1、无人机蜂群的军事应用

当前无人机作战中主要存在两个问题：单机机载功能有限；单机抗未知因素能力弱。为了解决上述诸多问题，各军事强国对在未来无人机作战研究及发展的思路上有着不同的发展方向，如隐身化、高速化、小微型化、大型化等。但均意识到无人机单机的作战能力已很难有较大提高。因此提出了一种新的无人机作战方式，即蜂群作战技术。

密集固定翼无人机编队组网协同作战

无人蜂群作战是指一组具备部分自主能力的无人机在有人或者无人操作装置辅助下，实现无人机间的实时数据通信、多机编队、协同作战，并在操作员的指引下完成渗透侦查、诱骗干扰、集群攻击等一系列作战任务。无人蜂群作战系统可填补战术与战略之间的空白，以多元化投送方式快速投送到目标区域执行多样化军事任务，包括与其他武器平台协同攻击海上、空中、地面目标及ISR等，实现对热点地区战略威慑、战役对抗、战术行动。



无人机蜂群空中作战
 

    “无人机蜂群”的灵感来源于大自然中的蜜蜂，是机器人技术和仿生技术的融合。机群利用以弱攻强、以多攻少的方式，来对敌方的大型目标进行袭击。在现代化战场上，无人机是集探测、监视、侦查、打击于一体，还不会造成人员伤亡的利器。因此，无人机蜂群技术是现代战争中的一个新概念和热门研究领域。在庞大的航母面前，一两架无人机很容易被敌方歼灭，如果是成千上万架，敌人的防空系统就可能破损。有美国专家分析称，中国的“无人机蜂群”战术，正在成长为新一代的“航母杀手”。在面对“无人机蜂群”的数量优势时，美国航母战斗群的宙斯盾系统很难在短时间内将其一一击落，只需几架自杀式无人机撞击航母的甲板，航母就能在瞬间失去作战能力。

      无人机蜂群一般由一组承担不同作战任务的无人机群组成，其执行任务简单的流程如下：由大型运输机作为母船前出至任务区域并释放无人机组，无人机蜂群进行编队并俯冲至任务区域展开协同作战行动，任务完成后返回母船。
 

无人机集群作战流程
 

无人机蜂群”主要具有两大优势。第一，隐蔽性强。小型无人机的单个目标微小，电磁信号特征微弱，具有非常强的隐蔽性，能够轻易突破敌方的防空体系，还可携带侦察探测设备抵近侦察，并通过“无人机蜂群”间的数据链为后方传递情报。第二，可以较小的代价实现作战目的。运用“无人机蜂群”作战，不仅可以节省开支，还能减少人员的伤亡，另外根据作战任务部署的需要，“无人机蜂群”可以由多个模块组成，例如火力打击、侦察探测以及信息处理等。最后，“无人机蜂群”还可以与有人机编队协同作战，以较小的代价来实现更多的作战目的。

比如，在最近爆发的俄乌冲突中，俄军就将“立方体”自杀式无人机投入到乌克兰战场中，“立方体”在执行常规作战外，还能对乌军进行精准打击以及蜂群作战，这使得基辅地区的乌军来说可谓是“雪上加霜”。
 

乌克兰战场发现俄制立方体无人机
 

2、无人机蜂群的起源和技术发展

群体行为(Swarming Behavior)是自然界中常见的现象，典型的例子如编队迁徙的鸟群、结队巡游的鱼群、协同工作的蚁群、聚集而生的细菌群落等等。这些现象的共同特征是一定数量的自主个体通过相互合作和自组织，在集体层面上呈现出有序的协同运动和行为。

自然界中生物群集活动现象：群集活动中的个体生物可以依据相邻个体状态自主规划自身状态。

在深入观察动物群体行为时受到启发，科学家开始研究协同机器人技术，其中包括蚁群机器人和蜂群无人机。研究早期，大量的工作集中在对自然界生物群体建模仿真上。学者们通过大量的实验数据，探究个体行为，个体与个体之间关系对群组整体行为表现的影响。1987年Reynolds提出一种Boid模型，这种模型的特点为：(1)聚集：使整个组群中的智能体紧密相邻；(2) 距离保持：相邻智能体保持安全距离；(3)运动匹配: 相邻智能体运动状态相同。这种模型大体概括描述了自然界中群体的运动特征。1995年，Vicsek 等人提出一种粒子群模型，这种模型中每个粒子以相同的单位速度运动，方向则取其邻居粒子方向的平均值。该模型仅实现了粒子群整体的方向一致性，而忽略了每个粒子的碰撞避免，但是仍为群体智能体建模方面做出了重要贡献。
 

粒子群模型：在一段时间之后所有粒子最终都沿着相同方向运动
 

无人蜂群作战技术来源于多智能体系统理论，一般将无人机蜂群作战技术中的无人机视为智能体(Agent)，执行任务的无人机编队视为一个多智能体系统(Multi-agent Systems)。多智能体系统具有“个体智能+通信网络=整体运动行为”特点。其中“个体智能”是指组成群体系统的每个个体都具有一定的自主能力, 包括一定程度的自我运动控制、局部范围内的信息传感、处理和通信能力等。多智能体系统具有以下主要特点：

