关于无人机蜂群系统的思考

关于无人机蜂群系统的思考

赵彦杰  中国电科电子科学研究院

来源：网信科技前沿（ID:E-frontiers）

【摘要】：智能无人集群是将大量无人系统基于开放式体系架构进行综合集成，以通信网络信息为中心，以系统的群智涌现能力为核心，以平台间的协同交互能力为基础，以单平台的节点作战能力为支撑，构建具有抗毁性、低成本、功能分布化等优势和智能特征的作战体系。无人集群作战系统可填补战术与战略之间的空白，以多元化投送方式快速投送到目标区域遂行多样化军事任务，包括与其他武器平台协同攻击海上、空中、地面目标及ISR 等，实现对热点地区战略威慑、战役对抗、战术行动。

（一）关于集群概念的起源，从三个方面简述如下：

一是自然界生物的群体行为是保证物种生存的必要条件，也是实现远超单体能力的核心关键；二是人类的群居演进是以语言等交互为基础，通过群体协作，形成社会组织，最终实现文明进化；三是纵观人类战争史，兵力数量优势始终是战争取胜的重要因素之一。

（二）关于集群作战的技术基础，从四个方面简述如下：

首先，人工智能技术为无人系统提供了自主认知和智能决策的能力基础；其次，网络信息技术向自适应、高可靠、大容量发展促进了无人机蜂群信息交互能力的快速提升；第三，先进平台技术使无人系统的设计具备了更大的自由度和多样性；最后，微纳电子技术，特别是消费类电子技术的发展，推动了无人机任务电子系统的高性能、低成本的发展进程。以上四个技术群使无人机集群向系统智能化、网络极大化、平台多样化、节点极小化方向发展。

（三）无人机集群的作战能力主要体现在以下三个方面：

一是系统的群智涌现能力，通过研究无人机集群作战运用、群智涌现机理与无人机集群构建、无人机集群自适应任务控制等，实现适应复杂战场环境的集群聚集涌现能力。

二是平台间的协同交互能力，通过研究小体积轻量化大容量自组织组网、集群高精度飞行姿态保持与同步、机载实时智能信息融合处理等，提高无人系统的组织性、机动性与协同性。

三是单平台的节点作战能力，通过研究多源复合探测、认知电子对抗、多样化打击载荷集成、高性能无人平台等，支撑单节点能力的构建与形成。

（四）无人集群系统为未来作战带来三个颠覆性变革：

首先，集群替代机动：传统的基于高机动的作战空间串行覆盖将逐步被集群式的并行覆盖所替代。其次，数量指增能力：Lanchester平方律保证了数量的线性增加将带来作战能力的指数级提升。第三，成本创造优势：集群化的分布式系统将在装备使用维护成本和敌我对抗交换成本方面提供巨大优势。

未来，集群将呈现以下三大发展趋势：

装备系列化趋势：以无人机为例，集群将形成以十克级（对标CICADA）、百克级（对标Perdix）、公斤级（对标LoCUST）、十公斤级、百公斤级（对标Gremlins）等系列化平台为基础的作战系统序列。

应用多样化趋势：集群将逐步应用于预警探测、广域监视、抵近侦察、电子对抗、饱和攻击、主动防御、特种作战等复杂、强对抗、高不确定性的战场场景。

覆盖全域化趋势：随着无人平台的多样化发展，集群概念将覆盖到陆、海、空、天全域，从“蜂群”衍生出“狼群”、“鱼群”、“鸟群”、“星群”等作战概念。

三、美军规划与项目

以未来复杂多变的战场环境为背景，美国国防部于2013年9月发布了《无人系统一体化路线图（2013-2038财年）》。该路线图以日渐强大的中国作为未来作战的主要对象，全面勾画了未来25年无人系统的建设发展思路；并以美国国家战略重心向亚太转移为背景，把无人系统部署至反介入/区域拒止（A2/AD）区域，实现在该区域的行动自由权。其中，统筹发展无人装备体系主要包含：无人空天系统（UAS）、无人海洋系统（UMS）和无人地面系统（UGS）等。

2016年4月，美军发布了《小型无人机系统路线图2016-2036》。该路线图由分管情报侦察监视(ISR)的副参谋长 Robert P. Otto 中将签署并发布，凸显了小型无人系统及其集群对于ISR的重要意义。将SUAS集成到美国空军的情监侦资产组合中，将支持更敏捷的力量，帮助美国空军满足未来战士们在宽松和强对抗环境中的需求。其中，首页标注“Bridging the Gap Between Tactical and Strategic”，即“填补战术与战略之间的空白”，意指该领域大有可为。

