智能无人集群交互信息生成仿真系统架构与功能设计

伊 山，马贤明，张 锴

（1.军事科学院，北京 100091；2.中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）

当前人类社会已进入智能化机器人时代，随着AI技术、无人系统作战运用的不断创新和发展，无人车、无人机、无人艇、无人潜航器等将在未来战场［1］发挥显著功效，无人集群体系作战将产生颠覆性的作战样式［2］。无人集群作战中，运用数字化、结构化、规范化的“智能机器语言”（Intelligent Machine Language，IML）及相应机制、协议进行信息交互，使无人集群任务规划生成、处置战场情况、作战协同以及作战实施过程更加自主高效准确。通过对无人集群IML管理与生成、编译与反编译，无人集群体系作战信息交互仿真测试，可以演示作战概念、测试无人集群机器语言运行、验证信息交互效果，从而提升无人系统实战化水平。

目前，对无人集群任务规划［3-4］、飞行控制［5-6］、协同控制［7］、通信网络［8］、数据链［9］和智能算法［10-11］等技术及其建模仿真研究较普遍。关于无人集群交互信息研究，军事科学院马贤明等设计了无人化作战的IML及信息交互体系［12］，戴华东等构建了机器人操作系统平行学习架构［13］。以上论文对无人集群信息交互技术或作战建模的某个侧面进行了阐述，而没有从既包括无人集群IML数据管理、任务规划、指令生成、编译与反编译等信息交互技术，也包括无人集群协同作战仿真评估和半实物仿真测试等全要素进行分析。本研究以无人化体系作战理论为牵引，在对无人集群IML及其信息交互体系框架分析基础上，提出无人集群机器语言数据管理、指令生成、编译、仿真测试和半实物测试等功能，设计智能无人集群交互信息生成仿真系统（Intelligent Unmanned Cluster Interactive Information Generation Simulation System，IUCIIGSS）的体系架构。

1 现状及需求分析

1.1 IML研究现状及组成分析

关于作战仿真系统现状研究比较广泛，这里重点对IUCIIGSS中最关键的IML研究现状进行总结归纳。IML研究及组成内容决定了IUCIIGSS功能设计的方方面面。

1）IML研究现状

人工智能技术的快速发展，正在加速推动战争形态由信息化向智能化转变。智能化机器时代战争要以打赢无人集群体系对抗作战行动为主要目的。无人集群作战能力生成要以机器人操作系统为技术支柱，智能化装备为作战主体，“无人系统—无人系统协同、有人—无人协同”为作战编组和信息交互为支撑。顾名思义，“机器—机器”信息交互是支撑无人集群作战的关键。要想提升无人系统互操作水平，增强无人集群战场临机处置能力，制定无人集群互操消息标准，建立信息交互机制和协议尤为重要。

各军事强国高度重视无人系统互操作性的研发，先后制定不同类型的标准、架构和协议，如北约颁布的无人机控制系统协议标准STANAG 4586［14］，以提高无人机系统在盟军联合作战环境下的互操作性能。美军制定的JAUS系列标准［15］，适用于无人机、无人车、无人潜航器、无人艇等无人系统的互操作。英国陆军无人机使用的TCDL数据链、美军的Link16／Link22数据链及其标准，设计了无人系统之间和“有人—无人”的互操作标准和接口。因此，为了使无人集群更高效地执行作战任务，制定无人集群执行的机器语言标准、机制和协议是必然的。

2）IML组成分析

无人集群执行的IML是用二进制代码表示的、有助于引导机器思维的、机器能直接识别和执行的交互信息集合。根据无人集群基本作战流程，无人集群执行的IML解决作战方案、作战规则、互操作信息的标准化表征和运转，提高无人集群任务规划的执行、无人集群“观察—判断—决策—执行”（Observation Orientation Decision And Action，OODA）环的信息交互、无人集群与其他作战平台间的协同。

结合无人集群装备性能设计与作战任务执行过程中的信息交互特性，无人集群IML包括方案化消息、规则化消息和互操作消息。

方案化消息，是根据作战目的和要求，通过无人集群任务规划系统预先设计、生成、编译，转化为无人集群执行的作战任务行动指令，推进作战任务的执行。IUCIIGSS设计开发，不只要制定无人集群方案化消息标准和典型构想的消息内容，还要设计开发无人集群任务规划系统，从而生成无人集群执行特定任务的方案化消息。

规则化消息，是指无人集群在执行任务过程中，根据战场态势变化，处置突发情况所需规范化、结构化表征的信息或算法。IUCIIGSS设计开发，既要制定无人集群处置不同情况的条件规则，也要构建规则推理机制、运行方法或智能算法等。

