電影中的無人機雖然酷炫，但是每架無人機都需要配備一名遙控人員，控制上百架無人機協(xié)同作戰(zhàn)似乎是個難以完成的任務(wù)。
但是，在2017年6月，中國電子科技集團公司成功做到了119架固定翼無人機的集群協(xié)同飛行，成功演示了119架無人機的密集彈射、空中自主集結(jié)、多目的自動分組、自動編隊合圍等。這一實驗的重點，就是“集群智能”！只需要一個人就可以操縱上百架無人機。
什么是無人機集群？
無人機集群是由大量的無人機構(gòu)成，可以是由完全相同的無人機組成，也可以是由紅外偵察無人機、雷達探測無人機、圖像偵察無人機、戰(zhàn)斗機、轟炸機等不同無人機組成。它們彼此間通過無線網(wǎng)絡(luò)等方式進行態(tài)勢共享與信息交互，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)，每個無人機都是一個智能體，具有獨立飛行、偵察等能力，而無人機群之間可通過無線網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，無人機群與有人機或地面也存在信息交互，最終實現(xiàn)無人機群體的管理、群體間任務(wù)的分配、群體航跡的規(guī)劃及單無人機航跡的規(guī)劃等。
下圖展示的為多無人機協(xié)同搜索的概念圖，多架不同功能構(gòu)成的無人機對特定區(qū)域展開搜索，提高探測準確度及探測范圍。
多無人機集群協(xié)同搜索
為更好的理解無人機集群系統(tǒng)，我們舉一個軍事對抗的例子：敵方有一個火炮陣地對我方造成嚴重威脅，必須將其摧毀。有人機雖然操作簡單，易于管理，可執(zhí)行此任務(wù)，但體積較大，容易被雷達等設(shè)備發(fā)現(xiàn)而被擊毀，另一方面有人機成本較高（此處成本暫不包括飛行員傷亡所帶來的損失）。這時，無人機就要上場了！
為提高執(zhí)行任務(wù)的成功率，利用小型無人機低成本優(yōu)勢，可采取飽和式攻擊方案（雷達一次所能探測的數(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數(shù)量，使其超過敵方雷達所能探測上限或超過敵方一次所能攔截的上限，使部分無人機可滲透進敵方陣地），一次派出10～100架無人機。此外，多架無人機協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，可以擴大探測、攻擊范圍，提高執(zhí)行效率，俗話說“一個好漢三個幫”，就是這個道理。
集群智能：向蜜蜂學習
動物界集群行為是指以群體的形式出現(xiàn)，目的是通過相互合作提高群體的利益，同時滿足自己的利益。無人機集群技術(shù)正是源于自然、源于生活，最初的無人機集群概念起源于古老的昆蟲蜜蜂。
早在1億2千萬年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每個蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂組成，蜂王每個種群通常只有1只，工蜂數(shù)千至數(shù)萬不等，雄蜂略少。工蜂則負責日常采蜜、筑巢、保衛(wèi)、飼養(yǎng)幼蟲等工作。
無人機群的操作手可類比于蜂群中的蜂王，負責操控整個無人機群；無人機群中的偵察機則更像勤勤懇懇的工蜂，偵查無人機負責偵查、探測任務(wù)，執(zhí)行正常的作業(yè)任務(wù)，當危險來臨時，又可以充當戰(zhàn)斗機，與敵機進行作戰(zhàn)；無人機集群中的轟炸機、戰(zhàn)斗機則更像負責集群安全的兵蜂，轟炸無人機負責對敵方進行轟炸，戰(zhàn)斗機負責護衛(wèi)群體安全與敵人正面作戰(zhàn)。
為降低無人機操作手的操作難度，實現(xiàn)1個操作手可輕松操作成百甚至上千架無人機，需要模擬生物的集群行為對這個無人機群進行管理。
