無人機群智對抗技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘 要

隨著“無人化”軍事變革逐漸暫露頭角，武器裝備無人化已成為未來戰(zhàn)爭的重要發(fā)展方向，作為未來空戰(zhàn)戰(zhàn)場主要作戰(zhàn)形式的無人機群智對抗，其地位、作用與發(fā)展?jié)摿Ω桥c日俱增。本文首先綜述了無人機群智對抗的研究現(xiàn)狀，然后剖析相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，最后探討了其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵字

無人機；群智對抗；集群控制；集群通信

自上世紀 80 年代以色列成功將無人機應(yīng)用于戰(zhàn)爭伊始，無人機初次登場，并吸引了以美國為首的西方軍事列強的密切關(guān)注。到了海灣戰(zhàn)爭無人機的作戰(zhàn)性能被進一步挖掘，這場“戰(zhàn)爭視覺盛宴”第一次展示了無人機如何在非對稱戰(zhàn)爭中發(fā)揮作用，其后的數(shù)次局部戰(zhàn)爭則讓無人機逐步融入進現(xiàn)代戰(zhàn)爭，并扮演著越來越重要的角色。然而受限于負載能力、偵測范圍、續(xù)航能力有限等因素，單架無人機難以完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。通過多架同構(gòu) / 異構(gòu)無人機組建集群，并以協(xié)同的方式遂行作戰(zhàn)任務(wù)能有效解決單架無人機性能受限的問題，大幅提高任務(wù)完成率。為反制無人機集群的攻擊，可使用軟殺傷、硬殺傷，以及無人機群智對抗（利用一群無人機對來犯的另一群無人機進行攔截而形成的空中格斗），而無人機群智對抗被認為是未來反制無人機集群攻擊的最有效手段，這正呼應(yīng)了“最強的矛往往需要用最強的盾來防御”這句話。本文立足于無人機群智對抗的研究現(xiàn)狀，淺顯剖析其關(guān)鍵技術(shù)，并對其未來發(fā)展進行展望。

1 無人機群智對抗研究現(xiàn)狀

無人機集群概念受啟發(fā)于生物界的群體協(xié)作運動行為，如雁群遷徙、狼群捕食等，群體通過個體之間的通信實現(xiàn)信息交互，擴大對周圍環(huán)境的偵測范圍，協(xié)同工作。與之相仿，無人機集群作戰(zhàn)就是模擬生物群體的協(xié)作行為，以期以最小代價完成作戰(zhàn)任務(wù)。在未來智能化戰(zhàn)爭中，依靠大量具有一定自主能力的無人機組建集群，潛入敵方縱深要地收集高價值情報，突破敵方防御系統(tǒng)實施目標打擊并進行毀傷評估，對來犯有人 / 無人機集群進行空中攔截是無人機集群作戰(zhàn)的重要手段。

自 2000 年美國國防部高級研究計劃局（DARPA）通過借鑒蟻群信息素交互方式，開展無人機集群作戰(zhàn)研究以來，關(guān)于無人機集群作戰(zhàn)的項目如雨后春筍般冒出，DARPA 與美國海軍研究辦公室（ONR）等美國軍方部門先后啟動無人機集群作戰(zhàn)相關(guān)項目，如 DARPA 的 “拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）”項目（見圖 1）、“小精靈（Gremlins）”項目（見圖 2）等；此外，英國、俄羅斯等軍事強國也相繼開展了無人機集群作戰(zhàn)的研究，力求實現(xiàn)集群作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破。為推進集群作戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)高校、科研單位也先后組織了多項無人機集群競賽。

