（2）以激發工作機制進行通信；

（3）個體行為規則簡單；

（4）系統組織機制是自組織的。

受上述理念啟發，控制領域出現了眾多智能涌現模型[5]，并催生了“蜂群”、“狼群”等新型系統。美國海軍是“蜂群”作戰領域的先驅，其下屬的海軍研究生院對“蜂群”作戰進行了深入分析研究，其中，LV Pham等人于2012年12月發表了《UAV swarm attack：protection system alternatives for destroyers》，引起了科學界、軍事科學界的廣泛關注。以“蜂群”為代表的無人集群系統，通常規模較大、應用環境復雜，難以實現中心控制，是典型的分布式系統。集群協同控制問題是該類系統的關鍵技術問題[6]。

本文以無人機集群為例，從集群系統組成和功能特性分析入手，以任務執行能力和集群控制能力為主要驗證對象，開展無人集群系統仿真平臺設計。其創新性包含如下兩點：

第一，以集群控制算法為核心驗證對象，并圍繞其開展仿真模型設計和評估模型設計。

第二，平臺消息通信架構采用DDS，以實現對象間的時空統一和高質量網絡傳輸。

1　無人集群及其仿真技術

1.1　無人集群

無人集群概念被提出以來，國內外研究機構開展了大量研究工作。美國在該領域處于領先地位，開展了作戰樣式、投放回收、集群組網、體系論證等全方位的研究工作。我國在該領域緊跟美國，部分技術成果處于領先地位。

在美國國防部的統一領導下，美國國防先進研究計劃局（DARPA）、戰略能力辦公室（SCO）、海軍等機構，分別啟動了“小精靈”（Gremlins）、“灰山鶉”（Perdix）、低成本無人機集群技術（LOCUST）等項目。這些項目在功能上相互獨立、各有側重，在體系上又互為補充、融合發展。此外，英國、新加坡、巴西等國家也相繼開展了關于集群控制相關領域的研究。

國內在無人集群理論研究方面有一定積累，為我國在該領域取得突破提供了良好基礎。2016年11月，珠海航展公布了中國電子科技集團聯合清華大學和北京泊松技術有限公司完成的“67架固定翼無人機集群編隊飛行”打破固定翼無人機集群飛行世界紀錄的消息。2017年5月，該聯合團隊又成功完成了119架固定翼無人機集群飛行試驗，演示了集群地面密集彈射、空中集結、編隊飛行、多目標分組、編隊合圍等科目。

1.2　集群仿真

上述部分項目開展了實物試驗，這是無人集群研究的重要組成部分。然而，由于空域和經費限制等問題，一般采用仿真方法來先期驗證集群的功能性能。通過構建仿真平臺，實現系統閉環運行，結合仿真過程事件的隨機化處理，使系統具備快速批量運行能力，為分析評估提供試驗數據[7]。

關于仿真技術，美國國防建模與仿真辦公室（DMSO）于1995年10月制定了建模與仿真主計劃，提出了未來建模/仿真的共同技術框架，包括三個方面：高層體系結構（HLA），任務空間概念模型（CMMS）和數據標準（DS）。HLA提供了仿真平臺體系架構設計思想，其核心思想是使用面向對象的方法，設計、開發及實現系統不同層次和粒度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真平臺高層次上的互操作性和可重用性。CMMS和DS規定了仿真平臺的模型規范和數據標準。

目前，多數仿真平臺采用運行支撐環境（RTI）實現HLA接口規范，RTI提供類似分布式網絡操作系統的功能，實現各仿真對象間的信息交互。其中，仿真數據的高效發布是RTI的重要功能，是實現RTI的重點和難點。2007年1月，對象管理組織（OMG）發布了關于分布式實時系統數據分發的規范——數據分發服務（DDS）1.2版，其采用了發布/訂閱體系結構，以數據為中心構建發布/訂閱通信模型，并提供實時性能級別控制功能。目前，DDS被廣泛應用于實時性要求高的任務系統。將DDS用于仿真數據的實時發布，能夠很好地解決HLA架構中數據高效分發的難題。

