0 前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)、無人坦克和無人潛艇等各種無人駕駛武器系統(tǒng)開始出現(xiàn)在戰(zhàn)場上，其作戰(zhàn)任務(wù)也從深入敵后進(jìn)行偵查發(fā)展到發(fā)射導(dǎo)彈炸彈直接進(jìn)行攻擊。與其他武器系統(tǒng)相比，這些武器系統(tǒng)具有自己的特點(diǎn)，如需要實(shí)時(shí)傳送高清視頻信號，需要對其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制。傳送回來的高清視頻圖像一方面作為偵查的結(jié)果提供給有關(guān)作戰(zhàn)人員使用，另一方面作為遙控人員操作控制的依據(jù)。
這兩個(gè)特點(diǎn)，正好涉及到控制中心顯示控制系統(tǒng)的工作，本文從顯示控制系統(tǒng)的角度提出并研究用于無人駕駛系統(tǒng)(以下簡稱無人系統(tǒng))的顯示控制群自組織問題。
1 問題的起因
從一個(gè)簡單的例子談起：設(shè)有N (N>2)個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)對某一地區(qū)進(jìn)行掃描偵察，在任務(wù)規(guī)劃時(shí)，可以規(guī)劃出一個(gè)執(zhí)行任務(wù)的最佳方案，例如覆蓋更大的區(qū)域，避免活動(dòng)目標(biāo)被遺漏等[1]。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，如果其中一架無人機(jī)被擊落，剩余的無人機(jī)的行動(dòng)就需要進(jìn)行調(diào)整，執(zhí)行新的方案。被擊落的無人機(jī)位置不同，調(diào)整的方案可能就不同，應(yīng)對的行動(dòng)變化也就不同。如果又有一架無人機(jī)被擊落，剩余的無人機(jī)的行動(dòng)需要再次調(diào)整。現(xiàn)在如果有新的無人機(jī)發(fā)射升空，又需要調(diào)整各個(gè)無人機(jī)的行動(dòng)方案。
這實(shí)際上就是需要N個(gè)無人機(jī)組成的系統(tǒng)群在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠自動(dòng)組織起來，相互配合，調(diào)整各自的行動(dòng)，適應(yīng)變化的環(huán)境，隨時(shí)形成優(yōu)化的方案，以達(dá)到更好的執(zhí)行效果。不僅是無人系統(tǒng)群構(gòu)成變化、環(huán)境變化，如果任務(wù)發(fā)生變化，這個(gè)無人機(jī)組成的系統(tǒng)群也要及時(shí)相應(yīng)地做出改變。事實(shí)上，在控制中心顯示控制系統(tǒng)建設(shè)中，已經(jīng)遇到類似的問題。在控制中心有數(shù)千臺設(shè)備在工作。為了完成某些任務(wù)、在實(shí)現(xiàn)某些功能時(shí)，通常需要許多不同類型的設(shè)備協(xié)調(diào)動(dòng)作。不僅在控制中心內(nèi)，控制中心之間也有設(shè)備協(xié)調(diào)控制問題。為了解決顯示控制系統(tǒng)的控制問題，采用數(shù)學(xué)中群論的方法，形成了顯示控制群的自組織方法。這個(gè)方法可以應(yīng)用于N個(gè)無人系統(tǒng)組成系統(tǒng)的自組織、自適應(yīng)問題。
一般地，當(dāng)有N個(gè)設(shè)備(可以是無人系統(tǒng)，也可能是不同種類、不同功能、不同型號的設(shè)備)需要協(xié)調(diào)工作、完成多目標(biāo)任務(wù)時(shí)，根據(jù)顯示控制群論的方法，需要進(jìn)行如下工作。
(1)設(shè)備的形式化：通過定義虛擬設(shè)備的概念，使控制系統(tǒng)能夠統(tǒng)一地組織、控制各種各樣不同種類、不同功能、不同性能、不同操作動(dòng)作和不同狀態(tài)表示的顯控系統(tǒng)中的設(shè)備(或武器系統(tǒng))。
(2)組成顯示控制群：虛擬設(shè)備組成被稱為顯示控制群(簡稱顯控群)的系統(tǒng)。從而形成把對全域的虛擬設(shè)備協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制分為多層次的對各子顯控群的控制，通過對子顯控群的控制實(shí)現(xiàn)對全域設(shè)備的控制，而且這種控制可以分布式通過虛實(shí)設(shè)備轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。
