摘要：蜂群（Swarming）是一種顛覆性的、改變遊戲規(guī)則的技術(shù)，該技術(shù)涉及在多個(gè)領(lǐng)域（陸、海、空、太空）中協(xié)同部署多個(gè)無人系統(tǒng)。新型微電子、導(dǎo)引、導(dǎo)航、感測(cè)器和人工智慧技術(shù)的發(fā)展，使低成本微型無人機(jī)能夠執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。當(dāng)與新型的決策流程、目標(biāo)追蹤、通訊技術(shù)和演算法相結(jié)合時(shí)，蜂群可以在戰(zhàn)場(chǎng)上產(chǎn)生巨大影響。其還可用於提供持續(xù)且不易被偵測(cè)的監(jiān)視能力以及關(guān)鍵的防禦能力，如攔截巡飛彈。本文描述了歐洲在蜂群領(lǐng)域的研究活動(dòng)，並深入探討了其可能對(duì)國(guó)防領(lǐng)域的重大影響。

關(guān)鍵字：無人機(jī)，自主能力，目標(biāo)追蹤，導(dǎo)引和控制，感測(cè)器融合

一、概況

#無人機(jī)蜂群是由各種不同的無人裝備組成的，具備決策、目標(biāo)追蹤、導(dǎo)引和控制、感測(cè)器融合和指揮的能力，能夠作為一組智慧的自主"系統(tǒng)"運(yùn)作。蜂群體系中的各項(xiàng)能力也能夠作為一個(gè)獨(dú)立的智慧自主系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)作

透過利用無人設(shè)備、人工智慧（AI）、通訊、導(dǎo)引與控制、感測(cè)器融合、航太和無人交通管理（UTM）等領(lǐng)域的發(fā)展，設(shè)計(jì)出具備必要智慧和自主能力的無人機(jī)，這些無人機(jī)可以像蜂群或鳥群一樣協(xié)調(diào)飛行。這樣的無人機(jī)蜂群可以為那些結(jié)合了數(shù)位和智慧技術(shù)的國(guó)防企業(yè)帶來改變遊戲規(guī)則的能力。無人機(jī)蜂群還可以幫助歐洲增強(qiáng)安防能力，並對(duì)城市交通、無人交通管理、自動(dòng)駕駛和無人設(shè)備等其他領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響

在國(guó)防方面，無人機(jī)的使用可以顯著降低作戰(zhàn)人員暴露在危險(xiǎn)環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)能夠執(zhí)行一些枯燥且辛苦的任務(wù)，例如對(duì)大片地區(qū)（如地中海、歐洲邊界）的持續(xù)監(jiān)測(cè)。在未來的軍事場(chǎng)景中，無人機(jī)還能被用來迷惑和壓倒對(duì)手。圖1展示了多域無人機(jī)蜂群概念，用於保護(hù)和監(jiān)視高價(jià)值資產(chǎn)（如軍營(yíng)或設(shè)施），該概念於2016年在歐洲國(guó)防局（European Defence Agency）研發(fā)試點(diǎn)計(jì)畫“歐洲蜂群” （EUROSWARM）中首次提出。

圖1：多域無人機(jī)蜂群概念

二、蜂群技術(shù)

#無人機(jī)蜂群由一組自主或半自主無人機(jī)組成，蜂群內(nèi)無人機(jī)能夠相互合作，以實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)。無人機(jī)蜂群可用於各種軍事任務(wù)，如偵察、監(jiān)視和打擊行動(dòng)。當(dāng)涉及無人機(jī)蜂群設(shè)計(jì)時(shí)，軍事領(lǐng)域的應(yīng)用必須考慮以下四個(gè)主要技術(shù)模組。從感知能力到蜂群通訊協(xié)定和路由，每個(gè)模組對(duì)於無人機(jī)蜂群性能和穩(wěn)定性都非常重要。

1.感知能力：感知能力對(duì)於無人機(jī)蜂群至關(guān)重要。此能力使蜂群能夠感知和理解其所處的環(huán)境，偵測(cè)障礙物，辨識(shí)目標(biāo)，並保持態(tài)勢(shì)感知。有效的感知能力使蜂群能夠在複雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中工作，並有效率地執(zhí)行各種複雜任務(wù)。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智慧技術(shù)可以增強(qiáng)感知能力。蜂群可以透過感測(cè)器融合實(shí)現(xiàn)前所未有的態(tài)勢(shì)感知。

