蔡佳輝 張志浩，2 李昊陽

1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院 陜西西安 710038；2.陜西省電子信息系統(tǒng)綜合集成重點實驗室 陜西西安 710038；3.中國人民解放軍94116部隊 新疆和田 848000

近幾年，隨著無人機技術(shù)、分布式技術(shù)和集群智能等新興科技的快速發(fā)展，世界軍事技術(shù)先進(jìn)國家的戰(zhàn)斗理念和戰(zhàn)斗模式不斷更新，對顛覆未來戰(zhàn)斗樣式具有里程碑意義。

一、新形勢下智能集群技術(shù)初現(xiàn)端倪

智能集群作戰(zhàn)涉及地、空、海、潛等領(lǐng)域，具有自組織、自同步的協(xié)同作業(yè)特點和合作、競爭、相互學(xué)習(xí)[1]等能力涌現(xiàn)行為，對任務(wù)規(guī)劃智能性、快速性、適應(yīng)性、魯棒性提出了極高要求，亟須創(chuàng)新任務(wù)規(guī)劃理念與方法，實現(xiàn)“人在環(huán)上/人在環(huán)外”的自主、分層、動態(tài)、在線任務(wù)規(guī)劃，達(dá)成物理域、信息域、認(rèn)知域等集群作戰(zhàn)空間殺傷網(wǎng)快速閉合。

智能集群是由一定數(shù)量的單功能或多功能、有人或無人平臺共同組成，通過個體自主、群體協(xié)同的自組織群智匯聚，實現(xiàn)自主協(xié)同、能力涌現(xiàn)、智能對抗，具有“任務(wù)高韌性、決策高自主、行動強彈性”的優(yōu)點，支撐“偵—控—打—評—?！倍嘤蚵?lián)合一體化作戰(zhàn)。[2]通過先進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)將廣域分布的作戰(zhàn)平臺“神經(jīng)搭接”為一個整體，形成聚集、自組織、他組織、涌現(xiàn)、動態(tài)性、自修復(fù)性等特征，并基于平臺之間的隨遇智能交感，實現(xiàn)集群決策和分布式控制。智能集群將松弛傳統(tǒng)作戰(zhàn)體系中作戰(zhàn)平臺、傳感器和武器系統(tǒng)之間的硬鏈接關(guān)系，以松耦合的方式構(gòu)建“探測—跟蹤—決策—打擊—評估”殺傷鏈，催化集群編組方式、指控方式、作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)體系及軍事理論等方面的變革。智能集群的發(fā)展趨勢(如圖1所示)。

圖1 智能集群的發(fā)展趨勢

智能集群運行空間包括太空空間、臨近空間、航空空間、地表空間、海面空間、水下空間，相應(yīng)的集群平臺包括星(航天器)、機(航空器)、車(裝甲車輛)、艦(艦/潛艇)、彈(彈道導(dǎo)彈)，以及未來可能出現(xiàn)的在水下、空中、太空跨越飛行的跨介質(zhì)航行器等。智能集群可以是星/機/車/艦/彈同維空間平臺構(gòu)成的同構(gòu)集群，也可以是多維空間平臺構(gòu)成的星—機—車—艦—彈異構(gòu)集群。因此，深入研究如此復(fù)雜的新興技術(shù)，并掌握核心技術(shù)，將獲得新形勢下的技術(shù)主動權(quán)。智能集群組成與藍(lán)圖(如圖2所示)。

圖2 智能集群組成與藍(lán)圖

二、6G技術(shù)支撐下的智能集群技術(shù)

“5G改變社會，6G改變世界”。更先進(jìn)的通信技術(shù)將促使整個世界走向“數(shù)字孿生、智能泛在”，實現(xiàn)人、機、物間的體驗交互，信息可以攜帶更多的感官感受，除了聽覺、視覺外，觸覺、味覺和嗅覺也能夠被充分調(diào)動起來。屆時，無線網(wǎng)絡(luò)具有更低時延，更大帶寬，并且能夠利用專門設(shè)計的納米天線接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(尤其是量子衛(wèi)星)，這將使物聯(lián)感知和通信一體技術(shù)順利實現(xiàn)。在這些優(yōu)勢條件支撐下，未來戰(zhàn)場通信將更加快捷以及保密，與此同時，6G會填補5G在網(wǎng)絡(luò)上的不足，要新增UCBC(上行超帶寬)、RTBC(寬帶實時交互)、HCS(通信感知融合)三個場景，從5G場景的“三角形”變成6G場景的“六邊形”，才能從支撐萬物互聯(lián)到使萬物智聯(lián)，以此協(xié)助實現(xiàn)無人機的“智能集群”。

