牛軼峰 賈圣德 李杰 王祥科
摘要:國內外無人機系統(tǒng)的快速發(fā)展對無人機系統(tǒng)專業(yè)人才的需求越來越迫切。文章針對無人機系統(tǒng)“自主性”這一典型特征,結合我國發(fā)展現(xiàn)狀和大學實際,建立以智能為主線和以OODA(觀察一判斷一決策一行動)為環(huán)節(jié)的無人機系統(tǒng)課程體系并對課程體系的實施提出建議,為智能無人機系統(tǒng)領域高素質創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供參考。
關鍵詞:智能;無人機系統(tǒng);課程體系
1背景
無人機具有機動性強、適應能力高、續(xù)航時間長、無人員傷亡、制造/訓練/維修成本低等獨特優(yōu)勢,可以代替人執(zhí)行“枯燥的、惡劣的、危險的、縱深的”任務,已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“千里眼”和“殺手锏”。無人機系統(tǒng)是機械化和信息化高度結合的產(chǎn)物,通常包括無人機平臺、任務載荷、通信系統(tǒng)、控制站、發(fā)射與回收、保障運輸?shù)确窒到y(tǒng),其與有人機系統(tǒng)的最大區(qū)別在于不需要人在座艙內進行操作。進入21世紀,無人機系統(tǒng)的使用需求和任務能力發(fā)生新的變化,需要應對多機協(xié)同以及提高自主決策能力的挑戰(zhàn),從自動化技術開始向智能化技術方面發(fā)展,一方面要具備自主行為,另一方面要實現(xiàn)“無人/有人、無人/無人”的協(xié)同使用。要使無人系統(tǒng)實現(xiàn)自主與協(xié)同的功能,必須有人工智能技術的支持,這是由于無人系統(tǒng)要代替人執(zhí)行各種任務,而這些任務本身需要一定的智力敏銳性,因此無人系統(tǒng)只有在某種程度上具有人的智能,才能模擬人的行為完成既定任務。無人系統(tǒng)是人工智能技術最典型也最為集中的應用對象,無人系統(tǒng)對環(huán)境的理解、行為決策、路徑規(guī)劃、集群控制等問題以及人工智能的模式識別、問題求解、專家系統(tǒng)、多智能體、機器學習等理論與方法提出新的挑戰(zhàn)。
我國無人機種類和數(shù)量都在快速增長,對無人機系統(tǒng)人才需求日益強烈,要求不僅能夠熟練操控無人機,還能對無人機系統(tǒng)涉及的信息獲取、處理、決策與控制等環(huán)節(jié)深刻理解和運用。只有理解并掌握無人機系統(tǒng)中所使用的各項先進技術,才能充分發(fā)揮無人機系統(tǒng)的最佳性能。
2國外無人機系統(tǒng)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
作為世界上無人機系統(tǒng)發(fā)展水平最高的國家,美國無人機的列裝規(guī)模、技術成熟度以及研發(fā)投入均已經(jīng)增長到可與有人機相匹敵的程度。美國國防部在無人機系統(tǒng)近5年(2011—2015年)撥款總額高達300億美元,截止2013年7月,其采購的無人機數(shù)量已達10000余架之多,涵蓋從單兵到旅團的多個裝備層次,相應無人機系統(tǒng)的專業(yè)人才數(shù)量已超過戰(zhàn)斗機和轟炸機相關人員,這種差距呈現(xiàn)加速擴大的趨勢。預計2030年左右,無人機作戰(zhàn)使用人員將占到份額的絕大多數(shù)。
2.1美國無人機系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀
無人機裝備數(shù)量和性能的快速提升與高素質人才短缺之間的矛盾日漸突出,無人機專業(yè)人才數(shù)量的短缺和水平的不足開始嚴重制約無人機作戰(zhàn)效能的發(fā)揮,已引起美國國會的高度重視。如何完善無人機領域的人才培養(yǎng)體系,教育和訓練出高素質的無人機領域專業(yè)技術人才和指揮人才,成為最近幾年美國國會關于無人機領域的重要議題。
1)大規(guī)模多類型無人機系統(tǒng)的快速列裝急需培養(yǎng)大量的無人機工程專業(yè)人才。