2.任務(wù)分配與決策：任務(wù)分配和獨(dú)立決策對(duì)無人機(jī)蜂群至關(guān)重要。高效的任務(wù)分配確保每個(gè)無人機(jī)都能夠獲得一項(xiàng)與其能力匹配的任務(wù)，從而優(yōu)化可用資源的使用。若一個(gè)或多個(gè)無人機(jī)出現(xiàn)故障，蜂群可以自動(dòng)填補(bǔ)空缺，任務(wù)分配有助於決策的快速傳播，使蜂群能夠快速適應(yīng)變化的環(huán)境。任務(wù)分配還有助於提高適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，並加速?zèng)Q策，使蜂群在動(dòng)態(tài)和不確定的環(huán)境中更有效。透過蜂群內(nèi)無人機(jī)之間的無縫資料交換，蜂群能夠做出更好的決策，這使得資源的有效利用、穩(wěn)定性、容錯(cuò)性、適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性得以提升。

3.路徑規(guī)劃與防撞：無人機(jī)蜂群通常由大量的無人機(jī)組成。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)蜂群的高效和安全運(yùn)作，路徑規(guī)劃和防撞的方法至關(guān)重要。蜂群路徑規(guī)劃的核心是為每架無人機(jī)找到到達(dá)目的地的最佳路徑，同時(shí)避免障礙，最大限度地減少所需的時(shí)間和能源。防撞能夠確保無人機(jī)不會(huì)相撞，??讓每架無人機(jī)都能成功完成任務(wù)。例如，在監(jiān)視任務(wù)中，路徑規(guī)劃可以優(yōu)化無人機(jī)的行動(dòng)路線，以最大限度地減少重疊區(qū)域並增加覆蓋範(fàn)圍。目前，有許多技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和防撞，其中包括集中法和分散法。集中法涉及單一無人機(jī)的規(guī)劃和對(duì)蜂群中所有無人機(jī)路徑的協(xié)調(diào)。分散法涉及每個(gè)無人機(jī)根據(jù)本地資訊做出自己的路徑規(guī)劃決策。

4.通訊：當(dāng)蜂群內(nèi)無人機(jī)之間的通訊保持通暢且沒有延遲時(shí)，蜂群能夠以最佳的方式運(yùn)作。透過感測(cè)器融合，蜂群可以提供高確定性和高解析度的資訊。有效的通訊協(xié)定使無人機(jī)能夠共享位置、狀態(tài)和任務(wù)分配等訊息，而路由則負(fù)責(zé)為無人機(jī)之間的訊息傳播尋找最佳路徑。這使得蜂群能夠協(xié)同工作，協(xié)調(diào)行動(dòng)，並即時(shí)共享資訊。目前，有各種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)通訊協(xié)定和路由，例如自組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)以及多跳路由技術(shù)。自組網(wǎng)路使無人機(jī)能夠直接相互通信，而不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施。而網(wǎng)狀網(wǎng)路則利用無人機(jī)形成具有冗餘路徑的網(wǎng)路進(jìn)行通訊。多跳路由能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)之間的資訊接力傳遞，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的通訊。

無人機(jī)蜂群的通訊協(xié)定可以根據(jù)任務(wù)需求和蜂群特徵進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)資訊交換。目前，有三種主要的體系結(jié)構(gòu)方法可用於設(shè)計(jì)軍用無人機(jī)蜂群，它們包括：

1.集中式體系結(jié)構(gòu)：在這種方法中，蜂群內(nèi)所有無人機(jī)的運(yùn)作都由一個(gè)中央控制實(shí)體進(jìn)行協(xié)調(diào)，例如地面控制站。中央控制實(shí)體能夠與蜂群進(jìn)行通信，並收集數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，做出決策。這種方法適用於小規(guī)模的蜂群和簡(jiǎn)單的任務(wù)。

2.分散式體系結(jié)構(gòu)：在這種方法中，沒有中央控制實(shí)體，蜂群中的每架無人機(jī)都能獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)本地資訊做出決策，並與其他無人機(jī)進(jìn)行資訊通信。這種方法適用於大規(guī)模的蜂群任務(wù)和其他高度複雜的任務(wù)。

3.混合架構(gòu)：這種方法結(jié)合了集中式和分散式體系架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。在這種方法中，有一個(gè)中央控制實(shí)體為無人機(jī)提供高水準(zhǔn)的導(dǎo)航，而每架無人機(jī)都具備自主決策能力。

