无人机蜂群网去中心化自治决策方法

摘要

本发明公开了一种无人机蜂群网去中心化自治决策方法，该方法提供单体无人机的决策和协同决策机制，提高了决策的效率；使用针对无人机任务的智能合约，提高无人机蜂群执行攻击的速度，可以保证无人机蜂群获取其他节点信息与攻击目标信息的准确性，该机制利用区块一致蜂群共识算法和智能行为合约协同进行无人机自治决策。其中区块一致蜂群共识算法基于区块链技术的几大优势，能够较好的处理数据管理和无人机之间的信息沟通与作战的问题；基于智能合约的自治决策能够使得无人机单独执行任务且并不需要太多协同需求，无人机蜂群无需等待所有人的确认，即可使用针对任务的智能合约判断是否通过请求，最大程度的提高无人机蜂群任务执行的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及区块链以及无人机蜂群网领域，尤其涉及一种无人机蜂群网去中心化自治决策方法。

背景技术

在未来任务执行过程中数据的作用将越来越重要，数据的正确与否直接关系到任务的执行结果，甚至可以说数据战就是未来战争的一种极其重要的形式。数据战可看成是在保护己方产生、存储、分发、处理、分析和利用信息能力的同时干扰对方相同能力的能力。

区块链是一种网络上的各参与者都能共享但没有哪个单一实体能够控制的共享分布式防篡改数据库。由于区块链技术有去中心化、去信任、防篡改等突出优点，其应用已经不仅限于金融圈，逐渐进入到其余领域，例如军事领域，包括美国和北约在内的多个国家和组织都在积极探索区块链技术在军事领域的应用。

利用区块链可提供一种数据战网络设计、运营和防御的新范式。区块链的机理是假设网络中式中存在敌方；利用未受损节点的数量优势压制敌方行动；让信息久防操控或破坏。总之，区块链是在一个不可信的世界中创造了一种可信系统，有巨大的应用潜力。

区块链相比传统网络防御策略有三大优势:第一，区块链假设网络攻击既来自敌方也来自可信内部人员，因此它不采用边界防护的方式，而是设计用于在一种冲突网络环境中保护数据。第二，区块链网络利用网络的集体力量积极对抗恶意行为者的动作。即，区块链会利用以多打少的不对称优势。最后，区块链实现安全性不依赖于信任。区块链提供的是一种内在安全功能，还可根据应用需求在其上添加其他安全功能。正是有了这些优势，区块链才能在没有可信中央权威机构的情况下在开放的互联网上成功安全运行，完全暴露给恶意行动者。区块链在敌方采取恶意行动的情况下仍能保护数据完好性，因而在相关领域应用中具有较高的实用性。

传统的无人机控制采用集中式的控制方法，当控制中心节点受到攻击破坏时，蜂群将丧失协同能力。同时当某些无人机节点遇到入侵时，恶意消息的传播是不可控的，下达的指令也会出现与实际情况不符合的情况。因此，有必要研发内置区块链的蜂群网络，以克服传统控制方案的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机蜂群网去中心化自治决策方法，可以实现自主决策，不依赖于单一的决策中心，确保无人机节点遇到入侵继续执行任务。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无人机蜂群网去中心化自治决策方法，包括：

无人机节点之间建立通信连接，每一无人机节点均内置区块链，区块链中记录了一段时间系统内的所有无人机节点的交互信息，构成内置区块链的蜂群自治网络；无人机节点共同维护一个分布式的区块链数据库，区块链数据库为各项任务构建可信环境，提供数据分布式存储，并通过智能合约完成智能协作；每一无人机节点具备计算能力，能够支持共识算法计算和应用计算；

