国外下一代无人机系统的指挥和控制方法

作者：中国航空工业发展研究中心 罗杰

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 1． 引言 一直以来，无人机的操作需要人类的适当参与。例如，一架"捕食者"无人机在执行任务时通常需要4名操作员来对其进行控制，有的时候甚至更多。而更多的诸如"火力侦察兵"之类的现代无人机系统虽然可以提供更高级别的自主能力，但需要的人/机比例仍然较高。所以，未来无人系统指挥和控制系统（C2）的发展趋势就是转化这些比例，希望能以更少的操作员控制更多的无人机。而这也将使得每个操作员承担的工作量增多，给目前的操作员接口方法带来压力。通过增加每架无人机的自主能力来缓解操作员的工作负荷是一种方法。 但是，即使未来概念系统将拥有更加智能化的自主能力，如果操作员接口技术没有改进的话，操作员对于管理和指挥这些系统的认知需求不会大幅度地下降，因为智能化的自主无人机系统将会比之前的自主能力较低的无人机系统产生更多的包括状态、感知、操作反馈在内的数据。因此，随着无人机系统自主能力向更高级别的转移，操作员所承受的压力也在随之增大。 每个操作员所控制的无人机系统的自主级别和数量不是无人机系统C2所要面临的唯一挑战。因为军方在不断采购新的无人机系统的同时还在继续使用老型无人机系统，系统操作员还面临着同时控制由不同型号的无人机系统所组成的混合系统的挑战。接下来，本文将对无人机系统C2接口设计人员所致力发展的技术和模式，以及这些变化给无人机系统操作所带来的包括工作量等在内的影响予以介绍。 2． 操作模式 自1988年开始，美国国会就授意美国国防部开始加强无人机的研究，通过采取什么样的机制来控制无人机一直是无人机系统研究的重点，并由此研究出了多种解决方法。这些方法大致可以被分为两个主要系列，即通用操作系统和有机控制两种解决方案。 2.1 通用操作系统 通用操作系统旨在加强对多种飞行器在一个控制体系结构下的控制功能。其中，第一个也是最广为人知的例子就是美国海军的战术控制系统（TCS）。类似TCS之类的计划通常都是首先定义标准需求，然后开发通用的工具包（如TCS的空中飞行器标准接口）。这样多种飞行器就可以通过同一个控制站来进行控制，而无需对控制站硬件进行大规模的重组。目前，美国陆军通过其"一个通用系统"计划已经开始向一个通用操作系统上转移。"一个通用系统"计划旨在尝试将多种无人机系统和一个"影子200"地面控制站综合到一起，"猎人"无人机的初始综合目前正在进行之中。 采用通用操作系统方法可以带来几个方面的好处，包括： ·只需使用一个硬件，减少了硬件成本，包括替换和维修在内的支持成本； ·采用通用操作系统减少了训练成本，操作员通过一个通用接口更容易从控制一架飞行器转换到控制其他飞行器； ·由于无需训练、设计和建立新的控制站硬件和接口，新系统可以更加快速地装备； ·控制机制的通用性可以更好地支持交叉作战和联合作战。 2.2 有机控制 采取有机控制（·rganic c·ntr·l）方法，无人系统就可以把控制功能放在战场上的士兵手中。因此，无需随军携带一个专用的控制站，无人系统就可以在有人部队周围进行军事活动，并与他们配合。有机控制系统是近些年发展起来的一种新型控制方法，未来作战系统（FCS）就是其中的一个典型。FCS计划定义了10种分配用于未来军队多种梯队中的无人系统，这些系统将受有人机和步兵部队控制，并在有人机和步兵部队附近与他们协同工作。其中，用于这些无人系统的控制接口将是便携式的，可以随未来军队一起移动。 采用有机控制方法有很多好处，其中包括： ·由士兵控制无人系统来支持他们的作战任务，可以减少完成作战计划的时间； ·该方法把无人机的控制置于最了解战场态势的人的手里，增加了无人机参与作战的有效性； ·通过将控制接口与士兵本身装备设备的综合化，极大地减少了包括支持成本在内的硬件成本。 3 .交互方式 如何从传统的控制台设计转化到上述新型控制模式是操作员接口设计在发展过程中所需考虑的一个因素。想要应用有机控制系统，接口设备必须能够很方便地由士兵携带。