從明朝萬戶飛天，到達·芬奇撲翼機草圖，再到萊特兄弟“飛行者1號”，人類的飛天夢經(jīng)過一代代人的大膽設想與不懈努力已最終實現(xiàn)。隨著數(shù)字時代的到來，無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）應運而生，它打破了曾經(jīng)僅有少數(shù)人可以征服天空的固有格局。無人機，作為一種“機上無人，系統(tǒng)有人”的無人駕駛飛行器，在執(zhí)行枯燥、惡劣和危險（the dull, the dirty and the dangerous，3D）任務時，相比有人機具有更大的優(yōu)勢。

無人機的發(fā)展歷史可以追溯到1914年，一項名為“AT計劃”的軍事絕密實驗在英國悄然展開，該項計劃的前期實驗雖未取得成功，卻掀起了航空發(fā)展史上的無人機熱潮。3年后，美國成功使用自動陀螺穩(wěn)定器改裝Curtis N-9型教練機實現(xiàn)對其的無線電控制，第一架無人機就此誕生。1985年，中國第一架無人機——北京5號，歷經(jīng)坎坷終于問世。中國無人機發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，如今中國生產(chǎn)的各型無人機，如被稱為中國版“收割鷹”無人機的“彩虹四號”、“翼龍II”中空長航時察打一體無人機、大疆公司推出的定位于專業(yè)級航拍的精靈（Phantom）系列無人機，在國際市場得到廣泛認可，銷量不斷增加。

富于幻想的人類從未停止探索的腳步，今天他們又開始腦洞大開，希望無人機群可以像鳥群一樣群集飛行，即開發(fā)并實現(xiàn)類似自然界中生物群體系統(tǒng)一樣的無人機自主集群系統(tǒng)。法國動物學家Grassé基于白蟻筑巢行為，提出了共識自主性（stigmergy）概念：一種個體間間接協(xié)調(diào)的機制，即無需任何集中規(guī)劃以及直接通信完成復雜智能活動。這是自主集群概念開始走入人類視野并逐步發(fā)展的開端。從生物延展到無人機，自主集群的概念亦在不斷演化與豐富。無人機自主集群是大量自驅(qū)動系統(tǒng)的集體運動，集群內(nèi)的無人機間通過信息的傳輸與合作突現(xiàn)出智能，具備一定程度的共識自主性。具體來說，無人機自主集群飛行，就是大量具有自主能力的無人機按照一定結構形式進行三維空間排列，且在飛行過程中可保持穩(wěn)定隊形，并能根據(jù)外部情況和任務需求進行隊形動態(tài)調(diào)整，以體現(xiàn)整個機群的協(xié)調(diào)一致性。無人機自主集群的內(nèi)涵在“數(shù)”“價”“質(zhì)”“變”4個方面有別于傳統(tǒng)的多架無人機協(xié)同：“數(shù)”是指二者數(shù)量規(guī)模不在一個量級，集群一般指幾十架甚至上百架無人機；“價”是指二者平臺造價不在一個水平，組成集群的單無人機平臺價格低廉，可大量裝備，使用時即使有損失，也不會過于慘重，故可大膽使用；“質(zhì)”是指二者技術水平差距大，二者在智能傳感、環(huán)境感知、分析判斷、網(wǎng)絡通信、自主決策等方面均不在一個層次，無人機自主集群是有很強的智能涌現(xiàn)的共識自主性；“變”是指二者適變和應變能力差距大，無人機自主集群可針對威脅等突發(fā)狀況進行復雜協(xié)作、動態(tài)調(diào)整以及自愈組合。

無人機自主集群

無人機自主性

日益復雜的任務與環(huán)境決定了無人機系統(tǒng)必須具備很高的自主性。無人機的自動控制與自主控制的主要區(qū)別在于：自動控制是系統(tǒng)按照指令控制執(zhí)行任務，而系統(tǒng)本身并沒有決策與協(xié)調(diào)的能力；而自主控制則需要無人機自身在必要的時刻做出決策。因此，無人機自主控制應該使無人機具有自治的能力，必須能夠在不確定對象和環(huán)境條件下，在無人參與的情況下，持續(xù)完成必要的控制功能。自主性、機載信息獲取、傳輸及其應用能力將是未來無人機在動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境下完成復雜任務的關鍵。

