陳曉晨

目前，國(guó)內(nèi)大專院校和科研院所正一邊致力于集群無(wú)人機(jī)的理論研究，一邊開展工程技術(shù)驗(yàn)證，且取得了驕人的成績(jī)。國(guó)外則是以項(xiàng)目制形式推進(jìn)對(duì)該技術(shù)的研究。尤其是美國(guó)，已經(jīng)投入了不少資源，在無(wú)人機(jī)集群高風(fēng)險(xiǎn)/高回報(bào)的概念驗(yàn)證研究方面成效顯著。無(wú)中心化、自主化、自治化，是無(wú)人機(jī)集群的重要特點(diǎn)。未來(lái)，隨著集群技術(shù)的深入研究，集群無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也將被慢慢挖掘出來(lái)。

五、集群無(wú)人機(jī)

的應(yīng)用前景

1.軍用領(lǐng)域

2017年11月2日，一張從空中俯拍、展現(xiàn)中國(guó)空軍3架殲20和3架殲16在跑道上停駐的照片，吸引了所有軍事愛好者的目光。這張照片由李韶鵬攝于中國(guó)人民解放軍建軍90周年朱日和沙場(chǎng)大閱兵期間，兩款戰(zhàn)機(jī)擺出的陣勢(shì)有一個(gè)專用術(shù)語(yǔ)——“大象漫步（Elephant Walk）”。該陣勢(shì)的使用，最早可追溯至第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)盟軍動(dòng)輒出動(dòng)上千架轟炸機(jī)執(zhí)行任務(wù)。飛機(jī)以密集編隊(duì)在跑道上滑行，幾乎是機(jī)尾貼著機(jī)頭，看起來(lái)很像“大象們挨個(gè)踏過水坑”，因此得名“大象漫步”。這種大機(jī)群密集陣型的滑行起飛，大大提高了跑道的利用率，但對(duì)戰(zhàn)機(jī)飛行員的操縱水平和機(jī)場(chǎng)空管能力提出了很高要求。

2016年5月，美國(guó)空軍正式提出《2016 - 2036年小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，希望構(gòu)建橫跨航空、太空、網(wǎng)空（網(wǎng)絡(luò)空間）的小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。規(guī)劃提出，要在2036年實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)，從戰(zhàn)略層面肯定小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的前景和價(jià)值。由此，筆者大膽推測(cè)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，軍用領(lǐng)域很可能出現(xiàn)有人機(jī)與無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，甚至無(wú)人機(jī)集群?jiǎn)为?dú)作戰(zhàn)的模式。未來(lái)軍隊(duì)對(duì)飛行器的需求，大概率是海量無(wú)人機(jī)的集群，就像二戰(zhàn)期間倫敦上空的Ju-87“斯圖卡”俯沖轟炸機(jī)群，或者東京上空的B-29“超級(jí)空中堡壘”重型轟炸機(jī)群。

2.民用領(lǐng)域

在民用領(lǐng)域，集群無(wú)人機(jī)不僅將大幅提高快遞物流、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、應(yīng)急救援、遙感測(cè)繪等行業(yè)的作業(yè)效率，還會(huì)改變民眾的休閑娛樂方式。

（1）快遞物流

互聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來(lái)了電子商務(wù)的大好局面，也驅(qū)動(dòng)著無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展。前文曾提到美國(guó)亞馬遜公司準(zhǔn)備用小型無(wú)人機(jī)構(gòu)建無(wú)人機(jī)集群，組成一個(gè)“巨型運(yùn)輸機(jī)”，以完善自身的無(wú)人機(jī)物流方案。除此以外，該公司還研發(fā)了Kiva倉(cāng)儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人（簡(jiǎn)稱AGV）。二者都引起了業(yè)內(nèi)的持續(xù)關(guān)注。

而在國(guó)內(nèi)，無(wú)人機(jī)送貨正成為電商拓展廣大農(nóng)村市場(chǎng)的利器。2016年6月8日，京東集團(tuán)用1架三軸無(wú)人機(jī)在江蘇宿遷，成功完成首單無(wú)人機(jī)送貨。2017年6月18日，1架由京東自主研發(fā)的無(wú)人機(jī)在西安航天基地管委會(huì)南廣場(chǎng)順利完成了快遞投放任務(wù)。與此同時(shí)，該集團(tuán)宣布將在西安市規(guī)劃40余條無(wú)人機(jī)航線，實(shí)現(xiàn)載重10 - 15千克、航程15 - 20千米的無(wú)人機(jī)常態(tài)化運(yùn)營(yíng)，而載重200 - 2000千克、航程超過500千米的大型送貨無(wú)人機(jī)也在研制中。

未來(lái)無(wú)人機(jī)被大量用于物流運(yùn)營(yíng)后，必然帶來(lái)復(fù)雜的管理問題。在實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)景中，面對(duì)高達(dá)百萬(wàn)的訂單量，無(wú)論是通過調(diào)配算法，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的相互避讓，還是支持不同功能的機(jī)器人與無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)，都需要集群技術(shù)的支撐。

（2）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

隨著植保無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，業(yè)界目光已經(jīng)從單純的無(wú)人機(jī)農(nóng)藥噴灑逐漸擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)信息采集、農(nóng)業(yè)光譜數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。為了彌補(bǔ)單機(jī)作業(yè)的缺陷，無(wú)人機(jī)集群技術(shù)開始引起從業(yè)者的注意。

