1、基于演化博弈的社团网络无人集群协同机制禹明刚1,2,陈瑾2*,何明1*,刘学达1,张东戈11.中国人民解放军陆军工程大学指挥控制工程学院,南京 210007;2.中国人民解放军陆军工程大学通信工程学院,南京 210007*E-mail:;paper_收稿日期:2021-08-04;接受日期:2021-10-14;网络版发表日期:2022-08-09科技创新2030“新一代人工智能”重大项目(编号:2018AAA0102303)、国家自然科学基金项目(批准号:71901217)、国家社会科学基金项目(编号:19BXW117)和陆军工程大学理论创新工程项目(编号:KYZYJQZL2101)资助摘要
2、智能化协同的无人集群作战日益成为一种重要的作战方式,机制设计则是集群自主协同得以实现的重要途径.结合无人集群作战的组织规律与业务逻辑,探索自主协同的特点与规律,已成为当前军事学领域研究焦点之一.本文首先剖析军事需求,提出无人集群自主协同行为分析框架,包括群智涌现、信息网络构建、协同机制设计;其次,结合分析框架,针对群体系统动力学、基于博弈的群体协同、复杂网络上的合作演化对集群协同领域国内外前沿研究展开综述;进而,设计无人集群社团信息网络,构建基于多元公共品演化博弈的集群合作演化模型,并给出社团结构上集群的演化动力学过程;最后,仿真分析集群规模、网络特性、成本及收益等相关参数对集群协同行为的影响
3、,并给出集群作战中协同管控的方法.所得结论,可以为无人集群作战协同模式设计和战斗力生成提供理论借鉴和决策支持.关键词无人作战集群,演化博弈,社团网络,合作演化机制1引言近年来,智能化、无人化作战概念及技术不断成熟,无人作战平台(装备)凭借其成本低廉、易于大规模部署、编组灵活等诸多优势,越来越多地走入实际战场.智能化协同的无人集群作战是未来战争的重要内容1.无人集群作战是多个异构无人平台通过能力互补和行动协调,实现单个平台的任务能力扩展及集群的整体作战效能提升2.无人集群作战,对多平台间的“相互协同”提出了极高的要求.目前,实现无人集群协作,主要有集中式控制和分布式自主控制两种方式.在战场复杂电
4、磁环境下,通信不畅甚至通信失效是常见的现实风险3,此时,集中控制方式将可能失效,无人集群需要根据战场态势临机完成自组织、自协同,以继续遂行既定作战任务.此外,在瞬息万变的战场环境下,意外突发状况随时出现,此时若对每个无人平台进行微观管理,将使人员、通信等不堪重负,即响应性的控制大量无人平台将超过人类目前的技术、认知、决策能力,作战行动极有可能面临失败.因此,必须将更多的决策、行动自由委托给集群自治系统,通过自主协同方式,每个无人平台能够执行整个集群的意图引用格式:禹明刚,陈瑾,何明,等.基于演化博弈的社团网络无人集群协同机制.中国科学:技术科学,2023,53:221242Yu M G,Che
5、n J,He M,et al.Cooperative evolution mechanism of multiclustered unmanned swarm on community networks(in Chinese).Sci SinTech,2023,53:221242,doi:10.1360/SST-2021-0350 2022 中国科学杂志社中国科学:技术科学2023 年第 53 卷第 2 期:221 242SCIENTIA SINICA T群体智能激发汇聚及应用专辑论 文和策略,独立协调自身决策以产生支持集群目标的行为.无人集群的自主协同,需要依托功能异构的、具备一定智能性的无
6、人平台,以及基于空天地一体信息网络,围绕“侦察、控制、打击、评估、保障”各环节需求,进行功能切分和密切协同.例如,协同搜索任务中,需要配置多型传感器(可见光、红外、雷达等)的无人集群发挥各类侦查手段优势,完成各种不同遮挡条件下目标的检测与定位,并且通过任务分工,提高区域覆盖范围和反电子对抗能力;协同打击任务中,首先由侦查型无人平台实施情报侦查,探知目标方位、速度、技战术指标等,再由干扰型无人平台对目标实施电子干扰,同时由攻击型无人平台实施攻击.打击任务中的无人机集群自主协同概念,如图1所示.无论在微生物群落4,5、动物界6,7还是人类社会8,9,都存在多个体间的交互协作,协作是自然界中的普遍现