美國致力于打造無人機自主集群系統(tǒng)，力保軍事技術全球領先。美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）、海軍研究局等機構，在無人機集群高風險/高回報的概念驗證研究方面成果顯著。2005年8月，美國國防部發(fā)布的《無人機系統(tǒng)路線圖2005—2030》（圖1）將無人機自主控制等級分為1~10級，包括單機自主（遙引導、實時故障診斷、故障自修復和環(huán)境自適應、機載航路重規(guī)劃）、多機自主（多機協(xié)調(diào)、多機戰(zhàn)術重規(guī)劃、多機戰(zhàn)術目標）、集群自主（分布式控制、群組戰(zhàn)略目標、全自主集群）3個層面，并指出“全自主集群”是無人機自主控制的最高等級，預計2025年后無人機將具備全自主集群能力。2016年5月，美國空軍發(fā)布了《小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016—2036》（圖2），從戰(zhàn)略層面肯定了小型無人機系統(tǒng)的前景和價值。規(guī)劃對“蜂群”、“編組”、“忠誠僚機”三種集群作戰(zhàn)概念進行了闡述，其中“編組”是人對人，“忠誠僚機”是人對機，“蜂群”是機對機，從側面印證了無人機集群發(fā)展的重要性。2018年8月，美國國防部發(fā)布了《無人系統(tǒng)綜合路線圖2017—2042》，在新版路線圖中再次強調(diào)了自主性對于加速無人系統(tǒng)領域進步的重要作用，即自主性技術的發(fā)展可極大提高人和無人系統(tǒng)的效率和效能，是重要的力量倍增器，將徹底改變作戰(zhàn)概念。

圖 1  無人機系統(tǒng)路線圖（2005—2030）

圖 2  小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃（2016—2036）

關于無人機自主性評價的方法除《無人機系統(tǒng)路線圖2005—2030》中采用的等級法外，還有雙坐標軸法、三坐標軸法、查表法、公式法等。評定無人機的自主等級，實際上是評估無人機在完成特定任務過程中所呈現(xiàn)的自主能力。因此，可以將無人機的關鍵技術作為其自主性的評價項目，構建圖3所示的蛛網(wǎng)模型：從原點往外輻射出代表評價項目或關鍵技術的若干條軸，每個項目都有若干個表征技術成熟程度的等級，對于每一個無人機系統(tǒng)，將其在每條軸上對應的等級依次連接起來，即可用類似蛛網(wǎng)的緯線評價該無人機系統(tǒng)的自主性。

圖 3  自主性評價的蛛網(wǎng)模型

通過探討無人機自主性的內(nèi)涵和評價方法可知，自主表達的是行為方式，由自身決策完成某行為。自主不同于智能，智能是實施行為的能力，行為過程符合自然規(guī)律。二者間存在緊密關聯(lián)：1）自主在前，智能在后，二者相輔相成；2）自主未必智能，但自主希望有智能；3）智能依賴自主，智能的等級取決于自主權的高低。無人機智能水平可劃分為3個層級，與美國國防部《無人機系統(tǒng)路線圖2005—2030》中的無人機自主控制等級的對應關系如下：第1層級高可靠活著包含遙引導、實時故障診斷、故障自修復和環(huán)境自適應、機載航路重規(guī)劃；第2層級高品質(zhì)工作包含多機協(xié)調(diào)、多機戰(zhàn)術重規(guī)劃、多機戰(zhàn)術目標；第3層級為集體使命高效工作包含分布式控制、群組戰(zhàn)略目標、全自主集群。無人機自主控制技術按照人類智能的一般發(fā)展路徑可從“智商”、“情商”和“逆商”3方面提出對應的發(fā)展要求：“智商”對應無人機個體能力，即計算和決策方面的無人機自主控制技術，例如航路規(guī)劃、艦載起降、對地攻擊、空戰(zhàn)決策等；“情商”對應無人機群體融合能力，即高帶寬互聯(lián)和互操作類技術，例如無人機協(xié)同編隊、有人/無人協(xié)同飛行、協(xié)同偵查/打擊等；“逆商”對應無人機應對非預期狀況的能力，即高容錯和提高環(huán)境適應性類技術，例如健康管理、故障重構、容錯控制、碰撞檢測與規(guī)避等。從目前所能達到的技術水平來看，真正實現(xiàn)復雜動態(tài)環(huán)境下無人機的自主控制是一項具有挑戰(zhàn)性的技術難題。

