無人機(jī)在國(guó)產(chǎn)軍事電影中，可謂出盡風(fēng)頭：它在《空天獵》里悄悄偵察對(duì)方陣地，在《戰(zhàn)狼2》里掃射人群，在《紅海行動(dòng)》里直接報(bào)銷了一輛坦克！不過，電影中的無人機(jī)雖然酷炫，但是每架無人機(jī)都需要配備一名遙控人員，控制上百架無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)似乎是個(gè)難以完成的任務(wù)。

一、國(guó)產(chǎn)無人機(jī)集群系統(tǒng)已經(jīng)打入國(guó)際市場(chǎng)

2017年6月10日，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司成功做到了119架固定翼無人機(jī)的集群協(xié)同飛行，成功演示了119架無人機(jī)的密集彈射起飛、空中自主集結(jié)、多目的自動(dòng)分組、自動(dòng)編隊(duì)合圍、集群行動(dòng)等。這一實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，就是“集群智能”，只需要一個(gè)人就可以操縱上百架無人機(jī)。這一實(shí)驗(yàn)刷新此前2016年珠海航展披露的67架固定翼無人機(jī)集群試驗(yàn)紀(jì)錄，標(biāo)志著智能無人集群領(lǐng)域的又一突破，奠定了我國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

2018年，中國(guó)電子科技集團(tuán)又將這個(gè)記錄提高到200架，成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次小型折疊翼無人機(jī)雙機(jī)低空投放和模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。目前，中國(guó)電子科技集團(tuán)已經(jīng)將國(guó)產(chǎn)無人機(jī)集群系統(tǒng)打入國(guó)際市場(chǎng)，打破美國(guó)及西方國(guó)家在這個(gè)領(lǐng)域的壟斷。

“集群智能”作為一種顛覆性技術(shù)，一直被各國(guó)視作無人系統(tǒng)人工智能的核心，是未來智能無人系統(tǒng)的突破口。大規(guī)模、低成本、多功能的無人機(jī)集群通過空中組網(wǎng)、自主控制、群智決策，可以應(yīng)用于多種探測(cè)感知、應(yīng)急通信等任務(wù)。中國(guó)電科智能無人系統(tǒng)專家趙彥杰表示，自無人機(jī)作為一種新型裝備問世以來，以集群替代機(jī)動(dòng)、數(shù)量提升能力、成本創(chuàng)造優(yōu)勢(shì)的方式，重新定義著未來力量運(yùn)用的形態(tài)。 ?

那么，為什么固定翼無人機(jī)集群飛行難？固定翼無人機(jī)不像四旋翼無人機(jī)可以在空中懸停，更容易精確定位和編寫控制程序，它必須保持一定的速度才能維持在空中飛行，每架無人機(jī)不僅需要知道自己在哪里，而且還得知道附近其他無人機(jī)的位置和方向，并根據(jù)情況調(diào)整方向，以避免發(fā)生“空中撞機(jī)”事故。這就意味著固定翼無人機(jī)必須有“相互溝通”能力，對(duì)它們的傳感器、通信、定位等技術(shù)提出了極高要求。 ? 無人機(jī)機(jī)群、集群、蜂群作戰(zhàn)簡(jiǎn)介

二、什么是無人機(jī)集群？

無人機(jī)集群是由大量的無人機(jī)構(gòu)成，可以是由完全相同的無人機(jī)組成，也可以是由紅外偵察無人機(jī)、雷達(dá)探測(cè)無人機(jī)、圖像偵察無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)等不同無人機(jī)組成。它們彼此間通過無線網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行態(tài)勢(shì)共享與信息交互，相互協(xié)調(diào)合作完成任務(wù)分配、航跡規(guī)劃等。在系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)無人機(jī)都是一個(gè)智能體，具有獨(dú)立飛行、偵察等能力，而無人機(jī)群之間可通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，無人機(jī)群與有人機(jī)或地面也存在信息交互，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群體的管理、群體間任務(wù)的分配、群體航跡的規(guī)劃及單無人機(jī)航跡的規(guī)劃等。 ? 下圖展示的為多無人機(jī)協(xié)同搜索的概念圖，多架不同功能構(gòu)成的無人機(jī)對(duì)特定區(qū)域展開搜索，提高探測(cè)準(zhǔn)確度及探測(cè)范圍。 ?

? 為更好地理解無人機(jī)集群系統(tǒng)，舉一個(gè)軍事對(duì)抗的例子：敵方有一個(gè)火炮陣地對(duì)我方造成嚴(yán)重威脅，必須將其摧毀。有人機(jī)雖然操作簡(jiǎn)單，易于管理，可執(zhí)行此任務(wù)，但體積較大，容易被雷達(dá)等設(shè)備發(fā)現(xiàn)而被擊毀，另一方面有人機(jī)成本較高，還可能造成飛行員傷亡。這時(shí)，無人機(jī)就要上場(chǎng)了！為提高執(zhí)行任務(wù)的成功率，利用小型無人機(jī)低成本優(yōu)勢(shì)，可采取飽和式攻擊方案（雷達(dá)一次所能探測(cè)的數(shù)量有限，敵方一次所能攔截的數(shù)量也有限，飽和式攻擊是指通過增加無人機(jī)數(shù)量，使其超過敵方雷達(dá)所能探測(cè)上限或超過敵方一次所能攔截的上限，使部分無人機(jī)可滲透進(jìn)敵方陣地），一次派出10～100架無人機(jī)。此外，多架無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，可以擴(kuò)大探測(cè)、攻擊范圍，提高執(zhí)行效率。 ? ?

