方輝云
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所,浙江嘉興314033)
人工智能是研究和開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸及擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門(mén)技術(shù)科學(xué),發(fā)展較為迅速,其在軍事方面已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。無(wú)人機(jī)由于使用限制少、效費(fèi)比高、敏捷靈活等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到關(guān)注,逐漸成為軍事作戰(zhàn)的有力武器,大力發(fā)展無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為各個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)的共識(shí)。將無(wú)人機(jī)與人工智能技術(shù)相結(jié)合,形成具有自主態(tài)勢(shì)感知、決策和行動(dòng)能力的智能無(wú)人機(jī),有可能重塑未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)形式,改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài),為各國(guó)軍事發(fā)展提供新動(dòng)能。世界強(qiáng)國(guó)都把焦點(diǎn)放在無(wú)人機(jī)智能化作戰(zhàn)層面,加大無(wú)人機(jī)智能化的研發(fā)力度,制定發(fā)展路線圖,開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)智能化項(xiàng)目,并逐步從原型過(guò)渡到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用,以適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)快速?zèng)Q策分析。
無(wú)人機(jī)功能越來(lái)越多樣化,美軍將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)納入其現(xiàn)有的作戰(zhàn)組織結(jié)構(gòu),以便在信息戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮效用。美軍在大力提升無(wú)人系統(tǒng)性能的同時(shí),注重發(fā)展新興技術(shù),智能化技術(shù)作為無(wú)人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),促進(jìn)無(wú)人系統(tǒng)向高度自主方向發(fā)展。美國(guó)國(guó)防部采用《無(wú)人機(jī)路線圖2005—2030》報(bào)告中的無(wú)人機(jī)自主控制等級(jí),將無(wú)人機(jī)劃分為10 個(gè)等級(jí),等級(jí)越高,無(wú)人機(jī)自主控制能力越強(qiáng)。美軍無(wú)人機(jī)自主智能趨勢(shì)圖如圖1 所示。
圖1 美軍無(wú)人機(jī)自主智能趨勢(shì)
人工智能與無(wú)人機(jī)融合可能會(huì)改變未來(lái)的軍事作戰(zhàn)概念以及各國(guó)之間的作戰(zhàn)沖突方式,尤其是與人工智能相關(guān)的蜂群無(wú)人機(jī)將成為未來(lái)作戰(zhàn)的關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)與人工智能的結(jié)合將是未來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)的集成和應(yīng)用也將人類與機(jī)器協(xié)作推向一個(gè)新的發(fā)展高度。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)取決于作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的交互作用,這些交互將取決于技術(shù)的互操作性,以便在信息收集者、決策者、規(guī)劃者和戰(zhàn)士之間及時(shí)傳遞信息。圖2 顯示了人機(jī)交互的過(guò)程,智能化水平從無(wú)人機(jī)到人工計(jì)算機(jī)呈遞增趨勢(shì),人類通過(guò)協(xié)調(diào)層、組織層、執(zhí)行層對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)施控制,實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同智能態(tài)勢(shì)感知、智能決策和精準(zhǔn)殺傷。
