無人機(jī)集群自組織搜索仿真模型設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：城市威脅背景下無人機(jī)集群自組織搜索移動目標(biāo)問題，是無人機(jī)集群作戰(zhàn)應(yīng)用的一個重要發(fā)展方向。采用基于Agent的復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真工具，構(gòu)建了無人機(jī)集群搜索仿真模型框架，設(shè)計實現(xiàn)了無人機(jī)集群自組織搜索模型。在考慮無人機(jī)集群作戰(zhàn)可能受到威脅的背景下，展示了無人機(jī)集群自組織搜索概念，探索了使用基于概率的有限狀態(tài)機(jī)模型實現(xiàn)集群自主決策的解決方案，并通過案例進(jìn)行了分析驗證。該仿真模型為無人機(jī)集群作戰(zhàn)應(yīng)用研究提供了參考案例、模型支撐和實驗平臺。

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的不斷演化，未來的作戰(zhàn)對手可能將戰(zhàn)爭引向城市，依靠高大的建筑物和密集的人群，來躲避搜索跟蹤，進(jìn)而抵消我方偵察和火力打擊的優(yōu)勢。無人機(jī)集群具有靈活性、自主性、魯棒性和可擴(kuò)展性等特點，同時可以降低作戰(zhàn)成本、減少作戰(zhàn)人員傷亡，并且依賴無人機(jī)個體的自主能力實現(xiàn)無人機(jī)集群的自組織作戰(zhàn)，降低了對人員操控和操作系統(tǒng)的依賴，對破解敵方利用建筑物和地形優(yōu)勢躲避搜索跟蹤，提高作戰(zhàn)效果具有重要的作戰(zhàn)應(yīng)用價值。

當(dāng)前，關(guān)于無人機(jī)和無人機(jī)集群的研究較多[1]，無人機(jī)集群也以其獨特的優(yōu)勢日益受到各國軍方的廣泛關(guān)注。在集群搜索問題上[2-3]，已有很多搜索算法。本文聚焦無人機(jī)集群自組織搜索城市威脅環(huán)境中移動的目標(biāo)進(jìn)行研究。無人機(jī)集群自組織搜索，是指將多架成本低廉、小型輕便、功能相對簡單和具有一定自主能力的低成本無人機(jī)以集群的方式大量部署，基于一定的間隔分布，形成一定的覆蓋范圍，按照上一層次的指揮要求，在操控人員監(jiān)控下，在任務(wù)區(qū)域上空按照選定的策略飛行，實現(xiàn)對目標(biāo)的搜索、發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤鎖定。無人機(jī)個體間采用弱通信方式，基于簡單的規(guī)則，通過個體間信息交互、感知融合，實現(xiàn)協(xié)同行為，采用自下而上的方式，使集群涌現(xiàn)出高度結(jié)構(gòu)化的自組織特性和顯著的集群智能行為，使其能夠完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個體能力的復(fù)雜任務(wù)。

本文采用基于Agent的復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真技術(shù)，對無人機(jī)集群自組織搜索的機(jī)理進(jìn)行研究[4-5]，構(gòu)建了無人機(jī)機(jī)動、協(xié)同、搜索、決策等行為模型，建模分析了無人機(jī)集群作戰(zhàn)威脅環(huán)境。探索了使用基于概率的有限狀態(tài)機(jī)模型實現(xiàn)集群自主決策的解決方案，初步實現(xiàn)并展示了無人機(jī)集群自組織搜索的作戰(zhàn)樣式?；谠摲抡婺Ｐ椭攸c研究了無人機(jī)性能對集群搜索效果的影響，分析了集群協(xié)同方法、集群決策判斷方法、目標(biāo)分配、搜索策略、威脅程度及戰(zhàn)場環(huán)境等動態(tài)因素和潛在因素對集群搜索效果的影響，借助集群模型框架，可以很方便地引入集群智能算法，為集群智能的研究、設(shè)計、實驗提供了很好的接口和平臺。

建模原理與模型框架

無人機(jī)集群是由大量具有一定自主能力的無人機(jī)個體構(gòu)成的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，具有自組織特性。自組織，即無需外部干預(yù)，僅依賴系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用，自行形成具有特定功能與結(jié)構(gòu)的整體的過程[6]。無人機(jī)個體沒有對全局模式、策略、目標(biāo)或?qū)哟误w系架構(gòu)的的全局知識，在規(guī)則約束或任務(wù)指引下，基于局部感知進(jìn)行決策判斷，通過個體交互使集群整體涌現(xiàn)出自組織行為。集群整體行為與無人機(jī)個體行為無直接關(guān)系，而是通過個體行為間接實現(xiàn)，集群整體行為取決于無人機(jī)個體行為變化。