要實現(xiàn)這個目地，首先需要設(shè)計集群管理控制器，通過設(shè)計控制算法，使這個群體能夠像蟻群、鳥群等自主去尋找火炮陣地，同時在飛行過程中，探測周圍的障礙物、雷達等威脅，并在機群內(nèi)共享這些信息，使機群能夠自主的規(guī)劃出最佳飛行路線，避開威脅物，以最短時間到達目的地。在到達目的地后，根據(jù)各個無人機的功能，通過集群管理，給各個無人機分配不同的任務(wù)：
偵察機組負責偵察周邊環(huán)境、火炮陣地具體坐標等，然后將火炮陣地坐標及周邊環(huán)境信息發(fā)送給轟炸機組。
轟炸機組根據(jù)火炮陣地坐標，規(guī)劃出最佳攻擊路徑，對火炮陣地及周邊威脅物進行轟炸摧毀。
戰(zhàn)斗機組負責周邊警戒、護航，防止敵機進行騷擾攔截。
當然除此之外還會有負責引誘、通信、干擾等用途的機組來共同完成此任務(wù)。
就如同一個球隊，有前鋒、中鋒、后衛(wèi)、門衛(wèi)，還有教練，他們共同組成了一個球隊，有負責排兵布陣出謀劃策的，有負責進攻的，也有負責守衛(wèi)保護的，他們之間通過語言、手勢來彼此配合，提高團隊的戰(zhàn)斗力，戰(zhàn)勝對手。
而其中的涉及的關(guān)鍵技術(shù)有很多，主要包括整個無人機集群的管理、無人機集群的任務(wù)分配、無人機集群的航跡規(guī)劃、無人機集群間的信息交互等等。
近幾年，無人機行業(yè)發(fā)展迅猛。無人機集群技術(shù)在軍事對抗領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注，其低成本、大規(guī)模、高智能的特性，使其在民事領(lǐng)域也具有較好的發(fā)展前景，大規(guī)模協(xié)同工作方式將大大提高搜索效率、探測精度，為農(nóng)林防護、搜索救援等贏取寶貴時間，同時提供準確數(shù)據(jù)。
延伸閱讀
美軍試驗無人機群送補給：
年內(nèi)實現(xiàn)一次放飛千架
美國“突破防線”網(wǎng)站3月14日發(fā)表題為《用無人機運送補給，美國海軍陸戰(zhàn)隊試驗使用“蜂巢”無人機群》的報道稱，自南北戰(zhàn)爭以來，美軍一直以擁有“一整套后勤保障系統(tǒng)”而著稱。但現(xiàn)在，或許正在進入一個小型化、由機器人提供補給的時代。美國海軍陸戰(zhàn)隊在阿富汗率先提出使用可搭載3噸重貨物的K-MAX無人運輸直升機運送補給物品的理念，但現(xiàn)在的這一試驗無人機體型已大幅縮小，且每次僅能投放5磅（1磅約合0.45公斤）重的物品。
為何是美國海軍陸戰(zhàn)隊？誠然，他們并不是唯一參與實驗的。大部分無人機和控制無人機的軟件系統(tǒng)——被稱為“安卓戰(zhàn)術(shù)工具套件”——最初是由美國國防部高級研究項目局、空軍研究實驗所和美國陸軍為偵察任務(wù)而研發(fā)的。但正是美國海軍陸戰(zhàn)隊負責運輸事務(wù)的軍官克里斯·托巴本少校在看到很多戰(zhàn)友在伊拉克的美軍補給線上喪命或負傷后，才萌生讓無人機進行后勤運輸?shù)南敕ā?/p>
托巴本已獲得美國海軍陸戰(zhàn)隊的批準及國防部長辦公室提供的資金，現(xiàn)在的試驗僅是一次初步測試。
舉例而言，有一個對無人機進行充電、發(fā)射和回收的自動化設(shè)備箱——“蜂巢”，但它看起來更像是一個機械化的鴿房——人必須親手為其添加補給包裹。托巴本稱，這一持續(xù)90秒的過程是現(xiàn)在最大的瓶頸。野戰(zhàn)補給系統(tǒng)需要自動裝載機，為操作方便，這就需要用標準尺寸的箱子對補給物品進行打包。同時，該系統(tǒng)還需要由汽油而非電池提供動力的較大無人機，這種無人機可搭載更多物品——具體說是15磅而非5磅，飛行更長距離。
托巴本稱，如需擴大補給隊伍的規(guī)模，僅需要添加更多的無人機。他說，美國聯(lián)邦航空局僅允許現(xiàn)在的試驗一次升空32架無人機，但“在一年內(nèi)，我們就能夠?qū)⒁?guī)模擴大至上千架”。
美為F35配無人機群
載人與無人機組隊作戰(zhàn)成未來空戰(zhàn)趨勢
