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有人機與無人機協同決策模型方法 版權信息
- ISBN:9787030718440
- 條形碼:9787030718440 ; 978-7-03-071844-0
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
有人機與無人機協同決策模型方法 內容簡介
針對未來有人機與無人機協同決策技術的發展趨勢,提出了有人機與無人機有限干預式和認知智能交互式兩種協同決策模式,并分別詳細地介紹了具體的模型實現和方法建立過程。全書分為9章,主要包括:有限干預式協同決策機制及其協同決策模型;認知智能交互式協同決策機制;有人機操作員工作與認知負荷評估方法;基于認知智能交互的人機協同態勢評估、威脅評、任務分配與航路規劃模型,以及協同決策仿真系統等內容。
有人機與無人機協同決策模型方法 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意義 2
1.2 國內外發展現狀 5
1.2.1 有人機與無人機協同作戰發展現狀 5
1.2.2 有人機與無人機監督控制技術發展現狀 9
1.2.3 有人機與無人機協同決策技術發展現狀 11
1.2.4 模糊認知圖模型理論研究發展現狀 12
第2章 有人機與無人機有限干預式協同決策機制分析 16
2.1 基于有限干預的無人機自主決策問題描述 16
2.2 基于有限干預的無人機自主等級 17
2.3 無人機層次化自主決策模型框架 18
2.4 有人機有限干預觸發策略與介入方式 20
2.4.1 有限干預觸發策略 20
2.4.2 有限干預介入方式 21
2.5 無人機自主等級調節機制 22
2.5.1 自主等級的評估方法 23
2.5.2 自主調整的維度 25
2.5.3 無人機可變自主模型 27
2.6 有人機與無人機有限干預式協同決策運行調度機制 28
2.7 本章小結 30
第3章 有人機與無人機有限干預式協同決策模型 31
3.1 有人機與無人機有限干預式協同決策任務描述 31
3.2 有人機與無人機協同障礙規避決策模型 32
3.2.1 無人機障礙規避動作層次劃分 32
3.2.2 無人機障礙規避決策的FCM模型 33
3.2.3 障礙規避的有人機有限干預決策模型 35
3.3 有人機與無人機協同威脅規避決策模型 36
3.3.1 無人機威脅規避動作層次劃分 36
3.3.2 無人機威脅規避自主決策FCM模型 36
3.3.3 威脅規避的有人機有限干預決策模型 38
3.4 有人機與無人機協同攻擊決策模型 39
3.4.1 無人機攻擊決策動作層次劃分 41
3.4.2 無人機自主攻擊決策FCM模型 41
3.4.3 協同攻擊的有人機有限干預決策模型 47
3.5 有人機與無人機有限干預式協同決策仿真與分析 51
3.5.1 仿真過程和分析指標選取 51
3.5.2 有人機與無人機協同障礙規避決策仿真與分析 53
3.5.3 無人機威脅規避任務案例仿真 55
3.5.4 無人機目標攻擊任務案例仿真 58
3.5.5 仿真結果分析及結論 63
3.6 本章小結 69
第4章 有人機與無人機認知智能交互式協同決策機制分析 70
4.1 認知智能交互式協同決策機制模型框架 70
4.1.1 情境覺知層 71
4.1.2 決策推理層 71
4.1.3 執行干預層 72
4.2 有人機操作員認知負荷評估 73
4.2.1 常用的評估方法 74
4.2.2 基于SVM的分類原理 77
4.3 無人機智能情緒模式 78
4.3.1 無人機智能情緒模式定義 78
