智能火炮武器系统研究综述

杨维，赵凯，耿修堂，王越，刘学超

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099 )

21世纪以来，世界主要国家在大力推进以隐身、智能、多功能为主要特征装备的同时，积极面向未来，从战略和体系上谋划下一代武器装备发展，加快构建攻防兼备装备体系[1]。未来作战向非接触、非对称、零伤亡变革，由此以远程遥控、态势感知、目标识别、辅助决策、精确毁伤等特征的智能火炮需求明确，并对未来战争模式产生较大影响。目前以智能化为典型特征的火炮技术发展较快，由于智能化、无人化火炮具有持续行动能力强、少人员伤亡、长期无人值守等特点，可用于快速机动、远程侦查、情报处理和火力打击等作战和支援任务。

1 国外智能火炮武器发展现状及定义

近年来，以美国和俄罗斯为代表的诸多国家持续进行了无人化、智能化火炮装备研究。美国研制了“黑骑士”、“魔爪”系列、ARV-A智能化无人火炮，其中“黑骑士”智能火炮具备30 mm速射炮火力系统、全地形通过能力，全频谱感知器组、完善的战术数据链以及先进的人工智能指挥系统，如图1所示[2]。作战试验中，配合单兵、“布雷德利”等模拟了信息共享、联合战斗编组等一系列联合战斗模式，显示了其遂行多任务的能力和未来发展的潜力。

俄罗斯军工企业推出了11种不同战斗全重级别的智能无人火炮，较为典型的有“平台-M”、BAS-01G BM“战友”、“天王星-9”，如图2所示[3]。叙利亚战争中，俄军派出了包含1个榴弹炮群、6辆无人战车和4辆侦察车，并由远程进行作战指挥。实战中，70多名恐怖武装分子被击毙，叙利亚政府军无一阵亡，取得了很好的实战效果。

智能火炮武器系统是将人工智能技术应用于火炮武器任务理解、目标探测、作战指挥、行动控制等作战环节，使火炮武器具有自主感知、自主判断、自主决策、自主行动和自主协同的能力，实现从探测、跟踪、打击到毁伤目标整个作战过程的局部自主性或完全自主性。只有当火炮武器具备了“自主”的特征和“智能”的能力[4]，才能称得上智能化武器装备。

2 火炮武器系统的智能化内涵

基于火炮武器作战流程，形成对应的智能作战控制系统OODA(Observe-Orient-Decide-Act)[5]循环如图3所示。每个循环点对应的智能化内涵如下：

观察(Observe)：主要包括两方面内涵，一是任务理解：任务理解以作战场景、指令集和知识库为支撑，为作战行动序列方案生成提供支撑；二是目标探测：以作战场景和对应的知识库为输入，基于探测器完成地形地貌探测、战场目标搜索和探测，基于状态传感器完成智能火炮平台信息感知。

判断(Orient)：以观察结果和对应的知识库为输入，基于深度学习卷积神经网络目标检测与识别方法，重点完成目标识别，在此基础上进行知识推理，完成战场态势认知。

决策(Decide)：以战场态势、火力特性和目标特性知识库为输入，基于深度强化学习等人工智能算法，完成编队、打击协同辅助决策及目标毁伤评估。

行动(Act)：以观察、判断、决策结果为输入，控制火炮武器系统完成自主打击。

3 智能火炮武器的主要特征

3.1 以“认知”为基础的智能控制

面对现代战场环境高度的复杂性、动态性和不确定性，智能火炮在情报获取、目标探测、火力打击等各阶段应对相关信息域中的态势要素进行感知与学习，提取经验与知识，并用于战斗中的估计、分类、决策和控制，实现智能认知[6-7]。

3.2 基于“有中心”及“无中心”的智能协同

在未来相当长的一段时间内，无人作战平台难以取代有人作战平台独立完成复杂的作战任务。因此采用有人/无人编组智能协同作战[8]发挥火炮武器综合作战效能成为未来战争的一种应用模式，是指有人智能火炮武器带领一群无人智能火炮武器，各无人智能火炮武器在较高自主性等级的指令下工作，实现有人装备与无人装备间的互信协同作战。

3.3 基于“资源池”模式的能力柔性重组

各武器平台利用“资源池”实现跨平台式的实时预警、信息融合、指挥控制、目标识别、协同跟踪、协同打击等功能，打破原有火力单元与探测单元、信息处理单元、执行单元“硬连接”的设计思想，通过资源整合，将其充分解耦，实现“软连接”，使武器系统具有良好的“柔性”和扩展性[9]。

3.4 “算法”和“算力”将成为战争胜负的关键

借助人工智能算法，智能火炮可实现对态势信息的认知处理，对自身状态信息的有效监控，以及全寿命周期的健康管理；可运用深度学习等技术形成作战策略，进一步发挥机器的优势。“算力”是人工智能支撑基础之一，算力的强弱从根本上反应了火炮智能化水平和对算法的执行能力。

4 智能火炮武器的系统架构

智能火炮武器借助人工智能技术从而具备感知、决策、控制和反馈能力。典型智能火炮武器的系统架构如图4所示，智能火炮武器系统一般由智能感知系统、智能决策系统、智能控制系统和智能反馈系统组成[10]。

4.1 智能感知系统

智能感知系统是指通过传感器和卫星等模块来侦察、探测和收集各类战场信息，例如红外感应、可见光图像、雷达回波、激光回波、地形地势等信息。采用机器视觉、语音识别、神经网络等人工智能技术，实现全天候、全地形条件下对空中目标、地面目标、战场环境的智能感知，形成多角度、多频谱、多特性的战场态势，使武器装备具有战场态势的全局理解和认知能力。