6G的超高速、超帶寬通信能力是智能集群形成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。目前，5G的最高頻帶約為52GHz，它的可用頻譜帶寬有2GHz，而基于毫米波的6G技術(shù)帶寬可以再增大10倍，延遲可以精確到毫秒級，從而能夠保證其傳輸速度更快，戰(zhàn)場通信的迅速高效性得以實現(xiàn)，這將極大地提升戰(zhàn)場通信能力，實時傳輸也會變成現(xiàn)實。

充分發(fā)揮“6G+智能集群”的新型組合作用，借助大量的智能無人設(shè)備進(jìn)行戰(zhàn)場資源探測，利用增強現(xiàn)實技術(shù)，可實現(xiàn)對目標(biāo)物進(jìn)行方位的識別、遠(yuǎn)程偵察和預(yù)警，實現(xiàn)指揮網(wǎng)絡(luò)化、及時化、一體化戰(zhàn)場控制。

三、智能集群典型技術(shù)原理

(一)基于智能集群技術(shù)的任務(wù)規(guī)劃

智能集群任務(wù)規(guī)劃[3]由預(yù)先規(guī)劃、在線規(guī)劃兩部分組成。其中，預(yù)先規(guī)劃是基礎(chǔ)，主要運用先進(jìn)技術(shù)、理論方法，實現(xiàn)態(tài)勢分析、兵力計算、目標(biāo)分配、路徑規(guī)劃，將行動構(gòu)想、方案分解為可操作、可執(zhí)行的行動安排；在線規(guī)劃是核心，主要運用先進(jìn)智能理論方法與信息科學(xué)技術(shù)，依據(jù)戰(zhàn)術(shù)意圖與作戰(zhàn)規(guī)則庫，實現(xiàn)集群資源、任務(wù)環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)的映射表征，資源按需聚合，行動自主智能決策，生成執(zhí)行指令。5G通信的高帶寬，低時延，大速率已經(jīng)基本滿足智能集群作戰(zhàn)對任務(wù)規(guī)劃的快速性要求，是實現(xiàn)智能集群作戰(zhàn)[4]的良好工具。6G技術(shù)的出現(xiàn)，將為智能集群作戰(zhàn)的任務(wù)規(guī)劃提供更便捷的服務(wù)和技術(shù)支撐。

針對巡邏、偵察、攻擊一體化任務(wù)規(guī)劃[5]在時、空維度的復(fù)雜性、耦合性，在網(wǎng)絡(luò)維度的高時變、去中心化特征，基于“協(xié)商—決策”框架和差分進(jìn)化算法提出了集群自主巡邏打擊任務(wù)規(guī)劃方法，具有“想定—戰(zhàn)術(shù)—行動”全要素規(guī)劃能力，支持“靠近即發(fā)現(xiàn)、越界即跟蹤、觸發(fā)即攻擊”全流程的無人化、自主化。

(二)無人機集群協(xié)同跟蹤攻擊任務(wù)模型

無人機集群根據(jù)攻擊任務(wù)需求自主編組[6]，形成廣域分布的多組攻擊子群，從多域多向來打擊目標(biāo)，使對方防不勝防。無人機集群以其數(shù)量規(guī)模優(yōu)勢消耗對方防御力量或阻塞對方防御通道，實現(xiàn)規(guī)模不對稱的飽和打擊態(tài)勢，使其難以對抗。協(xié)同跟蹤攻擊通常采用調(diào)整路徑和調(diào)整速度方法解決靜止目標(biāo)的協(xié)同跟蹤攻擊問題，而針對無人機集群協(xié)同跟蹤攻擊運動目標(biāo)問題則更加具有難度。