因为士兵不仅需要负责一架或多架无人机的控制，还要时刻注意其他任务的相关信息。这种多机控制需求使得可用屏幕显示的信息量过多，同时也使得操作员疲于处理各种可视信息。 为了解决这些问题，新的与无人机系统交互的方式已经研究出来。这些新方式引进了其他可用感知交互通道和为了应用这些感知通道而采取的新的机制。 3.1 多方式交互 使得任务的开展能够尽可能地扁平化是减少操作员工作量的一个关键因素。这是一项较为困难的挑战，因为实际上对操作员来说，交叉工作干扰会增加工作量，导致更多的错误。然而，随着"多资源理论"在无人机控制方面的应用研究表明，把一些控制任务转为以其他方式进行有利于工作量的减少。"多资源理论"认为不同的任务采取不同的控制方式会减少任务间的认知干扰，因为这些任务使用的是认知系统里不同的资源集。如果给多架仿真无人机的驾驶员分别接收以听觉警告和视觉刺激进行的系统失效告警，结果显示凡是被给予听觉告警的驾驶员，任务效能和反应时间都取得了一致的进步，明显优于那些被给予视觉刺激告警的驾驶员，因为在接受听觉告警时不会受到其他任务的视觉刺激所带来的干扰。 显然，将视觉处理转化为其他方式是减轻工作量的一个方式，可以应用于任何先进的无人机控制的人－机接口研究方面。其中，最好的两种非视觉的交互方式就是听觉和触觉两种方式，如下所述。 3.2 听觉 听觉是一种最直观的减轻操作员工作量的非视觉方式，它将操作员的眼睛从监视器上解放出来，同时操作员的手可以用来完成其他任务。要想充分利用这种感知通道来减轻工作负荷，操作员必须能够通过声音与系统进行交流，并接收有意义的声音提示。即，操作员必须能够和系统之间进行口头谈话，以最大程度地利用多模交互方式降低工作量。近些年来，很多工作已经通过语音交互来完成，交互方式从简单的语音识别过渡到用户和系统之间的口头对话。口头对话中，电子系统是参与交互的一方，其任务不仅仅是对指挥的简单回复，它还必须使得交互变得非常顺畅。这个过程所涉及到的不仅是语音识别，电子系统对谈话中自然语言的理解能力还必须达到语义级别。此外，该过程还包括产生有意义的、符合谈话语境的对用户的回应。 自然口语对话是一种混合主动交互方式，任何一方于任何时候都可以根据从对方得到的信息来控制谈话。现代口语对话系统模仿自然口语对话，要求用户先进行阐述，然后在用户话语离题或用户没有根据前提做出正确推论的时候做出适当的反应。 对话系统是通过跟踪对话的上下文，并把用户的每句话记录到对话框架里完成这些的。例如，如果用户在询问"光电/红外的状态是什么？"之后紧接着询问："导弹吊舱呢？"，很明显用户是在询问导弹舱的状态，尽管"状态"两字第二句话里并未提及。通过对上下文语境的维护，口语对话系统就能够模仿人类天生就具有的"填空"能力。目前，口语对话系统已经通过试验论证，并被装备在包括海上船只状态监视系统等在内的多个军事领域。口语对话系统也将被应用到无人机系统的控制方面，但还需要面临与有机通信系统和电子系统综合、周围噪音干扰等多个方面的挑战。 3.3 触觉 操作员的视觉和听觉在很多时候会变得过饱和，反应时间、正确度或引入告警提示的效率都会受到干扰，这将严重影响到任务的成功率。因此，对一条额外的用于关键信息处理的通道的需求应运而生。这也促使研究人员和工程师们开始通过在座位、背心或手套上安装振动传感器来使用之前未充分利用到的触觉。研究人员已经证明平均每个人的皮肤大约有20平方英尺的感知面积。触觉接口充分利用这些感知能力，无需借用视觉或听觉通道就已经能够成功地给用户报告大量的信息。 采用触觉刺激的好处就是可以对信息进行多维处理。各触觉传感器可以通过位置、频率、方式、强度、振幅和持续时间等维度提供多种可辨信号。根据这些维度，一个触觉接口可以给观察员报告大量的可以轻易区分的信息。研究表明，综合提示可以大幅度地降低用户的工作量，减少任务完成的时间，提高任务的精确度。 在人的皮肤全域立体部署触觉传感器非常适合空间信息的传输。美国海军宇航医学研究实验室开发的触觉态势认知系统（TSAS），采用一件内置感知器的触觉背心，无需使用视觉提示或仪表就可以向飞行员传达方位信息，飞行员通过空中机动可以迅速改变方向。利用该系统的空间特性，操作员可以保持对一组无人机系统的位置、来源和告警类型的持续认知。