4.3.2 無人機智能情緒模式FCM模型 79
4.3.3 案例分析 83
4.4 本章小結 85
第5章 有人機操作員工作負荷和認知負荷評估模型 86
5.1 有人機操作員工作負荷評估模型 86
5.1.1 基于飛行任務的工作負荷實驗 86
5.1.2 實驗儀器設備 86
5.1.3 眼動、生理指標選擇及采集 89
5.1.4 眼動、生理數據處理 90
5.2 有人機操作員認知負荷評估模型 96
5.2.1 N-back任務 96
5.2.2 基于N-back任務的認知負荷評估實驗 97
5.2.3 基于N-back任務的實驗軟件與儀器設備 98
5.2.4 眼動、腦電指標選擇與采集 99
5.2.5 眼動、腦電數據處理 102
5.3 有人機操作員工作負荷和認知負荷評估模型優化 111
5.3.1 模型分析 111
5.3.2 組合分類器設計 114
5.3.3 分類結果驗證及對比 116
5.4 本章小結 124
第6章 認知智能交互式人機協同態勢評估與威脅評估模型 125
6.1 基于認知智能交互的人機協同決策任務想定 125
6.2 基于認知智能交互的人機協同態勢評估模型 126
6.2.1 協同態勢評估定義與模型結構 126
6.2.2 基于IFCM的認知智能交互式協同態勢評估建模方法 127
6.2.3 認知智能交互式協同態勢評估模型 129
6.2.4 案例仿真分析 133
6.3 基于認知智能交互的人機協同威脅評估模型 137
6.3.1 協同威脅評估分析 137
6.3.2 認知智能交互式協同威脅評估模型結構 138
6.3.3 基于IFCM和遺傳算法的威脅評估建模方法 139
6.3.4 認知智能交互式協同威脅評估模型 140
6.3.5 案例仿真驗證 143
6.4 本章小結 147
第7章 認知智能交互式人機協同任務分配與航路規劃模型 148
7.1 認知智能交互式人機協同任務分配模型 148
7.1.1 協同任務分配問題分析 148
7.1.2 認知智能交互式人機協同任務分配模型結構 149
7.1.3 認知智能交互式人機協同任務分配模型 149
7.1.4 案例仿真分析 152
7.2 認知智能交互式人機協同航路規劃模型 155
7.2.1 協同航路規劃問題分析 155
7.2.2 認知智能交互式人機協同航路規劃模型結構 155
7.2.3 認知智能交互的協同航路規劃模型 155
7.2.4 案例仿真驗證 159
7.3 本章小結 162
第8章 認知智能交互式有人機與無人機協同決策仿真系統 163
8.1 認知智能交互式人機協同決策仿真系統組成結構 163
8.2 有人機與無人機協同飛行控制仿真系統 165
8.2.1 飛行控制仿真系統軟件界面 165
8.2.2 飛行操縱桿數據采集與處理 166
8.2.3 仿真系統的UDP通信 168
8.3 視景仿真系統 169
8.4 人機交互系統 171
8.4.1 綜合態勢子系統 171
8.4.2 儀器儀表子系統 173
8.5 仿真實驗驗證與分析 173
8.6 本章小結 178
參考文獻 179
附錄 184
有人機與無人機協同決策模型方法 節選
