電影中的無人機(jī)雖然酷炫，但是每架無人機(jī)都需要配備一名遙控人員，控制上百架無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)似乎是個(gè)難以完成的任務(wù)。
但是，在2017年6月，中國電子科技集團(tuán)公司成功做到了119架固定翼無人機(jī)的集群協(xié)同飛行，成功演示了119架無人機(jī)的密集彈射、空中自主集結(jié)、多目的自動分組、自動編隊(duì)合圍等。這一實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，就是“集群智能”！只需要一個(gè)人就可以操縱上百架無人機(jī)。
什么是無人機(jī)集群？
無人機(jī)集群是由大量的無人機(jī)構(gòu)成，可以是由完全相同的無人機(jī)組成，也可以是由紅外偵察無人機(jī)、雷達(dá)探測無人機(jī)、圖像偵察無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)等不同無人機(jī)組成。它們彼此間通過無線網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行態(tài)勢共享與信息交互，相互協(xié)調(diào)合作完成任務(wù)分配、航跡規(guī)劃等。
在系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)無人機(jī)都是一個(gè)智能體，具有獨(dú)立飛行、偵察等能力，而無人機(jī)群之間可通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，無人機(jī)群與有人機(jī)或地面也存在信息交互，最終實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群體的管理、群體間任務(wù)的分配、群體航跡的規(guī)劃及單無人機(jī)航跡的規(guī)劃等。
下圖展示的為多無人機(jī)協(xié)同搜索的概念圖，多架不同功能構(gòu)成的無人機(jī)對特定區(qū)域展開搜索，提高探測準(zhǔn)確度及探測范圍。
多無人機(jī)集群協(xié)同搜索
為更好的理解無人機(jī)集群系統(tǒng)，我們舉一個(gè)軍事對抗的例子：敵方有一個(gè)火炮陣地對我方造成嚴(yán)重威脅，必須將其摧毀。有人機(jī)雖然操作簡單，易于管理，可執(zhí)行此任務(wù)，但體積較大，容易被雷達(dá)等設(shè)備發(fā)現(xiàn)而被擊毀，另一方面有人機(jī)成本較高（此處成本暫不包括飛行員傷亡所帶來的損失）。這時(shí)，無人機(jī)就要上場了！
為提高執(zhí)行任務(wù)的成功率，利用小型無人機(jī)低成本優(yōu)勢，可采取飽和式攻擊方案（雷達(dá)一次所能探測的數(shù)量有限，敵方一次所能攔截的數(shù)量也有限，飽和式攻擊是指通過增加無人機(jī)數(shù)量，使其超過敵方雷達(dá)所能探測上限或超過敵方一次所能攔截的上限，使部分無人機(jī)可滲透進(jìn)敵方陣地），一次派出10～100架無人機(jī)。此外，多架無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，可以擴(kuò)大探測、攻擊范圍，提高執(zhí)行效率，俗話說“一個(gè)好漢三個(gè)幫”，就是這個(gè)道理。
集群智能：向蜜蜂學(xué)習(xí)
動物界集群行為是指以群體的形式出現(xiàn)，目的是通過相互合作提高群體的利益，同時(shí)滿足自己的利益。無人機(jī)集群技術(shù)正是源于自然、源于生活，最初的無人機(jī)集群概念起源于古老的昆蟲蜜蜂。
早在1億2千萬年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每個(gè)蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂組成，蜂王每個(gè)種群通常只有1只，工蜂數(shù)千至數(shù)萬不等，雄蜂略少。工蜂則負(fù)責(zé)日常采蜜、筑巢、保衛(wèi)、飼養(yǎng)幼蟲等工作。
