集群彈藥智能組群理論與方法
定 價:98 元
叢書名:智能無人系統(tǒng)研究叢書(第一輯) “十四五”國家重點出版物出版規(guī)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(jié)列舉了相關案例展開討論。本書的內容涵蓋了受自然大規(guī)模生物集群啟發(fā)得到的人工集群系統(tǒng)概述,集群彈藥的數(shù)學模型及涌現(xiàn)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(huán)境下難獨自完成復雜任務。為了提高任務成功率和執(zhí)行效率,智能彈藥的應用樣式逐步從單體向集群方向發(fā)展。復雜環(huán)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(huán)境下集群彈藥的涌現(xiàn)理論構建、演化方法設計和集群高細粒度仿真與評估系統(tǒng)搭建。
隨著人工智能浪潮的爆發(fā)、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(tǒng)的深度結合,眾多軍事強國將智能技術作為改變游戲規(guī)則的顛覆性技術。美俄均將智能裝備作為軍事裝備現(xiàn)代化的優(yōu)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(zhàn)場應用。武器裝備依托智能運算平臺進行分析和推理,在戰(zhàn)場實施自主作戰(zhàn)和人機協(xié)同作戰(zhàn),解放人力進行創(chuàng)造性的戰(zhàn)場管理和戰(zhàn)術規(guī)劃。作為作戰(zhàn)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(tǒng)為支撐的集群式智能裝備,是未來戰(zhàn)場不可或缺的一部分,其作戰(zhàn)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(shù)量的單純增加,而是從作戰(zhàn)核心到配套戰(zhàn)法由里及外的技術創(chuàng)新,可以實現(xiàn)以小取勝、以量取勝、以高效協(xié)同取勝,可使表面看似雜亂的戰(zhàn)場整齊劃一,形成生物集群效應一般的作戰(zhàn)攻勢。集群彈藥采取將兵力要素進行分布式化的作戰(zhàn)構想,更容易融入新技術和新戰(zhàn)術,指揮構架更靈活,對手的意圖辨識難度更大,執(zhí)行效率更高,行動領域更廣泛,從而能夠綜合提高在復雜環(huán)境下完成各類作戰(zhàn)任務的能力。分布式作戰(zhàn)是OODA優(yōu)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(huán)節(jié),充分運用智能裝備的反應速度奪取主動權,控制作戰(zhàn)節(jié)奏,使敵倉促應戰(zhàn);另一方面,通過變化無常的作戰(zhàn)行動,使敵無法輕易找到己方的行動規(guī)律,能夠在聯(lián)合作戰(zhàn)空間實現(xiàn)平臺分布、效果聚合的多途徑作戰(zhàn)。然而,智能集群彈藥的發(fā)展目前尚處在作戰(zhàn)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(guī)模智能集群智能彈藥的研制繼承了常規(guī)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(fā)揮先發(fā)優(yōu)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(jié)列舉了相關案例展開討論。本書的內容涵蓋了受自然大規(guī)模生物集群啟發(fā)得到的人工集群系統(tǒng)概述,集群彈藥的數(shù)學模型及涌現(xiàn)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(zhàn)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(lián)。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(shù)學模型,分析其涌現(xiàn)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(xié)同控制算法。第3章介紹慎思式集群作戰(zhàn)任務驅動體系架構、反應式個體行為規(guī)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(shù)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(xiàn)智能彈藥集群的協(xié)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(xié)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(fā)/研制集群彈藥角度出發(fā),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(xiàn)有集群仿真系統(tǒng)精度低的難題,介紹了高細粒度硬件在回路仿真系統(tǒng),并針對具體案例描述該仿真系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)技術、彈載信息集成控制技術、引信直列式安全系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)明專利40余項。發(fā)表《云彈藥系統(tǒng)》《云彈藥引信的技術命題》等論文,出版《無人系統(tǒng)設計與集成》《智能集群--從自然到人工系統(tǒng)》《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(yōu)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(yōu)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(fā)表SCI論文9篇,其中頂級期刊6篇,會議EI論文19篇。申報發(fā)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(yōu)秀指導教師、北京理工大學優(yōu)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(tǒng)總體設計、導航控制與制導系統(tǒng)設計、集群巡飛無人系統(tǒng)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(tǒng)、1型硬件在環(huán)仿真系統(tǒng),以第二獲獎人獲得國防科學技術發(fā)明獎三等獎1項,出版學術專著2部、發(fā)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?guī)鞂<,航天七院七部無人系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)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(xié)同控制、智能無人系統(tǒng)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(guī)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(xié)商………………………………………… 016 1. 5. 4 多智能體間的通信………………………………………… 018 1. 6 集群智能與決策、優(yōu)化、學習的關系…………………………… 019 參考文獻……………………………………………………………………… 021第2 章 集群彈藥的數(shù)學模型及涌現(xiàn)機理…………………………………… 023 2. 1 彈藥與集群智能的聯(lián)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(shù)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(shù)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(xiàn)特性…………………………………………………… 045 2. 4 以毀傷為驅動的參數(shù)學習…………………………………………… 047 2. 4. 1 以毀傷為基礎的價值函數(shù)設計…………………………… 047 2. 4. 2 數(shù)據(jù)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(zhàn)任務驅動范式……………………………………… 054 3. 1. 1 復雜環(huán)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(huán)境實時任務分配…………………………………… 087 3. 2 反應式個體行為規(guī)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(guī)則……………………………………………… 108 3. 2. 3 行為原型…………………………………………………… 111 3. 2. 4 基于啟發(fā)式算法的多規(guī)則組合優(yōu)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(xié)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(guī)則層………………………………………………… 150 4. 2. 4 動作輸出層………………………………………………… 151 4. 3 任務導向的表型優(yōu)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(shù)值試驗與結果分析………………………………………………… 155 4. 4. 1 算例構建…………………………………………………… 155 4. 4. 2 對比參數(shù)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(yōu)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(xié)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(lián)制導回路系統(tǒng)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(tǒng)設計……………………………… 209 5. 3. 4 智能彈藥橫向制導系統(tǒng)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(tǒng)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(xié)同作戰(zhàn)有效性分析…………………………… 240 6. 2. 2 影響集群彈藥協(xié)同作戰(zhàn)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(tǒng)………………………………………………… 251 7. 1. 1 仿真系統(tǒng)設計要點………………………………………… 252 7. 1. 2 基于數(shù)字孿生技術的集群建模…………………………… 258 7. 1. 3 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)……………………………………… 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(guī)則的集群控制方法…………………………… 286 7. 3. 3 行為規(guī)則權重與集群彈藥任務的映射關系……………… 288 7. 4 風場擾動環(huán)境下的編隊保持技術………………………………… 291 7. 4. 1 風場擾動環(huán)境下的協(xié)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(tǒng)的設計………………………………………… 296 7. 6 本章小結……………………………………………………………… 298 參考文獻……………………………………………………………………… 299