無人機自主集群內(nèi)涵

隨著無人與自主技術的深化應用，開發(fā)無人機自主集群系統(tǒng)已成為無人機的一個重要發(fā)展方向，通過緊密協(xié)作，無人機集群系統(tǒng)可以體現(xiàn)出比人工系統(tǒng)更卓越的協(xié)調(diào)性、智能性和自主能力。無人機自主集群具有以下特點：可有效解決有限空間內(nèi)多無人機之間的沖突；可以低成本、高度分散的形式滿足功能需求；可形成動態(tài)自愈合網(wǎng)絡，通過去中心化自組網(wǎng)實現(xiàn)信息高速共享、抗故障與自愈；具有分布式集群智慧，可通過分布式投票解決問題，且往往該種方式的正確率更高；可采用分布式探測方式，提高主動與被動探測的探測精度。

鑒于無人機自主集群所具備的以上特點，無人機自主集群勢必成為未來作戰(zhàn)的主流趨勢（圖4）。無人機自主集群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的無人機系統(tǒng)通過有人或無人操作裝置的輔助，在一名高級操作員監(jiān)控下，完成作戰(zhàn)任務的過程。無人機自主集群作戰(zhàn)優(yōu)勢可概括為以下5點：1）在去中心化的無人機集群作戰(zhàn)中，不存在某一個體處于主導地位，任一個體故障均不影響群體功能；2）集群內(nèi)的所有個體僅通過觀察臨近個體位置，控制自身行動，即可實現(xiàn)實時的自主協(xié)同；3）集群具有強大的復原能力，當集群受外力發(fā)生改變時，會快速自動形成新結構，并保持穩(wěn)定；4）集群能夠克服個體能力的不足，通過協(xié)同實現(xiàn)整體能力放大；5）集群作戰(zhàn)運用具有較低決策門檻和政治風險的優(yōu)勢，無人機集群作戰(zhàn)有望實現(xiàn)低成本低損失。

圖4  無人機自主集群作戰(zhàn)模式

綜上所述，采用無人機自主集群作戰(zhàn)方式，將逐步改變作戰(zhàn)形態(tài)，其應用形式大致可以歸納為以下4點。

1）滲透偵察：無人機集群內(nèi)平臺輕小，節(jié)點雷達散射截面積較小，且可任意拆分形成小的群組從多個方向滲透，隱蔽性和迷惑性較強，有利于突破敵方防空體系，可進行抵近偵察，通過集群機間鏈通信中繼方式接力向后方控制與指揮中心傳回情報。

2）誘騙干擾：采用無人機集群充當誘餌或干擾機，替代隱身轟炸機或戰(zhàn)斗機直接進入戰(zhàn)場的傳統(tǒng)作戰(zhàn)方式，可引誘敵方防空探測設備開機工作從而暴露陣位，消耗敵方防空兵器；此外，可攜帶電子干擾設備，對敵方預警雷達、制導武器等進行更加抵近的電子干擾壓制欺騙。

3）察打一體：無人機集群可以根據(jù)任務需要通過靈活配置集群內(nèi)平臺的偵察探測、電子干擾、火力打擊力模塊，可形成偵察-打擊編隊，對關鍵或高危目標的薄弱部位進行實時偵察打擊，以達到出其不意的作戰(zhàn)目的。

4）協(xié)同攻擊：無人機集群可作為前沿作戰(zhàn)編隊，由有人機控制，并掩護有人機安全，為有人機發(fā)射的大噸位防區(qū)外導彈提供精確制導信息，用以目標指示，實現(xiàn)有人無人共融作戰(zhàn)；此外，運用復眼戰(zhàn)術，利用數(shù)量眾多的具有自主控制能力的無人機組成集群，可進行全方位、多角度的飽和攻擊，實現(xiàn)局部“以多打少”的對抗形式，使敵方難以應對。

