面向能力的多无人机集群协同行动管理方法、设备及介质

1.本发明涉及作战体系设计技术领域，特别涉及一种面向能力的多无人机集群协同行动管理方法、设备及介质。


背景技术：

2.随着智能化无人化技术的发展，智能化行动作为一种新的行动样式，目前国内外学者针对智能化无人化行动问题从不同的角度进行了研究，并且取得了丰硕的研究成果。现代作战的主要模式不再是以往单一军兵种的行动，而是多兵种协同的体系作战。随着多无人机集群的快速发展，如何快速有效的管理多无人机集群协同行动成为一个研究难点。而新质作战力量包含集群化和体系化特征，在任务上是平行的并行的，同时在属性上是异构的，在功能上是分布式的，智能化协同规划在时间、空间、功能、信息和资源上的分布特性，使其具有更强的工作能力和鲁棒性。
3.多无人机集群如蜂群觅食一般，智能有序并且去中心化，自动形成一个稳定的集群结构，利用超网络建模，整个无人机集群架构仍然具有稳定性和一定情况的完整性使任务的执行过程得到保证。这个特点使得无人机集群的成员默契协同，不会因为外界干扰影响完成任务的进度。基于军事通信技术的多种传感、指控和打击武器装备紧密地交联在一起，发生着十分复杂的相互作用和关系，将体系内部实体和实体间的关系综合起来研究建立作战环，可以体现整个作战体系具备的部分网络形态和特征。将战场空间的传感器、信息平台和武器攻击系统构成有机的军事网格，从而获得共享的战场空间感知，提高指挥速度加快作战进程、增大杀伤力，提高己方的生存力和同步作战能力。为保持制高点，美国已于2005年启动了基础架构(cyberin frastructure)计划和teragrid(dtf)二期计划。欧洲的英国、荷兰、意大利、德国和法国以及亚洲的日本和韩国都开展了网格计算的相关研究。ibm、sun、hp、platform、microsoft、nec、ntt等也都开展了与网格计算相关的研究。另外，近年来还有一些体系综合技术和试验(system of systems integration,sosite)项目、拒止环境协同作战项目(collaborative operations in denied environment,code)、集群协同项目等。
4.但是，目前大部分无人机集群行动方式研究都是静态的任务分配，对于未知条件下的分布式动态任务协同管理只是建立初步模型，包括使用随机动态规划、马尔科夫决策过程、贝叶斯置信网络、信息论以及博弈论等方法处理多无人机集群协同引起的不确定性。因此，这些分配策略并不完善，也没有从行动管理架构的角度开展分析，并没有利用系统工程的思想从态势、任务、行动和能力需求方面分析多无人机集群协同的行动管理能力，多无人机集群协同行动管理难以在当前网络结构中获得支持。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提出一种面向能力的多无人机集群协同行动管理方法、设备及介质，实现对多无人机集群能力的按需组合
和优化调度，支撑行动任务高效完成。
6.本发明的第一方面，提供了一种面向能力的多无人机集群协同行动管理方法，包括如下步骤：
7.获取多无人机集群协同行动的态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求；其中，所述态势管理能力需求是根据行动环境与敌我双方状态构筑并管理维护整个行动区域态势的能力需求，所述任务管理能力需求是对行动任务实现进程的管理过程的能力需求，所述行动管理能力需求是对实现行动任务的指控过程的能力需求；
8.根据所述态势管理能力需求、所述任务管理能力需求以及所述行动管理能力需求，构建多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构；
9.根据预设的行动任务，选取所述预设的行动任务对应的组成要素；
10.根据所述功能架构、所述控制架构以及所述组成要素，构建对应的行动任务链路模型；
11.根据所述行动任务链路模型执行所述预设的行动任务。
12.本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括至少一个控制处理器和用于与至少一个控制处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个控制处理器执行的指令，指令被至少一个控制处理器执行，以使至少一个控制处理器能够执行上述的面向能力的多无人机集群协同行动管理方法。
13.本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行上述的面向能力的多无人机集群协同行动管理方法。
14.根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
15.本技术实施例第一方面提供的面向能力的多无人机集群协同行动管理方法，本方法首先分别从态势管理、任务管理和行动管理三个方面对多无人机集群协同行动的管理能力进行了需求分析，选取多无人机集群协同行动的态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求，然后设计了支持按需组合的多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构，最后基于多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构以及基于行动任务选取的组成要素，构建对应的行动任务链路模型，通过行动任务链路模型执行行动任务。本方法针对多无人机集群行动的快速应用发展和不确定性凸显，提出了面向态势管理、任务管理和行动管理三个方面能力的多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构，基于功能架构和控制架构实现对多无人机集群能力的按需组合和优化调度，支撑行动任务高效完成。
