ADMOS: An Adaptive Dual-Mode Operational Swarm for Resilient Asset Defense under Communication Jamming

Resumen Técnico: ADMOS – Un Enjambre Operativo de Modo Dual Adaptativo para la Defensa Resiliente de Activos bajo Interferencia de Comunicaciones

Planteamiento del Problema
Los enjambres de Vehículos Aéreos No Tripulados (UAV) cooperativos diseñados para defender activos fijos suelen depender de una comunicación inter-agente continua para mantener un panorama situacional compartido y ejecutar una coordinación basada en el consenso. Esta arquitectura posee una vulnerabilidad crítica: los ataques electrónicos (interferencia de radio) que aumentan las tasas de pérdida de paquetes degradan la estimación del estado compartido. En los diseños de consenso estándar, los estimadores que asumen independencia de las mediciones (por ejemplo, filtros de Kalman) se vuelven excesivamente confiados cuando los mensajes se reutilizan a través de los ciclos de red, lo que conduce a una subestimación de las covarianzas de error. La evidencia empírica presentada en el artículo indica que, una vez que la pérdida de paquetes supera aproximadamente el 40%, estos sistemas sufren un colapso de coordinación abrupto y catastrófico, dejando al enjambre ineficaz. El artículo aborda el desafío de mantener la protección del activo en el régimen de "comunicación denegada" sin depender de mecanismos de acuerdo más fuertes.

Metodología: La Arquitectura ADMOS
Los autores proponen ADMOS (Adaptive Dual-Mode Operational Swarm), una arquitectura compuesta por tres elementos distintos y composibles diseñados para asegurar la resiliencia mediante la autonomía inteligente en lugar de un consenso forzado.

1. Estimación de Estado Distribuida mediante Intersección de Covarianza (CI):
   Para abordar el problema de las correlaciones cruzadas desconocidas inducidas por la reutilización de mensajes en redes con pérdida, ADMOS reemplaza la fusión que asume independencia con la Intersección de Covarianza. Este método fusiona las estimaciones locales ($\hat{x}_i, P_i$) con las estimaciones de los vecinos ($\hat{x}_j, P_j$) utilizando un peso $\omega$ optimizado para minimizar la traza de la covarianza resultante.

   • Mecanismo: $P_i^+ = (\omega P_i^{-1} + (1-\omega)P_j^{-1})^{-1}$.
   • Garantía: La estimación fusionada permanece consistente (la covarianza reportada nunca subestima el error real), independientemente de la correlación desconocida entre las entradas, evitando la "excesiva confianza" que provoca la divergencia de los sistemas de consenso.

2. Supervisor de Modo Híbrido con Histéresis y Tiempo de Permanencia:
   Cada agente opera en uno de dos modos discretos: Cooperativo (C) o Autónomo (A).

   • Modo Cooperativo: Utiliza estimaciones de vecinos fusionadas para leyes de guardia distribuidas.
   • Modo Autónomo: Depende únicamente de la detección local (dentro del rango $r_s$) para leyes de interceptación local.
   • Arbitraje: El supervisor monitorea una señal de salud del enlace, definida como la traza de la covarianza del error ($\eta_i = \text{tr}(P_i)$). La transición de C a A ocurre cuando $\eta_i$ excede un umbral alto ($\eta_{hi}$), y la reversión a C ocurre cuando cae por debajo de un umbral bajo ($\eta_{lo}$).
   • Estabilidad: Un tiempo de permanencia mínimo ($\tau_D$) y la histéresis previenen el "chattering" (conmutación rápida e inestable) y el comportamiento Zeno, asegurando que el sistema permanezca estable incluso bajo interferencia intermitente.

3. Filtro de Seguridad de Función de Barrera de Seguridad de Orden Superior (HOCBF):
   Un filtro de seguridad se sitúa sobre los comandos de control nominales (de cualquiera de los dos modos) para garantizar la invariancia hacia adelante del conjunto seguro (evitación de colisiones).

   • Implementación: El filtro resuelve un Programa Cuadrático (QP) a 10 Hz. Las restricciones se endurecen con un margen robusto proporcional a la incertidumbre del estimador ($\sqrt{\text{tr}(P_i)}$), asegurando que los agentes con mayor incertidumbre mantengan distancias de separación mayores.
   • Respaldo: Si el QP se vuelve infactible (por ejemplo, en escenarios de empaquetamiento denso), el agente ejecuta un comando de frenado para detenerse, preservando la seguridad a costa del progreso de la misión.

Estabilidad y Garantías Teóricas
El artículo demuestra que el sistema de bucle cerrado es Estable respecto a la Entrada de Estado (ISS) con respecto a los errores de estimación y las perturbaciones para cualquier asignación de modos en el enjambre.