發(fā)展趨勢

在現(xiàn)有的多機協(xié)同基礎上，無人機自主集群系統(tǒng)日益復雜（圖5）。在成員數(shù)量方面，無人機集群系統(tǒng)將從傳統(tǒng)多機協(xié)同中的數(shù)架無人機拓展至幾十架甚至是成百上千架無人機。在平臺自主水平方面，無人機集群系統(tǒng)將從僅可執(zhí)行偵察監(jiān)視等簡單任務發(fā)展到可完成非結構化環(huán)境下的復雜對抗性任務。在平臺異構性方面，無人機集群系統(tǒng)將從單一的平臺載荷發(fā)展到多任務領域下的異構平臺和載荷。在集群復雜度方面，無人機集群系統(tǒng)將從簡單的領導者/跟隨者的交互發(fā)展到自組織、分布式自主協(xié)作。在人-集群交互模式方面，無人機集群系統(tǒng)將從簡單的遙控模式發(fā)展到人-集群智能交互模式。具體來說，無人機自主集群系統(tǒng)具有如下發(fā)展趨勢。

圖5  無人機自主集群發(fā)展趨勢

無人機和有人機共融集群

由于無人機對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知與實時決策能力還不能完全替代人的思維與判斷，尚難以滿足復雜戰(zhàn)爭中對無人機高層次自主和智能的要求。因此，采取無人機與有人機共融集群，實現(xiàn)能力互補和行動協(xié)調(diào)，已成為重要發(fā)展趨勢。無人機可充分利用其機動能力強、成本低、隱身性能好的優(yōu)勢，在惡劣條件下執(zhí)行危險任務，消除有人機執(zhí)行任務的風險；有人機可充分利用人的智慧和綜合判斷能力，排除干擾，實現(xiàn)共融集群的綜合決策和任務管理。2010年4月，美軍發(fā)布的《美國陸軍無人機系統(tǒng)2010—2035路線圖》明確把無人機發(fā)展劃分為3個關鍵階段，提出通過通用互操作標準實現(xiàn)無人機系統(tǒng)的一體化，從而為實現(xiàn)高層次人機融合奠定基礎。2016年5月，美國空軍發(fā)布的《小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016—2036》對“忠誠僚機”集群作戰(zhàn)概念進行了闡述，強調(diào)無人機與有人機的共融作戰(zhàn)，旨在通過無人機與有人機聯(lián)合編隊加強雙方作戰(zhàn)能力。2018年8月，美國國防部發(fā)布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖2017—2042》強調(diào)應注重互操作性技術發(fā)展以助力有人/為無人系統(tǒng)的高度協(xié)同。在中國國務院2017年7月發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，8次提到了“人機協(xié)同”，并把“人機協(xié)同共融”作為建立新一代人工智能關鍵共性技術體系的重點任務之一。在2018國家機器人發(fā)展論壇暨RoboCup機器人世界杯中國賽開幕式上，中國工程院院士王天然指出“下一代機器人將‘與人共融’，如果能抓住這個機遇，中國將在機器人創(chuàng)新舞臺上扮演一個特殊的角色”。在2018 IEEE/CSAA制導、導航與控制學術會議（IEEE/CSAA GNCC2018）上，中國工程院院士樊邦奎提出“無人機系統(tǒng)與有人系統(tǒng)之間的高度協(xié)同是實現(xiàn)無人機集群實際應用的關鍵”。因此，在未來信息化、網(wǎng)絡化、體系對抗的環(huán)境下，采取無人機與有人機共融集群，通過密切協(xié)同和高度智能的人機交互來完成信息獲取、任務決策、指揮引導復雜人機協(xié)同，達成操作員與無人機不同維度間的互聯(lián)互通互操作，可實現(xiàn)跨域平臺系統(tǒng)任務能力的倍增甚至指增效益。

