協同的案例
無人機集群協同技術發展與展望
2016年，英國國防部發起無人機蜂群競賽,參賽的多個團隊控制無人機蜂群實現了通信中繼、協同干擾、目標跟蹤定位和區域測繪等任務。2017 年，俄羅斯無線電電子技術集團對外發表研究計劃稱，在戰斗機上裝載多架蜂群無人機可實現協同偵察和攻擊的新型作戰樣式。
國內也相繼展開相關研究。最近，中國電科(CETC)電子科學研究院發布了陸軍協同無人機“蜂群”視頻，引起廣泛關注。
面對這一重要課題，本文研究總結了無人機協同應用的發展趨勢，對其當前研究進展和發展方向進行了探討，并提出無人機集群任務協作的發展趨勢是多智能體協同。
1 無人機協同應用發展趨勢
對現有研究工作的分析如圖1所示，無人機協同應用大體上可以分為3個階段，分別是分布式協同，群體智能協同和未來的多智能體協同。
圖1 無人機協同技術的發展趨勢
Fig.1 Developing trends of UAV collaboration technique
無人機集群協同發展的第1個階段是簡單分布式協同。在該階段，協同任務根據執行條件，預先在簡單連接和組合的集群成員之間經過計算處理后分配執行。集群基本沒有能力根據環境與目標的變化動態調整任務分配，各無人機分擔的任務通常是確定的。
鑒于預分配方式的局限性，受生物集群活動的啟發，群體智能被應用于無人機集群，使無人機集群協同發展到第2個階段——群體智能協同。在該階段中，各個無人機節點被賦予初級智能，能夠進行簡單的認知和決策；通過集群個體之間更為緊密的耦合，可以根據執行中的反饋調整優化方式或者優化目標，使整個無人機集群系統有能力構成自組織、高穩定的分布式系統。群體智能協同階段當前正處于研究和應用迅速發展時期。
隨著節點計算能力的進一步提升和人工智能技術的飛速發展，無人機協同即將進入發展的第3個階段——多智能體協同。
展開 基于云平臺的MBSE協同研制模式研究
數字化研制工具的應用深度廣度有限，跨專業、跨學科協同仿真應用不足，數字化模型尚未全面覆蓋研制全流程。二是各科研院所已建設的研制和數據管理系統缺少與各應用系統有效集成，不足以支持以統一產品結構為核心的流程、數據等全生命周期協同管理，圍繞跨單位協同，尚未實現技術狀態全貫通和閉環管控。三是缺乏面向航天產品研制基礎數據的研究，標準規范體系不健全，研制數據分散，信息集成與共享能力較低。
圖1 傳統方法過渡到MBSE方法
三、研究目標
為解決以上問題，以云平臺為底座，構建覆蓋復雜系統全生命周期活動要素的系統工程協同云平臺。通過該平臺，打通全系統、全過程的數據鏈，實現研制數據的橫向貫通；促進各層級產品間設計與驗證的縱向打通；促進系統工程的數據、模型積累，提升創新研制能力；優化產品研制數字化協同機制，從而助力航天科研院所向具有航天特色的模型、數據、流程驅動的MBSE協同研制模式轉型跨越。
㈠基于模型的系統工程協同云平臺構建
以系統工程方法論為指導，以云平臺為底座，構建協同研制數據中臺及協同研制流程中臺，打造基于模型的協同研制支撐環境。面向航天產品需求設計、研制設計、生產驗證、綜合保障等提供一體化支撐平臺。
㈡推動需求管理、系統建模工具集在系統工程協同云平臺上的部署與應用
在基于模型的系統工程推進過程中，要打通系統建模工具和需求管理工具、聯合仿真框架之間的業務鏈條，使之融為一體。逐步實現基于模型的跨單位快速協同設計、協同制造、協同驗證。推動相關單位將現有的研制模式向基于模型的系統工程研制模式遷移。
㈢建設基于云平臺的航天產品研制系統工程標準規范體系框架
目前，軍工領域還沒有基于云平臺的MBSE體系的標準框架和解決方案。
展開 海戰場無人作戰體系協同運用與指揮控制設想