三、集群智能：向蜜蜂學(xué)習(xí)

無人機(jī)集群作戰(zhàn)來源于對(duì)于螞蟻和蜜蜂等昆蟲的研究和啟發(fā)。人們發(fā)現(xiàn)就個(gè)體而言，螞蟻和蜜蜂是非常原始和簡(jiǎn)單的生物，但是在許多只螞蟻和蜜蜂聚集在一起，整體效能就可以發(fā)生飛躍，完成許多復(fù)雜的行為。這樣無人機(jī)集群技術(shù)或者蜂群技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，這個(gè)技術(shù)把許多架無人機(jī)組成在一起，形成一個(gè)強(qiáng)大的整體，以提高整體作戰(zhàn)能力。 ?

早在1億2千萬(wàn)年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每個(gè)蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂組成，蜂王每個(gè)種群通常只有1只，工蜂數(shù)千至數(shù)萬(wàn)不等，雄蜂略少。工蜂則負(fù)責(zé)日常采蜜、筑巢、保衛(wèi)、飼養(yǎng)幼蟲等工作。無人機(jī)集群的操作手可類比于蜂群中的蜂王，負(fù)責(zé)操控整個(gè)無人機(jī)群；無人機(jī)群中的偵察機(jī)則更像勤勤懇懇的工蜂，偵查無人機(jī)負(fù)責(zé)偵查、探測(cè)任務(wù)，執(zhí)行正常的作業(yè)任務(wù)，當(dāng)危險(xiǎn)來臨時(shí)，又可以充當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)，與敵機(jī)進(jìn)行作戰(zhàn)；無人機(jī)集群中的轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)則更像負(fù)責(zé)集群安全的兵蜂，轟炸無人機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)敵方進(jìn)行轟炸，戰(zhàn)斗機(jī)負(fù)責(zé)護(hù)衛(wèi)群體安全與敵人正面作戰(zhàn)。為降低無人機(jī)操作手的操作難度，實(shí)現(xiàn)1個(gè)操作手可輕松操作成百甚至上千架無人機(jī)，需要模擬生物的集群行為對(duì)這個(gè)無人機(jī)群進(jìn)行管理。 ? ?

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目地，首先需要設(shè)計(jì)集群管理控制器，通過設(shè)計(jì)控制算法，使這個(gè)群體能夠像蟻群、鳥群等自主去尋找火炮陣地，同時(shí)在飛行過程中，探測(cè)周圍的障礙物、雷達(dá)等威脅，并在機(jī)群內(nèi)共享這些信息，使機(jī)群能夠自主的規(guī)劃出最佳飛行路線，避開威脅物，以最短時(shí)間到達(dá)目的地。 ? 在到達(dá)目的地后，根據(jù)各個(gè)無人機(jī)的功能，通過集群管理，給各個(gè)無人機(jī)分配不同的任務(wù)：1）偵察機(jī)組負(fù)責(zé)偵察周邊環(huán)境、火炮陣地具體坐標(biāo)等，然后將火炮陣地坐標(biāo)及周邊環(huán)境信息發(fā)送給轟炸機(jī)組。2）轟炸機(jī)組根據(jù)火炮陣地坐標(biāo)，規(guī)劃出最佳攻擊路徑，對(duì)火炮陣地及周邊威脅物進(jìn)行轟炸摧毀。3）戰(zhàn)斗機(jī)組負(fù)責(zé)周邊警戒、護(hù)航，防止敵機(jī)進(jìn)行騷擾攔截。當(dāng)然除此之外還會(huì)有負(fù)責(zé)引誘、通信、干擾等用途的機(jī)組來共同完成此任務(wù)。就如同一個(gè)球隊(duì)，有前鋒、中鋒、后衛(wèi)、門衛(wèi)，還有教練，他們共同組成了一個(gè)球隊(duì)，有負(fù)責(zé)排兵布陣出謀劃策的，有負(fù)責(zé)進(jìn)攻的，也有負(fù)責(zé)守衛(wèi)保護(hù)的，他們之間通過語(yǔ)言、手勢(shì)來彼此配合，提高團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)斗力，戰(zhàn)勝對(duì)手。而其中的涉及的關(guān)鍵技術(shù)有很多，主要包括整個(gè)無人機(jī)集群的管理、無人機(jī)集群的任務(wù)分配、無人機(jī)集群的航跡規(guī)劃、無人機(jī)集群間的信息交互等等。