新型變體無人機

在2015年4月美國海軍研究局發(fā)布的“低成本無人機集群技術”（low-cost UAV swarming technology，LOCUST）項目中就已經(jīng)出現(xiàn)變體無人機的身影，在該項目中變體無人機可實現(xiàn)從多管發(fā)射裝置中彈射起飛，并在起飛過程中自動展開機翼及推進器，變形成任務模式下的舒展形態(tài)。2015年9月，美國國防高級研究計劃局在發(fā)布的“小精靈”項目中再次暢想了變體無人機，尤其是輕小型變體無人機的未來。該項目打破了傳統(tǒng)依賴空中加油實現(xiàn)作戰(zhàn)半徑延展的模式，而是設想依托集群發(fā)射與回收技術，讓現(xiàn)有大型飛機在敵方防御射程外發(fā)射成群的小型無人機，當任務結束后母機再對小型無人機進行回收。由于“小精靈”無人機無地面起落環(huán)節(jié)，其設計上更貼近于導彈的外觀，當任務結束進行回收時，“小精靈”無人機將自動打開飛機頂部與母機捕獲器配套的回收裝置，并折疊機翼，以便帶回由地面人員在24 h內(nèi)完成重置并等待下次使用。2018年，美國AeroVironment公司計劃通過集成FlightWave公司的Edge混合垂直起降技術開發(fā)一種具有垂直起降模式和固定翼飛行模式的新型變體無人機，該無人機起飛和著陸時無需使用諸如攔阻網(wǎng)或彈射器之類的地面設備。采用變體技術后的無人機，其不同任務狀態(tài)下的飛行性能可從根本上得到改善，將同時兼顧長航時巡邏飛行、高速沖刺和高機動飛行能力，使無人機在擔負傳統(tǒng)的偵察監(jiān)視任務的同時，具備有效打擊各種地面、海面以及空中目標的能力。

智能集群系統(tǒng)

2016年8月，美國國防部國防科學委員會發(fā)布了《Autonomy》（《自主性》），指出“未來人工智能戰(zhàn)爭不可避免”。2017年7月，美國情報高級研究計劃局發(fā)布了《Artificial intelligence and national security》（《人工智能與國家安全》），再次指出“人工智能技術是國家安全的顛覆性技術”。在2017年7月中國國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，提到“群體認知”“群體感知、協(xié)同與演化”“群體集成智能”，并21次提到“群體智能”，11次提到“自主無人系統(tǒng)”?；谌斯ぶ悄茉O計無人機集群分布式控制框架，使得系統(tǒng)中的無人機僅在局部感知能力下，通過集群數(shù)據(jù)鏈技術，同其他無人機組建自組織智能交互網(wǎng)絡，并在外界環(huán)境觸發(fā)作用下，實現(xiàn)復雜的行為模式，具備學習能力，在群體層面涌現(xiàn)出智能。大自然是人類創(chuàng)造力的豐富源泉。鳥類、獸類、魚類、昆蟲類等群居性生物為適應生存環(huán)境，歷經(jīng)長期演化后，激發(fā)涌現(xiàn)出高度協(xié)調(diào)一致的群集運動。將這種具有無中心、共識主動性、簡單性和自組織性等特點的群體智能機制應用于無人機集群自主控制這一顛覆性技術，無論從理論框架還是應用需求都是十分契合的。在集成生物群體智能的無人機集群系統(tǒng)中，個體通過收集和處理信息來適應環(huán)境，進行個體知識的更新，通過與集群中其他個體的交互，進行歷史經(jīng)驗學習和社會學習，不斷進化從而獲得更強的生存能力以及對環(huán)境的適應能力；當某個無人機出現(xiàn)故障，其他無人機會自動修復填補，在系統(tǒng)層面表現(xiàn)出自愈能力；若有新的無人機加入集群，只要與邊界處的無人機建立通信，新的集群會迅速完成融合。北京航空航天大學仿生自主飛行系統(tǒng)研究組10余年來，通過借鑒雁群、鴿群、椋鳥群、狼群、蜂群、蟻群等生物群體的共識自主性集群智慧，采用分布式策略設計了無人機集群自主控制方法和技術，并結合這些生物群體智能進行了無人機集群編隊、目標分配、目標跟蹤、集群圍捕等任務的飛行試驗驗證，下一步將開展基于群體智能的有人/無人跨域異構集群自主控制方面的研究。