無人機(jī)群的操作手可類比于蜂群中的蜂王，負(fù)責(zé)操控整個(gè)無人機(jī)群；無人機(jī)群中的偵察機(jī)則更像勤勤懇懇的工蜂，偵查無人機(jī)負(fù)責(zé)偵查、探測任務(wù)，執(zhí)行正常的作業(yè)任務(wù)，當(dāng)危險(xiǎn)來臨時(shí)，又可以充當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)，與敵機(jī)進(jìn)行作戰(zhàn)；無人機(jī)集群中的轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)則更像負(fù)責(zé)集群安全的兵蜂，轟炸無人機(jī)負(fù)責(zé)對敵方進(jìn)行轟炸，戰(zhàn)斗機(jī)負(fù)責(zé)護(hù)衛(wèi)群體安全與敵人正面作戰(zhàn)。
為降低無人機(jī)操作手的操作難度，實(shí)現(xiàn)1個(gè)操作手可輕松操作成百甚至上千架無人機(jī)，需要模擬生物的集群行為對這個(gè)無人機(jī)群進(jìn)行管理。
要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目地，首先需要設(shè)計(jì)集群管理控制器，通過設(shè)計(jì)控制算法，使這個(gè)群體能夠像蟻群、鳥群等自主去尋找火炮陣地，同時(shí)在飛行過程中，探測周圍的障礙物、雷達(dá)等威脅，并在機(jī)群內(nèi)共享這些信息，使機(jī)群能夠自主的規(guī)劃出最佳飛行路線，避開威脅物，以最短時(shí)間到達(dá)目的地。在到達(dá)目的地后，根據(jù)各個(gè)無人機(jī)的功能，通過集群管理，給各個(gè)無人機(jī)分配不同的任務(wù)：
偵察機(jī)組負(fù)責(zé)偵察周邊環(huán)境、火炮陣地具體坐標(biāo)等，然后將火炮陣地坐標(biāo)及周邊環(huán)境信息發(fā)送給轟炸機(jī)組。
轟炸機(jī)組根據(jù)火炮陣地坐標(biāo)，規(guī)劃出最佳攻擊路徑，對火炮陣地及周邊威脅物進(jìn)行轟炸摧毀。
戰(zhàn)斗機(jī)組負(fù)責(zé)周邊警戒、護(hù)航，防止敵機(jī)進(jìn)行騷擾攔截。
當(dāng)然除此之外還會有負(fù)責(zé)引誘、通信、干擾等用途的機(jī)組來共同完成此任務(wù)。
就如同一個(gè)球隊(duì)，有前鋒、中鋒、后衛(wèi)、門衛(wèi)，還有教練，他們共同組成了一個(gè)球隊(duì)，有負(fù)責(zé)排兵布陣出謀劃策的，有負(fù)責(zé)進(jìn)攻的，也有負(fù)責(zé)守衛(wèi)保護(hù)的，他們之間通過語言、手勢來彼此配合，提高團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)斗力，戰(zhàn)勝對手。
而其中的涉及的關(guān)鍵技術(shù)有很多，主要包括整個(gè)無人機(jī)集群的管理、無人機(jī)集群的任務(wù)分配、無人機(jī)集群的航跡規(guī)劃、無人機(jī)集群間的信息交互等等。
近幾年，無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛。無人機(jī)集群技術(shù)在軍事對抗領(lǐng)域已得到廣泛關(guān)注，其低成本、大規(guī)模、高智能的特性，使其在民事領(lǐng)域也具有較好的發(fā)展前景，大規(guī)模協(xié)同工作方式將大大提高搜索效率、探測精度，為農(nóng)林防護(hù)、搜索救援等贏取寶貴時(shí)間，同時(shí)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
延伸閱讀
美軍試驗(yàn)無人機(jī)群送補(bǔ)給：
年內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次放飛千架
