國外軍用領(lǐng)域人工智能發(fā)展規(guī)劃及艦船智能化技術(shù)運(yùn)用

桂士宏，鄒念洋，李 楠

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

近年來，美國、日本、俄羅斯、英國等主要國家已將人工智能上升為國家戰(zhàn)略進(jìn)行布局，軍方、政府和民間智庫紛紛出臺一系列軍用領(lǐng)域人工智能戰(zhàn)略規(guī)劃，加大經(jīng)費(fèi)投入力度，加快推進(jìn)人工智能相關(guān)技術(shù)在軍用領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用。在艦船領(lǐng)域，智能化發(fā)展已成為共識。各國智能化技術(shù)的體系化布局和重點(diǎn)突破正推動艦船智能化向更深層次發(fā)展。

1 國外頂層規(guī)劃

1.1 美國人工智能戰(zhàn)略規(guī)劃

美國在人工智能研究方面一直處于世界最前沿，其政府在人工智能研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，商業(yè)部門也積極參與人工智能相關(guān)研發(fā)。美國的政府、智庫發(fā)布了一系列人工智能頂層戰(zhàn)略，規(guī)劃人工智能在國防安全領(lǐng)域的應(yīng)用，評估人工智能為國防安全帶來的影響，美國國防部和各軍兵種也發(fā)布了各自的人工智能戰(zhàn)略或路線圖。

1）國防部

2018 年8 月，美國國防部發(fā)布了《2017-2042 年無人系統(tǒng)綜合路線圖》，旨在為快速發(fā)展的無人系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域制定為期30 年的指南，推動全局范圍的協(xié)作和實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作的標(biāo)準(zhǔn)化，該路線圖意在發(fā)揮人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的巨大潛力，同時(shí)解決將無人系統(tǒng)武器化所產(chǎn)生的政策挑戰(zhàn)[1]；2019 年2 月，美國國防部發(fā)布了《2018 國防部人工智能戰(zhàn)略概要》，著重強(qiáng)調(diào)了發(fā)展人工智能的重要意義，分析了美國國防部在人工智能領(lǐng)域面臨的戰(zhàn)略形勢，闡明了美國防部部署人工智能的戰(zhàn)略舉措及重點(diǎn)領(lǐng)域。

表1 美國人工智能頂層戰(zhàn)略Tab.1 The United States' top-level strategies on artificial intelligence

2）各軍兵種

1995 年10 月，美國海軍開始“智能艦”計(jì)劃；1995 年11 月，美國海軍司令部、海上系統(tǒng)司令部、海軍水面戰(zhàn)中心（NSWC）成立小組進(jìn)行“智能艦”計(jì)劃概念研究；1996 年2 月，美國海軍作戰(zhàn)部長批準(zhǔn)智能艦計(jì)劃；1999 年，美國海軍提出“智能航母”計(jì)劃，以“智能艦”計(jì)劃為模板，將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于未來新型航母CVX（即現(xiàn)在的“福特”級航母）上，同時(shí)也用于改裝當(dāng)時(shí)在役的航母。2018 年3 月，美國海軍完成《無人系統(tǒng)戰(zhàn)略路線圖》，為無人系統(tǒng)納入海軍作戰(zhàn)的各個方面提供指南，描述了海軍部當(dāng)前的無人系統(tǒng)狀態(tài)，并展望無人系統(tǒng)的未來應(yīng)用以及其將提供的能力[2]；2019 年9 月，美國海軍發(fā)布了《海軍人工智能框架》報(bào)告，介紹了美海軍面臨的挑戰(zhàn)以及如何將人工智能應(yīng)用與海軍關(guān)鍵任務(wù)聯(lián)系起來，并說明了人員配備和組織機(jī)構(gòu)要求、政策考慮以及美海軍高效使用人工智能所需的措施[3]。

