分享｜王长青：人工智能在飞航导弹上的应用与展望
王长青，研究员，现任航天科工集团三部主任、先进制导控制技术国防重点实验室副主任、国家某重大科技工程制导控制专家组组长。在临近空间军事斗争理论研究方面、武器装备技术研究方面取得诸多项目重要研究成果，获得国家首次颁发的国家科技进步奖（创新团队），荣获国家科技进步特等奖一项，国防科技进步二等奖一项，并被中华全国总工会授予“全国五一劳动奖章”。
王长青研究员在题为《人工智能在飞航导弹上的应用与展望》专题报告中，从“导弹人工智能”概念出发，对飞航导弹人工智能发展需求及未来导弹人工智能9大研究方向做了详细的阐释论述。我们进行了整理，略有删减与改动。愿与诸位分享，Enjoy~😊
非常感谢主办方给我这样一个机会跟大家做交流。我本人是研究导弹制导控制的，今天在这个大会上，我想倡导一个学术概念，也就是“导弹人工智能”的概念，这个概念听起来有点不太顺畅，它的研究和大家平时谈论得很热的“人工智能”是有差别的。我从事导弹制导控制领域的研究也有很多年了。对于长期从事导弹制导控制研究的技术人员来讲，我们面临着很多困惑。“导弹人工智能”这个概念想法，起源于去年，一个偶然的机会，我看了一本报告系统地论述了国内外人工智能技术的发展情况，很受启发，我感觉到我们在导弹制导领域面临的诸多困惑，都能在这里面找到解决的途径。由此我想到了一个词，叫“导弹人工智能”，今天我的任务就是来给大家宣传这个学术概念的。
人工智能系统的典型特征，各位老师讲了很多，这里不做过多赘述。如这幅图片所展示的，关于人工智能系统典型特征，在“社交”之前的，这些理念对导弹制导控制都有具体的概念和内涵。我们现在正在对后两个，也就是被称之为人工智能里面比较高级的两种能力——创作力和多元智能，进行定义，比如作为一个导弹武器在这两个领域里面应该有什么样的内涵，有什么样的响应特性。
人工智能系统典型特征
关于人工智能的应用范畴，很多学术论文上归纳为五类——机器学习、图形/图像/视频识别、语音识别、自然语言处理、类脑研究。这五类在导弹武器系统里都有着不同程度上的应用，有些应用还相当深入，例如图象、视频识别等等这些领域应用得比较多。人工智能在无人飞行器上应用的例子也很多，微信上大家经常转载，比如无人机与有人机编队飞行，无人机做的各种各样的动作，都涉及人工智能里面相应的技术。
未来作战面临高度对抗、有限信息支援、全气象条件、多任务需求的挑战，不确定性大幅增加，需要导弹具有自主感知和态势认知能力，以适应性不确定性的战场变化。
接下来讲讲导弹人工智能发展需求，首先，导弹武器在未来战场上面临各种各样复杂的环境。李德毅院士讲了一句话，“开车不可能走同样的路，也不可能是同样的驾驶，不可能有同样的操作过程。”就像一位哲人说的，人不可能两次踏进同一条河流，道理是一样的。对于导弹武器来讲，面临的随机因素也很多，因为速度快，还是在高度对抗环境下，有各种恶意破坏，就是让它跟平时不一样，这需要导弹具有更高的智能化程度。
未来为了提高武器的作战效能，协同作战、体系化作战已经成为发展趋势，需要导弹能够像人一样互相协作完成复杂任务。面对敌我复杂博弈态势，单弹的任务完成效果对弹群攻击任务影响凸显，要求导弹能够依据全局目标智能决策，完成担负的任务。
