样就把系统构建的软件资源转变为便于调用的规则库。这些规则库主要包括决策规则库、战术规则库、交感规则库以及控制规则库。其中，行为决策研究的是航空集群宏观能力模式与战场态势的对应关系，主要包括集群进行侦察、干扰、突防、进攻、防御等各种作战策略的时机与方式；战术规划研究的是每一种作战策略的实现机制，包含集群内部各战术角色的定义与变更机制，战术的实施流程，集群空间构型选择与演变规则，以及不同战术与外界环境特别是敌方目标的配属方法，保证正常的作战条件下每一种作战场景下航空集群均能做出恰当的战术决策，尽管未必总是最优决策，但不会出现决策盲区；在战术执行过程中，集群任务系统跨平台的能力协同是通过集群成员之间的高效交感实现的，需要研究在交感网的支撑下，各类任务系统交感信息的协调机制和时序控制逻辑；而在底层支持集群能力涌现的是集群空间构型控制和任务系统状态控制。

2.3 网络资源

网络资源主要指交感网络。它是采用专用协议联接航空平台间任务系统与任务系统的信号级网络，是支撑多个平台或系统产生能力涌现的基础。其实现方式有两种，一是通过集群内部节点直接的通信实现；二是集群与外部战场环境的交互。航空集群交感网络的本质是航空集群成员间的“神经搭接”。

3 航空集群系统构建思路及流程

航空集群和复杂适应性系统具有相似性，但不完全相同。复杂适应性系统的系统行为涌现是难以预测的，具有不确定性；航空集群系统行为不但可精确预测，还必须自主可控。因此，在进行集群系统构建时，不能完全照搬复杂系统的构建思路及流程，需要结合集群系统的实际，有筛选性的借鉴。

3.1 航空集群系统构建的思路

航空集群系统具有规模大、单一平台能力参差不齐、面临环境/目标复杂时变的特点，不存在系统的全局模型。因此，在构建时也必然不可能一蹴而就，需要分任务、分阶段从不同的角度进行构建。本文拟从集群作战一般流程入手，对集群系统构建思路进行说明。图2给出了航空集群执行任务一般流程。

图2中，首先航空集群飞行器需要从同一区域或不同区域升空，在一定空域聚集集成相互协同的群体；然后以一定的编队形式（自由编队/固定编队）飞往任务区域。此时的集群按照功能区分，主要分为战场感知、指挥控制、任务协同3个部分。其中战场感知负责集群在整个飞行过程中战场环境的监控；指挥控制部分是整个集群的中枢神经系统，负责整个集群的指挥协调以及后续作战任务的具体分配；任务协同部分是由具体任务的执行者组成，它是所有执行任务的飞行器的一个集合，没有明确的角色区分。当集群抵达战场空域时，战场感知部分将获取的战场态势信息进行汇总，得到战场态势图，通过交感网传递给指挥控制中心，指挥控制中心依据战场态势图，下达具体作战任务，并将具体的作战任务分配给任务协同部分中的集群飞行器，展开协同执行过程，如巡航、警戒、搜素、识别/定位、跟踪、探测、攻击、救援等等。在协同执行任务的过程中，依据具体任务的需要，集群需要构建具体的执行任务子群，同时，在遭遇敌攻击或者任务变化时，可能还需要进行拆分、合并等集群重构或集群队形变换、角色转变等行为。返航/飞往降落区域后，集群解散降落。

从以上集群作战流程分析可知，在集群执行任务的过程中，集群构建主要发生在集群飞行器升空后的聚集和协同执行任务阶段。集群聚集阶段的构建，描述的是集群从散乱状态聚集成一个完整集群的过程，构建的目的主要是便于指挥中心对整个集群的编队控制，未涉及能力涌现，且集群内部各集群飞行器所担任的任务角色未定义。而在集群协同执行任务阶段的构建，其构建主要是从任务层面出发，任务协同部分响应指挥控制中心的指令，依据具体任务和能力需求，调用规则库中数据，集群平台通过交感网自发地进行科学组合、优化，构建出具体执行任务的航空集群子群，最终实现集群能力的涌现。同时，指挥控制中心将每一次执行任务的数据反馈给规则库，不断完善规则库。具体构建过程如图3所示：

基于以上分析可知，航空集群系统构建是一个他组织与自组织相结合的过程（上级指挥中心发布指令，集群飞行器响应指令，在规则库的支撑下进行自组织构建）；构建的目标是实现集群能力的涌现，而实现能力涌现的途径是建立航空集群空间构型与作战能力之间的映射逻辑。根据作战任务的不同，航空集群会呈现出侦察、突防、攻击、防御等不同构型，由此具有侦察、突防、攻击、防御等不同的作战能力，在战术层面将各类能力在空间和时间上进行统筹优化，通过量化性能指标，找到执行任务的最佳空间构型，最终实现集群作战能力的涌现。这样就把集群系统构建问题转变为集群空间构型最优化问题，通过找到每一种任务所对应的最佳空间构型，建立空间构型与作战能力的映射关系。

