电磁协同：信息世界有序运行的“金钥匙”
唐晓斌
图片为作者绘制
对人类社会影响深远的数理方程——麦克斯韦方程,完美地将电场和磁场统一为一个整体,揭示了电磁波的存在。
“电生磁”、“磁生电”、“静电”、“静磁”四个方程阐明了电场与磁场、时间与空间、场与源的协调统一的关系,从麦克斯韦方程组推导出的波动方程解,揭示了电磁波的存在。
自1888年德国物理学家赫兹通过电火花实验证实电磁波的存在之后,电磁波开始影响人类社会。从起初的电报、无线电话,到现代社会的雷达、通信、导航、遥测遥控等,电磁波渗透到社会运行的方方面面。
随着5G、物联网、自动驾驶、电子装备等技术的进步,社会中聚合运行的电磁波越来越密集,相互作用愈来愈明显,致使电磁效应成为影响信息世界的关键因素。
例如,在某些电磁效应下,自动驾驶系统出现导航偏移、操作系统失稳,飞行器出现航向不准、显示错误,雷达探测距离下降、跟踪位置偏移,火工品出现引信误启动等等。
为避免这些非预期效应,常规做法是功能设备(单元)占用固定电磁资源(频率、空间、时间资源的集合),由于电磁资源的排他性,固定占用电磁资源使得电磁资源的利用率低下,导致电磁资源成为制约信息世界高效运行的瓶颈。因此,高效利用电磁资源成为提高信息世界运行效率,实现最佳运行状态的关键环节。针对此问题,我国的科研团队提出了电磁协同的理论与方法。
电磁协同的概念受启发于德国物理学家赫尔曼·哈肯于1971年提出的协同理论。协同理论主要研究远离平衡态的开放系统在外参量(如外部物质或能量)的驱动下,通过子系统间的协同作用,以自组织的方式产生有序结构的普遍规律。
协同的意义在于整体大于部分的总和,微观有序性产生宏观的力量。协同理论的核心机理是序参量的支配原理。序参量是指系统演化过程中的慢变量,快变量服从慢变量,序参量支配子系统。序参量犹如木偶的牵线人,它支配木偶翩翩起舞,而木偶也反过来影响它。
例如,在自然界中蜂群就是一个开放系统,蜜蜂采蜜与外界进行物质和能量交换体现了外参量的驱动,在序参量(蜂王)的支配下,蜂群内部各司其职,协同合作,整个蜂群便通过自组织的方式产生了有序结构。如果拿走蜂群中的蜂王,蜂群的工作秩序便会受到严重影响,甚至导致整个蜂群的分崩离析,这时只要给失去蜂王的蜂群诱导加入一只新蜂王,蜂群便会再次恢复正常活动,这便体现了序参量的支配作用。蜂群内部有序的协同合作,让整个蜂群内的所有蜜蜂个体得以生存,实现了整体大于部分的总和的效果,微观的有序性产生了宏观的力量。
由于频率、时间、空间等电磁资源具有强烈的排他性,能否进行有效的电磁协同控制,提高电磁资源的利用率,增强信息世界运行的整体效应,实现整体大于部分的总和的效果,已经成为现代电磁领域亟待解决的问题。
电磁协同正是一种提高电磁资源利用率的新理论和方法,其技术核心是在准确预测系统复杂电磁环境效应的基础上,进行多功能系统电磁资源的协同控制,保证有限空间条件下多功能系统同时工作,实现多功能系统应对非预期电磁效应从“被动兼容”到“协同适应”的转变。
实现电磁资源协同控制的前提条件是准确预测系统复杂电磁环境效应,这需要精确计算复杂电磁环境效应,并准确测试复杂电磁环境效应。电磁协同以认识电磁环境效应为基础,以测试验证为支撑,以电磁协同控制为核心。对于精确计算复杂电磁环境效应,可以采用电磁协同计算的方法。对于准确测试复杂电磁环境效应,可以采用测试-计算协同的数字吸波方法。而实现电磁协同控制的理论方法则是“使能—消能”分析法。
在电磁协同计算方面,通过实现核心算法(并行、协同、综合)的自主可控、计算资源(服务器、存储器)的协同应用和设计资源(数据、模型、算法)的广域共享,形成支撑超大规模分布式电磁场精确计算的数值算法体系(涵盖时域、频域以及混合电磁计算算法)和电磁协同计算平台,解决精细仿真计算复杂电大金属介质混合目标、涂覆隐身目标,以及目标在其运行环境中的诱发电磁效应等一系列工程难题。
在电磁测试-计算协同方面,基于模式展开理论,实现了数字吸波技术,消除测试环境中的多径、多源干扰效应;通过运用无人机机械臂等灵活、多功能数据采样方式,打破传统微波暗室几何尺寸对装备电磁性能测试的技术极限,在应用环境中实现大型装备平台微波暗室般高精度辐射散射测量和高效电磁故障诊断,在开放空间完成了系列预警机电磁性能的整体综合验证,破解大型装备电磁验证受限于微波暗室条件的测试难题。
在电磁协同控制方面,以系统能力为牵引量化复杂电磁环境效应,提出电磁环境效应中“使能效应”与“消能效应”的概念:用“使能效应”表征各功能单元作用于电磁环境后给自身带来的主动性能增益,“消能效应”表征各功能单元作用于电磁环境后给系统内其他功能单元带来的被动性能损失。该分析法使得系统环境适应性的优化设计、体系电磁资源的动态分配、电磁攻防的战术布置实施都更有针对性,可为信息体系电磁协同控制和体系对抗中的制电磁权提供有力技术支撑。
电磁协同技术对有限的电磁资源进行有序的协同,提高体系电磁资源利用率,实现整体大于部分的总和,增强信息世界的整体效应,是提升信息世界有序运行能力的“金钥匙”。
