多武器平台分层分布式协同控制体系结构优化

基于边缘计算模型，提出一种多武器平台分层分布式协同控制体系结构（Edge Computing Based Distributed Cooperative Control Architecture，EC-DCCA），如图6-3所示。由图可知，EC- DCCA 为两层分布式协同架构，包含协同骨干网和协同子网，分别用于实现顶层的任务协同以及协同单元的控制协同。EC-DCCA 共包含通信网络、边缘计算节点、网关边缘节点、协同骨干网和协同子网五部分。

图6-3　EC-DCCA 分布式协同架构示意图

（1）通信网络。通信网络指采用战术互联网、超短波电台、宽带自组网或数据链等陆军武器装备配置的通信设备，用于实现合成营内各节点之间信息的实时、可靠传输，以及各功能子网间信息的共享与传输。

（2）边缘计算节点。边缘计算节点指参与协同作战的各作战单元（陆军武器装备）。各边缘计算节点分别包含设备、网络、数据和应用四类功能模块（图6-4）。在协同作战过程中，分别为各节点在网络边缘侧实现计算处理，提供计算能力、网络互联能力、数据存储能力和协同作战的功能应用。

图6-4　边缘计算节点

（3）网关边缘节点。网关边缘节点在EC- DCCA 中承担重要的网关作用，不但具备边缘计算节点的所有功能，与其他边缘计算节点共同实现协同子网内的分布式协同控制，而且与其他协同子网的网关边缘节点，共同组成协同骨干网，实现整个协同作战系统的分布式协同。网关边缘节点通过实现上、下层协同体系的融合，保证所有分布式作战单元（协同节点）之间的协同一致性。

（4）协同骨干网。协同骨干网是EC- DCCA 中的顶层协同体系，通过网关边缘节点的分布式协同，实现各协同子网的有效协同。

（5）协同子网。根据各边缘计算节点承担的任务进行划分，在EC- DCCA中可动态配置若干协同子网，如探测协同子网、打击协同子网等，协同子网通过网关边缘节点与协同骨干网进行协同信息交互。一个典型的协同子网划分如图6-5所示，根据作战任务，所有节点在逻辑上可分为“侦察”协同子网、“决策”协同子网、“打击”协同子网和“保障”协同子网。在各子网内，节点之间只互相传输本子网任务相关的协同信息；骨干网内的各网关节点只互相传输子网之间的协同信息。采用这种协同子网架构，一方面，能够使信息只在任务相关节点之间进行传输，有效降低冗余信息以及任务无关信息的传输量，从而化解当协同节点规模增大时全共享传输带来的带宽压力；另一方面，根据各节点承担的任务不同，各节点可动态加载相关的计算处理模块（如信息融合处理、指挥决策等），而不需要运行所有的功能模块，从而可解决陆军武器装备嵌入式计算处理环境的有限的计算处理资源与复杂计算处理任务之间的矛盾。

图6-5　协同子网逻辑关系

协同子网一般由多个边缘计算节点和一个网关边缘节点组成（图6-6），实现协同子网中多个节点的分布式协同控制。按照任务划分子网，网络包含节点之间所交换信息关联性强，信息交互时效性高，有利于实现高效协同。

图6-6　协同子网

本项目提出的EC-DCCA 多武器平台分层分布式协同控制体系结构具有分布式、层次化、要素化、时效性强和鲁棒性强等能力特征。

1.分布式(www.xing528.com)

在传统集中式协同作战系统中，所有信息（传感信息、平台状态信息、武器状态信息等）都需要首先传送到一个节点（如营指挥车）进行处理，形成统一的态势图和统一的行动控制指令（如探测、打击等），然后再下发给各执行节点。这种集中式的系统架构虽然可通过利用全局信息形成最优的、统一的战场态势图以及计划方案，但需要通信网络为所有节点实现全联通提供足够的带宽，通信质量下降带来的数据包丢失或时延等问题将导致集中式的协同作战系统无法实时地生成统一态势图以及各武器平台的行动控制方案。