16.可以理解的是，上述第二方面至第三方面与相关技术相比存在的有益效果与上述第一方面与相关技术相比存在的有益效果相同，可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
17.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本发明的一个实施例提供的面向能力的多无人机集群协同行动管理方法的流程示意图；
19.图2为本发明的一个实施例提供的多无人机集群协同行动的功能架构的架构示意图；
20.图3为本发明的一个实施例提供的多无人机集群协同行动的顶层控制架构的架构示意图；
21.图4为本发明的一个实施例提供的多无人机集群协同行动的控制架构的架构示意图；
22.图5为本发明的一个实施例提供的集群协同饱和攻击任务链路模型的结果示意图。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.目前大部分无人机集群行动方式研究都是静态的任务分配，对于未知条件下的分布式动态任务协同管理只是建立初步模型，包括使用随机动态规划、马尔科夫决策过程、贝叶斯置信网络、信息论以及博弈论等方法处理多无人机集群协同引起的不确定性。因此，这些分配策略并不完善，也没有从行动管理架构的角度开展分析，并没有利用系统工程的思想从态势、任务、行动和能力需求方面分析多无人机集群协同的行动管理能力，多无人机集群协同行动管理难以在当前网络结构中获得支持。
25.本技术针对多无人机集群行动的快速应用发展和不确定性凸显，提出了面向能力的多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构，基于功能架构和控制架构实现对多无人机集群能力的按需组合和优化调度，支撑行动任务高效完成。
26.参照图1，本发明的一个实施例，提供了一种面向能力的多无人机集群协同行动管理方法，包括如下步骤：
27.步骤s101、获取多无人机集群协同行动的态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求。
28.在本实施例中，多无人机集群协同行动通常是指在特定环境中，通过协同调度及运用无人装备，针对行动目标完成摧毁等任务。因此，任务、装备、环境以及目标是与多无人机集群协同行动过程密切相关的系统元素。在此基础上，本实施例分析多无人机集群协同行动管理核心能力需求包括态势管理、任务管理和行动管理三类能力需求。其中，态势管理旨在根据行动环境与敌我双方状态构筑并管理维护整个行动区域态势；任务管理是在态势管理基础上对行动任务实现进程的管理过程；行动管理侧重于装备运用过程，是对实现行动任务的具体指控过程。
29.在一些实施例中，态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求主要包括：
30.态势管理主要涉及行动环境管理、行动目标管理与态势信息处理等，支撑指挥员决策与行动管理的行动态势展现依据对行动环境与行动目标的感知，叠加己方行动力量数据后形成。态势管理能力需求涉及行动环境管理能力需求、行动目标管理能力需求与态势信息处理能力需求等，具体如下：
31.(1)行动环境管理能力需求主要是指针对行动环境进行管理，包括对山地、天气等行动环境要素进行传感识别以及综合理解行动环境传感结果并支撑生成战场环境态势；
32.(2)行动目标管理能力需求主要是指针对行动目标进行管理，具体可细化为对行动目标身份属性、运动及防御等行动状态、行动意图及威胁程度识别等；
33.(3)态势信息处理能力需求主要是指针对行动态势信息进行处理，通常包括对行动环境元素、行动目标数据等行动区域态势信息的深度采集、多源融合及可视化展现等。
34.任务管理主要涉及任务规划、任务分配及任务协调等，是实现行动任务全流程规划控制的重要支撑。任务管理能力需求包括任务规划能力需求、任务分配能力需求及任务协调能力需求等，具体如下：
35.(1)任务规划能力需求主要是指针对行动任务进行分解与逻辑时序规划，具体包括将行动任务分解至无人平台可执行层次并进行逻辑时序规划；
36.(2)任务分配能力需求主要是指完成将行动任务分配至指定行动单元，通常分为平台载荷管理和武器-目标分配两个方面，两者共同实现行动目标与平台载荷的最优匹配；
37.(3)任务协调能力需求主要是指针对行动任务进行协调处理，包括当任务规划结果所依赖的条件发生变化、检测到冲突发生或突发事件时的行动任务重规划，对已分配任务时间、地点及资源的实时调度和管理，以及无人平台间任务协同信息分发和协商。
38.行动管理主要涉及行动序列管理、行动过程协调及行动效果评估等方面，旨在实现行动全流程管理。行动管理能力需求主要包括行动序列管理能力需求、行动过程协调能力需求及行动效果评估能力需求等，具体如下。
