從明朝萬戶飛天，到達(dá)·芬奇撲翼機(jī)草圖，再到萊特兄弟“飛行者1號(hào)”，人類的飛天夢經(jīng)過一代代人的大膽設(shè)想與不懈努力已最終實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)字時(shí)代的到來，無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）應(yīng)運(yùn)而生，它打破了曾經(jīng)僅有少數(shù)人可以征服天空的固有格局。無人機(jī)，作為一種“機(jī)上無人，系統(tǒng)有人”的無人駕駛飛行器，在執(zhí)行枯燥、惡劣和危險(xiǎn)（the dull, the dirty and the dangerous，3D）任務(wù)時(shí)，相比有人機(jī)具有更大的優(yōu)勢。
無人機(jī)的發(fā)展歷史可以追溯到1914年，一項(xiàng)名為“AT計(jì)劃”的軍事絕密實(shí)驗(yàn)在英國悄然展開，該項(xiàng)計(jì)劃的前期實(shí)驗(yàn)雖未取得成功，卻掀起了航空發(fā)展史上的無人機(jī)熱潮。3年后，美國成功使用自動(dòng)陀螺穩(wěn)定器改裝Curtis N-9型教練機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的無線電控制，第一架無人機(jī)就此誕生。1985年，中國第一架無人機(jī)——北京5號(hào)，歷經(jīng)坎坷終于問世。中國無人機(jī)發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，如今中國生產(chǎn)的各型無人機(jī)，如被稱為中國版“收割鷹”無人機(jī)的“彩虹四號(hào)”、“翼龍II”中空長航時(shí)察打一體無人機(jī)、大疆公司推出的定位于專業(yè)級(jí)航拍的精靈（Phantom）系列無人機(jī)，在國際市場得到廣泛認(rèn)可，銷量不斷增加。
富于幻想的人類從未停止探索的腳步，今天他們又開始腦洞大開，希望無人機(jī)群可以像鳥群一樣群集飛行，即開發(fā)并實(shí)現(xiàn)類似自然界中生物群體系統(tǒng)一樣的無人機(jī)自主集群系統(tǒng)。法國動(dòng)物學(xué)家Grassé基于白蟻筑巢行為，提出了共識(shí)自主性（stigmergy）概念：一種個(gè)體間間接協(xié)調(diào)的機(jī)制，即無需任何集中規(guī)劃以及直接通信完成復(fù)雜智能活動(dòng)。這是自主集群概念開始走入人類視野并逐步發(fā)展的開端。從生物延展到無人機(jī)，自主集群的概念亦在不斷演化與豐富。無人機(jī)自主集群是大量自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集體運(yùn)動(dòng)，集群內(nèi)的無人機(jī)間通過信息的傳輸與合作突現(xiàn)出智能，具備一定程度的共識(shí)自主性。具體來說，無人機(jī)自主集群飛行，就是大量具有自主能力的無人機(jī)按照一定結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行三維空間排列，且在飛行過程中可保持穩(wěn)定隊(duì)形，并能根據(jù)外部情況和任務(wù)需求進(jìn)行隊(duì)形動(dòng)態(tài)調(diào)整，以體現(xiàn)整個(gè)機(jī)群的協(xié)調(diào)一致性。無人機(jī)自主集群的內(nèi)涵在“數(shù)”“價(jià)”“質(zhì)”“變”4個(gè)方面有別于傳統(tǒng)的多架無人機(jī)協(xié)同：“數(shù)”是指二者數(shù)量規(guī)模不在一個(gè)量級(jí)，集群一般指幾十架甚至上百架無人機(jī)；“價(jià)”是指二者平臺(tái)造價(jià)不在一個(gè)水平，組成集群的單無人機(jī)平臺(tái)價(jià)格低廉，可大量裝備，使用時(shí)即使有損失，也不會(huì)過于慘重，故可大膽使用；“質(zhì)”是指二者技術(shù)水平差距大，二者在智能傳感、環(huán)境感知、分析判斷、網(wǎng)絡(luò)通信、自主決策等方面均不在一個(gè)層次，無人機(jī)自主集群是有很強(qiáng)的智能涌現(xiàn)的共識(shí)自主性；“變”是指二者適變和應(yīng)變能力差距大，無人機(jī)自主集群可針對(duì)威脅等突發(fā)狀況進(jìn)行復(fù)雜協(xié)作、動(dòng)態(tài)調(diào)整以及自愈組合。
無人機(jī)自主集群
無人機(jī)自主性
日益復(fù)雜的任務(wù)與環(huán)境決定了無人機(jī)系統(tǒng)必須具備很高的自主性。無人機(jī)的自動(dòng)控制與自主控制的主要區(qū)別在于：自動(dòng)控制是系統(tǒng)按照指令控制執(zhí)行任務(wù)，而系統(tǒng)本身并沒有決策與協(xié)調(diào)的能力；而自主控制則需要無人機(jī)自身在必要的時(shí)刻做出決策。因此，無人機(jī)自主控制應(yīng)該使無人機(jī)具有自治的能力，必須能夠在不確定對(duì)象和環(huán)境條件下，在無人參與的情況下，持續(xù)完成必要的控制功能。自主性、機(jī)載信息獲取、傳輸及其應(yīng)用能力將是未來無人機(jī)在動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境下完成復(fù)雜任務(wù)的關(guān)鍵。