对于待执行的任务，蜂群自治网络中的无人机节点通过共识算法与智能合约，进行自主决策。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法提供单体无人机的决策和协同决策机制，提高了决策的效率；使用针对无人机任务的智能合约，提高无人机蜂群执行攻击的速度，可以保证无人机蜂群获取其他节点信息与攻击目标信息的准确性，该机制利用区块一致蜂群共识算法和智能行为合约协同进行无人机自治决策。其中区块一致蜂群共识算法基于区块链技术的几大优势，能够较好的处理数据管理和无人机之间的信息沟通与作战的问题；基于智能合约的自治决策能够使得无人机单独执行任务且并不需要太多协同需求，无人机蜂群无需等待所有人的确认，即可使用针对任务的智能合约判断是否通过请求，最大程度的提高无人机蜂群任务执行的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种无人机蜂群网去中心化自治决策方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的时空敏感的环境下执行任务的示意图；

图3为本发明实施例提供的单体勘测任务过程示意图；

图4为本发明实施例提供的单体攻击任务过程示意图；

图5为本发明实施例提供的编队任务过程示意图；

图6为本发明实施例提供的避障任务过程示意图；

图7为本发明实施例提供的协同攻击任务过程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在现代化应用中(例如现代化战争)，大量的无人机以蜂群组网的形式进行大规模的、任务复杂的任务。对于蜂群组网的无人机群，任务指令执行的正确性、无人机间信息传递的可靠性、应对突发情况反应的敏捷性，以及遭受敌方软硬件攻击的耐受性等，都需要被慎重考虑与处理。

由于传统的无人机控制采用集中式的控制方法，当控制中心节点受到攻击破坏时，蜂群将丧失协同能力。同时当某些无人机节点遇到入侵时，恶意消息的传播是不可控的，下达的指令也会出现与实际情况不符合的情况。为了处理以上问题，本发明实施例提供一种无人机蜂群网去中心化自治决策方法，如图1所示，该方法主要包括：

无人机节点之间通过已有的通信手段建立通信连接，每一无人机节点均内置区块链，区块链中记录了一段时间系统内的所有无人机节点的交互信息，构成内置区块链的蜂群自治网络；无人机节点共同维护一个分布式的区块链数据库，区块链数据库为各项任务构建可信环境，提供数据分布式存储，并通过智能合约完成智能协作；每一无人机节点具备计算能力，能够支持共识算法计算和应用计算；对于待执行的任务，蜂群自治网络中的无人机节点通过共识算法与智能合约，进行自主决策。

本发明实施例中，其中每一无人机节点均维护一条区块链，区块链由首尾相接的区块组成。区块包含区块头与区块体，区块头中包含哈希值、时间戳、版本号等。区块体中记录了一段时间系统内的所有无人机的交互信息。内置区块链的蜂群自治网络能够进行自主决策，无需或较少需要与地面控制端交互，降低了无人机蜂群的作战时延，使得无人机蜂群能够在时空敏感的环境下占据优势，完成相关任务。

如图2所示，在时空敏感的环境下执行任务时，无人机节点1、2、3、4、5、6组成一个区块链系统，系统中，无人机节点之间组成了一个P2P网络，在P2P网络中无人机节点能够两两互相通信。在右上方出现一个侦察感知目标，无人机节点2、3、4发现目标，3架无人机将发现侦察感知目标的位置与发现时间等内容在区块链上进行广播，区块链中的其它无人机接收到信息之后进行存储，一段时间过后形成区块，并由某种共识算法计算得出以某架无人机节点记录的为准，由这架无人机节点将区块广播出去，收到区块的无人机节点对区块记录的信息开始验证，验证通过则将区块连接到本地区块链中，如验证未通过则将区块丢弃。系统内部始终以最长的区块链为准。

采用区块链技术，不仅能够使无人机更全面地感知信息和共享信息，还能由地面单一的控制方式扩展到地面与空中联合控制的方式，避免了系统一旦与地面失联而无法运行的问题。针对以上场景，通过区块链，无人机1、5、6能够获取无人机2、3、4感知到的侦察感知目标的情况，对于无人机系统的节点来说，可以通过多架无人机侦察感知结果，确定目标的精准位置、飞行速度、飞行方向等，在短时间内组织无人机群的综合感知结果，计算目标精准位置，并通过区块链的信息共享方式，有效降低遭劫持飞机对整个无人机系统的干扰，防止被欺骗。