進入21世紀以來,無人機在以伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、利比亞戰(zhàn)爭為代表的實戰(zhàn)中得到空前發(fā)展。無人機投入實戰(zhàn)應用主要有3種方式:第1種是單兵裝備,如“大烏鴉”手拋式無人機配備到士兵一級;第2種是為執(zhí)行特定任務單獨成軍,如先后成立于2002年和2004年的“捕食者”和“全球鷹”無人機中隊;第3種是混合編制,如海軍的“X-47B”無人作戰(zhàn)飛機未來將與“F-18”“F-35”等艦載戰(zhàn)斗機混合編隊實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。后兩種形式裝備對專業(yè)人才的需求更為突出,如一個“捕食者”無人機系統(tǒng)由4架帶傳感器和數(shù)據(jù)鏈路的無人機、1個地面控制站、1個“捕食者”主衛(wèi)星鏈路、地面保障設備和65名機組人員構成。美國空軍為保障MQ-1“捕食者”、MO-9“死神”無人機的65條24小時空中戰(zhàn)斗巡邏圈(CAP)的任務需求,2017年將增加到19 500名無人機操作和維護人員,但這種人才短缺情況到了近兩年仍然未能明顯改善。2015年,美國政府問責局(GAO)對空軍無人機部隊訓練的7個抽樣表明,由于無人機操作員的缺乏,這些部隊只完成了原計劃35%的訓練任務;陸軍情況更加嚴重,大部分沒有完成基本訓練任務。
2)人才培養(yǎng)體系呈現(xiàn)多崗位、多裝備、多基地、多生源、多層次等特點,不同軍兵種培養(yǎng)體系相對獨立,缺乏聯(lián)合作戰(zhàn)的通用性基礎。
美國各軍種對當前無人機的任務需求、裝備現(xiàn)狀及隸屬關系要求不同,因而造成現(xiàn)有對無人機專業(yè)人員的培養(yǎng)是松散的,其體現(xiàn)在學生來源、任職安排、培養(yǎng)流程等方面。美國空軍裝備有多型中高端無人機,用來執(zhí)行情報偵察、遠程打擊等復雜使命任務,需要的相關崗位眾多,如RQ-4“全球鷹”無人機任務控制單元的機組成員就包括任務控制官、指揮控制員、任務規(guī)劃員、通信操作員、情報分析員、維護技師等,MQ-1“捕食者”包括飛行、傳感器、常規(guī)數(shù)據(jù)分析、任務規(guī)劃、通信等多個崗位??哲妼ο嚓P人員的培訓主要在倫道夫基地和拉克蘭基地展開,原則上要求無人機操作員候選人必須是有人機飛行員或是具有聯(lián)邦航空局商業(yè)飛行執(zhí)照和儀表飛行等級資格的導航員或已停飛的飛行員。相比其他軍種要求飛行操作員需要是有人機飛行員出身,陸軍不作此項要求。無人機主要的RQ-11“大烏鴉”在喬治亞州本寧堡的陸軍最佳機動中心開展訓練。
2.2美國無人機系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢
進入21世紀10年代以來,以人工智能為代表的一大批新技術的不斷變革,促進戰(zhàn)爭模式向精確化、信息化、智能化聯(lián)合作戰(zhàn)為主導的新型作戰(zhàn)模式轉變,同時也對無人機系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)提出新的要求。
1)為支持多種類型無人機系統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn),對人才培養(yǎng)的深度和廣度提出更高要求,需要加強院校學歷人才的培養(yǎng)。
美國每種無人機系統(tǒng)都有專門的訓練項目,這就使得無人機系統(tǒng)操作員缺乏戰(zhàn)場交互操作能力,各機型操作員無法操作別的無人機系統(tǒng),無法實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn),這對操作員個人的知識結構和理論深度提出極高的挑戰(zhàn)。美國國防部指出由于技術、戰(zhàn)術與規(guī)程(TTP)不斷發(fā)展,無人機操作員除了接受專門的訓練,其培訓的內容深度還要能夠支持某軍種的任務,訓練的廣度要允許操作員融入聯(lián)合作戰(zhàn)環(huán)境。采用基于院校的通用化學歷教育培養(yǎng)方式,將通用教育和崗位教育相結合,使無人機操作員既具備最初的任職資格能力,又要有提升空間,具備很強的崗位適應能力。目前,美國已經(jīng)大約有100個學院和大學開設無人機相關培訓課程。安柏瑞德航空航天大學在2012年開始無人機操作員培訓。美國海軍研究生院也設立了航空宇航工程專業(yè),為美海軍無人機人才培養(yǎng)提供一定支持。美空軍無人機飛行員和操作員主要由飛行員轉任,這些飛行員大多畢業(yè)于美國空軍學院(USAFA)。
