集群彈藥智能組群理論與方法
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叢 書 名：智能無人系統研究叢書（第一輯） “十四五”國家重點出版物出版規劃項目 國家科學技術
本書內容主要聚焦于集群彈藥智能組群的方法及相關應用，在部分章節列舉了相關案例展開討論。本書的內容涵蓋了受自然大規模生物集群啟發得到的人工集群系統概述，集群彈藥的數學模型及涌現機理，混合式體系架構，仿生組群原理及關鍵技術，集群彈藥的博弈、制導與控制之間的關系，集群彈藥的效能評估及驗證手段等多項內容。
單枚智能彈藥由于其飛行能力有限、任務載荷相對單一等原因，很難在復雜環境下難獨自完成復雜任務。為了提高任務成功率和執行效率，智能彈藥的應用樣式逐步從單體向集群方向發展。復雜環境（電磁干擾、云霧遮擋等）對集群彈藥自主決策與控制理論和方法提出更高要求。本書致力于研究復雜環境下集群彈藥的涌現理論構建、演化方法設計和集群高細粒度仿真與評估系統搭建。
隨著人工智能浪潮的爆發、相關科技應用成果在各領域不斷落地以及信息技術與武器系統的深度結合，眾多軍事強國將智能技術作為改變游戲規則的顛覆性技術。美俄均將智能裝備作為軍事裝備現代化的優先領域，作為機械化軍團的有益補充，列裝智能無人裝備投入戰場應用。武器裝備依托智能運算平臺進行分析和推理，在戰場實施自主作戰和人機協同作戰，解放人力進行創造性的戰場管理和戰術規劃。作為作戰單元的打擊終端，集群彈藥是以智能化無人控制技術和網絡信息系統為支撐的集群式智能裝備，是未來戰場不可或缺的一部分，其作戰形式主要包括對地低空突防偵察打擊、對空反無人集群、對海大型目標飽和攻擊等。它不僅僅是彈藥數量的單純增加，而是從作戰核心到配套戰法由里及外的技術創新，可以實現以小取勝、以量取勝、以高效協同取勝，可使表面看似雜亂的戰場整齊劃一，形成生物集群效應一般的作戰攻勢。集群彈藥采取將兵力要素進行分布式化的作戰構想，更容易融入新技術和新戰術，指揮構架更靈活，對手的意圖辨識難度更大，執行效率更高，行動領域更廣泛，從而能夠綜合提高在復雜環境下完成各類作戰任務的能力。分布式作戰是OODA優勢思想的繼承和演繹，一方面，通過分布式機動制造機會，打擊敵關鍵薄弱環節，充分運用智能裝備的反應速度奪取主動權，控制作戰節奏，使敵倉促應戰；另一方面，通過變化無常的作戰行動，使敵無法輕易找到己方的行動規律，能夠在聯合作戰空間實現平臺分布、效果聚合的多途徑作戰。然而，智能集群彈藥的發展目前尚處在作戰概念、理論建模、基礎技術儲備階段，尚未形成有效的理論和成熟的技術指導該類武器裝備的設計與研制。大規模智能集群智能彈藥的研制繼承了常規彈藥、制導彈藥、靈巧彈藥等特點，開展此類武器裝備的基礎理論研究，有助于我軍搶占先機，發揮先發優勢，同時也可以提早研究針對類似裝備的應對方法。本書內容主要聚焦于集群彈藥智能組群的方法及相關應用，在部分章節列舉了相關案例展開討論。本書的內容涵蓋了受自然大規模生物集群啟發得到的人工集群系統概述，集群彈藥的數學模型及涌現機理，混合式體系架構，仿生組群原理及關鍵技術，集群彈藥的博弈、制導與控制之間的關系，集群彈藥的效能評估及驗證手段等多項內容。本書共7章。其中，第1章從集群智能的概念入手，結合彈藥在戰場上的任務使命，逐步明確集群彈藥的概念，以及與經典馬爾可夫決策過程和多智能體理論的關聯。第2章基于集群彈藥的定義和特征，構建集群彈藥自底而上的自組織數學模型，分析其涌現機理，將集群研究和彈藥特性之間進行映射，輔助研究人員設計集群彈藥平臺、集群決策算法、協同控制算法。第3章介紹慎思式集群作戰任務驅動體系架構、反應式個體行為規則驅動體系架構以及二者構成的混合式體系架構，并結合具體案例給出數學模型和決策方法。第4章重點介紹基于視覺的仿生組群方法，給出在不依賴通信的前提下實現智能彈藥集群的協作的可行方案。第5章探索博弈理論對集群彈藥的適用性，探索多約束條件下的協同制導律設計，探索在保證單體彈藥制導精度基礎上制導成本的降低。第6章從開發/研制集群彈藥角度出發，面向給定任務需求，介紹集群彈藥的效能評估體系及方法。第7章針對現有集群仿真系統精度低的難題，介紹了高細粒度硬件在回路仿真系統，并針對具體案例描述該仿真系統的使用情況。本書在撰寫過程中獲得了多位專家、學者的指導，在此感謝北京理工大學馬寶華教授，陸軍研究院沈曉軍研究員、游寧研究員，航天科工三院程進研究員、關震宇研究員，北京理工大學楊東曉副研究員、楊宇副研究員、楊亞超、熊婧、王子泉、徐驍、王振北、康森波對本書的貢獻以及寶貴意見。本書的部分研究工作獲得了自然科學基金項目（62373053，62103048）的支持。由于本書涉及內容廣泛，著者水平有限，書中難免會出現疏漏和不當之處，敬請讀者批評指正。