美國致力于打造無人機(jī)自主集群系統(tǒng)，力保軍事技術(shù)全球領(lǐng)先。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）、海軍研究局等機(jī)構(gòu)，在無人機(jī)集群高風(fēng)險(xiǎn)/高回報(bào)的概念驗(yàn)證研究方面成果顯著。2005年8月，美國國防部發(fā)布的《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005—2030》（圖1）將無人機(jī)自主控制等級(jí)分為1~10級(jí)，包括單機(jī)自主（遙引導(dǎo)、實(shí)時(shí)故障診斷、故障自修復(fù)和環(huán)境自適應(yīng)、機(jī)載航路重規(guī)劃）、多機(jī)自主（多機(jī)協(xié)調(diào)、多機(jī)戰(zhàn)術(shù)重規(guī)劃、多機(jī)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)）、集群自主（分布式控制、群組戰(zhàn)略目標(biāo)、全自主集群）3個(gè)層面，并指出“全自主集群”是無人機(jī)自主控制的最高等級(jí)，預(yù)計(jì)2025年后無人機(jī)將具備全自主集群能力。2016年5月，美國空軍發(fā)布了《小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016—2036》（圖2），從戰(zhàn)略層面肯定了小型無人機(jī)系統(tǒng)的前景和價(jià)值。規(guī)劃對(duì)“蜂群”、“編組”、“忠誠僚機(jī)”三種集群作戰(zhàn)概念進(jìn)行了闡述，其中“編組”是人對(duì)人，“忠誠僚機(jī)”是人對(duì)機(jī)，“蜂群”是機(jī)對(duì)機(jī)，從側(cè)面印證了無人機(jī)集群發(fā)展的重要性。2018年8月，美國國防部發(fā)布了《無人系統(tǒng)綜合路線圖2017—2042》，在新版路線圖中再次強(qiáng)調(diào)了自主性對(duì)于加速無人系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)步的重要作用，即自主性技術(shù)的發(fā)展可極大提高人和無人系統(tǒng)的效率和效能，是重要的力量倍增器，將徹底改變作戰(zhàn)概念。
圖 1 無人機(jī)系統(tǒng)路線圖（2005—2030）
圖 2 小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃（2016—2036）
關(guān)于無人機(jī)自主性評(píng)價(jià)的方法除《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005—2030》中采用的等級(jí)法外，還有雙坐標(biāo)軸法、三坐標(biāo)軸法、查表法、公式法等。評(píng)定無人機(jī)的自主等級(jí)，實(shí)際上是評(píng)估無人機(jī)在完成特定任務(wù)過程中所呈現(xiàn)的自主能力。因此，可以將無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)作為其自主性的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，構(gòu)建圖3所示的蛛網(wǎng)模型：從原點(diǎn)往外輻射出代表評(píng)價(jià)項(xiàng)目或關(guān)鍵技術(shù)的若干條軸，每個(gè)項(xiàng)目都有若干個(gè)表征技術(shù)成熟程度的等級(jí)，對(duì)于每一個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)，將其在每條軸上對(duì)應(yīng)的等級(jí)依次連接起來，即可用類似蛛網(wǎng)的緯線評(píng)價(jià)該無人機(jī)系統(tǒng)的自主性。
圖 3 自主性評(píng)價(jià)的蛛網(wǎng)模型
通過探討無人機(jī)自主性的內(nèi)涵和評(píng)價(jià)方法可知，自主表達(dá)的是行為方式，由自身決策完成某行為。自主不同于智能，智能是實(shí)施行為的能力，行為過程符合自然規(guī)律。二者間存在緊密關(guān)聯(lián)：1）自主在前，智能在后，二者相輔相成；2）自主未必智能，但自主希望有智能；3）智能依賴自主，智能的等級(jí)取決于自主權(quán)的高低。無人機(jī)智能水平可劃分為3個(gè)層級(jí)，與美國國防部《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005—2030》中的無人機(jī)自主控制等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：第1層級(jí)高可靠活著包含遙引導(dǎo)、實(shí)時(shí)故障診斷、故障自修復(fù)和環(huán)境自適應(yīng)、機(jī)載航路重規(guī)劃；第2層級(jí)高品質(zhì)工作包含多機(jī)協(xié)調(diào)、多機(jī)戰(zhàn)術(shù)重規(guī)劃、多機(jī)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)；第3層級(jí)為集體使命高效工作包含分布式控制、群組戰(zhàn)略目標(biāo)、全自主集群。無人機(jī)自主控制技術(shù)按照人類智能的一般發(fā)展路徑可從“智商”、“情商”和“逆商”3方面提出對(duì)應(yīng)的發(fā)展要求：“智商”對(duì)應(yīng)無人機(jī)個(gè)體能力，即計(jì)算和決策方面的無人機(jī)自主控制技術(shù)，例如航路規(guī)劃、艦載起降、對(duì)地攻擊、空戰(zhàn)決策等；“情商”對(duì)應(yīng)無人機(jī)群體融合能力，即高帶寬互聯(lián)和互操作類技術(shù)，例如無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)、有人/無人協(xié)同飛行、協(xié)同偵查/打擊等；“逆商”對(duì)應(yīng)無人機(jī)應(yīng)對(duì)非預(yù)期狀況的能力，即高容錯(cuò)和提高環(huán)境適應(yīng)性類技術(shù)，例如健康管理、故障重構(gòu)、容錯(cuò)控制、碰撞檢測與規(guī)避等。從目前所能達(dá)到的技術(shù)水平來看，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)的自主控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。