第1章 緒論 本章主要闡述有人機與無人機協同決策問題的研究背景、意義、國內外發展現狀,包含主要建模與分析方法。 1.1 研究背景及意義 1.1.1 研究背景 近年來,無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)發展迅速,作為新型作戰力量,已從傳統的偵察監視、水文氣象等信息支援和信息保障領域,向具有攻擊和殺傷能力的火力打擊方向發展,在未來戰爭中將承擔更加重要的作戰任務[1]。因此隨著無人機技術的發展和無人機裝備數量的增加,這種新型作戰力量如何真正融入作戰體系,并在未來戰爭中充分發揮體系作戰的優勢,成為各國爭相研究的一個重要課題[2-4]。然而面對日趨復雜和激烈的戰場環境,以及戰術任務的多重性與復雜性,無人機很難獨自完成高強度對抗的作戰任務。因此,根據未來戰爭對無人機的作戰任務需求,結合有人機、無人機的作戰特點,在信息化、網絡化、智能化、體系對抗作戰環境下[5],采取有人機和無人機編隊協同作戰,將實現有人機與無人機之間及整個作戰體系之間信息和資源的共享,以及各自優勢的充分發揮,對于提高整個系統的作戰效能,具有重大的軍事應用價值[6]。 有人機與無人機協同,是指一架或一架以上的有人機與一架或一架以上的無人機,組成一定隊形并存在指揮協同關系的一種混合編隊形式,用于遂行各類作戰任務。在混合編隊中,無人機可以是性能較高的、功能較全面的大型無人機,也可以是性能較低、功能較為單一的小型無人機,無人機與有人機之間通過戰術通用數據鏈進行信息交互,共同構成一個完整團隊[7]。兩者編隊協同作戰,除延續了原有作戰編隊的部分特征外,還大大拓展了原有編隊的形式與內涵,既面臨使用挑戰(如建立系統協同模式、協同規則等),也面臨技術挑戰(如系統有效連接的技術群)。有人機與無人機實現協同作戰的基礎,是具備簡潔有效的無人機控制能力的有人機平臺、擁有一定自主能力的無人機以及高效且可靠的數據鏈系統的組合。 1.1.2 研究意義 1.有人機與無人機協同作戰的必要性 (1)適應無人機技術快速發展,促進高對抗條件實戰能力提升[8]。 進入21世紀以來,以美軍“全球鷹”和“捕食者”為代表的無人機在歷次反恐戰爭和其他軍事行動中表現出色,發揮了越來越重要的作用。2001年10月阿富汗戰爭中,美軍用掛載了“地獄火”導彈的“捕食者”無人機進行了實彈攻擊,標志著無人機遂行任務從傳統偵察領域向直接火力打擊領域的邁進。但同時可以看到,上述軍事行動的勝利都是在美軍掌握制空權,沒有空中激烈對抗條件下取得的。雖然無人機技術不斷發展,日益完善,但無人機仍存在“固有缺點”,受自主能力水平等因素限制。目前,無人機仍多以單機方式執行作戰任務,尚未具備高對抗條件下的協同作戰能力,在面臨具備較強對抗能力的對手時,無人機的使用將面臨很大危險。 在這種情況下,提出了“蜂群作戰”的概念,即讓多架無人機像蜜蜂一樣協同作戰,發揮整體的作戰能力,作戰效能明顯大于各自為戰的無人機。但從實戰角度看,由于無人機與無人機之間的協同技術尚不成熟,在協同態勢感知、信息交互、智能決策等方面還有許多難關要突破,距離實戰應用和推廣還有較大距離。有人機與無人機組成混合編隊協同作戰,技術難度要小于全無人機機群作戰,相對更容易實現,因此世界各國都在優先發展有人機與無人機的協同作戰技術。 (2)實現優勢互補,提高作戰效能。 有人機與無人機作戰特點與使用方式存在很大差異:有人機綜合判斷能力強,無人機智能決策能力有限;有人機快速反應能力強,無人機判斷識別水平低,依賴地面控制站控制;有人機戰損代價大、風險高,無人機低成本、零傷亡;有人機航時相對較短、持續作戰能力有限,無人機航時較長、持續作戰能力強等。 有人機與無人機混合編隊可以實現編隊角色互補,充分發揮各自優勢。一方面,充分發揮無人機隱身性能好、成本低等優勢,充當“急先鋒”;另一方面,充分利用人的智慧和綜合判斷能力,可有效彌補無人機在高威脅條件下智能決策不足。例如,在對地攻擊作戰中,有人機在敵防空火力范圍外遠程指揮,負責處理復雜的戰場信息,并迅速完成對目標的識別、打擊決策等任務,同時為無人機提供必要的空中掩護;無人機則可以利用自身隱身優勢,在有人機的指揮下對敵方縱深目標進行攻擊,從而提高作戰效能和戰場生存力。