無人機集群自主對抗

隨著作戰(zhàn)環(huán)境監(jiān)測技術和識別技術的不斷突破，在交戰(zhàn)雙方信息比較清晰的情況下，當無人機進行集群對抗時，如何在機載設備采集的信息指引下，快速、準確地進行空戰(zhàn)策略的選擇，必將成為空戰(zhàn)成敗的決定性因素。2015年10月，辛辛那提大學Psibernetix公司研發(fā)了一款高保真的空戰(zhàn)模擬虛擬空間，所研發(fā)的Alpha人工智能利用超級電腦的數(shù)據(jù)中心處理系統(tǒng)在模擬空戰(zhàn)中擊落了空軍假想敵教官（前空軍上校Gene Lee），該系統(tǒng)目前主要通過模擬戰(zhàn)機飛行，改善無人機的飛行應變能力，大大降低無人機飛行失誤率，在評估、計劃、應急方面均比正式飛行員更加快速有效，可同時處理多個攻擊目標，調(diào)配武器實現(xiàn)精準打擊。2017年12月，敘利亞反對派采用無人機機群重創(chuàng)俄羅斯在敘境內(nèi)的赫梅米空軍基地，無人機集群作戰(zhàn)初具雛形。武器系統(tǒng)的發(fā)展，改變了整個空戰(zhàn)的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)方式，使其發(fā)展成了由超視距攻擊和近距格斗兩個階段組成的復雜任務。實現(xiàn)無人機集群自主對抗的關鍵是空戰(zhàn)決策技術，即研究無人機在線感知條件下，如何與集群內(nèi)的其他無人機協(xié)調(diào)，進行實時或者近實時的超視距攻擊階段的目標與武器分配以及近距格斗階段的戰(zhàn)略與戰(zhàn)術選擇，達到具備經(jīng)驗豐富的戰(zhàn)斗機飛行員決策能力的目的。

在無人機集群技術、裝備與戰(zhàn)術快速發(fā)展的形勢下，各國開始投資發(fā)展反無人機技術。根據(jù)雷聲公司2018年3月發(fā)布的報告，美國陸軍在俄克拉何馬州西爾堡舉行了“機動火力綜合試驗”（maneuver fires integrated experiment，MFIX）演習，雷聲公司利用其先進高功率微波武器和高能激光武器擊落了45架無人機。國內(nèi)外對無人機反制的手段無外乎3種模式：直接摧毀、監(jiān)測控制類、干擾阻斷類。對應到無人機集群，可以采用的反制措施，包含以下幾種形式：搗毀蜂巢，即運用綜合火力全方位打擊運載平臺，力爭摧毀或在投放空域之外實現(xiàn)攔截；密集攔截，即采用彈炮融合系統(tǒng)和密集防空火炮對無人機集群實施攔截打擊；集群對抗，以彼之道還施彼身，用集群來對抗集群；電磁癱毀，即運用定向能武器進行抗擊，或進行地面大功率電子干擾；控制劫持，即通過注入控制指令或病毒，采用網(wǎng)絡入侵的方式進行抗擊。正因如此，發(fā)展應對反無人機技術的無人機集群技術在日益復雜的任務態(tài)勢下顯得尤為重要，例如，發(fā)展應對頻譜資源短缺、頻譜環(huán)境復雜、環(huán)境和人為干擾嚴重等問題的無人機數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術。

應用設想

在無人機集群系統(tǒng)中，大規(guī)模、低成本的小型無人機平臺通過相互協(xié)調(diào)合作，具有資源配置機動靈活、任務執(zhí)行成本低等特點，可滿足未來高動態(tài)、強對抗等復雜環(huán)境下的任務需求。通過大量無人機間的相互通信和行動協(xié)調(diào)以及各無人機間的相互能力互補，可建立一種有效的協(xié)同策略，提高資源的利用效率，實現(xiàn)單無人機平臺的任務能力拓展以及無人機集群系統(tǒng)的整體任務效能提升。