一个导弹想打击一个目标经历的过程也是很复杂的，像在国内外各种军事演习中，打上一个目标面临着层层对抗，雷达的探测，各种各样的干扰、拦截，导弹还经历着不同气象环境的扰动。导弹的徒行过程是单个运动体对体系的对抗过程。这种对抗，导弹是处于劣势，在战场上我们想把它打赢怎么办？从哲学上解决的途径，是以体系对抗体系，那么一个导弹怎样形成一个体系？这需要导弹和所有的进攻方，和人以及其他飞行平台、导弹形成一个体系。导弹之间是有社交活动的，通过这样的社交活动，他们是相互联系的，能够像人一样互相协助完成复杂任务，把体系对抗到这种形态，它需要人工智能的解决方案。
未来作战是全域作战，在外太空、空中、海面、水下开展，作战环境条件特性各异，为了保证良好的性能，需智能运动控制，根据外界环境实施最佳的控制，如智能变形、全源智能组合导航等。
我们一出门都用高德导航，有各种各样的路面，而对于导弹武器来讲，未来作战是在外太空、空中、海面、水下开展，作战环境各异，导航制导控制也需要多元的信息，以应对各种各样的环境，需要智能运动控制，根据外界环境实施最佳的控制。这也是人工智能研究的动机所在，导弹武器为人工智能的应用提供一个需求场景。
在末端攻击时，面对有限敌方信息、敌方干扰、伪装，需开展协同搜索、利用信息融合准确完成目标价值识别、要害识别，自动规避敌方拦截，实现高精度打击。
在目标精确打击方面，我们都想精准命中目标，尤其是随着人类社会的发展，在打击目标的时候，还想减少附带损伤，把它用于军事目的，用于邪恶目的的装备，而不伤及无辜的人，所以导弹武器要精确打击。然而精确打击面临着各种恶意的干扰、欺骗、伪装等等，这就要求导弹要有一定的智能性。导弹武器的快速反应能力，就像两个武士，没有看到剑，人头却已经落地，这是武功的一种境界，对于导弹武器来讲也是这样。
未来作战面临快速反应，简化武器装备维护的迫切需求，这就要求武器装备使用全流程均进行智能管理，在贮存、转运、测试、发射准备流程中充分利用智能技术，通过智能处理、上报使用问题，减少人工环节，提高反应速度，降低保障要求。
关于智能导弹的定义，十几年前就有人提出来了。我们科工集团曾出了一本书叫《智能导弹》，在这本书里，它阐述了什么叫智能导弹。智能导弹其实并没有一个统一的概念，可以以相对的方法去定义，有自主的概念、相对的概念、渐进的概念、博弈的概念等等，但这里面有一个共同点，就是它能够像人一样充满智慧。
前年开始，美军展示了一款远程导弹LRASM，有着很多自主化的特征，如自主感知威胁、自主在线航迹规划、多弹协同、目标价值等级区分、目标识别等。
在飞行器设计时，为适应不同的飞行状态采取变化的飞行器叫智能飞行器，这也是其智能性的一面。还有一个分布式作战，无论是海面上的舰艇，还是空中的飞行器都是用多个平台协同的概念，再如蜂群协同等等。协同的概念，这也是智能技术的一种应用。导弹之所以和炮弹不同，是因为导弹可以自动的去寻地找到目标，它需要进行自动的目标识别。基于人工智能的自动目标识别算法在导弹上的应用需要大数据库、地面高速处理器、高分辨率探测器三个方面的支撑。智能导弹的全部“智慧”都应当事先存贮在大数据库中，这包括知识（目标、背景、环境、威胁）数据库；实时信号、数据、图像数据库和人工智能算法库。人工智能的很多技术在自动识别领域里都得到比较早的尝试，导弹从出现开始，它就是人工智能的一个尝试者。导弹要想自动地识别目标，首先要有自己的感知，要实现比较高的突防，要有威胁感知等等。因为真实的作战环境往往复杂多样，智能化导弹除了具备自动敌我识别、类型识别的能力，还应有意识地寻找最具威胁、最具价值的目标进行优先打击，以获得最大化的作战效应。这就需要通过目标威胁等级的评估，进行威胁等级的智能识别。