美国最先开展无人系统相关技术研究，在无人系统军事应用领域处于绝对领先的位置。经过多年的研究与论证，美军已经将无人机/无人系统集群作战作为一个重要研究方向，正通过顶层设计、项目规划、理论研究、关键技术攻关和演示验证等促进这一方向的快速发展。在国防部的统一领导下，国防先进研究计划局（DARPA）、战略能力办公室（SCO），以及空军、海军等都开展了大量的研究和论证工作，启动了多个项目。这些项目在功能上相互独立、各有侧重，在体系上又互为补充，融合发展。

（1）“小精灵”（Gremlins）项目

2014年，DARPA发布信息征询书（Request For Information， RFI），征求新的分布式空战能力。2015年8月，DARPA在前期工作基础上宣布启动“小精灵”项目。该项目的目标是研究一型低成本无人机，以鲁棒、低成本、可快速替代的方式搭载情报、监视、侦察(ISR)等传感器模块和非动能有效载荷，同时开发一个无人机发射和回收装置，使得未来的作战飞机可以快速部署廉价、可重复使用的无人机集群。

图 1 “小精灵”（Gremlins）项目

（2）低成本无人机集群技术（LOCUST）项目

为实现无人机快速发射并进行集群作战，以达成对敌方的压倒性优势，美国海军研究办公室(ONR)开展名为低成本无人机集群技术(Low-Cost UAV Swarming Technology, LOCUST)的项目研究。项目旨在释放大量小型无人机，通过自适应组网及自治协调，对某个区域进行全面侦察并对诸如指控系统等的关键节点及目标进行攻击破坏等。

图 2 LOCUST无人机项目

（3）“山鹑”（Perdix）项目

美国国防部战略能力办公室（SCO）主导了“山鹑”(Perdix)微型无人机高速发射演示项目。2014年9月，SCO首次利用F-16战机开展“山鹑”无人机空中发射试验。2017年1月，美国军方公布了其近期开展的一次微型无人机蜂群演示。演示中，美国海军3架F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机以0.6马赫速度投放了103架Perdix无人机，这群小型无人机演示了先进的群体行为，如集体决策、自修正和自适应编队飞行。

图 3 Perdix项目

（4）近战隐蔽自主无人一次性飞机（CICADA）项目

该项目旨在通过空中布撒由3D打印、PCB印刷电路板等制成的无动力自主滑翔无人机集群，在空中沿途收集电磁、气象等环境信息，从而实现按需对目标区域上空空域的精细化环境感知。

图 4 CICADA项目

（5）进攻性蜂群使能战术(OFFSET)项目

2017年1月，DARPA发布了进攻性蜂群使能战术（OFFSET）项目的招标书。OFFSET项目主要工作将聚焦于开放式软件与系统架构、博弈软件设计与基于博弈的社群开发、沉浸式交互技术、以及用于分布式机器人的机器人系统集成与算法开发，以开发并测试专为城市作战蜂群无人系统设计的蜂群战术。此外，DARPA研究人员希望这种蜂群系统还能引出新的蜂群无人系统使能技术，比如分布式感知、可靠与弹性通信、分布式计算与分析、以及适应性集体行动等。

图5 OFFSET项目

（6）体系集成技术和试验（SoSITE）项目

2014年5月，DARPA发布体系集成技术和试验(SoSITE)项目指南，寻求开发并实现用于新技术快速集成的系统架构概念，无需对现有能力、系统或体系进行大规模重新设计。其目标是探索一种更新、更灵活的方式，将单个武器系统的能力分散到多个有人/无人/武器平台上。

图 6 SoSITE项目

（7）拒止环境中协同作战（CODE）项目

2014年，DARPA提出“拒止环境中协同作战”(CODE)项目。项目目标是发展一套包含协同算法的软件系统，可以适应带宽限制和通信干扰，减少任务指挥官的认知负担，通过自主能力、编队协同、人机接口和开放式架构支撑拒止环境下协同作战。

图 7 CODE项目及第一阶段任务模拟

（8）对敌防空压制/摧毁蜂群作战（SEAD/DEAD）项目

2009和2012年，雷神公司向空军分别交付了微型空射诱饵(MALD)和微型空射诱饵-干扰型(MALD-J)，并于2013年完成高速反辐射导弹(HARM)升级版的交付。美国空军和雷神公司基于这两种飞行器以及更早研制的模块化设计的联合防区外武器(JSOW)，开发了对敌防空压制/摧毁(SEAD/DEAD)的空射集群作战样式。

图 8 SEAD/DEAD项目