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“进攻性蜂群使能战术”项目推进无人蜂群能力发展分析
The following article is from 战术导弹技术 Author 王彤 李磊 蒋琪
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摘要：为提升无人蜂群辅助地面部队的作战效能，DARPA开展了“进攻性蜂群使能战术”项目，旨在通过开发蜂群技术，创建100种无人蜂群战术，同时验证250个无人蜂群协同行动，以辅助未来小型地面部队在复杂城市环境中执行任务。梳理了项目的研究背景和项目概况，重点阐述了项目的具体内容，并介绍了项目的目标与评估指标，最后分析了其未来发展情况以及在城市作战中的作用与优势。
关键词：无人蜂群;“进攻性蜂群使能战术”项目;蜂群战术;蜂群自主性;人-蜂群编队
2019年8月7日，美国防高级研究计划局首次公布“进攻性蜂群使能战术”项目第二次城市外场试验（第2个“蜂群冲刺”）的细节信息。试验在跨越两个城市街区的复杂场景中进行，无人机和地面无人车编队执行了定位、隔离模拟的市政厅，定位建筑内部目标，为建筑提供安保等任务，同时全程保持对周围环境的态势感知。试验持续了30分钟，验证了无人集群对城市目标进行合围隔离的战术。本文主要梳理了美国“进攻性蜂群使能战术”项目相关资料信息，分析其对蜂群作战的影响，以期提供有益的参考。
长期以来，无人机和无人车已经证明能够在城市环境下有效执行空中侦察和建筑排雷等任务。如果地面部队可以同时控制数十个甚至数百个蜂群部队，那它们可大幅提升地面部队效率。随着无人系统性能和负载能力的增强，实现这一目标的主要瓶颈不是无人系统本身,而是“蜂群”管理与交互技术，以及快速开发适用于包括城市地区在内的多场景下的“蜂群”战术的方法，这正是美国军队目前缺乏的。
2017年1月27日，美国防高级研究计划局（DARPA）发布“进攻性蜂群使能战术”（OFFensive Swarm-Enabled Tactics，OFFSET）项目跨部门公告初稿，2月15日发布正式稿，目的是开发和验证适用100种以上的无人空中和/或地面机器人组成的蜂群战术，同时开发小型空中无人机和地面机器人，能够以250个或更多数量进行蜂群行动，帮助人类部队在复杂的城市环境中完成各种各样的任务。
蜂群技术关键使能领域主要包括蜂群自主性、人-蜂群编队、蜂群感知、蜂群组网和蜂群后勤（如图1）。其中，蜂群自主性涵盖实现智能移动、决策以及与环境交互的各种自适应、复杂的集体行为；人-蜂群编队强调的是蜂群系统行为交互、相互影响和推断的需求和能力；蜂群感知包含信息的大规模、分布式和分散感知、融合与提炼；蜂群组网是对分发信息的自适应、弹性、碎片式共享和存储；蜂群后勤解决的是硬件和软件的使用、支持以及大规模系统的维护。
图1 蜂群技术关键使能领域
项目的重点放在蜂群自主性和人-蜂群编队这两个领域，并强调蜂群能力发展基础要素——“蜂群战术”。图2是以蜂群战术为中心的框架，传统的自下而上的方法（图左）在作战人员需求与所开发的蜂群战术之间存在缺口，而关注蜂群战术的自上而下的方法（右）把作战人员需求作为蜂群能力进步的驱动力。
图2 蜂群战术框架
2.1 蜂群系统核心要素
“进攻性蜂群使能战术”蜂群系统框架以三个互相协同且彼此交叉的要素为核心（如图3）：从蜂群使用中发现新蜂群战术（创新）；创建新方法使蜂群操作员获得丰富且直观的感受（交互）；将蜂群能力快速集成到蜂群系统中（集成）。
