智能“蜂群”的发展及展望

王惠方，周晋祎，贾强，范虎成

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)诞生于20世纪初第一次世界大战期间，之后无人机技术和产业得到快速发展，已经广泛应用于各领域。军事方面可以完美的替代有人机去执行4D任务[1](枯燥乏味、环境恶劣、危险性高、深入敌方(Dull，Dirty，Dangerousand，Deep))。民用方面更是广泛应用于农业、工业、服务行业等各领域，如农药喷洒、火灾救援、地质勘探、考古探险、物流运输等。

在复杂多变的现代战场环境下，无人机作为任务单体越来越难以独立完成预定作战任务。为弥补个体无人机的不足，军事领域开始把生物科学中智能“蜂群”这一概念引入无人机集群研究中，大力开展智能无人机集群作战的研究[2]。智能“蜂群”的核心即在于将大量无人机在开放体系架构下进行集成，依托人工智能基于有限信息进行战场态势自主融合，实现无人机群体的蜂群行为方式，协同完成侦察、指挥、打击、评估、中继等多种类型的战斗任务。无人机技术在自身进步的同时，同步运行着从单机向集群、从程控向自主、从量变到质变的演化进程[3]。

2014年，美国启动第三次抵消战略，提出了分布式空中作战概念，并首次系统提出无人系统“蜂群”的概念[4]，旨在将复杂有人装备的功能分解到大量中、小型无人平台上，构建有人-无人协同作战体系，实现降低装备发展成本、提高作战冗余度和灵活性、维持或扩充装备数量以及在强对抗环境中取得压倒性空中优势的目的。2016年，美国空军发布美国未来20年小型无人机系统路线图[5]，并对无人机蜂群进行定义：“蜂群”由小型的不相互依赖的无人机组成的智能群，通过自主通信协同实现预定目标，在此过程中，人类监控视情干预。“蜂群”具有多种攻防应用，对军事作战具有巨大的潜在影响。作战“蜂群”可以替代单个高成本飞机执行任务，填补战术、战略间的空白，为战场带来更大的规模、协同、情报、速度、弹性和响应能力，实现对一般地区(许可环境)及具有反介入和区域阻绝能力(Anti-Accessand Area-Denial)地区(A2/AD环境)的常规战略威慑、战役对抗、战术行动，获得决定性优势。

近年来发生的多起局部冲突中，无人机已经从战场配角逐步向主战角色快速转化，作战运用也日趋多样化。2015年,伊拉克利用彩虹- 4B无人机对伊斯兰国极端分子的目标进行了数百次空袭，成功率达100%。2017年至今，美国多次通过RQ-1掠夺者无人机及“死神”MQ-9无人机对叙利亚及伊朗等国重要人物进行精确狙杀，其中影响最大的是2020年1月狙杀伊朗名将苏曼尼。2019年，胡赛武装发射十余架无人机与巡航导弹结合同时突袭沙特2个炼油厂，至少19处目标被精确命中，袭击造成沙特产油量每日巨减570万桶，一度重创伊朗石油经济。2020年，亚美尼亚与阿塞拜疆在纳卡地区爆发大规模武装冲突，阿方动用大量TB- 2察打一体无人机、“哈洛普”反辐射无人机、安-2无人机，对亚美尼亚军营、指挥所、集结步兵、步战车、坦克、火炮和防空导弹等各类目标实施了高效打击，完成75%以上的攻击任务，有效压制了亚美尼亚的防空系统，毁伤了大量亚方装备、设施和有生力量，将战争推向了有利于自己的方向。这是无人机首次大规模用于国家冲突，作为对地打击、防空压制等任务的主力装备，取得压倒性作战优势。

上述战例战果表明，无人机作战正在深刻改变战争面貌。

1 智能“蜂群”作战特点

1.1 “蜂群”作战优势

与单机相比，“蜂群”的优势突出表现在以下方面[6]：

1)集群协同提高任务完成质量；

2)系统动态分配与调度增加任务成功概率；

3)信息资源有效融合扩展任务执行能力；

4)多机并行提高任务完成效率；

5)1+1>2的功能和效率；

6)单机低成本实现系统高效能。

1.2 “蜂群”的投送方式

1.2.1 自主垂直起降

采用多旋翼布局的“蜂群”无人机系统均采用自主垂直起降方式进行投送。多旋翼无人机由于其结构简单，成本低廉，具有优秀的垂直起降及定点悬停能力被广泛应用。但由于气动效率低，飞行时间短，难以大型化，使得其主要用于“蜂群”系统的控制算法的验证，民用表演领域，军事使用较少。

1.2.2 弹射起飞

固定翼无人机可采用弹射起飞方式进行发射以缩减起飞距离。受限于弹射装置一次只能发射一架无人机的能力，如要短时间内大规模投送无人机“蜂群”，需要同等数量规模的弹射装置，因此弹射起飞无人机“蜂群”主要用于固定翼“蜂群”的算法验证，军事上一般不使用这种方式投送无人机“蜂群”。

1.2.3 炮射投送

作为无人机技术与弹药发射技术有机结合的产物，炮射无人机以各类火炮、火箭炮等武器发射，具有突防能力强、侦察速度快、打击效果好等突出特点。按作战使命不同，炮射无人机主要分为弹载投送和管式发射两种类型。

