低空无人机群自组织网络弹性综述

传统无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)群评价指标缺少对系统遭受扰动后性能变化的全过程描述,弹性作为能 够凸显系统动态变化的特有属性可以集中反映无人机群运行态势,围绕无人机群弹性概念、弹性评估方法、提升系统弹性措 施 3 个方面进行全面综述。从自组织网络弹性概念展开,通过复杂网络对无人机群建模并进行弹性度量,分析了目前主要的 弹性评估方法,同时从吸收能力和恢复能力两方面归纳网络弹性的提升措施。最后,综合无人机群弹性研究中亟待解决的关 键问题,展望了未来研究方向,为无人机群安全高效运行提供科学指引。

随着国家低空空域管理改革的不断推进,民用无 人机(unmanned aerial vehicles,UAV)飞行需求呈现 迅猛增长趋势,并在商业、公共、军事、旅游和体育等 领域得到了广泛应用[1] 。5G 网络建设带动通信领域 的快速发展,无人机之间的通信能力得到大幅提升, 未来无人机群将比单一无人机拥有更广泛的应用前 景[2] 。与单一无人机相比,无人机群的群体效益更 高,生存能力更强,同时群体协同作业也具有更高的 机动性。因此,无人机群在联合侦察、搜索救援、协同 作战等任务中具有更广泛的应用[3] 。近年来许多学者对无人机群和其他多智能体系 统展开了系统研究[4-5] ,研究方向主要集中在无人机 群拓扑设计[6-8] ,任务分配[9-11] ,路径规划[12-16] ,协同 控制[17-19]和规划调度[20-21] 等方面。然而,这些研究 大多数假定无人机群处于无干扰状态的情况下,仅考 虑了无人机群在正常飞行状态下的性能表现。针对无人机群的外部威胁问题,学者们更专注 于无人机群如何避免破坏事件的发生。Peng [13] 考 虑了无人机群在执行任务期间受到扰动的情况,优 化了具有中止策略的联合路由计划,最大限度降低 了无人机群的运行总成本。Zhen 等[20] 对无人机群 的初始航迹进行重新规划以避免合作搜索攻击任务期间的潜在冲突。避免外部扰动是提高无人机 群运行效率的有效途径,然而这种方法不可能完全 防止无人机群受损。由于无人机群具有自适应特 性,因此无人机群可通过信息交互自发地适应环 境,避免潜在冲突和由于破坏性事件导致的无人机 群体损伤。复杂网络常用于表示各类复杂的群体系统结 构,可以将无人机群的运行态势映射至复杂网络模 型,通过复杂网络指标对无人机群的损伤进行分 析。无人机群的损伤一般发生在物理层面或网络 层面,物理级损坏意味着单个无人机被摧毁或部分 功能失效,网络级破坏意味着无人机群网络的拓扑 结构被破坏。Tran 等[22] 基于复杂网络对无人机群 进行建模,其中,节点表示无人机,连边表示无人机 之间的链路连接,移除节点被视为破坏事件,链路 重新布 线 被 视 为 恢 复 行 动, 根 据 其 提 出 的 BA (Barabási Albert)无标度网络模型对信息网络弹性 框架进行评估,研究随时间变化网络系统抗干扰能 力和扰动后的恢复能力,首次将网络弹性的概念应 用于无人机群,发现复杂多变的空域环境干扰了无 人机群的正常运行,除了受自身内部故障影响外, 恶劣天气、飞行物攻击等外部威胁也在一定上程度 干扰了无人机群运行安全[23] 。在实际应用中,即使 无人机群中某些个体发生损伤,整个无人机群也必 须确保任务的成功执行,因此对无人机群网络的弹 性提出了更高的要求[24] 。

无人机智能化和群体化是当前以及未来的研 究重点,无人机自组织网络在受到扰动时可以自发 进行适应性调整从而恢复群体性能,因此研究无人 机群遭受破坏后的动态重构过程对无人机群安全 高效运行具有重要意义。鉴于此,着眼于无人机群 面对破坏事件后的动态演化过程,阐明无人机群自 组织网络弹性的概念,同时总结几种常见的弹性评 估方法以及提升网络弹性的措施。