图3 蜂群系统架构的三大核心要素
（1）蜂群战术创新
蜂群战术创新指的是在基于游戏的环境中，利用基于工业标准、开放源代码游戏引擎（例如，Unity 3D、Unreal）实现的可扩展软件架构，提供可以创建相关作战场景的虚拟现实世界。
图4 通过基于游戏的环境进行蜂群战术创新
项目采用两种互补途径构想新的蜂群战术理念，提供近期和未来蜂群战术能力的发展途径：1）仅利用物理可实现蜂群组件实现蜂群战术，即利用现有的或成熟的传感器、数据类型、嵌入式计算和网络资源以及经过试验验证的蜂群算法或蜂群基元；2）利用合成蜂群组件设计蜂群战术，即仅用可在游戏环境中使用的数据，来创造或实现未来或新型蜂群能力。
（2）蜂群战术交互
未来的人-蜂群交互将跨越各种类型、各种规模的复杂任务，涉及空间维（如一个或多个蜂群的集体机动）、时间维（如蜂群的排序和同步）和逻辑维（如子蜂群的分组或离群/入群）。在这种背景下，项目将重点研究新沉浸式环境和交互形态的开发及集成方面，同时，关注决策支持能力、蜂群战术设计环境（例如绘画工具、自然语言）、蜂群任务规划工具及其他增强蜂群战术界面的发展。
为了进一步提升人-蜂群编队能力，项目还寻求通过设计和定义蜂群交互语法，建立用于人-蜂群交互的通用界面，以使人和蜂群编队之间实现高效的交互。
（3）蜂群战术集成
蜂群战术集成是把开发的蜂群战术集成到一种物理蜂群测试床中，包括空中和地面无人系统（试验目标如表1）。项目希望发展蜂群技术达到成熟水平以进行广泛的试验；提高对自主蜂群系统的熟悉程度；激发新的战术、技术和程序；确定蜂群新任务交流空间和技术缺口。
表1 空中和地面自主蜂群系统的目标能力
2.2 蜂群系统架构
“进攻性蜂群使能战术”蜂群系统架构，除了包含核心要素外，还应包括下面两个架构的指标。
（1）个体架构：定义一种可扩展的软件框架，通过该框架，单个自主系统可利用局部感知、计算和驱动资源进行理解并实施决策和行动。个体架构软件的实现将推进协同自主算法的快速模块化发展。
（2）群体架构：描述个体的能力以及蜂群与指挥单元之间的交互。这种架构定义网络配置和通信协议；确定标准数据结构、信息共享方法和蜂群系统状态共享感知；规定进行蜂群战术设计和实现的透明蜂群软件结构。
2.3 蜂群战术
“进攻性蜂群使能战术”项目的关键点在于开发大量的蜂群战术，而这些战术能够以颠覆性的方式为未来城市作战蜂群系统创造更多新的机会。项目将利用集成商开发的软/硬件架构以及基于游戏的、可提供物理和虚拟世界的环境，在此类环境中，可对如城市作战等的相关作战场景作广泛探索和扩展。
以表1中的场景1为例，考虑到城市化地区的不同地形，任务战场可能包括高层建筑、工/商业建筑或住宅区。对于蜂群战术初步的工作，假设室外环境包括3-10层高的建筑物，其中街道宽10-25m，且相对不受限制（如没有复杂的悬垂物或电线）。同时，室内环境相对不受限制（如门均敞开）且并不凌乱。假设所有友军均为已知和/或容易区分。
通过参考《海军陆战队作战准则》（Marine Corps Warfighting Publication）MCWP 3-35.3，城市攻击行动可以分为四个阶段：侦察目标、孤立目标、确保立足点、以及抓住目标。场景1所示范围涵盖了前两个阶段，其可描述为：（1）侦察目标：收集抵近道路、可选路径、出/入口点、基础设施及公用设施、敌方战斗人员所处位置等情报，以及现有数据库或地图中可能不明显的其他信息。（2）孤立目标：通过切断人力、物资、武器及通信流，拒止敌人机动或得到增援的能力。