互操作消息，是实现无人集群内平台间、无人系统与其他作战平台间网络互联、信息互通、系统互操作的数据链格式化消息，与美军制定的JAUS系列标准类似，从而实现无人系统作战时的态势共享、指挥控制、战术协同和情报分发等基本功。IUCIIGSS设计开发，既要制定无人集群互操作信息标准和典型作战构想的互操作消息内容，也要通过仿真模拟和半实物仿真方式，测试验证交互消息的运行效果。

1.2 IUCIIGSS需求分析

为满足无人集群IML标准制定、数据管理的需要，满足IML设计生成、测试与验证的需求，满足无人集群协同作战IML运行机制演示的需求，满足跨平台移植集成开发的需求，IUCIIGSS应具备IML案例集数据管理、IML设计生成、IML编译、仿真测试和半实物测试等基本功能。

1）IML数据管理功能需求。依据IML数据规范建立关系数据库；提供IML数据管理、数据查询、数据导入导出与更新功能；兼容IML生成编译与仿真测试系统使用。

2）方案化消息规划与生成功能需求。支持任务创建、任务目标规划、任务参数规划、任务分支规划、XML格式任务方案生成等。

3）规则化消息生成处理功能需求。支持规则化消息构建、管理、行为流程编辑等功能。

4）互操作消息生成处理功能需求。支持接收处理方案化消息或规则化消息的输入，生成对各无人平台和载荷的互操作控制指令；与仿真测试系统模型紧耦合，实现互操作指令的传输测试；支持无人集群之间、平台间以及平台载荷间信息交换机制和信息处理；关联IML数据字典，保持数据一致性。

5）IML编译解析功能需求。支持方案化消息编译、规则化消息编译、互操作消息编译；支持IML格式的合理性、数据元素的完备性进行检验测试；支持信息冲突检测发现；支持IUCIIGSS各模块灵活调用。

6）IML仿真测试功能需求。支持对IML仿真测试想定进行管理、态势可视化、仿真运行控制；能够引接方案化消息、规则化消息和互操作消息的编译文件，开展IML仿真测试；

7）IML半实物测试功能需求。支持无人系统IML组件级测试；支持规则化消息验证；支持多模式对抗半实物仿真实验。

2 IUCIIGSS功能设计

为了实现“无人集群IML管理、生成、编译、仿真测试和半实物测试”为一体的集成运行测试环境，在传统仿真引擎、作战想定规划、仿真控制、态势显示等仿真支撑系统［16-17］基础上，要实现无人集群IML数据管理、方案化消息规划与生成、规则化消息生成处理、互操作消息生成处理、IML编译与反编译、半实物测试等功能，不断优化完善和扩展IUCIIGSS各支撑系统功能。

2.1 IML数据管理功能

为了IUCIIGSS各功能分系统灵活调用，便于丰富、积累和维护各类IML数据，需构建IML数据维护统一管理功能。IUCIIGSS智能机器语言数据管理，包括消息元素字典管理、消息案例集数据管理和其他基础数据管理等功能模块。

1）数据元素字典管理功能。数据字典管理，是将方案化消息、规则化消息和互操作消息等涉及的数据元素进行统一管理，需保持数据精度一致。方案化消息字典管理，对方案匹配消息、任务属性消息、方案属性消息和方案执行消息等数据元素进行规范管理，提供方案化消息字典数据的新建、编辑、存储等功能操作。规则化消息字典管理，对隐含战法战术、作战程序的作战规则进行分类分级管理，对行动方案和行动规则等进行统一管理。行动规则作为无人系统直接调用的算法或行为函数模块，行动方案是将行动规则按照一定的逻辑进行组合，驱动无人集群完成一个连贯的战术行为动作。互操作信息字典管理，对无人集群作战协同消息、常规动作消息进行统一管理。作战协同消息由编队协同、电子战协同、传感器协同、武器协同、威胁告警、情报分发等实时动态指令消息组成。常规动作指令消息，由无人系统加速减速、爬升俯冲、左转右转、侦察载荷开关机、武器发射等控制指令消息构成。

2）消息案例集数据管理功能。用户基于无人集群消息元素字典数据库，依托方案化消息规划与生成、规则化消息生成处理和互操作消息生成处理等软件功能，以手动操作和自动生成相结合，将产生大量消息案例。消息案例管理，就是按照数据字典数据库结构，存储管理实例化的相关数据，对实例化的数据库进行统一管理。

3）系统基础数据管理功能。对无人集群数据元素字典、消息案例集数据以外的，但系统运行过程中必须关联使用的数据进行设计管理。IML数据管理，要具备数据浏览、增加、删除和更新，数据查询、导入导出和更新等基本的数据库管理功能。