模型是仿真平臺的基本元素，是對認識對象的一種簡化描述，是對原型進行模擬形成的特定樣態[8]。無人集群系統作為一種由大量實體組成的分布式網絡系統，其仿真模型至少包含描述無人平臺單體行為的運動模型、傳感器模型、武器模型等，以及描述集群群體行為的網絡模型、避障規則模型等。其中群體行為模型是集群仿真和飛行試驗中的重點和難點。

生物數學家A.E. Parr于1927年在解釋魚群的內聚性現象時最先提出了群體中個體間的相互作用由引力、斥力組成的建模思想[9]。K.Warburton和J.Lazarus在1991年構建了一系列群體動力學模型，用于研究群體的內聚性。此后，各種生物群體集群模型相繼產生。集群中智能單體的運動狀態由內部環境（群內個體間的吸引力/排斥力）和外部環境（局部感知環境）同時決定[10]。集群單體具有一定自主能力，包括自主運動控制、局部范圍信息傳感、處理和通信等[11]。因此，對集群單體傳感器、武器系統以及集群運行環境準確建模，是構建集群仿真平臺的一項重要工作。

2　無人集群技術要素分析

2.1　以集群控制為核心的無人平臺系統

無人集群系統分布于陸海空天等各個領域，包括無人車群、無人船群、潛航器群、無人機群、衛星群等，也可以是跨域的混合集群，比如空地協同無人集群、空海協同無人集群等。

通常，無人集群系統由無人平臺系統和控制站系統兩個部分組成。其中，控制站系統可分為地面站系統、機載站系統、車載站系統、艦載站系統和星載站系統等。下面以由無人機平臺組成的集群系統為例介紹典型無人集群系統的構成要素。

典型無人機集群系統主要包含兩個部分：無人機系統和地面站系統，見圖 1。

圖 1 無人機集群系統要素組成示意圖

其中，無人機系統包括機載任務子系統、集群控制子系統、通信子系統、導航子系統、飛控子系統、機電子系統、能源子系統，見圖 2。

圖 2 無人機系統組成圖

機載任務子系統，實現基于集群整體任務目標的本平臺任務分配、任務跟蹤，以及本平臺與集群友機間的任務協同和本平臺與地面站系統間的任務交互。該子系統實現集群任務分解，包括情報采集、干擾攻擊等任務。其中，情報采集任務包括情報探測、目標識別、情報分發等。干擾攻擊任務包括電子偵察干擾、通信偵察干擾、火力攻擊等。

集群控制子系統實現基于集群局部信息的避撞檢測和路徑規劃。其中，避撞檢測包括針對地理環境信息的避撞檢測、針對集群友機的避撞檢測以及針對敵方防御設施的避撞檢測。路徑規劃實現基于集群整體任務和避撞策略的本平臺路徑規劃和路徑跟蹤。集群控制子系統是整個集群運行的基礎和保障，對于集群任務的正確執行起到關鍵作用。

通信子系統實現集群內部組網以及對外信息交互所需的遠程通信功能。其中，集群自組織網絡通信技術和微小型遠程通信技術是集群系統的關鍵技術。導航子系統實現地理定位、時空基準、本平臺姿態獲取等功能。飛控子系統和機電子系統分別實現本平臺飛行控制功能和機械控制功能。能源子系統提供本平臺飛行、計算所需的動力能源和電力能源。

2.2　以管理評估為中心的地面控制系統

地面站系統包括地面任務子系統、人機交互子系統、通信子系統、評估子系統，見圖 3。

圖 3 控制站系統組成圖

地面任務子系統主要實現整個集群的任務管理和態勢管理。其中，任務管理包括集群任務規劃和集群編組控制。態勢管理包括對集群系統全局態勢場景的管理，以及對集群成員單體的監視管理。

人機交互子系統實現操作員與集群系統之間的命令交互、數據顯示等功能。其中命令交互包括鍵盤、鼠標、觸控、手勢、語音等方式。數據顯示包括臺式工作站顯示、大屏顯示、手持移動終端顯示、虛擬現實顯示等方式。

通信子系統實現地面站與無人機的遠程通信功能，或者通過大型空基平臺、海基平臺、天基平臺中繼實現遠程通信。評估子系統實現針對任務執行、集群控制等集群能力的評估。

（未完待續）

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