(3)設(shè)備的形式接口：包括(a)提供一個(gè)命令集，用于接受顯控群發(fā)來的命令。通過執(zhí)行這些命令，設(shè)備(或武器系統(tǒng))能進(jìn)行顯控群所需的全部操作，實(shí)現(xiàn)其功能。(b)提供一個(gè)狀態(tài)集，用于向顯控群報(bào)告設(shè)備(或武器系統(tǒng))的狀態(tài)，使顯控群能了解它對命令的執(zhí)行情況，對功能的實(shí)現(xiàn)情況。
(4)顯控群的自組織：虛擬設(shè)備命令集中的命令在執(zhí)行時(shí)對先后順序的要求形成了一種時(shí)間的前提關(guān)系，可以用于自動(dòng)形成命令的執(zhí)行序列和并發(fā)執(zhí)行。命令集在執(zhí)行時(shí)對設(shè)備的需求形成了一種空間的前提關(guān)系，可以用于自動(dòng)組織起一組設(shè)備的空間組合。通過虛擬命令，顯控群可以自動(dòng)組織起一個(gè)實(shí)現(xiàn)某種功能的子顯控群。而一個(gè)顯控群最大的子群就是它自身，即顯控群可以實(shí)現(xiàn)自組織。
(5)顯控群的自適應(yīng)：一個(gè)顯控群，不論把它斷成幾段，每一段都還是顯控群，會重構(gòu)適應(yīng)改變了的情況，完成預(yù)定任務(wù);如果重新連接，又會自動(dòng)恢復(fù)成一個(gè)顯控群。這就是建設(shè)打不垮的指揮控制系統(tǒng)的一個(gè)重要理論基礎(chǔ)。
(6)演化硬件方法用于自組織：演化硬件是指一種能動(dòng)態(tài)自主重新配置自身結(jié)構(gòu)的硬件，一種具有在線適應(yīng)性的硬件。顯控群采用這種方法，實(shí)現(xiàn)在遺傳算法控制下的可優(yōu)化的自組織，使顯控群能夠通過對環(huán)境的感知和與環(huán)境的交互來動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的環(huán)境。
2系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
當(dāng)把顯示控制理論用于無人系統(tǒng)的自組織時(shí)，首先要討論系統(tǒng)群的控制結(jié)構(gòu)。可以有三種形式的控制結(jié)構(gòu)。
(1)通過控制中心，進(jìn)行集中規(guī)劃、集中控制如圖1所示。這是傳統(tǒng)的直接由控制中心實(shí)施控制的方式。
(2)沒有固定的控制中心，而是由各無人系統(tǒng)分布式輪流擔(dān)任控制中心，進(jìn)行集中規(guī)劃、集中控制如圖2所示。這是一種令牌環(huán)控制方式。由獲得控制權(quán)的無人系統(tǒng)成為控制中心，并實(shí)施控制。經(jīng)過一段時(shí)間，把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給下一個(gè)無人系統(tǒng)，使之成為控制中心進(jìn)行控制。只要把任務(wù)注入系統(tǒng)，這些無人駕駛系統(tǒng)就自動(dòng)組織起來，始終存在一個(gè)控制中心，組織各系統(tǒng)完成任務(wù)。如果擔(dān)任控制中心的無人駕駛系統(tǒng)被擊毀，剩余的系統(tǒng)會由于超時(shí)而產(chǎn)生新的控制中心，繼續(xù)進(jìn)行工作。如果某一作為控制中心的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有其他控制中心存在，就比較系統(tǒng)編號，編號小的自動(dòng)停止運(yùn)行。這就保證了只有一個(gè)控制中心在工作。
圖2只是表示了控制權(quán)的輪循，實(shí)際還有各無人系統(tǒng)之間的通信問題，也可采用無線令牌的方式，此時(shí)會形成兩層令牌的傳遞如圖3所示。圖中底層是通信網(wǎng)絡(luò)的令牌在傳遞，上層是控制權(quán)的傳遞，各自傳遞各自的，互不影響。這說明控制權(quán)的傳遞與通信網(wǎng)絡(luò)中令牌的傳遞不是一回事。通信網(wǎng)絡(luò)中令牌的傳遞要比控制權(quán)的傳遞快得多，且傳遞的方向也可能不同。
(3)沒有控制中心，各設(shè)備(或武器系統(tǒng))分布式規(guī)劃行動(dòng)，進(jìn)行民主集中式的行動(dòng)方案選擇，實(shí)現(xiàn)分布式的控制如圖4所示。此時(shí)雖然沒有控制中心，但還需要各無人系統(tǒng)之間的通信，例如可采用無線令牌方式進(jìn)行通信。
控制結(jié)構(gòu)(1)和(2)的區(qū)別是一個(gè)有固定的控制中心，另一個(gè)是由無人系統(tǒng)輪流擔(dān)任控制中心，其控制方法基本相同。顯然，系統(tǒng)進(jìn)行自重構(gòu)、自組織是指控制結(jié)構(gòu)(2)和(3)這兩種控制形式。在這兩種情況下，當(dāng)某一無人系統(tǒng)被毀，剩余的無人系統(tǒng)能自動(dòng)重新組成群如圖5(a)所示。反之，如果有新的無人系統(tǒng)加入，也能進(jìn)行重構(gòu)如圖5(b) 所示。這種重構(gòu)能力是令牌傳遞方式所支持的，新加入的無人系統(tǒng)可根據(jù)編號順序自動(dòng)加入群。
