一種基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群協(xié)同制導(dǎo)機制

[摘 要]首先分析了蜂群自主作戰(zhàn)的需求以及傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)存在的主要問題。其次，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在構(gòu)建蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)體系中的優(yōu)勢。從體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、共識算法、智能合約等方面給出了一種基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群協(xié)同制導(dǎo)方案。最后，對該方案的效能進行了仿真評估。研究表明：基于區(qū)塊鏈的協(xié)同機制，按照智能合約規(guī)則分配制導(dǎo)律協(xié)同量，各節(jié)點依靠分布式的協(xié)同制導(dǎo)律，可以順利地完成協(xié)同攻擊任務(wù)。

區(qū)塊鏈被認為是繼蒸汽機、電力、互聯(lián)網(wǎng)之后的下一代顛覆性核心技術(shù)，其應(yīng)用正從金融領(lǐng)域逐步向經(jīng)濟、社會、軍事領(lǐng)域延伸。

隨著體系對抗的加劇和智能化技術(shù)的發(fā)展，蜂群作戰(zhàn)被認為是未來作戰(zhàn)的主要樣式。其中，協(xié)同環(huán)境下的信息對抗仍是奪取勝利的核心。美國空軍少校NeilB.Barnas將這種高度競爭性的環(huán)境描述為三個領(lǐng)域內(nèi)的激烈競爭，即反電磁頻譜（counter-electromagneticspectrum）、反傳感器（counter-sensor）和反決策（counter-decision）。在此基礎(chǔ)上，提出了“數(shù)據(jù)戰(zhàn)斗”（data-fighting）的概念，并將其定義為，保護己方生成、傳播、儲存、處理及利用信息的能力，同時能夠干擾破壞敵方從事相同的工作。這實際上仍是敵我雙方在協(xié)同體系對抗環(huán)境下觀察-判斷-決策-行動（OODA）環(huán)的博弈，其主要表現(xiàn)在：

一是干擾與抗干擾博弈。未來作戰(zhàn)，電磁環(huán)境十分復(fù)雜，自然環(huán)境變化莫測，干擾方式層出不窮?；趩蚊秾?dǎo)彈的作戰(zhàn)模式，由于受彈目位置、制導(dǎo)模式、開機時序、傳感器數(shù)量等限制，難以突破敵方多層次、多手段、多模式干擾。而多彈協(xié)同系統(tǒng)具有時間、空間和功能上的分布性、多樣性和并行性等特點,具備不同時段分時工作、多站探測定位、多模式相互彌補、多平臺相互印證等優(yōu)勢，可以有效提升抗干擾性能和對群目標的識別跟蹤能力。

二是決策與反決策的博弈。未來作戰(zhàn)中，信息不完備成為常態(tài)，打擊時間敏感目標成為核心關(guān)鍵。導(dǎo)彈攻防作戰(zhàn)中，敵方在傳感器的支持下，具備在導(dǎo)彈發(fā)射后采取針對性對抗措施的條件。目前導(dǎo)彈作戰(zhàn)指揮的主要問題是決策鏈條長，造成決策慢；導(dǎo)彈按照射前事先裝訂的程序飛行，難以適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境的變化。而群彈自主作戰(zhàn)具有自主、實時、在線等特點，為實現(xiàn)敵變我變提供了有效模式。

三是攻擊與抗攻擊的博弈。飽和攻擊是高技術(shù)戰(zhàn)爭中打擊敵方重要目標，實現(xiàn)多方向、多高度、大數(shù)量同時對防空武器進行突防，是提高導(dǎo)彈突防概率的一種重要作戰(zhàn)模式。多彈協(xié)同系統(tǒng)可以依據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)以及具體的戰(zhàn)場環(huán)境選擇最佳的方案并搭載不同的作戰(zhàn)功能載荷，通過多枚導(dǎo)彈之間的聯(lián)合和協(xié)同，提高目標打擊成功概率，從而獲得最大的作戰(zhàn)效能。

傳統(tǒng)的基于中心節(jié)點和信任環(huán)境的群彈系統(tǒng)一般采取“領(lǐng)彈-從彈”模式，存在一定的問題，一是系統(tǒng)缺乏健壯性，中央節(jié)點（領(lǐng)彈）是整個系統(tǒng)的“瓶頸”，如果該節(jié)點出現(xiàn)故障、遭到損毀或受到干擾，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。二是需要各從彈不斷將自身狀態(tài)與探測到的信息傳送到中央節(jié)點，這對彈群通信鏈接的可靠性提出了很高的要求。三是所有的計算集中在領(lǐng)彈，計算量大，求解復(fù)雜度高，對于大規(guī)模復(fù)雜問題消耗的時間長，并且難以找到最優(yōu)解。具體來講，在組網(wǎng)方面，采取有中心網(wǎng)絡(luò)，抗毀重組能力弱、環(huán)境適應(yīng)能力差；在加密方面，難以解決跨指揮網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、彈群網(wǎng)的信任問題；在判斷決策方面，采取基于完整信息和可信節(jié)點的共識機制,可能難以求解;在智能化方面，多采用的是地面遙控或有限的自動程序，智能化程度還不高。鑒于上述問題，這類系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能在實際對抗條件下將存在較大疑問。針對這些問題，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢，本文擬重點探討軍事領(lǐng)域中基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群協(xié)同制導(dǎo)機制。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢

