人工智能在直升机航空电子系统中的应用

摘要：随着战争形态向信息化和智能化方向演变，人工智能技术在武器装备中的发展已成为未来的必然选择，航空人工智能是军事智能最直接、最集中的体现。结合直升机作战任务的特点，阐述了直升机智能化航空电子系统发展现状，分析了直升机航空电子系统任务能力需求，探讨了人工智能技术在直升机航空电子系统中的应用方向，为推动人工智能技术在直升机领域的转化和应用提供了参考。

关键词：直升机；航空电子系统；人工智能

中图分类号：TP18文献标志码：A文章编号：1008-1739（2019）21-56-4

0引言

随着现代战争作战样式由以平台为中心向以信息化为主导的网络中心战转变，信息化与智能化成为战争形态演变的主要方向。作为低空和超低空争夺的主力，直升机集快速反应、机动灵活及火力强大等特点于一身，具有较强的空中攻击、空中机动和空中保障能力，是空地一体体系作战的重要力量。

航空电子系统作为直升机信息化平台的依托，在有效应对信息化战争、适应不断发展的作战样式、增强任务能力、提高对目标的打击能力与提高自身生存力等方面起着极其重要的作用。运用人工智能技术提升直升机航空电子系统的性能水平和智能化程度，是直升机适应遂行低空/超低空任务的需要，是提升作战功能性能、安全性和生存性的重要途径，也是直升机体系作战能力贡献率提高的重要标志[1]。

随着大数据、云计算、深度学习和机器视觉等技术的发展和应用，人工智能技术已经进入新的高速增长时期，世界上主要科技发达国家纷纷把发展人工智能提升为国家战略，并逐步运用在智能化态势感知、智能化指挥控制等专业领域[2]。本文借鉴国外先进直升机人工智能技术的应用情况，在分析直升机航空电子系统任务能力需求的基础上，探讨了人工智能技术在直升机航空电子系统中的应用方向，为推动人工智能技术在直升机领域的转化和应用提供了参考。

1直升机智能航空电子系统

航空电子技术是发展最快的航空技术，新技术、新概念不断涌现，一旦技术成熟，就会应用于新项目发展，或现役装备的改进。目前世界航空强国都在通过发展智能航空电子系统来提升直升机的性能水平，以适应新的作战需求。

1.1驾驶员助手系统

为了提高直升机的智能化水平和战场生存能力，美国陆军从20世纪80年代就开始直升机驾驶员助手系统（RPA）的研究，并在有人/无人协同演示等项目计划中不断完善。RPA系统是一个典型的专家系统，用数学方法对直升机以往的作战信息加以描述并构建数据库和知识库，在使用过程中进行对比和推理，从而辅助飞行员执行任务。美军早期的试飞结果表明，RPA系统的应用能够将直升机任务失败率降低78%、目标摧毁率提高42%、任务重新规划时间减少32%，最大程度地协助飞行员完成任务。俄罗斯米-28N直升机和德法两国联合研制的虎式直升机都开展了智能辅助决策系统的研究和应用。

典型RPA系统的核心由数据融合、任务规划和座舱信息管理三部分组成。其中，数据融合通过对不同类型传感器的信息进行处理、融合和识别，形成战场目标态势，并实现威胁评估。任务规划利用数字地图和实时战场态势信息，辅助飞行员进行威胁规避与任务决策，座舱信息管理以直观简洁的方式提供任务决策建议及执行提示，系统原理框图如图1所示。

1.2智能座舱人机交互系统

智能座舱人机交互系统突破现有直升机座舱显控系统的局限，以全息波导、全景玻璃等新显示媒介，手势、眼动及语音等多模态自然交互，辅以态势信息智能挖掘与情景感知推送，形成沉浸式智能座舱，充分提高飞行员复杂条件下的感知和认知效率。美国MITRE公司的数字飞行伴侣项目、英国DERA的座舱认知助手（COGPIT）项目及美国DARPA的座舱机组成员工作自动化系统（ALIAS）等项目都进行了多通道智能交互技术的应用研究。贝尔直升机公司为其新型倾转旋翼机开发了全景触摸驾驶舱，能根据飞行状态自动调整信息显示等，从而辅助飞行员进行感知和决策[3]。法国THALES公司研制了Avionics 2020直升机驾驶舱，系统基于开放式架构和全面使用触控屏，能够快速适应任务类型、飞行规则及机组配置，可增强直升机通用性及任务效率，降低飞行员的负担。Avionics 2020直升机驾驶舱示意图如图2所示。

1.3智能辅助导航系统

直升机贴地飞行的特点对导航系统提出了更高的要求，为应对电力线等障碍物，以及夜间、沙尘等恶劣条件的威胁，美国先后开展了综合多传感器合成成像系统（IMSIS）、综合视景系统（SmartView）等研究，相关成果已在“黑鹰”“支努干”等直升机航空电子系统中得到应用。其中，综合合成视景技术是智能辅助导航系统的关键技术之一，工作原理是根据机载数据库（地形、障碍物、人工建筑物特征）及精确定位信息，结合光电、射频传感器探测到的图像，通过计算机进行信息融合处理，生成并显示逼真的飞机外部景象，在复杂气象及地理情况下向飞行员提供周围环境感知，从而提高直升机的自主导航保障能力，如图3所示。