2)不同無人機系統(tǒng)培養(yǎng)內容在基本原理和基礎知識上存在共性,在使用方式、使命任務等方面則具有不同特性,需要統(tǒng)籌好拓寬知識結構與精通實踐運用的關系。
潛在的無人機訓練需求規(guī)模龐大,裝備無人機多樣化,適用于所有無人機操作人員的通用核心課程和裝備實踐分開的方式,可以在顯著提高訓練數(shù)量和質量的同時,減少成本和時間周期的代價。美國空軍、陸軍、海軍以及海軍陸戰(zhàn)隊按照區(qū)分共性與特性的原則,將無人機操作人員培訓合理地分成2個階段:第1階段對操作人員統(tǒng)一進行通用核心課程教育和模擬器訓練,拓寬學員知識結構;第2階段再針對裝備的特性分不同基地進行深入實踐,緊貼作戰(zhàn)需求,學以致用。
3)智能化程度的提高成為各國對無人機系統(tǒng)能力躍升的共識,與以機械結構為對象、屏幕界面為主導的傳統(tǒng)操作方式相比,更需要操作員懂得信息處理、博弈決策、智能規(guī)劃等內在原理。
未來20年內,自主能力將會得到飛躍式提升,從而緩解“鏈路丟失”的情況,同時保證忠誠僚機能夠完全與有人機、遙控駕駛飛行器(RPA)以及其他小型無人機系統(tǒng)(SUAS)集成。此外,半自主作戰(zhàn)將會改變集群與多機控制(MAC)的有關概念,使一位操作員能夠為戰(zhàn)場空間內的多架SUAS分配任務并進行管理?!半S著自主能力的加速發(fā)展,需要加快利用觀察一判斷一決策一行動(OODA)回路,更快地向決策者提供關鍵信息;在未來應對高科技敵手的作戰(zhàn)任務中,這將是一種非常關鍵的手段”。美國防部文件3000.09指出,美國空軍在繼續(xù)規(guī)劃“人在回路中”操作的同時,應當著力提高自主能力,通過多機控制降低對人力的需求。
3我國無人機系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)體系構建
3.1我國無人機系統(tǒng)專業(yè)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀分析
我國無人機系統(tǒng)正處于快速發(fā)展階段。在民用無人機方面,諸如“大疆”“零度”等消費級無人機迅速崛起,據(jù)報道無人機數(shù)量已超過10萬架并迅速搶占國內外市場;軍用無人機方面,如“彩虹”“翼龍”“翔龍”“利劍”等高端無人機性能也不斷提升,開始承擔偵察甚至攻擊任務。目前,無人機的使用發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢:①未來將逐步替代有人機執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察(ISR)任務;②實現(xiàn)從信息支援類無人機向火力打擊無人機發(fā)展;③以發(fā)展通用平臺為基礎,向模塊化和互操作方向發(fā)展;④無人機系統(tǒng)向更高的自主能力發(fā)展,實現(xiàn)“人在回路上”監(jiān)督控制;⑤從獨立使用向有人一無人協(xié)同、無人機集群使用發(fā)展;⑥從傳統(tǒng)的航空空間向臨近空間發(fā)展。
隨著我國各種中高端無人機系統(tǒng)的大量快速應用,無人機數(shù)量和性能的快速提升與高素質無人機專業(yè)人才短缺之間的矛盾日漸突出。目前,無人機設計制造、指揮控制、任務規(guī)劃、情報分析、維護保障等無人機工程專業(yè)人才數(shù)量的短缺和水平的不足,已開始嚴重制約無人機系統(tǒng)使用效能的發(fā)揮,同時察打一體無人機、無人作戰(zhàn)飛機等高端無人機的人才培養(yǎng)需求越來越大,特別在聯(lián)合作戰(zhàn)背景下,適應無人一有人協(xié)同作戰(zhàn)的人才培養(yǎng)也十分緊迫,為此在綜合型大學開設無人機系統(tǒng)專業(yè)已經(jīng)勢在必行。
