任务驱动的集群无人机RMS分析与评估技术 课件 1 绪论、2 集群无人机RMS分析与评估框架研究

1绪论CONTENTS目录1.1集群无人机概述1.2国内外研究现状1.3本书结构及主要内容1绪论

绪论概述无人机与集群无人机发展，分析RMS参数模型研究现状，明确全书结构与核心内容。集群无人机概述1.11.1集群无人机概述

无人机定义与军事应用无人机是依靠动力装置可控飞行、携带任务载荷的无人驾驶飞行器，军事上是整合平台、传感器等的作战系统。

集群无人机概念与特性集群无人机基于生物集群行为，由有限自主无人机组成，通过自组织、通信协作，低成本完成复杂任务。

集群无人机民用领域应用集群无人机凭借分解任务与协作倍增效益，在快递物流、农业、应急救援等民用领域崭露头角。

集群无人机体系可靠性问题任务环境多变使集群无人机体系可靠性问题突出，其RMS分析与评估是制约行业发展的关键问题。国内外研究现状1.21.2.1无人机发展概况1.国内发展概况

中国无人机研究历程始于50年代后期，60年代形成系列，无侦5具重要意义，用于军事、科研，90年代高校研机构增多，2000年后企业加入，市场化趋势明显。无侦5无人机特点高空、高亚音速，执行昼间摄影侦察，可见光照相机，涡喷-II发动机，自动控制，遥控回收，北京航空学院研制，1978年定型，部队训练、战术侦察应用广泛。1.2.1无人机发展概况2.国外发展概况

无人机发展概况海湾战争后，西方国家加速无人机研发，应用高新技术，提升续航、图像传递速度，实现自动飞行，展现军事价值。

无人机实战应用美国在伊拉克、阿富汗部署近千架无人机，如“全球鹰”、“捕食者”，执行攻击任务，显示重要军事作用。

无人机商业机会美国公司如SAIC、波音，利用民用飞机改造无人机，如“治安官”502型、MD530F型，满足军方需求，拓展市场。

无人机技术特点超轻型无人机如“治安官”502型，成本低、操作简单，改进后可携带多种侦测设备，延长滞空时间，适应军方需求。1.2.2集群无人机研究现状1.集群无人机发展情况

无人机起源与发展20世纪初为减少损失而生，21世纪广泛应用，涵盖军事与民用，如农业、救援、勘探。

智能集群研究起源源于1959年Grasse对昆虫社会行为研究，启发智能算法，如蚁群与粒子群优化。

集群智能军事应用中美视之为核心军用AI，美国2002年研究证实多无人机集群适于反应性作战。

无人机自主控制等级美国规划至2025年达全自主集群，2016年飞行规划强调小型无人机系统集群。1.2.2集群无人机研究现状：1.集群无人机发展情况

智能无人机集群研究各国致力于智能无人机集群，美国重点研究，如“忠诚僚机”、“小精灵”项目。

美国微型无人机“蝉”“蝉”微型无人机用于集群作战，特点为坚固、小、低成本，可执行多种任务。

美国无人机集群技术进展2018年技术成熟度提升，DARPA“小精灵”项目推进，关注载荷技术与集成能力。

中国集群无人机技术中国电子科技集团创集群飞行纪录，展示智能集群关键技术，发展迅速。1.2.2集群无人机研究现状2.作战样式分析

无人机蜂群作战概念两种典型作战模式：“忠诚僚机”实现无人-有人协同，集群作战强调机-机自主协同，颠覆传统武器系统与作战样式。

“忠诚僚机”模式有人机控制无人机执行远程态势感知、武器投放等任务，扩展作战任务池，保障有人机防区外安全。

集群作战模式小型无人机自主协同，共享信息，快速处理载荷任务，展现极佳战场生存能力，适合深入敌方防区。

集群作战优势灵活性高，体系配合强，成本低，可执行多种作战任务，对传统防御形成压力，适应拒止环境作战。

中国无人机集群技术快速发展中，随战场环境恶化与自主能力提升，将成为未来重要作战样式，适用于搜索摧毁敌方地面目标。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

