想象中的無人機(jī)集群
當(dāng)前，無人機(jī)是航空器發(fā)展的熱門領(lǐng)域。伴隨著無人機(jī)熱的持續(xù)升溫，新概念也大量涌現(xiàn)。分布式無人機(jī)與無人機(jī)集群便是例子。什么是分布式無人機(jī)？什么是無人機(jī)集群？二者之間什么關(guān)系？對于諸如此類的問題，非專業(yè)人士大都一知半解。好吧，我們就來說說這些問題。
一、什么是分布式無人機(jī)？
分布式無人機(jī)，即采用分布式結(jié)構(gòu)的無人機(jī)。所謂分布式結(jié)構(gòu)，就是將目前集成化的功能系統(tǒng)拆分為若干物理分離、結(jié)構(gòu)相對簡單、功能相對專一的子系統(tǒng)，通過信息互通，保持或擴(kuò)展原有功能。做一個(gè)比喻，如果把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)稱之為“形”，系統(tǒng)的功能稱之為“神”，分布式結(jié)構(gòu)就是“形散而神不散”。
空中作戰(zhàn)從集成到分布
分布式結(jié)構(gòu)的概念，由美國人提出。2010年5月，美國空軍首席科學(xué)家在《技術(shù)地平線報(bào)告——2010-2030年間空軍科學(xué)與技術(shù)構(gòu)想》中首次提出了分布式結(jié)構(gòu)的概念。
分布式結(jié)構(gòu)是相對于集成化而言的。所謂集成，就是把一些孤立、分散的事物或元素集中在一起，產(chǎn)生聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)功能整體。集成化的水平，可以用集成度進(jìn)行度量。以集成電路為例，目前元件的集成度已經(jīng)超過了1億個(gè)，組件數(shù)超過了109個(gè)。手機(jī)，就是集成化的產(chǎn)物，從最初的單一通話到現(xiàn)在的智能手機(jī)，就是元器件和功能模塊的集成度不斷提高的結(jié)果。無人機(jī)的發(fā)展也離不開零部件、功能模塊與單元體的高度集成，集成化帶來了無人機(jī)功能和運(yùn)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，同時(shí)也帶來了一些問題。
這些問題突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是隨著無人機(jī)集成度的不斷提高，其技術(shù)含量和復(fù)雜程度也不斷提升，研發(fā)周期不斷拉長，研發(fā)成本不斷攀升，無人機(jī)的成本優(yōu)勢逐漸喪失。目前，就大型高端無人機(jī)而言，在單機(jī)采購成本上無人機(jī)已經(jīng)沒有多少優(yōu)勢，其成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)于任務(wù)飛行成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有人駕駛飛機(jī)的訓(xùn)練飛行時(shí)間約占總壽命的95%，任務(wù)飛行時(shí)間僅占5%左右，而無人機(jī)的大部分訓(xùn)練都可以在模擬器上進(jìn)行，任務(wù)飛行時(shí)間可以達(dá)到總壽命的50%左右，因此，無人機(jī)的每小時(shí)任務(wù)飛行費(fèi)用要顯著低于有人駕駛飛機(jī)。二是對于高度集成化的無人機(jī)，其任一任務(wù)系統(tǒng)的損失都可能導(dǎo)致任務(wù)失敗或系統(tǒng)失靈，從而影響其戰(zhàn)場生存力。
面對問題，迫使美軍思考新的出路，分布式結(jié)構(gòu)也就應(yīng)運(yùn)而生。美軍希望通過分布式結(jié)構(gòu)推出一大批功能單一、成本低廉、可以大量裝備的無人機(jī)，部分取代目前成本居高不下的高端無人機(jī)，用數(shù)量優(yōu)勢取代質(zhì)量優(yōu)勢。美軍認(rèn)為在一定條件下，數(shù)量就是質(zhì)量?？梢?，分布式結(jié)構(gòu)其實(shí)就是“逆集成化”，是對集成化的反其道而行之。當(dāng)然，必須指出，分布式結(jié)構(gòu)不是對集成化的否定，而是提供了一種與集成化長期共存的新選擇。
分布式發(fā)展的最大好處是通過拆分和冗余技術(shù)的組合，在降低研制、使用費(fèi)用與風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，還具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)武器裝備的戰(zhàn)場生存力。目前，實(shí)現(xiàn)航空武器裝備的分布式發(fā)展主要面臨兩大難題：一是通信問題，如何在強(qiáng)對抗環(huán)境下保證子系統(tǒng)間通信的有效帶寬、時(shí)效性和抗干擾等問題；二是自主協(xié)同控制問題，空中戰(zhàn)場瞬息萬變，如何保證物理分離的各子系統(tǒng)圍繞作戰(zhàn)任務(wù)，在作戰(zhàn)空間實(shí)現(xiàn)快速協(xié)同。只有解決了這些問題，分布式結(jié)構(gòu)才能走向?qū)嵱?。近年來?G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題帶來了新的希望。
二、什么是無人機(jī)集群？
集群，是眾多個(gè)體聚集在一起，實(shí)現(xiàn)共同目的的群體協(xié)同行為。
魚類集群
集群現(xiàn)象存在于自然界，如一些魚類、鳥類、昆蟲類和哺乳類等動物的自主集群。動物集群有四個(gè)特點(diǎn)：一是無中心，沒有任何個(gè)體處于主導(dǎo)地位，任一個(gè)體的消失或功能喪失，都不影響群體功能；二是自主協(xié)同，每一個(gè)體依據(jù)相鄰周邊狀況，自主控制自身行為，實(shí)現(xiàn)群體間的自主協(xié)同；三是自主重構(gòu)，任何原因?qū)е录菏軗p或受到影響，集群都能夠自主恢復(fù)或建立新的構(gòu)型并保持穩(wěn)定；四是趨利避害，通過集群間的信息、資源共享與相互協(xié)作，動物集群可以增加個(gè)體發(fā)現(xiàn)、捕獲獵物的機(jī)會，同時(shí)也有利于規(guī)避天敵，提高個(gè)體的生存率。