李杰，工學博士，教授，北京理工大學兵器科學與技術博士生導師。主要從事無人巡飛系統技術、彈載信息集成控制技術、引信直列式安全系統技術等方面的教學科研工作。在國內率先開展引信安全系統信息化、炮射/彈載無人機及云彈藥等相關技術研究，以第一獲獎人獲國防科學技術二等獎2項，三等獎3項，發明專利40余項。發表《云彈藥系統》《云彈藥引信的技術命題》等論文，出版《無人系統設計與集成》《智能集群--從自然到人工系統》《機械電子學》等著作。李娟，工學博士，預聘助理教授，北京理工大學兵器科學與技術碩士生導師。主要從事集群智能優化算法的基礎理論研究以及在軍事運籌學領域應用等方面的教學科研工作。主持博士后面上一等資助、兵器科學與技術方向首個博士后站前資助、國家自然科學基金委員會青年項目、面上項目、青年托舉人才項目。在集群優化與決策和不確定性處理的共性理論方面取得了較好的研究成果，以第一作者或通訊身份發表SCI論文9篇，其中頂級期刊6篇，會議EI論文19篇。申報發明專利6項，出版學術專著2部。獲北京理工大學教書育人類表彰、北京市本科畢設優秀指導教師、北京理工大學優秀博士后等稱號。劉暢，工學博士，副研究員，北京理工大學長三角研究院（嘉興）碩士導師。主要從事智能巡飛無人系統總體設計、導航控制與制導系統設計、集群巡飛無人系統組群方法及應用等方面的教學科研工作。先后研制了2型小型電動力巡飛無人系統、1型硬件在環仿真系統，以第二獲獎人獲得國防科學技術發明獎三等獎1項，出版學術專著2部、發表學術論文14篇，授權專利17項。李兵，工學博士，研究員，中國航天科技集團青年拔尖人才計劃，科技部專家庫專家，航天七院七部無人系統領域專家，航天七院科技英才第二層次和青年拔尖人才計劃，四川省科技青年聯合會常務理事，成都理工大學客座教授，省級工程技術中心專家委員會成員，無人系統專題項目辦副主任，中國指控學會網絡信息體系工程咨詢專家、智能博弈與兵棋推演專委會常務委員和青年工委會常務委員等。主要從事火力指揮控制、多智能體協同控制、智能無人系統總體設計與集成等方面的科研工作。獲國防科技進步獎三等獎1項，集團科技進步二等獎1項，形成學術論文30篇，出版專著1部，受理專利22項，授權專利6項。
第1 章 集群智能概述…………………………………………………………… 001 1. 1 集群智能的起源及特征……………………………………………… 002 1. 2 自然界大規模生物集群的啟示……………………………………… 003 1. 3 集群行為的關鍵因素………………………………………………… 005 1. 4 集群行為與馬爾可夫決策過程……………………………………… 007 1. 4. 1 馬爾可夫決策過程………………………………………… 008 1. 4. 2 部分可觀察馬爾可夫決策過程…………………………… 010 1. 4. 3 分布式部分可觀測馬爾可夫決策過程…………………… 011 1. 4. 4 集群中的馬爾可夫決策過程……………………………… 012 1. 5 集群智能與多智能體理論…………………………………………… 013 1. 5. 1 智能體的定義與理解……………………………………… 014 1. 5. 2 慎思型智能體和反應型智能體…………………………… 014 1. 5. 3 多智能體間的協商………………………………………… 016 1. 5. 4 多智能體間的通信………………………………………… 018 1. 6 集群智能與決策、優化、學習的關系…………………………… 019 參考文獻……………………………………………………………………… 021第2 章 集群彈藥的數學模型及涌現機理…………………………………… 023 2. 