“捕食者”和“死神”攻擊型無人機是美國空軍實施空地打擊的重要機型，以往這些無人機的飛行規(guī)劃、搜索探測和武器投放，都是通過地面控制站指揮的。但美國空軍希望，未來這些無人機能夠由F-35戰(zhàn)機或F-22戰(zhàn)機飛行員控制，這一組隊能力將令F-35等戰(zhàn)機獲得空前的戰(zhàn)斗力，包括了在空戰(zhàn)中利用無人機平臺搶先發(fā)現(xiàn)對方戰(zhàn)斗機，或者用無人機發(fā)射導(dǎo)彈攻擊敵機。
在這場模擬戰(zhàn)斗中死神無人機裝上了超視距彈，配合F-35戰(zhàn)機的有源雷達，做到了“彈無虛發(fā)”，再一次震撼了廣大媒體。而自身則能夠減少進入危險空域的可能性，因此，美國空軍計劃增強F-35的指揮控制功能，令它在空中作戰(zhàn)同時控制多架無人機執(zhí)行更多的任務(wù)，這一技術(shù)被稱為載人與無人機組隊的技術(shù)，是美國空軍的未來規(guī)劃之中關(guān)鍵的一環(huán)。
今天為大家講的就是人工智能：載人與無人機組隊的技術(shù)，美國空軍正在推行相關(guān)計劃，讓“捕食者”無人機退役，將更多任務(wù)過渡轉(zhuǎn)給較大型的“死神”無人機，并迅速增加小型無人機編隊，用情報、監(jiān)視和偵察武器系統(tǒng)覆蓋敵區(qū)，干擾敵人的空防。并可能動用無人機作為小型炸彈，用火力攻克敵人的目標，還需增加使用體積較小的無人機，去完成現(xiàn)在由較大型無人機執(zhí)行的任務(wù)。
美國空軍的任務(wù)包括研究計算程序的相關(guān)計劃，從而實現(xiàn)使用大量微型無人機執(zhí)行各種重要的情報、監(jiān)視和偵察任務(wù)和戰(zhàn)斗職能，同時確保不發(fā)生互相碰撞。
空軍的戰(zhàn)略還需要擴大無人機與有人機（比如F-35戰(zhàn)機）之間的有人與無人平臺組隊，這種努力可能有助于促進從一架高速戰(zhàn)機上發(fā)射微型無人機的設(shè)想。照此方法，較大型飛機（比如F-35戰(zhàn)機或F-22戰(zhàn)機）能夠控制一支附近的無人機隊，在技術(shù)方面要實現(xiàn)從多名操作人員控制一架無人機，轉(zhuǎn)變?yōu)橐蝗送瑫r承擔多架無人機的指揮與控制職能，一名操作人員承擔現(xiàn)在由多人操作的職能，包括自動起飛和降落功能以及隨著技術(shù)不斷更新，使用“開放式結(jié)構(gòu)”納入新軟件的能力。
空軍正在推行相關(guān)計劃，幫助飛行員轉(zhuǎn)型操作更大型的“死神”無人機，擴大“死神”無人機的任務(wù)范圍。
“死神”無人機的發(fā)展軌跡與另一項旨在開發(fā)更小、更輕便的傳感器、發(fā)射器和接收器的計劃同步進行。此外。隨著技術(shù)不斷進步，實現(xiàn)傳感器、接收器和發(fā)射器微型化，輕質(zhì)的小型無人機也將越來越多地承擔，現(xiàn)在僅能由大型無人機平臺完成的重大任務(wù)?？墒牵b于大型的“死神”無人機，在實施打擊和偵察任務(wù)時的重要性，這種發(fā)展不大可能馬上實現(xiàn)對“死神”無人機的更新?lián)Q代。
未來空軍計劃為“死神”無人機升級軟件及武器裝備，為之配備更廣泛的武器和賦予更多的任務(wù)，根本想法就是進一步以“開放式結(jié)構(gòu)”設(shè)計“死神”無人機，以便它能夠及時便捷地吸收新的武器和技術(shù)，這本身就具備很多潛在的優(yōu)勢。
那么，戰(zhàn)斗機與無人機是如何做到天衣無縫的合作呢？在行動中，“死神”無人機可以通過數(shù)據(jù)鏈和F-35進行協(xié)調(diào)攻擊，再由地面操縱人員發(fā)射武器。F-35運用其信息處理能力來調(diào)度無人機，無形中放大了戰(zhàn)機的攻擊范圍，通過無人機形成的彈幕來尋找隱形的五代機。
可以想象到，未來的人工智能技術(shù)突破后，無人機組成的火力網(wǎng)將由預(yù)警機的計算機操控，屆時，作戰(zhàn)能力將堪稱恐怖，人工智能未來形成無人機群、機器人、坦克等，對進攻制造速度提升有著不可估量的作用，其很大程度上決定了持久戰(zhàn)的走向。
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