# #1.1 比特幣與區(qū)塊鏈的關(guān)系# #

區(qū)塊鏈技術(shù)出現(xiàn)以來，由于其在非信任環(huán)境下具有安全、抗毀、容錯、優(yōu)化、自動等優(yōu)勢，引起了世界各國的高度重視，紛紛發(fā)布相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃，加大投入開展理論、技術(shù)、應(yīng)用的研究。然而，不少人認為，區(qū)塊鏈技術(shù)只適合以比特幣為代表的金融領(lǐng)域，并不適合向其他領(lǐng)域拓展,在軍事領(lǐng)域應(yīng)用更是無稽之談。究其原因，主要是將比特幣等同于區(qū)塊鏈。實際上，區(qū)塊鏈是支撐比特幣的基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)，而比特幣是區(qū)塊鏈迄今為止最成功的一種應(yīng)用，不應(yīng)當把二者劃等號。具體來講，區(qū)塊鏈包括公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈等，而比特幣采用的是公有鏈的模式；比特幣網(wǎng)絡(luò)基本是完全去中心化的，不同領(lǐng)域類型的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可以采取不同的中心化程度；比特幣的加密方法、共識機制、智能合約是根據(jù)數(shù)字貨幣特定需求定制的，比特幣的性能是效能與效率平衡的結(jié)果，滿足的是數(shù)字貨幣的需求。而各行業(yè)可以依據(jù)自身業(yè)務(wù)需求定制優(yōu)化。因此，區(qū)塊鏈是一種技術(shù)，更是一種機制、一種模式，甚至是一種思維和觀念。就軍事應(yīng)用來講，區(qū)塊鏈技術(shù)也具有很強的契合性。

# #1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的核心要義# #

區(qū)塊鏈技術(shù)的核心可以概括為可信、可靠、自主、自治?？尚欧矫?，P2P對等網(wǎng)絡(luò)抗毀容錯特性保證了網(wǎng)絡(luò)可信，共識機制和智能合約保證了決策可信，分布式記賬、鏈式結(jié)構(gòu)、密碼技術(shù)保證了數(shù)據(jù)可信；可靠方面，抗毀性實現(xiàn)了數(shù)據(jù)防丟失、防破壞，安全性為數(shù)據(jù)防篡改、防竊取提供了手段，正確性確保了數(shù)據(jù)的真實性和完整性；自主是由其自動化和智能化保證的；自治則集中反映在其去中心和去信任化等特征當中。

# #1.3 基于區(qū)塊鏈的蜂群作戰(zhàn)模式開辟協(xié)同打擊的新模式# #

就導(dǎo)彈蜂群協(xié)同作戰(zhàn)體系而言,區(qū)塊鏈技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：一是去中心化集體維護提高了系統(tǒng)的魯棒性。蜂群基于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，無中心節(jié)點，無固定的領(lǐng)彈（即記帳節(jié)點），通過集體維護避免對中心節(jié)點的過度依賴，不會由于單一節(jié)點或少數(shù)節(jié)點失能導(dǎo)致整個體系崩潰，從而有效提高了蜂群的抗毀重組能力。二是去信任化提高了復(fù)雜對抗環(huán)境下蜂群系統(tǒng)的適應(yīng)性和可用性。未來作戰(zhàn)對抗環(huán)境異常復(fù)雜，爭奪首先在信息領(lǐng)域展開并貫穿作戰(zhàn)過程始終。為安全起見，在非信任環(huán)境下，往往采取“寧可錯殺一千，絕不放過一個”的策略，在保證信息安全的同時，也往往會使己方作戰(zhàn)決策成為無源之水、無本之木，難以為繼。例如，美軍《聯(lián)合出版物3-12：網(wǎng)絡(luò)空間作戰(zhàn)條令》（JointPublication 3-12：CyberspaceOperations）指出，如果指揮團隊對部分數(shù)據(jù)或網(wǎng)段不信任，就應(yīng)當放棄使用整套數(shù)據(jù)和整個網(wǎng)絡(luò)（Whenthe staff perceives that they cannot trust data on a network, orsegment of the network, they should stop using thenetwork/segment）,這種做法其實是不恰當?shù)?。在實際的作戰(zhàn)環(huán)境中，存在非信任造成的復(fù)雜性與系統(tǒng)高安全性的悖論：既有敵方干擾破壞，也有作戰(zhàn)環(huán)境影響，既有己方可靠性因素，也有己方操作失誤或誤操作。這種情況下，如果對數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的要求過于苛刻，往往可能無數(shù)可用，無網(wǎng)可通、無法決策，最終貽誤戰(zhàn)機。區(qū)塊鏈技術(shù)和模式的引入，為解決這一難題提供了可行途徑。三是分散式?jīng)Q策提高了復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性和決策的科學(xué)性。蜂群根據(jù)即時戰(zhàn)場態(tài)勢，通過競爭機制選擇最合適的節(jié)點作為臨時領(lǐng)彈進行信息融合，融合結(jié)果在全網(wǎng)進行驗證達成共識，從而保證了感知信息的準確性、一致性和完整性。另外，區(qū)塊鏈共識機制還具有不完全信息條件下決策的基本特征。四是自動化執(zhí)行提高了系統(tǒng)的自治性和自主性。蜂群通過共識機制完成信息融合、任務(wù)分配后，區(qū)塊鏈中各個節(jié)點可以基于智能合約機制自動進行數(shù)據(jù)操作。隨著人工智能技術(shù)的引入，將實現(xiàn)由基于腳本的程序化模式向基于算法的智能化模式轉(zhuǎn)變。五是獨特的加密機制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的安全性和可信性。鏈式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了信息的不可逆、可追溯、不可篡改。共識機制可有效剔除惡意節(jié)點。哈希等加密算法等則可以解決跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)字證書的一致性問題。