2017 年3 月，美國陸軍發(fā)布《機(jī)器人與自主系統(tǒng)戰(zhàn)略》文件，詳細(xì)描述了陸軍如何將機(jī)器人與自主系統(tǒng)集成到未來部隊(duì)中，使其成為陸軍武器裝備體系的重要組成部分。該戰(zhàn)略確立了機(jī)器人與自主系統(tǒng)未來發(fā)展的5 個能力目標(biāo)，明確了機(jī)器人與自主系統(tǒng)在近期、中期和遠(yuǎn)期的優(yōu)先發(fā)展事項(xiàng)與投資重點(diǎn)。

2019 年9 月，美國空軍發(fā)布了《2019 年度人工智能戰(zhàn)略》，旨在推動未來預(yù)算和規(guī)劃周期的決策，通過重點(diǎn)領(lǐng)域和目標(biāo)發(fā)展空軍人工智能生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了人工智能能力對其執(zhí)行21 世紀(jì)任務(wù)的重要性。

3）相關(guān)智庫

2017 年7 月，美國哈佛大學(xué)肯尼迪政治學(xué)院發(fā)布《人工智能與國家安全》報(bào)告，分析了人工智能技術(shù)在軍事、信息、經(jīng)濟(jì)等方面的變革潛力，并從國家安全角度對美國政府人工智能技術(shù)發(fā)展及管理提出了目標(biāo)和建議[4]；2018 年4 月，美國戰(zhàn)略與預(yù)算評估中心發(fā)布《未來地面部隊(duì)人機(jī)編隊(duì)》報(bào)告，報(bào)告主要從發(fā)展未來地面部隊(duì)人機(jī)編隊(duì)的主要推動因素、可使未來地面部隊(duì)在戰(zhàn)爭中獲得競爭優(yōu)勢的三大人機(jī)編隊(duì)形式、發(fā)展未來人機(jī)編隊(duì)面臨的主要挑戰(zhàn)，以及通過人機(jī)編隊(duì)提高未來地面部隊(duì)作戰(zhàn)效能4 個方面對未來地面部隊(duì)人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行闡述[5]。

1.2 其他國家人工智能戰(zhàn)略規(guī)劃

除美國外，北約、英國、日本、俄羅斯也發(fā)布了一系列人工智能頂層戰(zhàn)略，意在為本國軍用領(lǐng)域人工智能技術(shù)設(shè)立發(fā)展目標(biāo)、規(guī)劃發(fā)展路線、制定應(yīng)用舉措。日本大力開展人工智能技術(shù)應(yīng)用研究，將無人技術(shù)和智能化技術(shù)作為軍事技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向；英國強(qiáng)調(diào)人工智能等前沿科技在國防與安全領(lǐng)域的重要作用；俄羅斯謀求在人工智能領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位，加快推進(jìn)人工智能技術(shù)在國防領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

1）日本

2016 年3 月，日本野村綜合研究所發(fā)布了《至2020 年人工智能技術(shù)路線圖》報(bào)告，預(yù)測了日本未來5 年左右在語音識別、圖像識別、自然語言處理等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況；2016 年8 月，日本防衛(wèi)省發(fā)布《防衛(wèi)技術(shù)戰(zhàn)略》，提出應(yīng)根據(jù)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和無人化技術(shù)的發(fā)展趨勢，發(fā)展?jié)M足自衛(wèi)隊(duì)未來作戰(zhàn)需求的武器裝備[6]；2016 年8 月，日本防衛(wèi)省發(fā)布《中長期技術(shù)規(guī)劃》，將地面、空中和海上無人系統(tǒng)列入重點(diǎn)發(fā)展的軍事技術(shù)領(lǐng)域，將無人技術(shù)和智能化技術(shù)作為軍事技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