無人機(jī)蜂群在軍事領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用，能夠執(zhí)行各種不同的任務(wù)。以下為一些自主蜂群操作類型的關(guān)鍵案例：

1.區(qū)域覆蓋：在區(qū)域覆蓋行動(dòng)中，蜂群的任務(wù)是利用無人機(jī)配備的感測(cè)器掃描特定的區(qū)域。在大多數(shù)情況下，理想的區(qū)域覆蓋率是100%，無人機(jī)必須對(duì)該區(qū)域進(jìn)行完全掃描。使用多架無人機(jī)對(duì)區(qū)域進(jìn)行覆蓋可能會(huì)遇到一些問題，處理這些問題的常見方法包括使用分解技術(shù)將重點(diǎn)區(qū)域劃分為一組子區(qū)域，並在每個(gè)子區(qū)域部署一架無人機(jī)。對(duì)於包含不同型號(hào)無人機(jī)的蜂群，在區(qū)域分解過程中必須考慮感測(cè)器的範(fàn)圍、無人機(jī)機(jī)動(dòng)能力以及航程，以提高系統(tǒng)的使用效率。在為每架無人機(jī)分配了一個(gè)子區(qū)域後，這些無人機(jī)需要在各自區(qū)域內(nèi)獨(dú)立規(guī)劃路徑。覆蓋路徑規(guī)劃方法包括2D、3D和多無人機(jī)區(qū)域覆蓋。

2.全面且持續(xù)的區(qū)域覆蓋：全面且持續(xù)的區(qū)域覆蓋要求部署無人機(jī)蜂群，並使其能夠在整個(gè)任務(wù)期間提供整個(gè)給定區(qū)域的傳感器覆蓋。蜂群內(nèi)無人機(jī)應(yīng)根據(jù)其感測(cè)器的位置和可能的環(huán)境特徵（如障礙物或遮擋區(qū)），形成編隊(duì)。蜂群內(nèi)無人機(jī)進(jìn)行靜態(tài)部署，也可在區(qū)域特徵或監(jiān)測(cè)區(qū)域隨時(shí)間演變的情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)部署。主要目的是設(shè)計(jì)一種編隊(duì)模式，以最少的無人機(jī)實(shí)現(xiàn)全靜態(tài)覆蓋。

3.區(qū)域搜尋：在區(qū)域搜尋行動(dòng)中，無人機(jī)蜂群的任務(wù)通常是在重點(diǎn)區(qū)域中搜尋特定的目標(biāo)。在該行動(dòng)中，不需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行完全覆蓋。蜂群必須在最短時(shí)間內(nèi)識(shí)別該區(qū)域中的目標(biāo)。蜂群內(nèi)無人機(jī)必須在任務(wù)的整個(gè)過程中進(jìn)行協(xié)作，並且它們將根據(jù)自己對(duì)環(huán)境的感知和其他無人機(jī)的行為，使用線上決策和路徑規(guī)劃技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能?？梢允褂梅淙簠^(qū)域搜尋演算法來預(yù)測(cè)目標(biāo)分佈的機(jī)率。仿生蜂群演算法也吸引了科學(xué)界對(duì)區(qū)域搜尋行動(dòng)的興趣。

4.區(qū)域監(jiān)視：區(qū)域監(jiān)視行動(dòng)要求蜂群對(duì)一個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視。區(qū)域監(jiān)視通常用於巡邏、監(jiān)控、偵測(cè)突發(fā)或動(dòng)態(tài)威脅以及邊境安全。該行動(dòng)旨在使兩次長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視之間所間隔的時(shí)間最小化。

5.目標(biāo)追蹤：普通的目標(biāo)追蹤行動(dòng)涉及一個(gè)目標(biāo)和一架無人機(jī)。無人機(jī)的追蹤範(fàn)圍是根據(jù)其感測(cè)器數(shù)據(jù)和對(duì)目標(biāo)位置的估計(jì)，以及在某些情況下對(duì)目標(biāo)的預(yù)測(cè)行為或未來位置，來進(jìn)行線上的路徑規(guī)劃。無人機(jī)必須自行導(dǎo)航，以便始終跟隨目標(biāo)。隨著蜂群能力的引入，目標(biāo)追蹤任務(wù)可以由多架無人機(jī)完成，這些無人機(jī)可追蹤單一或多個(gè)目標(biāo)。

