集群弹药智能组群理论与方法

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博士后站前资助、国家自然科学□□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□□科技集团青年拔尖人才计划，科技部专家库专家，□□七院七部无人系统领域专家，□□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□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□□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

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。