2 基于區(qū)塊鏈的技術(shù)解決方案

基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群的主要特點,一是無中心的,彈群無固定的領(lǐng)彈，每個導(dǎo)彈作為平等的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，共享信息、共享全局知識。二是自主的,彈群在受領(lǐng)任務(wù)后,可不依托地面指揮控制實施自治行動。其主要技術(shù)難點是在對抗環(huán)境下，基于環(huán)境多變造成的狀態(tài)不確定性和導(dǎo)彈編隊高速飛行帶來的實時性等約束條件，可靠有效地進行信息融合、在線決策、任務(wù)分配和協(xié)同打擊。其作戰(zhàn)應(yīng)用場景：

（1）導(dǎo)彈蜂群協(xié)同面臨瞬時多變的即時作戰(zhàn)環(huán)境。敵我對抗環(huán)境具有自演變性：惡意節(jié)點攻擊手段具有不確定、對我方探測信息的干擾形式具有多重性、對彈間通信網(wǎng)絡(luò)破壞具有全方位性，對彈群區(qū)塊鏈的安全性提出嚴峻挑戰(zhàn)。

（2）導(dǎo)彈蜂群協(xié)同對時延要求嚴格。區(qū)別于比特幣網(wǎng)絡(luò)十分鐘出一個區(qū)塊，一小時達成確認的機制，導(dǎo)彈飛行速度快、戰(zhàn)場態(tài)勢變化快，導(dǎo)彈蜂群需及時形成唯一的區(qū)塊鏈，對各節(jié)點之間的同步性要求高。

（3）導(dǎo)彈蜂群協(xié)同通信環(huán)境具有動態(tài)性。比特幣區(qū)塊鏈主要在靜態(tài)環(huán)境下穩(wěn)定通信，而導(dǎo)彈蜂群協(xié)同受制于高速飛行的導(dǎo)彈和變化的彈群編隊，其通信具有不穩(wěn)定性特征。作戰(zhàn)概念如圖1所示。

圖1基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群協(xié)同作戰(zhàn)概念圖 # #2.1 技術(shù)框架# #

區(qū)塊鏈分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。導(dǎo)彈蜂群協(xié)同制導(dǎo)區(qū)塊鏈采用聯(lián)盟鏈的方式，假設(shè)蜂群中同時存在故障節(jié)點和惡意節(jié)點，新加入節(jié)點需要驗證和審核。聯(lián)盟鏈這種共識可信的協(xié)同系統(tǒng)可應(yīng)對強干擾、不可信、高動態(tài)等復(fù)雜飛行環(huán)境，實現(xiàn)業(yè)務(wù)自治協(xié)同。

一般來講，區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)自下而上由網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成。其中，激勵層主要出現(xiàn)在公有鏈中，公有區(qū)塊鏈為了讓更多節(jié)點自愿加入并承擔任務(wù)，往往采用基于經(jīng)濟手段的激勵機制?；诼?lián)盟鏈的導(dǎo)彈蜂群協(xié)同對象單一、各節(jié)點利益一致，構(gòu)成封閉的應(yīng)用生態(tài)。因此導(dǎo)彈蜂群區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)中不包含激勵層。導(dǎo)彈蜂群區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

# #2.2 網(wǎng)絡(luò)層##

網(wǎng)絡(luò)層底層由傳輸信道和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)組成，封裝了P2P組網(wǎng)協(xié)議、數(shù)據(jù)傳播模型和身份驗證機制等，主要完成節(jié)點身份認證、節(jié)點接入和區(qū)塊鏈組網(wǎng)控制。區(qū)塊鏈傳輸信道主要基于無中繼的彈間數(shù)據(jù)鏈，如采取天基衛(wèi)星中繼方式，中繼衛(wèi)星應(yīng)采取多模方式，便于組成無中心網(wǎng)絡(luò)，使之具備強抗毀重組能力。