美國“突破防線”網(wǎng)站3月14日發(fā)表題為《用無人機(jī)運(yùn)送補(bǔ)給，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)試驗(yàn)使用“蜂巢”無人機(jī)群》的報(bào)道稱，自南北戰(zhàn)爭以來，美軍一直以擁有“一整套后勤保障系統(tǒng)”而著稱。但現(xiàn)在，或許正在進(jìn)入一個(gè)小型化、由機(jī)器人提供補(bǔ)給的時(shí)代。美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在阿富汗率先提出使用可搭載3噸重貨物的K-MAX無人運(yùn)輸直升機(jī)運(yùn)送補(bǔ)給物品的理念，但現(xiàn)在的這一試驗(yàn)無人機(jī)體型已大幅縮小，且每次僅能投放5磅（1磅約合0.45公斤）重的物品。
為何是美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)？誠然，他們并不是唯一參與實(shí)驗(yàn)的。大部分無人機(jī)和控制無人機(jī)的軟件系統(tǒng)——被稱為“安卓戰(zhàn)術(shù)工具套件”——最初是由美國國防部高級研究項(xiàng)目局、空軍研究實(shí)驗(yàn)所和美國陸軍為偵察任務(wù)而研發(fā)的。但正是美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)負(fù)責(zé)運(yùn)輸事務(wù)的軍官克里斯·托巴本少校在看到很多戰(zhàn)友在伊拉克的美軍補(bǔ)給線上喪命或負(fù)傷后，才萌生讓無人機(jī)進(jìn)行后勤運(yùn)輸?shù)南敕ā?/p>
托巴本已獲得美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的批準(zhǔn)及國防部長辦公室提供的資金，現(xiàn)在的試驗(yàn)僅是一次初步測試。
舉例而言，有一個(gè)對無人機(jī)進(jìn)行充電、發(fā)射和回收的自動化設(shè)備箱——“蜂巢”，但它看起來更像是一個(gè)機(jī)械化的鴿房——人必須親手為其添加補(bǔ)給包裹。托巴本稱，這一持續(xù)90秒的過程是現(xiàn)在最大的瓶頸。野戰(zhàn)補(bǔ)給系統(tǒng)需要自動裝載機(jī)，為操作方便，這就需要用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的箱子對補(bǔ)給物品進(jìn)行打包。同時(shí)，該系統(tǒng)還需要由汽油而非電池提供動力的較大無人機(jī)，這種無人機(jī)可搭載更多物品——具體說是15磅而非5磅，飛行更長距離。
托巴本稱，如需擴(kuò)大補(bǔ)給隊(duì)伍的規(guī)模，僅需要添加更多的無人機(jī)。他說，美國聯(lián)邦航空局僅允許現(xiàn)在的試驗(yàn)一次升空32架無人機(jī)，但“在一年內(nèi)，我們就能夠?qū)⒁?guī)模擴(kuò)大至上千架”。
美為F35配無人機(jī)群
載人與無人機(jī)組隊(duì)作戰(zhàn)成未來空戰(zhàn)趨勢
“捕食者”和“死神”攻擊型無人機(jī)是美國空軍實(shí)施空地打擊的重要機(jī)型，以往這些無人機(jī)的飛行規(guī)劃、搜索探測和武器投放，都是通過地面控制站指揮的。但美國空軍希望，未來這些無人機(jī)能夠由F-35戰(zhàn)機(jī)或F-22戰(zhàn)機(jī)飛行員控制，這一組隊(duì)能力將令F-35等戰(zhàn)機(jī)獲得空前的戰(zhàn)斗力，包括了在空戰(zhàn)中利用無人機(jī)平臺搶先發(fā)現(xiàn)對方戰(zhàn)斗機(jī)，或者用無人機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈攻擊敵機(jī)。
在這場模擬戰(zhàn)斗中死神無人機(jī)裝上了超視距彈，配合F-35戰(zhàn)機(jī)的有源雷達(dá)，做到了“彈無虛發(fā)”，再一次震撼了廣大媒體。而自身則能夠減少進(jìn)入危險(xiǎn)空域的可能性，因此，美國空軍計(jì)劃增強(qiáng)F-35的指揮控制功能，令它在空中作戰(zhàn)同時(shí)控制多架無人機(jī)執(zhí)行更多的任務(wù)，這一技術(shù)被稱為載人與無人機(jī)組隊(duì)的技術(shù)，是美國空軍的未來規(guī)劃之中關(guān)鍵的一環(huán)。