区块链技术有助于构建自主化、安全的任务指挥与控制体系。将区块链与人工智能和军事物联网相结合，可以改变未来的军事指挥控制模式，即从集中战斗控制模式转变为在单位级别上进行分散控制。在未来战场上，一群军用无人机以分散的方式持续地共享作战数据和决策，作为一个统一的组织运作，不依赖于单一的决策中心，能够在伤亡下不丧失作战能力。一组通过区块链进行协调的自治系统，可以提供一种更可行的设计，既可以保留协调的优点，又可以消除中央控制固有的漏洞。

本发明实施例中，自治决策基于共识算法与智能合约实现。

一、共识算法。

本发明实施例中，采用基于区块一致的蜂群共识算法(PBFT)，PBFT是一类状态机拜占庭系统，要求共同维护一个状态，所有节点采取的行动一致。为此，需要运行三类协议：一致性协议、检查点协议、视图更换协议。一致性协议：解决如何达成共识；检查点协议：类似于操作系统的还原点；视图更换协议：系统的每个服务器节点在同样的配置信息下工作，该配置信息导出的一组数据的逻辑表示被称为“视图”，导出的这组数据包含但不限于无人机节点的位置、ID等信息。配置信息由主节点确定，主节点更换，视图也随之变化。我们主要关注支持日常系统正常运行的一致性协议，一致性协议至少包含如下几个阶段：请求(request)、预准备(pre-prepare)、准备(prepare)、确认(commit)以及响应(reply)。各阶段说明如下：

请求阶段：单体无人机节点将请求发送给主无人机节点。

预准备阶段：主无人机节点收到单体无人机节点的请求后，给请求分配一个序号n，广播序号分配消息和单体无人机节点的请求消息，并构造预准备消息发送给各无人机节点。

准备阶段：无人机节点接收预准备消息后，对消息进行验证；若通过验证则向其他无人机节点广播准备消息；如果验证不通过，则丢弃预准备消息；在设定时间范围内，如果网络中超过指定比例的无人机节点广播了准备消息(例如，超过无人机节点总数的2/3)，则表示准备阶段已经完成。

提交阶段：各无人机节点对视图内的请求和序号进行验证后，广播提交消息；如果网络中超过指定比例的无人机节点广播了提交消息(例如，超过无人机节点总数的2/3)，则表示提交阶段已经达成共识，单体无人机节点将执行请求，将数据写入区块链。

响应阶段：主无人机节点将共识响应发送给单体无人机节点。

PBFT共识算法能够解决工作量证明(PoW)算法占用大量的计算资源且产生区块的速度较慢的问题，克服权益证明(PoS)算法存在需要激励货币参与且吞吐量小的缺点，缓解委托股权证明(DPoS)算法存在的超级节点投票麻烦。PBFT算法实现了无人机自治决策，如，在无人机群中无人机可以执行地形勘测任务。

本发明实施例中，内置区块链的蜂群自治网络中设有一个主无人机节点，且当主无人机节点异常时会重新选取一个新的主无人机节点，可通过常规方式实现。

二、智能合约。

智能合约是基于密码学技术的数字化合同，是一种计算机程序。是旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的计算机协议。智能合约允许在没有第三方的情况下进行可信交易。这些交易可追踪且不可逆转。

智能合约工作原理：用户承诺双方的权利和义务编写为电子化的机器语言，参与者分别用各自的私钥签名。签名后的智能合约传入区块链网络中。合约通过P2P的方式在区块链全网中扩散，网络内其他无人机节点会将收到的合约先保存到内存中，等待触发对该份合约的共识和处理。本发明实施例中，可以采用前文介绍的PBFT算法对合约进行共识，共识时间到后，主无人机节点会把最近一段时间内保存的所有合约打包成一个合约集合，并算出这个合约集合的哈希值，组装成区块结构，扩散到全网；其他无人机节点收到后，与自己保存的合约集合对比校验，同时发送一份自己认可的合约集合给其他无人机节点；通过多轮的发送和比较，所有无人机节点最终在规定的时间内对最新的合约集合达成一致。