01任务空间建模1995年美国国防部发布CMMS，提供仿真与建模公用起点，增强交互与资源重用，采用EATI模版描述军事行动。

02作战任务清单美军采用统一、规范形式描述各层次作战任务，作为指挥员公共语言，便于沟通使命需求，避免误解和歧义。

03任务与途径框架2003年美军提出MMF，明确说明军事任务，评估方案任务效用，形成DOTMLPF方案，量化任务执行效果。

04作战计划系统美军开发JOPES、ESARII/EB、OneSAF、STAGE等系统，实现任务建模，评估行动效果，支持联合作战计划与执行。1.2.3任务概念建模研究现状2.国内作战任务建模的研究现状

任务空间模型研究国防科大何晓晔、张琦等深入研究，提出任务空间概念模型元模型及MSCML，综合建模方法以IDEF3和UML为工具。

战争与作战系统建模国防大学提出EBI建模框架，描述作战体系对抗；国防科大戈义君、李建军等研究作战计划可视化建模与多视图作战系统描述模型。

作战任务建模进展军械工程学院、国防科大、海军工程大学等单位研究装备保障任务建模，采用IDEF3、E-IDEF3方法，关注任务持续性、战备完好性、维修保障资源优化配置。1.2.4体系RMS参数研究现状1.国外研究现状

国内外研究现状欧美RMS参数体系研究领先，1980年美军指明系统RMS四方面特性，涉及连续、间断工作及一次性使用场景，涵盖复杂系统至零件层级，定义MTBF、MTTF、λ、P(S)、P(F)等关键指标。

体系RMS参数Harper和Stracener(2007)提出体系可靠性与可用性参数应含平均维护时间、MTBF、任务成功性与可用性。1.2.4体系RMS参数研究现状2.国内研究现状作战单元保障分类按装备级、基本作战单元级、作战单元级划分，研究维修保障能力评估指标，涵盖战备完好性、任务成功性参数。战备完好性参数定义为所有基本作战单元均能执行任务的概率，及完好装备数量占总装备比例。任务成功性参数指作战单元在特定保障方案下，成功完成作战与训练任务的概率。1.2.4体系RMS参数研究现状：2.国内研究现状任务持续性参数

文献提及师旅级装备作战单元任务持续性，体现参数指导意义，但研究尚浅。装备体系概念

最高保障对象层次，由功能关联武器装备系统组成，适应战略指导与作战任务。RMS参数体系

文献构建信息化装备体系RMS参数体系，提出指标确定方法，关注网络系统可靠性。网络系统RMS模型

聚焦网络可靠性，使用“延迟概率”衡量计算机网络效能，深入研究航空机载网络通信可靠性。1.2.5体系RMS模型研究现状ACTD项目RAM战略分析

体系RMS模型研究Farquharson与Gallman提出ACTDs中RAM战略分析法，含7步：定顶层系统，确RAM参数，标LRUs，需RAM数据，建框架，预估评RMA，比对调目标或增计划。

RAM战略分析方法步骤步骤包括：定义顶层系统，确定RAM参数及目标，识别LRUs，明确数据需求，构建数据收集框架，预测评估参数，对比调整目标或实施RAM增长计划。1.2.5体系RMS模型研究现状

体系可靠性和可用性参数MichaelHarper和JerrellStracener（2007）提出体系可靠性和可用性参数包括平均维护时间、平均故障间隔时间MTBF、体系任务成功性、体系可用性。1.2.5体系RMS模型研究现状网络可靠性评估方法

体系可靠性方法JasonL.Cook(2009)提出基于连通性评估体系可靠性的方法，综合五种能力仿真，强调网络交互影响。

体系效能预测DeniseJackson(2009)针对层次结构体系，提供效能预测与优化算法，聚焦体系整体表现。

体系故障观点JohnB.Goodenough(2010)指出体系故障源于系统间交互，非单一系统问题，体系故障评估复杂。1.2.5体系RMS模型研究现状国内外网络系统RMS模型研究

国内外研究现状研究多聚焦于建筑、结构、软件体系，李世英博士提出信息化装备体系RMS参数体系，康锐教授探讨其可靠性挑战及对策。

体系RMS模型研究现状上世纪80年代起，复杂系统可靠性成热点，国内研究起步较晚，成果渐显，网络系统可靠性分析侧重抗毁性、生存性、有效性。1.2.6分析与总结通过上面对国内外研究现状的分析，可以得出以下结论

1．在任务建模方面目前任务分析与建模主要针对单一装备、基本及部分作战单元层次，针对集群无人机等装备体系层次的研究较少。2．在参数体系构建方面国外研究全面深入，国内单一装备和基本作战单元RMS参数研究成熟深入，体系级别研究少，仅对C4ISR系统和网络体系初步探讨。1.2.6分析与总结3．在RMS模型构建方面