2.2 方案化消息规划与生成功能

IUCIIGSS不仅要实现作战想定生成、想定管理、战场要素显示管理、地理数据管理等基本功能，还要实现无人集群任务基本信息、任务进程规划和任务方案生成等功能。

1）无人集群任务信息规划功能。在对典型作战构想中无人集群任务目标分析、作战任务分解的基础上，对无人集群任务目标、任务兵力、载荷、编队队形等进行规划，形成作战任务的清单，具备群任务创建、群任务目标规划、群任务参数规划等功能。

2）无人集群任务进程规划功能。对无人集群计划作战任务及执行任务的流程进行规划。为了探索无人集群控制生成与演进，任务跳转关系规划是任务之间转换的条件及转换方式的规划。比如，无人机集群分支、接续、自循环以及任务动态规划等。

3）无人集群任务方案输出功能。为了形成从任务规划方案到方案化消息，再到半实物仿真测试的环路，生成标准格式的无人集群任务方案。对任务方案进行规划过程中，系统各要素节点要自动关联无人集群数据元素字典中方案化消息数据，把规划好的相关数据自动存储到方案化消息案例集数据库。

2.3 规则化消息生成处理功能

IUCIIGSS要实现对无人集群在一定条件和时机下所遵循的作战规则进行规划。无人集群规则化消息包括无人集群触发时机、条件和响应动作三要素［18］。规则化消息生成处理，主要包括作战规则构建、作战规则管理和行为流程编辑等。规则化消息内容要自动关联数据元素字典中规则化消息数据，确保数据标准的一致性。

1）作战规则构建。对无人群体规则构建和单体规则进行构建。无人群体规则构建，对无人群体的编队规则及算法、队形变换规则及算法、长僚接替规则及算法、探测规则［19］及算法、打击规则及算法等作战知识进行构建。无人单体规则构建，对无人单体的安全飞行规则及算法、侦察载荷使用规则及算法、武器使用规则及算法、交战规则等作战知识进行构建。

2）作战规则管理。对作战规则和算法进行可视化编辑管理，根据无人集群的作战任务需求进行知识定制。支持对无人集群和无人单体作战规则、作战算法的编辑、修改、保存、定制等操作。

3）行为流程编辑。对无人集群单体和群体模型，通过拖拽的方式添加原子行为，并构建行为状态流程，实现多层级仿真兵力按条件触发的一系列行为跳转。行为编辑包括原子行为、战法列表、行为状态流程编辑等组成。原子行为不可再分的常用行为动作，如机动到指定点、雷达开关机等。战法列表，是将多个原子行为组合起来，形成原子行为流程。行为状态流程编辑，对原子行为或组合行为进行串联设置，触发条件属性进行设置。

2.4 互操作消息生成处理功能

IUCIIGSS要实现无人系统的消息生成、消息发送、消息接收、消息处理等［20］。制定无人系统平台自身的控制单元、传感器单元［21］、武器单元等的互操作指令内容，再通过作战单元数据链终端以及标准的比特数据流模式传输互操作消息。互操作消息生成处理应具备互操作消息编辑制定、消息编译和消息指令仿真运行功能。

1）互操作消息编辑制定，对无人系统控制单元、传感器单元、武器单元在仿真过程中可能传输的消息指令进行编辑制定。互操作消息编辑时要自动关联数据元素字典中互操作消息数据，确保消息名称、数据项名称、比特位置、比特数等信息与数据元素字典保持一致。

2）消息编译，就是调用互操作消息编译插件，实现无人系统控制单元、传感器单元、武器单元传输信息的比特化，并能够在IUCIIGSS的仿真测试环境中执行演示。互操作消息编辑制定模块编辑制定好互操消息案例内容，存储到互操作消息案例集数据库。再调用互操作消息编译插件，使互操作消息内容转化为比特数据流［22］，通过IUCIIGSS仿真演示。

3）消息指令仿真运行，就是通过作战仿真单元的数据链模型，演示验证互操作消息传输过程。在IUCIIGSS中，通过调用无人系统控制单元、传感器单元、武器单元等的数据链模型，传输互操作消息，在可视化分系统中展示消息传输内容及过程。

2.5 IML编译解析功能

在IUCIIGSS中，基于IML数据元素字典数据库，设计开发方案化消息编译插件、规则化消息编译插件和互操作消息编译插件，三套消息的编译插件要进行统一的用户接口设计，便于方案化消息规划与生成分系统、规则化消息生成处理分系统和互操作消息生成处理分系统调用。方案化消息编译，对IUCIIGSS中方案化消息规划与生成分系统生成的方案化消息进行解析。方案化消息解析包括地形信息、敌我信息和任务信息等的解析。规则化消息编译，就是通过设计研发规则化消息编译函数，将规则化消息生成处理分系统编辑生成的消息内容进行比特化。互操作消息编译，就是将互操作消息生成模块产生的消息生成、消息发送、消息接收、消息处理的消息内容进行比特化。