目前關(guān)于無人機集群作戰(zhàn)的研究已有不少成果，然而，據(jù)公開資料顯示，無人機群智對抗的研究并不多見，且多處于理論研究階段，工程運用方面成果相對較少。羅德林等采用多智能體理論，引入態(tài)勢評估、威脅規(guī)避、友機協(xié)作、火力支援等行為規(guī)則構(gòu)建無人機群智對抗模型，以期提高大規(guī)模群智對抗模型的實用性和作戰(zhàn)效率；段海濱等將鷹群智能行為機制映射到無人機群智協(xié)同對抗行為中以建立群智對抗模型，通過李雅普諾夫?qū)Ш较蛄繄隹刂品椒▽崿F(xiàn)對敵方無人機的合圍攻擊。針對無人機集群編隊優(yōu)化計算復(fù)雜的問題，冉華明等根據(jù)群智對抗雙方的距離、角度、速度，以及飛機導(dǎo)彈、雷達的性能，建立集群協(xié)同任務(wù)分配模型，并以此計算得到最優(yōu)的己方編隊隊形，以期最大限度發(fā)揮己方無人機的作戰(zhàn)性能。Duan H B等采用動態(tài)對策理論、捕食與被捕食者粒子群優(yōu)化方法，對無人機集群的空戰(zhàn)對抗模型問題進行了研究。Zhang G Y 等運用多 agent 強化學(xué)習(xí)理論方法，引入攻擊區(qū)域、無保護區(qū)域和攻擊距離等指標構(gòu)建無人機群智對抗模型，并提出三種有效訓(xùn)練技術(shù)，以提高多智能體強化學(xué)習(xí)方法的收斂速度。針對超視距無人機集群空戰(zhàn)中的協(xié)同占用決策問題，Ma Y Y 等引入最小最大攻擊區(qū)域、占用區(qū)域范圍等指標構(gòu)建無人機群智對抗模型，將占用決策問題轉(zhuǎn)化為零和博弈問題，并提出了 DO-NS（Double oracle neighborhood search）算法解決該零和博弈問題。除上述理論研究之外，美國海軍研究生院于 2015 年開展了 50 架次的固定翼無人機群智對抗競賽，中國空軍于 2018 組織了無人機 2V2空空對抗競賽，但是上述群智對抗競賽多以簡單決策、動作為主，相較于有人機的空中格斗或設(shè)想無人機空戰(zhàn)場景仍有較大差距。

2 無人機群智對抗的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無人機群智對抗機制及描述方法

無人機群智對抗是一個不斷演化的隨機動態(tài)過程，無人機需要根據(jù)感知的戰(zhàn)場態(tài)勢信息與接收的己方無人機信息實時調(diào)整動作及做出決策，以期在對抗中取得勝利；而現(xiàn)有的無人機對抗規(guī)則模型與演化機制相對簡單，難以充分描述這一過程。因此，全面分析群智對抗過程特點，掌握群智對抗的動態(tài)演化機制，構(gòu)建能充分描述對抗機制的數(shù)學(xué)方程與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，才能實現(xiàn)群智對抗過程的定性與定量分析。

2.2 分布式集群控制方法

雖然傳統(tǒng)的集中式集群控制方法控制精度高，但是可靠性與魯棒性都較差，一旦主機故障整個集群將癱瘓以致作戰(zhàn)任務(wù)失敗。而在未來的信息化、智能化無人空戰(zhàn)中，集群中的無人機已具備一定的自主能力，既能實現(xiàn)單機控制，又能實現(xiàn)一定規(guī)模的協(xié)同控制，為了應(yīng)對復(fù)雜的空戰(zhàn)任務(wù)，可以預(yù)先設(shè)定或臨時干預(yù)無人機的控制方法，以便在不同的對抗階段無人機能分組協(xié)作，最大化整個集群的對抗優(yōu)勢。

2.3 集群通信技術(shù)

通信暢通是群智對抗的基本條件，但對抗過程中的通信條件往往更加嚴峻，這無疑要求無人機與指揮中心、無人機與無人機之間信息交互必須存在一定的冗余度，確保能實時進行信息交互。群智對抗過程中，如若無人機出現(xiàn)離開戰(zhàn)場、回到戰(zhàn)場、增援戰(zhàn)場等情況，原有的通信鏈路勢必發(fā)生變化，集群應(yīng)當能抵御這種變化帶來的通信影響，具備通信鏈路自我修復(fù)能力。

