基于MAS无人轻型自行火炮系统架构与运用模式研究

孟凡凯,李炬龙

(陆军炮兵防空兵学院,安徽 合肥 230031)

基于MAS无人轻型自行火炮系统是一种以多智能体系统为架构,融合车辆、通信、雷达、导航、能源、传感、计算机、人工智能等技术的陆军无人火力作战系统。系统以有人指挥调控,实施无人自主侦察、机动、打击和战斗保障等行动为基本作战模式。系统集“侦、控、打、评、保”于一体,既可单系统遂行作战任务,也可作为火力模块编入战斗群实施战斗。系统由侦察情报单元、火力单元、指控单元、通信与气象单元、后勤保障单元、阵地防护单元等六大单元构成。由于系统构建基于MAS,因此，可按任务需求实施模块化编成。系统内部各智能体既独立自主，又集中统一,可同时处理多个、多种情况,可合理精确地分配作战资源,灵活、高效、集约地实施火力作战任务。此外,系统采用轻量化设计,可通过空中投送的方式进入战场,便于为跨域作战部队提供可靠的火力支援。

1 多智能体系统及特点

多智能体系统(Multi-Agent System，MAS)是由多个可以自行交互的Agent(智能体)单元所组成的系统。系统中，每个Agent都是自主的行为实体,封装了状态和行为,因而相对独立。同时,不同的Agent间又存在复杂的关系。MAS一般具有以下特点:1)系统内各单元具有高度的自治和灵活性。每个Agent封装了状态和行为,能够对其内部和行为实施完全自主的控制,因而具备状态自主性和行为自主性;2)各实体间的结构相关性。构成MAS的Agent相对独立,但不同Agent间可能存在各种结构关系,以服务于系统的整体设计目标,具有任务统一性;3)各实体间可进行灵活和复杂的交互。在MAS中,不同的Agent通过高层的交互来实现灵活多样的合作协商和竞争。通过Agent通用语言,它能够在语义和知识层次上表达复杂的交互意图和内容,具有功能的多样性;4)能够异步进行情况处理。由于系统内各单元是自治的,每个单元都有自己的进程,按照自己的方式异步进行工作,具有遂行任务的高效性。根据以上特点可看出，MAS比其他系统结构具有更强的自主协调控制能力、抗毁能力和多任务执行能力。

2 构建智能无人自行火炮系统的必要性与可行性

2.1 必要性

将MAS技术运用于自行火炮系统是推进炮兵无人化、智能化进程的有效途径,主要体现在以下几个方面:1)提高联合作战背景下的战场适应能力。信息主导,火力主战是联合作战的基本原则。通过构建智能火炮系统，利用MAS自主协同、人工智能辅助决策和机电结合自动作业的方式取代传统人工作业,信息流将能更高效地控制能量流和物质流,极大地提高炮兵战场感知、火力计划、目标打击和效果评估的能力,特别是系统具有工作时间超长和操作精确等特点,都将使炮兵战斗力大幅提升;2)提高战场生存能力和系统抗毁能力。现代战争,火力平台是敌重点打击目标,由于人的生命的脆弱性和对生存条件的依赖性,传统的有人操作炮兵系统,在敌强烈的打击下极易丧失战斗力。而相对于人类,在装甲保护下，加固的机械和电子设备比人类更加适应战场,面对强大的敌人和复杂的战场环境,智能无人火炮系统都严格按照程序行动。系统基于MAS,各单元独立自主,相互依存度小,部分单元的损毁,不影响整个系统的运作。因此，系统具有较强的抗打击能力;3)提高作战效费比。首先，无人系统在构建中省去了人员防护、生活保障、系统操作等模块,有效降低建造成本,减小装备体积,降低能量消耗。其次,依托智能辅助、专家系统和新型弹药等技术可形成精确打击和精确评估的闭环回路,相比传统覆盖式打击能极大提升效费比;4)增强跨域投送能力。系统在无人化设计的同时,在单装设计上进行了小型化、轻量化设计和模块化设计,使整套系统可以依托飞机、舰船或车辆进行运输,并且空运时可以通过空投的方式到达阵地地域。强大的投送能力使得系统在高原作战和岛礁作战中有重要作用;5)提升模块化编成能力和模块化保障能力。首先,基于MAS的系统各单元相对独立自主,可根据遂行的作战任务确定组成系统的单元要素和数量规模,有针对性地构建系统,提高作战效率。其次，由于系统中各单元结构的差异主要是程序和执行器的不同，所以，系统中各单元大部分元件可以进行互换,极大地降低了保障的消耗。综上所述,将MAS运用到无人轻型自行火炮系统构建中,令火炮系统具有快速反应能力、灵活的编组能力、强大的抗毁能力、高效的打击能力和低耗的保障能力,这些能力将使无人轻型自行火炮系统在未来战争中大放异彩。