1)無人作戰體系的指揮控制體系結構技術
無人作戰體系中同類、異構UCP,具有人在環內、自主作戰、有人無人協同的多種作戰模式,需要建立適合海戰場作戰過程中,不同階段下的UCP開放式指揮控制結構,能夠支撐有人平臺為主、UCP為輔以及有人/無人平臺對等協同的多種使用模式,確定其指揮關系、控制流程、人機協作交互等級、UCP自主協同等級、UCP間互操作標準、有人/無人協同層次與模式,確保指揮控制體系結構的魯棒性、敏捷性、開放性[15]。
2)有人/無人系統任務協作技術
確定海上作戰協同探測、協同打擊的同類、異構作戰平臺之間互操作等級與協同模式,參考美軍《無人系統綜合路線
圖 2017
—2042》,規定若干等級的UCP互聯互通標準,利用通用化協議,采用開放式、通用化、彈性化的任務架構,為無人平臺提供按需、動態、靈活的集群集成能力,實現有人、無人平臺之間的指令聯通及信息共享,確定主從式、協作式、混合式協同模式。主從模式下,有人平臺直接管控無人平臺執行抵近偵察、誘騙敵方防御火力、火力打擊與評估任務;協作模式下,有人、無人集群自主決策、協同偵察和打擊,按照同步協同控制算法,分布式協同完成作戰任務;混合式協同同時具備主從式與協作式的特點,例如有人平臺對無人平臺集群是主從式協同,而無人平臺集群內部則是協作式協同,確保人在環內中的主導權。
3)無人集群任務規劃與智能化決策控制技術
無人集群的任務規劃主要包括路徑、時序、策略、載荷規劃,在海上作戰中,作戰指揮系統及無人平臺戰術指控系統主要關注無人集群的協同情報偵察、分布火力打擊、協同突防等任務的行動路徑及協同策略規劃。
展開 跨域協同：無人系統技術發展和應用新趨勢
無人系統跨域協同本質上是對單無人平臺和單種類無人平臺協同的能力增強和效能提升，因此無人系統相關的技術導航、感知、控制、規劃、決策、人機交互等均需在跨域協同的框架下進行進一步的研究。
無人集群系統自主協同技術綜述
Agent系統
無人集群系統自主協同首要解決時空的一致統一、信息的一致表達和態勢的一致理解等問題，從而實現任務的協同，支撐跨無人平臺異構傳感器要素級協同。
多無人系統協同中的人工智能安全探索
2.協同決策與集群演化算法安全
在算法安全上，一方面要考慮多無人系統能否做出正確的決策，另一方面更要考慮協同決策算法和自學習演化的方向是否自主可控。決策算法不成熟可能導致協同欠魯棒，難以實現臨機協同決策和行動，當系統結構受外界影響發生變化時，智能協同算法如未能實時完成控制和優化，則很難實現精準的協同控制任務，使協同一致性和穩定性降低，從而增加了協同任務失敗和多無人系統在任務中損毀的風險。在未來的發展中，基于群體智能演化的多無人系統能夠自主學習和換代，其演化方向的安全性更為重要，將成為多無人系統協同中算法安全的全新挑戰。
針對上述問題，改進決策算法的訓練過程，揭示無人系統集群的協同演化規律，設計主動防御的機制，在訓練過程中加入大量可能出現的對抗樣本，即在訓練過程中添加假想敵，從而提高算法的魯棒性，減少協同控制任務失敗以及演化方向錯誤的可能性，更加安全可靠地實現協同決策和演化[18]。
3.系統架構安全
系統架構安全可細分為機電安全和拓撲安全兩個方面。其中，機電安全要考慮多無人系統中每個個體的信息收發特性、信息處理能力是否足夠，傳感器、通信模塊能否滿足執行協同任務的需求。拓撲安全則是建立在機電安全的基礎上，需要考慮多無人系統的整體響應速度和協同模式，能否在復雜場景下實時采集、處理和交換信息，進一步正確分配和執行任務，并且在部分無人系統單體出現故障時，能否正確檢測故障，進行拓撲切換繼續任務 [19]。