3 無人機群智對抗的發(fā)展趨勢

隨著人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、新型材料技術(shù)、軍事理論戰(zhàn)術(shù)等技術(shù)理論的發(fā)展，未來的無人機群智對抗將呈現(xiàn)逼近有人機集群對抗的形式，乃至更加豐富多彩。

3.1 采用非線性動態(tài)與人工智能等理論方法描述無人機群智對抗模型

早期的傳統(tǒng)無人機集群對抗模型通常以蘭切斯特方程描述，但是由于信息化、智能化空戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境變化迅速，具備一定自主能力的無人機不但需要與其他無人機協(xié)同決策與動作，還需要對變化的環(huán)境做出快速應(yīng)對，數(shù)學(xué)模型相對簡單的蘭切斯特方程已難以應(yīng)用于上述場景。而近年來非線性動態(tài)理論與人工智能理論等理論方法的發(fā)展與完善，則為復(fù)雜空戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境下構(gòu)建無人機群智對抗動態(tài)模型開辟了一條新途徑，未來的群智對抗動態(tài)模型將更加適應(yīng)時代特點，并能對對抗效果做出更加精確的評估。

3.2 有人機與無人機混合群智對抗模式長期存在

雖然深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)等人工智能方法能大幅提高無人機的自主能力與智能化程度，但是科幻電影中的無人機群智對抗短期內(nèi)仍然難以實現(xiàn)。一方面，如果無人機的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)多樣性不足，將無法滿足自主性與智能化程度的要求；另一方面，如果無人機的訓(xùn)練集數(shù)據(jù)充足，將使得現(xiàn)有的機載計算設(shè)備無法承受，且易提高無人機集群的經(jīng)費運算，如此顯然與發(fā)展無人機群智對抗的初衷相違背。因此，在未來相當長的一段時間內(nèi)無人機的自主能力與智能化程度仍將相當有限，現(xiàn)有條件下通過組建有人機與無人機混合集群進行空中對抗將能完美地解決以上問題。無人機自主性與智能化程度的不足能以有人機中人的主觀能動性來彌補，同時具有一定程度自主能力的無人機也能減輕人的負擔。

3.3 由小規(guī)模多無人機群智對抗向大規(guī)模多無人機群智對抗發(fā)展

通過運用動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、多智能體動態(tài)影響圖方法，能為小規(guī)模多無人機群智對抗建立空戰(zhàn)對抗模型，對于小規(guī)模的無人機集群，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)或動態(tài)影響圖中的節(jié)點能有效描述無人機節(jié)點之間的影響、協(xié)作與對抗關(guān)系，當無人機集群在對抗過程中出現(xiàn)離開戰(zhàn)場、回到戰(zhàn)場、增援戰(zhàn)場等情況時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加與刪除不易影響集群通信鏈路的穩(wěn)定性。但是集群作戰(zhàn)的重要特點之一就是規(guī)模大、數(shù)量多，利用現(xiàn)有的方法為大規(guī)模的無人機群智對抗建模時容易產(chǎn)生維數(shù)災(zāi)難現(xiàn)象。因此，如何設(shè)計合適的方法解決大規(guī)模無人機群智對抗的建模問題，將是保證無人機群智對抗實戰(zhàn)化的重要途徑。

4 結(jié)束語

隨著無人機智能化水平的提高和集群控制技術(shù)的發(fā)展，無人機群智對抗將成為未來無人機空戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。群智對抗作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，對抗個體數(shù)量龐大，環(huán)境復(fù)雜，態(tài)勢瞬息萬變，由于計算維度過大，采用圖論等方法難以用于大規(guī)模群智對抗問題的求解，分布式人工智能技術(shù)為大規(guī)模群智對抗研究提供了有效的手段。本文對無人機群智對抗技術(shù)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進行了總結(jié)和分析，并對未來無人機群智對抗的發(fā)展趨勢進行了探討，以期為從事該領(lǐng)域的研究者提供參考。

（參考文獻略）

選自《中國人工智能學(xué)會通訊》

2021年第11卷第5期

群體智能及應(yīng)用專輯

標簽： 關(guān)鍵技術(shù) 人工智能