1.4智能综合自卫系统

面对各种精確制导武器的威胁，要求直升机必须具备强大智能的综合自卫能力。英国研制了直升机综合防御辅助系统（HIDAS），具有自主作战支援能力，可为机组人员提供电子战环境的全面战术图像，从而提高机组人员的感知能力和载机的生存能力；美国西科斯基公司的高速直升机S-97具有智能化的任务系统，能够自动进行全方位搜索和探测，并自动显示、记录和报告目标位置，当有导弹来袭时，安全系统会立即报警，同时显示威胁的性质、方位、距离和建议的对抗方式，大大降低了飞行员的操作负荷，提高生存能力。

2直升机航空电子系统的任务能力需求

直升机机动能力强、活动范围广、机动速度快及不受地形条件限制等特点，决定了其在遂行低空/超低空侦察、火力支援、机降运输和特种作战等任务中具有举足轻重的地位。自20世纪60年代以来，直升机就大量出现在战场上，是现代陆军、海军及特种部队不可或缺的作战装备。航空电子系统作为直升机的“大脑”和“神经”，需要具備多样化的能力，以满足快速响应地面及空中多种平台请求，执行侦察警戒、火力打击及勤务保障等多样化任务，实现空地协同作战、有人/无人协同作战、无人机自主作战等多种作战样式，有效提高任务能力和生存能力，并与其他装备共同构成空地一体的作战体系，支援地面部队实施侦察警戒、指挥控制、信息攻防等作战行动[4]。

基于直升机的作战流程，航空电子系统最基本的任务能力可归纳为情报侦察、通信导航、指挥控制、火力控制、协同作战[5]及综合自卫等6个方面，如图4所示。

3人工智能在航空电子系统中的应用

在直升机航空电子系统中，人工智能技术主要应用于航空电子系统智能人机交互、智能感知、智能决策、智能指控、智能对抗及智能保障等，能够提高直升机超低空复杂环境感知能力和快速响应能力，减轻飞行员操作负荷，使直升机装备实现从数据优势、信息优势、知识优势到决策优势的飞跃，提升直升机航空电子系统的综合任务能力。

智能交互：通过合成视景重建空间景物的三维信息，生成安全飞行管道，并对威胁进行告警等方式辅助飞行员安全飞行；通过语音识别、甚至是和手势识别等，迅速、准确地捕获飞行员的操作指令，从而减轻飞行员的操作负荷。

智能感知：通过深度学习对复杂图像目标进行识别，通过卡尔曼滤波、动态贝叶斯网络及深度学习等进行数据融合处理，并快速完成态势威胁评估，实现全天候条件下的飞行环境和战场态势感知。

智能决策：根据专家系统和智能搜索算法，以及学习、推理得到的知识自行生成最优决策方案，以图形、语音等方式提示飞行员，从而大幅缩短决策时间。

智能指控：以深度学习为基础，根据战场环境变化动态进行任务分配和行动指挥，从而实现针对不同需求的系统优化组织。

智能对抗：通过专家系统或深度学习，自动规划电子对抗策略，并通过自适应波形管理、智能化干扰物投放管理等实施电子对抗，提高通信的安全性、可靠性和对抗效率。

智能维护保障：是一种以大数据分析为基础的主动式维修保障模式，根据直升机航空电子系统的组成和作战任务需求，自动规划保障资源；根据航空电子系统状态进行使用寿命预测，预先优化保障资源，从而实现精确的维修保障。

将人工智能应用于航空电子系统，总体框架可分为基础层、技术层和应用层3个层级，如图5所示。

基础层以传感器、智能芯片、大数据等为基础，提供计算环境及数据支撑；技术层主要包括机器视觉（如图像识别、虚拟图像生成）、语音工程（如语音识别、语音合成、语义理解）、自然语言处理（如翻译、情感分析）、规划决策、大数据分析等专业技术及智能算法[6]，为顶层应用提供支撑；应用层则面向人机交互、环境感知及规划决策等具体应用。同时需要重点突破空地一体化物联网感知技术、网络化协同探测技术、智能情报处理与数据挖掘技术、直升机地形感知与告警技术和机载智能信息处理技术等，初步形成全域智能感知、敏捷指挥控制、信火协同打击、网电一体对抗和全域精确保障能力。

4结束语

直升机航空电子系统经历了机械化、数字化、信息化的发展阶段，智能化发展已成为未来的必然选择。我国直升机航电系统架构、通用处理平台和网络总线等技术已经达到国际先进水平，但航电系统人工智能相关技术的研究和应用仍存在一定差距，通过机器视觉、专家系统、深度学习及大数据分析等技术，增强航空电子系统的环境感知、目标认知、战术决策、电子对抗及维护保障等综合能力，将成为直升机航空电子系统任务能力和生存能力的倍增器。面对未来智能化战争高复杂性、强对抗性、高实时性的挑战，必须结合直升机任务特点和航空电子系统特征，加快推动人工智能技术在直升机领域的转化和应用。

参考文献

[1]吴希明.直升机技术现状、趋势和发展思路[J].航空科学技术，2012（4）：13-16.

[2]王莉.人工智能在军事领域的渗透与应用思考[J].科技导报， 2017，35（15）：15-19.

[3]罗雪丰.人工智能开启直升机装备发展新纪元[N].中国航空报.2018-06-28.

[4]袁继昌.着眼“主战主用”拓展陆航制胜力[N].解放军报. 2014-06-17.

[5] Peterson A L，Kuck K F.Airborne Manned Unmannedsystem Technology （AMUST） Program[C]//Proceedings of American Helicopter Society 55th Annual Forum.Montreal，Quebec，Canada： American Helicopter Society，1999：1-10.

[6]韩志钢.美军有人直升机与无人机协同技术发展及启示[J].电讯技术，2018，58（1）：113-118.