在这里要给大家展示一张图，美军无人系统发展路线图将武器装备、飞行平台的智能自主能力，分为十个等级，从开始的遥控引导、实时健康诊断、适应故障和飞行条件，一直到最后完全自主群体。我大学是学习飞行控制的，把这十个等级认真地解读完之后，我发现随着十个智能化的分级，它把我们控制专业所涉及到的各种各样的技术完全穿起来了，而且还引入了大量的信息技术，包括刚才讲的大数据、云计算等等，这些技术在武器系统里都可以得到比较好的应用。
什么是“导弹人工智能”
我们想推广一个关于"导弹人工智能"的概念，这有一个定义，或许定义得并不完整，后续学术界还可以继续批判、研讨、完善它。以飞航导弹人工智能为例，飞航导弹人工智能是利用人工智能技术，使飞航导弹具有感知、决策和执行能力，能便捷准确地理解人类的任务指令，具有一定的认知和学习能力，通过感知管理自身状态及战场环境变化，实时替人类完成中间过程的分析和决策，最终辅助人类完成所赋予的作战使命。
根据人类认知控制行为模型，将人类决策性行为层、程序性行为层以及反射性行为层分别映射为具有物理意义的飞航导弹任务管理系统、飞行管理系统以及控制执行系统。 结合飞航导弹武器装备的实际作战体系，我们想将人工智能在飞航导弹武器装备上的应用划分为三个层次：任务管理系统、飞行管理系统、控制执行。
任务管理系统，它是飞航导弹的决策性行为层。应具备更加全面的环境感知能力，包括在高度对抗的环境和恶劣气象（如雷暴、风切变、紊流）条件下，对更广阔范围的自然环境、各种威胁与敌我目标的感知与识别等。并且根据突发状况进行动态任务重规划等问题，提高导弹系统作战响应的实时性。需要重点解决的问题有战场数据挖掘及自主决策、态势感知、任务在线规划、模式识别、认知无线电等等，这些技术都属于这个层次的研究范畴。
飞行管理系统是飞航导弹的程序性行为层。应具备在复杂战场和对抗环境下的自主导航能力，能够及时响应任务管理系统的决策，完成飞航导弹运动协调规划与控制，以及多弹的编队飞行，具有对自身健康状态的管理能力，能够在突发故障状态下自主地完成容错控制。在这个行为层需要重点解决的问题，目前学术界讲的比较多，如全源智能组合导航、健康管理与容错控制、协同制导、超维度物联等，这些概念都属于这个层次的研究范畴。
第三个控制执行系统是飞航导弹的反射性行为层。采用新的自主导航与智能控制技术，既能够实现在局部范围内动力和流场的精确控制，实现复杂的动作，也能够实现具有故障自修复和飞行环境自适应代。这里需要重点解决的问题有控制律重构，面向飞行状态的适应性控制，面向任务的智能变形、电磁赋形、主动流动控制、多模式可控毁伤等等。
这一部分，我想跟大家简要汇报一下一些想法体会，关于飞航导弹人工智能研究方向，我在这里共定义了九个研究方向。
不依赖卫星的导航
一是不依赖卫星的导航。“不依赖卫星的导航”将发展与任意导航传感器和敏感器组合方案相关的快速集成和重新配置的架构、抽象方法及滤波算法，降低系统集成成本，为用户提供无卫星导航服务条件下的高精度定位、导航与授时能力，满足不断变化的任务需求与环境变化的要求。
涉及到的关键技术，一个是开放式的导航系统方案及自适应导航滤波算法，各种导航手段都可以运用最终导航服务的结果，需要一种综合性的滤波算法。第二个是高精度小型化惯性导航设备，提供高精度导航和授时。第三个是空间自然信息辅助导航技术，如地形地物、景象、星光、地磁、阳光、闪电等这些自然信息进行辅助导航。第四个是人造信号辅助导航技术，如利用手机通讯、广播电视、商用卫星、光波、机载伪卫星、VOR/DME、TACAN、罗兰-C等信号。另外还有其他信息辅助导航技术，像视觉导航、多普勒等等。怎么样把它综合运用好，根据实际飞行环境特点，自主选择最佳导航方案，当环境发生变化或受到干扰时，自适应调整导航方案，是一种智能化很高的事情，这就需要用到人工智能的技术。这涉及到一个系统架构，里面每一个环节都包含了我们人工智能领域里面涉及的方方面面的技术，不再展开了。
