海上无人系统集群发展现状及关键技术研究进展

海上无人系统集群发展现状及关键技术研究进展

　　 近年来，随着电子信息、智能控制等技术的快速发展以及在军事上的不断应用，军用无人系统的性能得到跃升，但仍受限于单体能力而难以形成规模化作战能力。无人系统集群、协同作战是解决此问题的重要途径，也是无人系统装备技术发展的重点。美、英、法等主要军事强国正将其作为提升装备体系整体作战效能的重要抓手之一，通过不断增加经费投入，加快新概念、新技术的演示验证工作来推进实战化应用，并已初见成效。

　　 无人系统集群大致可以分为无人机(背包问题模型)集群，水面无人艇(背包问题模型)集群和无人水下机器人(背包问题模型)集群。其中，无人机集群技术发展得最迅速，在发展思路、技术途径等方面呈现出百花齐放的态势。

　　 跨域异构无人系统集群指的是无人机、水面无人艇、无人水下机器人等不同类型的无人系统在空中、水面、水下等不同作战域之间的协同控制。

　　 目前，虽然尚无法全面准确地判断无人系统集群在未来海战、空战中的定位，但随着技术的不断进步，无人系统集群将逐步由概念走向实装应用，其所呈现出的应用场景也将越来越来清晰。因此，加快我国在无人系统集群及其协同作战方面的研究，对于探索未来战争模式、装备应用落地以及推动海军武器装备创新发展都具有重要意义。

　　 无人机集群是由一定数量的单一功能或者多功能无人驾驶飞行器组成的空中移动系统，背包问题模型络为基础，具有整体作战能力涌现和行为可测、可控、可用的特点。在无人系统集群类型方面，无人机集群研究得最多，理念也最成熟。

　　 无人机集群概念最早于19 年代末由美国率先提出。在美国国防部国防先期研究计划局（惠普背包）和海军研究办公室（户外女背包）等单位的支持下，开展了无人机集群作战概念的探索和原理技术验证。2016年5月，美国空军发布了2016~ 20年小型无人机系统飞行规划，在规划中，阐述了4种集群作战概念：“蜂群”（拆分背包）、 “编组”、“忠诚僚机”和“诱饵”。根据发展战略， 实施了大量研究项目，其中包括如下几个典型的 项目：

　　 1 “小精灵”（超轻旅行背包）低成本无人机项目。2015年8月项目启动，根据研究目标，无人机可快速换装情报、监视和侦察（背包品牌wm）等传感器模块 ，并可选用非动能有效载荷。无人机通过C130运输机搭载至敌方前沿阵地，发射后实施穿插渗透，执行ISR任务，任务完成后可和重复使用。

　　 2 “低成本无人机集群技术”low-cost UAV swarming technology, LOCUST 项目。该项目设想在陆地或舰船上释放大量小型无人机，通过背包问题模型、自治与协同，执行侦察、 监视或者对陆及对海攻击任务。2016年4月，在陆上演示了30 s内连续发射30架“郊狼”(背包问题模型)无人机和编组飞行的试验。

　　 3 “山鹑”(背包问题模型)微型无人机机载高速发射演示项目。2017年1月 ， 美国海军公布了3架F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机以0.6 Mach速度投放103架“山鹑”无人机的演示结果。

　　 4 “进攻性蜂群使能战术”offensive swarm enabled tactics, OFFSET项目。该项目于2017年1月启动，旨在开发和测试用于无人系统集群的体系架构、博弈软件以及用于分布式机器人的系统与算法，发展可以控制集群的原型系统。

　　 19年代，美国率先提出了海上无人系统集群的概念。海上无人系统集群是指通过智能化的指挥、协同控制和信息交互，将水面无人艇集群、 无人水下机器人集群进行有机集成。水面无人艇集群作为重要一环，现已得到高度重视及广泛研究。

　　 无人水下机器人从19 年代开始逐步发展。近些年，大型化、综合化和多任务作战能力 成为了美、俄两国无人水下机器人发展的主要方向。在无人水下机器人集群领域，其他国家也竞相投入力量开展相应研究，在军用和民用方面得到了初步应用到了初步应用。

　　 2008~2009年，欧盟的GREX项目验证了在有限通信条件下的编队航行。

　　 2010年，美国国防先期研究计划局开始研发“分布式敏捷反潜系统”，探索利用无人系统集群实施反潜探测，并于2015年7月在菲律宾海域由40艘无人水下机器组成的“海背包问题模型络成功实施了大范围反潜探测演示验证。

