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浅析美国高级军事学院《蜂群武器：验证用于并行攻击的蜂群智能算法》
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来源：海鹰资讯
作者：王彤 李磊 蒋琪
2018年，美国高级军事学院（隶属于美国陆军指挥和参谋学院）发布名为《蜂群武器：验证用于并行攻击的蜂群智能算法》的论文，指出蜂群武器要想在未来十年内在战场上带来作战优势，应该将可行的技术和有作战优势的应用概念这两个问题联系起来进行综合考虑。目前，关于集群、分布式作战，开展了大量的研究工作，该论文尝试将技术的研发与概念关联起来进行研究的思路，值得我们借鉴和思考。本文首先对论文的主要内容进行提炼和总结，并阐述对于该论文的疑问和思考。
论文明确提出，为将应用概念与可行技术研究关联起来，重点要解决回答三个问题，对应地论文分为3个模块逐项递进阐述：
1. 蜂群武器在技术上是否可行以及它们将具备什么样的能力？
2. 结合作战理论，军队如何使用蜂群武器在战场上获得作战优势？
3. 现有技术是否让蜂群武器具备作战理论中包含的所有能力？
论文通过结合现有文献和试验成果，指出由100个智能体组成的小型蜂群武器所必需的硬件条件在今天已经具备，并且在未来10年中，随着技术的发展，由多达1000架智能体组成的蜂群将成为可能，美国战略能力办公室正在对后者开展研究。（原参考文献：The Strategic Capabilities Office, Perdix Fact Sheet, (Washington, DC: United States Department of Defense, n.d.)
表1 未来10年蜂群武器可具备的能力
论文作者认为，蜂群为执行任务，所必需的能力包括自主搜索、人机结合和网络通信三方面，通过“模块法”（building block approach）分别考察三方面的进展，可以得出结论——单个硬件组件技术已经成熟存在，将每个模块整合到一起便可实现蜂群智能作战。
一是蜂群智能体或无人机本身的自主搜索能力已经基本实现。目前，美国、以色列等国家已经实现在武器或平台上使用基于无线电射频（RF）、红外/光电、毫米波雷达等的定位系统进行目标搜索，如小直径炸弹II（SDB II）、哈洛普（Harop）无人机。此外，美国Maven项目开发的机器视觉算法识别目标准确性高达80％。
二是人机结合提高目标搜索置信度。复杂战场上的欺骗手段会大幅降低目标搜索的置信度，而将人类与蜂群整合在一个编队里，可以做到蜂群搜索能力高和人类处理能力强的优势互补。
三是涌现协同蜂群指挥和控制（C2）模型实现基于Wi-FI的网络通信。下图前三种C2模型在范围和弹性上存在限制，因此以涌现协同C2模型为例，该模型可以扩大范围、减小带宽并允许蜂群动态扩展规模。研究人员对这种模型进行了验证，如蒂莫西涌（Timothy Chung）博士项目团队实现了由50架无人机蜂群使用Wi-Fi连接协调蜂群内的行动；2016年，战略研究办公室由103个智能体组成的蜂群也展示出类似的能力。
图1 蜂群指挥和控制模型
蜂群武器可以进行简单的集结，也可以进行并行攻击。简单的集结虽然有一定的优势，但不太符合蜂群战术，而且无法以作战的规模进行机动，因而并行作战似乎更加合理。
集结：以数量压倒质量
从表面上看，许多蜂群武器的优势在于其以数量压倒质量的能力，即数百种能力不那么强的系统集合起来，也可以压倒先进的武器。在蜂群突防的应用概念中，蜂群可以将其所有智能体集中到单一的突防点上，以促进突破。尽管这种应用形式是有优势的，但却做不到以作战的规模去实施机动。
利用并行作战使行动瘫痪
论文借用美国空军上校约翰·沃登撰写的《二十一世纪的空战理论》，将敌人理解为一个系统。通过整合蜂群的机动能力和动态集结的能力，使其可以同时在数百个点上集结，而不是大数量集中在一个或两个点易受攻击的关键节点。通过对敌人系统数百个节点的广度攻击，可以形成远远超出蜂群规模意义的协同效应，导致敌方决策、通信、防御和维修能力超负荷。
图2 蜂群并行作战示意图
论文借用扬尔·巴-杨（Yaneer Bar-Yam）《让思考起作用，解决复杂世界中的复杂问题》书中对涌现的定义，该书将宏观和微观尺度之间的这种关系定义为涌现，在本文中称之为涌现行为。
在蜂群武器中，微观与宏观尺度之间存在相互依存关系，某个智能体在微观尺度上的行为塑造了整个蜂群在宏观尺度上的行为。同时，涌现这一概念带来了人类对控制的不同理解。对于传统的武器，人类在微观尺度上控制其细节，而对于蜂群武器，人类可以通过改变蜂群的状态或规则集来控制武器，这实际上就是通过涌现在宏观尺度上塑造蜂群的行为。
论文引入计算机仿真的方法，分析蜂群算法的适应能力及进行并行作战的能力。在此仿真中，采用800个通信组网的蜂群智能体和1000个不通信组网的蜂群智能体，蜂群必须应对50个随机发动的威胁，同时试图在120分钟内发现并摧毁200个随机放置的目标，如下图。