無人機(jī)自主集群內(nèi)涵
隨著無人與自主技術(shù)的深化應(yīng)用，開發(fā)無人機(jī)自主集群系統(tǒng)已成為無人機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向，通過緊密協(xié)作，無人機(jī)集群系統(tǒng)可以體現(xiàn)出比人工系統(tǒng)更卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主能力。無人機(jī)自主集群具有以下特點(diǎn)：可有效解決有限空間內(nèi)多無人機(jī)之間的沖突；可以低成本、高度分散的形式滿足功能需求；可形成動(dòng)態(tài)自愈合網(wǎng)絡(luò)，通過去中心化自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息高速共享、抗故障與自愈；具有分布式集群智慧，可通過分布式投票解決問題，且往往該種方式的正確率更高；可采用分布式探測方式，提高主動(dòng)與被動(dòng)探測的探測精度。
鑒于無人機(jī)自主集群所具備的以上特點(diǎn)，無人機(jī)自主集群勢必成為未來作戰(zhàn)的主流趨勢（圖4）。無人機(jī)自主集群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的無人機(jī)系統(tǒng)通過有人或無人操作裝置的輔助，在一名高級(jí)操作員監(jiān)控下，完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程。無人機(jī)自主集群作戰(zhàn)優(yōu)勢可概括為以下5點(diǎn)：1）在去中心化的無人機(jī)集群作戰(zhàn)中，不存在某一個(gè)體處于主導(dǎo)地位，任一個(gè)體故障均不影響群體功能；2）集群內(nèi)的所有個(gè)體僅通過觀察臨近個(gè)體位置，控制自身行動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自主協(xié)同；3）集群具有強(qiáng)大的復(fù)原能力，當(dāng)集群受外力發(fā)生改變時(shí)，會(huì)快速自動(dòng)形成新結(jié)構(gòu)，并保持穩(wěn)定；4）集群能夠克服個(gè)體能力的不足，通過協(xié)同實(shí)現(xiàn)整體能力放大；5）集群作戰(zhàn)運(yùn)用具有較低決策門檻和政治風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢，無人機(jī)集群作戰(zhàn)有望實(shí)現(xiàn)低成本低損失。
圖4 無人機(jī)自主集群作戰(zhàn)模式
綜上所述，采用無人機(jī)自主集群作戰(zhàn)方式，將逐步改變作戰(zhàn)形態(tài)，其應(yīng)用形式大致可以歸納為以下4點(diǎn)。
1）滲透偵察：無人機(jī)集群內(nèi)平臺(tái)輕小，節(jié)點(diǎn)雷達(dá)散射截面積較小，且可任意拆分形成小的群組從多個(gè)方向滲透，隱蔽性和迷惑性較強(qiáng)，有利于突破敵方防空體系，可進(jìn)行抵近偵察，通過集群機(jī)間鏈通信中繼方式接力向后方控制與指揮中心傳回情報(bào)。
2）誘騙干擾：采用無人機(jī)集群充當(dāng)誘餌或干擾機(jī)，替代隱身轟炸機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)直接進(jìn)入戰(zhàn)場的傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式，可引誘敵方防空探測設(shè)備開機(jī)工作從而暴露陣位，消耗敵方防空兵器；此外，可攜帶電子干擾設(shè)備，對(duì)敵方預(yù)警雷達(dá)、制導(dǎo)武器等進(jìn)行更加抵近的電子干擾壓制欺騙。
3）察打一體：無人機(jī)集群可以根據(jù)任務(wù)需要通過靈活配置集群內(nèi)平臺(tái)的偵察探測、電子干擾、火力打擊力模塊，可形成偵察-打擊編隊(duì)，對(duì)關(guān)鍵或高危目標(biāo)的薄弱部位進(jìn)行實(shí)時(shí)偵察打擊，以達(dá)到出其不意的作戰(zhàn)目的。
4）協(xié)同攻擊：無人機(jī)集群可作為前沿作戰(zhàn)編隊(duì)，由有人機(jī)控制，并掩護(hù)有人機(jī)安全，為有人機(jī)發(fā)射的大噸位防區(qū)外導(dǎo)彈提供精確制導(dǎo)信息，用以目標(biāo)指示，實(shí)現(xiàn)有人無人共融作戰(zhàn)；此外，運(yùn)用復(fù)眼戰(zhàn)術(shù)，利用數(shù)量眾多的具有自主控制能力的無人機(jī)組成集群，可進(jìn)行全方位、多角度的飽和攻擊，實(shí)現(xiàn)局部“以多打少”的對(duì)抗形式，使敵方難以應(yīng)對(duì)。
發(fā)展趨勢
