基于马赛克战的水下有人-无人集群控制结构

陶伟

美军认为,自1991年“沙漠风暴”行动以来,其对手国家一直系统地观察、研究美国的战争方式,提炼总结美军的优势和方法,并通过制定对策、开发相应的装备以削弱美军优势;如俄罗斯和中国都制定了反介入/区域拒止(A2/AD)战略,并开发了相应的武器装备,意图阻止和干预美国的行动.美军认为,美国正面临来自中国和俄罗斯的挑战,而为了能在未来的局部冲突中经得起考验并取得胜利,必须使美军部队向一种新的设计方式转变,这种新方式就是马赛克战,即一种充分利用信息网络、先进处理能力和分散式功能的战争方法,“马赛克”一词反映了将很多很小的力量结构要素重新编排而成为不同能力配置或者部队编成的思路方法,就像艺术家们使用大量不同颜色的马赛克瓷砖进行创作时一样;马赛克部队的设计需要使用许多不同的、功能分离的平台,通过这些平台与现有部队合作来构建一个完整的作战体系,马赛克战旨在解决美军在未来战略环境中的需求和部队不足,以恢复美国在冲突中的军事竞争力[1].

水下有人-无人集群是指由有人平台(潜艇)和无人平台构成的,具有较高自主决策能力、彼此间存在指挥控制和通信关系,且共同承担给定使命任务的作战群组,随着人工智能、大数据以及新型水下通信、导航、指挥控制技术的飞速发展,水下有人-无人集群的自主性和互操作能力将逐步提升,可在执行具体任务时发挥成本低、效率高、可重构、可执行多种任务的优势,目前,以美军为代表的西方军事强国先后开展了包括分布式敏捷反潜系统、SHARK系统、濒海持续水下监控网络项目、自主协同分布式侦察与探测系统以及欧洲“GREX”等项目在内的多种水下无人集群应用项目的研究及试验验证[2−6],水下无人集群作战及相关研究正逐渐成为水下空间攻防作战的重要领域.

作为一种崭新的作战概念,马赛克战理论正在逐步成熟之中,分析、研究马赛克战有助于我们了解美军最新的战争研究动向,做到知彼,以更好地为国防建设服务[7],本文在分析马赛克战理论基本概念内涵的基础上,面向水下空间作战领域,探讨马赛克战机理对水下集群作战的影响,并聚焦水下有人-无人集群的控制结构构建问题,提出一种基于马赛克战理论的水下有人-无人集群控制结构,该结构具有信息关系合理、支持协同跟踪解算、顽存抗毁等特点,对水下战指挥控制具有一定的参考意义.

1 马赛克战的基本概念

马赛克战是美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)战略技术办公室(Strategic Technology Office,STO)于2017年提出的新型作战概念,是美军继“空海一体战”、“多域战”、“分布式作战”等作战概念之后所提出的最新的战争方法论[8−9],在交战层面,马赛克战旨在通过接入由低成本传感器、联合多域指挥控制节点以及所有可用的武器系统(包括动能和非动能武器)组成的快速可组合网络,在作战中提供前所未有的自主权和灵活性[10],马赛克战理论提供了一个全面、全新的战争模型,涵盖了军事需求、新作战概念、战术研究、战斗条例创建,以及部队行动控制与指挥过程等范畴,并将对美军未来的军事技术研发模式及装备采办模式产生深远影响.