今天為大家講的就是人工智能：載人與無人機(jī)組隊(duì)的技術(shù)，美國空軍正在推行相關(guān)計(jì)劃，讓“捕食者”無人機(jī)退役，將更多任務(wù)過渡轉(zhuǎn)給較大型的“死神”無人機(jī)，并迅速增加小型無人機(jī)編隊(duì)，用情報(bào)、監(jiān)視和偵察武器系統(tǒng)覆蓋敵區(qū)，干擾敵人的空防。并可能動用無人機(jī)作為小型炸彈，用火力攻克敵人的目標(biāo)，還需增加使用體積較小的無人機(jī)，去完成現(xiàn)在由較大型無人機(jī)執(zhí)行的任務(wù)。
美國空軍的任務(wù)包括研究計(jì)算程序的相關(guān)計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)使用大量微型無人機(jī)執(zhí)行各種重要的情報(bào)、監(jiān)視和偵察任務(wù)和戰(zhàn)斗職能，同時(shí)確保不發(fā)生互相碰撞。
空軍的戰(zhàn)略還需要擴(kuò)大無人機(jī)與有人機(jī)（比如F-35戰(zhàn)機(jī)）之間的有人與無人平臺組隊(duì)，這種努力可能有助于促進(jìn)從一架高速戰(zhàn)機(jī)上發(fā)射微型無人機(jī)的設(shè)想。照此方法，較大型飛機(jī)（比如F-35戰(zhàn)機(jī)或F-22戰(zhàn)機(jī)）能夠控制一支附近的無人機(jī)隊(duì)，在技術(shù)方面要實(shí)現(xiàn)從多名操作人員控制一架無人機(jī)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐蝗送瑫r(shí)承擔(dān)多架無人機(jī)的指揮與控制職能，一名操作人員承擔(dān)現(xiàn)在由多人操作的職能，包括自動起飛和降落功能以及隨著技術(shù)不斷更新，使用“開放式結(jié)構(gòu)”納入新軟件的能力。
空軍正在推行相關(guān)計(jì)劃，幫助飛行員轉(zhuǎn)型操作更大型的“死神”無人機(jī)，擴(kuò)大“死神”無人機(jī)的任務(wù)范圍。
“死神”無人機(jī)的發(fā)展軌跡與另一項(xiàng)旨在開發(fā)更小、更輕便的傳感器、發(fā)射器和接收器的計(jì)劃同步進(jìn)行。此外。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)傳感器、接收器和發(fā)射器微型化，輕質(zhì)的小型無人機(jī)也將越來越多地承擔(dān)，現(xiàn)在僅能由大型無人機(jī)平臺完成的重大任務(wù)?？墒?，鑒于大型的“死神”無人機(jī)，在實(shí)施打擊和偵察任務(wù)時(shí)的重要性，這種發(fā)展不大可能馬上實(shí)現(xiàn)對“死神”無人機(jī)的更新?lián)Q代。
未來空軍計(jì)劃為“死神”無人機(jī)升級軟件及武器裝備，為之配備更廣泛的武器和賦予更多的任務(wù)，根本想法就是進(jìn)一步以“開放式結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)“死神”無人機(jī)，以便它能夠及時(shí)便捷地吸收新的武器和技術(shù)，這本身就具備很多潛在的優(yōu)勢。
那么，戰(zhàn)斗機(jī)與無人機(jī)是如何做到天衣無縫的合作呢？在行動中，“死神”無人機(jī)可以通過數(shù)據(jù)鏈和F-35進(jìn)行協(xié)調(diào)攻擊，再由地面操縱人員發(fā)射武器。F-35運(yùn)用其信息處理能力來調(diào)度無人機(jī)，無形中放大了戰(zhàn)機(jī)的攻擊范圍，通過無人機(jī)形成的彈幕來尋找隱形的五代機(jī)。
可以想象到，未來的人工智能技術(shù)突破后，無人機(jī)組成的火力網(wǎng)將由預(yù)警機(jī)的計(jì)算機(jī)操控，屆時(shí)，作戰(zhàn)能力將堪稱恐怖，人工智能未來形成無人機(jī)群、機(jī)器人、坦克等，對進(jìn)攻制造速度提升有著不可估量的作用，其很大程度上決定了持久戰(zhàn)的走向。
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