RMS模型构建装备层次与基本作战单元模型成熟，作战单元层受参数定义制约，体系层聚焦C4ISR系统与网络体系。

参数模型研究单一装备参数模型研究广泛，装备基本作战单元沿用装备层模型，作战单元层研究较少，体系层侧重C4ISR与网络体系。本书结构及主要内容1.31.3本书结构及主要内容01书籍概述与章节规划本书在研究集群无人机任务参数与模型基础上，开展任务驱动的RMS分析与评估技术研究，含十章内容。02研究背景与结构概览主要介绍了本书的研究目标与研究背景，综述了国内外相关领域研究现状，总结给出了本书结构和主要内容。03无人机系统与任务建模分析无人机系统组成分类，明确集群及体系概念，给出可靠性概念并分析内涵外延，建立RMS建模框架，引入任务系统建模，定义使用任务与系统，界定问题域。04RMS参数构建与评估方法第6章构建任务参数集并建模，7-9章提出RMS参数构建方法及模型，10-11章分析评估内涵并提出综合评价方法及系统设计THEEND谢谢2集群无人机RMS分析与评估框架研究CONTENTS目录2.22.1无人机系统概述集群无人机与集群无人机体系2.3集群无人机体系可靠性2.4

集群无人机RMS分析与评估框架构建2集群无人机RMS分析与评估框架研究

集群无人机系统分析组成分类，提出集群概念，明确可靠性定义，研究静态动态演化。

RMS框架构建构建分析与评估框架，涵盖集群无人机系统可靠性评估全过程。无人机系统概述2.12.1.1无人机系统的组成

无人机系统概述由飞行器平台、控制站、通讯链路及任务载荷等子系统构成，实现自主或遥控飞行。

无人机名称变更2005年美军方正式更名为无人机系统(UAS)，强调其综合功能与系统化特性。

（1）无人飞行器分系统机体、动力装置、导航飞控、电气设备等；

（2）任务设备分系统视任务要求加挂不同设备，包括战场侦察校射、电子对抗、通信中继、攻击任务、电子技术侦察、核生化探测、战场测量、靶标等设备。2.1.1无人机系统的组成

（3）测控与信息传输分系统无线电遥控/遥测设备、信息传输设备、中继转发设备等；

（4）指挥控制分系统飞行操纵与管理设备、综合显示设备、地图与飞行航迹显示设备、任务规划设备、记录与回放设备、情报处理与通信设备及其他情报和通信信息接口。

（5）发射与回收分系统与发射（起飞）和回收（着陆）有关的设备或装置，如发射车、发射箱、助推器、起落架、回收伞、拦阻网等；

（6）保障与维修分系统基层级保障维修设备，基地级保障维修设备等。2.1.2无人机系统的分类无人机系统分类标准

无人机分类按飞行平台构型分：固定翼、旋翼、无人飞艇等；按起飞重量分：微型、小型、轻型、中型、大型；按活动半径分：超近程、近程、短程、中程、远程。2.1.2无人机系统的分类按任务高度分类超低空（0-100m）、低空（100-1000m）、中空（1000-7000m）、高空（7000-18000m）、超高空（>18000m）按用途分类军用无人机：侦察、诱饵、电子对抗、通信中继、无人战斗机、靶机。民用无人机：巡查/监视、农用、气象、勘探、测绘。按设计目的及其他分类无人机按设计目的分为战斗、特殊用途、支援、多功能；按控制模式分为遥控、自主飞行、两相结合；按空气动力类型分为飞机、直升机、结合；也可按动力来源及其他参数分类。集群无人机与集群无人机体系2.22.2.1集群、无人集群与集群作战1．集群

