集群弹药智能组群理论与方法

单枚智能弹药由于其飞行能力有限、任务载荷相对单一等原因，很难在复杂环境下难独自完成复杂任务。为了提高任务成功率和执行效率，智能弹药的应用样式逐步从单体向“集群”方向发展。复杂环境（电磁干扰、云雾遮挡等）对集群弹药自主决策与控制理论和方法提出更高要求。本书致力于研究复杂环境下集群弹药的涌现理论构建、演化方法设计和集群高细粒度仿真与评估系统搭建。

本书内容主要聚焦于集群弹药智能组群的方法及相关应用，在部分章节列举了相关案例展开讨论。本书的内容涵盖了受自然大规模生物集群启发得到的人工集群系统概述，集群弹药的数学模型及涌现机理，混合式体系架构，仿生组群原理及关键技术，集群弹药的博弈、制导与控制之间的关系，集群弹药的效能评估及验证手段等多项内容。

李杰，工学博士，教授，北京理工大学兵器科学与技术博士生导师。主要从事无人巡飞系统技术、弹载信息集成控制技术、引信直列式安全系统技术等方面的教学科研工作。在国内率先开展引信安全系统信息化、炮射/弹载无人机及云弹药等相关技术研究，以第一获奖人获国防科学技术二等奖2项，三等奖3项，发明专利40余项。发表《云弹药系统》《云弹药引信的技术命题》等论文，出版《无人系统设计与集成》《智能集群–从自然到人工系统》《机械电子学》等著作。
李娟，工学博士，预聘助理教授，北京理工大学兵器科学与技术硕士生导师。主要从事集群智能优化算法的基础理论研究以及在军事运筹学领域应用等方面的教学科研工作。主持博士后面上一等资助、兵器科学与技术方向首个博士后站前资助、国家自然科学基金委员会青年项目、面上项目、青年托举人才项目。在集群优化与决策和不确定性处理的共性理论方面取得了较好的研究成果，以第一作者或通讯身份发表SCI论文9篇，其中顶级期刊6篇，会议EI论文19篇。申报发明专利6项，出版学术专著2部。获北京理工大学教书育人类表彰、北京市本科毕设优秀指导教师、北京理工大学优秀博士后等称号。
刘畅，工学博士，副研究员，北京理工大学长三角研究院（嘉兴）硕士导师。主要从事智能巡飞无人系统总体设计、导航控制与制导系统设计、集群巡飞无人系统组群方法及应用等方面的教学科研工作。先后研制了2型小型电动力巡飞无人系统、1型硬件在环仿真系统，以第二获奖人获得国防科学技术发明奖三等奖1项，出版学术专著2部、发表学术论文14篇，授权专利17项。
李兵，工学博士，研究员，中国航天科技集团青年拔尖人才计划，科技部专家库专家，航天七院七部无人系统领域专家，航天七院科技英才第二层次和青年拔尖人才计划，四川省科技青年联合会常务理事，成都理工大学客座教授，省级工程技术中心专家委员会成员，无人系统专题项目办副主任，中国指控学会网络信息体系工程咨询专家、智能博弈与兵棋推演专委会常务委员和青年工委会常务委员等。主要从事火力指挥控制、多智能体协同控制、智能无人系统总体设计与集成等方面的科研工作。获国防科技进步奖三等奖1项，集团科技进步二等奖1项，形成学术论文30篇，出版专著1部，受理专利22项，授权专利6项。

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　自然界大规模生物集群的启示……………………………………… 003
　　1. 3　集群行为的关键因素………………………………………………… 005
　　1. 4　集群行为与马尔可夫决策过程……………………………………… 007
　　　　1. 4. 1　马尔可夫决策过程………………………………………… 008
　　　　1. 4. 2　部分可观察马尔可夫决策过程…………………………… 010
　　　　1. 4. 3　分布式部分可观测马尔可夫决策过程…………………… 011
　　　　1. 4. 4　集群中的马尔可夫决策过程……………………………… 012
　　1. 5　集群智能与多智能体理论…………………………………………… 013
　　　　1. 5. 1　智能体的定义与理解……………………………………… 014
　　　　1. 5. 2　慎思型智能体和反应型智能体…………………………… 014
　　　　1. 5. 3　多智能体间的协商………………………………………… 016
　　　　1. 5. 4　多智能体间的通信………………………………………… 018