在現(xiàn)有的多機(jī)協(xié)同基礎(chǔ)上，無人機(jī)自主集群系統(tǒng)日益復(fù)雜（圖5）。在成員數(shù)量方面，無人機(jī)集群系統(tǒng)將從傳統(tǒng)多機(jī)協(xié)同中的數(shù)架無人機(jī)拓展至幾十架甚至是成百上千架無人機(jī)。在平臺(tái)自主水平方面，無人機(jī)集群系統(tǒng)將從僅可執(zhí)行偵察監(jiān)視等簡單任務(wù)發(fā)展到可完成非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的復(fù)雜對(duì)抗性任務(wù)。在平臺(tái)異構(gòu)性方面，無人機(jī)集群系統(tǒng)將從單一的平臺(tái)載荷發(fā)展到多任務(wù)領(lǐng)域下的異構(gòu)平臺(tái)和載荷。在集群復(fù)雜度方面，無人機(jī)集群系統(tǒng)將從簡單的領(lǐng)導(dǎo)者/跟隨者的交互發(fā)展到自組織、分布式自主協(xié)作。在人-集群交互模式方面，無人機(jī)集群系統(tǒng)將從簡單的遙控模式發(fā)展到人-集群智能交互模式。具體來說，無人機(jī)自主集群系統(tǒng)具有如下發(fā)展趨勢。
圖5 無人機(jī)自主集群發(fā)展趨勢
無人機(jī)和有人機(jī)共融集群
由于無人機(jī)對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢的感知與實(shí)時(shí)決策能力還不能完全替代人的思維與判斷，尚難以滿足復(fù)雜戰(zhàn)爭中對(duì)無人機(jī)高層次自主和智能的要求。因此，采取無人機(jī)與有人機(jī)共融集群，實(shí)現(xiàn)能力互補(bǔ)和行動(dòng)協(xié)調(diào)，已成為重要發(fā)展趨勢。無人機(jī)可充分利用其機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、成本低、隱身性能好的優(yōu)勢，在惡劣條件下執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)，消除有人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)；有人機(jī)可充分利用人的智慧和綜合判斷能力，排除干擾，實(shí)現(xiàn)共融集群的綜合決策和任務(wù)管理。2010年4月，美軍發(fā)布的《美國陸軍無人機(jī)系統(tǒng)2010—2035路線圖》明確把無人機(jī)發(fā)展劃分為3個(gè)關(guān)鍵階段，提出通過通用互操作標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)的一體化，從而為實(shí)現(xiàn)高層次人機(jī)融合奠定基礎(chǔ)。2016年5月，美國空軍發(fā)布的《小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016—2036》對(duì)“忠誠僚機(jī)”集群作戰(zhàn)概念進(jìn)行了闡述，強(qiáng)調(diào)無人機(jī)與有人機(jī)的共融作戰(zhàn)，旨在通過無人機(jī)與有人機(jī)聯(lián)合編隊(duì)加強(qiáng)雙方作戰(zhàn)能力。2018年8月，美國國防部發(fā)布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖2017—2042》強(qiáng)調(diào)應(yīng)注重互操作性技術(shù)發(fā)展以助力有人/為無人系統(tǒng)的高度協(xié)同。在中國國務(wù)院2017年7月發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，8次提到了“人機(jī)協(xié)同”，并把“人機(jī)協(xié)同共融”作為建立新一代人工智能關(guān)鍵共性技術(shù)體系的重點(diǎn)任務(wù)之一。在2018國家機(jī)器人發(fā)展論壇暨RoboCup機(jī)器人世界杯中國賽開幕式上，中國工程院院士王天然指出“下一代機(jī)器人將‘與人共融’，如果能抓住這個(gè)機(jī)遇，中國將在機(jī)器人創(chuàng)新舞臺(tái)上扮演一個(gè)特殊的角色”。在2018 IEEE/CSAA制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制學(xué)術(shù)會(huì)議（IEEE/CSAA GNCC2018）上，中國工程院院士樊邦奎提出“無人機(jī)系統(tǒng)與有人系統(tǒng)之間的高度協(xié)同是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵”。因此，在未來信息化、網(wǎng)絡(luò)化、體系對(duì)抗的環(huán)境下，采取無人機(jī)與有人機(jī)共融集群，通過密切協(xié)同和高度智能的人機(jī)交互來完成信息獲取、任務(wù)決策、指揮引導(dǎo)復(fù)雜人機(jī)協(xié)同，達(dá)成操作員與無人機(jī)不同維度間的互聯(lián)互通互操作，可實(shí)現(xiàn)跨域平臺(tái)系統(tǒng)任務(wù)能力的倍增甚至指增效益。
新型變體無人機(jī)