集群概念由简单个体协作形成有机整体，展现出高级功能，强调沟通与协作，具分布式、无中心、自组织特性。

集群智能特点分布式控制，共识主动性，简单个体交互产生复杂智能，适应性强，可扩充，鲁棒性高。

集群智能起源与发展源于1989年细胞机器人系统研究，1991年蚁群优化理论提出，发展出粒子群、蚁群、人工鱼群等算法，近年涌现混合蛙跳、猫群、蟑螂算法。

集群应用领域广泛用于预警探测、广域监视、电子对抗等复杂战场场景，随无人平台发展，概念扩展至陆海空天全域作战。2.2.1集群、无人集群与集群作战2．无人集群

无人集群定义由无人系统组成，具网络化沟通、自适应协同和集群智能，自主完成任务。

集群无人机特点无人集群概念在空天作战的具体应用，研究最多，理念最成熟，属无人集群类型。2.2.1集群、无人集群与集群作战3．集群作战

集群作战概念小型化、分散化单元，互联自主，协作攻击，破坏对手战斗力。

无人机集群作战分布式杀伤，实时通信，数据共享，协同执行ISR和打击任务。

美军无人机协同概念编队协同、忠诚僚机、集群作战，体现不同自主控制等级。

集群作战特点低成本、大胜算、强生存、高效能，利用数量优势，提升整体能力。2.2.2集群无人机的特点与样式1．集群无人机的特点

集群无人机特点通过自组织机制，多架无人机自主协作，无需集中指挥，实现高效任务执行，强调智能与自主。

集群无人机智能集群智能基于个体智能，体现自主与学习能力，自主控制为智能核心，实现从编队到集群的质变。

集群无人机协同集群无人机不依赖全局信息，通过局部交互达成全局协同，展现鲁棒性、规模弹性和灵活性。

集群无人机控制复杂性面临数量多、异构性、任务多、约束多及动态变化挑战，需优化控制策略应对不确定性。2.2.2集群无人机的特点与样式2.集群无人机的样式

集群无人机特点探索阶段，功能结构、集群规模、协同方式定义样式，如图2-2坐标轴所示。

集群规模数量密集型（无人蜂群）、分散型（中大型无人机）、混合型，避免概念混用。

功能结构功能一体型、单一功能型、异构功能型、混合型，体现多样配置。2.2.2集群无人机的特点与样式

01协同方式机-机协同、人-机协同、混合型，展现不同编队模式。

02集群样式三维交点确定具体样式，部分交点无现实意义，如＜Intensive＞＜Integrate＞＜Machine_Machine＞。

03集群体系集群之集群，极高复杂度，理论推导为主，技术限制下的演进过程。

04投送方式母机抛洒、独立飞行、平台运送后发射，多样化投送策略。集群体系（混合式集群）模式示意图2.2.3集群无人机体系的定义与特性

集群无人机体系定义多类型集群无人机网络链接,结构化综合,最佳整体效果完成使命任务。

集群无人机体系特性智能化、分布性、去中心化、复杂性,集群的集群,顶级表现形式,鲜明作战特点。2.2.3集群无人机体系的定义与特性1.复杂性与不确定性

01集群无人机体系定义面向任务需求，动态选取与构建所需装备体系，适应复杂环境，具备强大生命力。

02集群无人机体系复杂性源于工程过程与任务实施的不确定性，包括物理环境影响、敌情变化、体系内部状态及单元不确定性传播。2.2.3集群无人机体系的定义与特性2.涌现性集群无人机体系定义由多个无人机通过网络连接,形成统一指挥与控制的智能系统,展现超越单体的集体智慧与行动力。集群无人机体系特性展现设计外的涌现行为,包括系统故障与非预期输出,需重点优化积极涌现,并预防消极涌现影响整体效能。2.2.3集群无人机体系的定义与特性3.演化性

体系演化行为包括要素与结构演化，受高层任务变更、能力发展及底层成员变动影响，相互作用，高层驱动底层，底层反馈高层。

结构演化类型分为静态与动态演化，静态因国家战略、技术更新等非对抗因素，动态则在对抗中，如成员损毁、环境变化，需快速调整保持任务连续性。2.2.3集群无人机体系的定义与特性4.自主性

01集群无人机体系定义在复杂环境下，集群无人机需自组织、自完善，快速恢复队形，具备内在聚合性与协同性，以维持任务执行能力。

02集群无人机体系特性体系应分析内外风险，通过数据采集、故障诊断等手段评估脆弱度，自主调整保持活力，拥有结构弹性与功能互补的生命力保障机制。2.2.4集群无人机体系的结构1.体系的层次

集群无人机体系层次划分为体系、集群、平台、单元四层，体现从宏观到微观的综合与组成。体系层特征由多类型集群组成，统一指挥，共担使命任务，体现高度综合与协同。集群层功能按无人机能力与特点编组，如侦察、诱骗干扰集群，针对性强，任务明确。平台层组成搭载不同装备的无人机系统，为共同任务协作，体现多样化与集成性。单元层定义指单件装备如机载武器、侦察设备，能独立完成简单任务，强调个体能力。2.2.4集群无人机体系的结构2.体系的组成

