《集群无人机可靠性建模与评估》聂成龙，徐英，于永利，王爱兵作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《集群无人机可靠性建模与评估》

【作　者】聂成龙，徐英，于永利，王爱兵作

【丛书名】河北省省级科技计划资助

【页 数】 160

【出版社】 西安：西安电子科学技术大学出版社 , 2022.03

【ISBN号】978-7-5606-6324-1

【价 格】39.00

【分 类】无人驾驶飞机-集群-自动飞行控制-研究

【参考文献】 聂成龙，徐英，于永利，王爱兵作. 集群无人机可靠性建模与评估. 西安：西安电子科学技术大学出版社, 2022.03.

图书封面：

图书目录：

《集群无人机可靠性建模与评估》内容提要：

本书针对集群无人机体系可靠性这一复杂问题，分析集群行为下无人机体系的演化和运行规律、任务变化和功能时变规则，介绍集群无人机任务参数与模型、集群无人机体系可靠性参数与模型以及集群无人机可靠性评估等方面的研究工作与成果。本书共10章。第1章概述了集群无人机研究现状；第2章给出了集群无人机体系可靠性建模与评估问题的研究框架；第3章到第5章对集群无人机任务参数、集群无人机任务系统概念建模和集群无人机任务参数建模的研究进行了介绍；第6章到第8章给出了集群无人机体系RMS参数与模型构建方法；第9章和第10章提出了集群无人机体系RMS三类评估方法，并给出了基于综合研讨厅的集群无人机体系RMS评价系统的设计方法。本书可供高等院校无人机工程、可靠性系统工程、装备保障工程等相关专业的本科生和研究生阅读，也可供对集群无人机任务与可靠性问题感兴趣的研究人员和工程技术人员参考。

《集群无人机可靠性建模与评估》内容试读

第1章绪论

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第1章绪论

本章在对集群无人机进行概述的基础上，综述了国内外在集群无人机及其RMS模型

相关领域的研究现状。

1.1集群无人机概述

无人机也称无人航空器，是一种依靠动力装置，在空中能够进行持续、可控的任务飞行，或是在航空航天空间能够可控飞行，能携带民用或军用性质的任务载荷执行任务，可

一次性使用或重复使用的无人驾驶飞行器。目前在军事领域，无人机已经成为由无人机平台、机载传感器、机载武器、指挥控制系统、通信系统、测控系统、综合保障系统等组成的高性能武器装备，是将武装载具平台、传感器网络以及操控决策者整合为一体的无人机作战系统。

集群无人机基于生物集群行为，通过单个无人机间的感知交互、信息传递、协同工作，在险恶的环境下以低成本完成多样性的复杂任务。集群无人机由具备有限自主能力的多个无人机组成，它们通过自组织机制，在没有集中指挥控制的情况下，通过相互间的通信产生整体效应，实现较高程度的自主协作，从而在人员尽量少干预下完成预期的任务目标。

无人机不仅在军事方面用途广泛，而且由于其在分解重大任务方面的“化整为零”特点和相互协作集群的倍增效益，同样适用于民用领域，尤其是无人机行业应用领域。现在，集群技术已经在快递物流、农业、应急救援、遥感与对地观测、无人机灯光烟花秀、管道巡检等民用领域崭露头角。

任务环境瞬息万变，集群无人机执行的任务目标和优先级也呈动态变化，集群中的成员在任务中会经常加人、退出和出现故障，带来集群无人机体系在任务中的动态变化。在任务多变、功能时变、结构多变的背景下，集群无人机体系的可靠性问题愈发突出。随着无人机数量和任务目标数的增加，集群无人机体系的可靠性问题越来越复杂，已成为制约无人机行业和集群无人机体系发展的关键问题。有效解决这一问题，将会有效提升集群无人机体系的任务完成能力，促进无人机行业快速发展。

1.2集群无人机研究现状

1.2.1无人机发展概况

1.国内发展概况

中国无人机领域的研究起步较晚，始于20世纪50年代后期，到1959年基本摸索出安-2和伊尔-28两种飞机的自驾起降规律。60年代中后期投人无人机研制，形成了长空一号靶