建立多層分簇的協同框架可以有效解決系統架構安全問題，多層分簇的框架可以幫助多無人系統在面對變化時快速做出反應，即使遇到故障也能實現拓撲切換，繼續完成好下一步任務，從而使得網絡拓撲結構更加穩定，實現更加穩健和魯棒的多無人系統協同[20,21]。
展開 無人集群系統自主協同技術綜述
Agent系統
無人集群系統自主協同首要解決時空的一致統一、信息的一致表達和態勢的一致理解等問題，從而實現任務的協同，支撐跨無人平臺異構傳感器要素級協同。
火星探測陸空協同無人系統的研究發展分析
（7）未來發展陸空協同行星探測系統，系統本身實現實時任務級控制必須要考慮信息過載問題，進一步采用類腦認知智能技術，利用搭載多層次傳感器進行陸空無人協同系統平臺的多源數據采集、分析、融合處理，并研究使用多源注意機制解決實時任務控制過程中可能出現的信息過載問題。
（8）加強行星探測過程中的導航技術，可靠的行星探測地表導航技術能夠確保未來火星等行星探測任務科學價值的最大化，可以通過開發智能排序、傳感器約束路徑規劃、自然地形視覺定位和實時狀態估計來解決這一問題。
（9）陸空協同合作系統必須要考慮探測行星的地表環境、輻射以及大氣氣候環境，開展地面模擬環境逼近模擬試驗，對陸空協同無人系統開展嚴苛的地面模擬測試試驗，確保系統可靠運行，提高協同系統的生存能力。
5 結束語
本文針對火星探測無人系統的行星地表環境以及大氣環境進行了闡述，并對環境因素對行星地表探測無人系統的影響進行了總結。然后通過對包括火星探測車的應用現狀及面臨的挑戰問題、火星無人飛行系統的研究現狀及未來技術發展進行綜合分析，提出了在進行火星等行星探測任務中發展陸空多無人協同合作系統執行深度行星地表探測的需求、關鍵技術，并結合陸空協同無人系統的SWOT分析說明未來行星探測系統采用陸空協同系統的潛在應用價值。綜合以上分析，提出了未來火星探測無人協同合作系統發展的技術特征，對關鍵技術研究發展方向以及試驗驗證研究方法設計提供了思路。
展望未來無人系統的應用發展方向，陸空協同無人探測系統的應用研究不僅能夠高效完成行星地表深度探測任務，更能夠在其他地球環境下的復雜動態任務中發揮多域無人系統協同合作的特有能力，進行陸地、水面/水下、空中乃至天基無人系統多域融合、協同合作，從而有效應對人類無法解決的極端任務，包括漫長邊境安全管控、城市應急沖突管理乃至智能化戰爭等。
展開 BIM協同設計模式及質量控制要點研究
但由于受到軟件功能、出圖標準、審圖制度等因素的限制，采用BIM技術直接進行三維設計的方式尚未普及，與二維三維協同設計模式，二維設計完成后三維設計驗證等模式同時存在。幾種設計模式的流程、質量控制的方式和控制要點各不相同，文章主要針對這幾種協同設計模式及質量控制的相關問題進行闡述。
1.三維協同設計的特點
1.1 設計組織架構和設計流程的變化
與傳統設計組織架構相比，三維協同設計打破了傳統專業間的時間順序概念，不再需要原來的上下游設計流程，各個專業之間的設計者彼此進行溝通即可。三維協同設計團隊的分工更加明確，進一步細化了分工，工藝專業只需要投入到工藝流程的優化設計，機制、管道、土建設計人員能夠將工藝設計意圖快速準確的搭建可視化模型，在三維模型的基礎上，機制、管道、土建設計人員即可進行下一步詳細施工圖的設計工作。三維協同設計技術使得整個團隊的工作實現無縫連接，從橫向組織架構看，設計人員只需要專注于本專業的設計和優化，各個專業設計人員全程參與，協同完成三維模型，專注于三維協同軟件的應用。從縱向架構看，多個專業同步進行設計，從很大程度上提高了項目的整體設計質量。
1.2 可視化促進溝通