集群无人机体系结构由多套无人机系统组合，每套含无人机、控制站、数据分发系统等，构成平台级战斗单位，多单位组合成集群，集群再形成体系。

集群无人机特点集群非固化建制，围绕任务动态重组，具大规模节点随机关联时空动态特性，任务变化时重新编队、展开或退出。2.2.4集群无人机体系的结构3.体系的结构描述

集群无人机体系结构描述体系中无人机、任务设备、控制与通信设备间的关联，如指控与协同关系，通过视图和矩阵分析物理逻辑、动态行为和性能。

静态描述建模流程四步流程：元素描述、层次结构建模、相互关系建模、信息关系建模，用于获取性能参数、行为属性和通信关系等信息。集群无人机体系可靠性2.32.3.1集群无人机体系故障的概念1.体系故障的类型

集群无人机体系故障实体故障指硬件/软件失效，信息传输故障涉及通信链路失误，过程故障由响应时间过长引起，影响任务执行。

故障层次差异单元层关注装备软硬件实体故障，平台层考虑固化流程中的实体故障，集群层与体系层需全面考量三类故障，涉及动态资源管理与信息交互。2.3.1集群无人机体系故障的概念2.体系故障的致因与判据

实体故障硬件软件故障，如网络设备断路，受环境、使用强度及人为因素影响，需修复或调整通信架构。

信息传输故障表现为传输慢、错误或丢失，由性能不足或配置不当引起，影响任务执行，通过参数监控识别，需优化协议或设备部署。

过程故障指挥不畅、协调问题、反应迟缓，源于策略不当或部署不合理，影响深远，需调整流程和规则。

主要性能参数包括信息传输时延、传输速率、误码率、信息正确率、信息丢失率、流程重构时间和任务在线响应时间，反映系统效率和稳定性。2.3.1集群无人机体系故障的概念3.定义

集群无人机体系故障单元层故障影响平台层、集群层、体系层，传递至整体，影响可靠性。

平台层功能与故障负责内部信息交互，通信设备故障视作软硬件故障，不考虑信息传输与过程故障。

集群层功能与要求集合装备单元功能，需互操作性、可重用性、分布透明性，参与流程控制与功能重组，三类故障均会出现。

体系层功能与要求作为集群的集群，需信息交互、可重用性、分布透明性，流程控制与功能重组编排，三类故障均会出现。2.3.2集群无人机体系可靠性定义与度量

集群无人机体系可靠性定义体系在规定条件时间内完成功能能力，明确故障度量整体可靠性。

产品不可靠性特征产品故障体现不可靠性，明确体系故障利于可靠性评估。2.3.2集群无人机体系可靠性定义与度量1.平均故障间隔时间

01集群无人机体系可靠性定义为体系在规定条件和时间内完成任务能力，度量参数为平均故障间隔时间，计算公式TBF=T/N，反映体系稳定性与维护需求。

02可靠性度量方法通过统计体系寿命单位总数与故障总次数之比得出，适用于体系各层次，包括实体、信息传输和过程故障，体现体系整体可靠性水平。2.3.2集群无人机体系可靠性定义与度量2.平均故障间隔飞行小时无人机和机上可修复产品使用可靠性参数，计算为规定时间内总飞行小时与故障总数（含地面和空中）之比。2.3.3集群无人机体系可靠性的静态与动态演化

集群无人机体系可靠性概念集群无人机体系可靠性演化指可靠性随时间变化，包括体系组成要素和结构演化，要素演化因平台升级换代和新旧替代，结构演化分静态和动态。

静态演化原因及类型静态演化不考虑实施任务中演化，包括战略使命变化、需求技术装备升级维护、新平台武器致整体更新。

动态演化原因及类型动态演化指体系使用或作战对抗中出现的演化，包括成员损毁或故障退出、新平台加入、使命任务或环境剧烈变化、在线条件下动态重置重组重构。2.3.3集群无人机体系可靠性的静态与动态演化任务过程中的体系可靠性演化任务变化影响任务强度、量变及环境剧变，致装备、通信可靠性调整，需动态评估体系稳定性。装备变动效应装备损、故或新加入，体系结构变动，成员关系更新，直接影响体系可靠性。流程重排后果任务中