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【深度】美俄机器人集群军事作战应用研究现状!三大关键技术体系分析

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今天推荐的作者是中国电子科学院专家马正宇和白阳。本文摘自《中国电子科学院学报》第17卷第一期《机器人集群协同作战关键技术研究》。

:根据机器人集群的概念和特点,结合作战中机器人集群的军事需求,梳理了世界军事强国在机器人集群领域的发展规划和最新应用研究成果。通过对相关战例的梳理分析,评估了机器人集群在未来作战场景下发挥的主要作用,根据作战需求,综述了机器人集群协同作战的关键技术体系,并对机器人集群在未来作战使用中的发展趋势进行了展望。

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引言

机器人集群一般由异构和可交换的机器人单元组成,利用共识控制规则和有限的通信能力产生新兴的群体行为。

早在20世纪60年代,斯坦福大学就发布了世界上第一个智能机器人。然而,作为一个新兴的研究领域,机器人集群直到近五年才受到研究人员的关注。

2014年,哈佛大学的研究人员《Science》2014年发表的机器人集群论文被评为十大科学成就之一[1]。它使用足够多的低复杂性和低成本的机器人,通过携带红外传感器与相邻机器人交互,表现出适应变化外观的群体智能行为。此后,国内外许多学者对机器人集群进行了一系列关键技术研究。相关研究成果如图1所示集群自组织行为[2]、路径规划[3]、编队控制[4]、网络通信[5]、信息集成[6]等。这些研究标志着机器人集群领域的快速发展,也促进了机器人集群技术向未来军事应用的转变,使机器人集群成为改变未来战争的关键力量。

1机器人集群作战特点

随着人工智能、网络信息、增材制造等领域科技的快速发展,战争形式也在加速从信息战争向智能战争的发展。与传统战争相比,未来战争一方面更注重能力的跨越式提升,拉大非线性优势差距;另一方面,随着新理念、新技术、新模式的引入,未来战争将呈现空间多维化、时间实时化、对象多样化、风格丰富等特点,具体体现在机器人集群作战中。

1.1机器人集群可以合作并行作战,加快行动决策

在未来的战争中,由于信息技术、网络技术、先进平台技术、精确打击技术、信息共享水平、机动性、火力响应能力、指挥控制决策速度、杀伤链时间,将显著加快机器人集群的战斗节奏。基于这一深刻的变化,传统的作战理念也被颠覆,作战群的作战速度将不再受最慢作战单位的限制,而是由最敏捷的单位决定。

1.2机器人集群可以快速重组模块,提高军队的恢复能力

在未来的消费作战中,机器人集群取代作战部队可以大大减少人员伤亡,控制作战损失。模块化机器人单元基于通用接口进行分系统集成。该架构可以在满足多任务要求的同时降低成本,支持在战场消耗中具有快速恢复能力。

1.3机器人集群可以动态调整,增强多任务的灵活性

机器人集群以功能简单、成本低的单元节点为载体,通过多个异构机器人单元灵活编制,利用节点间通信交互共享信息,优化编组配置,提高机器人集群的多任务能力。

1.4机器人集群可智能相互替代,提升体系作战效能

系统作战是未来作战的主要模式。在网络信息系统下,机器人集群的单元和编组相互协调,可以实现作战效率的倍增。机器人集群通过无集中合作,通过智能补充部分节点,消除故障点,提高系统的鲁棒性,提高系统的作战效率。

2军事应用研究机器人集群现状

目前,世界军事力量正在建立一个机器人协作作战系统,一些机器人集群已经开始执行侦察和监控任务,取代士兵站岗哨和防雷。美国、俄罗斯、以色列等国家正在通过顶层规划和项目布局促进机器人从单位到集群的关键技术和武器装备的发展。

2.1美国

2017年3月,美军发布了《机器人与自主系统战略》,指出无人作战系统发展的长期目标(2030-2040年)不应局限于单个机器人,而应实现多个机器人系统的组合作战。2018年3月,美国海军完成了《海军部无人系统战略路线图》;2018年8月,美国国防部发布了《2017-2042财年无人系统综合路线图》第五版,明确指出无人系统的互操作性、自主性、网络安全性和人机合作是未来无人系统发展的关键技术。

除了携带枪支进行积极作战外,这些机器人还具有战场救援和引爆炸药的功能,具有火力、救援和爆炸排放的多功能特点,可以有效减少美国士兵的战场伤亡。在最近杀死极端组织领导人巴格达迪的行动中,美国战斗机器人再次成功地用于关键时刻的夜间室内枪战,以弥补特种部队夜间射击精度低的缺点。