在軍用領域，無人機集群系統(tǒng)必將帶來作戰(zhàn)模式的顛覆性變革。通過合理運用，無人機集群可在戰(zhàn)爭中發(fā)揮出重要價值：可在使用前更換各種傳感器等有效載荷，執(zhí)行不同的任務；可進行電子干擾/賽博攻擊，實施情報監(jiān)視和偵察；可與戰(zhàn)斗機和轟炸機等隱身裝備配合，使敵方雷達無法區(qū)分目標；可為打擊平臺、已發(fā)射的反輻射反艦武器提供目標指示或輔助瞄準；可作為自殺式無人機消耗敵方的高價值攻擊武器，達到系統(tǒng)與系統(tǒng)對抗的效果，提高系統(tǒng)的生存能力。此外，將群體與體系架構技術相融合，構建面向未來智能戰(zhàn)爭需求的無人系統(tǒng)集群體系框架，建立并實現(xiàn)基于群體智能的無人機集群系統(tǒng)，對于拓展作戰(zhàn)體系的能力邊界，引領武器裝備的跨越式發(fā)展，應對信息化戰(zhàn)爭高成本的發(fā)展瓶頸具有重要意義。

在民用領域，無人機集群正逐步滲透到人類社會生活的方方面面。無人機集群燈光秀表演潮正熱，例如2016年1月Intel公司的百架無人機燈光秀、2016年10月長征勝利80周年南航無人機集群獻禮、2018年2月珠海春晚無人機特技飛行、2018年8月長沙橘子洲頭777架無人機的燈光秀表演，以上無人機集群表演主要采用了高精度定位技術，距離復雜環(huán)境下的無人機集群全自主控制還有很大差距。在快遞物流方面，無人機集群系統(tǒng)可通過相互協(xié)調(diào)用于調(diào)配并發(fā)大量訂單，例如Amazon的Kiva倉儲運用搬運機器人和快遞無人機實現(xiàn)智能物流管理；在農(nóng)業(yè)領域，無人機可與地面機器人相互協(xié)作形成異構集群系統(tǒng)，實現(xiàn)大面積區(qū)域的農(nóng)業(yè)信息采集，例如在由ECHORD++資助的農(nóng)用機器人集群（swarm robotics for agricultural applications）項目中，多架無人機彼此協(xié)調(diào)可實現(xiàn)對農(nóng)田區(qū)域內(nèi)雜草的精確監(jiān)測；在應急救援方面，無人機集群可通過自組網(wǎng)技術快速建立臨時通信網(wǎng)，以便快速掌握災情，調(diào)配物資，例如在2015年8月的“8·12天津濱海新區(qū)爆炸事故”中，8架無人機飛入爆炸核心區(qū)測繪，為現(xiàn)場指揮部決策提供有力依據(jù)；2018年6月，四川綿陽市美麗島建設工地143名工人被困島上，2架無人機同時作業(yè)，1 h內(nèi)成功完成了救援物資輸送任務。

建 議

無人自主系統(tǒng)是人工智能的重要應用之一，已經(jīng)成為國家重大戰(zhàn)略。未來無人機自主集群技術的發(fā)展，主要聚焦在如下6個方面。

1）依托國家大力推進的新興技術發(fā)展規(guī)劃，推進無人機集群技術發(fā)展。2016年5月18日，國家發(fā)展和改革委員會、科學技術部、工業(yè)和信息化部、中央網(wǎng)信辦制定了《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動實施方案》。在2017年7月國務院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，指出應借助人工智能重點突破自主無人系統(tǒng)相關共性技術、核心技術，支撐無人機集群應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。由此可見，人工智能正在迎來新一輪創(chuàng)新發(fā)展機遇，將人工智能與無人機集群緊密融合，研發(fā)實現(xiàn)無人機集群自主智能系統(tǒng)，才可能使無人機集群快速實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

2）借鑒軍事強國技術研發(fā)模式，舉辦無人機集群大賽。從宏觀層面加強無人機集群發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并將其納入到裝備體系中進行整體規(guī)劃；國外一直注重通過大型比賽進行民間科研力量的培育和挖掘，其中比較著名的無人機賽事有國際微小型飛行器賽會（International Micro Air Vehicles，IMAV）、國際空中機器人大賽（International Aerial Robotics Competition，IARC）等，國內(nèi)有效借鑒該模式，為探索未來智能無人集群作戰(zhàn)概念，快速推出了舉辦“無人爭鋒”智能無人機集群系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽、“無形截擊-2018”反無人機挑戰(zhàn)賽等，通過“亮劍”和“揭榜”的比賽模式，促進了無人機集群技術的攻關和突破。