4.2 智能决策系统

智能决策系统以战场态势智能感知结果、外部数据接入信息、武器平台状态、火力特性和目标特性为输入，采用深度学习、专家系统等人工智能技术，通过任务规划理解、目标探测识别、态势感知推理、作战智能决策，以及自动化执行的综合集成，形成火炮作战智能决策支持系统，实现火炮武器装备自主识别、自主判断和自主决策。

4.3 智能控制系统

智能控制系统以智能决策结果、智能反馈为输入，主要通过智能装填、智能跟踪解算、动态集群式作战中智能安全管控及智能驱动算法实现对火炮武器平台的执行机构进行智能驱动控制。

4.4 智能反馈系统

智能反馈系统通过信息化、智能化传感器，将智能弹药引信、目标毁伤图像、弹目偏差、火炮武器平台状态等信息反馈至智能决策及控制系统，实现智能弹药控制、系统闭环校射、毁伤等级评估及系统健康管理，提升智能火炮武器的精确打击能力、故障预测及维护保养能力。

5 火炮武器系统智能化涉及的关键技术

5.1 战场态势智能认知技术

态势认知是在态势感知和数据整合的基础上，对战场态势判读、理解和预测，进行态势分析[11]。由于火炮武器的探测传感器数量有限且受视场、频段、抗干扰能力及探测精度的限制，比如雷达易受电磁干扰，红外、电视、激光在恶劣气候条件下威力严重下降，很难做到战场态势的全面侦查和客观理解，因此，未来需在网络信息体系架构下将不同平台上覆盖宽广地域、频域的各种有源和无源探测器实现共享，从多角度、多频谱、多特性对环境进行多维度感知。将人工智能的理论和方法应用于情报处理，建立多类知识库、规则库，以及各类特征库，利用积累的知识指导信息融合、目标识别与态势评估，将“信息”转化为“知识”，并最终上升为指挥员的“认知”，实现认知层面态势的自动生成和可视化呈现，满足武器系统“看得见”、“辨得明”的战场感知能力要求。

5.2 复杂背景下目标的智能识别技术

稳定获取目标类型、目标位置、目标速度、目标航迹，是火炮武器平台实施精确有效打击、敌我态势威胁评估的前提。未来海陆空天战争中，目标数量日益增多，机动强度越来越高，电磁环境十分恶劣，但传感器和直接识别技术已经越来越不能完成识别打击目标的作用，因此必须使用目标智能识别的方式进行识别。智能识别是利用雷达、光电、频谱感知仪等多类传感器所收集到的多种目标属性信息，综合出准确的目标属性，进行目标类型、作战意图识别。利用人工智能技术构建自主学习的智能识别框架，融合以无监督学习的方式学习和半监督式的学习方法，采用自学习的机器学习方法来综合利用标注和未标注的数据提高学习出的模型，使算法平台具有对环境的适应能力和自我进化能力，提高复杂背景下的目标识别精度。

5.3 智能辅助决策技术

在感知、认知以及数据融合与挖掘的基础上，利用专家系统、模糊控制、深度学习人工智能算法进行智能学习和计算，根据敌方战术意图、目标类型和行为预测、武器平台状态，实施生成作战方案，完成地面阵地智能调配、火力智能分配、火炮武器智能协同等一系列打击策略，实现决策的快速性和精确性。图5为一种人-机协同混合智能辅助决策系统结构，利用人工智能擅长海量存储、快速搜索、快速精确计算及人类智能擅长抽象思维、推理、学习的特点，使二者优势互补，实现更高级、更鲁棒、更增强的智能。

5.4 智能控制技术

智能控制以现代控制理论、计算机技术、运筹学、人工智能等学科为基础，并对相关理论和技术进行了扩展，其中应用较多的有神经网络、模糊控制、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。火炮武器控制系统是一个非线性、时变、多变量的复杂控制系统，除了要保证精确控制以外，还必须具备较高的反应速度和抗扰能力。火炮武器的智能控制技术一般包括：高可靠弹药敏捷智能装填技术、动态集群式作战中的智能安全控制技术、基于在线毁伤概率计算的智能火控解算技术和基于自适应模糊控制的智能随动驱动技术。

5.5 智能健康管理技术

健康管理是利用各类先进传感器实时监测系统运行的各类状态参数及特征信号，借助各种智能推理算法和模型评估武器系统的健康状态，在故障发生前对故障进行预测，并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障决策[12]。通过预埋多种类型传感器，实时测量火炮武器关键组件的振动和位移、身管温度、膛压和温度、弹丸初速、液压油温、电机温度、电压及电流，积累装备全寿命周期中的大量数据，建立火炮武器知识库和预测模型，采用基于数据驱动的故障预测技术完成多源海量数据知识挖掘，实现对火炮武器装备的异常预测和效能评估，有效提高火炮武器的可用度和任务可靠性，降低寿命周期费用，提高火炮武器综合保障能力。智能健康管理技术主要依赖BIT技术、专家系统的知识和经验、机器学习技术，实现装备的诊断/预测/评估/决策任务。根据美军综合数据统计，F35的自主保障系统使设备故障减少50%，维护人员减少20%～40%，飞机执行任务的架次增加25%.

6 结束语

智能化武器装备必将推动信息化战争形态由“数字化+网络化”的初级阶段向“智能化+类人化”的高级阶段加速演进。目前人工智能技术在火炮武器装备领域应用才刚刚起步，应抓住机遇，积极推动人工智能在火炮领域的技术研究和应用，使火炮综合作战能力显著提升，推动火炮技术发展。