以無人機集群協(xié)同跟蹤攻擊地面運動目標(biāo)為任務(wù)背景，針對集群攻擊中的時間和空間協(xié)同控制[7]方法展開研究。集群攻擊協(xié)同控制是指將分布在不同位置的多架攻擊型無人機按照一定的方法進(jìn)行控制，使其在特定時刻從多個角度、以一定速度到達(dá)各自的攻擊陣位。為了更好地描述時間和空間協(xié)同關(guān)系，首先定義了時間協(xié)同函數(shù)和期望攻擊陣位。然后，將攻擊問題轉(zhuǎn)化為有限時間跟蹤系統(tǒng)問題，以末端時刻位置和最小速度誤差為優(yōu)化目標(biāo)建立二次型性能指標(biāo)，采用最優(yōu)控制方法求解控制律，使得所有無人機在攻擊過程中能夠?qū)崿F(xiàn)時間和空間上的協(xié)同。最后，在“子群間隔到達(dá)、成員同時到達(dá)”的時間協(xié)同跟蹤攻擊策略下，仿真驗證了所提出控制律的有效性。[8]

四、6G+智能集群技術(shù)作戰(zhàn)應(yīng)用

智能集群可構(gòu)建為有人、有人-無人[9]、無人作戰(zhàn)集群等不同類別。在未來的無人化、智能化對抗中，平臺數(shù)量將處于次要地位，決定體系與體系之間對抗勝負(fù)的是雙方能否以更高的智能運用，比對手更大化從平臺、傳感器、武器到分群協(xié)同、集群作戰(zhàn)各個層級的行動能力，即“能力涌現(xiàn)”，智能任務(wù)規(guī)劃能力對集群作戰(zhàn)組織和運用水平的決定性更加明顯。智能集群在廣域分布空間“一致性”開展作戰(zhàn)行動，內(nèi)部子群或隨遇多節(jié)點臨時組群，必須具備在線任務(wù)規(guī)劃與控制能力，保證在非預(yù)知戰(zhàn)場環(huán)境中可控實施時間、空間分散，但目標(biāo)效能一致、集中的協(xié)同作戰(zhàn)行動。通過6G通信網(wǎng)絡(luò)“橋接”，實現(xiàn)集群各作戰(zhàn)單元的縱向集成與各作戰(zhàn)要素的橫向融合，形成偵察、攻擊、防御與支援等作戰(zhàn)行動在多域范圍跨平臺、跨系統(tǒng)的全方位優(yōu)勢互補、聚集增效。

2017年6月10日中國電子科技集團有限公司成功完成了119架固定翼無人機集群飛行試驗，這標(biāo)志著智能無人集群領(lǐng)域的又一突破。無人機集群并非單個作戰(zhàn)平臺的簡單疊加，集群作戰(zhàn)也擁有一些單個平臺作戰(zhàn)所無法比擬的優(yōu)勢[10]：

(1)相對更高的勝算。據(jù)蘭徹斯特平方律，參戰(zhàn)平臺數(shù)量比單個平臺作戰(zhàn)能力在勝負(fù)的決定上更為重要[11]。集群作戰(zhàn)充分利用集群的數(shù)量優(yōu)勢來提升局部戰(zhàn)爭的勝算。

(2)較高的效費比。無人機集群作戰(zhàn)不像重型武器那樣昂貴，耗費巨大，而對方應(yīng)對大規(guī)模集群作戰(zhàn)時需要耗費較大成本進(jìn)行防御，這就使得集群作戰(zhàn)，優(yōu)勢凸顯。

(3)智能涌現(xiàn)。這是集群作戰(zhàn)最重要且最明顯的特征，它們通過集群個體之間的高度協(xié)同和自組織，使得集群涌現(xiàn)出遠(yuǎn)超個體功能之和的集群功能。

正是由于這些優(yōu)勢，使得各國積極發(fā)展集群技術(shù)。如今，無人系統(tǒng)技術(shù)在多學(xué)科交叉融合發(fā)展推動下，正在向更高水平的智能自主方向發(fā)展，其廣泛的覆蓋性、復(fù)雜的系統(tǒng)性、開放的知識性，決定了它必將成為一個極富創(chuàng)造力的領(lǐng)域。

五、總結(jié)展望

新形勢下的智能集群技術(shù)將會日趨成熟，相信在技術(shù)發(fā)展中，智能集群技術(shù)必將脫穎而出，并對信息化戰(zhàn)爭產(chǎn)生巨大的推動作用，而深入研究智能集群也變得愈發(fā)重要。以新形勢為背景，6G技術(shù)為依托，深入研究智能集群技術(shù)，并掌握運用方式，將極大有助于借鑒學(xué)習(xí)新的軍事技術(shù)未雨綢繆，做好準(zhǔn)備。