积极应对低空安全威胁，构建高效智能的低空指挥控制系统

积极应对低空安全威胁，构建高效智能的低空指挥控制系统

康意1，周涛2，彭振3

福建宁德核电有限公司，福建福鼎，355200）

（1.福建宁德核电有限公司，福建福鼎，355200）

（2.福建宁德核电有限公司，福建福鼎，355200）

摘要：近年来，随着低空飞行器行业的迅猛发展，国内外核电厂、民用机场、石油化工、政府单位等重要设施均发生低空飞行器入侵事件，造成极其恶劣的安全影响和舆论影响，“低慢小”航空器所带来的低空安全威胁愈加令人担忧。当前，随着对低空安全威胁的认识的不断深入，各级部门和单位对低空安全管理工作越来越重视，各类反制“低慢小”目标的技术手段也发展迅速。但是由于缺乏顶层设计和设计标准引导，导致出现认知不足、管中窥豹、设计理念单一、方式方法不当等问题，突出表现为：关注单型设备性能多，关注系统建设少，系统功能单一，无法满足日益突出的安全威胁。因此，为保证低空防范系统功能的有效性，必须从系统建设的顶层设计入手，树立体系管控观念，充分发挥指挥控制系统在低空管控中的核心作用。本文将重点从地位、范畴、架构和关键性技术方面，分析指挥控制系统在低空管控系统建设中的重要作用。

关键词：低空；指挥；管控

随着国内低空飞行器技术的飞速发展和人民生活水平的提高，以无人机、动力伞、轻型飞机为代表的低空、慢速、小型飞行器（简称“低慢小”）的应用领域越来越广，使用人群越来越大，为人们日常生产生活带来了极大的便利。但是，相对于技术发展的迅速，相关的管理制度、管控技术手段和标准建设却相对滞后，“低慢小”飞行器的快速发展对公共安全管理提出了巨大挑战，因此，加强低空管控领域相关技术研究工作势在必行。

1   基于大系统理念，确立低空指挥控制系统的核心地位

目前，随着各级部门和单位对低空安全威胁认识的不断提升，低空安全管理工作也越来越被重视，各类管控“低慢小”目标的技术手段也迅速发展，通过对管控系统建设统计发现，较普遍地存在单纯追求发展末端设备的高、新、尖技术，而对指挥控制系统建设的重要性认识不足，认为可有可无，忽视了其集成各种技术手段，进行数据融合后产生的巨大作用。

低空管控系统集成并不是多种末端探测设备和反制设备的简单叠加，而是对多种分系统进行综合设计、综合集成、各型设备综合运用、各类信息数据融合后而形成的一体化系统，故基于低空管控系统防控能力的实质需求，指挥控制系统需充分利用现代信息技术的渗透性、连通性、融合性，以各型信息化末端设备为依托，发挥信息技术的主导作用，形成网络化的体系结构，实现信息的实时互联、互通、融合与共享，最大限度地凝聚各型设备的效能，并根据任务需要，提供精确、高效、协调、有序地系统服务。

指挥控制系统的核心作用主要体现在通过数据融合、人工智能、网络栅格等技术手段实现将最恰当的信息，在最恰当的时候传递给最恰当的人，智能化的支持管控决策和管控措施的实施[1]。指挥控制系统在低空管控系统中的发挥着中心枢纽作用，按照“低慢小”目标低空管控任务的要求，需负责处理各个探测设备采集的数据，同时基于重要区域或重要目标低空安全威胁判断设计的体系功能架构，形成一套行之有效的管控策略、管控流程和管控标准。

2   基于任务需求，定位低空指挥控制系统的能力范畴

基于多种传感器、多种反制设备集成的低空管控系统，对作为体系管控核心的指挥控制系统进一步明确了功能要求。指挥控制系统既是具有复杂网络特性的控制系统，也是对管控决策过程实施管理的综合智能化系统，其以大数据、人工智能技术为核心，融合指挥、控制、通信和信息4个部分，具有信息收集、信息传输、管控指挥、设备控制等功能[2]，实现空中态势通过多域体系管控的动态显示，形成态势“一张图”。同时，管控信息能够在各型设备间互联互通，形成信息“一张网”。此外，管控指令能够快速准确传输到任一管控设备单元，形成指挥控制“一盘棋”。因此，指挥控制系统需具备以下功能：

2.1  设备单元灵活配置

为满足不同类型探测设备和反制设备灵活接入低空管控体系的需求，需要指挥控制系统支持多种类型探测设备和反制设备终端节点的“随时接入、即插即用”功能，并具备良好的兼容性和稳定性。

