人工智能技術(shù)對(duì)未來空戰(zhàn)武器的變革與展望

鮮 勇，李 揚(yáng)

(1.海軍裝備部駐洛陽地區(qū)軍事代表室，河南 洛陽 471009；2.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引 言

目前，人工智能(Artificial Intelligence，AI)技術(shù)的研究正在全球范圍內(nèi)如火如荼地開展，其將深刻改變?nèi)祟惿鐣?huì)和世界的面貌。人工智能在武器裝備上的應(yīng)用也愈來愈多，被稱為戰(zhàn)爭(zhēng)史上繼火藥、核武器之后的“第三次革命”，正在加速叩開未來智能化戰(zhàn)爭(zhēng)的大門。世界各個(gè)軍事強(qiáng)國都將人工智能技術(shù)提升到了國家戰(zhàn)略層次，從頂層設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)研究、科研預(yù)算等諸方面給予了海量的支持。在未來，誰掌握了更高的人工智能化武器，誰就將從根本上改變未來作戰(zhàn)模式以及戰(zhàn)爭(zhēng)的理論。

未來戰(zhàn)爭(zhēng)的智能化發(fā)展在空戰(zhàn)領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出，其中，無人作戰(zhàn)飛機(jī)的不斷升級(jí)開發(fā)、分布式蜂群作戰(zhàn)體系、有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)等新概念的預(yù)先研究、智能化指揮所等都將引發(fā)未來空戰(zhàn)的變革，也必將引起未來空中對(duì)抗的進(jìn)一步演進(jìn)。本文從國外最新空戰(zhàn)的發(fā)展和演變出發(fā)，結(jié)合了目前人工智能技術(shù)的軍事應(yīng)用，分析了對(duì)未來空戰(zhàn)武器發(fā)展的影響，提出了在未來空戰(zhàn)武器變革中的一些借鑒[1-3]。

1 美軍空戰(zhàn)體系發(fā)展

1.1 美國空軍智能化作戰(zhàn)概念

根據(jù)美軍“武庫機(jī)”、“穿透型制空”、“忠誠僚機(jī)”、“分布式空戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念，其未來的空戰(zhàn)體系如圖1所示[4]。有人/無人機(jī)群組成空中“航母編隊(duì)”體系，以大型運(yùn)輸機(jī)/轟炸機(jī)攜帶大量的中小型無人機(jī)或空空導(dǎo)彈作為“母艦”，以空中預(yù)警機(jī)、多功能有人戰(zhàn)斗機(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)(含無人偵察機(jī)、無人電子戰(zhàn)飛機(jī)和無人攻擊機(jī)等)等作為“編隊(duì)成員”[5]。交戰(zhàn)中，運(yùn)輸機(jī)/轟炸機(jī)部署在最后，承擔(dān)射手的角色；預(yù)警機(jī)/多功能戰(zhàn)機(jī)居中，承擔(dān)前線指揮、控制、通信中繼的角色；最前方是前突的無人作戰(zhàn)飛機(jī)，承擔(dān)戰(zhàn)場(chǎng)偵察、電子干擾、誘餌欺騙和火力攻擊等角色；必要時(shí)，運(yùn)輸機(jī)/轟炸機(jī)大批量施放中小型無人機(jī)或空空導(dǎo)彈，由多功能戰(zhàn)機(jī)指揮，以飽和攻擊的形式對(duì)空中/地面目標(biāo)進(jìn)行打擊，奪取制空權(quán)[6-7]。

