無人機(jī)集群系統(tǒng)能力評估

孫怡愷

摘 要：目前無人機(jī)集群在民間及軍事上應(yīng)用越來越普遍，所發(fā)揮的作用也越來越重要，但是在對無人機(jī)集群執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)之前要對其進(jìn)行系統(tǒng)的能力評估，這對無人機(jī)集群能否勝任某項(xiàng)任務(wù)起到了先期研判作用。本文主要從平臺分配關(guān)系、平臺控制關(guān)系、決策實(shí)體間關(guān)系、以及決策實(shí)體間信息交互關(guān)系4各方面進(jìn)行論證。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)群;系統(tǒng)能力;評估

一、無人機(jī)集群定義

無人機(jī)集群由一定數(shù)量的單功能和多功能無人航空飛行器共同組成，在交感網(wǎng)絡(luò)的支撐下，節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互與反饋、激勵與響應(yīng)等交感行為。

無人機(jī)集群并不是簡單的多航空器平臺的編隊(duì)，其集群能力也不是諸多平臺單一能力的簡單疊加，而是由多航空器平臺通過科學(xué)的方法聚集后，經(jīng)過集群自組織機(jī)制與行為調(diào)控機(jī)制的有機(jī)耦合，產(chǎn)生了新的能力或原有能力發(fā)生了質(zhì)的變化。集群整體具有能力涌現(xiàn)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)單個平臺行為自主決策、平臺間行為協(xié)同，最終產(chǎn)生能力涌現(xiàn)的自主式空中移動系統(tǒng)。

二、無人機(jī)集群體系能力評估的意義

無人機(jī)集群體系能力評估是對能力的定量評價(jià)，是評價(jià)集群能力與使命環(huán)境匹配程度的依據(jù)，包含兩個步驟：“用什么測”和“如何測”?！坝檬裁礈y”就是如何選取合適的性能測度參數(shù)作為評價(jià)集群能力的客觀依據(jù)，“如何測”就是如何通過正確的性能測度方法實(shí)現(xiàn)集群能力的評價(jià)，合適的性能測度參數(shù)和正確的性能測度方法對最終的結(jié)果有著決定性的作用。

做好無人機(jī)集群體系能力評估主要有以下幾點(diǎn)作用：一是可以根據(jù)評估結(jié)果去匹配相應(yīng)難度的任務(wù)，防止出現(xiàn)任務(wù)難度過高而無人機(jī)集群不能完成的現(xiàn)象，或者用過高等級的無人機(jī)集群去完成較低難度的任務(wù)，造成資源浪費(fèi);二是通過能力評估可以掌握不同種類不同數(shù)量不同協(xié)同方式的無人機(jī)組合成無人機(jī)集群后所具備的能力現(xiàn)狀，從而建立無人機(jī)集群體系能力數(shù)據(jù)庫，為今后執(zhí)行不同種類的任務(wù)提供參考和幫助;三是可以了解無人機(jī)集群所呈現(xiàn)的能力現(xiàn)狀與當(dāng)前無人機(jī)市場的需求是否相吻合，從而為下一步無人機(jī)技術(shù)的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和幫助。

三、無人機(jī)集群能力評估方法

（一）任務(wù)-平臺分配關(guān)系性能測度。

該測度一般包括作戰(zhàn)任務(wù)的完成時間、平臺的平均移動距離和平臺在任務(wù)上的平均協(xié)作量等。

1.作戰(zhàn)任務(wù)的完成時間。該測度是最常用的性能測度，即平臺完成整個任務(wù)序列圖的時間。任務(wù)的完成時間越小，任務(wù)的完成效率越高，因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)-平臺分配關(guān)系時，應(yīng)該盡可能減小整個作戰(zhàn)任務(wù)的完成時間。

2.平臺的平均運(yùn)動距離。據(jù)研究，如果一個目標(biāo)處于運(yùn)動狀態(tài)，其被發(fā)現(xiàn)的概率會比處于靜止?fàn)顟B(tài)時增加90%以上，因此，在設(shè)計(jì)任務(wù)-平臺分配關(guān)系時，應(yīng)該盡可能減少平臺在整個任務(wù)完成過程中的運(yùn)動距離，降低被發(fā)現(xiàn)的可能性，進(jìn)而保證平臺安全、順利完成任務(wù)。

3.平臺在任務(wù)上的平均協(xié)作量。平臺之間交互協(xié)作過多會降低完成任務(wù)的效能，不必要的交互會導(dǎo)致任務(wù)出錯。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)-平臺分配關(guān)系時，應(yīng)該盡可能減少不必要的協(xié)作，從而降低平臺的協(xié)作代價(jià)。