39.(1)行动序列管理能力需求主要是指针对行动序列进行全流程管理，涉及无人集群行动序列的快速生成、实时监视及动态调整等；
40.(2)行动过程协调能力需求主要是指针对行动过程中进行协同与调度，具体包括任务执行过程中无人平台协同行动时装备编组、角色分配、行动同步及信息交互等；
41.(3)行动效果评估能力需求主要是指针对行动的效果进行综合评估，对协同行动任务而言，火力打击效果通常是衡量行动的有效指标。
42.通过对协同行动的能力需求进行分析，形成了以态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求等三个顶层能力需求为主的能力需求清单，其是后续协同行动的功能架构和控制架构设计的基础，如下表1所示，在能力需求清单中，对顶层能力进行分解得到分解能力，分解能力可进一步衍生出派生能力，派生能力在特殊情况下需要相应的支撑能力支持。
43.[0044][0045]
表1
[0046]
步骤s102、根据态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求，构建多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构。
[0047]
以无人机集群能力为核心，从无人机集群功能及对其控制两个层次，分别设计多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构，通过功能架构和控制架构实现对集群能力的按需组合和优化调度，支撑行动任务高效完成。
[0048]
在具体一实施例中，多无人机集群协同行动的功能架构包括：
[0049]
系统功能通过需求衍生而来，能够完整覆盖整个行动需求，同时也是指导行动系统设计的重要依据。依据协同行动管理能力需求清单，通过合并部分同类功能为26个子功能，以态势管理、任务管理和行动管理为主线，设计多无人机集群协同行动的功能架构，如图2所示；
[0050]
如图2所示，多无人机集群协同行动的功能架构从态势、任务和行动三个方面对功能进行了细化分解，在面向具体协同的行动任务时，通过将上述功能进行按需组合，可以有效支撑不同任务完成。例如，在针对某目标的行动任务执行过程中，临机发现时敏目标，进而通过组合目标身份识别、目标状态识别、任务重规划、行动序列生成、行动同步、毁伤效果评估等功能，支持构建面向该时敏目标的组合功能包。
[0051]
在具体一实施例中，多无人机集群协同行动的控制架构包括：
[0052]
多无人机集群协同行动的控制架构以功能架构为基础，采用增强型功能流程框图(enhanced functional flow block diagram,effbd)方法实现。effbd的重要特性是将行动流程与控制系统集成在一起，便于后续驱动集群系统执行与仿真。围绕多无人机集群协同行动管理核心能力，设计多无人机集群协同行动的顶层控制架构，如图3所示。
[0053]
从态势管理到任务管理，从任务管理到行动管理，各功能之间需要有控制线程的作用，最后通过行动评估确定行动结果是成功或是失败，以确定下一步任务规划与行动管理。图3中，为便于各功能模块之间的正常流转与进程控制，虚线为控制线程，从任务态势管
理环节出发，通过选择性控制驱动后续任务管理进程，并在行动实施后进行行动效果评估。以协同行动的顶层控制架构为基础，结合协同行动能力需求清单，给出协同行动的控制架构(通过effbd实现)，如图4所示。
[0054]
参照图4，实线为行动流程进程，虚线为控制流程进程，通过行动流程与行动控制的综合集成(图中体现为实线与虚线的相互交叉)，实现对集群功能的优化调度，确保协同行动任务高效完成。
[0055]
参照图4，具体而言，进入行动区域为输入条目，毁伤效果评估结果为输出条目。在纵向行动控制进程中，主要存在时序控制、事件控制、任务控制、装备控制、火力控制等几类进程控制手段，其中时序控制是最为主要的手段。从态势收集阶段到态势感知阶段，从态势管理阶段到任务管理阶段，从任务管理阶段到行动管理阶段等都通过时序控制手段决策行动进程。而在目标识别、任务重规划等事件型驱动流程则主要通过事件控制手段进行操纵。任务控制手段主要用于任务管理进程，装备控制主要用于行动管理阶段，是对装备分配运用过程进行的控制过程。最后，火力控制主要针对火力打击作用阶段，通常是行动完成的标志性事件。
[0056]
步骤s103、根据预设的行动任务，选取预设的行动任务对应的组成要素。
[0057]
在一个具体实施例中，将多无人机集群协同行动的行动任务链路设计想定为在某行动区域，采取侦察无人机集群和攻击无人机集群摧毁敌方某高价值伪装坚固目标，无人机集群由指挥车和集群控制中心分别负责指挥与控制。具体任务执行方式为在指挥车和集群控制中心指控下，由侦察无人机集群前出侦察，获取目标位置、图像等信息后，引导攻击无人机集群从不同方向同时对目标实施饱和攻击，以高概率摧毁目标。据此，给出集群协同饱和攻击任务链路要素如表2所示，任务节点依据ooda作战理论划分为侦察、控制、打击和评估四类，装备平台节点为任务执行实体，组织指控节点为对应装备平台节点的指控实体。
[0058][0059]
表2
[0060]
步骤s104、根据功能架构、控制架构以及组成要素，构建对应的行动任务链路模型。
[0061]
步骤s105、根据行动任务链路模型执行行动任务。