2.6 IML仿真测试功能

IUCSOSS仿真测试，就是根据典型作战行动场景，为方案化消息、规则化消息、互操作消息提供测试用例的设计、测试和验证，支持对智能语言编译插件的自动化运行、冲突检测和迭代优化，满足任务规划系统、指挥控制单元以及无人系统之间消息交互演示，为实现与数据链设备半实物集成试验测试提供环境支撑［23］。仿真测试环境主要实现传统仿真系统作战想定编辑、态势显示、消息运行和仿真控制等功能。

1）想定生成与管理，依据典型作战构想中提出的作战意图，对初始IML测试作战单元进行设置和部署，形成计算机可识别的作战仿真想定文件。想定生成与管理由想定管理、实体管理。想定管理部分包括想定创建、想定加载及想定维护。实体管理部分包括实体部署、实体编辑及任务管理。

2）态势显示，根据不同作战视角，实现对全局态势、红／蓝态势的实时动态演示。支持作战环境、作战平台等三维数据模型构建，可以对作战平台的运动状态、航迹、电磁环境、威胁区域等进行可视化显示，同时自动化显示平台之间与平台内部的IML消息流。态势显示模块由三维态势显示模块和模型库组成。三维态势显示模块主要将仿真过程中模型运行产生的结果在三维环境下进行表现。三维模型库为仿真系统的三维战场态势显示与模拟提供三维模型。

3）指令集运行，能够引接方案化消息、智能化消息和互操作消息的编译文件，实现与无人系统飞控模型、传感器模型以及未来武器模型等接口的信息交互，展示IML生成、编译、分发、处理等相关功能。

4）仿真运行控制，通过想定导入打开想定，加载想定文件，根据管控命令向仿真引擎发送仿真开始、暂停、继续、仿真结束等指令，能够设置仿真倍速，实现仿真运行控制。

2.7 IML半实物测试功能

为满足IML与数据链测试端机的系统兼容性和信息流程完备性测试与验证，搭建数据链测试端机的半实物仿真验证环境。IML半实物测试硬件，一方面包括安装有作战想定编辑、态势显示、消息运行和仿真运行控制等功能的仿真软件系统计算机设备［24］。另一方面，包括由数据链端机、武器协同端机、宽带信息传输端机等组成的数据链测试端机设备。搭建一套高实时性、高精度、高置信度的由仿真软件系统与硬件部分组成的半实物仿真环境，为IML设计提供试验数据支撑。通过对无人集群红蓝对抗过程进行仿真模拟，对无人集群行为过程进行仿真，对规则化消息中协同算法参数进行分析，对互操作消息进行动静态性能测试，实现“有人—无人”联合作战信息流程的分析与演示。

3 IUCIIGSS体系架构设计

根据无人集群IML应用特点和IUCIIGSS功能设计，提出系统体系架构。IUCIIGSS体系架构包括数据层、服务层、工具层和应用层四个层级。IUCIIGSS体系架构如图1所示。

图1 IUCIIGSS体系架构图

1）数据层，为系统的运行提供各类数据资源、文件资源，包括IML字典库、IML案例库、作战规则库、仿真数据库等。服务层引接数据层各类数据、数据文件，支撑工具层各分系统正常运行。

2）服务层，主要指数据通信服务，通过该层打通数据层与工具层之间的数据分发服务，引接工具层各分系统之间数据分发、数据采集、模型调度、事件管理、时间管理等。

3）工具层，提供用户开展IML生成编译和仿真测试的工具服务，实现系统所需各类分系统。IML数据管理分系统，包括IML字典管理、IML消息集管理和系统基础数据管理等模块。方案化消息规划和生成分系统，包括群任务规划、群任务进程规划和任务方案输出等模块。规则化指令生成处理分系统，包括作战规则构建模块和作战规则管理模块。互操作消息生成处理分系统，包括互操作消息编辑制定、互操作消息编译和互操作消息仿真执行等模块。IML编译解析分系统，包括方案化消息编译解析、规则化消息编译解析和互操作指消息编译解析等模块。仿真测试环境，包括想定编辑、仿真运行控制、态势显示、指令运行、飞控模型和传感器模型等。半实物测试环境，包括数据链端机、武器协同端机、宽带消息传输端机。

4）应用层，针对科研任务研究需求，依托数据层、服务层和工具层，支撑开展IML数据管理、IML生成与编译、IML仿真测试和IML半实物测试等不同应用。

4 结束语

各军事强国高度重视无人系统信息交互标准制定和技术研究。通过仿真模拟和半实物测试，可以对无人集群的交互信息进行预实践和仿真测试。本研究结合传统作战仿真系统功能特点，对无人集群智能机器语言作用与组成、交互信息生成编译、仿真功能和系统架构进行了探索研究，相关方法、技术还需在工程实践中不断深化研究。