2.2俄罗斯

2019年11月22日,俄罗斯总统普京表示,俄罗斯现代武器装备占68%以上,未来将上升至70%,并稳步维持在这一水平。俄罗斯军方和研发机构一直在努力开发能够独立完成战场作战任务的机器人。俄罗斯将于2020年制定《机器人部队建设任务路线图》,并准备在2025年前完成一系列科研、试验设计和机器人部队建设计划,然后将新部队纳入俄罗斯军队管理体系。

据报道,部分机器人已被送往叙利亚进行实战检查,围攻拉塔基亚省754.在5个高地的极端力量战斗中,俄罗斯投入了4个履带式平台M战斗机器人、2个轮式阿尔戈战斗机器人和至少一架无人机。机器人集群的使用使俄罗斯和叙利亚联盟在20分钟内摧毁了70名武装分子,只有4人受伤。

2.3以色列

凭借强大的科技实力,以色列已经建立了一个机器人军团,协助执行边境巡逻、情报收集、战斗辅助和攻击,在以色列国防军以往的战斗行动中发挥了重要作用。

此外,以色列还在加快建立士兵和机器人混合成编队的战斗部队,使机器人士兵在接到任务后自动与人交流和分配工作,依靠人工智能、大数据分析等技术。

3机器人集群关键技术系统

围绕未来战斗力生成的迫切需求,动态释放应用场景下的机器人集群效率,以机器人单元的单一智能技术为基础,以机器人群体智能技术为关键,以汇聚认知决策能力的系统智能技术为导向,形成开放、兼容、蓬勃发展的机器人集群关键技术系统。机器人集群的关键技术系统涵盖决策层、连接层和节点层的系统技术。

3.1系统智能技术

机器人集群应适应跨领域、联合战斗等复杂场景,各种战斗要素,需要依靠感知、认知、决策、控制和人机集成先进算法,构建机器人集群系统效率聚集能力,驱动动态组织,优化战场资源配置,形成机器人集群系统智能技术架构。

未来战争的对抗模式强调系统与系统之间的对抗[11]。各种异构跨域装备形成的战斗力直接决定了军队的战斗力[12]。规划控制算法、态势感知和人机交互技术通过分布式协同处理架构[13]集成到分布式作战管理软件中,分散规划控制[14],保证机器人集群通信协调稳定[15],使作战编队能够在复杂环境中高效执行任务。通过基于智能体的体系作战效能优化,可迅速寻找到作战能力增长点,有望迅速提升机器人集群作战效能。

人工智能技术尚不足以支撑其完全取代人完成所有任务[16],因此采用人机协作[17]方式可以发挥人与机器的不同特长,结合人与机器的智能,以做出更有效的战场决策。人机协作与融合技术结合了机器智能可快速、低成本存储、比较、检索、排序的特点与人脑善于联想、推理、分析、归纳的能力特点,实现智能的共同演进和优化。

决策是机器人集群智能化作战中的关键性步骤,有望成为机器人集群作战能力的倍增器,因此发展高度智能的机器人集群作战策略生成技术迫在眉睫。针对复杂环境中的作战任务要求,建立基于监督学习[18]、无监督学习[19]、增强学习[20]等方法的体系智能协同理论和分布式协同管理框架,探索协同控制策略生成机理[21],提升机器人集群体系在多变战场态势中的作战能力。

3.2 群体智能技术

围绕提升机器人集群分布式模块化跨域协同能力的迫切需求,机器人集群全域协同作战网络关键技术研发要以“万物互联、机器互识、边缘智能、安全可信”为基本方针,提升复杂强对抗环境中链路受限状态下机器人集群不完全信息的态势理解、抗干扰自适应传输、抗毁自组织网络、边缘快速协同决策、语义协同互操作与精确模糊控制能力为重点。

机器人集群的协同首先依赖可靠的大规模、抗干扰组网通信技术[22]。从早期单信道呼叫网到如今的数字移动通信网,研究者一直在寻找稳定高效的抗干扰无线通信系统,尤其是在复杂电磁环境及通信拒止条件下,进行通信频道检测、带宽性能优化、自适应传输、智能故障诊断与修复就显得尤为重要[23]。基于大规模弹性组网[24],机间相对定位[25],综合抗强干扰[26]等技术基础,解决蜂群无人机拒止环境作战中通信保障、网络无法互联互通时节点的间态势共享和协同信息交互、拒止环境下相对定位问题。

战场态势信息的高效可靠获取是突破“电磁迷雾”[27]并取得未来战场制信息权的基础和关键。研究基于多传感器目标跟踪的数据时空对准技术[28]、多传感器数据融合中的数据预处理技术[29]、多传感器数据融合并行处理技术[30]、信号参数随机变化下的分布式检测融合技术[31],开发面向多领域、多功能应用的多传感器信息融合系统。构建机器人集群全维信息感知能力,以确保对战场态势立体实时监控,实现战场环境及态势对我方单向透明,将支持机器人集群有效塑造战场态势。