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集群无人机可靠性建模与评估

机、无侦-5高空照相侦察机和D4小型遥控飞机等系列，并以高等学校为依托建立了无人

机设计研究机构，具有自行设计与小批量生产能力。其中，无侦-5的研制在中国无人机发展史上具有重要意义。

为了国防建设和科学研究的需要，1969年国家下达研制高空无人驾驶照相侦察机的任务，研制工作由北京航空航天大学（原北京航空学院）承担。高空无人驾驶照相侦察机主要用于军事侦察、高空摄影、靶机或地质勘测以及大气采样等科学研究。无侦-5装有一台小型、短寿命的涡喷-Ⅱ发动机以及一整套自动控制系统和无线电遥控遥测系统，是一种在高空、高亚音速条件下飞行，执行昼间高空摄影侦察任务的无人机。它使用的可见光照相机能绕其纵轴左右摇摆，从5个窗口进行拍摄。无侦-5本身无起落架等起飞着陆装置，需要由大型飞机带飞到4000~5000m的高度投放，投放后飞机自动爬升到工作高度。无侦-5在飞行中，按预编程序控制高度、航速、飞行时间和航程，完成任务后，自动返航，飞到回收区上空，在程控或遥控状态下进行伞降回收。

北京航空航天大学承担研制飞机机体以及窗体顶端、窗体底端发动机和地面无线电控制站的任务，并负责飞机的总装、总调和飞行试验。北京航空航天大学集中全校的技术力量，于1972年制造出两架原型机，并首飞成功；1973年进行了第二次试飞；1975年进行了大高度、中航程科研试飞，达到了预期目标，1976年又制造出两架全部使用国产材料的样机。1976年，北京航空航天大学正式成立无人机设计研究所，下设总体、结构、发动机、自动控制、无线电等研究室以及部装、总装车间和环境模拟试验室。无侦-5于1978年完成定型，1980年国家批准设计定型，1981年开始装备部队，在部队训练和战术侦察中发挥了作用，是中国在无人机技术领域里的一次飞跃。

20世纪90年代以来，西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等高校先后成立了无人机和无人机任务规划系统的专门研究机构，并研发出几十个型号的无人机和多种无人机仿真平台。2000年以来，中航工业集团、航天科工集团、航天科技集团下属的一些院所也开始了军用无人机或民用无人机的研制。虽然这些研发距离大批量生产和产业化发展还有一定的距离，但国内无人机市场化趋势已成为必然。与此同时，与无人机体系紧密配套的无人机任务规划系统的研究，也已从初期研究的单平台航迹规划发展到包括异构多平台、多任务的规划。目前，国防科技大学的多UAV(无人机)任务协调技术研究、北京航空航天大学的基于DTC(Diagnostic

Trouble Code)的无人机任务规划研究、华中科技大学的协同航迹规划研究等，均取得了丰硕的研究成果。尤其值得一提的是，在2015年纪念抗战70周年阅兵式上，我国首次以无人机受阅方队的形式，向全世界展示了最新型的侦察打击一体无人机，说明我国无人机在军事领域已经进入到新的高度和飞速发展时期

2.国外发展概况

无人机的快速发展和广泛运用是在海湾战争以后，以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上：轻型材料的使用和新的设计大大增加了无人机的续航时间；先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度；自动驾驶仪能使无人机自动改变高度和航向飞往目标，地面操纵员可以根据需要通过计算机改变无人机的飞行数据。在战争中，无人机已经能够攻击地面目标，其在军事领域的重要价值越来越清晰地展现在世人面前。

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目前，美国等西方国家的军队在伊拉克和阿富汗等国家已经使用了近千架无人机，其中最大的“全球鹰”无人机的翼展超过35m,能够在目标上空逗留40h以上，一次起飞后可连续飞行25000km。美军在执行前线攻击任务时，使用最多的是“捕食者”等无人机，而不是传统的攻击机。

由于驻伊美军对无人机的需求大幅增长，诸多美国公司看到了其商机。然而专用型无

人机虽然性能较高，但造价高昂，制造周期较长。美国著名防务技术公司SAIC集团另辟

溪径，将民用“超级运动”496型(U1 trasport496)运动直升机改造成无人机。这种超轻型无人机空重约272kg,空中逗留时间为2.5h,巡航速度为111km/h,最大时速为166km/h,其最大特点是造价低，单价仅5万美元。Ultrasport.496的设计初衷是面向家庭业务航空爱