即使無人機被擊落,損失也小于有人機。此外,由有人機通過機間鏈對無人機進行指揮,也降低了戰區衛星通信系統的壓力。 2.有人機與無人機協同作戰的優勢 (1)進一步強化網絡中心戰,提高體系作戰效能。 網絡中心戰,其核心是將部隊作戰時情報信息的獲取與融合、指揮控制與信息交互、火力打擊三大功能組成一個信息網絡體系,使原來各種分散的探測系統、指揮系統和武器系統集成為一個統一高效的網絡體系。現代的空中戰場,已經由基于平臺,基于拼平臺性能、拼火力,向基于網絡、基于多種平臺聯合作戰,向拼信息、拼體系、拼協同的方向發展。無人機昀大的優勢之一,在于其節點特性十分突出,機上無人駕駛,其飛行與任務完全依賴于各方的信息(包括自身獲取的)和后方的指揮控制。無人機與有人機混合編隊,進行大范圍協同,形成明確的戰術關系,不僅使作戰單元與其他網絡節點連接更加豐富和可靠,在維持原有性能的基礎上,充分發揮體系作戰能力,而且將進一步拓展網絡中心戰的作戰樣式,實現以平臺為中心向以網絡為中心,進而向以信息為中心的作戰理念轉變。 (2)催生新型作戰模式,推進空中作戰形態的轉變。 無人機對作戰模式的改變,可從美軍“全球鷹”和“捕食者”的作戰使用中窺見一斑。“全球鷹”續航時間長,航程遠,改變了有人偵察機臨戰前部署和多機接替輪換偵察的傳統作戰方式。“捕食者”改變了先派偵察機搜索發現目標、再呼喚和引導攻擊機突擊目標的傳統作戰方式,產生了“察打一體”方式。有人機與無人機共同組成作戰單元,不僅可遂行空空作戰、空面作戰、偵察監視、電子對抗等多種作戰任務,而且拓展了編隊作戰模式,編隊形式將不再保持嚴格意義上的外部形態,而注重不同優勢的聯合。在有人機與無人機混合編隊中,無人機能夠從“觀察-判斷-決策-行動(observe-orient-decide-act,OODA)”全流程拓展原有的編隊作戰模式,可以前突吸引火力,可以承擔通信中繼,可以高空輔助探測目標,可以保持平飛引導武器攻擊,可以隱身突擊進行直接火力打擊。傳統的火力壓制突防、空中掩護等作戰方式將不復存在。這不僅會改變空中作戰的方式,更重要的是將推動空中作戰形態的轉變。 3.有人機與無人機協同作戰的特點 有人機與無人機性能特點和使用方式存在巨大差異,為兩者的編隊協同使用帶來很多新的特點。 **,編隊內涵得到極大拓展。有人機與無人機性能特點和使用方式差異大,有人機之間的傳統編隊概念已經不適用這種新型混合編隊,其編隊外部形態不再固定,可以更加疏開甚至疏散,不在視距范圍,甚至也可完全融為一體,在任務的前半程由有人機掛載。 第二,混合編隊樣式靈活多樣。無人機種類眾多,大、中、小型,遠、中、近程,高、中、低空,與有人機編隊組成作戰單元,形式多種多樣,并根據遂行作戰任務要求不同靈活使用。 第三,注重發揮全編隊綜合作戰效能。混合編隊中并不追求單一平臺的作戰能力,而是優化整個編隊單元的綜合作戰能力。 第四,密集型編隊對無人機自主性、安全性等要求高。有人機編隊,通常由同型飛機組成,性能相同或相近,易組成密集型編隊,即使是不同型飛機組成混合編隊,飛行員也可通過戰術使用保持相對密集的編隊。但無人機行為動作需有人機或地面控制站控制,若進行密集編隊大機動作戰、應對突發空情,對其自主能力、安全性等方面能力要求很高。 第五,無人機指揮權限、指揮關系必須嚴格、明確。無人機可按事先任務規劃確定的任務程序飛行,但對于實時態勢變化則必然要通過后方指揮控制。通常來說,在混合編隊中,無人機可能受到地面控制站和有人機等多重控制。因此,對于編隊遂行任務時,必須明確不同情況下的各級指揮權限和指揮關系,否則將極大影響編隊的作戰效能。 4.