智能任务分配技术考虑集群数量、战场环境、目标价值及单元能力约束等,通过优化将不同任务分配给机器人单元,使机器人集群完成预定的侦察、干扰、攻击任务,提高作战效能的技术。这一问题属于NP难度问题,可通过运筹学进行建模[32],并使用时间序列方法[33]、博弈论方法[34]、遗传算法[35]、粒子群算法[36]、蚁群算法[37]等进行资源分配,再运用整数规划方法[38]、市场竞拍机制算法[24]、自组织算法[39]等进行目标分配。

3.3  单体智能技术

机器人单体功能是通过机器人所搭载的各类感知和执行设备在其核心计算单元控制下完成的。为形成机器人集群的整体作战能力,将从节点机器人模块化可重构技术、智能仿生技术、自主控制技术等为重点进行软硬件技术突破。

模块化和可重构的设计理念使得机器人具备了固定形态机器人难以企及的灵活性、易维护性,极大地降低了系统的维护成本[40]。模块化可重构技术包括模块化电器系统建模技术[41]、一体化关节技术[42]、软体序列自重构技术[43]、机器人编程技术[44]、传感器模块化技术、能源管理模块化技术,开发快速设计仿真技术[45]等,通过突破先进机械制造技术,构建覆盖多重作战域的机器人集群装备。

仿生技术是通过研究生物系统的结构和性质,为机器人设计提供新原理,并赋予机器人新能力。研究仿人形机器人的感知与控制技术、高性能仿生材料应用技术、视觉仿生探测技术[46]、听觉仿生探测技术[47]、触觉处理技术[58]、复杂环境下多信息获取与融合技术[49],开发接近生物原型的智能仿生机器人本体结构[50],如开发水下机器鱼[51]、壁面爬行机器人[52]、地面机器狗[53]、类人机器人[54]等本体结构。

自主控制技术使机器人能够自主判断战场环境,自主调整和控制单元行为,在通信中断、指控受限的情况下完成任务。为使机器人单元具备自主控制能力,需研究基于计算机视觉的三维地图构建技术[55]、室内定位技术[56]、自主导航技术[57]、目标跟踪技术[58]、机器人及机械手臂自主控制技术[59]、机器人轨迹跟踪控制技术[60],研究复杂环境下机器人的多功能自主控制技术[61]。

4 机器人集群未来发展趋势

4.1 机器人集群将成为主体作战装备,颠覆作战攻防模式

随着人工智能技术的发展,机器人集群及其他群化智能无人装备的数量将会迎来爆发性增长。因为机器人集群装备的智能化水平高、任务灵活性强、机动灵活,其将迅速成为执行战场任务的最佳选择,甚至机器人集群的作战效能将直接影响战争的胜负。由于机器人集群网络化、智能化、无人化的特点,其会加快战斗节奏,模糊前线/后方概念,并依据机器人集群执行命令坚决、低成本可牺牲等特点,形成新的制胜战法。

4.2 机器人集群将成建制形成战斗力,改变军事力量编成

机器人集群可形成扁平化的指挥控制系统,并高效传达、执行既定作战命令,因此机器人集群有望单独组建为特种部队,执行关键性作战任务。机器人集群的兵力配置可根据任务随时调整,可成建制替代现有有人部队,胜任连排级任务清单要求,使作战人员决胜于千里之外。

4.3  机器人集群将进行跨域协同作战,影响军兵种作战体系

机器人集群的单元节点在逐渐复杂化、多栖化,由最初的地面人形机器人、地面无人车、空中无人机、水面无人艇、水下潜航器单打独斗,向跨域联合立体作战发展。机器人集群跨域协同作战可全面提升全域作战能力,这将改变各类军兵种作战分工,通过机器人集群的作战运用促进兵种间的协同配合。

4.4  机器人集群将重塑后勤保障系统,扩大部队的作战范围

当前有人部队的作战能力往往受到后勤保障能力制约,例如伊拉克战争中美军第四装甲师的M1A2坦克由于续航里程只有400多千米,只能中途停止突击,等待油料补给,严重制约了装甲部队的纵深打击能力。运用机器人集群担负后勤运输任务,可解放战斗兵力,提高后勤保障效率,以支持未来有人/无人作战部队的远距离、持续作战。

结 语

随着机器人集群领域技术的跨越式发展,机器人集群已经逐步在全域联合作战体系中体现出巨大的应用潜力。世界军事强国纷纷开展机器人集群的协同作战项目,以推进相关技术在未来无人化、智能化战争中的应用,并形成了体系智能、群体智能、单体智能三层的机器人集群关键技术体系。

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(全文完)

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