編隊(duì)控制的具體含義為：當(dāng)多個(gè)無人機(jī)組成編隊(duì)聯(lián)合飛行時(shí)，相互之間要保持固定的幾何形態(tài)，同時(shí)又要滿足任務(wù)需求和適應(yīng)周邊環(huán)境約束（例如障礙規(guī)避）。當(dāng)前無人機(jī)編隊(duì)控制大體可分為兩類基本問題：運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和覆蓋協(xié)調(diào)。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)主要包括編隊(duì)隊(duì)形保持（Formation Keeping）、集結(jié)（Swarm）、解散（Dissolution）、重構(gòu)（Formation Reconfiguration）、隊(duì)形變換（Formation Change）和編隊(duì)避障（Collision Avoidance）。其中，隊(duì)形保持是運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的核心問題，研究編隊(duì)在運(yùn)動(dòng)中如何保持隊(duì)形不變。覆蓋協(xié)調(diào)是指無人機(jī)編隊(duì)的任務(wù)規(guī)劃和分配，包括部署、搜救、勘探，以及攻擊目標(biāo)的分配等。

四、未來的無人機(jī)集群什么樣？

近幾年，無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，無人機(jī)集群因其低成本、大規(guī)模、高智能、高效率的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外軍事對(duì)抗領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注。 ? 2015年，美國(guó)海軍實(shí)現(xiàn)50架固定翼無人機(jī)集群飛行的紀(jì)錄；這些無人機(jī)按照主從模式飛行，利用無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互和共享。與以往每架飛機(jī)需要一個(gè)操作員不同，該項(xiàng)目通過集群地面控制站實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)50架無人機(jī)的控制，將控制權(quán)逐漸轉(zhuǎn)移至飛行器，使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行和決策，以減輕操控人員的壓力。 ?

2016年5月，美國(guó)空軍正式提出《2016-2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，希望構(gòu)建橫跨航空、太空、網(wǎng)空三大作戰(zhàn)疆域的小型無人機(jī)系統(tǒng)，并在2036年實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)集群作戰(zhàn)。明確了美國(guó)空軍小型無人機(jī)系統(tǒng)近期、中期和遠(yuǎn)期主要發(fā)展目標(biāo)。在美國(guó)國(guó)防部的領(lǐng)導(dǎo)下，國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）、戰(zhàn)略能力辦公室（SCO），以及空軍、海軍等都開展了大量的研究和論證工作，啟動(dòng)了多個(gè)項(xiàng)目，如“小精靈”項(xiàng)目、低成本無人機(jī)集群技術(shù)項(xiàng)目、“山鶉”項(xiàng)目、進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)項(xiàng)目、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目等。 ? 2017年1月，美軍使用三架戰(zhàn)斗機(jī)在空中釋放了103架“山鶉”微型偵察無人機(jī)，可連續(xù)飛行半小時(shí)之久，能自主執(zhí)行情報(bào)搜集和監(jiān)控任務(wù)。 ? 小精靈無人機(jī)群概念圖 上圖為無人機(jī)集群在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)的模擬作戰(zhàn)效果圖，可以看到機(jī)群由多個(gè)不同功能的無人機(jī)組成，包括一架有人機(jī)。有人機(jī)負(fù)責(zé)控制無人機(jī)群，對(duì)其發(fā)送指令，無人機(jī)群收到作戰(zhàn)指令后，集群內(nèi)偵查無人機(jī)自主探測(cè)敵方陣地坐標(biāo)、探測(cè)威脅物，通過無人機(jī)群間網(wǎng)絡(luò)，有人機(jī)與無人機(jī)群進(jìn)行信息交互，通過無人機(jī)集群協(xié)同控制器的計(jì)算，規(guī)劃處最佳的飛行路線及攻擊方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方陣地的偵察及最大限度的破壞，最大限度提高任務(wù)成功率同時(shí)降低己方人員傷亡。 ? ? 此外，還有歐盟的異構(gòu)多無人機(jī)實(shí)時(shí)協(xié)同和控制(COMETS)項(xiàng)目，以及澳大利亞研究中心的自主導(dǎo)航和環(huán)境感知研究項(xiàng)目等。 ? ?

未來智能無人集群還將呈現(xiàn)系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)極大化、節(jié)點(diǎn)極小化、平臺(tái)多樣化、成本低廉化五大特點(diǎn)，并加速推進(jìn)智能無人集群向裝備系列化、應(yīng)用多樣化、覆蓋全域化快速發(fā)展。無人機(jī)集群技術(shù)，不僅在在軍事對(duì)抗領(lǐng)域備受關(guān)注，在民事領(lǐng)域也具有較好的發(fā)展前景，其大規(guī)模協(xié)同工作方式將大大提高搜索效率、探測(cè)精度，為農(nóng)林防護(hù)、搜索救援等贏取寶貴時(shí)間，同時(shí)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。 ?

編輯：黃飛

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