　　1. 6　集群智能与决策、优化、学习的关系…………………………… 019
　　参考文献……………………………………………………………………… 021
第2 章　集群弹药的数学模型及涌现机理…………………………………… 023
　　2. 1　弹药与集群智能的联系……………………………………………… 024
　　　　2. 1. 1　集群弹药简述……………………………………………… 024
　　　　2. 1. 2　弹药与集群的映射关系…………………………………… 025
　　　　2. 1. 3　集群弹药影响因素………………………………………… 027
　　　　2. 1. 4　集群弹药的分类…………………………………………… 030
　　2. 2　集群弹药的数学模型………………………………………………… 031
　　　　2. 2. 1　自底而上自组织模型……………………………………… 033
　　　　2. 2. 2　集群弹药数学模型………………………………………… 037
　　2. 3　集群弹药模型的理解………………………………………………… 042
　　　　2. 3. 1　自组织特性………………………………………………… 042
　　　　2. 3. 2　涌现特性…………………………………………………… 045
　　2. 4　以毁伤为驱动的参数学习…………………………………………… 047
　　　　2. 4. 1　以毁伤为基础的价值函数设计…………………………… 047
　　　　2. 4. 2　数据采集与算法训练……………………………………… 048
　　参考文献……………………………………………………………………… 050
第3 章　集群弹药混合式体系架构…………………………………………… 053
　　3. 1　慎思式集群作战任务驱动范式……………………………………… 054
　　　　3. 1. 1　复杂环境预先任务分配…………………………………… 055
　　　　3. 1. 2　多目标确定性武器- 目标分配问题……………………… 061
　　　　3. 1. 3　多目标不确定武器- 目标分配问题……………………… 078
　　　　3. 1. 4　复杂环境实时任务分配…………………………………… 087
　　3. 2　反应式个体行为规则驱动范式……………………………………… 106
　　　　3. 2. 1　自组织行为演化流程……………………………………… 108
　　　　3. 2. 2　个体行为规则……………………………………………… 108
　　　　3. 2. 3　行为原型…………………………………………………… 111
　　　　3. 2. 4　基于启发式算法的多规则组合优化方法………………… 111
　　　　3. 2. 5　试验验证…………………………………………………… 112
　　参考文献……………………………………………………………………… 133
第4 章　仿生组群原理及关键技术…………………………………………… 141
　　4. 1　概述…………………………………………………………………… 143
4. 2　视觉驱动的集群协作模型…………………………………………… 145
　　　　4. 2. 1　视觉输入层………………………………………………… 146
　　　　4. 2. 2　视觉信息层………………………………………………… 148
　　　　4. 2. 3　行为规则层………………………………………………… 150
　　　　4. 2. 4　动作输出层………………………………………………… 151
　　4. 3　任务导向的表型优化………………………………………………… 151
　　　　4. 3. 1　编码与交叉变异…………………………………………… 152
　　　　4. 3. 2　解码与选择………………………………………………… 154
　　4. 4　数值试验与结果分析………………………………………………… 155
　　　　4. 4. 1　算例构建…………………………………………………… 155
　　　　4. 4. 2　对比参数设置……………………………………………… 156
　　　　4. 4. 3　弹药集群性能指标………………………………………… 157