模式识别
第二个研究方向是关于模式识别，其内涵是在复杂的自然环境和战场对抗环境下，为实现更高的作战效能而在导弹上自主开展的目标识别、敌我识别、威胁识别、障碍物识别等运算过程的总称。在学科上均属于模式识别的范畴，在导弹应用过程中，重点是要解决四个空间的描述与映射变换。搞自动识别研究的时候，经常讲像素，做边缘提取找到某个局部特征，来进行目标识别，我们现在打击目标的时候，对目标进行分类。比如有这样一种情况，机场停有轰炸机和运输机，我们的目标是要把轰炸机打掉，你怎样对你所识别出来的飞机进行分类？这个问题我们做了很多分析，发现还是一个挺难的事情。对于搞模式识别的研究来讲，它是几个空间映射，里面引入了很多数学的方法，这里也不再展开。
模式识别有很多种方法，比如统计模式方法、句法结构模式识别、模糊模式识别、人工神经网络模式识别，还有模板匹配模式识别，这个当前发表的论文比较多，从判断上来看，各个领域里面主要采用这种模式。另外四种模式也有，但从我这检索到的结果来看，成熟度不是很高，只能适用于某一个局部领域，解决某一个特殊问题，想广泛推广应用，尤其在武器里去应用差距还比较大。
健康管理与容错控制
第三个研究方向是健康管理与容错控制。也就是系统能够根据飞行状态和感知到的外部信息，自动检测、推理判断出运行过程中的已经发生的或潜在故障，并主动调整控制器，解决导弹在故障状态下的稳定飞行和后续任务执行策略问题，实现故障容错。其容错层级分为弹上分系统级容错、导弹个体级容错和群体容错。容错执行的结果分为增强置信度、降额使用或任务改变。
飞行器的容错控制上个世纪80年代热一些，国外是60、70年代热，用得好不好？搞装备的他们有体会，从人工智能的研究来看，要想消除各种不确定性因素，容错判断是一个很关键的基础，容错控制是智能化分级的第三级。李院士在学术报告里讲，有两辆自动驾驶的车，再有两辆自动捣乱的车，就能把整个团队都扰乱了，这也是导弹武器面临的一个问题，我们首先要解决容错的问题。容错也分为单个个体的容错和群体的容错。体系的对抗有一个群体，他们要让自己的任务能够执行下去，这里有一个相应的学术体系。
协同制导
第四个研究方向是协同制导。它是为提高导弹自主作战能力，充分利用飞航导弹飞行轨迹可控性强的特点，在多弹编队飞行过程中，通过多传感器协同、多弹协同和编队协同，而采取的导航、制导与控制技术的总称，是未来导弹武器进行体系化作战的关键技术。
人和人之间的协同，我们通过开会制定规则，训练这都是可以的，例如道路上的汽车都要考驾照，经过训练是可以协同起来的。那对于导弹，我们怎么让它协同起来？尤其在那么多恶意破坏的对手面前，我们还要让它协同起来，协调的范围还很广，这里面涉及的技术也很多，包括导航、制导、控制等等。
我们首先要编队，如何编队飞得好。编队好了之后有什么用？我们不是为了编队而编队，我们编队肯定是一种战术的应用。编队控制是多弹集群协同作战的基础，主要涉及编队组成/重组和编队的稳定性、鲁棒性。前期我们讲的饱和攻击都想象着导航能够同时到达某一个目标附近，超出防御方的能力。十个人打一个人，这一个人肯定打不过，武林高手也不行。群体应对个体这种办法，导弹要想决胜于千里之外，怎样同时到达某一个指定区域，以什么的形态到达这个区域，让对手制约他的防御能力，是编队控制里面要研究的一个问题。通过编队还可以提升我们的感知、探测能力，例如我们雷达技术领域的应用雷达，就是这个研究范畴。