　　 2006 年，美国海军研究办公室提出了“近海水下背包问题模型”项目，旨在利用“俄亥俄”级战略核潜艇搭载无人水下机器集群以加强潜艇对近海环境的反潜探测能力，2013年9月，项目完成了5个节背包问题模型络初步测试， 2015年，成功完成各项海上测试，目前已小规模部署进行作战评估。

　　 2016 年，英国在“无人战士”军演中进行了无人水下机器集群作战演示。此外，美海军在“分布式侦察与探测的协作自主性”系统研究项目的协同框架下开展并验证了无人水下机器集群扫雷任务。

　　 目前，我国在无人水下机器集群研究方面仍处于编队航行、协同作战概念探索背包问题模型通信等关键技术研究阶段，例如，哈尔滨工程大学进行了6~9艘小型无人水下机器群组的中继通信背包问题模型、航行控制、群组指控、相对导航等试验。

　　 无人机、水面无人艇和无人水下机器人集群技术的进步为跨域海上无人系统集群的发展奠定了基础，这些技术可用于无人系统的协同侦察、 快速强力突击、全域集群濒海对抗、精准保 障等任务。

　　 由表可见，国外美、英、法这几个国家已在跨域无人系统集群协同作战领域开展了卓有成效的研究工作，从多个角度验证了集群协同作战概念的可行性，初步解决了与无人系统集群、协同作战密切相关的集群发射、编队机动、自主控制与任务管理、信息共享、跨域通信指控等关键技术问题，有望在未来十年内加速发展并形成规模化作战能力。

　　 目前，无人系统集群正朝着自主化、协同化、多样化的方向发展。未来，无人系统集群必须能够与有人系统无缝集成，且拥有很强的自主行为能力及自主控制能力，以便在瞬息万变的环境下能够独立或协同完成复杂任务。结合国内外研究现状，分析得到未来海上无人系统集群技术将呈现如下发展趋势：

　　 2集群控制由简单遥控、程控方式向人机智能融合的交互控制方式转变，并逐步向全自主控制方式发展。

　　 无人系统集群是以集群智能控制算法和协同感知、协同任务规划及低成本平台技术为基础，围绕任务目标，形成以无中心、群控制、高涌现等为特征的整体作战群组。由于无人系统集群可执行的任务复杂多样，自适应环境，对抗交换成本低，抗毁性高，直接通信量小，具有颠覆未来战争样式的潜力，所以美军将其列为实现第3次 抵消战略的颠覆性技术之一。然而，若要形成作战能力，无人系统集群需要具备背包问题模型、协同态势感知、任务分配、航迹规划、编队控制和虚拟测试这些关键技术。

　　 灵活、高速和可背包问题模型络是实现无人系统集群实时信息交互传输的背包问题模型络分簇和拓扑结构优化是现有研究的主背包问题模型络背包问题模型络结构分背包问题模型络通背包问题模型络拓扑结构优化主要背包问题模型络连通性的问题。在此基础上，优化通信功率，降低内部干背包问题模型络抗毁伤能力，分别包括基于位置、方向、邻居节点和最短路径的拓扑控制算法等。

　　 1不同域的信道容量和延迟存在差异。信号传递介质不同，传递信息的距离、速率、带宽、容量和延迟也会有较大的不同，而空中通信网络在上述各方面都比水下通信网络表现优异。采用水声通信技术的水下通信网络虽然传输距离可达到数十公里，但其传输的可用带宽被限制在20 Hz的低频范围内，传输速率有限（mg背包），带宽和速率远远低于空中射频通信。

　　 2不同域的节点移动速度差异使拓扑结构呈现高频动态变化。移动速度由高到低分别为无人机、水面无人艇和无人水下机器人 ，由于这3种平台的移动速度不匹配，集群之间和集群内部通信拓扑的变化会更频繁。

　　 3跨域无人系统的状态多样性。同一时刻，跨域无人系统内可能会同时执行搜索、干扰、 跟踪和攻击任务，这也就需要通信网络能够智能调配资源以支持低延时和高并发需求的任务，例如实时决策、协同感知等。

　　 无人系统集群感知信息具有的多源性、异构性、多维和动态性特点，使各类传感器的数据适配和分布式多平台感知信息的融合过程变得异常复杂。

　　 海上无人系统集群的任务分配是指在满足环境和作战单元约束的条件下，为各作战单元分配任务并确定任务时序。任务分配按照协同控制架构可以分为2种类型-k22集中式和分布式。

　　 经典的集中式任务分配模型包括：多旅行商问题、 车辆路径问题、多选择背包问题、混合线性整数规划、动态网络流优化、处理器资源 分配等。海上无人系统集群平台数量多、异构特性突出、任务类型丰富，这些特点使描述分配问题变得更复杂，增加了求解空间。