触觉设备可穿的特性使得他们可以非常方便地与空间通常受限的现代操作域综合，如飞机座舱和地面车辆驾驶室，且附带影响很小。随着技术的进步，这些设备将变得越来越美观，越来越舒适，他们的告警"语言"也将越来越标准化。 3.4 便携式显示器 随着有机控制范式在无人机系统中的进一步应用，未来无人军用飞机将把控制权将交到有人飞机和步兵手中，并与他们协同作战。因此，应用于这些飞机的控制接口必须是便携式的，并能随未来军队向前移动的。 开发便携式的应用于军事方面的计算程序是近期工业创新的焦点。蜂窝式电话、先进的个人电脑等方面技术的创新已经创造出了刻画现代世界的"普适计算"（Ubiquit·us c·mputing）环境，并驱动着工业信息技术市场的飞速发展。这种环境给信息用户提供了在任何时间、任何地点都可以获取和使用信息的机动性。 由于士兵本身所固有的机动性，国防工业必须为无人机系统C2接口提供适用于"普适计算"特性的机制，尤其是那些服务于有机控制模式的机制。对于接口设计者来说，有许多可用的相关技术，其中包括：移动地图技术，给军事指挥官提供指挥战场上多种部队的战略军事能力，并让他们时刻保持对其部队的态势感知；满足现代士兵需求的便携式耐用设备，给操作员提供一种在作战环境中与全球信息网络进行通信的方式。战术医疗通信技术和远程诊断技术已经极大地促进了这些设备的发展。这些设备所能提供的移动能力允许一名士兵在移动状态下直接和无人机系统进行交互。 4 .信息管理 尽管接收命令和传输信息的方式是创建一个无人机系统C2接口的关键因素，但是对于一个操作员来说，C2接口下所具有的功能对于设计人员来说同样重要。无人机系统和操作员之间的信息流以及信息流里所包含信息的类型，都必须满足所选交互方式的特征要求。搭建一个能够帮助操作员保持态势感知和在利用无人机系统自主性的同时对其保持控制的接口信息系统是研究人员必须面临的一个挑战。 4.1 控制模式 无人机系统的管理方法大致可分为直接控制、同意管理（management by c·nsent）和例外管理(management by excepti·n)3种形式。直接控制就是由操作员做出决策，这是目前最普遍使用的模式。尽管该模式因具有最为人们所熟悉以及对无人机的良好控制等特性而最令人信任，但想通过该模式同时控制多架无人机系统却是难以实现的，因为操作员无法应付因无人机系统数量的增加而带来的额外的工作量。而且，该模式也无法利用任务计划等近期发展起来的可以减少操作员工作量的先进技术。 无人机系统一旦开始使用智能自主技术，研究人员所需要面对的难题之一就是决定在系统制定决策的过程有多少是由操作员来直接参与的。这里有2种截然不同的观点：（1）无人机系统在采取任何措施之前，操作员必须先对系统自主决策进行确认（同意管理）；（2）无人机系统可以自行开始执行决策，但是与此同时，如果操作员不认同该决策的话，可以中断执行过程（例外管理）。 研究已经表明同意管理方式可以获得更多的初始信任，但是如果涉及到多架无人机系统的话，采用例外管理可以更好地降低操作员的工作量，并使得操作员不再成为妨碍系统性能的最大瓶颈。但是，有一些决策根据作战规则是不能由系统来决定的。例如，武器必须在操作员明确授权之后才可以投放，在此之前系统不能采取任何措施。 尽管不同研究对每种管理方法的特殊性能和对工作负荷的影响都持不同的看法，但最终结果很大程度上还是取决于无人机系统的自动化程度和所需控制的无人机系统的数量。操作员控制的无人机系统的数量越多，操作员所需承担的工作量就越大，操作员的效能也会相应下降。总的来说，由于操作员无需一直监视无人机系统，例外管理在操作员态势感知方面的能力低于同意管理。无论采取那种管理方法，无人机系统在制定决策时都必须是正确的，这样操作员就无需再去仔细分析每个决策，尤其是许多决策对时间要求非常严格，关系着任务的成败与否。 除了直接控制模式，自主无人机C2接口设计人员并不仅限于例外管理和同意管理这两种管理策略。若将这两种自动管理方法综合起来，采取混合管理方法的话将能更好地发挥他们的性能。如果任务需要尽快采取行动，且系统的自主决策可信赖，例外管理是一个更好的选择。