人們關(guān)注動物集群由來已久。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是機(jī)間通信技術(shù)和自主控制技術(shù)的發(fā)展，借鑒動物集群實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群的問題引發(fā)人們高度關(guān)注。無人機(jī)集群，包括同構(gòu)集群和異構(gòu)集群。由相同類型無人機(jī)構(gòu)成的集群是同構(gòu)集群，由不同類型無人機(jī)構(gòu)成的集群是異構(gòu)集群。推而廣之，圍繞同一任務(wù)，無人機(jī)和有人機(jī)也可以構(gòu)成廣義異構(gòu)集群。目前，在研究動物集群的基礎(chǔ)上，對于無人機(jī)集群問題的研究主要集中在兩個(gè)方面，一是無人機(jī)自主集群的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，二是無人機(jī)自主集群的運(yùn)用研究。
無人機(jī)自主集群的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。近年來，關(guān)于無人機(jī)集群的報(bào)道屢見不鮮，如今年6月2日，為慶祝建校一百周年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)放飛了1000架四旋翼無人機(jī)，進(jìn)行了燈光秀表演，炫酷全場。此前，2018年7月19日，為慶祝公司成立50周年，英特爾公司用2018架四旋翼無人機(jī)在空中打出了“intel 50”字樣。目前，固定翼無人機(jī)的世界放飛紀(jì)錄，是2017年中國電子科技集團(tuán)創(chuàng)造的119架。這類表演可以分為兩種情形：一是通過飛行過程的程序控制，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的空中集群與飛行表演，目前的表演大多都是這種情形。二是通過無人機(jī)的自主控制與機(jī)間協(xié)同，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主集群。真正的無人機(jī)自主集群，其實(shí)是這種。現(xiàn)有報(bào)道中，這種情形極其少見。不是不愿意做，而是絕大多數(shù)表演者根本做不到。要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主集群，在技術(shù)上至少需要解決一系列問題，包括無人機(jī)自主控制算法、無人機(jī)飛行與環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸、寬帶大容量抗干擾網(wǎng)絡(luò)通信鏈路、飛行任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、編隊(duì)控制等。目前，關(guān)于無人機(jī)自主控制的公開項(xiàng)目主要有美國國防部先期規(guī)劃局（DAPAR）的“小精靈”項(xiàng)目、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）項(xiàng)目、美國空軍的山鶉（Perdix）項(xiàng)目、美國海軍的低成本無人機(jī)集群技術(shù)項(xiàng)目等。
無人機(jī)自主集群的運(yùn)用研究。包括作戰(zhàn)使用研究和民用研究。前面提到的美軍無人機(jī)集群項(xiàng)目中也都包含了作戰(zhàn)使用研究。無人機(jī)集群主要用于空中突防與防空壓制，一是利用集群無人機(jī)的低成本優(yōu)勢，大量消耗敵方防空導(dǎo)彈，使對手“打不起”；二是利用無人機(jī)集群的數(shù)量優(yōu)勢，造成敵方防空預(yù)警系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的“通道飽和”，使對手“看不見”“動不了”。此外，無人機(jī)集群也可以用于對面打擊和城市巷戰(zhàn)。歸根結(jié)底，無人機(jī)集群用于作戰(zhàn)，主要是發(fā)揮數(shù)量優(yōu)勢，讓對手無從招架。無人機(jī)集群用于民用領(lǐng)域，同樣是發(fā)揮無人機(jī)集群的數(shù)量優(yōu)勢，有望運(yùn)用于物流快遞、農(nóng)業(yè)播種植保、應(yīng)急救援中的通信組網(wǎng)、遙感對地觀測以及燈光秀等。
三、二者之間什么關(guān)系？
就概念而言，二者本質(zhì)不同，說的是不同領(lǐng)域的兩碼事。分布式，說的是無人機(jī)結(jié)構(gòu)，相對于目前的集成式而言。集群，說的是無人機(jī)的使用方式，相對于無人機(jī)的單平臺使用和小機(jī)群使用而言。
但是，二者也不是風(fēng)馬牛不相及，而是互為依托，相互促進(jìn)。如果沒有分布式結(jié)構(gòu)，也就很難有真正意義上的低成本無人機(jī)，無人機(jī)集群也就很難走向?qū)嶋H運(yùn)用。同樣，如果沒有無人機(jī)集群的相關(guān)研究和技術(shù)鋪墊，分布式結(jié)構(gòu)所要求的信息互通、功能不減也就無從實(shí)現(xiàn)。由此決定了二者在一些領(lǐng)域技術(shù)上是相通的，在實(shí)際發(fā)展中也是相互促進(jìn)的。
分布式無人機(jī)與無人機(jī)集群，為未來無人機(jī)發(fā)展開辟了新路，并有望帶來空中戰(zhàn)場的革命性變化。盡管目前二者都還處于概念探討與技術(shù)研究階段，距離工程化還有很長的路要走，但是未來值得期待，讓我們拭目以待。
【作者簡介】李清，航空工業(yè)發(fā)展研究中心研究員，航空工業(yè)集團(tuán)公司特級技術(shù)專家，從事航空產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略與裝備體系研究。
?