在2015年4月美國海軍研究局發(fā)布的“低成本無人機(jī)集群技術(shù)”（low-cost UAV swarming technology，LOCUST）項(xiàng)目中就已經(jīng)出現(xiàn)變體無人機(jī)的身影，在該項(xiàng)目中變體無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)從多管發(fā)射裝置中彈射起飛，并在起飛過程中自動(dòng)展開機(jī)翼及推進(jìn)器，變形成任務(wù)模式下的舒展形態(tài)。2015年9月，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局在發(fā)布的“小精靈”項(xiàng)目中再次暢想了變體無人機(jī)，尤其是輕小型變體無人機(jī)的未來。該項(xiàng)目打破了傳統(tǒng)依賴空中加油實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)半徑延展的模式，而是設(shè)想依托集群發(fā)射與回收技術(shù)，讓現(xiàn)有大型飛機(jī)在敵方防御射程外發(fā)射成群的小型無人機(jī)，當(dāng)任務(wù)結(jié)束后母機(jī)再對(duì)小型無人機(jī)進(jìn)行回收。由于“小精靈”無人機(jī)無地面起落環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)上更貼近于導(dǎo)彈的外觀，當(dāng)任務(wù)結(jié)束進(jìn)行回收時(shí)，“小精靈”無人機(jī)將自動(dòng)打開飛機(jī)頂部與母機(jī)捕獲器配套的回收裝置，并折疊機(jī)翼，以便帶回由地面人員在24 h內(nèi)完成重置并等待下次使用。2018年，美國AeroVironment公司計(jì)劃通過集成FlightWave公司的Edge混合垂直起降技術(shù)開發(fā)一種具有垂直起降模式和固定翼飛行模式的新型變體無人機(jī)，該無人機(jī)起飛和著陸時(shí)無需使用諸如攔阻網(wǎng)或彈射器之類的地面設(shè)備。采用變體技術(shù)后的無人機(jī)，其不同任務(wù)狀態(tài)下的飛行性能可從根本上得到改善，將同時(shí)兼顧長航時(shí)巡邏飛行、高速?zèng)_刺和高機(jī)動(dòng)飛行能力，使無人機(jī)在擔(dān)負(fù)傳統(tǒng)的偵察監(jiān)視任務(wù)的同時(shí)，具備有效打擊各種地面、海面以及空中目標(biāo)的能力。
智能集群系統(tǒng)
2016年8月，美國國防部國防科學(xué)委員會(huì)發(fā)布了《Autonomy》（《自主性》），指出“未來人工智能戰(zhàn)爭不可避免”。2017年7月，美國情報(bào)高級(jí)研究計(jì)劃局發(fā)布了《Artificial intelligence and national security》（《人工智能與國家安全》），再次指出“人工智能技術(shù)是國家安全的顛覆性技術(shù)”。在2017年7月中國國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，提到“群體認(rèn)知”“群體感知、協(xié)同與演化”“群體集成智能”，并21次提到“群體智能”，11次提到“自主無人系統(tǒng)”。基于人工智能設(shè)計(jì)無人機(jī)集群分布式控制框架，使得系統(tǒng)中的無人機(jī)僅在局部感知能力下，通過集群數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，同其他無人機(jī)組建自組織智能交互網(wǎng)絡(luò)，并在外界環(huán)境觸發(fā)作用下，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為模式，具備學(xué)習(xí)能力，在群體層面涌現(xiàn)出智能。大自然是人類創(chuàng)造力的豐富源泉。鳥類、獸類、魚類、昆蟲類等群居性生物為適應(yīng)生存環(huán)境，歷經(jīng)長期演化后，激發(fā)涌現(xiàn)出高度協(xié)調(diào)一致的群集運(yùn)動(dòng)。將這種具有無中心、共識(shí)主動(dòng)性、簡單性和自組織性等特點(diǎn)的群體智能機(jī)制應(yīng)用于無人機(jī)集群自主控制這一顛覆性技術(shù)，無論從理論框架還是應(yīng)用需求都是十分契合的。在集成生物群體智能的無人機(jī)集群系統(tǒng)中，個(gè)體通過收集和處理信息來適應(yīng)環(huán)境，進(jìn)行個(gè)體知識(shí)的更新，通過與集群中其他個(gè)體的交互，進(jìn)行歷史經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)和社會(huì)學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)化從而獲得更強(qiáng)的生存能力以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力；當(dāng)某個(gè)無人機(jī)出現(xiàn)故障，其他無人機(jī)會(huì)自動(dòng)修復(fù)填補(bǔ)，在系統(tǒng)層面表現(xiàn)出自愈能力；若有新的無人機(jī)加入集群，只要與邊界處的無人機(jī)建立通信，新的集群會(huì)迅速完成融合。北京航空航天大學(xué)仿生自主飛行系統(tǒng)研究組10余年來，通過借鑒雁群、鴿群、椋鳥群、狼群、蜂群、蟻群等生物群體的共識(shí)自主性集群智慧，采用分布式策略設(shè)計(jì)了無人機(jī)集群自主控制方法和技術(shù)，并結(jié)合這些生物群體智能進(jìn)行了無人機(jī)集群編隊(duì)、目標(biāo)分配、目標(biāo)跟蹤、集群圍捕等任務(wù)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，下一步將開展基于群體智能的有人/無人跨域異構(gòu)集群自主控制方面的研究。
無人機(jī)集群自主對(duì)抗