智能变形
第五个研究方向就是智能变形。智能变形飞行器是一种具有智能功能、按需应变的多用途、多形态的全新概念飞行器。它能够根据飞行环境、飞行剖面和作战任务的不同进行自主变形，对其自身特性进行智能调节和变化。
在飞行器设计领域里有四类变形，一类是物理变形，让整个外形发生变化，它的空气动力学特性也发生变化，如滑动蒙皮、伸缩翼、可变后掠翼。第二类是功能变形，例如搞超材料去研究智能蒙皮，既能隐身，又能感知，对抗还能通讯。第三类是RCS变形，隐身了。还有一类是气动变形，我们的飞行空域越来越大，我们想从地面一直飞到轨道上去，想飞到临近空间，对于我们搞空气动力学的来讲，流程是要变化的，气动领域里面研究的主动流动控制，等离子体流动控制都是属于气动变形这样一个范畴。
美国洛马公司折叠翼智能变形飞行器
认知雷达与认知对抗
第六个研究方向是关于认知雷达与认知对抗。认知雷达是具有感知周围环境能力的智能、动态的反馈系统，该系统通过先验知识（内在的和外在的）以及与环境的交互来感知环境，并进行检测、分析、学习、推理和规划，在此基础上，实时调整发射机和接收机的参数，使用最合适的系统配置（频率、信号形式、发射功率、信号处理方式等）来适应环境的变化，达到与外部环境和目标状态相匹配，从而有效、可靠、稳健地达到预定目标。
复杂电子环境的对抗是一个博弈的过程。博弈的过程就像武林高手过招，不可能存在某一招一定可以压倒一切，总有破解你的办法。作战过程中一招就可以制敌，像这样的装备，在小说里有，在现实生活中要有一个对抗的过程。无线电领域里面讲认知雷达，包括认知对抗等等都是这么一个概念。像认知雷达，有人认为它是第五代雷达的发展方向，它的优势是，一方面可以提高雷达的探测能力，另一方面可以提高雷达的环境适应能力，提高抗杂波、抗干扰能力。可以把很多提前已经认知的知识结构让雷达灵活去应用。
认知对抗又被称之为认知电子战，它跟传统的电子战有很多的差异。它是依据实时环境态势感知、作战效能评估以及学习、积累的结果，动态地自主调整攻击与防护策略，通过流程的闭环，实现智能、高效的信息对抗。它也有很多优势，也是提高我们战争不对称性的一个核心关键技术。但是这里面要运用人类智慧方方面面的技术，类似于人脑的思维过程。
认知对抗与传统电子战区别
超维度物连
第七个研究方向是超维度物连。物联网是一种将任何物品通过信息传感设备与互联网联结，实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的网络技术。第六代战机的一个显著特点就是通过物联网构成的作战平台。导弹超维度物联网要实现与陆基、空基、海基、天基授权用户的在线访问，实现超越维度的“即插即用”式物联，实现基于物联网的互联互通互操作，以最大限度地提高作战效能。
美国DARPA在研究第六代战机的时候，研究它的技术特征，提出了很多种技术特征，十多年来，一直在抛出各种各样的概念，目前在逐步收敛。我发现它很多版本里面，有一个特征始终存在，就是超维度物联。飞机飞出去之后不是一个简单的个体，而是和外部环境，所有作战平台可以很容易地交互认知，这就是把物联网用到飞行平台上去。
战场数据挖掘与自主决策