三種結(jié)構(gòu)雖有不同，但控制方法是相同的，即根據(jù)各系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，找出群下一步的行動(dòng)方案，使各系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作。控制結(jié)構(gòu)(1)和(2)都是由控制中心計(jì)算出群的行動(dòng)方案，然后注入其他無人系統(tǒng)，使其執(zhí)行。控制結(jié)構(gòu)(3)是由各無人系統(tǒng)各自計(jì)算出群的行動(dòng)方案，然后對這些方案進(jìn)行一次方案評價(jià)分?jǐn)?shù)的排序，分別都取得分最高的方案來行動(dòng)，得分相同的按無人系統(tǒng)的編號排序。于是各無人系統(tǒng)雖然分別計(jì)算，卻都取到同一個(gè)方案，因此稱為民主集中式的方案選擇與控制。
3 自組織的控制方法
根據(jù)顯示控制群論的方法，各種設(shè)備、各個(gè)無人駕駛系統(tǒng)，都可以形式地表示為接收命令、返回狀態(tài)的虛擬設(shè)備，c是此設(shè)備接受命令的集合，s是這個(gè)設(shè)備狀態(tài)的集合。
由N個(gè)設(shè)備組成的系統(tǒng)，可以定義為一個(gè)顯示控制群(簡稱顯控群)。這個(gè)群可以根據(jù)要完成的任務(wù)，自行組織虛擬設(shè)備工作，并且在情況發(fā)生變化時(shí)重新組織設(shè)備。
設(shè)有N個(gè)無人系統(tǒng)作為N個(gè)個(gè)體，也可視為N個(gè)虛擬設(shè)備。每個(gè)個(gè)體有自己的當(dāng)前狀態(tài)，有行動(dòng)的可選方案如圖6所示。這就構(gòu)成了一個(gè)群的行動(dòng)方案空間，于是確定各無人系統(tǒng)下一步的行動(dòng)，就成為在此空間的一種搜索。
于是采用遺傳算法在方案空間中進(jìn)行搜索，形成系統(tǒng)群的下一步行動(dòng)方案。這是顯示控制群自組織的演化硬件方法的一種應(yīng)用。當(dāng)無人系統(tǒng);(1≤i≤N)被擊毀，空間中該系統(tǒng)的狀態(tài)不再有效，作為系統(tǒng)群將重新在方案空間中找出嚎新曲線，成為其余的各無人系統(tǒng)的行動(dòng)依據(jù)。
軟件仿真是用MATLAB編程進(jìn)行的，群體的規(guī)模設(shè)為16，交叉概率設(shè)為0.6，變異概率設(shè)為0 001。運(yùn)行的結(jié)果如圖7所示：16個(gè)無人系統(tǒng)選擇行動(dòng)方案的滿意度計(jì)算曲線。從曲線可以看出當(dāng)評價(jià)函數(shù)值達(dá)到1.9時(shí)的迭代次數(shù)。仿真程序中迭代1000次，以便觀察評價(jià)函數(shù)值形成的曲線。
有時(shí)需要得到不止下一步，而是多步甚至是全部行動(dòng)方案時(shí)，可進(jìn)行連續(xù)計(jì)算如圖8所示。前述的評價(jià)函數(shù)稱為橫向評價(jià)函數(shù)。多步計(jì)算的評價(jià)函數(shù)稱為縱向評價(jià)函數(shù)。此時(shí)不存在硬約束的情況，需規(guī)定每步的滿意度最低分值，并計(jì)算總分.得到評價(jià)分。
在結(jié)構(gòu)(1)和(2)的情況下.控制中心將各無人系統(tǒng)的方案分發(fā)各系統(tǒng)。
在結(jié)構(gòu)(3)的情況下，每個(gè)無人系統(tǒng)分別各自計(jì)算出行動(dòng)方案，并分發(fā)給其他無人系統(tǒng)。各系統(tǒng)分別對這～種方案進(jìn)行排序，取得評價(jià)分最高的，若得分相同則取編號靠前的。這樣各自分別自動(dòng)找到一個(gè)相同的方案，并寅施行動(dòng)。當(dāng)無人系統(tǒng)增加或減少，則重新計(jì)算方案，以適應(yīng)變化的情況。
4 結(jié)語
本文將顯示控制群的設(shè)備自組織方法用于無人系統(tǒng)群的自動(dòng)控制技術(shù)研究。采用顯控群理論和方法，使無人系統(tǒng)組成的系統(tǒng)群形成自組織自適應(yīng)的作戰(zhàn)能力。這個(gè)方法可以用于未來戰(zhàn)爭中夫規(guī)模的機(jī)器人群的自組織作戰(zhàn)。即使失去人工操作，這個(gè)群將繼續(xù)上作、能自行組織，形成優(yōu)化的作戰(zhàn)方案，并盡最大可能來自動(dòng)執(zhí)行預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。