好者，因此操作极为简单。SAIC公司认为这些特点对军方同样极具吸引力。改进后的无

人机可携带68kg负载（包括射线探测器、化学战剂探测仪和旋转式摄像机等常用侦测设备)，滞空时间延长至9h。美国陆军已正式采购该机，其军方编号为“治安官”502型(Vigilantes502),并向伊拉克派遣了首批“治安官”502型无人直升机，专用于寻找伊境内的生化武器踪迹。

无独有偶，波音公司也推出了MD530F型无人直升机。MD530型“防御者”无人直升

机对美军而言并不陌生，其早期军用型号为OH-6型的“印地安种小马”直升机曾“参加”

过越南战争，美国特种部队至今仍装备有其改进型AH-6J型和MH-6J型“小鸟”直升

机。波音公司推出的MD530F型无人机可携带283kg设备负载，空中逗留时间为8~10h,

其地面系统与最新型的X一45型无人战斗机相似。波音公司认为，美国特种部队很可能会出

于勤务方面的考虑，优先选择装备该机。

1.2.2集群无人机研究现状

1.集群无人机发展情况

无人机诞生于20世纪初第一次世界大战期间，进入21世纪，随着科学技术的进步，无人机技术和产业得到快速发展，已经广泛应用于各领域。军事方面可以完美地替代有人机去执行4D(Dull,Dirty,Dangerous and Deep)任务，民用方面更是广泛应用于农业、工业、服务行业等各领域，如农药喷洒、火灾救援、地质勘探、考古探险、物流运输等。

集群智能(Swarm Intelligence)的研究始于l959年法国生物学家Pierre Paul Grasse,他在其研究中发现昆虫之间存在高度结构化组织，能完成远远超出个体能力的复杂任务。蚁群的工作模式就是这种集群智能的经典代表，它们通过单体之间简单的相互沟通协调，表现出大规模集群的智能行为。人们通过对昆虫间智能集群行为的探索，逐渐提出了诸多智能集群算法，如蚁群算法和粒子群优化算法。智能无人机集群就是基于生物集群行为，通过单个无人机间的感知交互、信息传递、协同工作，在险恶的环境下以低成本完成多样性复杂任务的技术。

集群智能作为一种“Game-Changing”的颠覆性技术，一直被美国等军事强国作为军用人工智能的核心。2002年，美国空军研究实验室的研究表明，多无人机集群作战适合一些简单的反应性作战任务，包括区域搜索和攻击、侦察和压制、心理战和战术牵制等。可以说集群智能是未来无人化作战的突破口。

美国国防部发布的《无人机系统路线图(2005一2030)》将无人机自主控制等级分为1~

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集群无人机可靠性建模与评估

10级，并确立“全自主集群”是无人机自主控制的最高等级，预计2025年后无人机将具备全自主集群能力。2016年5月，美国空军正式提出《2016一2036年小型无人机系统飞行规划》，希望构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统，并在2036年实现

无人机系统集群作战。其中，小型无人机系统(SUAS)发展路线图阐述了小型无人机的作

战任务，包括压制/摧毁防空系统(SEAD/DEAD)、协同打击与侦察(SCAR)、反无人机、

超视距作战、气象探测、空中分层网络和信息优势。此外，无人机蜂群在海军反舰作战、对陆支援等方面也扮演着重要角色。

无人机单体之间的紧密协作，体现出智能无人机集群作战性能的优越性。世界各国均致力开展智能无人机集群的研究，智能无人机集群已经成为无人机领域的一个重要发展方

向。美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国海军研究实验室等机构全力探究无人机集

群最新技术，并应用于军事领域，以保证美国在全球军事技术领域的领先地位。

针对无人机蜂群作战，美国各机构都开展了相关技术研究，重点项目包括美国空军研

究实验室(AFRL)提出的“忠诚僚机”项目、美国海军研究办公室(ONR)提出的“低成本无

人机集群技术(LOCUST)”项目、美国国防高级研究计划局提出的“小精灵(Gremlins)”项目和“体系综合技术和试验(SoSITE)”项目以及美国国防部战略能力办公室开展的“灰山鹑(Perdix)”无人机蜂群试验等。