蜂群協(xié)同區(qū)塊鏈組網(wǎng)方式有靜態(tài)和動態(tài)兩種方式，靜態(tài)方式即導(dǎo)彈發(fā)射前確定所有組網(wǎng)參數(shù)，蜂群在空中聚集后自動入網(wǎng)。優(yōu)點是組網(wǎng)簡捷快速，缺點是應(yīng)變性弱。動態(tài)組網(wǎng)是導(dǎo)彈發(fā)射前，指定種子節(jié)點，確定組網(wǎng)規(guī)則，在飛行中，逐個入網(wǎng)、自主組隊、動態(tài)管理，其優(yōu)缺點與靜態(tài)方式基本相反。本文重點描述動態(tài)入網(wǎng)方式。這種網(wǎng)絡(luò)存在種子節(jié)點，第二個節(jié)點經(jīng)過種子節(jié)點認證后可以加入網(wǎng)絡(luò)；后續(xù)節(jié)點進入時，采用種子節(jié)點授權(quán)+多數(shù)表決的身份認證體制，其主要過程如下：

（1）參數(shù)預(yù)置。導(dǎo)彈發(fā)射前，地面指揮中心為所有待發(fā)射導(dǎo)彈分發(fā)身份ID和身份證書，通過火力諸元裝訂后存儲于首個區(qū)塊。

（2）動態(tài)編組。導(dǎo)彈起飛后，首飛節(jié)點作為種子節(jié)點，其他節(jié)點按照約定條件依序加入。

步驟1：節(jié)點i向種子節(jié)點發(fā)送請求，廣播其通過私鑰加密的身份ID、身份證書以及公鑰，種子節(jié)點收到后利用公鑰解密，與存儲的身份證書認證一致后，授權(quán)節(jié)點i入隊。

步驟2：其他節(jié)點依次向已入隊節(jié)點發(fā)送入隊請求，各節(jié)點授權(quán)后廣播，若超過2/3的節(jié)點認證通過則入隊成功，隨即更改蜂群組網(wǎng)參數(shù)信息。

（3）出隊管理。蜂群飛行中按照約定時間或條件進行握手確認身份，當存在部分節(jié)點失聯(lián)或非法節(jié)點入侵時，按照群飛組隊原則棄用該節(jié)點，斷開通信，更新蜂群組網(wǎng)參數(shù)信息。

組網(wǎng)過程如圖3所示。

圖3基于區(qū)塊鏈的導(dǎo)彈蜂群動態(tài)組網(wǎng)過程

# #2.3 數(shù)據(jù)層##

數(shù)據(jù)層采用鏈式結(jié)構(gòu)對飛行數(shù)據(jù)進行存儲，并使用非對稱加密算法保證數(shù)據(jù)的可追溯和不可篡改。根據(jù)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的特點，蜂群協(xié)同制導(dǎo)所維護的信息包括目標探測信息、節(jié)點導(dǎo)航信息、目標融合信息以及融合信息的共識結(jié)果。數(shù)據(jù)層的信息被組織成為默克爾樹（MerkleTree）結(jié)構(gòu)。默克爾樹結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)信息的快速可信交互和驗證，并大幅減少節(jié)點的存儲空間。

? ?2.3.1 數(shù)據(jù)加解密? ?

數(shù)據(jù)通信傳輸均為密文傳輸，各節(jié)點對傳輸信息使用私鑰加密，其他節(jié)點使用公鑰解密。記為節(jié)點i的待發(fā)送信息內(nèi)容，則加密后發(fā)送的信息為：

（1）

其中表示使用私鑰對信息的數(shù)字簽名。

當其他節(jié)點接收到節(jié)點i發(fā)送來的信息時，從區(qū)塊中尋找節(jié)點i的證書，并提取其公鑰，進行解密：

（2）

式中，為使用公鑰對數(shù)字簽名進行解密的驗證函數(shù)。如果result等于消息內(nèi)容，則說明發(fā)送信息合法。

? ?2.3.2 區(qū)塊頭數(shù)據(jù)格式? ?

區(qū)塊數(shù)據(jù)包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體數(shù)據(jù)，區(qū)塊頭是進行數(shù)據(jù)索引、節(jié)點身份認證等功能的數(shù)據(jù)載體，除前一區(qū)塊哈希值、時間戳、生成節(jié)點地址外，還包括目標數(shù)量，用于對區(qū)塊中目標數(shù)據(jù)所占內(nèi)存進行管理。蜂群協(xié)同數(shù)據(jù)鏈的區(qū)塊頭格式見圖4。

圖4蜂群數(shù)據(jù)區(qū)塊頭格式

? ?2.3.3區(qū)塊體數(shù)據(jù)格式? ?