智能化無(wú)人機(jī)在信息化戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)顯著,具備高度自主能力,能夠及時(shí)響應(yīng)和完成任務(wù)指令。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬(wàn)變,勢(shì)必要重點(diǎn)發(fā)展無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的人工智能技術(shù)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的人工智能技術(shù)主要包括空戰(zhàn)算法、機(jī)器視覺(jué)、有人-無(wú)人編組、蜂群、自主任務(wù)決策和攻擊。
圖2 人機(jī)交互過(guò)程
相比地面和海上作戰(zhàn),空中作戰(zhàn)環(huán)境更為廣闊,因而需要制定更為復(fù)雜的空戰(zhàn)策略以對(duì)抗敵人。智能化無(wú)人機(jī)的空戰(zhàn)性能取決于算法的優(yōu)劣,無(wú)人機(jī)借助人工智能的算法戰(zhàn)略取得突破,從而奪取制空優(yōu)勢(shì)??諔?zhàn)算法具有速度快、效率高、結(jié)果更為準(zhǔn)確等特點(diǎn),能夠?qū)⒑A繑?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用情報(bào)。人工智能空戰(zhàn)算法已在作戰(zhàn)模擬器環(huán)境中進(jìn)行演示并獲得成功。
國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局空戰(zhàn)演進(jìn)(ACE)項(xiàng)目為人工智能開(kāi)發(fā)人員創(chuàng)建了一種競(jìng)爭(zhēng)性空域環(huán)境,以實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)自主化。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和洛克希德·馬丁公司在2017 年進(jìn)行了一系列測(cè)試,成功演示了F-16在空對(duì)地打擊任務(wù)中的一系列算法控制,并能夠適應(yīng)復(fù)雜挑戰(zhàn)。
機(jī)器視覺(jué)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人類視覺(jué)能力,使機(jī)器獲得視覺(jué)信息并進(jìn)行處理和分析。機(jī)器視覺(jué)提供目標(biāo)檢測(cè)和分類等態(tài)勢(shì)感知能力,并且當(dāng)多傳感器融合時(shí),它可以在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤和定位。機(jī)器視覺(jué)對(duì)于基于視覺(jué)的導(dǎo)航也是必不可少的。無(wú)人機(jī)利用機(jī)器視覺(jué)工作,首先操作員親自操控?zé)o人機(jī),從攝像機(jī)和激光雷達(dá)收集視覺(jué)和空間數(shù)據(jù),再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。新標(biāo)記的數(shù)據(jù)將利用無(wú)人機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法運(yùn)行,以訓(xùn)練無(wú)人機(jī)在攝像機(jī)的視野范圍內(nèi)區(qū)分物體,并關(guān)聯(lián)類似對(duì)象以避免危險(xiǎn)。目前,小型無(wú)人機(jī)正在探索利用機(jī)器視覺(jué)算法進(jìn)行自主飛行以掃描和避免障礙物。
2017 年,美國(guó)進(jìn)行城市作戰(zhàn)演習(xí)利用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù),該演習(xí)使用的無(wú)人機(jī)與機(jī)器視覺(jué)處理應(yīng)用相連,通過(guò)安裝在無(wú)人機(jī)上的熱攝像頭,系統(tǒng)能夠識(shí)別隱蔽的狙擊手,并將威脅告知己方。認(rèn)知視覺(jué)導(dǎo)航和圖像拼接是利用視覺(jué)數(shù)據(jù)和機(jī)載人工智能處理進(jìn)行自主導(dǎo)航的研究領(lǐng)域。
有人-無(wú)人機(jī)編組技術(shù)被確認(rèn)為是增援陸、海、空軍隊(duì)的戰(zhàn)略優(yōu)先事項(xiàng),允許單兵作為協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的一部分與無(wú)人機(jī)系統(tǒng)一起工作,并允許單個(gè)用戶與無(wú)人機(jī)進(jìn)行編組。美空軍戰(zhàn)斗無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)是建立“忠誠(chéng)僚機(jī)”,單個(gè)飛行員將與能夠自主決策以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)的伴隨無(wú)人機(jī)協(xié)同工作。美陸軍對(duì)人機(jī)協(xié)同技術(shù)的設(shè)想是自主無(wú)人系統(tǒng)將作為編組成員執(zhí)行任務(wù),并監(jiān)督下級(jí)系統(tǒng),以完成關(guān)鍵和復(fù)雜任務(wù)。自2014 年以來(lái),美陸軍對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)進(jìn)行編組并演示驗(yàn)證,目的是將控制器射程擴(kuò)展到競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中,在視距外發(fā)動(dòng)攻擊。