目前,國內航空類院校如西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等已開設無人機相關專業(yè),培養(yǎng)無人機系統(tǒng)領域設計、制造和使用專業(yè)人才,但這些專業(yè)分散在各學院的相關學科,未進行有效整合。軍事類院校如空軍工程大學、軍械工程學院、陸軍軍官大學等開設了無人機運用工程等專業(yè),培養(yǎng)無人機領域的指揮、控制和維護人才,但還無法滿足實際應用的需要。一些職業(yè)院校如天津現(xiàn)代職業(yè)技術學院、西安航空職業(yè)技術學院等開設了無人機應用專業(yè),主要進行無人機“飛手”的任職培訓,培訓合格的人員可獲得無人機駕駛員或機長的資格證書。
總的來說,目前對無人機系統(tǒng)的認識還停留在機械化平臺階段,并未進入信息化系統(tǒng),更不要說智能化體系階段;對無人機的應用主要是“能飛會用”,還缺乏對原理的理解以及對無人機的感知、規(guī)劃、控制等自主系統(tǒng)的認知;對無人機的發(fā)射回收和維修保障還停留在大量人力需求上。為適應多種無人機協(xié)同使用及融入有人機融合空域的需要,必須加強無人機專業(yè)人才培養(yǎng)的深度和廣度。雖然不同無人機的使用方式和使命任務各具特點,但是其原理和基礎知識基本相同,因此需要突出無人機系統(tǒng)的信息化和智能化特征,構建出以智能為主線的無人機系統(tǒng)專業(yè)課程體系,培養(yǎng)無人機系統(tǒng)領域的新型高素質創(chuàng)新人才,服務于我國國民經(jīng)濟和國防領域無人機系統(tǒng)的發(fā)展。
3.2以智能為核心的無人機系統(tǒng)課程體系構建
2014年,國防科技大學緊貼我軍裝備由機械化向信息化和智能化方向發(fā)展的趨勢,依托控制學科、機械學科和儀器學科,在自動化專業(yè)試辦開設無人機工程專業(yè)方向,目標是培養(yǎng)掌握無人機工程相關領域基礎理論和基本知識的學員,使其具有無人機和無人系統(tǒng)及相關裝備的分析、設計、研制、維護、管理等方面的實際工作能力和初步科學研究能力;在研究生階段面向全校開設“無人作戰(zhàn)”軍事公共課,在繼續(xù)教育階段開設“無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”專題課程。目前,我們試辦無人機工程本科專業(yè)方向,已成功培養(yǎng)3屆本科學員。無人機系統(tǒng)研究方向培養(yǎng)的研究生扎根邊疆海島無人機部隊,已成長為單位骨干;培養(yǎng)的地方研究生走入地方企事業(yè)單位,也能一展拳腳,受到用人單位的好評。
針對無人機系統(tǒng)“平臺無人、系統(tǒng)有人”的典型技術特征,我們加強智能科學與技術在無人機系統(tǒng)專業(yè)中的地位,以不斷加強學員對無人機系統(tǒng)的自主性理解與認識;課程體系設計上,以智能為主線,綜合考慮各個學歷層次的課程設置;按照“夯實基礎、瞄準前沿、強化實踐”的思路,面向本科生、碩士生、博士生、繼續(xù)教育4種層次的高素質新型軍事人才培養(yǎng)需求;按照學科交叉原則,在控制科學與工程學科,結合機械工程、儀器科學與技術、信息與通信工程、計算機科學與技術等學科課程體系,系統(tǒng)梳理無人系統(tǒng)知識體系和能力結構,突出智能相關課程的主線地位。以人工智能為例,教師可在本科階段開設人工智能導論,重點放在基礎理論和基本方法上,激發(fā)學生對人工智能的學習興趣,主要內容包括問題表示、搜索技術、知識表示、推理技術、專家系統(tǒng)等,同時讓學生了解機器學習、進化計算、多智能體等發(fā)展動態(tài);碩士階段設置人工智能基礎,重點放在實踐能力的培養(yǎng)上,主要內容包括分布式人工智能與Agent、自動規(guī)劃、機器學習、知識發(fā)現(xiàn)、自然計算等;博士階段設置人工智能高級專題,重點放在創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上,主要內容包括高級知識推理、認知計算、數(shù)據(jù)挖掘、智能控制、人工生命等方面。