2.2  多源信息实时融合

为最大限度发挥低空管控系统中各型探测探测的协同探测优势，需要将如雷达设备、无线电频谱探测设备、光电探测设备等多源探测设备获取的低空空域态势信息进行融合，并在统一的态势图上实时显示，为管理者的决策提供可视化的数据支持。

2.3  设备任务规划的最优匹配

为实现管控任务与探测反制设备的最佳匹配，需要对低空管控系统内如雷达设备、无线电频谱探测设备、光电探测设备、无线电压制设备、激光打击设备等各类管控资源进行综合任务规划部署，根据各单位所匹配的低空防范策略，按照不同阶段组成参与设备群，根据任务需求，实现对各类设备统一调度，将正确的指挥控制指令在正确的时间传输给正确的低空探测、反制设备，实现体系作战全网联动、效能最优、安全稳定。

3   基于系统运行规律，设计低空指挥控制系统架构

低空管控系统的末端探测设备和反制设备在运行过程中，将会产生大量的各类传感器采集的数据，同时为协调各子系统、设备的有效运行，还需进行复杂的逻辑运算及任务分配，因此，指挥控制系统必须以高性能硬件系统和高效的软件系统为基础。

3.1  指挥控制系统的硬件系统架构

指挥控制分系统硬件平台主要由客户端（综合态势显控终端、光电控制终端、操作终端）、通讯设备、视频录像机及硬盘阵列、北斗授时系统、通讯服务器、指挥处置和数据库服务器等单元组成。硬件组成和连接图如图1所示。

图1  指挥控制中心硬件组成和连接示意图

Fig.1 Hardware composition and connection diagram

of command and control center

整个架构以通信网络交换机为中心，通过通信网络交换机把所有系统连接起来，使各种系统和设备能互联互通。各设备处理器主要包括：

（1）综合态势终端

基于GIS的空域态势图的显示，实时呈现雷达、ADS-B、无线电侦测、光电等设备探测到的目标信息，根据预置方案进行威胁评估和实施处置流程。并对设备工作状态实时监控和管理等。

（2）光电显控终端

显示光电探测设备可见光和红外视频画面、光电设备控制、光电参数设置界面等，可扩展至多套光电设备。

（3）操作终端

利用阵地通信系统，实时显示阵地周界、视频监控等图像和数据，实现自动监控、自动报警等功能，确保实时了解阵地情况。

（4）通讯服务器

利用通讯服务器的通讯功能，显示雷达、光电、拦截等设备的信号和连接流程、设备状态、参数情况等，同时实现必要的设备控制，如各设备的开关和控制权控制等。

（5）指挥处置和数据库服务器

服务器负责完成对目标的拦截处置、应急控制、上报输出等，包括应急流程的处理，证据的收集提取、数据的存储以及知识库的建立等工作。

（6）安全防控设施处理器

安全防控设施处理器完成警戒区域视频监视设备的控制、视频监控信息的存储，发出入侵报警信息等，按照用户需求显示警戒区域的视频图像，事件检索和回放。

3.2  指挥控制系统的软件系统架构

指挥控制系统按功能可分为五大块，分别是目标探测、指挥控制、威胁处置、设施安防和与用户专用网的预留接口。按系统工作流程，分为预警监视、数据融合、威胁判断与识别取证、综合处置和效果评估四个部分。通过雷达、无线电频谱探测、协议破解设备、光电探测设备和通讯设备的集成，综合各方面信息得到探测情报，开展目标识别和入侵取证工作，并将相关信息发送至辅助决策和三维态势模块，形成综合态势并显示[3]。指挥控制系统通过对信息进行融合处理，形成具有针对性的解决方案并视情况智能提供实施处置行动建议。

软件系统分为综合控制系统、光电控制系统和安防设施控制系统三大子系统，每个子系统又包含若干功能模块。综合控制子系统主要分为数据处理、威胁判定、处置控制、数据回放、系统监控、数据展示等六个功能模块。光电控制子系统主要分为引导数据解析、摇杆操作、云台控制、光电数据解析、光电系统监控和光电数据显示等六个功能模块。安防设施控制系统主要分为数据存储、数据检索、系统监控和数据显示等功能模块。

软件系统构建在同一的安全体系和标准体系下运行，通过配置通讯网络，管理连接相关设备、单位和人员。设置空管、公安、军民航输出接口，以便更好识别辨识目标，将目标信息和处理情况反馈给相关管理部门。软件总体架构如图2所示。

图2  指控系统软件架构图

Fig.2 Software architecture diagram

of command and control system

4   基于低空安全威胁，推进指挥控制系统关键性技术研究

当前随着新技术的广泛应用，“低慢小”目标类型越来越多样化，低空管控面临的安全威胁挑战也越来越复杂，因此，必须加强推进指挥控制系统的关键性心技术研究，进一步提高整体低空管控效能。