有人機與無人機協同等級的劃分 有人機與無人機混合編隊協同作戰,首先要面對的就是協同等級,即在混合編隊中,有人機對無人機的控制水平,這是影響作戰效能和使用模式的重要因素[9]。美國海軍昀初制定了有人機與無人機控制層級定義,隨后被 STANAG 4586標準沿用,并推廣至北約國家所有有人機與無人機協同項目[10-12]。該標準規定了有人平臺控制無人機的5級標準,由低到高,能力逐漸增強。 (1)1級:有人機與無人機之間不存在控制關系,有人機通過無人機地面控制站間接獲取源自無人機傳感器的數據,并能進行顯示或通過數據鏈網絡分發。有人機可采用平臺現有的 V/U視距鏈、衛星通信、戰術數據鏈等通信手段接收無人機地面控制站數據,該方法對平臺改裝較小,易于實現。 (2)2級:有人機可通過視距/超視距鏈路直接從無人機獲取傳感器數據并顯示或轉發,無須經其他平臺中轉或處理。相對于1級,可減少無人機地面控制站中轉造成的通信延遲,并防止地面控制站對傳感器數據處理導致信息丟失。 (3)3級:除2級控制能力外,有人機可對無人機上的載荷和傳感器進行控制,無人機由其他平臺控制飛行。因此需要兩條不同的控制鏈路,實現載荷、傳感器與無人機的實時分離控制。 (4)4級:除3級控制能力外,有人機具備除起降外的所有無人機控制能力,可在控制載荷的基礎上,控制其飛行航跡,進行障礙物和威脅規避。 (5)5級:從無人機起飛到降落的全功能控制。對于1級協同,相當于計劃協同,即有人機與無人機在統一任務規劃下各自獨立作戰,兩者之間沒有直接的指揮控制關系和信息聯系。對于2級協同,主要是傳感器數據接收,有人機可采用一條鏈路接收某一無人機獲取的目標信息或采用多條數據鏈同時接收來自多個無人機的信息,即同一層級的應用控制存在一對一、一對多和多對一的協同方式。而對于3~5級協同,涉及載荷、飛行及起降的控制,同一層級的應用控制權僅能由某一平臺掌握,當平臺僅具有較低控制權時,則由無人機地面控制站通過其他數據鏈進行高層級控制。美軍現有的“捕食者”“全球鷹”無人機均能與有人機實現1級協同,“阿帕奇”上安裝的 VUIT-2可同時對多架無人機施行2級控制。 總體來看,目前各國的研究目標主要是采用一架有人機對一架或多架無人機進行4級控制的模式,僅在使用運輸機和海上巡邏機等部分大型飛行平臺時,保留地面控制站的全部功能,即實現有人機對無人機的5級控制。 1.2 國內外發展現狀 1.2.1 有人機與無人機協同作戰發展現狀 美國國防部在2013年發布的無人系統集成路線圖中提出:有人機與無人機協同作戰是美軍將軍事重心從中東移向亞太地區后的一種基本作戰模式。事實上,鑒于有人機與無人機混合編隊協同作戰的應用前景,美、英等國從20世紀就競相開展了相關研究,探索有人機與無人機協同作戰的可行性、有效性和實用性,近年來取得長足進展,部分關鍵技術取得突破,已進入試驗驗證階段[13-15]。 美國空軍早在進行 X-45A無人機試飛時,就驗證了 X-45A與有人駕駛的 T-33飛機進行空中通信的能力,邁出了探索有人機與無人機混合編隊飛行和協同作戰的**步。緊接著,美國空軍又提出了軟件使能控制(software enabled control,SEC)計劃,利用一架 T-33飛機(改裝為無人機)與 F-15E進行了有人機與無人機協同偵察高危險區目標的飛行試驗,驗證了有人機對無人機的控制能力[16-17]。 美國海軍于2003年在 P-3C海上反潛巡邏機上驗證了戰術控制系統(tactical control system,TCS)對“火力偵察兵”無人直升機的控制能力,并于2012年提出研發通用控制系統(common control sy
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