教師還可按無人作戰(zhàn)特有的“觀察—判斷—決策—行動”(OODA)回路設置課程模塊,開設無人機環(huán)境感知、無人機任務規(guī)劃、無人機飛行控制、無人機協(xié)同控制、無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)運用等相關課程,涵蓋無人機系統(tǒng)技術領域的基礎課程、專業(yè)課程、專題研討和前沿講座,實現(xiàn)“本—碩—博—繼續(xù)教育”各層次貫通、“基礎—實踐—前沿”合理搭配、“無人平臺—無人系統(tǒng)—無人體系”相互銜接、“關鍵技術—工程應用—實戰(zhàn)運用”有機融合。我們還引入全國研究生暑期學校、MOOC在線學習平臺和傳統(tǒng)教學模式相結合的多種教學樣式,主辦機器人與無人系統(tǒng)、無人系統(tǒng)協(xié)同控制、導航技術等6期智能無人系統(tǒng)全國研究生暑期學校,令上百所高校和科研院所的500多名學員受益。
總的來說,以智能為主線,以OODA為環(huán)節(jié),教師可在本科階段設置如下無人機系統(tǒng)專業(yè)課程。
(1)大類基礎課程模塊:控制基礎、機械基礎、傳感測試、電工電子、計算機基礎和人工智能基礎。
(2)專業(yè)(基礎)課程模塊:
◇無人機平臺(無人機系統(tǒng)概論、空氣動力學、無人機平臺設計與制造、自主起降與發(fā)射回收);
◇智能感知(圖像處理與環(huán)境感知、目標識別與態(tài)勢理解);
◇自主控制(自主導航原理、無人機飛行控制、精確制導與控制、自主決策與協(xié)同控制);
◇任務規(guī)劃(無人機任務規(guī)劃、對策論與運籌學);
◇通信與測控(通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈、網(wǎng)絡化測控);
◇指揮控制(空域集成與運行管控、無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)運用、反無人機技術);
◇綜合保障(無人機狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷、無人機綜合保障技術);
◇綜合實踐(無人機系統(tǒng)設計與綜合實踐、無人機飛行訓練與綜合演練、生產(chǎn)企業(yè)實習、基地訓練實踐)。
3.3無人機系統(tǒng)專業(yè)課程體系實施建議
(1)面向需求,因材施教。不同院校的定位不同,無人機專業(yè)課程側重點不同。高等院校需要加強高端無人機系統(tǒng)技術人才的培養(yǎng),綜合性軍事大學要加強無人機工程專業(yè)建設,軍兵種院校要加強無人機戰(zhàn)術運用專業(yè)建設,無人機相關企業(yè)要加強高素質工程師的培養(yǎng)。
(2)突出智能,服務應用。面向無人機專業(yè)的本科、碩士、博士、繼續(xù)教育等各個層級的人才培養(yǎng),均要突出智能在人才培養(yǎng)的核心地位,深刻理解是“智能”賦予無人機“靈魂”。針對不同層次,講授不同的內容,做到前后銜接,逐級深入,為不同的無人機應用服務。
(3)體系思維,人機協(xié)同。在人才培養(yǎng)過程中,培養(yǎng)具備大局觀的專業(yè)人才,要讓學生理解無人機系統(tǒng)是信息網(wǎng)絡和作戰(zhàn)體系中的一個節(jié)點,既從體系中獲取信息,又為體系提供信息。無人機要想發(fā)揮好效用,必要做到人機協(xié)同,實現(xiàn)人機智能融合;必須做到多平臺協(xié)同,發(fā)揮規(guī)模和成本優(yōu)勢。
(4)實踐引領,注重創(chuàng)新。無人機系統(tǒng)和智能機器人一樣,是一個多學科交叉融合和實踐性很強的一門專業(yè),必須培養(yǎng)既有深厚理論基礎,又有較強動手能力的專業(yè)人才;在無人機OODA各個環(huán)節(jié)的課程設計上,都要對各個層次人才加強創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng),提高創(chuàng)新水平。
4結語
筆者結合國內外無人機系統(tǒng)專業(yè)人才發(fā)展的需求,提出以院校為主體的學歷教育人才培養(yǎng)模式;根據(jù)無人機系統(tǒng)提高“自主性”的典型特征,提出以“智能”為主線的無人機系統(tǒng)專業(yè)方向的課程體系;根據(jù)不同院校定位和學歷層次,提出不同的實施建議。本文的研究可為我國無人機系統(tǒng)領域高素質創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供參考。
(編輯:宋文婷)