2.3.3.1節(jié)點證書數(shù)據(jù)

節(jié)點證書數(shù)據(jù)為射前存儲的信息，作為身份管控以及信息來源校驗的依據(jù)。

2.3.3.2探測信息單元數(shù)據(jù)

探測信息單元數(shù)據(jù)主要包括數(shù)據(jù)標記、探測信息和節(jié)點導(dǎo)航信息，信息以目標為存儲對象單元進行存儲。

（1）數(shù)據(jù)標記

數(shù)據(jù)標記是指探測信息單元的屬性，包括目標數(shù)量、生成節(jié)點標識，用于數(shù)據(jù)管理。

（2）探測信息

對于可見光、紅外和雷達等不同體制的傳感器，其探測信息均可以抽象為測距、測角信息和目標類型、尺寸等屬性信息。

（3）

式中N，K分別表示節(jié)點編號和融合次序編號。t代表探測時刻，tid為目標編號，sensor描述傳感器信息描述，如探測概率PD等性能。其他信息包括相對距離、俯仰視線角、方位視線角，目標類型和目標幾何尺寸（長寬）和信號強度。

（3）導(dǎo)航信息

導(dǎo)航信息指節(jié)點N生成探測信息時刻節(jié)點位置和速度，記為。

2.3.3.3投票信息

投票信息是指蜂群中記賬節(jié)點進行區(qū)塊鏈信息寫入的認證記錄。記賬節(jié)點將融合信息廣播至蜂群后，獲取各節(jié)點的投票，過2/3通過后則確認信息入鏈。投票信息以節(jié)點為存儲對象，包含投票節(jié)點、投票結(jié)果、投票內(nèi)容，同時為便于合約層數(shù)據(jù)調(diào)用，投票信息還包含投票節(jié)點的導(dǎo)航信息。

# #2.4 共識層# # ? ?2.4.1 共識過程? ?

導(dǎo)彈蜂群區(qū)塊鏈共識機制主要包括競爭機制和驗證機制，競爭機制用于選出記帳節(jié)點，即臨時領(lǐng)彈，進行目標信息融合和任務(wù)分配，驗證機制用于對臨時領(lǐng)彈身份和傳輸信息正確性進行確認。基于兩種機制，可實現(xiàn)目標信息融合的最大共識性和共識結(jié)果的記錄防篡改。本文提出基于權(quán)益證明POS（Proofof Stake）的“隨機指派機制RPOS（RandomProof of Stake）+實用拜占庭容錯PBFT（PracticalByzantine FaultTolerance）”的混合共識算法。RPOS算法主要是解決共識算法的速度問題，根據(jù)節(jié)點編號通過隨機算法產(chǎn)生具有記賬權(quán)的節(jié)點。而PBFT算法主要解決惡意節(jié)點剔除問題[7]。其基本過程是：在即時戰(zhàn)場環(huán)境下，最先探測到目標的節(jié)點，發(fā)起記賬，各節(jié)點對目標關(guān)鍵信息（如類型、位置、速度、航向、參數(shù)等）進行投票，形成共識后，再根據(jù)概率隨機算法選出記賬節(jié)點，即臨時領(lǐng)彈。記賬節(jié)點按照智能合約融合形成目標屬性和目標航跡信息后，發(fā)起對信息融合結(jié)果的投票，根據(jù)投票數(shù)形成最終的目標信息融合結(jié)果。具體如下：

步驟1：信息更新請求

當節(jié)點i首先探測到目標信息后，全網(wǎng)廣播，廣播信息包括：節(jié)點地址、信息探測時間戳、節(jié)點探測信息、節(jié)點導(dǎo)航信息；同時采用隨機算法，選出集群中的某一節(jié)點j作為記賬節(jié)點，并全網(wǎng)廣播。

步驟2：信息融合

節(jié)點j收到節(jié)點i的任命后，根據(jù)鏈上最新的目標融合信息、節(jié)點i探測信息、自身探測到的目標信息和導(dǎo)航信息，按照智能合約進行融合得到新的目標融合信息。

步驟3：發(fā)起投票

節(jié)點j將目標融合信息廣播至蜂群中其他節(jié)點，廣播信息包節(jié)點j和節(jié)點i的探測信息與導(dǎo)航信息，最新目標融合信息，表達為

（3）

步驟4：進行投票

導(dǎo)彈蜂群各節(jié)點收到投票信息后，將臨時領(lǐng)彈融合的信息與自身探測和融合結(jié)果進行比對，實現(xiàn)對目標融合信息進行可信性校驗，一致則通過校驗給與認證，隨即將認證信息進行全網(wǎng)廣播。投票信息包括投票節(jié)點、投票結(jié)果和擬投票信息，表達為

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

步驟5：區(qū)塊鏈更新

蜂群各節(jié)點對收到的投票信息進行校驗，當且僅當節(jié)點j獲取的認同票數(shù)大于2/3時，節(jié)點j所發(fā)起的目標融合結(jié)果有效，然后節(jié)點j將目標融合信息Tar_cor(j，K)以及相應(yīng)的單點探測信息、寫入?yún)^(qū)塊鏈，更新目標信息。

? ?2.4.2 競爭機制? ?