美國的國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)在2014年提出“體系集成技術(shù)和試驗(yàn)”(So SITE)項(xiàng)目，最終的目標(biāo)是將作戰(zhàn)飛機(jī)的作戰(zhàn)能力分散到大量的小型平臺(tái)上，通過各個(gè)平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享、多機(jī)組網(wǎng)、協(xié)同配合以及不同任務(wù)模塊的裝用、連接，形成多域協(xié)同的空中作戰(zhàn)體系。DARPA 設(shè)計(jì)了未來基于SoSITE體系空戰(zhàn)的經(jīng)典模式，其中作戰(zhàn)飛機(jī)僅充當(dāng)指控平臺(tái)，在敵防空火力外指揮。該空中平臺(tái)配備有情報(bào)、監(jiān)視、偵察、干擾系統(tǒng)的無人機(jī)/導(dǎo)彈集群，這些作戰(zhàn)武器可以突入敵防空區(qū)，并向己方平臺(tái)發(fā)回目標(biāo)信息，同時(shí)進(jìn)行近距干擾；機(jī)載計(jì)算機(jī)處理這些信息，提出作戰(zhàn)方案，供飛行員決策；然后，大量低成本的武器展開“蜂群”式攻擊，突破防御，摧毀雷達(dá)，打開通道，讓己方之后的空中力量得以通過，完成對(duì)既定目標(biāo)的精確打擊任務(wù)[8],如圖2所示。

圖1 美國未來空戰(zhàn)體系[7]Fig.1 Future American air combat conception map[7]

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)于2017 年12 月授予承包商合同開發(fā)灰狼(Gray-wolf)巡航導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，研發(fā)蜂群、自主巡航導(dǎo)彈，導(dǎo)彈平臺(tái)可以配裝動(dòng)力學(xué)打擊、電子攻擊和情報(bào)監(jiān)聽偵察等各類載荷。DARPA 的小精靈(Gremlins)項(xiàng)目中攜帶不同載荷的無人飛行器平臺(tái)進(jìn)行集群組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)。

圖2 SoSITE項(xiàng)目協(xié)同架構(gòu)Fig.2 SoSITE project collaborative architecture

據(jù)DARPA 設(shè)想，美軍在敵防區(qū)外發(fā)射小精靈(Gremlins)無人機(jī)集群，滲透到敵防區(qū)內(nèi)后，針對(duì)特定目標(biāo)共同進(jìn)行偵察、攻擊或空間定位等作戰(zhàn)任務(wù)。蜂群作戰(zhàn)是美軍著眼于未來強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境而探討的全新作戰(zhàn)樣式。與目前作戰(zhàn)樣式相比，集群作戰(zhàn)采用大量具有分布式協(xié)同能力的小型無人機(jī)，任務(wù)成本大幅降低，提高了作戰(zhàn)靈活性，而且憑借自身數(shù)量優(yōu)勢(shì)可使敵方防御系統(tǒng)“飽和”而無法全部應(yīng)對(duì)，即使無人機(jī)群受到部分損失，作為整體仍可以完成作戰(zhàn)任務(wù)[9]。部分蜂群項(xiàng)目列表如表1所示。

表1 美國空軍典型蜂群技術(shù)項(xiàng)目Table 1 American air force typical bee colony technology project

1.2 美國空軍智能化作戰(zhàn)武器的關(guān)鍵技術(shù)

美軍一直在推進(jìn)單個(gè)武器以及武器體系的智能化自主作戰(zhàn)，利用與分析復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)大量的多維度的信息數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行感知、處理、傳輸和決策。在對(duì)未來空戰(zhàn)的仿真中，例如模式識(shí)別、深度學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)控制等諸多人工智能的關(guān)鍵技術(shù)方面都引領(lǐng)了時(shí)代前進(jìn)的步伐，值得借鑒學(xué)習(xí):

(1)模式識(shí)別技術(shù)。彈載計(jì)算機(jī)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、識(shí)別，從復(fù)雜背景里選取要打擊的目標(biāo)，賦予武器裝備智能自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別的能力，從而提高了制導(dǎo)武器的制導(dǎo)精度。

(2)深度學(xué)習(xí)技術(shù)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，不斷迭加運(yùn)算，分析目標(biāo)特征，完成自主目標(biāo)任務(wù)。將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于作戰(zhàn)武器的目標(biāo)辨識(shí)和定位，可實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)武器的目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別。

(3)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。集人工智能感知、反饋和決策于一體，其包括單體控制和群體控制。單體控制通過自我學(xué)習(xí)，可以不斷積累經(jīng)驗(yàn)，智能前進(jìn)，具備在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)能力；群體控制通過加裝戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元間的信息共享，從而實(shí)現(xiàn)群體移動(dòng)打擊，完成戰(zhàn)斗目的。