隨著作戰(zhàn)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和識(shí)別技術(shù)的不斷突破，在交戰(zhàn)雙方信息比較清晰的情況下，當(dāng)無人機(jī)進(jìn)行集群對(duì)抗時(shí)，如何在機(jī)載設(shè)備采集的信息指引下，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行空戰(zhàn)策略的選擇，必將成為空戰(zhàn)成敗的決定性因素。2015年10月，辛辛那提大學(xué)Psibernetix公司研發(fā)了一款高保真的空戰(zhàn)模擬虛擬空間，所研發(fā)的Alpha人工智能利用超級(jí)電腦的數(shù)據(jù)中心處理系統(tǒng)在模擬空戰(zhàn)中擊落了空軍假想敵教官（前空軍上校Gene Lee），該系統(tǒng)目前主要通過模擬戰(zhàn)機(jī)飛行，改善無人機(jī)的飛行應(yīng)變能力，大大降低無人機(jī)飛行失誤率，在評(píng)估、計(jì)劃、應(yīng)急方面均比正式飛行員更加快速有效，可同時(shí)處理多個(gè)攻擊目標(biāo)，調(diào)配武器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊。2017年12月，敘利亞反對(duì)派采用無人機(jī)機(jī)群重創(chuàng)俄羅斯在敘境內(nèi)的赫梅米空軍基地，無人機(jī)集群作戰(zhàn)初具雛形。武器系統(tǒng)的發(fā)展，改變了整個(gè)空戰(zhàn)的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)方式，使其發(fā)展成了由超視距攻擊和近距格斗兩個(gè)階段組成的復(fù)雜任務(wù)。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群自主對(duì)抗的關(guān)鍵是空戰(zhàn)決策技術(shù)，即研究無人機(jī)在線感知條件下，如何與集群內(nèi)的其他無人機(jī)協(xié)調(diào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)或者近實(shí)時(shí)的超視距攻擊階段的目標(biāo)與武器分配以及近距格斗階段的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)選擇，達(dá)到具備經(jīng)驗(yàn)豐富的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員決策能力的目的。
在無人機(jī)集群技術(shù)、裝備與戰(zhàn)術(shù)快速發(fā)展的形勢下，各國開始投資發(fā)展反無人機(jī)技術(shù)。根據(jù)雷聲公司2018年3月發(fā)布的報(bào)告，美國陸軍在俄克拉何馬州西爾堡舉行了“機(jī)動(dòng)火力綜合試驗(yàn)”（maneuver fires integrated experiment，MFIX）演習(xí)，雷聲公司利用其先進(jìn)高功率微波武器和高能激光武器擊落了45架無人機(jī)。國內(nèi)外對(duì)無人機(jī)反制的手段無外乎3種模式：直接摧毀、監(jiān)測控制類、干擾阻斷類。對(duì)應(yīng)到無人機(jī)集群，可以采用的反制措施，包含以下幾種形式：搗毀蜂巢，即運(yùn)用綜合火力全方位打擊運(yùn)載平臺(tái)，力爭摧毀或在投放空域之外實(shí)現(xiàn)攔截；密集攔截，即采用彈炮融合系統(tǒng)和密集防空火炮對(duì)無人機(jī)集群實(shí)施攔截打擊；集群對(duì)抗，以彼之道還施彼身，用集群來對(duì)抗集群；電磁癱毀，即運(yùn)用定向能武器進(jìn)行抗擊，或進(jìn)行地面大功率電子干擾；控制劫持，即通過注入控制指令或病毒，采用網(wǎng)絡(luò)入侵的方式進(jìn)行抗擊。正因如此，發(fā)展應(yīng)對(duì)反無人機(jī)技術(shù)的無人機(jī)集群技術(shù)在日益復(fù)雜的任務(wù)態(tài)勢下顯得尤為重要，例如，發(fā)展應(yīng)對(duì)頻譜資源短缺、頻譜環(huán)境復(fù)雜、環(huán)境和人為干擾嚴(yán)重等問題的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)。
應(yīng)用設(shè)想
在無人機(jī)集群系統(tǒng)中，大規(guī)模、低成本的小型無人機(jī)平臺(tái)通過相互協(xié)調(diào)合作，具有資源配置機(jī)動(dòng)靈活、任務(wù)執(zhí)行成本低等特點(diǎn)，可滿足未來高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)對(duì)抗等復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)需求。通過大量無人機(jī)間的相互通信和行動(dòng)協(xié)調(diào)以及各無人機(jī)間的相互能力互補(bǔ)，可建立一種有效的協(xié)同策略，提高資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)單無人機(jī)平臺(tái)的任務(wù)能力拓展以及無人機(jī)集群系統(tǒng)的整體任務(wù)效能提升。
在軍用領(lǐng)域，無人機(jī)集群系統(tǒng)必將帶來作戰(zhàn)模式的顛覆性變革。通過合理運(yùn)用，無人機(jī)集群可在戰(zhàn)爭中發(fā)揮出重要價(jià)值：可在使用前更換各種傳感器等有效載荷，執(zhí)行不同的任務(wù)；可進(jìn)行電子干擾/賽博攻擊，實(shí)施情報(bào)監(jiān)視和偵察；可與戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)等隱身裝備配合，使敵方雷達(dá)無法區(qū)分目標(biāo)；可為打擊平臺(tái)、已發(fā)射的反輻射反艦武器提供目標(biāo)指示或輔助瞄準(zhǔn)；可作為自殺式無人機(jī)消耗敵方的高價(jià)值攻擊武器，達(dá)到系統(tǒng)與系統(tǒng)對(duì)抗的效果，提高系統(tǒng)的生存能力。此外，將群體與體系架構(gòu)技術(shù)相融合，構(gòu)建面向未來智能戰(zhàn)爭需求的無人系統(tǒng)集群體系框架，建立并實(shí)現(xiàn)基于群體智能的無人機(jī)集群系統(tǒng)，對(duì)于拓展作戰(zhàn)體系的能力邊界，引領(lǐng)武器裝備的跨越式發(fā)展，應(yīng)對(duì)信息化戰(zhàn)爭高成本的發(fā)展瓶頸具有重要意義。