本领域技术人员可以理解，上述阶段中，其他无人机节点是指除去主无人机节点之外的无人机节点；在共识之前需要发起一笔交易，发起该交易的无人机节点可称为请求节点，共识过程中需要主无人机节点与其他无人机节点通过多次交互达成共识，共识过程中所涉及的主无人机节点与其他无人机节点都可称为验证节点。

除去共识算法与智能合约之外，本发明实施例中还引入无人机节点的安全属性值，安全属性代表无人机蜂群每个节点的安全程度，安全属性越高，其可信度越高；在自治决策某些应用场景中，也将安全属性值作为一个考虑因素。

本发明实施例中，将待执行任务划分为单体任务与协同任务，自治决策主要包含单体无人机的决策和协同决策机制，下面结合相关任务做详细的介绍。值得注意的是，下面所涉及的具体任务类型仅作为示例，并非构成限制；在实际应用中，用户可以根据实际情况来安排所要执行的任务类型。

一、单体任务。

按照任务类型与需求的不同，主要采用如下两种方式：

1、单体无人机节点，首先向蜂群自治网络发送请求，网络中的无人机节点通过共识算法得到对该请求的结果(共识算法可参见前文介绍)，即同意或拒绝；在判断是否同意请求时，需要调用相应任务的智能合约，智能合约中规定了无人机节点执行单体任务的规则，通过规定的规则，无人机节点能够判断该单体无人机节点能否执行任务，进而给出共识结果。

本发明实施例中，智能合约在调用时需要使用到共识算法，单体无人机节点(请求节点)发送请求后，其他无人机节点需要通过调用合约函数，将请求的信息作为参数传给智能合约，不同任务的智能合约都包含了相应的任务规则，因此，通过智能合约可以直接判断是否同意该请求。此处，调用合约函数就是发起一笔交易的过程，这笔交易需要得到共识才能最终被确认并上链，交易才能生效，调用才会成功。

如果单体无人机在执行单体任务时，请求与其他无人机节点共享任务结果，网络中的无人机节点则根据区块链数据库中存储的该单体无人机节点的安全属性是否大于阈值，使用针对此单体任务的智能合约判断是否直接通过共享任务结果的请求。

上述任务中所涉及的共识与智能合约的具体实现过程请参见前文的说明，不再赘述。

如图3所示，以地形勘测任务为例介绍了上述过程。对于地形勘测任务，合约中规定了无人机执行单体勘测任务的规则，如，勘测点坐标距离请求无人机的距离是否小于某一值，或请求无人机节点(即单体无人机节点)的安全属性是否大于阈值等。当请求节点想要与无人机蜂群中其他无人机节点共享勘测结果，节点可以根据区块链网络中存储的该请求节点安全属性是否大于阈值，使用针对此任务的智能合约判断是否直接通过分享勘测结果的请求，最大程度的提高无人机蜂群共享地形勘测信息的速度，提高效率。

2、单体无人机节点，首先向蜂群自治网络发送请求，如果该单体任务对时延要求高于设定值，则网络中的无人机节点根据区块链数据库中存储的该单体无人机节点的安全属性是否大于阈值，使用针对此单体任务的智能合约判断是否直接通过请求；即，智能合约里的规则包含了对安全属性大于阈值的判断，如果大于阈值则直接通过请求。

本领域技术人员可以理解，文中所涉及的使用针对此单体任务的智能合约判断是否直接通过请求、或者使用针对某任务的智能合约完成某任务中，智能合约是已经通过前文介绍的方式在网络中达成一致的合约。智能合约是被无人机节点部署的，无人机节点部署智能合约时也会发起一笔交易，这笔交易需要得到共识才能最终被确认并上链；之后，无人机节点会调用合约函数，调用合约函数时也会发起交易，同样需要共识才能成功调用合约函数。