1.1 杀伤网

通常,人们会用博伊德环((即“观察(Observe)-判断(Orient)-决策(Decide)-行动(Act)”)来描述、分析交战过程,将交战过程分解为观察、判断、决策和打击4个主要环节,并由此构建针对某一行动的指挥链,或者针对某一具体目标打击的杀伤链,在作战方案制定过程中,指挥员将充分利用战场可用资源来确保指挥链、杀伤链稳定、有效,但实际演习或作战过程中,点对点的信息链路难保不受到电磁环境以及其他因素的影响而出现问题,从而导致任务失败,马赛克战可以很好地解决这种问题.在马赛克战的部队编成结构中,点到点的“打击链”被由许多节点组成的“网”所代替[1],网络中的节点可以是多功能综合作战平台,也可以是单一功能平台,既可以是有人平台,也可以是无人平台,所有网内节点持续收集、处理和共享数据,然后将其融合到一张不断更新的态势图中,并确保这张图在所有平台间共享.这种在大量不同角色平台之间共享战场态势、传输指挥命令的机制具有如下作用:一是可形成多条冗余的杀伤链,即对于特定目标,对其实施打击的“传感器节点-指挥决策节点-打击节点” 链条不只一条,即使某一条杀伤链由于对手干扰或硬打击而失效,还有其他链路可以完成任务;二是可以加快局部OODA环的信息流转速度,以更好地闭合杀伤链.

1.2 功能要素分解

传统上,具有多种作战功能的平台因其可以自主完成多种作战任务而受到青昧,但其问题也非常明显,包括技术难度大、开发周期长以及采购经费高昂等等,马赛克战则开辟了另一种截然不同的战场力量编成的思路,在马赛克战的概念下,所有作战平台都可以根据需要从可发挥功能的角度解构为具有不同功能的要素,如观察功能、定向功能、打击功能或这些功能的复杂组合.通过要素分解,为基于跨域杀伤网的构建与执行铺平了道路,各类不同功能、不同复杂度的作战平台都可以在网络中充分发挥作用,使得基于马赛克战设计的部队可以在交战导致的网络和节点损耗中最大限度生存下来,以更好地保持作战能力.

1.3 节点

在马赛克战中,节点指作战区域中的一个单元,它可以是单一功能的(包括本身就是单一功能的节点或者在决策中承担单一功能的多功能节点),也可以是多功能的;节点通过共享战场信息参与到作战体系中,节点是马赛克战概念中的执行者,具有高度可控以及灵活性等特点,通过精密决策可以被重新组合.

2 马赛克战对水下有人-无人集群构建的影响

通常情况下,军事意义上的水下空间主要是指包含海底底质在内的、海洋表面以下的水体空间,具有复杂的内部物理结构,并在不同维度上表现出不同特性,严格意义上水下空间的主战平台包括潜艇、UUV 以及其他预设的固定或机动设施.海水介质对水下作战平台的机动性、信息交互、武器系统机理都有深刻影响,并进而影响其作战使用模式,随着水下空间博弈对作战效果的要求不断提高和水下无人系统技术的飞速发展,水下空间作战的模式也逐步由有人平台作战向有人-无人相结合的方向发展,而水下有人-无人集群作战已成为未来水下作战的重要发展方向.

马赛克战理论对水下空间作战有深层次指导意义.基于马赛克战概念构建水下有人-无人集群将有力提高集群整体作战能力;同时,水下有人-无人集群自身的特性也对马赛克战有良好支持.

1)以大量、低成本无人平台为主构建水下有人-无人集群,并在作战过程中承担集群决策的功能角色.相比潜艇而言,水下有人-无人集群中的无人平台具有成本低、数量大的特点;同时,由于受到平台体积的限制,无人平台又天生具有功能简单的特点,因此,以有人平台和大量无人平台组合构成的水下有人-无人集群契合了马赛克战理论对基于功能要素分解的作战平台节点的设计要求,此外,具有察打一体功能的综合功能无人平台也可在作战中根据集群决策要求,发挥自身所具有的单一功能承担在杀伤网中指定的交战角色.

2)发挥人工智能优势,提高水下集群马赛克战的决策能力,人工智能是无人集群系统作战的关键,水下有人-无人集群必须通过高效的人工智能与大数据技术在受限的环境中、基于有限的信息来充分发挥系统作战效能,马赛克战是一种以决策为中心的作战理论,该理论强调在加快美军“决策-行动”周期、倍增作战体系容量和打击冗余度的同时,增加对手应对的复杂度,干扰、迟滞甚至欺骗对方决策,进而达到战争设计的目标,马赛克战要求在分布式传感器和射手组成的多层级力量体系中贯彻指挥员的决策意图,提高机器根据输入的作战筹划进行自主筹划的能力,并推荐多个作战方案,可见,马赛克战对人与机器的功能分配设计符合有人-无人集群的发展方向与技术特征.