(1)分布式：又称去中心化。整个群集系统中不存在中心控制器控制所有的智能体，每个智能体均具有一定的自主能力。该特点使得多智能体系统具有良好的鲁棒性，具体表现为执行任务的无人机蜂群中即使有若干架无人机因故障或者被攻击丧失功能，剩下的无人机可以在重新组网之后继续执行任务，提高了战场生存能力。

(2)智能体自主化：智能体具备一定的位置共享、路径规划及障碍规避能力。具体表现为蜂群中的无人机可以根据一定的规则自主飞行，将指挥员从繁重的作战任务中解脱出来，必要时又可以进行人工干预。

(3)复杂功能分布式化：多个结构功能相对简单的智能体可以通过协同的方式完成多种复杂的任务。具体表现为可以对无人蜂群作战系统中的无人机装备不同设备与武器来完成渗透侦查，火力压制以及目标摧毁等多种作战要求。

随着网络技术的发展，对多智能体系统的研究进入“网络化系统与图论描述”阶段。具体是指：群体系统是由许多个体通过某种特定的相互作用所形成的一类网络化系统；个体之间的相互作用关系在数学上可以利用图论方法进行描述和研究。在此阶段，学者们在对自然生物群落建模仿真的基础上，从对表象模拟推演层面跨越到从理论角度探寻个体与系统整体之间的关系层面。近几年针对多智能体系统理论的研究进入实际应用阶段，无人蜂群作战技术趋于成熟。

无人机蜂群作战技术包含以下关键技术

（1）无人机蜂群作战系统中的同/异构主体问题

无人机蜂群作战技术的理念是对自然界中蜜蜂和蚂蚁族群的仿真，并且该系统中要同时兼备实施侦察，攻击以及防御等功能。蜂群中的无人机所携带的作战武器，通信设备存在一定的差别，因此无人蜂群作战系统包含了丰富的异构主体(Heterogeneous Agents)。目前针对无人机蜂群作战技术作用机理的研究仅限于4种形式即：近战(Melee)、聚合(Massing)、机动(Maneuver)和群集(Swarming)。并未形成符合现代战争特点的技术-战术集成体系。

（2）无人机蜂群作战系统中的通信拓扑网络问题

在多智能体系统理论中，数学上一般使用图论来描述智能体之间的通信拓扑结构。从通信方向方面分类有：有向拓扑与无向拓扑；从通信拓扑结构方面分类则有：固定拓扑与时变切换拓扑。在无人机蜂群作战技术方面，一般采用时变切换拓扑结构，在执行不同任务时无人机之间可以采用不同的通信拓扑结构连接，在任务完成之后又可以切断连接。
 

控制多个对象时采用的三种控制/通信结构
 

（3）无人机蜂群作战系统中的飞行编队控制问题

在无人蜂群作战系统中执行任务的无人机最基本的动作要求就是可以保持一定的队形进行编队飞行。现有多种协同编队方法：

l 领导者-跟随者法(Leader-follower)。在该方法模拟鸟群编队飞行的生物活动，将一个无人机指定为领导者(即长机)，其他无人机则被指定为跟随者(僚机)。跟随者们以一定的偏置量跟踪领导者的位置和方向。

l 一致性法(Consensus)。目的是通过对系统中的每个智能体(无人机)设计分布式控制算法，使所有智能体所有状态值达到相同的值。在此基础上对每个智能体设定一定的偏移量，以达到特定的飞行队形。

l 基于行为的控制（Behavior-based control)。该方法的基础是将主要控制目标分解为任务或者行为。该方法还可以处理避免碰撞，中心聚拢，障碍绕行等复杂群体行为运动。

（4）无人机地图构建和避障技术

即时定位与地图构建技术（SLAM ）可以让机器人在未知的环境里实时地知道自己在哪里，并同步绘制环境地图。目前采用的传感器系统有：GPS、激光雷达、超声、深度相机等。通常采用无人机航拍图像的 GPS 信息和图像重叠度实现快速建模以及地图构建。这种技术依靠GPS信号，容易被制裁。而且需要进行场景构建，绘制目标需要大量的时间，传感器成本也较高。

3、未来

随着武器装备的进一步精进，“无人机蜂群”作战技术也将会进入到一个全速发展的时代，在未来还会发展成人工智能、机器人技术、生物技术、量子技术等多种技术交叉融合与综合应用。

当前，在无人机蜂群技术方面，美国和中国处于领先地位。美国的科技自然无需赘言，他们在人工智能领域遥遥领先。我国近二十年来，依靠自身努力，不断发展出新技术。西方国家虽然持续不断地对我国实行“技术封锁”，也促使我们自己的技术发展起来。中国的“无人机蜂群”作战技术处于第一梯队，也是“无人机群”投入使用的一个先例。随着我国科技水平的不断发展，假以时日中国定能在无人机领域闯出自己的一番天地。

近日浙江大学发布的无人机蜂群实验视频，表明我国的无人机蜂群技术突破技术限制，实现了无人机群在密林自主飞行突破。这项技术除了在军事上的用途之外，未来可以用于自然灾害调查、灾难人员救援等。

文章来自微信公众号“智导者”的优选文章。

编辑：智言

审核：智语