傳統的二維CAD設計可視化效果較差，設計人員無法從二維圖紙中檢查出所有的設計問題，而三維協同設計的應用，最大的優勢便是能夠實現可視化溝通，從現實中的場景來體現設計意圖。三維協同設計可視化的基礎是把所有專業的設計都建立到一個模型中進行分工協同。例如機制、管道和土建專業分包在專業軟件進行建模和施工圖繪制，各個專業將模型鏈接到一個統一的三維協同軟件平臺模型，利用三維協同軟件提供的復制與監視功能，將設計者需要關注的元素進行監視，如果發現鏈接文件發生變化，就能體現在模型中，并進行自動提醒，從而及時調整自己的設計。
展開 無人機協同控制研究綜述
無人機協同系統是一組無人機通過與其他無人機和周圍環境相互作用來完成特定任務，作戰成本低、自適應能力強和可擴展性強等優點［8］使得無人機集群協同作戰越來越受到各個國家的重視。無人機集群技術發展至今，日益廣泛地應用于國土資源遙感、警事維穩、電力巡線、環境監測和城市規劃等民用領域［9-12］，同時在軍事領域的火力打擊、電子對抗、雷達誘騙和偵察搜索等特殊任務［13-15］中也扮演著重要角色。
協同控制算法根據控制方式和目標的不同主要分為三類，包括一致性控制、蜂擁控制和編隊控制。其中一致性問題是學者關注最多的一個問題，Ren 等［16］對一致性問題研究做出系統性解釋，但未包括近幾年獲得的一些重要成果；Sun等［17］和Wiandt 等［18］對蜂擁控制進行回顧，但沒有討論其他的相關協同技術和蜂擁控制算法的具體應用；Senanayake 等［19］研究了用于搜索和跟蹤的協同算法，但缺少對協同系統的其他應用和算法的介紹。本文主要介紹近幾年協同控制算法在無人機領域的具體應用和相關算法的研究進展，回顧學者在解決一些難題時做出的努力和總結目前仍存在的問題。
1 無人機應用
隨著社會發展，無人機技術在越來越多的行業中扮演著重要角色。研究人員也在研究通過多架無人機合作來拓展和改進它們的應用。多無人機技術已在搜索救援、城市規劃和軍事需求等領域投入使用。本章將介紹多無人機協同控制的應用現狀和發展潛力。
1.1 民事應用
搜索救援 相較于傳統的地面或直升機搜索救援，無人機成本更低且效率更高。在危險環境中搜索時間是救援能否成功的關鍵因素，相較于救援車，無人機可更快到達救援地點；相較于直升機，無人機裝載的人臉識別系統和鳥類視覺比人眼更為靈敏和耐心。無人機部署時間短，針對大范圍的搜索救援工作多無人機協同合作有著更直接的優勢。
展開 多無人艇集群協同控制研究進展與未來趨勢
多無人艇協同作業不僅可以顯著地減輕操作人員的負擔，而且使得海洋作業變得更加持續、更具規模和更加智能，完成單一無人艇不能高效完成或無法完成的復雜任務。在軍事領域，無人艇集群具有重要的應用價值，能夠完成協同態勢感知、編隊護航、“蜂群”跟蹤、集群對抗等多種作戰任務。在民用領域，無人艇集群能夠極大地延伸海洋作業范圍，相關應用包括海洋環境監測、海洋移動傳感網監測、協同資源探測、協同災難搜救等[6-7]。無人艇集群控制研究涉及艦船科學、制導與控制、人工智能、通信科學、計算機科學、仿生學等眾多學科和技術領域，綜合多學科理論和技術對無人艇集群協同控制問題進行研究，為無人艇海洋作業提供新理論、新方法和新技術，既體現智能船舶的發展趨勢，又滿足國家海洋戰略的發展需求，具有重要的科學意義和應用價值[5, 8]。