在民用領(lǐng)域，無人機(jī)集群正逐步滲透到人類社會(huì)生活的方方面面。無人機(jī)集群燈光秀表演潮正熱，例如2016年1月Intel公司的百架無人機(jī)燈光秀、2016年10月長征勝利80周年南航無人機(jī)集群獻(xiàn)禮、2018年2月珠海春晚無人機(jī)特技飛行、2018年8月長沙橘子洲頭777架無人機(jī)的燈光秀表演，以上無人機(jī)集群表演主要采用了高精度定位技術(shù)，距離復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)集群全自主控制還有很大差距。在快遞物流方面，無人機(jī)集群系統(tǒng)可通過相互協(xié)調(diào)用于調(diào)配并發(fā)大量訂單，例如Amazon的Kiva倉儲(chǔ)運(yùn)用搬運(yùn)機(jī)器人和快遞無人機(jī)實(shí)現(xiàn)智能物流管理；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)可與地面機(jī)器人相互協(xié)作形成異構(gòu)集群系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域的農(nóng)業(yè)信息采集，例如在由ECHORD++資助的農(nóng)用機(jī)器人集群（swarm robotics for agricultural applications）項(xiàng)目中，多架無人機(jī)彼此協(xié)調(diào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田區(qū)域內(nèi)雜草的精確監(jiān)測；在應(yīng)急救援方面，無人機(jī)集群可通過自組網(wǎng)技術(shù)快速建立臨時(shí)通信網(wǎng)，以便快速掌握災(zāi)情，調(diào)配物資，例如在2015年8月的“8·12天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故”中，8架無人機(jī)飛入爆炸核心區(qū)測繪，為現(xiàn)場指揮部決策提供有力依據(jù)；2018年6月，四川綿陽市美麗島建設(shè)工地143名工人被困島上，2架無人機(jī)同時(shí)作業(yè)，1 h內(nèi)成功完成了救援物資輸送任務(wù)。
建 議
無人自主系統(tǒng)是人工智能的重要應(yīng)用之一，已經(jīng)成為國家重大戰(zhàn)略。未來無人機(jī)自主集群技術(shù)的發(fā)展，主要聚焦在如下6個(gè)方面。
1）依托國家大力推進(jìn)的新興技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，推進(jìn)無人機(jī)集群技術(shù)發(fā)展。2016年5月18日，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦制定了《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》。在2017年7月國務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，指出應(yīng)借助人工智能重點(diǎn)突破自主無人系統(tǒng)相關(guān)共性技術(shù)、核心技術(shù)，支撐無人機(jī)集群應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。由此可見，人工智能正在迎來新一輪創(chuàng)新發(fā)展機(jī)遇，將人工智能與無人機(jī)集群緊密融合，研發(fā)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群自主智能系統(tǒng)，才可能使無人機(jī)集群快速實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。
2）借鑒軍事強(qiáng)國技術(shù)研發(fā)模式，舉辦無人機(jī)集群大賽。從宏觀層面加強(qiáng)無人機(jī)集群發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并將其納入到裝備體系中進(jìn)行整體規(guī)劃；國外一直注重通過大型比賽進(jìn)行民間科研力量的培育和挖掘，其中比較著名的無人機(jī)賽事有國際微小型飛行器賽會(huì)（International Micro Air Vehicles，IMAV）、國際空中機(jī)器人大賽（International Aerial Robotics Competition，IARC）等，國內(nèi)有效借鑒該模式，為探索未來智能無人集群作戰(zhàn)概念，快速推出了舉辦“無人爭鋒”智能無人機(jī)集群系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽、“無形截?fù)?2018”反無人機(jī)挑戰(zhàn)賽等，通過“亮劍”和“揭榜”的比賽模式，促進(jìn)了無人機(jī)集群技術(shù)的攻關(guān)和突破。