1 彈藥與集群智能的聯系……………………………………………… 024 2. 1. 1 集群彈藥簡述……………………………………………… 024 2. 1. 2 彈藥與集群的映射關系…………………………………… 025 2. 1. 3 集群彈藥影響因素………………………………………… 027 2. 1. 4 集群彈藥的分類…………………………………………… 030 2. 2 集群彈藥的數學模型………………………………………………… 031 2. 2. 1 自底而上自組織模型……………………………………… 033 2. 2. 2 集群彈藥數學模型………………………………………… 037 2. 3 集群彈藥模型的理解………………………………………………… 042 2. 3. 1 自組織特性………………………………………………… 042 2. 3. 2 涌現特性…………………………………………………… 045 2. 4 以毀傷為驅動的參數學習…………………………………………… 047 2. 4. 1 以毀傷為基礎的價值函數設計…………………………… 047 2. 4. 2 數據采集與算法訓練……………………………………… 048 參考文獻……………………………………………………………………… 050第3 章 集群彈藥混合式體系架構…………………………………………… 053 3. 1 慎思式集群作戰任務驅動范式……………………………………… 054 3. 1. 1 復雜環境預先任務分配…………………………………… 055 3. 1. 2 多目標確定性武器- 目標分配問題……………………… 061 3. 1. 3 多目標不確定武器- 目標分配問題……………………… 078 3. 1. 4 復雜環境實時任務分配…………………………………… 087 3. 2 反應式個體行為規則驅動范式……………………………………… 106 3. 2. 1 自組織行為演化流程……………………………………… 108 3. 2. 2 個體行為規則……………………………………………… 108 3. 2. 3 行為原型…………………………………………………… 111 3. 2. 4 基于啟發式算法的多規則組合優化方法………………… 111 3. 2. 5 試驗驗證…………………………………………………… 112 參考文獻……………………………………………………………………… 133第4 章 仿生組群原理及關鍵技術…………………………………………… 141 4. 1 概述…………………………………………………………………… 1434. 2 視覺驅動的集群協作模型…………………………………………… 145 4. 2. 1 視覺輸入層………………………………………………… 146 4. 2. 2 視覺信息層………………………………………………… 148 4. 2. 3 行為規則層………………………………………………… 150 4. 2. 4 動作輸出層………………………………………………… 151 4. 3 任務導向的表型優化………………………………………………… 151 4. 3. 1 編碼與交叉變異…………………………………………… 152 4. 3. 2 解碼與選擇………………………………………………… 154 4. 4 數值試驗與結果分析………………………………………………… 155 4. 4. 1 算例構建…………………………………………………… 155 4. 4. 2 對比參數設置……………………………………………… 156 4. 4. 3 彈藥集群性能指標………………………………………… 157 4. 4. 4 試驗結果與分析…………………………………………… 158 4. 5 小結…………………………………………………………………… 169 參考文獻……………………………………………………………………… 170第5 章 集群彈藥的博弈、制導與控制……………………………………… 177 5. 1 博弈和集群彈藥的關系……………………………………………… 178 5. 