图3 蜂群武器计算机仿真示意图
仿真结果显示800个通信组网智能单体的目标消灭百分比为55%，而另一组则是47%，如下表。
表2 计算机仿真指标和结果
仿真结果表明添加蜂群智能算法显著提高了武器的效能和杀伤力，具体包括以下几点：
• 要点1：蜂群智能可以提高效能和致命性
• 要点2：使用蜂群武器进行并行战争是可行的
• 要点3：蜂群武器生存力更强
• 要点4：人与蜂群的整合提高了整体的性能
论文的举例和计算机仿真均表明蜂群武器在未来十年内是可行的，使用蜂群武器及其自适应性的涌现行为使这种武器更加高效和致命，并且通过诸如蜂群突防、蜂群区域防御、蜂群广域ISR以及蜂群并行战争等应用概念，这些蜂群武器可能会对战场产生重大影响，从而提供作战优势。
几点讨论与问题
论文从技术、并行概念等角度分析了蜂群作战的可行性，通过仿真验证智能蜂群算法在并行攻击中的优势，将复杂的军事概念与技术研发结合在一起的研究思路，值得参考。论文由于保密和篇幅的原因，有以下几个问题没有完全展开清楚，值得讨论和思考。
基本概念：蜂群的概念是什么？在数量上有什么特点？
我们认为集群、蜂群这类作战概念从数量角度分为三个级别，以空中力量为例，可分为1）僚机型（有人/无人协同，数量在三五十架以内、2）集群型（数量在三五十架至上百架）、3）蜂群型（数量在上百架甚至上千架以上）。一般这三个类型中的单体性能逐渐减低，但不排除，蜂群型中存在高性能单体。该论文中讨论的蜂群属于第三个级别，且论文作者认为智能单体方面自主搜索、人机结合确认目标及基于Wi-Fi技术的通信网络三个能力的具备，可以使百架级的蜂群实现作战。此处存在4个疑问：
第一，论文作者并未给出严谨的蜂群定义。
第二，论文作者，没有严谨的推导，为什么具备了这三个方面的能力即可以支持百架级的蜂群作战？
第三，论文作者没有明确，根据不同的任务需求，蜂群是否需要异质的智能单体？从我们已知的情况来看，针对大于100架的“蜂群型”作战集群，美国已开展了“山鹑”无人机、进攻性蜂群使能战术（OFFSET）等项目，但这些项目并没有给出集群具备了什么能力才叫蜂群？
第四，论文认为在未来10年中，随着技术发展，多达1000架智能单体组成的蜂群成为可能，且表示美国战略能力办公室正在对此开展研究。（原参考文献：The Strategic Capabilities Office, Perdix Fact Sheet, (Washington, DC: United States Department of Defense, n.d.)。但通过我们查找原文，发现美国战略能力办公室2017年表示正在找寻能够制造1000个“山鹑”无人机的厂商，而非要设计一个超过1000架单体的蜂群。也许作者有其他信息渠道，但原文中并没有给出。百架蜂群是否已经实现？千架蜂群到底离我们有多远？需要我们共同探讨。
系统理论：何为涌现指控模型？它在蜂群中如何应用？
目前，在大量的集群、分布式作战概念研究中，很多研究人员都希望能够利用复杂科学中的理论来指导实践。其中，最重要，但也是最为模糊不清的概念，就是在复杂系统研究中定义的涌现。通俗来说，涌现是指有大量的单体，可以通过设计其性能，单体叠加单体，到一定规模，突然在宏观层面产生了某种规律。
而论文作者引用涌现的定义为宏观和微观尺度之间的关系，这似乎不太好理解。更重要的是，作者认为在蜂群中设计战术规则即为设计涌现，这个论断是如何得出，没有相关证明，也没有指出是整体规则还是细节规则。
按照系统科学的理论，还需要思考，从理论上，涌现能否能够主动设计出来？涌现的情况，是否可以预测？
军事理论：并行作战概念中，蜂群最能发挥优势？
约翰·沃登的五环理论，在海湾战争后一度声名大噪，但是后续的深入研究和应用不多。论文验证了蜂群算法在并行攻击中的应用，用800架无人机组成的蜂群同时对200个目标进行攻击，蜂群用选择性的目标瞄准形式，创造110个目标脆弱冗余点，同时攻击敌人脆弱的冗余点。如何创造的200个目标的冗余点？论文中没有给出很严谨的证明。此外，这个过程可否称之为并行作战？这方面还需要进一步研究。
验证方法：基于并行作战概念验证蜂群智能算法，还需要注意什么？
论文作者利用并行作战概念验证了蜂群算法，验证了蜂群在并行作战概念中的优势，这种将作战理论与技术研发结合在一起的思路，值得我们借鉴。由于保密和篇幅的原因，论文作者没有详细给出具体的蜂群算法模型，单个智能体的具体参数，对抗目标场景设置过于抽象简化等，算法距离实际应用还有很大差距。在此类后续研究中可能需要考虑，结合具体应用场景，设计作战概念，同时对作战概念在对抗环境中多次推演仿真或半实物试验，提出作战概念对装备技术的需求。
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