3）重視系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，提高無人機(jī)集群技術(shù)整體水平。無人機(jī)集群發(fā)展涉及多個(gè)領(lǐng)域、多個(gè)學(xué)科中的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，其中平臺(tái)、通信、載荷是發(fā)展無人機(jī)集群的關(guān)鍵技術(shù)。借鑒 相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想，以任務(wù)為中心，采用先進(jìn)控制理論，重視平臺(tái)、通信、計(jì)算、有效載荷協(xié)調(diào)發(fā)展，各方面、各環(huán)節(jié)、各因素協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，拓展無人機(jī)集群的復(fù)雜任務(wù)功能，促進(jìn)無人機(jī)集群自主控制整體水平的快速提升。
4）著眼交叉學(xué)科，突破顛覆性技術(shù)。通過模擬自然界中的生物行為機(jī)制，突破基于仿生學(xué)的無人系統(tǒng)自主控制技術(shù)，改變智能無人機(jī)系統(tǒng)“有智無慧，有眼無珠，有感無情，有專無通”的尷尬格局。面向適應(yīng)平臺(tái)性能、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等要求，通過生物學(xué)、控制論、人工智能、機(jī)器人學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿技術(shù)研究，無疑會(huì)給無人機(jī)集群系統(tǒng)帶來顛覆性的技術(shù)突破，可引領(lǐng)中國無人機(jī)集群自主控制技術(shù)由目前的“跟跑者”“并跑者”逐漸邁向“領(lǐng)跑者”。
5）注重國防應(yīng)用研究，提高無人機(jī)集群實(shí)戰(zhàn)性。在安全局勢日益復(fù)雜和國防戰(zhàn)略更趨于積極主動(dòng)的背景下，隨著國防信息化裝備水平的提高，多兵種協(xié)同作戰(zhàn)、訓(xùn)練推進(jìn)，國防指揮調(diào)度市場規(guī)模將迎來爆發(fā)性增長，應(yīng)充分利用“陸海空天電網(wǎng)”六位一體作戰(zhàn)模式下的武器裝備布局，研究由無人機(jī)、無人車、無人艇、無人潛航器等跨域無人平臺(tái)構(gòu)成的無人體系可能的應(yīng)用方式，以推進(jìn)無人機(jī)集群系統(tǒng)及其相關(guān)行業(yè)的增長。
6）加強(qiáng)市場培育，完善無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。制定促進(jìn)資源共享的無人機(jī)發(fā)展機(jī)制，推動(dòng)軍用無人機(jī)裝備和民用無人機(jī)產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)無人機(jī)集群在農(nóng)業(yè)、交通、物流、救災(zāi)、勘測等領(lǐng)域應(yīng)用。中國民用無人機(jī)集群的應(yīng)用目前剛剛起步，主要處于項(xiàng)目論證和前期小規(guī)?？尚行栽囼?yàn)階段，應(yīng)及時(shí)了解用戶需求，盡快研制出安全、可靠、實(shí)用、價(jià)廉的無人機(jī)自主集群系統(tǒng)。無人機(jī)集群系統(tǒng)民用市場的推廣勢必需要相關(guān)法律法規(guī)的支持，特別是還需要制定無人機(jī)集群方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。
結(jié) 論
無人機(jī)自主集群以低成本、高分散的組織形式滿足功能需求，以去中心化自組網(wǎng)提升系統(tǒng)高效信息共享、抗故障與自愈能力，以功能分布化提高體系生存率和效率交換比。如何建立無人機(jī)集群這一整體動(dòng)態(tài)特性和物理約束的模型，如何面向更加復(fù)雜的任務(wù)環(huán)境將人工智能與無人機(jī)集群自主控制緊密結(jié)合，如何將有人與無人機(jī)、無人車、無人船等跨域融合，實(shí)現(xiàn)全自主群集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，還需要進(jìn)一步研究和深入探索。具有“平臺(tái)簡單、高度協(xié)調(diào)、完全自主、群體智能”特點(diǎn)的無人機(jī)自主集群系統(tǒng)勢必將引發(fā)新一代戰(zhàn)爭模式的顛覆性變革，不僅在滲透偵察、誘騙干擾、察打一體、協(xié)同攻擊等國防科技領(lǐng)域大顯身手，而且也將在智能交通、地質(zhì)勘測、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)植保、物流運(yùn)輸?shù)葒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景。
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61333004)
參考文獻(xiàn)（略）
本文作者：段海濱，邱華鑫，陳琳，魏晨
作者簡介：段海濱，北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，飛行器控制一體化技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，研究方向?yàn)闊o人機(jī)仿生集群飛行控制、計(jì)算機(jī)仿生視覺和仿生智能計(jì)算。
注：本文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2018 年第21 期，敬請(qǐng)關(guān)注。
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