1. 1 三方微分博弈決策模型…………………………………… 180 5. 1. 2 微分博弈控制的最優性分析……………………………… 182 5. 1. 3 基于雙重拍賣的TAD 匹配方法…………………………… 183 5. 2 集群協同末制導……………………………………………………… 185 5. 2. 1 彈著角約束下的制導……………………………………… 185 5. 2. 2 時間約束下的末制導……………………………………… 188 5. 2. 3 初步仿真驗證……………………………………………… 192 5. 2. 4 小結…………………………………………………………… 200 5. 3 低成本末制導技術…………………………………………………… 200 5. 3. 1 捷聯制導回路系統模塊化設計…………………………… 201 5. 3. 2 成像反饋回路設計………………………………………… 204 5. 3. 3 智能彈藥縱向制導系統設計……………………………… 209 5. 3. 4 智能彈藥橫向制導系統設計……………………………… 214 5. 3. 5 小結…………………………………………………………… 221 5. 4 本章小結……………………………………………………………… 221 參考文獻……………………………………………………………………… 221第6 章 集群彈藥效能評估方法……………………………………………… 225 6. 1 智能集群彈藥評價體系的構建……………………………………… 226 6. 1. 1 集群彈藥能力評估指標體系構建………………………… 227 6. 1. 2 集群彈藥能力評估系統搭建……………………………… 229 6. 1. 3 集群彈藥能力評估測試流程建立………………………… 233 6. 1. 4 常見評估方法……………………………………………… 234 6. 2 集群彈藥應用場景探究……………………………………………… 238 6. 2. 1 集群彈藥協同作戰有效性分析…………………………… 240 6. 2. 2 影響集群彈藥協同作戰能力的核心要素探究…………… 244 6. 2. 3 小結…………………………………………………………… 247 參考文獻……………………………………………………………………… 247第7 章 集群彈藥驗證手段……………………………………………………… 249 7. 1 硬件在回路仿真系統………………………………………………… 251 7. 1. 1 仿真系統設計要點………………………………………… 252 7. 1. 2 基于數字孿生技術的集群建模…………………………… 258 7. 1. 3 系統功能設計與實現……………………………………… 269 7. 2 彈載決策與控制軟件的設計………………………………………… 280 7. 2. 1 分布式決策框架的構建…………………………………… 280 7. 2. 2 信息交互方法……………………………………………… 282 7. 2. 3 集群信息的獲取…………………………………………… 284 7. 3 基于視場投影模型的仿生集群……………………………………… 285 7. 3. 1 視場投影模型……………………………………………… 285 7. 3. 2 基于行為規則的集群控制方法…………………………… 286 7. 3. 3 行為規則權重與集群彈藥任務的映射關系……………… 288 7. 4 風場擾動環境下的編隊保持技術………………………………… 291 7. 4. 1 風場擾動環境下的協同控制問題建模…………………… 292 7. 4. 2 編隊保持控制方法………………………………………… 294 7. 5 控制人機交互系統的設計………………………………………… 296 7. 6 本章小結……………………………………………………………… 298 參考文獻……………………………………………………………………… 299
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