4.1  借助网络通信技术加强指挥控制系统一体化融合

网络通信是通信技术和计算机技术相结合而产生的一种新的通信方式。通过网络通信技术，低空管控系统中的各型设备之间可以建立数字数据通信网，制定网络通信协议，实现数据高速率传输。网络通信技术可以使数据传递由传统的“点对点通信”、“分层式”向“网络信息传递”、“互联式”发展转变。在纵向上实现低空管控系统的指挥控制系统与各型末端设备一体化融合，指挥控制系统通过网络将全部末端设备采集的数据进行全景式呈现，增强低空管控指挥的主动性；在横向上实现各型设备之间的一体化融合，各型设备可直接通过网络连接指挥控制系统，进行数据交互。指挥控制系统信息流程示意图如图3所示。

由于信息技术的飞速发展，低空管控系统的指挥控制系统综合集成要依赖先进的信息处理技术，根据低空管控需要，构建不同级别的信息自动化处理模块，对各种不同的重要信息、情报进行加工整理，运用信息处理技术，将低空管控信息网络中的各种信息设施有机结合起来，构建一个集指挥控制、情报侦察、预警探测、信息传输和其他信息保障功能于一体的综合集成的低空管控指挥控制体系。

图3  指控系统信息流程示意图

Fig.3 Information flow diagram

of command and control system

4.2  借助机器视觉技术提高指挥控制系统智能化水平

低空管控系统的光电侦测系统实际的观测环境往往是城市、山体、云雨等复杂的场景，并还会受到诸如光照、视角变化以及遮挡等引起的干扰，对“低慢小”目标的检测和提取将非常困难，进而成为制约低空管控效能发挥的重要因素。因此，指挥控制系统通过建立庞大的数据模型库，利用机器视觉技术对目标进行属性识别，根据识别结果剔除检测虚警，判断目标威胁等级。包括检测模块、识别模块和跟踪模块等三个技术模块。

检测模块通过模拟人眼的视觉注意机制来快速检测出图像或视频中的感兴趣目标[4]。利用形态学运算消除运动显著性检测的噪声，得到运动显著图。由于目标运动过程中会出现静止不动的状态，比如旋翼无人机悬停的情况，此时单纯依靠运动显著性检测会失效，考虑在目标暂消的小范围区域内重新搜索目标，算法运用的是静态显著图方法，利用自底向上的显著性检测算法模拟人类的视觉注意机制来定位目标。检测模块充分利用目标的运动特性和空间分布特性，将运动显著性检测结果和静态显著性检测结果进行融合，能够快速准确定位视频中的感兴趣目标。

识别模块利用深度学习模型对提取的感兴趣区域进行属性判别，根据识别结果剔除检测虚警，并决定放弃目标或是继续跟踪监视处置结果。深度学习模型在预训练Alexnet网络基础上进行迁移学习，通过光电设备自行采集大量包含低空飞行目标的图像数据，采用离线端到端学习的方式，训练卷积神经网络Alexnet的全连接层。训练后的深度模型在离线的数据集上测试识别率在95%以上。

跟踪模块的功能是根据当前帧的目标检测结果预测下一帧的目标位置，从而实现对目标的连续监视。对于长时间跟踪而言，一个关键的问题是：当目标重新出现在相机视野中时，系统应该能重新检测到它，并开始重新跟踪。跟踪模块采用的是经典的TLD追踪算法，实践证明该算法可以实现目标的长效追踪，而且对于目标的尺度变化、光照变化、形状变化等具有较好的适应性[5]。

综上所述，指挥控制系统在低空管控系统建设中的地位相当于大脑在人身体中的地位，是整个管控系统的中心，依据低空管控法规制度，指挥思想、运筹策略，担负流程控制和行动实施等任务。因此，必须深刻认识指挥控制系统的核心地位，积极推进关键性技术应用发展，不断提高低空管控系统效能。

参考文献：

[1] 多传感器数据融合及其应用，杨万海，西安电子科技大学出版社，2004。

[2]协同作战系统与数据融合技术，郑安云，战术导弹技术，2001( 5) : 21－26。

[3]指挥控制智能化现状与发展，金欣，指挥信息系统与技术，2017(04)：10-18

[4]无人机视觉识别与移动追踪技术综述，韩鹏等，飞航导弹，2018（10）：24-28

[5]基于局部特征提取的目标自动识别，贾平等，光学精密工程，2013(07)：1898-1905

收稿日期：

作者简介：康意（1987），男，四川省雅安市，工程师，大学本科，反恐安保。

作者联系方式：18859362706、kangyi@cgnpc.com.cn、513124198710080195