2.2 可行性

随着人工智能技术的日趋成熟和对MAS的深入研究,将MAS作为架构运用到无人自行火炮系统中是可行的。1)从技术层面看，首先炮兵不要求具有十分强大的战场机动、火力瞬时响应和敌我识别等能力,与坦克、战车等其他陆上装备相比，更易于实现无人化设计。目前的自行火炮系统已经具备了自主定位导航、诸元解算、弹药装填、瞄准射击等初级无人化功能,结合已成熟运用于民用设备的智能识别、智能交互、智能控制、自动驾驶、专家系统和MAS等技术,可将大部分人力作业转变为智能作业,形成智能无人的火炮系统。2)从制造工艺水平看，近年来我国制造能力大幅提高,打破了部分技术壁垒,生产出了一大批完全拥有自主知识产权的精密仪器和机床,并已经生产出“翼龙”、“彩虹”、“鹞鹰”、“云影”等系列高性能无人作战飞机,说明我国具有构建无人智能系统的能力。3)从能源支持方面看，走进新能源时代,我国已经开发出重量轻、能量密度大、充电时间短的石墨烯—铝电池,并拥有年产300吨石墨烯的生产线,能为智能无人火炮系统提供高效、可靠、持久的能源保障。我国“北斗”定位系统逐步完善，为无人装备提供了可靠的通讯、定位和授时保障。因此,现阶段的技术基本满足了构建无人自行火炮系统的需求。4)从国力军费层面看，2020年我国军费预算约为1 780亿美元,居世界第二,更多的资金投入高新装备的研发和生产中,推动了新技术的发展和新装备的生产。同时,战场上使用无人武器降低了人员伤亡和作战消耗,极大提高作战效费比。5)从人才队伍层面看，我军人才学历层次不断提高,通过军民融合发展,地方优秀人才资源也为部队所用,士官制度改革,使得军队技能型人才比例提升。适应智能化战场的人才储备已初具规模,为无人自行火炮系统的研发、使用和保障提供了坚实的人才基础。综上所述,目前我国已具备研制与使用基于MAS无人轻型自行火炮系统的能力。

3 基于MAS无人轻型自行火炮系统整体架构

3.1 系统组成

基于MAS无人轻型自行火炮系统具有行动灵活、自主协调、智能控制的特征,可以自主进行侦察、定位、机动、打击、保障等功能。在指挥控制单元的统一控制协调下,各功能Agent间可以自主交互,在行为上不需过多人工干预。该系统采用轻量化设计,可以由车辆、飞机等载体进行远程投送,具有全天时、全天候作战能力,超快速反应能力和较强的自我防护能力。其系统构成主要有以下几个功能单元。

1)侦察情报单元。主要由若干侦察机器人、无人侦察机和侦察气球等组成。能够按照指挥员划定的侦察区域,自行选择侦察位置并就位,不同的侦察机器人之间能够自行相互协调,以确保侦察区域不留侦察死角,实行全时段多频谱的侦察。能够自主对目标进行识别、分类、标记与传输，并能够自主进行毁伤评估,协助火力单元进行火力修正。

2)火力单元。由轮式或者履带式的无人驾驶地面车辆(UGV)搭载火力模块构成。其具有较强的通用性,可以根据战场环境和作战需要更换行动机构和火力模块。可以根据指挥单元下发的目标自主选择引信、装药,自动装填发射,如有需要也可绕过指控模块直接与侦察模块沟通，遂行打击行动。具有较强的机动灵活性,能根据指挥规定的区域自主进行生存机动,能够根据战场态势选择安全发射阵地。

3)指控单元。在通用装甲平台上，融合雷达、通信、智能控制、电子对抗、智能指挥等模块的有人驾驶、控制、指挥车辆，同时，也是具备辅助决策功能的Agent实体。负责整个系统的协调和对外交互，能够通过通信模块对系统实施远程指控。凭借智能辅助系统,指挥员能够实施快捷、精确的指挥控制,智能选择目标、排列顺序、分配任务，实施打击指挥。能够利用系统探测数据，建立和完善战场态势图,便于调度整个系统,合理、动态地部署战斗队形,发扬最大火力。能利用电子对抗模块与敌进行电子对抗,保护系统信息安全。

4)通信与气象单元。由若干以小型无人机或气球为平台的Agent实体。首先，它的通信模块可以作为通信中继或者移动通信基站使用,以达到增大通信距离,确保通信稳定,实施动态通信的目的。其次，气象模块可以实时收集弹道气象条件并发布给其他Agent实体,以提高火力打击精度。该单元拥有战场自适应能力,根据通信需要选择位置,根据战场态势自主进行规避机动。

5)后勤保障单元。是若干在UGV平台上开发的弹药、能源和备件存储与运输的Agent实体。能够根据发布的敌火力态势和受保护对象选择安全待机地域。可以根据指挥单元或其他Agent实体的请求,自动寻径到请求单位,自动完成能源、弹药和备件的补充,协助人员对损坏的装备进行抢修。

6)阵地防护单元。是在UGV平台上融合雷达、导弹、密集阵、电子干扰设备和其他轻武器火力等功能的Agent实体。可由雷达自主监控战场,发现并锁定敌军。由指挥控制平台或由其自主对空、地来犯之敌或导弹实施打击,可对炮阵地实施烟雾防护,并可实施电子攻防,以保护炮阵地安全,提高系统战场生存能力。