2）英國

2017 年10 月，英國國防部發(fā)布《科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略2017》，突出強(qiáng)調(diào)了人工智能等前沿科技在英國國防與安全中的重要作用，并提出推動國防科技創(chuàng)新的政策舉措；2019 年9 月，英國國防部發(fā)布《國防創(chuàng)新技術(shù)框架》文件，確定了英國重點(diǎn)發(fā)展的國防創(chuàng)新技術(shù)，包括先進(jìn)材料、人工智能等七大技術(shù)群，并闡述其最具潛能的軍事應(yīng)用領(lǐng)域。

3）俄羅斯

2016 年，俄羅斯國防部發(fā)布《2025 年前發(fā)展軍事科學(xué)綜合體構(gòu)想》，明確提出將分階段強(qiáng)化國防科研體系建設(shè)，以促進(jìn)創(chuàng)新成果產(chǎn)出，并將人工智能技術(shù)、無人自主技術(shù)作為俄軍事技術(shù)在短期和中期的發(fā)展重點(diǎn)；2017 年，俄羅斯國防部發(fā)布《2018-2025 年國家武器裝備計(jì)劃》，提出為俄羅斯武裝力量提供基于新物理原理的武器，以及超高聲速武器樣機(jī)、智能化機(jī)器人系統(tǒng)和新一代常規(guī)武器裝備。

表2 其他國家人工智能頂層戰(zhàn)略Tab.2 Other countries' top-level strategies on artificial intelligence

2 技術(shù)應(yīng)用

感知、處理、反饋等人工智能基礎(chǔ)技術(shù)的日趨成熟，促進(jìn)了艦船智能化技術(shù)的發(fā)展[7]。20 世紀(jì)末，以美國為首的西方國家逐步開展“智能艦”計(jì)劃等研究工作，拉開了智能艦船技術(shù)發(fā)展的帷幕。進(jìn)入21 世紀(jì)，美海軍開展大量項(xiàng)目研發(fā)，加速推進(jìn)艦船智能化技術(shù)的轉(zhuǎn)化運(yùn)用，包括船舶狀態(tài)監(jiān)控、船舶智能操控、目標(biāo)探測識別和作戰(zhàn)輔助決策等多項(xiàng)技術(shù)得到了重點(diǎn)應(yīng)用。

2.1 船舶狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

船舶狀態(tài)監(jiān)控通常由智能化船舶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。智能化船舶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、船載衛(wèi)星寬帶通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)船、岸兩端對船上各專業(yè)設(shè)備運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前船舶狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)已在美國海軍的綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）和企業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（ERM）上得到應(yīng)用。

美國海軍的綜合狀態(tài)評估系統(tǒng)（ICAS）配置了與專業(yè)導(dǎo)航設(shè)備相連接的故障排除邏輯電路，可預(yù)測和探測即將來臨的故障，診斷特殊故障模塊，并提出專業(yè)解決方案。其利用船舶狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，可為智能艦上的各種機(jī)械設(shè)備提供狀態(tài)評估、診斷、趨勢分析和維護(hù)管理能力。此外，ICAS 還可通過陸地網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星與岸上美國海軍維護(hù)數(shù)據(jù)庫相連，以實(shí)時(shí)接收艦艇狀態(tài)數(shù)據(jù)，為岸上基地做出艦艇的保養(yǎng)規(guī)劃提供參考。

企業(yè)級遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（ERM）是美國海軍基于狀態(tài)維修系統(tǒng)（CBM）的新一代船舶狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，ERM 的首次部署是將該系統(tǒng)集成到DDG-1 000 驅(qū)逐艦架構(gòu)中，并將逐步在其他艦船中改裝。ERM 的運(yùn)作依附于DDG-1 000 的全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE），TSCE 對ERM 運(yùn)行的硬件具有控制權(quán)。利用船舶狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，ERM 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測、增強(qiáng)性能分析、自動數(shù)據(jù)訪問、拓展登入功能、傳感器計(jì)算分析等功能。

2.2 船舶智能操控技術(shù)