目前，國內外在無人艇集群研究方面已經取得了顯著的研究進展。在國外，美國海軍于2014 年在弗吉尼亞州詹姆斯河開展了無人艇“蜂群”作戰演示，13 艘無人艇以集群模式對可疑船只進行攔截和包圍，完成了半自主協同護航任務。2016 年，美國海軍再次開展無人艇集群試驗，實現了4 艘無人艇的自主監測、識別、跟蹤和巡邏等任務。同年，英國海軍在蘇格蘭西海岸開展“無人戰士”大規模無人系統部署計劃演習，完成了空中、水面和水下三維立體協同作戰測試，實現了區域探測和情報搜集等任務。在國內，云洲智能公司實現了81 艘海上無人艇協同表演。哈爾濱工程大學研制了“XL”號和“海豚”系列等無人艇樣機，在海上完成了7 艘無人艇的協同編隊試驗。華中科技大學研發了HUSTER 全自主無人艇，完成了5 艘無人艇的十字和環形編隊隊形湖上試驗。大連海事大學研制了一套多無人艇集群協同控制系統，開展了協同路徑跟蹤、協同目標跟蹤、協同目標包圍等協同控制試驗，實現了7 艘無人艇的“一字”、“人字”、“環形”等多種動態編隊隊形[9-12]。
展開 
火星探測陸空協同無人系統的研究發展分析
跨域多無人系統協同控制過程中，不同地理空間域無人平臺之間存在層次關系，需要在遵循特定協同合作機制基礎上，動態地獲得多域協同效能的最優或非劣解，協同控制過程和影響關系復雜，具有以下技術發展特征：
（1）協同任務管理擁有開放架構的系統族，需要研究一種通用的陸空協同無人探測的系統架構，可集成多無人系統平臺，實現陸空無人系統協作指控。
（2）研究行星用無人飛行系統的新型動力系統，提高飛行環境的適應生存能力，開發協同合作無人系統的能源共享技術，地面無人探測車系統作為無人飛行系統的駐泊港灣，研究自主能源保障和系統自主健康監測管理技術。
（3）無人飛行器和無人地面系統平臺由于角色和任務不同，分處不同認知層次，呈現遞階-分布式結構，使用預測控制技術解決無人飛行器和無人地面車的動態任務分配和實時控制問題。
（4）陸空協同合作系統的信息為無中心分布，各地理空間域內無人平臺均只擁有系統的部分信息，呈現信息分散的特點，以地面探測器或在軌運行行星探測衛星為時空基準，進行探測信息的有效融合共享。
表2 陸空協同系統相對單一探測系統的SWOT分析表
Table 2 SWOT of ground-aerial cooperative unmanned systems
飛行系統/地面探測車機會威脅有限的視野范圍；機動性差；行星地表環境不確定性影響大；通信能力低負載能力強大；對地面目標精確識別優勢大的區域搜索范圍；垂直起降；頂點懸停；特定區域的精確觀測，機動性強協同系統的無人機較高的飛行速度，提升探測速度和效率；通過定點懸停，可以執行火星多點采樣任務。協同系統大的探測視野，擴展車的探測范圍，實現火星漫游車難以到達區域的探索研究。劣勢負載小，目標識別能力低，動力持續性短協同合作無人機提升通信保障能力，無人車保障無人機停止狀態的安全保存。
展開 揭秘「在線協同」新革命
為了助力企業和科研院突破這些困境，「SimForge 高性能仿真云」推出了一項功能——“在線協同”。
01 什么是「在線協同」？ 為什么需要「在線協同」？
1. 應用場景
「在線協同」主要用于組織內部成員之間進行圖形界面的共享，實現在線協同仿真工作，旨在為跨團隊、跨地域的協作提供無縫支持。
2. 優勢一：實時同步操作
區別于大部分仿真云平臺只有子母賬號管理功能，「SimForge 高性能仿真云」在賬號管理之外，是可以實現實時同步操作的。
3. 優勢二：跨設備與跨賬號無縫協同
關注到不同用戶對賬號信息保密需求不同，「SimForge 高性能仿真云」支持——“相同賬號不同設備，同時登錄協同操作”，“不同賬號同時進入作業協同操作”兩種使用情景。
無論是工程師、項目經理還是科研工作者，都可以在「SimForge 高性能仿真云」實時共享數據、同步進度、工程匯報或指導，確保每個環節的無縫銜接，打破信息孤島，從而實現工程仿真項目的高效推進。接下來讓我們一起深入了解“在線協同”功能的實際操作，優化工作流程，提升協作效率，助力團隊更好地應對日益復雜的工程挑戰。
02 如何使用「在線協同」功能？