目前整體來看，美軍空戰(zhàn)制導(dǎo)武器智能化水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由精確化向智能化的過渡，后續(xù)隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，將逐步進(jìn)入自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境，未來最終實(shí)現(xiàn)能夠自主學(xué)習(xí)的高級(jí)智能作戰(zhàn)能力。

2 人工智能空戰(zhàn)武器的發(fā)展設(shè)想

人工智能技術(shù)在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，從人工智能技術(shù)未來的發(fā)展水平來看，空戰(zhàn)制導(dǎo)武器的智能化發(fā)展可能需要經(jīng)歷認(rèn)知、適應(yīng)和自主三個(gè)階段。認(rèn)知階段:空戰(zhàn)制導(dǎo)武器具有自主感知、交互、決策和執(zhí)行能力，能夠基于預(yù)先存儲(chǔ)設(shè)定好的作戰(zhàn)任務(wù)；適應(yīng)階段:空戰(zhàn)制導(dǎo)武器具有自主感知、交互、學(xué)習(xí)、決策和執(zhí)行能力，能夠適應(yīng)一般戰(zhàn)場(chǎng)變化并處理未預(yù)先設(shè)定的作戰(zhàn)任務(wù)；自主階段:空戰(zhàn)制導(dǎo)武器具有自主進(jìn)化能力，在未知的領(lǐng)域自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，并處理未知事件。

美國空軍實(shí)驗(yàn)室定義了自主控制等級(jí)(Auto-nomous Control Level,ACL)，作為標(biāo)準(zhǔn)衡量人工智能機(jī)器在自主控制方面的水平，如圖3所示。由圖3可以看出，ACL1～3 等級(jí)代表著個(gè)體性能的逐步提升與完善，ACL4 等級(jí)代表單個(gè)機(jī)器的最高性能，ACL5～10 等級(jí)代表智能機(jī)器的群體特性[10]。

圖3 美國人工智能機(jī)器的發(fā)展路線圖Fig.3 Development road-map of US AI

參考圖3人工智能機(jī)器的自主等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合人工智能技術(shù)和空戰(zhàn)武器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，本文初步給出空戰(zhàn)武器智能化的發(fā)展設(shè)想:

第一階段，武器遠(yuǎn)程打擊各子系統(tǒng)的智能化。該階段主要是將最新的人工智能算法應(yīng)用到各個(gè)子系統(tǒng)上，提高子系統(tǒng)的智能化水平[11]。以制導(dǎo)導(dǎo)彈為例，其子系統(tǒng)包括制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、彈體以及電氣系統(tǒng)，如表2所示。

表2 制導(dǎo)導(dǎo)彈各子系統(tǒng)智能化技術(shù)Table 2 Sub-system intelligent technology of guided missile

第二階段，單位作戰(zhàn)武器的智能化。該階段武器的目標(biāo)是從獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息、處理信息、對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析判斷、目標(biāo)決策到執(zhí)行由作戰(zhàn)武器自主完成[12]，如圖4所示。

第三階段，空戰(zhàn)武器集群智能化。本階段的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)多武器、多平臺(tái)之間的協(xié)同綜合作戰(zhàn)，如圖5所示。

該階段需要解決各個(gè)空戰(zhàn)武器之間以及武器與平臺(tái)之間的協(xié)作問題，包括:執(zhí)行空戰(zhàn)任務(wù)時(shí)單個(gè)飛行武器的匹配問題、各個(gè)武器間協(xié)同行動(dòng)的能力、各個(gè)武器與平臺(tái)間操控的能力。其中，需要重點(diǎn)突破的技術(shù)包括協(xié)同態(tài)勢(shì)感知生成與評(píng)估技術(shù)、協(xié)同指揮控制技術(shù)、協(xié)同路徑規(guī)劃技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)武器之間、武器和平臺(tái)之間的高度協(xié)同。

圖4 基于人工智能的空戰(zhàn)武器示意圖Fig.4 Diagram of air combat weapon based on AI

圖5 集群化空戰(zhàn)武器協(xié)同作戰(zhàn)示意圖[13]Fig.5 Cooperative operation of cluster air combat weapons[13]