（二）平臺控制關(guān)系性能測度

平臺控制關(guān)系設(shè)計(jì)問題的性能測度包括決策實(shí)體的最大工作負(fù)載和全部決策實(shí)體工作負(fù)載的均衡度。

1.決策實(shí)體的最大工作負(fù)載。通常情況下，對于單個決策實(shí)體，該決策實(shí)體所承受的工作負(fù)載越小，它的信息處理就越精確，效率也就越高，因此，在優(yōu)化平臺控制關(guān)系時，應(yīng)該盡可能減少實(shí)體工作量。

2.決策實(shí)體工作負(fù)載的均衡度。在決策平臺控制關(guān)系時，既期望無人機(jī)集群中的每個決策實(shí)體的工作負(fù)載盡可能小，又期望決策實(shí)體的工作負(fù)載盡可能平衡，這樣使該集群個體在動態(tài)不確定的環(huán)境中能夠具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，可以定義決策實(shí)體工作負(fù)載的均衡度作為平臺控制關(guān)系設(shè)計(jì)問題的性能測度。

（三）決策實(shí)體間關(guān)系性能測度

包括決策實(shí)體間指揮控制關(guān)系設(shè)計(jì)問題的性能測度和決策實(shí)體間信息交互關(guān)系設(shè)計(jì)問題的性能測度。其中，決策實(shí)體間指揮控制關(guān)系設(shè)計(jì)問題的性能測度包括附加協(xié)作負(fù)載之和以及層次結(jié)構(gòu)中決策實(shí)體的最大工作負(fù)載。

1.附加協(xié)作負(fù)載之和。在生成決策實(shí)體之間的層次關(guān)系的過程中，會引入決策實(shí)體之間附加的協(xié)作負(fù)載，因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)決策實(shí)體間指揮控制關(guān)系時，期望最小化全部決策實(shí)體的附加協(xié)作負(fù)載之和，以降低無人機(jī)之間的協(xié)作代價(jià)，從而提高集群協(xié)作效率。

2.層次結(jié)構(gòu)中決策實(shí)體的最大工作負(fù)載。在生成決策實(shí)體之間的層次關(guān)系的過程中，由于引入了決策實(shí)體之間附加的協(xié)作負(fù)載，從而會導(dǎo)致某些決策實(shí)體工作負(fù)載增加，因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)決策實(shí)體間指揮控制關(guān)系時，期望無人機(jī)集群層次結(jié)構(gòu)中決策實(shí)體間的工作負(fù)載盡可能平衡，在平衡的基礎(chǔ)上使層次結(jié)構(gòu)中決策實(shí)體的最大工作負(fù)載最小化。

（四）決策實(shí)體間信息交互關(guān)系性能測度

決策實(shí)體間信息交互關(guān)系設(shè)計(jì)問題的性能測度包括信息交互網(wǎng)絡(luò)傳輸速度、網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

1.信息交互網(wǎng)絡(luò)傳輸速度。設(shè)計(jì)實(shí)體之間信息網(wǎng)絡(luò)，保證實(shí)體之間的信息交互，所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)就是信息傳輸速度。速度越快，傳輸質(zhì)量越高。

2.信息交互網(wǎng)絡(luò)成本。加大的網(wǎng)絡(luò)成本可能會優(yōu)化信息交互效率，但是成本的加大容易造成資源浪費(fèi)，加之集群內(nèi)各無人機(jī)所擁有的信息交互資源的有限性，交互關(guān)系的設(shè)計(jì)都應(yīng)該考慮總的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本，因此，在滿足傳輸基礎(chǔ)效率的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化分配信息鏈路容量，減少網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本。

3.信息交互網(wǎng)絡(luò)的可靠性。實(shí)際任務(wù)過程中信息交互網(wǎng)絡(luò)難免會遭受一定程度的攻擊，因此需要保證個別鏈路被摧毀失效時，整個網(wǎng)絡(luò)信息交互不至于完全癱瘓，所以應(yīng)該建立較為可靠的信息交互網(wǎng)絡(luò)，具備一定的抗摧毀能力。

四、結(jié)語

當(dāng)前無人機(jī)集群能力評估正處于一個發(fā)展階段，各國都在努力建立一套適合自己的無人機(jī)集群能力評估方法和手段，因此提升無人機(jī)集群評估能力與發(fā)展無人機(jī)集群技術(shù)是相輔相成的，相信在不久的將來，各國會根據(jù)更完善的無人機(jī)集群能力評估體系建立一套無人機(jī)集群體系能力數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而更好地匹配當(dāng)前的各種任務(wù)，達(dá)到迅速、高效、節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁曉龍? 張佳強(qiáng)? 呂娜? 無人機(jī)集群? 西北工業(yè)大學(xué)出版社? 2018.5