　　　　4. 4. 4　试验结果与分析…………………………………………… 158
　　4. 5　小结…………………………………………………………………… 169
　　参考文献……………………………………………………………………… 170
第5 章　集群弹药的博弈、制导与控制……………………………………… 177
　　5. 1　博弈和集群弹药的关系……………………………………………… 178
　　　　5. 1. 1　三方微分博弈决策模型…………………………………… 180
　　　　5. 1. 2　微分博弈控制的最优性分析……………………………… 182
　　　　5. 1. 3　基于双重拍卖的TAD 匹配方法…………………………… 183
　　5. 2　集群协同末制导……………………………………………………… 185
　　　　5. 2. 1　弹着角约束下的制导……………………………………… 185
　　　　5. 2. 2　时间约束下的末制导……………………………………… 188
　　　　5. 2. 3　初步仿真验证……………………………………………… 192
　　　　5. 2. 4　小结…………………………………………………………… 200
　　5. 3　低成本末制导技术…………………………………………………… 200
　　　　5. 3. 1　捷联制导回路系统模块化设计…………………………… 201
　　　　5. 3. 2　成像反馈回路设计………………………………………… 204
　　　　5. 3. 3　智能弹药纵向制导系统设计……………………………… 209
　　　　5. 3. 4　智能弹药横向制导系统设计……………………………… 214
　　　　5. 3. 5　小结…………………………………………………………… 221
　　5. 4　本章小结……………………………………………………………… 221
　　参考文献……………………………………………………………………… 221
第6 章　集群弹药效能评估方法……………………………………………… 225
　　6. 1　智能集群弹药评价体系的构建……………………………………… 226
　　　　6. 1. 1　集群弹药能力评估指标体系构建………………………… 227
　　　　6. 1. 2　集群弹药能力评估系统搭建……………………………… 229
　　　　6. 1. 3　集群弹药能力评估测试流程建立………………………… 233
　　　　6. 1. 4　常见评估方法……………………………………………… 234
　　6. 2　集群弹药应用场景探究……………………………………………… 238
　　　　6. 2. 1　集群弹药协同作战有效性分析…………………………… 240
　　　　6. 2. 2　影响集群弹药协同作战能力的核心要素探究…………… 244
　　　　6. 2. 3　小结…………………………………………………………… 247
　　参考文献……………………………………………………………………… 247
第7 章　集群弹药验证手段……………………………………………………… 249
　　7. 1　硬件在回路仿真系统………………………………………………… 251
　　　　7. 1. 1　仿真系统设计要点………………………………………… 252
　　　　7. 1. 2　基于数字孪生技术的集群建模…………………………… 258
　　　　7. 1. 3　系统功能设计与实现……………………………………… 269
　　7. 2　弹载决策与控制软件的设计………………………………………… 280
　　　　7. 2. 1　分布式决策框架的构建…………………………………… 280
　　　　7. 2. 2　信息交互方法……………………………………………… 282
　　　　7. 2. 3　集群信息的获取…………………………………………… 284
　　7. 3　基于视场投影模型的仿生集群……………………………………… 285
　　　　7. 3. 1　视场投影模型……………………………………………… 285
　　　　7. 3. 2　基于行为规则的集群控制方法…………………………… 286
　　　　7. 3. 3　行为规则权重与集群弹药任务的映射关系……………… 288