船舶智能操控依托于對艦船的駕駛室、控制室、態(tài)勢感知室等進(jìn)行智能化融合，可實(shí)現(xiàn)全艦平臺信息的集成，縮短了艦船對環(huán)境和威脅的反應(yīng)時(shí)間，也可減少對艦員數(shù)量的需求。

2015 年，法國艦艇建造局（DCNS）在歐洲海軍裝備展上發(fā)布了XWIND 4 000“全數(shù)字化”概念艦設(shè)計(jì)方案，該方案運(yùn)用了語音控制技術(shù)、體感技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使艦員在艦橋上擁有360°全方位視野。所有的數(shù)字化系統(tǒng)均運(yùn)行于安全的數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)上，該體系結(jié)構(gòu)處于能根據(jù)作戰(zhàn)需求變化而分配相應(yīng)資源的虛擬環(huán)境中。

圖1 XWIND 4 000 概念艦?zāi)Ｐ虵ig.1 XWIND 4 000 concept ship model

2018 年，米克洛斯系統(tǒng)公司成功為“自由”號近海戰(zhàn)斗艦（LCS-1）安裝并測試AN/SYM-3 系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用了船舶智能操控技術(shù)，采用智能傳感器，其可基于模型的預(yù)測架構(gòu)將大量數(shù)據(jù)整合、分析并轉(zhuǎn)換成可用于操作、維護(hù)和后勤保障的信息。

2019 年，日本三菱重工在?？仗旆绖?wù)展發(fā)布了將用于日本30DX 護(hù)衛(wèi)艦上的“先進(jìn)綜合戰(zhàn)情中心”設(shè)計(jì)方案，該方案運(yùn)用了船舶智能操控技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過360°環(huán)狀屏幕墻將駕駛室、態(tài)勢感知室、主機(jī)和動力控制室、戰(zhàn)情中心聯(lián)合在一起，提供全景展示環(huán)境，使戰(zhàn)斗指揮員及時(shí)獲取和利用最新的情況信息，同時(shí)還可以讓艦員通過多功能控制界面執(zhí)行作戰(zhàn)、導(dǎo)航和通信等幾乎全部的艦上指揮與控制工作。

圖2 30DX 護(hù)衛(wèi)艦的先進(jìn)集成戰(zhàn)情中心設(shè)計(jì)方案Fig.2 30DX frigate's advanced integrated CIC design

2.3 目標(biāo)探測識別技術(shù)

目標(biāo)探測識別依托圖像處理技術(shù)，對敵方情報(bào)及圖像進(jìn)行識別、分類和信息處理，自動提供輔助決策建議，可以依靠計(jì)算機(jī)軟件迅速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和識別符合打擊要求的目標(biāo)[8]。

美國Genex 技術(shù)公司為美國海軍研制一型名為OmniEye CerberusTM 的智能化視頻/紅外全景監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用了目標(biāo)探測識別技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測、跟蹤、分類、告警設(shè)置、數(shù)字記錄和視頻分析，適合停泊在港口的艦船，用于探測跟蹤非法進(jìn)入的人員和船只。

美國Knexus 公司與美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）聯(lián)合開發(fā)了“海上活動分析工作臺”（MAAW）系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)海上視頻監(jiān)視工具，運(yùn)用了目標(biāo)探測識別技術(shù)，可在海軍艦船進(jìn)入海港、海灣和港口等近海區(qū)域以及各種內(nèi)陸水道時(shí)為艦船值更官和軍官提供安全防護(hù)決策支持。

2013 年，DARPA 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室（TTO）啟動“戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點(diǎn)”（TERN）項(xiàng)目，并與美國海軍聯(lián)合開展研究，旨在發(fā)展一種中小型水面艦艇搭載的中空長航時(shí)（MALE）固定翼無人機(jī)，該無人機(jī)運(yùn)用了發(fā)射回收技術(shù)、目標(biāo)識別技術(shù)，可依靠視頻監(jiān)視系統(tǒng)對海上目標(biāo)艦艇進(jìn)行長時(shí)間情報(bào)監(jiān)視偵察，或?qū)嵤┐驌簟ERN 項(xiàng)目的無人機(jī)已于2018 年底進(jìn)行一系列海上飛行試驗(yàn)，計(jì)劃于2022 年批量生產(chǎn)，2024 年形成作戰(zhàn)能力。

