集群智能是我国《新一代人工智能发展规划》的重要内容，在火场灾害救援、大气污染监测、园区无人物流等民用领域以及高效侦察、协同突防、饱和打击等军事领域都具有重要的应用价值，是当前国内外学术界和产业界共同研究的热点和难点。如何让集群系统通过协同实现1+1＞2的智能涌现一直是该领域的焦点问题。3月7日，我校董希旺教授、于江龙副教授、化永朝副教授、吕金虎教授、任章教授团队在《航空学报》杂志上发表了题为“集群系统智能协同IOODA技术体系架构与关键技术”的封面研究论文，系统揭示了集群系统协同执行任务所需的功能及相互间的逻辑支撑关系，凝练出包括自组织交互、协同感知、协同认知、协同决策规划、协同制导控制在内的5项核心关键技术，首次提出了面向集群系统智能协同的交互-感知-认知-决策-执行（IOODA）技术体系架构。这一创新成果打破了集群智能涌现技术体系架构不清晰，实现途径不明确的困境，为集群智能相关理论和技术发展及工程化应用打下了坚实的基础。

《航空学报》封面论文

针对集群系统建模表征，研究团队提出了包括智能体、交互方式和行为规则3个要素的建模方法，其中，智能体是构成集群系统的基本单元，例如可以是无人机、无人车、无人艇等单个无人系统；交互方式主要描述集群中智能体之间的相互作用的关系（Interaction Relationship），例如可以是智能体之间信息传输的拓扑网络关系；行为规则是智能体接收到交互信息后的反应规律，例如可以是协同控制律的生成规则。

集群系统建模三要素

研究团队提出了集群系统智能涌现需要具备的4个典型特征，即自主性、协同性、扩展性和涌现性。自主性主要是指集群系统可以不依赖人、服务器或者外部中心节点的参与自主完成任务的能力；协同性是指集群系统内部的智能体之间通过局部交互协调合作完成任务的能力；扩展性是指集群系统对内部智能体数量增减的弹性自适应能力，尤其支撑集群系统的算法是否具备大规模可拓展能力；涌现性是指集群系统宏观行为或者功能等具有的单个智能体能力1+1>2的非线性增强的能力。

集群系统的4个典型特征

研究团队经过多年的理论研究和工程实践发现，传统的“感知-认知-决策-执行”（Observation-Orientation-Decision-Action，OODA）技术体系架构可以阐明单个智能体任务执行的过程，但是并不适用于集群系统。相比于单个智能体，集群系统智能涌现的核心特征在于集群中智能体之间的自组织交互，正是通过交互才激发出了1+1＞2的能力提升，这也是集群系统与传统的单智能体之间的本质区别。交互（Interaction）将贯穿于集群系统OODA的各个要素之间。在传统OODA体系架构的4个要素基础上，需引入交互的要素才能有效刻画集群系统智能协同过程。基于此，研究团队创新性的提出了包括自组织交互、协同感知、协同认知、协同决策规划、协同制导控制这5个核心要素的IOODA（Interaction-Observation-Orientation-Decision-Action）技术体系架构。其中，自组织交互主要为集群内智能体之间、不同群体之间的信息交互、智能协商提供渠道，为集群系统智能协同提供交互层保障，可类比于人的“神经系统”。协同感知主要是获取集群系统外部的环境信息与目标的跟踪、识别信息，以及集群系统内部的相对导航定位信息，为集群系统智能协同提供信息层保障，可以类比于人的“眼睛”。协同认知主要是利用协同感知获取的信息，通过分析与判断，对环境态势进行判断与预测，实现综合全局态势认知，为集群系统智能协同提供态势层保障，可以类比于人的“认知大脑”。协同决策规划主要完成任务分解、分配，轨迹规划等方案或者指令的生成，为集群系统智能协同提供决策层的保障，可以类比于人的“决策大脑”。协同控制和协同制导同属于执行层，主要通过控制集群系统宏观运动行为保证整体运动的协调性，并通过控制集群系统与目标之间的相对时空关系实现对目标的跟踪或打击，为集群系统智能协同提供有利时空约束下的任务执行层保障，可以类比于人类的“小脑”和“肌肉”。这5个方面是有机衔接，相互耦合的，共同支撑集群系统通过智能协同实现群体智能的涌现。

IOODA技术体系架构

集群智能协同IOODA技术体系架构内涵及逻辑支撑关系

在此基础上，研究团队还结合自身科研成果剖析了IOODA技术体系内5大要素涉及的各项关键技术及其进展；分析了IOODA技术体系在集群系统实用化过程中面临的挑战，并对各项关键技术未来发展进行了展望。

IOODA技术体系各要素关键技术方向

文章链接：https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2024.30911

（来源：《航空学报》）

编辑：贾爱平