基于无人自主技术，美军提出了微小型无人机集群作战模式，以降低作战成本，提升

作战行动的灵活性。典型项目如DARPA的“小精灵”无人机，计划研制一种部分可回收的

侦察和电子战无人机集群，投放在敌方防御范围外的大型飞机（轰炸机、运输机、战斗机等平台)上，利用无线网络实现通信与协同，通过影响敌方导弹防御、通信与内部安全，甚至利用电脑病毒袭击敌方数据网络等方式压制敌方。

美国海军研制出一种可用于集群作战的“蝉”微型无人机，并进行了飞行试验。试验中，该微型无人机在17.5km高空释放，滑翔速度约74km/h,飞行约17.7km后在距目标不到4.6的地点降落，其携带的传感器可以成功地传回温度、大气压强与湿度等数据。相比其他无人飞行器，“蝉”微型无人机具有坚固耐用、尺寸小、成本低、结构简单、噪声小等特点，可配备多种轻型传感器，执行多种任务。美国海军希望未来可实现在25min内投放成千上万架“蝉”微型无人机，覆盖4800km2的区域。

此外，美国海军还在“低成本无人机群技术(LOCUST)”项目下开展了相关技术研究，

利用小型筒发射无人机，组成无人机群压制对手。

2018年以来，美国无人机集群技术得到了极大的发展。美国Dynetics公司设计了具备空中发射和回收能力的无人机，并开始制造，在2019年进行了真实情况下的试验。这意味着小型无人机的技术水平已经达到了一个新的层次。但是，公开报道中关于小型无人机载荷技术还没有太多的披露，目前能够确定的是，小型无人机能够根据任务需求装载不同的载荷，执行侦察、打击等一系列任务。

2018年8月28日，美国国防部公开了《无人系统综合路线图(2017一2042)》，将集群技术列为重点技术。

目前，美国无人机蜂群作战项目均处于研制试验阶段，尚无成熟的装备。美国无人机集群项目在系统架构、平台研发和无人机控制技术上均有较多的技术积累，但目前尚不具备高等级自主能力，且受到机载传感器载荷技术的限制，没有系统级别的集成能力。

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我国无人机技术起步较晚，但发展迅速，智能集群技术尤为突出。中国电子科技集团

公司(CETC)曾在2016年和2017年进行了67架和119架固定翼无人机集群飞行试验，

成功地演示了编队起飞、自主集群飞行、分布式广域监视、感知与规避等智能无人机集群技术，刷新了集群无人机飞行数量的新纪录。

2.作战样式分析

当前无人机蜂群作战有两种典型的作战概念，即“忠诚僚机”模式和集群作战模式。这两种概念均为协同作战样式，但协同对象各不相同，“忠诚僚机”指无人机与有人机之间的无人-有人协同，集群作战则是大量小型无人机之间的机-机协同。

“忠诚僚机”（无人-有人协同）是由有人机平台充当编队长机，多个无人机作为僚机的作战系统。这种协同，无人平台、传感器、武器等资源的控制权均由有人机控制，在有人机的作战指令下，无人机执行远程态势感知、武器投放、欺骗干扰等作战任务，充当“传感器”和“射手”等角色，一方面大大扩展有人机的作战任务池与作战频次，另一方面可有效保护有人机的防区外安全。

在空-空、空-地以及空一海等不同作战环境下，有人机与无人机协同作战模式通常为无人机前置，充分利用无人机的隐身、蜂群战术、战损比小等优势，深入敌方防区，负责目标探测、目标攻击等任务，同时保障有人机的防区外安全。有人机与无人机协同作战模式主要完成有人机-无人机协同探测、有人机-无人机协同攻击任务。

集群作战（机-机协同）概念是一群小型无人机自主协同作战，利用传感器三角定位优势，通过网络在集群内各节点实时共享平台自身信息、外部载荷数据等，以便根据交战实际情况，快速处理和分配载荷任务。

小型集群无人机（机-机协同）作战的最大特征在于体系的区域分布性、单元自主特性以及“去中心化”特性，集群中的个体单元均未处于中心控制地位，在单一平台受损后仍可有序地协同作战，所以集群作战具有极佳的战场生存能力和任务完成能力，可完成协同探测、协同攻击等作战任务