场景2和场景3涉及后两个阶段，具体描述为：（1）确保立足点：为攻击部队提供一个位置，从那里他们可以穿过目标区域继续进攻。（2）抓住目标：促使部队清理或控制目标区域，包括目标区域巩固并未来任务重组。
这些场景的作战战术示例包括但不限于：1)对作战区域展开侦察;2)生成作战区域的语义图;3)确定某个作战区域的出/入口点;4)识别、定位并追踪敌方人员;5)维护侧方和后方安全;6)在建筑物周围确立一个防御带;7)识别并防御可能的攻击载体;8)利用诱饵或佯攻展开军事诱骗;9)对某作战区域作持续监视;10)保持与友军的联系;11)部署传感器网络;12)定位敌人的火力点。
2.4 蜂群冲刺
“进攻性蜂群使能战术”项目包含五个核心“蜂群冲刺”，每6个月进行一次，主要聚焦以下5个领域：蜂群战术、蜂群自主性、人-蜂群编队、虚拟环境以及物理测试平台。
（1）2017年10月12日，美国防高级研究计划局启动首个“蜂群冲刺”活动，目标是开发蜂群战术，支持由50个异构无人系统在两个街区、15～30分钟内封锁一个目标。涉及的蜂群战术包括：侦察作战区域、绘制作战区域地图、识别作战区域的出入口、识别/定位/追踪目标、维持侧翼和后方安全、定位/识别/对抗敌方火力、实施伪装或诱骗、与己方机动力量保持通信、部署传感器网络、标定进入和退出点等。
2018年2月13日，作为项目第一阶段主要承包商，诺格公司推出第一个开放架构式蜂群战术试验台，来设计、开发和部署一种基于游戏环境和物理试验台的开放式架构的蜂群系统。2018年3月，承包商雷神公司研发：视觉界面，通过“拖-放”方式产生和处理蜂群战术；可以评估无人蜂群战术的基于游戏的模拟器；无人蜂群物理测试平台。
（2）2018年3月26日，“蜂群冲刺”2启动，主题是蜂群自主，开发和集成系统使能要素，以实现增强型蜂群自主，包括软硬件及相关的蜂群战术、蜂群基元和蜂群算法。
图5 通过增强型蜂群自主，实现颠覆性和可扩展的蜂群功能
（3）2018年10月11日，“蜂群冲刺”3启动，包含两个研究领域。一是人-蜂群编队的革新，设计、开发并演示新的编队模式，以增加人与自主蜂群的交互方式（如控制器、手势或语音），使蜂群系统更加了解人类指挥员进行城市作战时的认知、生理与情境需求。二是蜂群战术库的扩充，研究新的蜂群战术，以扩充蜂群战术库，利用异构空中和地面机器人的多样化蜂群。
（4）2019年3月26日，“蜂群冲刺”4启动，包括两个主题：一是在虚拟环境中开发综合技术，如分布式“透明墙”传感器、被动蜂群通信或增强传感器/计算阵列。这些技术可以是已有原型的近期进展，也可以是概念性的、但具有物理基础的远期想法。二是在增强虚拟环境中应用人工智能框架来发现、学习和强化新型蜂群战术。
(5)2019年9月26日，“蜂群冲刺”5启动，主要研究两个主题：一是支持城市任务的作战蜂群战术，二是创新技术的原型设计以及与物理蜂群系统试验床的集成。主要侧重物理测试床的增加，集成到蜂群系统试验台的潜在新技术包括但不限于：蜂群传感器、蜂群应用技术、蜂群通信方法、模块化平台和蜂群操纵机制。
图6 蜂群物理测试床
“进攻性蜂群使能战术”项目的焦点是蜂群战术及其在促进蜂群自主性和人-蜂群编队的蜂群实现能力方面的作用，项目目标和评估指标主要包括：一是蜂群自主性，促进、开发和评估与作战场景相关的蜂群战术，形成并评估100种以上的蜂群战术，以验证蜂群系统体系架构的实用性；二是人-蜂群编队，在蜂群规模大于100个的情况下，显著改善人（或系统）与蜂群的动态、实时交互能力，以支持蜂群作战（如表2）。
表2 进攻性蜂群使能战术项目目标和评估指标