1. 啟動方式
單擊 topbar 功能管理按鈕，下拉框單擊在線協同按鈕，進入在線協同設置頁面
“在線協同”圖標
2. 界面導航
在線協同頁面有三個子頁面，分別為作業管理，應用管理和協同管理。
作業連接子頁面顯示的是以 VNC 方式運行仿真計算應用作業；
應用連接子頁面顯示的是以 VNC 方式啟動的圖形應用作業；
協同管理子頁面顯示的是被分享的圖形界面作業。
展開 基于DoDAF的有人/無人機協同作戰體系結構建模
在作戰任務執行過程中,MAV與UAV需要執行協同探測(協同態勢感知、協同目標跟蹤、協同目標定位)、協同攻擊(協同火力攻擊、協同路徑規劃)、核實評估(協同戰場評估)等多個任務。
2.3 組織關系圖
組織結構圖OV-4用于描述作戰節點、組織和人員之間的指揮結構、指揮關系或其他關系。圖5給出了MAV/UAV協同作戰體系的組織關系。根據綜合詞典AV-2關于執行者的體系結構數據,作戰組織節點主要包括UAV地面指揮站、預警系統、情報支援系統、通信保障系統、總指揮控制中心、MAV和UAV平臺,其關系用連接線標記,主要是協同關系和指揮控制關系。
圖5 組織關系圖OV-4
Fig.5 OV-4: organizational relationship diagram
2.4 資源流圖
資源流圖OV-2是用來描述資源流的邏輯模式,資源流可包括信息流、資金、人員和物資流。本文資源流圖OV-2如圖6所示,主要描述了MAV/UAV協同作戰過程中數據、信息、物理流和作戰人員的邏輯模式,展示了執行作戰活動的結構。資源流圖OV-2中節點和節點之間用需求線連接。其中,需求線表明系統之間資源交換的需求和資源流向。
圖6 作戰資源流圖OV-2
Fig.6 OV-2: operational resource flow diagram
2.5 作戰活動模型
作戰活動模型OV-5b主要描述作戰活動之間的關系和資源交換過程。如圖7所示,基于MAV/UAV協同作戰體系資源結構和能力的需求,創建作戰活動圖OV-5b,通過描述活動間輸入輸出流,進一步明確了作戰節點的職責,對作戰活動和活動關系給出了規范性描述。
展開 科技前線 | 科普課堂：什么是協同工程？
協同工程方法可以讓組織能夠隨時隨地進行設計、構建和服務。整個供應鏈中的關鍵利益相關者可以協同工作，以創建解決方案、解決沖突并就任何給定的設計和制造項目的關鍵行動做出決策。這在當今的環境中變得越來越重要。在這種環境中，勞動力分散，供應鏈中斷和法規/合規壓力大等問題已成為常態。
什么是協同工程？
協同工程在工程過程的早期就將決策者召集在一起。在我們這個互聯的世界中，協同工程方法對于充分利用分散在任何地方的最佳資源至關重要。此外，它還能夠實現在任何地方生產產品，并提供首選的供應鏈合作伙伴清單。可以讓您在世界上任何地方都能夠為客戶提供服務。
協同工程在業務計劃管理中的重要性
協同不僅對于業務效率、有效性和創新必不可少，對于成功進行產品設計和制造來說也同樣至關重要。如果沒有部門之間以及與第三方的協同，則工程流程會增加成本并延長上市時間。
考慮到外部供應商一般會在參與最終產品設計的60％或更多。因此需要考慮設計和制造過程的眾多要素和參與者，包括與變更和配置管理相關的要素和參與者。所有這些因素共同構成了需要緊密合作的擴展價值鏈。
甚至在COVID-19之前，工程團隊就越來越分散。產品復雜性需要專家和合作伙伴的協作，而這通常發生在集中式設計空間之外的地方。
此外，全球化和成本壓力進一步迫使工程團隊變得越發的分散。
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