競爭機制是選取記賬節(jié)點完成信息融合的過程，信息一致性要求競爭結(jié)果唯一性。但是，理論上存在多個探測節(jié)點同時探測到目標，也就是存在同時選出多個記賬節(jié)點j情況，此時會產(chǎn)生類似比特幣區(qū)塊鏈雙花問題。為避免此情況，采用基于信息熵的權(quán)益證明選出唯一記賬節(jié)點。各節(jié)點從多個候選節(jié)點集合{j}中投票選出目標識別信息熵最大的節(jié)點為最終記賬節(jié)點。記目標類別信息為，其熵值表示為：

? ? ? ? ?（6）

信息熵代表確定性的量度，熵越大表明節(jié)點所融合到的確定信息越多。基于最大熵的投票原則，保證蜂群各節(jié)競爭結(jié)果唯一性。

? ?2.4.3 校驗機制? ?

校驗機制是確保信息可靠的方法，包括信息來源校驗和信息內(nèi)容校驗。

（1）信息來源校驗

信息來源校驗體現(xiàn)在投票和計票過程：

（a）投票過程。投票信息進行公鑰解密后，與節(jié)點j身份認證信息一致。

（b）計票過程。各節(jié)點確認記賬節(jié)點j發(fā)起的投票結(jié)果有效：一是各節(jié)點的投票結(jié)果，與其投票內(nèi)容是一致的，二是投票節(jié)點的身份正確。

（2）信息內(nèi)容校驗

信息內(nèi)容的校驗則包括對融合計算的校驗、目標航跡校驗和目標屬性校驗。融合計算校驗是指各節(jié)點使用相同的信息融合算法完成對探測信息、導(dǎo)航信息的校驗并與融合信息對比，一致則信息正確。目標航跡校驗是指通過航跡關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)不同傳感器所探測航跡的關(guān)聯(lián)。目標屬性校驗，則是各節(jié)點通過融合信息中目標分類概率與自身探測的分類概率進行互斥性排除，排除后即可確認。

# #2.5 合約層# #

合約層封裝了以算法和腳本形式定義的一系列約定，合約參與方可以通過相應(yīng)的機制，執(zhí)行這些約定的相關(guān)協(xié)議，從而自動實現(xiàn)區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)邏輯。導(dǎo)彈蜂群區(qū)塊鏈合約層的主要功能，一是進行多節(jié)點、多傳感器探測信息的自動融合，二是按照毀傷要求和攻擊模式約束，進行制導(dǎo)律協(xié)同量的計算與分配。由此實現(xiàn)導(dǎo)彈蜂群在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的自主智能交戰(zhàn)。

? ?2.5.1 多節(jié)點、多傳感器目標信息融合? ?

記賬節(jié)點（領(lǐng)彈）選出后，自動觸發(fā)智能合約進行信息融合。協(xié)同探測的任務(wù)中，待融合信息主要是指不同體制傳感器探測到感興趣區(qū)域內(nèi)的目標信息，見式（3）。目標信息融合采用點跡級融合，融合時綜合區(qū)塊鏈上最新融合結(jié)果、新探測的目標信息和節(jié)點的導(dǎo)航信息Nav（N，K），融合功能相當于分層目標分類器。目標信息融合可通過信息圖形式清晰表達信息流和信息結(jié)構(gòu)間的變遷。如圖5所示。

圖5目標信息融合示意圖

融合信息包括目標位置信息（P）、速度信息（V）以及目標類型、幾何信息，表達形式為：

（7）

記融合符號為，則有：

（8）

對于目標位置、速度等連續(xù)動態(tài)量，采用基于卡爾曼濾波的協(xié)方差估計的融合算法。對于目標類型、幾何尺寸等靜態(tài)識別量，具有非確定性特點，采用基于貝葉斯概率估計的融合算法。以目標識別為例，方法如下：

（9）

其中，

為區(qū)塊鏈上最新融合信息中的目標分類后驗概率，為累積的探測信息，為節(jié)點最新探測信息中的目標分類后驗概率，為先驗概率。

? ?2.5.2 制導(dǎo)律協(xié)同量的計算與分配? ?

智能合約的分布式部署，使蜂群成為一個分布式控制系統(tǒng)，蜂群中各節(jié)點部署相同的制導(dǎo)律。單個節(jié)點的智能合約部署原理如圖6。

圖6單個節(jié)點的協(xié)同制導(dǎo)智能合約部署原理

導(dǎo)彈蜂群在完成對探測目標共識判斷，融合結(jié)果上鏈事件自動觸發(fā)智能合約，根據(jù)全向攻擊或攻擊時間約束等模式，調(diào)用合約規(guī)則，自動生成各節(jié)點的制導(dǎo)律協(xié)同量計算和分配，協(xié)同各節(jié)點完成飽和打擊任務(wù)。智能合約數(shù)據(jù)流向示意見圖7。