3)充分利用水下设施构建简化的杀伤网,一方面,集群作战是无人系统作战的重要模式,也是无人系统发挥优势的重要方向,其关键是解决有人-无人集群的控制问题,这对集群的信息交互能力提出了很高的要求[11−12],由于受到海水的限制,水下空间的通信传输问题历来是装备体系设计的难点,目前水声仍然是水下空间平台间信息传输与协同定位的主要可依靠手段,另一方面,马赛克战要求构建基于“云”的战场网络,这一要求对应到水下空间后,与水下物理环境造成的上述特点形成了一定程度的冲突[13],为此,可在现有信息传输手段基础上,充分利用水下基础设施,尽量减少移动平台对外的信息交互,并通过简单的网络架构和简化的通信协议设计,降低节点间信息交互容量,满足马赛克战对构建杀伤网的功能要求.

3 水下有人-无人集群控制结构

3.1 典型水下有人-无人集群控制结构

水下无人集群的控制结构可以理解为一种表征水下各有人平台与无人平台实体之间层次结构及控制关系的逻辑,是实体间实现有效合作的基本元素之一[14],并在很大程度上影响着集群行动的灵活性、有效性和效率,集群中的各参战实体根据控制关系严格地组织在一起并进行信息交互,动态调整自身的目标和行为,通过相互协同与服务来实现作战目标(假定无人平台都具有一定的智能化特征)[15],参考网络拓扑结构形式,根据水下有人-无人集群中节点间信息流与控制流的不同情况,可得到典型的几种控制结构如下[16]:

1)星形结构

星形控制结构由一个主节点和若干个从属节点组成,主节点管理集群内所有节点的任务、作战资源和行为.在水下有人-无人集群中,主节点通常由有人平台担任,包含一个有人节点和9个无人节点的水下有人-无人集群星形控制结构如图1所示(图中的带双箭头的粗实线表征主节点对从属节点的控制与管理,以及从属节点对主节点的信息上报),该结构下,主节点成为集群的能力瓶颈,一旦损毁或出现故障则会导致集群整体失效.

图1 水下有人-无人集群星形控制结构示意图Fig.1 Schematic diagram of star control structure for underwater manned and unmanned swarm

2)网状结构

网状控制结构中不存在唯一的主节点,所有节点间呈现自治、对等关系,且通常绝大多数节点之间都有信息交互的链路存在,水下有人-无人集群网状控制结构如图2所示(图中的双箭头细线表征集群中各节点之间的信息交互共享).该结构下,集群节点之间需要对等地交换信息,在主要依靠水声通信的水下作战环境中,对通信链路构建提出了非常高的要求.

图2 水下有人-无人集群网状控制结构示意图Fig.2 Schematic diagram of netted control structure for underwater manned and unmanned swarm

3)融合式结构

融合式控制结构兼具星形结构和网状结构的部分优点,在采用融合式控制结构的水下有人-无人集群中,有人节点接收来自各无人节点的状态信息,并对集群状态进行实时监管,各无人节点彼此间交换各自所获取的信息,以确保集群内信息的充分共享.水下有人-无人集群融合式控制结构如图3所示.

图3 水下有人-无人集群融合式控制结构示意图Fig.3 Schematic diagram of integrated control structure for underwater manned and unmanned swarm

需要注意的是,融合控制结构并未减少集群整体的信息交互量,在水下作战环境的适用性不强.

4)其他结构

在上述典型有人-无人集群控制结构基础上,结合战场指挥关系及任务分解特点,还有一种改良的、基于层次关系的控制结构[14],如图4所示.