美軍將推出無(wú)人機(jī)蜂群自主系統(tǒng)訓(xùn)練策略。無(wú)人機(jī)蜂群是人工智能和無(wú)人機(jī)結(jié)合發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域,人工智能為無(wú)人機(jī)提供了一種快速、自適應(yīng)和靈活的方式來(lái)探索集群行為的最佳交互規(guī)則,通過(guò)利用人工智能來(lái)校準(zhǔn)蜂群運(yùn)動(dòng)和戰(zhàn)術(shù),從而增強(qiáng)系統(tǒng)自主性以減輕人工負(fù)擔(dān)。無(wú)人機(jī)蜂群技術(shù)包括蜂群自主性、人-蜂群編組、蜂群感知、蜂群組網(wǎng)等,蜂群無(wú)人機(jī)具備態(tài)勢(shì)感知、計(jì)算、機(jī)動(dòng)、火力等優(yōu)勢(shì),且功能多樣,可有效提升蜂群內(nèi)部無(wú)人機(jī)的自主協(xié)調(diào)控制能力。
無(wú)人機(jī)蜂群技術(shù)可以在防空反導(dǎo)、反潛戰(zhàn)和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)等方面發(fā)揮效用,并能在更大范圍的進(jìn)攻行動(dòng)之前,干擾或摧毀敵方的預(yù)警探測(cè)和指控系統(tǒng)。例如單架無(wú)人機(jī)不太可能對(duì)美國(guó)F-35 隱形戰(zhàn)斗機(jī)等構(gòu)成重大威脅,但是成百上千的人工智能無(wú)人機(jī)蜂群出擊,就可能擊敗對(duì)手的尖端防御裝備。未來(lái),空中無(wú)人機(jī)機(jī)群使用最優(yōu)化的人機(jī)結(jié)合算法訓(xùn)練,將有助于保持有競(jìng)爭(zhēng)力的空中優(yōu)勢(shì)。
無(wú)人機(jī)自主任務(wù)就是在競(jìng)爭(zhēng)的電磁環(huán)境中,對(duì)攻擊及情報(bào)、監(jiān)視和偵察(ISR)過(guò)程進(jìn)行預(yù)編程,執(zhí)行復(fù)雜的命令,完成作戰(zhàn)目標(biāo)。隨著現(xiàn)代空中系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,多機(jī)多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)概念的出現(xiàn),傳統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行往往無(wú)法滿足多樣化作戰(zhàn)的需求。以遺傳算法、蟻群算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能方法可以為執(zhí)行自主任務(wù)提供可靠決策,例如部分無(wú)人機(jī)搭載巡航彈藥,可以利用自主任務(wù)打擊特定目標(biāo)。無(wú)人機(jī)依靠云平臺(tái),利用分布式智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng),進(jìn)行集中指揮、分散控制和分散執(zhí)行。自主任務(wù)執(zhí)行可以同時(shí)在多個(gè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行。即使一架或幾架無(wú)人機(jī)被摧毀,還可以通過(guò)剩下的或新增的無(wú)人機(jī)繼續(xù)作戰(zhàn)任務(wù)。
2019 年5 月,DARPA 啟動(dòng)“空戰(zhàn)演進(jìn)”項(xiàng)目,旨在研究可執(zhí)行空中格斗任務(wù)的人工智能。通過(guò)“空戰(zhàn)演進(jìn)”項(xiàng)目,人工智能空戰(zhàn)算法將為無(wú)人機(jī)空中交戰(zhàn)帶來(lái)突出優(yōu)勢(shì)。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō),該項(xiàng)目在復(fù)雜的空戰(zhàn)場(chǎng)中進(jìn)行有人-無(wú)人編組。該項(xiàng)目旨在研究四個(gè)方面內(nèi)容,包括研發(fā)局部個(gè)體和編組戰(zhàn)術(shù)行為的自主作戰(zhàn)系統(tǒng)、測(cè)量飛行員對(duì)自主作戰(zhàn)系統(tǒng)的信任度、在全局行為中信任并利用自主系統(tǒng)、建立實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施。ACE 項(xiàng)目創(chuàng)建了一個(gè)自主性框架,在框架內(nèi),飛行員實(shí)施制定總體交戰(zhàn)策略、目標(biāo)選擇和排序、確定最佳使用武器、作戰(zhàn)效果評(píng)估等高級(jí)認(rèn)知行為,自主系統(tǒng)執(zhí)行飛機(jī)機(jī)動(dòng)、交戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)等低級(jí)行為,因此需要高度信任自主系統(tǒng)。ACE 將人工智能技術(shù)應(yīng)用于空中格斗算法,并利用小型無(wú)人機(jī)和全尺寸作戰(zhàn)飛機(jī)演示作戰(zhàn)自主性。通過(guò)改進(jìn)算法和戰(zhàn)術(shù)增強(qiáng)作戰(zhàn)場(chǎng)景以及對(duì)抗能力,實(shí)現(xiàn)在有人無(wú)人協(xié)同平臺(tái)模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)中的作戰(zhàn)。