弹载投送无人机采用火炮/火箭炮发射炮弹或火箭弹，快速抵达至预定目标区域上空后，弹机分离，无人机启控飞行，使用光电或雷达设备进行区域的目标侦察定位及校射，充分增强作战部队对远程目标的侦察能力和打击效率。美国的155 mm榴弹炮发射“快看”无人机和俄罗斯“旋风”300 mm火箭炮发射的R-90无人机都属于这种类型，如图1所示，同时M270型多管火箭炮也正在研发部署无人机集束智能弹药，通过蜂群智能协作，广域搜索攻击目标，其打击能力远超子母弹的末敏子弹。

管式发射“蜂群”无人机系统主要采用以集束管形式，使用冷气弹射、火药燃气弹射或火箭发动机助推的方式实施发射。如美国的“洛卡斯”无人机，可短时快速释放大量无人机，通过自适应组网及自主协同[7]，以压倒性数量优势赢得战斗。发射过程如图2所示。

炮射无人机机体采用折叠结构以适应管式发射条件，使得无人机具有收纳体积小，发射迅速，发射间隔密集的特点，完全满足了“蜂群”无人机系统大规模快速投送的需求。

1.2.4 空中投送

“蜂群”无人机空中投送是以空天母舰概念为基础，结合无人机使用的新型作战方式，最大限度地提升了攻击和侦察的持续性。由于研发成本高，技术难度大，目前仅有美国正在开展相关的研究工作，开展的代表性项目包括：使用F/A-18战斗机空中投放“山鹑”无人机的演示验证，可空中回收无人机集群“小精灵”(Gremlins)项目，以及NASA的微型无人机空中投送项目等[8-11]。

1.3 “蜂群”作战主要应用场景

根据“蜂群”的智能化和集群化特点，可运用于以下作战场景。

1)侦察+“踹门”。突破敌前沿防空网，侦察敌前沿防空火力点(防空导弹发射架、防空高炮阵地)，迫使敌防空火力开火；可自主攻击自行式防空高炮、单兵防空导弹等机动或时敏目标，也可呼唤后方火力打击固定防空火力点。

2)火力诱骗。“蜂群”中部分无人机携带反辐射战斗部，对敌区域实施侦察；诱使敌防空雷达开机后可主动攻击或呼叫火力攻击。

3)区域封控。对敌可能发起攻击区域或运输、集结之地域可发射无人机“蜂群”实施区域封控，迟滞或迫敌取消该区域或通道的行动。

4)反装甲集群、战斗车辆或技术兵器。“蜂群”可对装甲集群实施攻顶打击，对技术兵器实施自主或协同攻击。

5)反机动炮兵作战。对于采取“打了就跑”战术的敌机动炮兵目标，可利用“蜂群”实施自主或协同机动攻击。

6)两栖登陆作战。可对近海水面、滩头及战役纵深内各类防空和反装甲火力点、机动装甲、指挥所、通信站、炮兵阵地等重点目标进行实时侦察、打击及毁伤评估。

7)港口或岸岛防御。用于港口或岸岛防御，对近海防区实施侦察警戒，对来袭的“小群多路”无人/有人中小型作战艇群实施反制打击。

8)反恐作战。对复杂地形下的广域、分散目标实施搜索、侦察和打击，可自主协同攻击，实施斩首或呼唤火力打击。

2 智能“蜂群”作战关键技术

由于“蜂群”系统组成单元数量众多，作为单机的感知能力有限，各机均只能获得部分态势信息，有限通信带宽下的高实时性要求，在成本、质量和功率等条件约束下，单机的计算能力也较弱，使得“蜂群”的控制问题富有挑战[12]，如图3所示。

蜂群系统投入实战应用，需要解决以下关键技术：

1)有限信息下的高效实时的协同任务规划及态势感知算法；

2)复杂任务的集群指挥控制方法；

3)高效的图像识别算法；

4)多节点、抗干扰、高实时性通讯自组网通讯；

5)低成本、高精度的定位定向方法；

6)高密度集群飞行与队形重构控制方法；

7)高效的“蜂群”贮存、投送及回收技术。

3 智能“蜂群”未来发展方向

作为智能化的“蜂群”作战系统，未来的发展聚焦于以下几个方向：

1)提升系统互操作性，实现有人和无人系统的动态组合；

2)以群体人工智能依据任务、环境和态势自主完成任务；

3)实时的分布式计算，快速的行为决策；

4)融合多维信息的目标探测识别；

5)真实威胁环境下的高弹性集群飞行控制及网络构架；

6)以更高效的能源供给、更低的机体质量降低功耗方面压力，提升飞行速度及航时；

7)以多功能战斗部应对复杂场景的作战使用；

8)更低的制造使用成本。

4 结束语

智能“蜂群”技术的军事化应用已初现端倪，随着军事智能技术的进步，“蜂群”将愈来愈体现系统“群智涌现”下低成本、高效能的优越性。基于智能化的“蜂群”作战系统将成为未来无人战场的先行者，并在新形态战场需求的牵引下不断孕育催生新的生机。