典型的智能合約采用可編程技術(shù)定義自動化運行腳本。蜂群協(xié)同制導(dǎo)的合約層引入人工智能算法，能夠讓合約具有一定的智能進化能力。合約規(guī)則以對抗效果和毀傷要求為目標，基于各導(dǎo)彈能量約束，合約腳本調(diào)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和異質(zhì)多種群蟻群算法完成制導(dǎo)律協(xié)同量實時自動指派。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)在地面訓(xùn)練好后發(fā)射前寫入智能合約，如圖8。

導(dǎo)彈蜂群協(xié)同制導(dǎo)規(guī)劃的目標函數(shù)為：

（10）

式中為規(guī)劃目標數(shù)量，、分別為時間協(xié)調(diào)、攻擊角度不同造成的毀傷效果；為任意兩枚導(dǎo)彈擊中目標的時間間隔，表示區(qū)間長度，為目標類型。

規(guī)劃約束為導(dǎo)彈數(shù)量、目標數(shù)量、可達性和導(dǎo)彈能量，見式（11）。

（11）

上式表示子集群所分配的目標和任務(wù)均應(yīng)當滿足Vi子集群的可攻擊域。

圖7智能合約與區(qū)塊鏈交互

圖8三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

各節(jié)點收到智能合約的協(xié)同量后按如下制導(dǎo)律進行全向攻擊和同時間到達目標導(dǎo)引。導(dǎo)彈節(jié)點i的制導(dǎo)律為：

（12）

式中、、分別為比例導(dǎo)引加速度指令、攻擊方位協(xié)調(diào)指令、時間協(xié)調(diào)指令。其中：

? ? ? ? ?（13）

其中、分別為速度方位角和終端入射方位角要求，、為制導(dǎo)系數(shù)，為導(dǎo)彈i的剩余估計飛行時間，為二元函數(shù)，反映通信網(wǎng)絡(luò)的連接情況。，在t時刻，當節(jié)點j至節(jié)點在通信連接時，，否則取?。

# #2.6 應(yīng)用層# #

導(dǎo)彈蜂群協(xié)同制導(dǎo)區(qū)塊鏈應(yīng)用面向協(xié)同探測、協(xié)同決策、協(xié)同干擾、協(xié)同突防和協(xié)同攻擊等蜂群協(xié)同各環(huán)節(jié)。區(qū)塊鏈運行于各導(dǎo)彈的彈載計算機上，與導(dǎo)引頭、彈載計算機和地面規(guī)劃系統(tǒng)存在信息交互，應(yīng)用層有對應(yīng)的標準化總線通信接口和軟件接口。同時，針對導(dǎo)彈節(jié)點入群和離隊管理，應(yīng)用層具有身份認證端口。

3 效能預(yù)估 # #3.1 區(qū)塊鏈性能分析# #

針對區(qū)塊鏈技術(shù)中存在的蒙代爾不可能三角，即三元悖論，對本方案的安全性、去中心化和實時性進行仿真分析。

（1）安全性

區(qū)塊鏈引入了非對稱加密算法后，運行的主要風險是記賬人作弊的風險，在比特幣中被稱為雙花問題。假定惡意節(jié)點需要產(chǎn)生Z個區(qū)塊，才可使得偽造的區(qū)塊鏈成為最長鏈，同時假設(shè)惡意節(jié)點偽造區(qū)塊鏈的增長服從泊松分布，即泊松分布期望值為：

那么惡意節(jié)點成功篡改數(shù)據(jù)的概率為：

式中，q——可信節(jié)點權(quán)益； p——惡意節(jié)點權(quán)益。

上式可見，對于惡意節(jié)點持有權(quán)益小于可信節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，惡意節(jié)點產(chǎn)生的分叉存活概率指數(shù)衰減。惡意節(jié)點偽造長度為Z的區(qū)塊鏈的概率仿真結(jié)果見圖4-1所示。由圖可見，隨著偽造區(qū)塊鏈長度增長，惡意節(jié)點成功概率指數(shù)衰減；隨著節(jié)點數(shù)增加，惡意節(jié)點偽造區(qū)塊鏈成功難度加大。當蜂群節(jié)點數(shù)大于10，惡意節(jié)點偽造成功5個以上區(qū)塊的概率小于5%。

（2）去中心化

共識機制設(shè)計時，通過RPOS+PBFT共識算法選出記賬主節(jié)點，每個節(jié)點均擁有概率均衡的記賬權(quán)。基尼系數(shù)被廣泛應(yīng)用于評估社會貧富分化問題，引入基尼系數(shù)衡量區(qū)塊鏈去中心化程度，評估各節(jié)點所占權(quán)益比重的均衡程度?；嵯禂?shù)越小，節(jié)點權(quán)益分配越平均。基尼系數(shù)為：

式中 N為記賬候選人總數(shù)；為記賬候選人持有權(quán)益的平均值；為記賬候選人j所持有的權(quán)益。

基尼系數(shù)的仿真結(jié)果見圖10。圖中表明，本方案的共識機制實現(xiàn)了各節(jié)點競爭記賬的權(quán)益均衡，基尼系數(shù)小于一般要求的最大值0.3，沒有出現(xiàn)某個節(jié)點占較重權(quán)益的情況。