3）重視系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展，提高無人機集群技術整體水平。無人機集群發(fā)展涉及多個領域、多個學科中的各項相關技術，其中平臺、通信、載荷是發(fā)展無人機集群的關鍵技術。借鑒 相關領域的先進設計思想，以任務為中心，采用先進控制理論，重視平臺、通信、計算、有效載荷協(xié)調(diào)發(fā)展，各方面、各環(huán)節(jié)、各因素協(xié)調(diào)聯(lián)動，拓展無人機集群的復雜任務功能，促進無人機集群自主控制整體水平的快速提升。

4）著眼交叉學科，突破顛覆性技術。通過模擬自然界中的生物行為機制，突破基于仿生學的無人系統(tǒng)自主控制技術，改變智能無人機系統(tǒng)“有智無慧，有眼無珠，有感無情，有專無通”的尷尬格局。面向適應平臺性能、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術任務等要求，通過生物學、控制論、人工智能、機器人學等多學科交叉領域的前沿技術研究，無疑會給無人機集群系統(tǒng)帶來顛覆性的技術突破，可引領中國無人機集群自主控制技術由目前的“跟跑者”“并跑者”逐漸邁向“領跑者”。

5）注重國防應用研究，提高無人機集群實戰(zhàn)性。在安全局勢日益復雜和國防戰(zhàn)略更趨于積極主動的背景下，隨著國防信息化裝備水平的提高，多兵種協(xié)同作戰(zhàn)、訓練推進，國防指揮調(diào)度市場規(guī)模將迎來爆發(fā)性增長，應充分利用“陸?？仗祀娋W(wǎng)”六位一體作戰(zhàn)模式下的武器裝備布局，研究由無人機、無人車、無人艇、無人潛航器等跨域無人平臺構成的無人體系可能的應用方式，以推進無人機集群系統(tǒng)及其相關行業(yè)的增長。

6）加強市場培育，完善無人機標準和規(guī)范。制定促進資源共享的無人機發(fā)展機制，推動軍用無人機裝備和民用無人機產(chǎn)品有機結合，推進無人機集群在農(nóng)業(yè)、交通、物流、救災、勘測等領域應用。中國民用無人機集群的應用目前剛剛起步，主要處于項目論證和前期小規(guī)模可行性試驗階段，應及時了解用戶需求，盡快研制出安全、可靠、實用、價廉的無人機自主集群系統(tǒng)。無人機集群系統(tǒng)民用市場的推廣勢必需要相關法律法規(guī)的支持，特別是還需要制定無人機集群方面的技術標準和法規(guī)。

結 論

無人機自主集群以低成本、高分散的組織形式滿足功能需求，以去中心化自組網(wǎng)提升系統(tǒng)高效信息共享、抗故障與自愈能力，以功能分布化提高體系生存率和效率交換比。如何建立無人機集群這一整體動態(tài)特性和物理約束的模型，如何面向更加復雜的任務環(huán)境將人工智能與無人機集群自主控制緊密結合，如何將有人與無人機、無人車、無人船等跨域融合，實現(xiàn)全自主群集系統(tǒng)廣泛應用，還需要進一步研究和深入探索。具有“平臺簡單、高度協(xié)調(diào)、完全自主、群體智能”特點的無人機自主集群系統(tǒng)勢必將引發(fā)新一代戰(zhàn)爭模式的顛覆性變革，不僅在滲透偵察、誘騙干擾、察打一體、協(xié)同攻擊等國防科技領域大顯身手，而且也將在智能交通、地質(zhì)勘測、災害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)植保、物流運輸?shù)葒窠?jīng)濟發(fā)展中有著廣闊的發(fā)展前景。

基金項目：國家自然科學基金重點項目(61333004)

參考文獻（略）

本文作者：段海濱，邱華鑫，陳琳，魏晨

作者簡介：段海濱，北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，飛行器控制一體化技術國防科技重點實驗室，教授，研究方向為無人機仿生集群飛行控制、計算機仿生視覺和仿生智能計算。

注：本文發(fā)表于《科技導報》2018 年第21 期，敬請關注。