本项目EC-DCCA 的设计理念是将传统集中式协同控制的计算处理功能（信息融合处理和指挥决策）部署在每一个分布式节点（武器平台）上，图6-7所示为各节点（武器平台）的本地闭环控制系统结构。各武器平台的状态信息（如位置、速度等）、传感信息（如态势信息等）、处理结果（如航迹等），以及控制计划（如传感器、武器的控制指令）都通过通信网络以广播的形式发送到协同子网的其他节点；当接收到协同子网中任意其他节点提供的信息时，则调用相应的功能模块进行计算处理。各武器平台的本地计算处理模块利用所有可用信息（本平台及其他平台）进行多平台协同控制计算，并只用于本武器平台，以及配置的传感器和武器的控制。

图6-7　武器平台的本地闭环控制系统结构

另外，EC-DCCA 通过战术互联网等通信手段，可将物理分布在各武器装备的信息融合模块、指挥决策模块、传感资源、打击资源、防护资源有机地连接起来，形成信息融合网、协同指控网、传感网、武器网，从而实现陆军多武器平台的信息协同融合处理、作战协同指挥控制、战场协同感知、武器协同运用（图6-8）。

图6-8　EC-DCCA 物理执行结构分布

2.层次化

通信网络是实现陆军多武器平台协同控制的基础，但由于陆战场环境下各武器平台之间的通信能力限制，以及受地形地貌、电磁干扰等影响十分严重，因此，本项目EC- DCCA 采用分层的协同控制体系架构，将整个作战系统的协同架构分为协同骨干网和协同子网两层。在子网内，各节点之间只互相传输本子网任务相关的协同信息；骨干网内的各网关节点只互相传输子网之间的协同信息。采用这种分层架构，能够有效降低冗余信息以及任务无关信息的传输量，从而化解所有节点之间信息全共享带来的带宽压力，保证通信能力受限情况下的多武器平台有效协同。

3.要素化

如图6-8所示，在本项目EC- DCCA 架构中，利用通信网络将物理分布在各平台的传感资源（CCD、热像、雷达、敌我识别等）、打击资源（火炮、导弹、遥控武器站等）、防护资源（干扰弹、烟幕弹、榴霰弹等）有机地连接为传感网和武器网，从而可实现物理分布在各武器平台的各作战要素（传感、武器）的协同控制，实现作战系统各类作战单元（作战平台和要素）在时间、空间、频率等维度的有效协同。

4.时效性强

本项目EC-DCCA 针对陆军装甲突击装备、炮兵装备和防空装备等主要武器系统具有的平台机动、嵌入式计算、无线通信的特点，充分利用各武器装备平台（网络边缘设备）的任务计算和数据分析能力，将各武器装备都作为分布式协同控制体系中的一个边缘计算节点，将传统集中式协同控制的计算任务迁移到物理分布的网络边缘设备上，从而能够在各边缘计算节点本地完成所有的计算处理任务，有效地保证协同控制的时效性，而且能够降低集中式协同控制架构的计算负载以及无线通信的带宽压力。

5.鲁棒性强

如上所述，在本项目EC-DCCA 体系结构中，各武器平台的状态信息、传感信息、处理结果，以及控制计划都通过通信网络以广播的形式发送到协同子网的其他节点。各协同节点进行独立的协同控制计算处理和平台控制。

基于这种分布式架构，当通信网络带宽足够各节点全联通时，各分布式节点的处理模块将可利用所有的信息，产生一致的战场态势和协同控制指令，且与集中式架构产生的战场态势图和行动控制指令保持一致。更重要的是，针对陆战场复杂协同作战环境，本项目EC- DCCA 体系结构能够在某些节点信息不可用，或通信网络无法提供高带宽服务时，各平台依然可独立地生成协同控制指令，且协同效果不会显著降低；在通信连接恢复后，可迅速重新与其他节点同步关键任务信息，保证所有节点信息和输出指令的一致。