圖9惡意節(jié)點篡改概率

圖10基尼數(shù)隨節(jié)點數(shù)變化

（3）實時性

由于網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系對區(qū)塊傳播時間影響較大，較難得到傳播時間的解析式，通過仿真可估算出區(qū)塊傳播全網(wǎng)所需時間。區(qū)塊傳播全網(wǎng)時間包括記賬節(jié)點向節(jié)點發(fā)送區(qū)塊所需時問、其他節(jié)點驗證時間和記賬節(jié)點全網(wǎng)廣播時間，如下式所示：

式中，S為區(qū)塊的容量；B為網(wǎng)絡(luò)帶寬；k為驗證所需時間的統(tǒng)計系數(shù)。為記賬結(jié)果傳播所需時間。

區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)中傳播所需要時間仿真見圖11。從仿真可知，區(qū)塊傳播時間受節(jié)點數(shù)和區(qū)塊大小影響，通過進行區(qū)塊大小和節(jié)點數(shù)平衡設(shè)計，其傳播時間可以滿足蜂群協(xié)同的制導(dǎo)需求。

圖11區(qū)塊傳播時間

由上述初步仿真結(jié)果可見，導(dǎo)彈蜂群區(qū)塊鏈的設(shè)計，突出了非信任環(huán)境下的可信協(xié)同環(huán)境構(gòu)建，其去中心化、實時性與安全性可實現(xiàn)系統(tǒng)指標匹配，能夠適應(yīng)導(dǎo)彈蜂群作戰(zhàn)的要求。

##3.2 典型任務(wù)仿真##

以5枚導(dǎo)彈協(xié)同攻擊目標組合為仿真場景，目標組合包含一個真目標1#和2個假目標（2#、3#）。探測信息融合結(jié)果如圖12所示，不同節(jié)點對目標1#的觀測結(jié)果受相對位置、視線角影響存在誤差如圖（a）、（b）所示，圖中“1”代表識別為真實目標，“0”代表識別為假目標。共識后蜂群排除單點探測信息誤差，融合后結(jié)果見圖（c），目標信息融合提高了目標識別正確性；基于融合結(jié)果分配的各導(dǎo)彈攻擊目標見圖（d），圖中各導(dǎo)彈節(jié)點8s后均向真實目標1#目標導(dǎo)引。

（a）1、2、4#導(dǎo)彈觀測1#目標結(jié)果

（b）1、3、5#導(dǎo)彈觀測1#目標結(jié)果

（c）共識融合后結(jié)果

（d）各導(dǎo)彈攻擊目標分配

圖12導(dǎo)彈協(xié)同探測結(jié)果

按照智能合約分配的同時到達和全向攻擊的制導(dǎo)律協(xié)同量，各節(jié)點以較好精度滿足約束條件要求。表1給出了同時到達任務(wù)的各節(jié)點攻擊時間統(tǒng)計結(jié)果，各節(jié)點到達時間均控制在28s時刻，最大偏差不超過1s。全向攻擊任務(wù)各節(jié)點飛行軌跡見圖12，蜂群對目標實現(xiàn)了多角度攻擊，攻擊角度覆蓋-72.28~73.27°。

表1各節(jié)點飛行時間統(tǒng)計

（a）多方位協(xié)同飛行軌跡

（b）目標攻擊角度曲線

圖13多方位角度協(xié)同攻擊仿真結(jié)果

典型場景仿真結(jié)果表明，蜂群中各節(jié)點通過共識算法，克服了單點單手段探測的缺陷，有效提升了蜂群目標識別的準確性。基于區(qū)塊鏈的協(xié)同機制，按照智能合約規(guī)則分配制導(dǎo)律協(xié)同量，各節(jié)點依靠分布式的協(xié)同制導(dǎo)律，可以順利地完成協(xié)同攻擊任務(wù)。

4 結(jié)束語

區(qū)塊鏈基于云計算、無中心自組網(wǎng)、密碼學(xué)、人工智能等多種領(lǐng)域的新技術(shù)進行集成創(chuàng)新，創(chuàng)造了新的組織形式、新的決策機制和新的計算范式，可以預(yù)見“區(qū)塊鏈+”已經(jīng)成為繼“互聯(lián)網(wǎng)+”、“人工智能+”后，人類經(jīng)濟、社會、軍事領(lǐng)域中一種新的發(fā)展趨勢。通過本文的分析和仿真可以看到，區(qū)塊鏈技術(shù)對蜂群自主作戰(zhàn)系統(tǒng)的需求具有很強的契合性，對這類系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的提升在技術(shù)上的優(yōu)勢顯而易見。下一步，需要在異構(gòu)節(jié)點區(qū)塊鏈和多區(qū)塊鏈跨鏈應(yīng)用上進一步研究探索，以使基于區(qū)塊鏈的軍事系統(tǒng)更具適應(yīng)性和實戰(zhàn)性。

審核編輯 ：李倩