美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)了“空中博格”項(xiàng)目,以全力推進(jìn)人工智能“忠誠(chéng)僚機(jī)”的研發(fā),使其成為具有高度自主任務(wù)能力的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī),目前該項(xiàng)目還處在初級(jí)階段?!翱罩胁└瘛表?xiàng)目包含無(wú)人機(jī)集群,這些無(wú)人機(jī)采用模塊化的軟硬件有效載荷以及通用的人工智能架構(gòu),具備快速更新、可消耗、自主性、開(kāi)放架構(gòu)和彈性等特征,以實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)。
“空中博格”系統(tǒng)包括“虛擬副駕駛”和“自主無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)”2 大功能?!疤摂M副駕駛”為飛行員提供輔助決策,使其快速作出選擇?!白灾鳠o(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)”能夠?qū)崿F(xiàn)自主任務(wù)能力,通過(guò)利用無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù),使飛行員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)。該項(xiàng)目未來(lái)可能將“空中博格”與波音公司的QF-16、Kratos 公司的隱形XQ-58A、BQM-167 等無(wú)人機(jī)集成在一起。
2017 年,美國(guó)防部啟動(dòng)“Maven 計(jì)劃”人工智能項(xiàng)目并成立了“算法戰(zhàn)跨部門(mén)小組”,“算法戰(zhàn)跨部門(mén)小組”旨在加速集成人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),迅速處理國(guó)防部大數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜谧鲬?zhàn)的情報(bào)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目通過(guò)利用目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別和機(jī)器視覺(jué)算法,增強(qiáng)無(wú)人機(jī)的自主態(tài)勢(shì)感知、規(guī)劃和執(zhí)行能力,從而提高作戰(zhàn)效率。
“Maven 計(jì)劃”對(duì)從“掃描鷹”、MQ-9“死神”無(wú)人機(jī)上收集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行自主識(shí)別分析,確定感興趣的目標(biāo)。該項(xiàng)目利用人工智能技術(shù)主要體現(xiàn)在對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理和訓(xùn)練算法2 個(gè)方面。處理原始數(shù)據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和標(biāo)注,根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)提供最優(yōu)算法并進(jìn)行部署,通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練調(diào)整算法,以提升無(wú)人機(jī)性能。
2019 年,芬蘭提出“壓制防空無(wú)人機(jī)蜂群”項(xiàng)目,用于迷惑、癱瘓和摧毀敵方防空系統(tǒng),該項(xiàng)目得到歐盟6個(gè)成員國(guó)的支持?!皦褐品揽諢o(wú)人機(jī)蜂群”依賴于相應(yīng)算法,以便讓一群無(wú)人機(jī)可以識(shí)別防空系統(tǒng)的特征、在蜂群內(nèi)部分享信息并制定一套打擊敵防御弱點(diǎn)的規(guī)劃方案。作戰(zhàn)樣式可能包括致盲雷達(dá)傳感器、使用自殺戰(zhàn)術(shù)壓制敵防空火力、使用彈藥或電子戰(zhàn)載荷攻擊。