（1）“进攻性蜂群使能战术”项目可有效提升地面部队在复杂城市环境中的作战效率。
在城市作战中，高耸的建筑物、狭窄的空间以及受限的视野形成了“城市峡谷”，极大地限制了军事通讯、移动和战术实施，而地面部队必须在动态变化的复杂环境下进行机动、防御和作战，作战执行难度非常高。而该项目以“蜂群战术”研究为核心，发展蜂群自主性和人-蜂群编队技术来支撑战术的实施。其中，蜂群自主技术将支撑无人系统的智能移动、决策和与环境互动的适应能力，人-蜂群编队技术则增强人与蜂群系统的交互协同能力，可以及时控制和推断蜂群系统的行为表现。同时，项目强调发展分布式、功能分散的无人蜂群，不像目前大多数美国陆军部队常见的一些昂贵的无人机（如“渡鸦”无人机），蜂群完全可以由低成本无人机构成，成百架的无人机中损失许多个体，对完成任务的能力几乎没有影响。目前蜂群更多的是执行情报、监视和侦察、建立通信网络等任务，它的使用将极大提升地面部队城市作战的效率和人类生存力，同时推动无人蜂群作战概念的发展和作战样式多样化。
（2）“进攻性蜂群使能战术”项目有可能支撑“马赛克战”情报监视侦察和通信能力。
“马赛克战”概念希望构建快速、可扩展和自适应杀伤网，形成海、陆、空、天、网络的跨域协同、分布式、动态的作战体系，而稳定的网络通信和信息共享是关键。该项目发展的高度自主的蜂群系统很有可能通过装备各种传感器或者信息系统，分别用于地面城市等复杂环境的情报、监视和侦察任务或者作为通信节点，保证态势信息的实时共享和各平台之间的正常通信，以支撑“马赛克战”的地面与空中作战部队。
（3）美国防部加大“进攻性蜂群使能战术”项目预算投入，蜂群作战成为重点发展方向。
2019年3月公布的美国防部2020财年预算文件显示，该项目在2018财年、2019财年和2020财年支出、批复和申请的预算分别为1000万美元、1600万美元和2000万美元，呈明显上升趋势。2020财年预算的增长反映了将进行更具挑战的集群冲刺并涉及更多的试验。其中，2020财年预算将主要用于1）演示验证蜂群战术的接口和执行；2）继续集成先进的蜂群战术，开展以能力为基础的试验；3）开展蜂群冲刺，重点改善虚拟环境和扩大物理测试床。
（4）“进攻性蜂群使能战术”项目结束后很可能过渡到陆军，支撑陆军蜂群技术发展。
美陆军未来司令部战斗能力发展司令部指挥、控制、通信、计算机、网络、情报监视侦察（C5ISR）中心正在探索使用无人空中和地面蜂群作战，以增强陆军小型部队的任务指挥能力。在陆军的这个项目中，自主蜂群的目标是对人类能力进行补充，而不是彻底取代人类能力。美陆军希望利用蜂群技术将多个自主系统组成可以相互协调的作战单元，使小型单位能够快速实施有人-无人平台编队（MUM-T），帮助地面部队执行耗时或危险的任务，并指出利用蜂群技术将无人机和无人地面车辆组合起来，将非常适合城市、森林或洞穴等难以机动的环境。传统的军队编队无法在快速机动的同时向几千米外的作战单位发送数据，但蜂群可以在快速机动的同时跟踪特定的目标。陆军与“进攻性蜂群使能战术”项目的目标非常符合，后者阶段性成果很有可能支撑美陆军蜂群技术研究。
DARPA开展“进攻性蜂群使能战术”项目，重点研究蜂群自主性和人-蜂群编队技术，以支撑和丰富蜂群能力发展的基础要素——“蜂群战术”。“进攻性蜂群使能战术”项目一旦实现，将大幅提升地面部队在城市等复杂环境中作战的效率，不断推动蜂群作战概念的发展。
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