无人机集群作战是对传统武器系统及作战模式的重大颠覆，方案优势明显。具有灵活性高、体系配合能力强、经济可承受等特点。无人机集群作战可采取“蜂群”缠斗方式，以最低代价完成高对抗环境中的作战任务，是面向拒止环境作战的重要手段。无人机集群作战技术主要解决系统构建方式、运行方式、动态管理、编队控制、指挥操控等问题，具有综合能力强、功能余度多、作战方式灵活、成本低等特点，可执行战机护航、区域防空、区域反潜、远程突击等作战任务。另外，新型无人机集群作战体系必然牵引出新的作战模式，对现有的传统防御能力形成巨大压力，其影响是颠覆性的。

目前中国的无人机集群作战技术正处于快速发展阶段，随着战场环境的日益恶化，以及无人机自主能力的不断提高，无人机集群作战必将成为解放军未来无人机系统应用的重要作战模式。以察/打一体无人机组成的集群为例，其目标是搜索并摧毁敌方的地面目标，如敌方首脑所在、武器装备、移动防空设施。作战中，察/打一体无人机集群首先以协同方式在任务区域大范围搜索可疑目标，一旦发现目标，处于最佳位置和携带相应传感器的无人机就立即协同定位目标，由处于最佳攻击位置和携带精确制导武器的无人机对目标发起攻击；最后由一些无人机进行战场毁伤评估，确定是否需要发动二次打击。在未来的战争中，解放军装备的无人机将以集群作战方式，对敌人的关键区域以及导弹阵地、地面飞机

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集群无人机可靠性建模与评估

装甲车、坦克、中小型运输车、小型房屋及小型掩体等目标进行持续搜索识别、定位和攻击，最后进行战果评估。

1.2.3任务概念建模研究现状

1.国外作战任务建模的研究现状

国外作战任务建模的研究工作主要包括任务空间概念模型、作战任务清单、任务与途径框架和作战计划系统。

1)任务空间概念模型

随着军事仿真的迅速应用，为了能够提供任务描述的公用起点，1995年10月美国国防部发布了它的第一个仿真与建模主计划，并提出了任务空间概念模型(Conceptual Modelof the Mission Space,CMMS),旨在为建立相容而又具有权威性的建模与仿真表达式提供

一个公用起点，并有利于仿真部件的互操作和重复使用。任务空间概念模型是对现实世界军事知识的第一层抽象，它以一种独立于仿真实现的方式描述特定任务的相关作战行动实体、交互和关系，其目的是增强仿真交互与资源重用，为军事人员与仿真技术人员的沟通建立桥梁，为作战模拟系统开发提供共同起点和权威标准。任务空间概念模型包括概念模型、技术框架和通用知识库三部分。其中，概念模型是对真实军事作战的一致性表示，采用实体、动作、任务和交互模板(Entity,Action,Task and Interaction,EATI)来描述军

事行动。EATI模板分为面向实体和面向任务两部分，面向实体部分用来描述军事行动中

涉及的静态关系和结构，包括实体和关系；面向任务部分用来描述军事行动中涉及的动态行为和过程，包括用例、任务、动作，以及用例实例、性能度量、条件、任务序列和交互等。

EATI通过静态与动态的有机结合达到完整地描述军事行动的目的。

2)作战任务清单

作战任务清单描述了各个层次的作战任务采用的统一、规范的形式，在某种程度上说作战任务清单也是一种任务模型。作战任务清单作为指挥员的公共语言，便于满足不同指挥员的沟通使命需求，列表中的任务可以作为联合军事行动中的活动或过程，无论哪个作战单元参加联合作战，都能理解和根据需求执行相关任务，避免了误解和歧义。

3)任务与途径框架

为了清晰说明军事任务并便于定量评估方案的任务效用，2003年美军提出了任务与途径框架(Mission&.Means Framework,MMF)。该框架明确地说明了军事任务和综合组织，严格描述了军事行动的目的和目标，明确地表述、规划并且为每个目标确定相应的技

术手段，形成DOTMLP℉方案（条令、组织、训练、军用物资装备、领导、人员和设备），可

以定量评估方案的任务效用。在MMF中，通过描绘军事行动和单独任务，描述任务怎样

执行以及详细说明全部任务，组成一个模块化军事行动包，通过评估每个任务和从属的、与之关联的军事行动包的执行效果，确定任务成败。

4)作战计划系统

美军开发了多个联合作战计划系统，这些作战计划系统功能各异，但它们的共同特点是都能够对任务进行建模，下面介绍几个具有代表性的系统。

(I)作战计划与执行系统(Joint Operations Planning and Execution System,JOPES)

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