軍用無人機(jī)蜂群的設(shè)計(jì)需要綜合考慮多個(gè)因素，包括任務(wù)要求、蜂群規(guī)模、通訊能力和運(yùn)算資源

三、蜂群專案應(yīng)用

1.低可觀測(cè)性無人機(jī)系統(tǒng)－「蓮花」（LOTUS）

#「蓮花」計(jì)畫是一個(gè)歐洲國(guó)防工業(yè)發(fā)展計(jì)畫（EDIDP）項(xiàng)目，由希臘和塞浦路斯的9家公司以及西班牙和荷蘭的另外2家公司組成。該計(jì)畫由lntracom Defense公司牽頭，於2020年12月啟動(dòng)，為期45個(gè)月。 「蓮花」專案團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的無人機(jī)系統(tǒng)用於戰(zhàn)術(shù)空中偵察和監(jiān)視任務(wù)。該無人機(jī)擁有幾個(gè)關(guān)鍵特性，包括隱身能力、對(duì)峙作戰(zhàn)能力、適航能力、基於北約標(biāo)準(zhǔn)的互通能力、以及考慮到網(wǎng)路安全的可靠通訊。此外，該系統(tǒng)廣泛採(cǎi)用人工智慧技術(shù)，確保其能夠準(zhǔn)確執(zhí)行複雜任務(wù)。該專案團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的無人機(jī)母艦配備了多個(gè)紅外線感測(cè)器，具備低可觀測(cè)能力和長(zhǎng)續(xù)航能力，其還配備一個(gè)自衛(wèi)系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)敵人的威脅。該無人機(jī)母艦可以部署四架管射折疊翼無人機(jī)，這種無人機(jī)具有先進(jìn)的自主能力，能夠執(zhí)行複雜的ISR任務(wù)。無人機(jī)母艦和無人機(jī)共同組成了一個(gè)強(qiáng)大的無人機(jī)蜂群，蜂群內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無延遲協(xié)作，為現(xiàn)場(chǎng)決策者提供關(guān)鍵的智慧和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。在圖2中，地面目標(biāo)的情報(bào)任務(wù)分配（左）和協(xié)同覆蓋（右）是透過帕特拉斯大學(xué)開發(fā)的群體演算法執(zhí)行的。

圖2：「蓮花」計(jì)畫中的無人機(jī)蜂群行動(dòng)範(fàn)例

2. 用於國(guó)防應(yīng)用的自主、可重建無人機(jī)蜂群－「阿基里斯」（ACHILLES）。 重寫後的內(nèi)容：阿基里斯（ACHILLES）是一種用於國(guó)防應(yīng)用的自主、可重建無人機(jī)蜂群

「阿喀琉斯」計(jì)畫是一個(gè)歐洲國(guó)防局項(xiàng)目，由希臘和德國(guó)的公司和大學(xué)合作進(jìn)行。該計(jì)畫於2023年1月啟動(dòng)，由帕特拉斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，參與該計(jì)畫的公司和學(xué)校包括ATOS公司、DroniQ公司、Scytalvs公司、Intracom Defense公司、帕特拉斯大學(xué)、英戈?duì)柺┧貞?yīng)用科學(xué)大學(xué)以及雅典大學(xué)。該計(jì)畫旨在透過提高用於特定防禦任務(wù)的自主、可重構(gòu)無人機(jī)蜂群的TRL，促進(jìn)無人機(jī)蜂群在國(guó)防領(lǐng)域中的開發(fā)和使用，並展示無人機(jī)蜂群進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視的能力和戰(zhàn)備水平。該計(jì)畫團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了無人機(jī)蜂群的多種優(yōu)勢(shì)和潛在應(yīng)用，並以此為靈感推動(dòng)「阿喀琉斯」計(jì)畫的進(jìn)行。最近的科技進(jìn)步使無人機(jī)能夠自動(dòng)獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知能力。可擴(kuò)展的自主、可重建無人機(jī)蜂群具備高度有效的區(qū)域協(xié)調(diào)能力，具備對(duì)各種事件的超強(qiáng)適應(yīng)能力。預(yù)計(jì)，該計(jì)畫的成果和創(chuàng)新將包括新無人機(jī)蜂群能力以及能夠使無人機(jī)安全有效地融入軍事和民用空域的方法。這些能力將為基於無人機(jī)蜂群的系統(tǒng)和技術(shù)的成熟和驗(yàn)證提供支援。

3. 有人-無人系統(tǒng)護(hù)航行動(dòng)－「指揮」計(jì)畫（COMMANDS） 重寫後的內(nèi)容：3. 有人-無人系統(tǒng)護(hù)航行動(dòng)－「指揮」計(jì)畫（COMMANDS）