采用基于Agent仿真的方法，通過基于復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真框架，對無人機(jī)個體行為進(jìn)行仿真建模描述，構(gòu)建無人機(jī)集群自組織搜索仿真模型，分析個體交互如何影響全局行為，將集群中個體行為和集群整體自組織現(xiàn)象有機(jī)結(jié)合，是一種自頂向下分析、由底向上綜合的有效解決方案。

模型框架

MASON(multi-agent simulator of networks)是基于Agent的復(fù)雜系統(tǒng)仿真框架[7]，提供了一組設(shè)計基于多Agent的建模仿真概念，同時提供了支持實現(xiàn)該框架的軟件包，可采用這些概念設(shè)計仿真模型，并通過調(diào)用相關(guān)類庫和工具對其進(jìn)行實現(xiàn)，具有很好的擴(kuò)展性。

基于MASON在Eclipse開發(fā)環(huán)境下設(shè)計實現(xiàn)了無人機(jī)集群自組織搜索仿真模型，主要包括如下模型類：

(1) Target.java：主要實現(xiàn)目標(biāo)對象的Agent，賦予偵察目標(biāo)的運(yùn)動等相關(guān)行為和特性，通過實例化該對象，可在仿真中實現(xiàn)目標(biāo)的可視化展示。在后續(xù)開發(fā)中，可能要求目標(biāo)具有復(fù)雜的行為和特性，可以通過拓展和完善該對象實現(xiàn)。

(2) ADS.java和Jammer.java：分別用來實現(xiàn)敵方彈炮結(jié)合防空系統(tǒng)和敵方電子干擾系統(tǒng)，通過實例化該對象，可構(gòu)造無人機(jī)集群作戰(zhàn)使用的威脅環(huán)境，實現(xiàn)敵直接火力打擊和電子干擾對無人機(jī)集群作戰(zhàn)效能的影響效果。

(3) BattleField.java：實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的Agent，如城市建筑物、巷道，以及地形、地物等，都可以通過實例化該對象，在仿真中實現(xiàn)戰(zhàn)場的可視化展示。通過設(shè)置該模型類的位置、尺寸等屬性，可構(gòu)建無人機(jī)集群執(zhí)行搜索任務(wù)的戰(zhàn)場環(huán)境。

(4) UAV.java：實現(xiàn)UAV對象的Agent，該類包含了單個UAV的所有邏輯，是仿真模型的核心。該類對無人機(jī)個體行為功能進(jìn)行實現(xiàn)，使多架無人機(jī)的集合形成集群，產(chǎn)生區(qū)別于簡單集合的自適應(yīng)行為和特性。

(5) UAVSwarm.java：定義了交戰(zhàn)場景，控制仿真流程，并提供了在仿真環(huán)境中包含的可變參數(shù)的入口點。該類中包含的main( )方法啟動了仿真，并通過調(diào)用doLoop方法和輸入?yún)?shù)args來生成UAVSwarm的實例，實現(xiàn)對仿真的控制。

args = new string[]{"-repeat", string.value of(repeat Times),

"-time", string.value of(0),

"-until", string.value of(7200),

"-seed", string. value of(1366691235073L)};

"-repeat"定義了仿真重復(fù)次數(shù)；"-seed"指定了仿真中的seed；"-time"可以幫助獲取每個仿真周期中的狀態(tài)信息；"-until"定義了每次仿真的最大持續(xù)時間(s)。這些參數(shù)將在仿真的實驗設(shè)計中發(fā)揮重要作用。

在仿真系統(tǒng)中，交戰(zhàn)場景和仿真實體的初始化在UAVSwarm.java類的start( )函數(shù)中定義。

(6) UAVGUI.java：一個輔助類，該類實現(xiàn)了對無人機(jī)和目標(biāo)的外形設(shè)計，主要用于仿真的可視化展示。該類實例化了一個UAVSwarm對象，并使其運(yùn)行，進(jìn)而實現(xiàn)對一次集群自組織搜索仿真過程的可視化展示，如圖1所示。

圖1集群自組織搜索仿真模型界面展示

Fig. 1Visualization of swarm self-organized search simulation model

為便于仿真分析，將戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行了簡化描述，并沒有考慮氣候、天氣、電磁環(huán)境等的影響。實際執(zhí)行任務(wù)時，一般會將無人機(jī)部署在不同高度，以減少碰撞的危險，在此不考慮高度影響，在二維空間內(nèi)對集群搜索模型進(jìn)行研究。假設(shè)在仿真開始時無人機(jī)集群已經(jīng)完成起飛動作，并已到達(dá)指定目標(biāo)空域開始搜索過程。

審核編輯：湯梓紅