综上所述，可以归纳得到集群系统构建思路为：首先，建立基本的战场图景，以想定任务为基础，根据任务需要，预设几种典型能力（比如无源定位能力、协同反隐身能力等）；然后，立足战场资源，找到集群能力与编队构型的映射关系；其次，以集群编队构型为着力点，通过作战模拟、备战训练，形成基于规则与事件驱动的认知决策方法，逐步完善决策规则库、战术规则库、交感规则库以及控制规则库；最后，依据相应规则和事件驱动决策方法以及任务的资源（软硬件资源、功率、频谱等）调度和优化，建立面向战场态势的航空集群作战范式。

3.2 航空集群系统构建的流程

由集群系统构建的思路可知，战场中集群作战系统的快速构建是以规则库以及交感网为支撑的。其构建流程如图4所示。图4中实线箭头表示控制流；虚线箭头表示信息流。从图中可以看出，在集群作战过程中，航空集群系统构建的流程主要分为6步。

Step1.战场态势分析。由负责情报侦察和监视的各类传感器装备系统获取战场环境以及作战的相关信息，生成态势感知图，准确预测与集群作战能力生成时间线对应的敌对飞行器发展路线及能力，在此基础上根据指挥中心意图进行科学的战役想定，明确作战目标、作战意图、战场环境以及使命任务。

Step2.任务发布。指挥控制中心根据战场态势信息，动态发布作战指令；同时，结合预置的作战模式对航空集群作战任务进行分解，实时掌握集群作战进程，产生原子任务（集群作战活动中不可再分的任务类型）激活信号，按照作战时序发布任务。

Step3.集群行为决策。指挥控制中心在决策规则库的支撑下，根据战场态势信息、上级指令信息，决定采取侦察、干扰、突防、进攻、防御等各作战策略的时机和方式，建立原子任务与集群行为的逻辑映射关系。

Step4.集群任务分配。依据集群行为与原子任务之间的逻辑映射关系，结合集群飞行器个体自身能力资源的描述，完成集群个体与原子任务的匹配，同时在战术规则库的支撑下，完成战术角色定义（比如集群协同反隐身中发射机与接收机的区分）。

Step5.集群空间构型选定。根据集群个体与原子作战任务的映射关系，在战术规则库和交感规则库的支撑下，集群内部自组织建立集群空间构型与集群作战能力的逻辑映射关系，得到每一种集群行为所对应的集群编队构型。

Step6.集群协同关系生成和任务执行。根据各个子群之间的交互关系，以及战术实施的流程，按照集群系统交感时序控制以及集群编队构型之间的演变规则，协同执行作战任务。在执行任务的过程中，由于作战环境的需要，或者作战意图的调整抑或集群自身不足以完成作战任务时，在集群任务系统交感信息协调和集群空间构型选择与演变规则的支撑下，完成集群系统的重构。在执行任务的整个过程中，控制规则库支撑集群系统对整个集群作战的空间构型与状态控制，交感规则库支撑整个过程中的信息交互。

4 结论

针对航空集群系统构建问题，本文从集群构建基本概念内涵、构建要素和构建思路及流程3个方面对集群系统构建机理进行了论述。结合航空集群基本概念内涵和DoDAF思想，提出了集群系统构建的概念，重点对集群系统构建的资源要素进行了梳理，最后，从集群作战一般流程入手，归纳总结出了集群系统构建的思路并给出了构建流程。研究结论对于集群系统构建与重构具有一定的借鉴意义。但是本文仅仅是从理论层面对集群构建问题进行阐述，并没有建立具体的构建模型，为此，下一步工作将结合集群作战的基本流程，构建具体的集群系统模型。

［1］SHIMA T，RASMUSSEN S.UAV cooperative decision and control：challenges and practical approaches ［M］.Philadelphia：Society for Industrial and Applied Mathematics，2008.

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Research on Aircraft Swarms System Construction Mechanism

HU Li-ping，LIANG Xiao-long，ZHANG Jia-qiang，LIU Ping-ni
（School of Air Traffic Control and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Concerning the problem of aircraft swarms system construction，this thesis elaborates on the construction mechanism of aircraft swarms system from three aspects，including the basic concept and connotation，the elements and the construction idea and process.Firstly the basic concept of aircraft swarms system construction is proposed based on the analyzing the basic concept and connotation of aircraft swarms system.Secondly，the elements of aircraft swarms system construction are divided into hardware resources，software resources and network resources，and those elements are combed.Finally，the construction idea is summarized and the construction process is provided based on analyzing the general processes of aircraft swarms operation.

aircraft swarms，system construction，construction mechanism

V11；TJ85

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.11.30

1002-0640（2017）11-0142-04

2016-09-24

2016-11-25

国家自然科学面上基金（61472442，61472443）；陕西省自然科学技术研究发展计划基金资助项目（2013JQ8042）

胡利平（1989- ），男，江西吉安人，硕士研究生。研究方向：航空集群理论与技术、冲突探测与解脱。