• Teorema 1: Bajo supuestos de dinámica Lipschitz, equilibrio compartido y perturbaciones acotadas, el sistema híbrido satisface un límite ISS. El error de guardia permanece acotado por una función de la magnitud de la perturbación, asegurando que el desempeño se degrade gradualmente en lugar de colapsar a medida que aumenta la pérdida de paquetes.
• Degradación Gradual: La arquitectura está diseñada de tal manera que, a medida que la comunicación se degrada ($p \to 1$), los agentes transitan al modo autónomo, y el límite ISS asegura que el enjambre permanezca estable y seguro, aunque con una eficiencia de coordinación reducida.

Contribuciones Clave
El artículo realiza cuatro contribuciones primarias, validadas mediante simulaciones de alta fidelidad:

1. Estimación Consistente: Reemplazar la fusión que asume independencia con la Intersección de Covarianza para mantener la consistencia del estimador bajo correlaciones desconocidas, intercambiando la nitidez máxima por robustez.
2. Supervisión No-Zeno: Un supervisor híbrido que utiliza histéresis y tiempo de permanencia que garantiza tasas de conmutación finitas y evita la inestabilidad causada por el chatter de los modos.
3. Seguridad Consciente de la Factibilidad: Un filtro de seguridad basado en HOCBF que acopla el endurecimiento de restricciones con la incertidumbre del estimador, proporcionando una garantía de seguridad formal que se degrada gradualmente con la calidad de la estimación.
4. Certificado ISS: Una prueba formal de Estabilidad respecto a la Entrada de Estado para el sistema de modo dual, estableciendo que el enjambre permanece acotado bajo cualquier secuencia de modos, incluyendo la denegación total de la comunicación.

Resultados
El sistema fue evaluado en un simulador de cuadricóptero de alta fidelidad a través de 80 ensayos de Monte Carlo por escenario.

• Tasa de Protección de Activos (APR):
  • Enlaces Saludables (S1): ADMOS logró un APR del 92.5% frente al 78.4% de la línea base de consenso.
  • Interferencia Total (S2): ADMOS mantuvo un APR del 84.0%, mientras que la línea base colapsó al 42.0%.
  • Desventaja Numérica (S3, relación intruso 3:1): ADMOS logró un 78.0% frente al 45.0% de la línea base.
• Perfil de Degradación: La línea base exhibió un "acantilón" agudo de rendimiento cerca del 40% de pérdida de paquetes. ADMOS demostró un declive monótono y suave del 92.5% al 84% a través de todo el rango de pérdida de paquetes (0% a 100%).
• Seguridad: Se registraron cero violaciones de seguridad (colisiones) para ADMOS en todos los ensayos. La línea base incurrió en violaciones de seguridad cuando hubo presencia de interferencia.
• Estudio de Ablación: Eliminar cualquier componente individual (CI, tiempo de permanencia o HOCBF) resultó en caídas significativas de rendimiento o fallos de seguridad, confirmando que cada elemento es necesario.
• Costo Computacional: El flujo completo se ejecuta en menos de 1 ms por agente a una tasa de control de 10 Hz, dentro de los presupuestos de tiempo real.

Significado y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la resiliencia en los enjambres defensivos se logra no forzando a los agentes a acordar con más fuerza bajo condiciones adversas, sino permitiéndoles actuar de forma autónoma e inteligente cuando el acuerdo es imposible.

• Cambio Arquitectónico: La contribución es arquitectónica y de nivel de certificado, más que táctica. Las leyes específicas de guardia o interceptación pueden intercambiarse sin invalidar la prueba de estabilidad, siempre que las capas de estimación, supervisión y seguridad permanezcan.
• Gradual vs. Catastrófico: La principal significancia es el cambio del "colapso catastrófico" (observado en las líneas base de consenso) hacia la "degradación gradual". Un adversario puede degradar el desempeño de un enjambre ADMOS, pero no puede inducir una pérdida total y repentina de la coordinación al cruzar un umbral crítico de interferencia.
• Alcance: Los autores limitan explícitamente sus afirmaciones al modelo de amenaza definido (interferencia de radio que causa pérdida de paquetes, sin mensajes falsificados o agentes bizantinos). Reconocen que los resultados se basan actualmente en simulación y que la abstracción de doble integrador introduce una brecha de perturbación acotada respecto a la dinámica real de un cuadricóptero.

En conclusión, ADMOS demuestra que un enjambre defensivo puede mantener un nivel creíble de protección de activos incluso bajo denegación total de comunicación, desacoplando la consistencia de la estimación, la arbitración de modos y las restricciones de seguridad bajo un marco de estabilidad unificado.