「指揮」項(xiàng)目是一個(gè)歐洲國(guó)防基金（EDF）項(xiàng)目，有來自10個(gè)國(guó)家的21家公司參與。該計(jì)畫於2022年12月啟動(dòng)，由Sener Aerospace公司領(lǐng)導(dǎo)，為期三年，並獲得了七個(gè)國(guó)家的國(guó)防部的支持。這些國(guó)家的國(guó)防部也為該項(xiàng)目提供了項(xiàng)目發(fā)展的基本要求。此專案的目標(biāo)是開發(fā)敏捷、智慧和協(xié)作的有人和無人系統(tǒng)貫穿生命週期的能力（TLC）。該專案將包括幾個(gè)模組化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠透過無縫功能服務(wù)和資料交換實(shí)現(xiàn)蜂群能力。該系統(tǒng)將由有人和無人地面車輛以及無人機(jī)組成。為了降低專案風(fēng)險(xiǎn)，該專案採(cǎi)用多種技術(shù)來制定自持的歐盟國(guó)防TLC永續(xù)發(fā)展路線圖。最終，該項(xiàng)目將對(duì)現(xiàn)有的地面車輛進(jìn)行升級(jí)，並整合到未來的車輛中。該專案計(jì)劃透過技術(shù)演示器對(duì)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，演示過程將在實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)場(chǎng)景的移動(dòng)演示器中進(jìn)行，重點(diǎn)是為進(jìn)行「最後一公里」補(bǔ)給的車隊(duì)提供武裝護(hù)航

四、影響

#蜂群技術(shù)使大量無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高度互聯(lián)，有效規(guī)劃和分配任務(wù)目標(biāo)，做出協(xié)調(diào)的戰(zhàn)術(shù)決策，並在向操作員提出建議的同時(shí)，在最少的監(jiān)管下協(xié)同應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境。隨著蜂群技術(shù)的成熟，其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷發(fā)展。許多人認(rèn)為，可以將蜂群發(fā)展與精確裝備武器的發(fā)展進(jìn)行比較。精確裝備武器在1970年代和1980年代進(jìn)行了測(cè)試和改進(jìn)，但在1990年代初的第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中才出現(xiàn)。蜂群的使用可以使目前執(zhí)行中低空監(jiān)視和打擊任務(wù)的有人防禦系統(tǒng)變得老舊過時(shí)。在未來幾十年裡，無人機(jī)等遠(yuǎn)端操作的單一無人裝備將逐漸過時(shí)，因?yàn)榭罩小⒌孛婧秃Ｉ系臒o人機(jī)系統(tǒng)將能夠部署多架無人機(jī)，以蜂群的形式進(jìn)行作戰(zhàn)，從而擴(kuò)大了作戰(zhàn)範(fàn)圍和監(jiān)視範(fàn)圍，並提高了無人機(jī)的ISTAR能力和用於執(zhí)行各種任務(wù)的攻擊能力。

五、總結(jié)

#北約多國(guó)國(guó)防部宣布，打算將蜂群技術(shù)與現(xiàn)有的武器系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，如F-35戰(zhàn)鬥機(jī)、英國(guó)風(fēng)暴下一代戰(zhàn)鬥機(jī)以及FCAS飛機(jī)/無人機(jī)系統(tǒng)。顯然，蜂群技術(shù)正在與世界各地的軍事能力結(jié)合，並開始影響各國(guó)的國(guó)防能力。蜂群是一項(xiàng)關(guān)鍵的軍事技術(shù)，它將能夠直接促進(jìn)多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。例如，該技術(shù)可以優(yōu)化嵌入式蜂群以及自主系統(tǒng)的人工智慧技術(shù)，有效提高在非結(jié)構(gòu)化、快速變化、受限和對(duì)抗的環(huán)境中作戰(zhàn)的防禦系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)的安全性、效率和有效性。正如俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)和中東衝突那樣，蜂群技術(shù)正在透過使用成群的無人機(jī)和巡彈來改變戰(zhàn)爭(zhēng)。因此，開發(fā)自主蜂群系統(tǒng)對(duì)於歐洲的國(guó)防、安全和繁榮至關(guān)重要。

以上是無人機(jī)蜂群：改變遊戲規(guī)則的國(guó)防應(yīng)用技術(shù)的詳細(xì)內(nèi)容。更多資訊請(qǐng)關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！