　　7. 4　风场扰动环境下的编队保持技术………………………………… 291
　　　　7. 4. 1　风场扰动环境下的协同控制问题建模…………………… 292
　　　　7. 4. 2　编队保持控制方法………………………………………… 294
　　7. 5　控制—人机交互系统的设计………………………………………… 296
　　7. 6　本章小结……………………………………………………………… 298
　　参考文献……………………………………………………………………… 299

随着人工智能浪潮的爆发、相关科技应用成果在各领域不断落地以及信息技术与武器系统的深度结合，众多军事强国将智能技术作为“改变游戏规则”的颠覆性技术。美俄均将智能装备作为军事装备现代化的优先领域，作为机械化军团的有益补充，列装智能无人装备投入战场应用。武器装备依托智能运算平台进行分析和推理，在战场实施自主作战和人机协同作战，解放人力进行创造性的战场管理和战术规划。作为作战单元的打击终端，集群弹药是以智能化无人控制技术和网络信息系统为支撑的集群式智能装备，是未来战场不可或缺的一部分，其作战形式主要包括对地低空突防侦察打击、对空反无人集群、对海大型目标饱和攻击等。它不仅仅是弹药数量的单纯增加，而是从作战核心到配套战法“由里及外”的技术创新，可以实现以小取胜、以量取胜、以高效协同取胜，可使表面看似杂乱的战场整齐划一，形成生物集群效应一般的作战攻势。集群弹药采取将兵力要素进行“分布式”化的作战构想，更容易融入新技术和新战术，指挥构架更灵活，对手的意图辨识难度更大，执行效率更高，行动领域更广泛，从而能够综合提高在复杂环境下完成各类作战任务的能力。“分布式作战”是OODA优势思想的继承和演绎，一方面，通过分布式机动制造机会，打击敌关键薄弱环节，充分运用智能装备的反应速度夺取主动权，控制作战节奏，使敌仓促应战；另一方面，通过变化无常的作战行动，使敌无法轻易找到己方的行动规律，能够在联合作战空间实现“平台分布、效果聚合”的多途径作战。
然而，智能集群弹药的发展目前尚处在作战概念、理论建模、基础技术储备阶段，尚未形成有效的理论和成熟的技术指导该类武器装备的设计与研制。大规模智能集群智能弹药的研制继承了常规弹药、制导弹药、灵巧弹药等特点，开展此类武器装备的基础理论研究，有助于我军抢占先机，发挥先发优势，同时也可以提早研究针对类似装备的应对方法。
本书内容主要聚焦于集群弹药智能组群的方法及相关应用，在部分章节列举了相关案例展开讨论。本书的内容涵盖了受自然大规模生物集群启发得到的人工集群系统概述，集群弹药的数学模型及涌现机理，混合式体系架构，仿生组群原理及关键技术，集群弹药的博弈、制导与控制之间的关系，集群弹药的效能评估及验证手段等多项内容。
本书共7章。其中，第1章从集群智能的概念入手，结合弹药在战场上的任务使命，逐步明确集群弹药的概念，以及与经典马尔可夫决策过程和多智能体理论的关联。第2章基于集群弹药的定义和特征，构建集群弹药自底而上的自组织数学模型，分析其涌现机理，将集群研究和弹药特性之间进行映射，辅助研究人员设计集群弹药平台、集群决策算法、协同控制算法。第3章介绍慎思式集群作战任务驱动体系架构、反应式个体行为规则驱动体系架构以及二者构成的混合式体系架构，并结合具体案例给出数学模型和决策方法。第4章重点介绍基于视觉的仿生组群方法，给出在不依赖通信的前提下实现智能弹药集群的协作的可行方案。第5章探索博弈理论对集群弹药的适用性，探索多约束条件下的协同制导律设计，探索在保证单体弹药制导精度基础上制导成本的降低。第6章从开发/研制集群弹药角度出发，面向给定任务需求，介绍集群弹药的效能评估体系及方法。第7章针对现有集群仿真系统精度低的难题，介绍了高细粒度硬件在回路仿真系统，并针对具体案例描述该仿真系统的使用情况。
本书在撰写过程中获得了多位专家、学者的指导，在此感谢北京理工大学马宝华教授，陆军研究院沈晓军研究员、游宁研究员，航天科工三院程进研究员、关震宇研究员，北京理工大学杨东晓副研究员、杨宇副研究员、杨亚超、熊婧、王子泉、徐骁、王振北、康森波对本书的贡献以及宝贵意见。本书的部分研究工作获得了自然科学基金项目（62373053，62103048）的支持。
由于本书涉及内容广泛，著者水平有限，书中难免会出现疏漏和不当之处，敬请读者批评指正。