美國(guó)空軍授予通用原子航空系統(tǒng)公司合同,利用MQ-9“收割者”無(wú)人機(jī)演示“敏捷禿鷲”能力?!懊艚荻d鷲”是一種可搭載在無(wú)人機(jī)上的人工智能吊艙,其包含高性能計(jì)算處理結(jié)構(gòu),采用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、分類、跟蹤監(jiān)視。通過(guò)對(duì)獲取的圖像、視頻進(jìn)行分析和處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的快速感知和識(shí)別,進(jìn)而為指揮官提供決策參考?!懊艚荻d鷲”系統(tǒng)的高級(jí)計(jì)算技術(shù)可以增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知、自適應(yīng)決策、多模式、多任務(wù),大規(guī)模分析和異構(gòu)信息處理。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是響應(yīng)迅速,機(jī)箱可提供每秒7.5 萬(wàn)億次浮點(diǎn)計(jì)算,提高了數(shù)據(jù)處理效率,通過(guò)大幅壓縮數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析之間的時(shí)延,從而提高打擊精度。
無(wú)人機(jī)集群的智能水平還有待演進(jìn)發(fā)展?,F(xiàn)階段國(guó)外構(gòu)建了有人/無(wú)人集群編組,進(jìn)一步發(fā)揮人在環(huán)路的靈活應(yīng)變能力。但空戰(zhàn)場(chǎng)速度快、復(fù)雜多變,且信息傳遞需要時(shí)間,尤其在無(wú)人機(jī)集群之間,因而會(huì)對(duì)決策產(chǎn)生一定的影響。未來(lái)需要進(jìn)一步強(qiáng)化無(wú)人機(jī)集群與人工智能的融合,解決無(wú)人機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵的感知和信任問(wèn)題,更多地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群的自主決策和規(guī)劃,加強(qiáng)無(wú)人機(jī)集群應(yīng)對(duì)復(fù)雜空戰(zhàn)場(chǎng)能力。
新一代智能無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)以算法和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),注重提高感知、計(jì)算、認(rèn)知推理和作戰(zhàn)執(zhí)行能力,從而形成一個(gè)開(kāi)放、兼容、穩(wěn)定、成熟的技術(shù)體系。算法作為人工智能技術(shù)的核心,為無(wú)人機(jī)的各種行動(dòng)提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是將人工智能集成到無(wú)人系統(tǒng)中必須考慮的問(wèn)題。數(shù)據(jù)準(zhǔn)確是自主分析和決策的基礎(chǔ),它不僅受到數(shù)據(jù)源的影響,而且受接收及分析系統(tǒng)的影響,因此需要建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。此外,要對(duì)態(tài)勢(shì)感知技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、行為識(shí)別與預(yù)測(cè)技術(shù)、協(xié)同自主控制技術(shù)、集群技術(shù)、云技術(shù)等進(jìn)行同步研究,在空戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)綜合運(yùn)用多種技術(shù),提升無(wú)人機(jī)的整體性能。
未來(lái)進(jìn)一步提高人機(jī)協(xié)作訓(xùn)練必不可少。為適應(yīng)更大范圍的作戰(zhàn)場(chǎng)景和更頻繁地部署無(wú)人系統(tǒng),需要從根本上改變軍事訓(xùn)練的要求、人事管理和組織結(jié)構(gòu)。隨著自主系統(tǒng)變得更加先進(jìn),調(diào)查、理解和記錄自主系統(tǒng)與人類的交互作用將是至關(guān)重要的。操作員和指揮官需要非常熟練地操作這些系統(tǒng),并在各種作戰(zhàn)環(huán)境中面對(duì)特殊作戰(zhàn)挑戰(zhàn)時(shí)作出適當(dāng)反應(yīng)。通過(guò)有效培訓(xùn)操作人員和團(tuán)隊(duì),有效提高人機(jī)協(xié)作效率。
世界強(qiáng)國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展無(wú)人機(jī)系統(tǒng),以美國(guó)為首的國(guó)家對(duì)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)的研究也從理論逐漸走向試驗(yàn)驗(yàn)證,并力圖用于實(shí)際作戰(zhàn)。人工智能技術(shù)作為新興作戰(zhàn)技術(shù),正在迅速改變無(wú)人機(jī)的應(yīng)用模式,為無(wú)人機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的各種用途提供了多種可能性??傮w而言,機(jī)器視覺(jué)、算法、人機(jī)協(xié)同等人工智能技術(shù)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用已逐步成熟?;谌斯ぶ悄艿臒o(wú)人機(jī)解決方案可以為未來(lái)作戰(zhàn)提供一種新的范式,將有助于提高作戰(zhàn)效能,奪取戰(zhàn)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位?!?/p>