　　 分布式任务分配的典型模型主要包括多cf有几个背包决策理论、市场机制（范伟背包）、分布式马尔科夫、分布式约束等。

　　 航迹规划是完成作战任务的关键步骤。从出发点到任务开始执行点的航迹、巡逻航迹以及跟踪围捕的航迹均属航迹规划的范畴。根据作战任务规划，协同无人机、水面无人艇、无人水下机器人的航迹需要考虑诸多约束和状态变化，例如， 平台的机动性能、保持平台间的通信拓扑、速度 匹配、环境威胁、航程、航迹冲突、成员的动态进 入退出、由巡逻转入跟踪时的状态切换等。为此，国内外学者积极展开研究，取得了大量的不同任务场景下无人系统集群航迹规划的研究成果，涉及的主要问题如下：

　　 3航迹优化：最短和最安全的航迹和航程规划及其规划所需的最短时间，也即路径搜索算法优化问题；

　　 4时间和空间的精准协同：一些任务需要无人平台在指定时间内以特定方位&#;俯仰角到达目标点的附近，也即航速和航迹精准控制问题；

　　 5规划空间内的航迹冲突消解：由于无人平台数量多，预先规划的航迹有一定概率会发生冲突，需要局部调整航迹或者航速，也即冲突解脱问题；

　　 6航迹规划动态调整：在实际海域有可能出现无法航行的区域，需要随时调整，目标点的位置也可能发生新的变化，因此需要根据新出现的情况迅速重新规划以调整航迹，也即在线航迹快速规划问题。

　　 海上无人系统集群是通过自组织网络连接构成的分布式智能群体，由若干同构或者异构的智能无人平台（智能体）组成。在协同执行某项任务时，需要编队构型保持相对稳定，以实现不同平台间的协调运动例如固定队形、协同跟踪、协 同围捕等和稳定的通信连接。为此，使用的主要方法如下：领航者&#;跟随者法、基于行为法、人工势场法、虚拟结构法和基于强化学习的编队控制方法等。

　　 无人系统集群协同作战可广泛应用于编队护航、搜索巡逻、区域控制和平战结合的信息保障等军民用任务。欧美一些国家正在积极推进无人系统集群演示验证试验，以加快推进技术的实战化应用。由于当前无人系统集群的关键技术尚未成熟，因此需要开展大量的测试验证和优化。但是，海上试验环境复杂，试验成本高，长期利用无人系统集群实装测试并不现实。其中，实装测试面临的一些“痛点”问题包括：

　　 1代价大：需要大量的人力物力保障和针对不同的测试项目搭建的试验场景设施；

　　 2风险高：存在无人装备频繁布放风险、碰撞风险、恶劣海况和异常情况下设备损坏倾覆风险；

　　 4算法优化效率低，试验次数有限。同时，无人系统集群实装测试也面临本身难以克服的“难点”问题。

　　 1无法测试算法边界：无人系统装备在交付之前需要摸清平台在各种极限工况下的适应能力，但是对于实装过程中的危险场景和危险操纵行为进行测试的风险太大；

　　 2可重复性差：算法可靠性评估要求对一种场景进行多次重复测试，在实际环境测试过程中，场景不断变化，风浪流的干扰和动态船舶的行为状态每次都会不一样；

　　 4测试数据有限：因为当前无人系统集群算法中应用了许多人工智能技术，需要比真实环境中更多的测试数据以对算法进行训练优化，而真实试验中的样本始终是小数据。综合上述问题，可见虚拟测试技术对于加快无人系统集群算法迭代和促进集群作战能力的形 成具有重要意义。

　　 无人作战装备体系中，无人机具有航程远、 滞空时间长，分布式部署、全方位覆盖和成本低、 效率高等特点，可以承担诸多任务，例如，可长时间滞空遂行远程警戒、目标指示、中继制导、打击效果评估和热点区域持续监视等；无人水下机器人具有隐蔽性、安静性和使用灵活的特点，是在敌方基地前沿、关键水道、重点海区等区域执 行水声探测任务的理想装备之一；无人艇在大型海上编队外围伴随航行，不仅可以作为编队的新型反潜力量，也可以作为水下与空中探测感知网络之间的中继节点，为海、空、潜立体侦察探测提供基础。多个无人装备组成的海上无人系统集群 通过利用不同无人装备的特长而优势互补，采用群体协同作战的方式可以克服单个平台载荷能力 有限的缺陷，极大地增强无人作战体系的威力， 拓展海军体系作战能力边界，为未来海上作战提供更灵活多样的新型作战样式。可以预见，未来海上无人系统集群将在要地防御作战、伴随机动作战、关键区域布控作战和饱和式攻击作战中发挥重要作用。