举例来说，该单体任务可以攻击任务；如图4所示，单体无人机在执行攻击任务时，该无人机节点可能处于良好时机，需要抓住时机对攻击目标发起攻击，避免目标逃脱。战场瞬息万变，单体攻击任务对时延的要求非常高，需要快速的完成无人机蜂群对单体攻击任务的验证，所以无人机在执行单体攻击任务时，想要与无人机蜂群中其他节点确认攻击任务的时候，无人机蜂群节点无需等待所有人的确认(即无需等待完整的PBFT共识过程)，即可根据区块链网络中存储的该请求节点的安全属性，使用针对此任务的智能合约判断是否直接通过请求，之后，再更新区块，采用上述方式最大程度的提高无人机蜂群执行单体攻击的速度，把握战机，提高作战效率。

二、协同任务

对于待执行的协同任务，网络中的无人机节点等待最新区块的更新，结合更新后的最新数据通过共识算法与智能合约，进行自主决策；其中，协同任务包括：编队任务、避障任务与攻击任务。

1、编队任务。

对于编队任务，网络中的无人机节点需要实时获取其他无人机节点所处位置，从而确定编队所包含的无人机节点(也即哪些无人机可以加入编队)。编队任务对最新数据的要求较高，对编队成型的速度并没有特别高的需求，所以在执行编队任务，网络中的无人机节点需要等待最新区块的更新，以获得最新区块中所记录的其他无人机节点的最新位置信息，再使用针对编队任务的智能合约完成编队任务，等待区块更新之后再进行智能合约确认。所述针对编队任务的智能合约包括：在设定的地形下按照设定的队形飞行(此时需要无人机事先执行勘测任务并共享勘测结果)、或者在执行设定的任务时按照设定的队形飞行。

为了便于理解，以图5所示场景为例进行说明。如图5所示，需要进行编队的无人机节点作为请求节点向主节点发送编队请求，请求中还包含与其进行编队的无人接节点编号；主节点记录该请求后，全网共识更新区块，之后，通过区块链中的安全属性值使用智能合约判断是否执行编队。

2、避障任务。

对于避障任务，网络中的无人机节点需要实时将障碍物信息全网共识，并且需要实时获取其他无人机节点所处位置，以运用针对避障任务的智能合约判断无人机节点是否需要进行位置调整；避障任务对障碍物与无人机位置信息的要求比较高，所以无人机在执行避障任务时，网络中的无人机节点需要等待最新区块的更新，以获得最新区块中所记录的其他无人机节点的最新位置信息，及相应的障碍物位置，再使用针对避障任务的智能合约完成避障任务，等待区块更新之后再进行智能合约确认；所述针对避障任务的智能合约包括：在遇到设定尺寸大小的障碍物时，无人机以设定的方式(例如，左转绕过、右转绕过、分两边绕过、上行、下行等)避开障碍物。

为了便于理解，以图6所示场景为例进行说明。如图6所示，某无人机节点发现障碍物A后，发送障碍物的信息(包括障碍物大小、位置等信息)至向主节点；主节点记录障碍物的信息后，全网共识更新区块，之后，通过区块链中的安全属性值使用智能合约执行避障任务。

3、协同攻击任务。

对于协同攻击任务，一般是比较大型的攻击任务，攻击区域较大，需要多台无人机协同执行攻击任务。网络中的无人机节点需要准确的将目标的位置信息全网共识，需要实时获取其他无人机节点所处位置，以运用针对协同攻击任务的智能合约判断参与协同攻击任务所包含的无人机节点。协同攻击任务对攻击目标区域的信息与无人机位置信息的要求比较高，所以在执行协同攻击任务时，网络中的无人机节点需要等待最新区块的更新，以获得最新区块中所记录的其他无人机节点的最新位置信息、以及共识的目标的位置信息，再使用针对协同攻击任务的智能合约完成协同打击任务，等待区块更新之后再进行智能合约确认；所述针对协同攻击任务的智能合包括：执行任务的无人机节点、以及协同方式。

为了便于理解，以图7所示场景为例进行说明。如图7所示，参与攻击任务的某一无人机节点向主节点发送攻击请求，请求中包含了攻击目标的相关信息；主节点记录攻击请求后，全网共识更新区块，之后，通过区块链中的安全属性值使用智能合约执行协同攻击任务。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。