在该结构中,水下有人-无人集群中的无人节点被分成若干小组,每组设置一个组长;组内各成员之间构成网状控制结构,各小组组长之间也构成网状控制结构,并另外单独指派一个无人平台作为无人集群有限中心控制节点,对所有组长节点进行控制管理,有人节点则作为更高一级控制单元对无人集群控制节点进行指挥,可见,该结构在底层的无人小组内、无人小组组长间构成了网状信息网络,进行信息的共享.而在单独指派的无人节点(无人集群控制节点)与各无人小组组长之间、有人节点与无人集群控制节点之间则以指挥关系为主,除了必要的信息上报,并不构成双向信息共享链路,因此可在一定程度减少对网络容量的压力.

3.2 基于马赛克战概念的水下有人-无人集群控制结构

马赛克战理论所提出的杀伤网、功能要素分离、功能节点等重要概念对水下集群作战的设计、组织、实施具有重要意义.

在户型内设计方面，设计师以户型功能要求为依据，对装配式建筑户型进行布置，从结构库中选取相应的结构户型，结合户型功能、结构设计方案等对设备模块进行选择，使建筑、户型能够相互匹配，以免出现构件不合，相互碰撞等情况。在对户型内设计过程中，最为关键的便是剪力墙体系的模块化设计，该部分设计量较大，采用系统化、标准化的户型库能够在很大程度上使协同效率提高，从而达到模块精准化的设计目标。

上述典型的水下有人-无人集群控制结构及其改良版本各具特点,但在面对水下特殊环境要求时则或多或少都暴露出不足,前3种典型控制结构的特点在介绍时已经提到;第4种控制结构虽然考虑了作战指挥过程中以及具体任务分解和执行时的节点间的层次化关系,也在一定程度上考虑到对网络传输容量的缩减要求,并有针对性地进行了设计,但仍存在以下不足:一是指挥关系复杂繁琐,结构中除了对每个无人平台小组设置组长节点外,还单独设置了一个无人节点作为集群有限中央控制节点,在此之上又将有人节点作为整个集群的集中控制中心,层次过多将导致集群控制效率降低;二是指挥职责固定,该结构中无论是无人小组组长节点,还是集群有限中心控制节点以及作为集群集中控制中心的有人节点,其指挥职责都是固定的,如果任一层次任一个指挥节点失效,其所管理的组(或群)则同步失效,结构的灵活性不高.

水下有人-无人集群控制结构的构建应充分考虑水下空间特殊的环境要求,并充分利用无人平台的智能化特征,确保结构适应实战要求,借鉴马赛克战思想,可对水下有人-无人集群的控制结构做进一步优化.

在上述分析基础上,本文提出一种新的、基于马赛克战理论的有人-无人集群接替式控制结构,该结构充分考虑了水下空间限制,贯彻面向实战、顽存抗毁的力量编成顶层要求,具有结构简单、高效灵活的特点,其典型结构如图5所示.

图5 基于马赛克战的水下有人-无人集群控制结构示意图Fig.5 Control structure of underwater manned and unmanned swarm based on mosaic warfare

新结构的机理是在一个包含多个彼此关联无人智能编组的水下有人-无人集群中,编组间基于平等关系产生联系,集群中在任意时刻有且仅有一个主节点,该节点由某一编组主节点兼任但并不固定,当态势变化或行动需要时,将由新的符合集群作战要求的新编组主节点接替当前集群主节点,这种结构形式在保持集群内节点联系的同时,可有效避免由于主节点固定而导致的因故障或战损等原因带来的连锁效应.

基于主节点接替机制的水下无人集群体系的具体构建思路为:

1)根据任务要求组建集群,通常由一个有人节点和多个智能无人平台构成,按照一定规则将无人平台分为若干编组,每一编组由多个具有综合作战能力的无人节点构成,根据实际需要在编组内产生主节点,实现对编组内其余UUV的控制管理,并接受上级控制节点的指挥;该职责将根据编组作战需要由组内其他节点接替,编组内节点之间共享所获取的信息,无人编组内不同节点具有不同的组内职责,如探测、信息处理与决策、打击等.

3)随着作战过程的展开和推进,集群主节点职责将根据态势变化(如当前承担集群主节点责任的节点及其编组远离目标,而群内另一编组具有更佳的探测或打击条件)和集群决策需要在各编组主节点之间接替,以确保集群更好地开展行动.