3.2 系统架构

1) 系统内部单元(Agent)结构

基于MAS无人轻型自行火炮系统中,虽然各Agent功能不尽相同,但单个Agent的功能是由封装在其内部的状态、程序和执行器的类型决定的。因此,各Agent的基本结构是一致的。

根据火炮系统的特点和作战环境的要求,单个Agent单元既要拥有一定的认知能力,也要有快速的决策能力。所以在单个Agent构建上,采取混合结构,即结构中同时包含“慎思”Agent和“应激”Agent两个子系统。“慎思”Agent以复杂的人工智能算法生产规划和方案,“应激”Agent则是不经过复杂推理就对环境中的重要事件进行反应。设置“应激”Agent比“慎思”Agent拥有更高的优先级,使得系统能够对外界环境的重要事件作出快速反应。如图1所示。

图1 单个Agent单元结构

由图1可知,系统中有感知和动作两个模块与外界交互信息,还有两个并行执行的控制层次:反应层和慎思层,分别包含了对环境不同层次的抽象模型,用来实现不同的任务。反应层用来对慎思层无法反应的重要事件作出快速响应。慎思层是通过智能推理实现Agent 的目标。慎思层有两个部件:一个是规划器,另一个是过滤器。过滤器主要是限制供给规划器的信息量,将无关紧要的信息过滤掉,提高规划器的效率,从而提高整个系统的效率。

2)智能火炮系统体系结构

基于MAS无人轻型自行火炮系统是一种智能无人的炮兵作战系统,由指挥员借助指控单元远程对整个系统进行协调控制,同时它还具有传统炮兵的一些特点:一是整个系统要统一指挥,协调一致才能充分发挥火力;二是炮兵系统战斗队形一般分为前沿侦察和后方火力两部分,队形纵深较大。为了更好地遂行作战任务,该系统还需具有模块化编组能力,可根据任务增加或减少Agent单元。因此,该系统采用Agent联盟式体系结构。在前方和后方建立两个联盟,联盟内部由通信单元作为联盟内局部助手进行交互。联盟间再由通信单元作为远程助手完成联盟间交互和信息发送。

图2 无人轻型自行火炮系统结构

如图2所示，当某Agent需要某种服务时,它就向局部助手发送请求,该助手以广播形式发送该请求,或者把该请求与其他Agent的能力进行匹配,一旦匹配成功,就把该请求发给匹配成功的Agent。在这个结构中,一个Agent无须知道其他Agent的详细信息,系统可以按照需要添加或者减少功能单元,具有很强的模块化编组能力。

4 无人轻型自行火炮系统运用模式

4.1 无人轻型自行火炮系统运用流程

鉴于目前无人系统参与作战的现状仍处于以作战人员主导和控制为主的初级阶段,我们将无人轻型自行火炮系统参与作战的主要流程归纳为:随队完成远程投送与集结、开进与展开战斗队形、完成射击准备、侦察射击与防护、转移机动、撤出战斗等五个步骤,运用流程如图3所,具体内容如表1所示。

图3 无人轻型自行火炮系统运用流程

表1 侦察打击一体化作战模式下炮兵作战行动的内容

根据图3、表1可知,无人轻型自行火炮系统在运用上更强调周密组织作战准备。特别是系统校正、联调联试等项目的组织质量将直接影响系统的运行和作战效能。人员的精力将主要放在定下决心、检查调试和系统监控上,繁琐的装备操作、指挥协同、侦察警戒等工作都交由人工智能系统来完成,而战斗实施中的目标获取、目标处理、火力计划、火力打击,乃至毁伤评估都分别交由侦察情报单元、指控单元、火力单元来组织协调实施,构建了一个由人工智能辅助甚至代替人力指挥作业的作战信息控制回路,形成了具有高效利用信息流控制能量流和物质流的战斗模式,使整个系统具有更强的快速反应、整体协调、精确交战、战场生存的能力。

4.2 无人轻型自行火炮系统信息相互关系

通过上述运用流程分析,可以得到如图4所示的信息交互关系图。该图完整地描述了无人轻型自行火炮系统作战中的信息流程。

如图4所示,整个作战系统的信息流是以指挥控制单元为中心进行信息处理和分发的,指挥控制单元以专家系统和智能辅助决策系统帮助和替代人工作业，提高了决策效率。在信息流程上,从发现情况到情况处置仅仅经过一次信息处理,使得整个系统的反应速度极大提高。同时系统还具有以下两个特点:一是系统基于MAS,各单元实体既是系统的一部分,也是独立自主的实体,实体与实体之间可进行复杂的交互,所以，系统在由指挥员授权的情况下,侦察情报单元、火力单元与阵地防护单元可以绕开指控单元直接进行侦察、打击和防护协同,提高了系统的稳定性和系统抗毁瘫能力。二是基于MAS架构的信息网系统,在信息处理和情况处置上，可以异步进行,有效避免了信息拥堵和信息丢失,在情况处理上更加具有灵活性,极大地提高了系统的作战效能。

图4 炮兵作战信息流程