第八个研究方向就是战场数据挖掘与自主决策。数据挖掘是从有噪声、数量庞大、随机的、不完全数据中，通过特定的算法，自动地抽取事先未知的、隐含的、具有潜在价值的规则和知识。数据挖掘是一个多学科的交叉领域，吸纳了模式识别、机器学习、可视化、数据库和数据仓库、统计学、信息检索、高性能计算和许多应用领域的大量技术。数据挖掘的过程一般分为：数据选取、预处理、转换、数据开采、模式解释和知识评估等阶段。自主决策的内涵是导弹在实际飞行中受到很多不确定因素的影响，例如平台信息的不确定，目标任务的变化，环境和战场态势的变化，以及复杂的非线性因素等。面对这种复杂、不确定的作战条件，导弹具备一定的自主决策能力。自主决策就是当发现目标并经目标识别和态势评估后调取决策数据库中的决策信息，在这些信息的激励下，对导弹的战术意图和行为做出实时决策。
自主决策就是认知战场，数据不是万能的，没有数据在未来战场上是万万不能的。我们的数据越来越庞大，如何获取分析运筹使用这些数据，从而进一步运筹我们的装备，运筹战争过程，这是摆在设计人员面前的一个课题。
美军非常重视数据挖掘技术的应用和发展。目前美国国防部以约每年2.5亿美元建设经费的投入，将数据挖掘建设提升为美军战略重点推进。2012年3月，美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动了“X DATA”计划，将数据挖掘视为大数据战略在国防安全领域贯彻的核心功能加以重点发展。不可否认的是，美军依靠其技术优势，正将与别国在战场数据分析技术上的差距进一步拉大。
在装备研制领域里，任务规划这个词汇用得也比较多。任务规划和空间数据管理，它涉及到数据挖掘的相关技术，也是靠数据挖掘的支撑，谁把它运用得好，谁就运筹得好。数据挖掘支撑好之后，后续作战指挥等等才能设计得好。指挥系统设计得好并不一定导弹就一定打得好，导弹还要能够响应。尤其在导弹飞行过程中你能够自主地感知外部的危险，有一个战场感知数据，海量数据分析、挖掘的过程。
智能毁伤
第九个研究方向就是智能毁伤。目标智能杀伤指导弹能根据目标类型、遭遇条件、环境条件和目标要害等的不同，自适应地调整引信起爆方式和启动点位置，改变战斗部的杀伤方式，以达到对目标的最大杀伤效果，减小附带杀伤。对飞航导弹而言，当前迫切需要解决的是适应陆、海、空、电磁目标一体化打击的智能毁伤技术。
我们要打击的目标种类越来越多，范畴也越来越多，我们总是希望把我们的该毁伤的东西毁伤，不该毁伤的要减少毁伤，搞武器装备设计的，肩负的责任就是该打的地方要打得狠，不该打的地方一点都不要毁伤，这就要求智能化。智能毁伤从技术上来讲，分为智能引信和智能战斗部两个分支。
智能引信指能根据目标类型、遭遇条件、环境条件和目标要害等的不同，自适应的调整引信起爆点和起爆方式，提高引战配合效果，达到最佳毁伤。涉及的技术包括引信与制导一体化， 引信智能抗干扰 ，战斗部起爆方式控制。该爆的时候它要爆，不该爆的时候千万不能爆。美国舰船上装的很多弹药都是钝感弹药。拿火烧这个炸药都不会炸，可以保护自己的平台。
关于智能战斗部，涉及的技术包括：智能爆炸成型弹头技术，借助可变形智能材料发展，应用智能材料的变形特性，设计战斗部的外壳，根据目标类型改变战斗部形状。 还有子弹头智能抛撒，以及智能动能杀伤器，简称KKV，是一种自带动力系统的自主寻的飞行器。
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