如果任务的作战规则或自动操作的精确度需求明确核准的话，同意管理是一个更好的选择。如果能创建一个同时支持两种模式的系统，那么系统就可以动态配置，根据任务或决策的类型分配相应的管理模式。一个经论证非常有效可行的方法就是在任何情况下，无人机系统在即将开始执行更新计划时，如果操作员没在规定的短时间范围内采取行动，那么就给系统决策提供自动许可证，除非作战规则禁止。而在明显需要操作员授权的情况下，系统不激活自动许可计时器，在操作员同意之前不执行任何动作。 4.2 中断管理 未来多机作战概念意味着未来无人机系统操作员必须身兼多职。不断呼入的无人机系统的状态和任务信息就是对操作员发出的告警信号，操作员必须中断正在进行的工作去对它们进行处理。而中断对操作员的工作量和工作效率都会带来危害。为了预防中断所带来的不好影响，必须有一个有效的中断管理机制来处理操作员可能面临的一连串的告警。对于系统设计人员来说，可用的中断管理策略通常被分为直接中断、计划中断、间接中断和定时中断四种。 直接中断策略就是信息一旦可用就报告，不用考虑用户目前正在进行的任务。用户没有其他选择只能撇开之前正在进行的任务，切换工作背景。例如，当无人机系统创建一个新的计划时，在直接中断策略下，该计划就会立即报告给操作员，操作员予以赞同或否决。如果操作员正处于一个重要任务的中间执行阶段，该策略的危害性是毁灭性的。一旦中断任务完成，操作员必须试图重新回到之前的任务，并且不能丢失原工作背景。直接中断策略是目前接口设计人员最常用的一种策略。但研究表明该策略在所有策略中对性能和工作量的影响最为糟糕。 计划中断策略是指对中断的报告规定一个时间表，如按规定的时间间隔。接收到的告警先被存储起来直到时间表允许对他们进行处理，届时所有的告警都将被报告给操作员。这种方法延长了告警报告之间非中断任务的工作时间，但增加了中断任务的等待时间，这对时敏任务的执行效果有着非常不好的负面影响。 间接中断策略利用一个中介器，即一些实体（人或自动设备）对接收到的告警先进行检查，然后确定给操作员报告中断信号的时间和方式。中介接口对于操作员来说相当于一个出色的接待员，它允许同时处理多个任务。然而，该策略也有它固有的缺点，即操作员完全没有主宰能力，只能信任中介器的功效。如果中介器弄错了某个告警的紧急程度，用户可能要么没有及时对关键任务采取措施，要么被一些无关紧要的琐事打断从而耽误了其他重要的工作。 协议中断策略帮助操作员制定关于什么时候处理什么告警的决策，但决策权完全由操作员来掌握。接口先提醒操作员可用的新信息和/或所需要采取的行动，然后操作员决定什么时候切换到新任务。如果操作员觉得该告警不如其他工作重要，就会将该告警一直推迟处理。通常来说，一个告警的初始通知给操作员提供了充分的背景信息，操作员可以据此做出正确的关于是否允许中断的决策。这种方法可以使得操作员更加有效地管理自己的工作量，减少不必要的工作背景切换数量和从中断恢复工作背景的时间。 总的来说，没有一个中断策略可以适应于任何应用场合。每个接口设计人员必须选择一个适合特定C2接口和操作需要的策略。然而，研究表明协议中断所提供的综合性能最好，协议告警机制被证明是最明智的选择。 5 .结论 可以想象无人系统在未来战场上将占据着越来越重要的支配地位。对于未来的多种无人系统作战来说，给无人系统提供自主性，增强它们在广度和深度上的能力是非常必要的。无人系统的自主能力和使用率越高，C2接口概念对无人系统任务的成功就越重要。但是，虽然自主性给无人系统带来了更先进的能力，这些能力是以牺牲无人系统操作员对系统的控制质量为代价的。随着C2接口技术的不断发展创新，这一障碍将会得到克服和解决。此外，尽管减轻操作员的工作量是任何无人机系统C2接口设计人员所关注的焦点，但要确保多无人机系统的协同作战，还必须关注C2接口系统的训练、操作员工作背景的维护、操作员对无人机系统的熟悉和信任、自主无人机系统对操作员的正确响应以及无人机系统接口的标准化等问题。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/16/2007)