3 未來空戰(zhàn)武器的變革方向

針對(duì)上述作戰(zhàn)方式，隨著人工智能化水平的提升，未來空戰(zhàn)武器在以下幾個(gè)方面將會(huì)發(fā)生階躍式的變革性發(fā)展。

3.1 更快:天下武功唯快不破

諸如傳統(tǒng)空戰(zhàn)武器最貼近實(shí)戰(zhàn)的空空導(dǎo)彈，所面臨的就是如何打擊未來超聲速飛行的戰(zhàn)機(jī)。突破高超聲速的飛行，所有圖像的傳輸與處理、飛行與控制都將伴隨人工智能的深度學(xué)習(xí)才能有進(jìn)一步的發(fā)展。由此看來，對(duì)抗的不斷升級(jí)加劇了單個(gè)武器技術(shù)的進(jìn)步，而單個(gè)武器系統(tǒng)的進(jìn)步需求又訴求于人工智能技術(shù)的發(fā)展。仿生學(xué)、動(dòng)力學(xué)、機(jī)電一體化等學(xué)科將會(huì)在人工智能技術(shù)的推進(jìn)下更付諸于武器應(yīng)用，這便是變革的開始。

3.2 更準(zhǔn):精確點(diǎn)穴遠(yuǎn)程打擊

從點(diǎn)源到面陣，從128×128到1 280×1 280,從單色到雙色，從單一波段到寬頻多光譜，紅外探測(cè)器的發(fā)展已經(jīng)使紅外導(dǎo)彈發(fā)生了巨變，而深度學(xué)習(xí)所帶來的人工智能圖像處理又將把紅外導(dǎo)彈發(fā)展到新的紀(jì)元——超高的識(shí)別能力、抗干擾能力、大視場(chǎng)的全捷聯(lián)系統(tǒng)等。人工智能模塊的嵌入將大大加速越肩發(fā)射，以及發(fā)射后截獲的成功概率。

激光智能武器將會(huì)走向輕量級(jí)、低功耗，作為未來智能防御網(wǎng)的最為關(guān)鍵一環(huán)，將狙擊來襲空域武器使其致盲，高能激光將成為變革中那濃墨重彩的一筆。

3.3 更精:智能千慮萬無一失

智能化的武器將伴隨人工智能技術(shù)水平的提高，能夠適應(yīng)環(huán)境的復(fù)雜變化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的偽裝辨識(shí)等智能分析。武器的智能化將從仿生進(jìn)化到類人，最后超越人類判斷決策。這必將掀起未來空戰(zhàn)變革的帷幕——以機(jī)器大腦推演未來戰(zhàn)爭(zhēng)的對(duì)局與走向，以及下達(dá)每一個(gè)戰(zhàn)斗決策的后果與代價(jià)，如表3所示。

表3 空戰(zhàn)武器伴隨智能化發(fā)展的變革Table 3 Autonomous levels of intelligent air combat weapons

隨著人工智能飛速發(fā)展，空戰(zhàn)武器的變革迫在眉睫，以前想都不敢想，甚至神話小說中幻想的情節(jié)，都將可能出現(xiàn)在未來作戰(zhàn)中。

4 結(jié) 束 語

人工智能技術(shù)與空戰(zhàn)武器的結(jié)合將會(huì)成為未來空戰(zhàn)武器的重點(diǎn)研制方向。誰能夠在智能化的空戰(zhàn)對(duì)抗中勝出，誰必將主導(dǎo)未來空域的話語權(quán)。人無遠(yuǎn)慮必有近憂，不僅要搶先掌握人工智能未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，開展人工智能技術(shù)對(duì)相關(guān)武器的深度開發(fā)與研究，提升整軍智能化作戰(zhàn)水平，還要加快智能化在未來空戰(zhàn)武器變革中的主導(dǎo)作用，超前布局人工智能技術(shù)在空戰(zhàn)裝備、空戰(zhàn)指揮以及作戰(zhàn)方式等多方面需突破的核心技術(shù)，才能更好地適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，掌握未來戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。