[0062]
在一具体实施例中，在行动任务链路要素构成分析基础上，依据协同行动的功能架构与控制架构，给出一种集群协同饱和攻击任务链路模型设计如图5所示。
[0063]
集群协同饱和攻击任务链路模型从整体上分为两部分，上半部分为履行任务链路
使命的任务节点分配。任务链路使命具有明确的任务链路效能指标要求，如“敌目标毁伤程度大于80％”、“任务完成时间小于15分钟”等。相应地，各任务节点也具有明确的指标要求，如控制任务效能指标中规定“任务规划生成时间小于1分钟”、评估任务效能指标要求“目标毁伤评估准确度大于90％”等。
[0064]
为满足上述任务链路要求，依据协同行动的功能架构，集群协同饱和攻击任务链路给出了执行不同任务的装备平台节点对应的功能类型，包括态势管理、任务管理和行动管理功能三类。例如，集群控制中心任务平台所需的功能包括：态势管理功能中的行动环境理解、目标意图识别、目标威胁识别、态势信息融合、态势信息展示；任务管理全部子功能；行动管理功能中的行动序列监视、行动序列调整、装备编组及毁伤效果评估。进一步，在明确功能类型基础上，组织指控节点依据协同行动的控制架构，针对具体任务单元确定所需的控制类型，如打击任务下面向攻击无人机集群行动的集群控制中心需具备控制类型包括装备行动模式选择、行动装备平台控制、平台行动序列控制及平台火力同步控制等。
[0065]
任务链路模型下半部分采用泳道图形式，依据协同行动的控制架构规划各装备平台节点间的具体行动序列，仍然分为态势管理、任务管理和行动管理三个基本过程。具体描述如下：在态势管理阶段，集群控制中心命令侦察无人机集群开展目标侦察任务，随后回收态势数据并完成态势融合过程；任务管理阶段，集群控制中心依据态势信息确定行动目标，并完成集群协同饱和攻击行动任务规划，输出任务规划方案；行动管理阶段，攻击无人机集群依据任务规划方案完成行动序列生成和行动同步等步骤，开展集群协同饱和攻击敌高价值伪装坚固目标的行动，随后由侦察无人机集群进行目标毁伤侦察，并回传侦察结果至集群控制中心，支持其完成目标毁伤评估，并由指挥车确认是否开展补充攻击，确定满足任务效能要求。
[0066]
本方法实施例提供了面向能力的多无人机集群协同行动管理方法，本方法首先分别从态势管理、任务管理和行动管理三个方面对多无人机集群协同行动的管理能力进行了需求分析，选取多无人机集群协同行动的态势管理能力需求、任务管理能力需求以及行动管理能力需求，然后设计了支持按需组合的多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构，最后基于多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构以及基于行动任务选取的组成要素，构建对应的行动任务链路模型，通过行动任务链路模型执行行动任务。本方法针对多无人机集群行动的快速应用发展和不确定性凸显，提出了面向态势管理、任务管理和行动管理三个方面能力的多无人机集群协同行动的功能架构和控制架构，基于功能架构和控制架构实现对多无人机集群能力的按需组合和优化调度，支撑行动任务高效完成。
[0067]
本技术一个实施例，提供了一种电子设备；该电子设备可以是任意类型的智能终端，例如手机、平板电脑、个人计算机等。具体地，该电子设备包括：一个或多个控制处理器和存储器，本实例以一个控制处理器为例。控制处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，本实例以通过总线连接为例。
[0068]
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的电子设备对应的程序指令/模块；控制处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而实现上述方法实施例的多无人机集群协同行动管理方法。存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；此外，存储器可以包括
高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于控制处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该电子设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述一个或者多个控制处理器执行时，执行上述方法实施例中的多无人机集群协同行动管理方法，例如上述图1中的步骤s101至s105。
[0069]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，可使得上述一个或多个控制处理器执行上述方法实施例中的多无人机集群协同行动管理方法，例如上述图1中的步骤s101至s105。
[0070]
通过以上的实施方式的描述，本领域技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0071]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0072]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。