7、象.在协作的个体之间,通过彼此的适应、通讯、分工、合作,可以形成紧密联系的协作网络,从而可以涌现出单个个体所不具备的能力,完成单个个体无法完成的任务.群体合作行为如何才能出现,并且如何才能够较为稳定地维持,一直是困扰许多领域科学家的难题,目前这已经成为多学科交叉研究的前沿热点问题之一.协同机制即是立足于协同环境,利用协同信息,在协同手段的支撑下,执行协同主体与协同客体间以指挥控制和信息反馈为主要内容的协同过程,最终达成协同目的.在军事领域,探究集群组网特点规律,挖掘集群自组织、自协同机理,对于无人集群作战模式设计和战斗力生成具有至关重要的现实意义.现代战争作战节奏快,战斗行动转换迅速,事先无法
8、预想的情况越来越多,即使协同计划十分周密,也难以满足作战需要,给传统的计划协同带来巨大挑战.特别是,近年来随着作战理念、作战概念的创新,以及空天地一体网络信息体系的构建和新一代信息技术的迅猛发展,使得“自主协同”越来越成为现代作战协同的新宠儿.尽管系统论、控制论、信息论、耗散结构论、突变论、协同学、复杂网络理论、博弈论等理论的基本原理规律及其在协同中的应用研究早已硕果累累.然而,并不能直接“移植”到无人作战领域解决集群的自主协同问题.特别是,由于军事领域作战规律及业务逻辑的特殊性和无人集群作战的新质性,对于无人集群“自主协同”机制的研究(例如,在怎样的协同规则下,执行怎样的协同过程)方兴未艾,
9、目前鲜有成果可循,仍有大量基础性工作有待展开.一是需要结合无人集群作战特点,构建满足信息流转、功能分簇、网络聚能需求的社团网络;二是选择契合协同搜索、协同侦查、协同攻击等具体任务特点的演化博弈模型;三是设计群体合作演化的动力学过程,包括收益计算、策略更新规则等.前期,我们对无人集群的自主协同机制进行了初步探索,并基于演化博弈理论,推导出无人集群的策略丰度函数及策略占优条件1016.丰度是衡量集群协图 1打击任务中的无人集群自主协同Figure 1Autonomous collaboration of unmanned swarms in fire strike.禹明刚等:基于演化博弈的社团网络
10、无人集群协同机制222同水平的重要参数,表示演化稳定后,持合作策略的个体在集群中占比的期望值.但是如何将丰度这一核心指标融入网络构建、模型生成、协同过程设计,从而形成一个整体性的框架,尚未开展工作.本研究在已有成果基础上,针对待开展的三方面工作,首先基于无人集群作战需求设计社团信息网络;然后,创新性地将无人集群协同抽象为一个多方参与、多轮迭代的演化博弈过程,构建基于多元公共品演化博弈的无人集群合作演化模型,并给出社团结构上集群的演化动力学过程.不同于以追求单方效用最大化为目标的传统优化方法,博弈论强调决策主体各方策略的竞争与对抗,侧重多个主体行为相互影响和作用的分析,更好的刻画了恶劣战场环境下
11、,无人平台通过学习、模仿、试错去修正和改进策略,从而不断适应外部环境,最终达到集群整体效用最优的过程;最后,仿真分析集群规模、网络度分布、成本及收益等相关参数对丰度(集群合作水平)的影响,探索无人集群合作涌现机理,给出集群作战中促进合作的合理化建议.本文的解决思路聚焦于无人作战军事需求,创新性地将演化博弈论和复杂网络理论引入无人集群协同机制设计中,所得框架、模型、方法为解决无人作战自主协同问题提供了一种新的视角和技术途径.2无人集群自主协同行为分析框架无人集群的自主协同行为分析,涉及三个关键性问题:一是集群智能的涌现表现,二是信息网络的构建,三是协同机制的设计,三者共同构建起了无人集群自主协同