4)有人节点与当前集群主节点联系,对集群及其所获取的信息和处理结果进行采集,对整个集群运行状态进行实时监视;仅在必要时刻对集群行为做出干预,结合自身对集群信息处理、识别、融合的结果影响集群决策.

5)当个别无人编组由于战损等原因造成成员减少时,剩余节点仍可在集群主节点的控制下领受并执行任务;当编组减员较多或根据集群需要,这些节点可在集群控制下进行重组,重组的节点既可以执行其原有职责,也可以结合其自身功能并根据决策需要执行新的职责,重组过程如图6所示,由于集群的网络一直保持对群内成员标识、位置及武器状态的互通,可保障完成上述重组过程.

图6中,当编组1、2、3分别损失了探测或攻击节点时,通过集群控制,可将编组3剩余的探测节点和指挥节点分别与编组1和2中剩余节点重新组合,生成功能完备的新无人编组.

上述控制结构具有如下特点:

1)指挥层级简化,效率高,集群主节点直接由满足要求的编组主节点担任,指挥层级大幅简化,指挥效率高.

2)集群自治能力强,编组各节点具有较高的智能化水平,可在较大范围内自主进行目标信息处理,完成运动要素解算、信息融合与决策.

图6 水下有人-无人集群重组过程示意图Fig.6 Schematic diagram of underwater unmanned and unmanned swarm reorganization process

3)灵活性强,在编组主节点层面按需生成集群主节点,相比设置固定集群主节点的设计形式无疑大幅提高了结构的灵活性,可有效提高集群在复杂环境中的顽存性.

4)实用性较强,结构设计充分考虑了无人平台性能的实际情况,由一个综合能力强的节点担任编组主节点,而编组内其他节点可由功能单一,性能较弱的无人平台担任,这种组合方式可有效降低集群的构成成本.

4 仿真验证

为验证基于马赛克战的水下有人-无人集群控制结构的合理性,在限定条件下进行概念性仿真,仿真场景设定如下:

1)设在有限区域内分布着由一个有人节点和多个UUV 编组构成的有人-无人集群,每个编组包含一个主节点和分别至少一个感知节点和一个攻击节点;设集群内可构成满足集群内信息传输的网络.

2)当某一敌方目标进入该区域,触发区域报警,集群依据预先确定的约束条件(如对目标距离)进行决策,确定编组1的主节点为集群主节点并对集群目标跟踪信息进行处理;指挥满足条件的两个编组(设为编组1、2)对目标进行跟踪,并分别形成针对目标的杀伤链.

3)设编组1、2在对目标接触中分别损失感知和攻击节点,集群据此及目标机动趋势进行决策,控制编组1、2剩余节点重组为编组4;由符合约束条件的编组3接替集群主节点,并在之前集群主节点(编组1 主节点)信息处理成果基础上继续处理;集群依托编组3、4分别形成对目标的杀伤链.

根据上述场景设定,以目标航向精度为例进行集群对目标的协同解算仿真,结果如图7所示.

由图7可见,集群对目标可保持持续跟踪并实现解算收敛,在此基础上,集群可通过进一步决策,控制多条杀伤链对目标进行攻击.

5 结论

马赛克战是美军针对传统对称性作战方式在应对高端战争威胁时的短板弱项而提出的非对称作战方式,马赛克战依托人工智能、弹性高效通信网络和自主作战系统,在广阔的战场空间内构建高效的动态杀伤网络,在显著缩短自身OODA环路周期的同时,向对手实施多重打击.马赛克战对水下空间作战有启示作用,以马赛克战重要概念为基础,本研究提出了一种简洁、高效的水下有人-无人集群控制结构,分析及仿真表明,该结构设计合理,适用于水下集群作战环境要求,对构建基于真实环境和装备的水下有人-无人集群具有一定的参考借鉴意义.

图7 水下有人-无人集群对目标航向协同解算精度Fig.7 Cooperative calculation accuracy of underwater manned and unmanned for target course