圖3 “戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點(diǎn)”無人機(jī)示意圖Fig.3 The schematic diagram of tactically exploited reconnaissance node (TERN) UAV

2.4 作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)

人工智能技術(shù)中的機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測分析等技術(shù)，已廣泛用于作戰(zhàn)輔助決策領(lǐng)域，可加快數(shù)據(jù)處理速度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器語言與人類語言間的轉(zhuǎn)化，提高人機(jī)交互水平。面對現(xiàn)代戰(zhàn)爭空前苛刻的戰(zhàn)場響應(yīng)和精準(zhǔn)指揮要求，具備高速計(jì)算與方案規(guī)劃能力的人工智能可扮演戰(zhàn)場指控系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢的智能感知。未來，智能指揮決策系統(tǒng)可高效處理海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息，提供輔助決策，將對作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生變革性影響。

2014 年，美國海軍啟動“智能協(xié)同作戰(zhàn)”（ICE）項(xiàng)目，包括“聯(lián)合電子攻擊”（CEA）和“聯(lián)合反艦作戰(zhàn)”（CASE）2 個系統(tǒng)，該項(xiàng)目運(yùn)用了作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)，可通過自主結(jié)合防區(qū)內(nèi)電子戰(zhàn)和動能殺傷武器，摧毀拒止圈內(nèi)的艦艇。

2017 年1 月，美國海軍海上系統(tǒng)司令部授予ASSETT 公司“海軍未來作戰(zhàn)系統(tǒng)”（CSoF）項(xiàng)目，負(fù)責(zé)改進(jìn)AN/BYG-1 潛艇戰(zhàn)術(shù)控制系統(tǒng)等現(xiàn)有作戰(zhàn)系統(tǒng)。改進(jìn)后的AN/BYG-1 系統(tǒng)運(yùn)用了體系架構(gòu)軟件設(shè)計(jì)和作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)，提高指控與輔助決策能力。

2019 年，英國BAE 系統(tǒng)公司提出了“海軍未來作戰(zhàn)系統(tǒng)”構(gòu)想，該系統(tǒng)運(yùn)用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)，將人工智能工具整合到作戰(zhàn)系統(tǒng)，方便艦員快速處理信息，加快作戰(zhàn)決策速度，提高海軍艦艇作戰(zhàn)能力。

2019 年，西班牙國防部軍備物資局授予英德拉公司Soprene 項(xiàng)目合同，該項(xiàng)目為期2 年，運(yùn)用了作戰(zhàn)輔助決策技術(shù)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行艦載傳感器大數(shù)據(jù)信息處理，利用分析結(jié)果提高預(yù)防性維護(hù)能力，保障艦艇的可靠性。

3 結(jié) 語

未來，艦船智能化正朝著網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)支撐、智能控制、自主決策、多域一體協(xié)同的方向發(fā)展。除當(dāng)前重點(diǎn)應(yīng)用的船舶狀態(tài)監(jiān)控、船舶智能操控、目標(biāo)探測識別和作戰(zhàn)輔助決策等領(lǐng)域外，無人自主作戰(zhàn)、人員作戰(zhàn)訓(xùn)練等領(lǐng)域也將在未來得到重點(diǎn)發(fā)展。我國艦船智能化技術(shù)的研究與應(yīng)用尚處于起步階段，現(xiàn)階段有必要做好艦船智能化技術(shù)發(fā)展的頂層規(guī)劃論證，形成體系化建設(shè)發(fā)展思路，明確技術(shù)發(fā)展路線圖，逐步解決相關(guān)技術(shù)問題，從而不斷推動艦船智能化水平提升。