12、行为分析的基础框架.其中,从个体到群体的智能涌现是集群“自主性”协同行为产生的内在源动力;信息网络是集群内部信息交互发生的拓扑空间,是自主协同行为的空间载体;协同机制则是集群自主协同得以实现的根本途径.按照经典系统工程理论“关系结构决定功能”,具备某种拓扑结构的信息网络是智能在群体层面得以涌现的基础;而智能涌现的结果又反过来驱动网络拓扑发生动态重构.同时,智能的涌现过程是个体间基于收益的时空博弈过程,智能性则是协同中“理性”个体开展交互博弈的基础前提;协同行为调整、策略更新与集群所处的空间网络结构密切相关,因此网络拓扑是协同机制中个体行为(策略)更新的重要依据.三者之间的关系如图2所示.2.1
13、智能涌现智能性(包括个体的“单体智能”和群体“涌现智能”)是分布式自主控制方式对集群的基本要求.让无人集群按照预定方案执行军事任务,这一思路本身存在先天不足.复杂环境下,战场态势瞬息万变,若对极大数量甚至是海量的无人平台实施一对一的微观管理,将导致通信等资源严重短缺,即响应性地控制大量无人平台将超出人类目前的技术、认知、决策能力,这大概率地会导致作战行动失败.因此,必须将更多的决策、行动权限前移给集群自治系统,让无人平台能够独立自主地协调自身决策以产生支持集群目标的图 2无人集群自主协同行为分析框架Figure 2Framework for autonomous collaborative b
14、ehaviour in unmanned swarms.中国科学:技术科学2023 年第 53 卷第 2 期223行为.智能化作战制胜机理的内核即为“智能”、“自主”.美国国防科学委员会分析了智能和自主能力给无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)、无人地面系统(un-manned ground systems,UGS)、无人海上平台(un-manned maritime vehicle,UMV)和无人太空系统(unmanned space systems,USS)带来的作战效益17,进而指出智能和自主能力是美军无人系统中的核心能力.未来无人集群作战系统将具备更高的感知
15、、分析、计划、决策和执行能力,并朝着战场态势自主感知、作战任务自主规划、作战行动自主实施、作战协同自主联动、作战效果自主评估的方向迈进.无人作战力量的发展路径始于人机互动的遥控式阶段,经历了人机结合的协作式阶段,正向人机共融的自主式方向发展18.可以预见,无人集群的智能涌现也将经历有人为主、无人为辅的“智能嵌入”到有人为辅、无人自主的“智能支撑”再到仿生自主、集群攻防的“智能主导”演进.2.2信息网络构建一方面,从规模角度,未来集群作战可分为三个级别(以空中力量为例):一是僚机型,数量在三五十架以内;二是集群型,数量在三五十架至上百架;三是蜂群型,数量在上百架甚至上千架以上.另一方面,从智能性
16、角度,一旦无人集群发展到仿生自主、集群攻防的“智能主导”阶段,集群的规模将自然可以做到极为庞大.规模的扩充意味着交互关系复杂度的指数级增长,如何立足节点间信息交互能力,结合集群作战的业务逻辑,快速构建集群网络,是作战筹划人员必须要解决的现实难题.无人集群作战中的信息网络构建,一种代表性思路是,在传统树型网络的基础上,融合随机网络19、社团网络20,21所带来的特性,构造与作战任务匹配的网络拓扑结构.例如,在无人机集群的典型作战样式“对地对海”攻击中22,无人机集群可划分为执行情报侦察、电磁干扰、火力打击等任务的多个作战子集群.子集群内部紧耦合,子集群之间松耦合,呈现出“社团网络”的拓扑组织结构,其作战关系示意如图3所示.这其中信息需要高度有效地交互传递,各类异构无人力量在组织结构上“形散神聚”,建立信息流转、网络聚能等军事需求与无标度、小世界等复杂网络特性间的映射关系,是网络形态设计的重中之重.2.3协同机制设计无人集群作战由于其体系的区域分布性,智能自主特性以及去中心化特性,集群内部必须基于信息网络,构建起有序的协同与合作,以确保良好的战场生图 3无人集群对地攻击示意图Figure