目前正在進(jìn)行的SAGA（Swarm Robotics for Agricultural Applications）農(nóng)業(yè)應(yīng)用的機(jī)器人集群項(xiàng)目，將幫助繪制農(nóng)田雜草地圖，以提高作物產(chǎn)量。該計(jì)劃是接受ECHORD++資助的研究項(xiàng)目，設(shè)想讓多架無(wú)人機(jī)互相配合，協(xié)同監(jiān)測(cè)規(guī)定的農(nóng)田區(qū)域，并通過機(jī)載視覺設(shè)備精確地找到作物中的雜草，最終繪制出農(nóng)田雜草地圖。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，集群中的無(wú)人機(jī)必須先互相交換信息，然后充分利用各自獲取的信息，優(yōu)先在雜草最密集的區(qū)域作業(yè)。這種算法類似自然界中蜜蜂群盡可能地在花朵最密集的區(qū)域采蜜，通過優(yōu)化路徑提高作業(yè)效率。

（3）應(yīng)急救援

發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，救援人員的首要任務(wù)是建立臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、查看災(zāi)情，再出動(dòng)直升機(jī)等交通工具運(yùn)輸物資和人員。除了價(jià)格昂貴的衛(wèi)星通信，無(wú)人機(jī)集群是解決救災(zāi)中通信問題的最佳選擇。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（洛桑）的智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，在進(jìn)行微型蜂群飛行器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目時(shí)開發(fā)了一套可在災(zāi)區(qū)快速搭建通信網(wǎng)絡(luò)的微型飛行機(jī)器人集群。這種機(jī)器人能夠在復(fù)雜地形下快速地布置到災(zāi)區(qū)，并以自身為節(jié)點(diǎn)，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)災(zāi)區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)。無(wú)人機(jī)集群具有成本低、可消耗、部署簡(jiǎn)便、使用靈活等特點(diǎn)，無(wú)疑為應(yīng)急救援的通信保障提供了一種解決方案。

（4）遙感測(cè)繪

在行業(yè)應(yīng)用中，遙感與對(duì)地觀測(cè)及地理信息采集的需求一直廣受關(guān)注。由于單機(jī)作業(yè)時(shí)，大范圍的對(duì)地觀測(cè)往往需要消耗很長(zhǎng)時(shí)間，因此引入無(wú)人機(jī)集群技術(shù)，可解決時(shí)間和效率的難題。

對(duì)有地理信息需求的行業(yè)而言，無(wú)人機(jī)都有成本、技術(shù)和便利性方面的優(yōu)勢(shì)，極具吸引力。而對(duì)地觀測(cè)是一種天然可并行的任務(wù)類型，其作業(yè)效率與無(wú)人機(jī)數(shù)量線性相關(guān)。在遙感測(cè)繪領(lǐng)域，集群技術(shù)可支持少量的工作人員控制大量的無(wú)人機(jī)并行作業(yè)。無(wú)人機(jī)集群協(xié)調(diào)對(duì)地觀測(cè)的典型路徑如下圖所示。這類集群算法通過設(shè)定1個(gè)優(yōu)化函數(shù)，協(xié)調(diào)各個(gè)無(wú)人機(jī)的任務(wù)路徑。在執(zhí)行存在諸多不確定因素的地面目標(biāo)跟蹤之類的時(shí)變?nèi)蝿?wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)集群技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)。

（5）休閑娛樂

本文開篇曾提到2017年年末， 1 180架無(wú)人機(jī)在廣州海心沙廣場(chǎng)進(jìn)行的編隊(duì)表演，引得網(wǎng)友爭(zhēng)相轉(zhuǎn)發(fā)。目前，無(wú)人機(jī)廠家、藝術(shù)家、游樂園運(yùn)營(yíng)商、傳統(tǒng)燈光秀團(tuán)隊(duì)等都對(duì)無(wú)人機(jī)集群演出的前景表現(xiàn)出極大興趣。未來(lái)，比傳統(tǒng)煙花更經(jīng)濟(jì)、高效、安全的無(wú)人機(jī)集群燈光秀必將頻繁出現(xiàn)。

六、集群無(wú)人機(jī)的

關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)單機(jī)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)集群天然地?fù)碛幸?guī)模優(yōu)勢(shì)，能夠完成更加復(fù)雜的任務(wù)，具有更好的魯棒性（在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)不易出錯(cuò)的能力）、更強(qiáng)的生存能力以及巨大的成本優(yōu)勢(shì)。這也是無(wú)人機(jī)的重要發(fā)展方向。

目前無(wú)人機(jī)集群技術(shù)尚處于概念研究和初步驗(yàn)證階段，更多地表現(xiàn)在編隊(duì)表演方面。而未來(lái)發(fā)展的方向，是將自組織機(jī)制引入無(wú)人機(jī)平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定環(huán)境下的無(wú)人機(jī)集群。需要解決的關(guān)鍵問題包括：集群感知與信息共享、集群智能協(xié)同決策、通信及組網(wǎng)技術(shù)、協(xié)同編隊(duì)控制技術(shù)等。

1.集群感知與信息共享

集群感知與信息共享是無(wú)人機(jī)集群控制與決策的依據(jù)。通過無(wú)人機(jī)的機(jī)載傳感器，集群系統(tǒng)平臺(tái)能感知到戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，獲得更廣大的觀測(cè)范圍、更精準(zhǔn)的定位精度以及更優(yōu)秀的魯棒性。利用機(jī)間鏈，集群無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)信息共享，形成統(tǒng)一的通用作戰(zhàn)視圖，為集群作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。這一階段涉及的技術(shù)，包括協(xié)同目標(biāo)探測(cè)、協(xié)同目標(biāo)狀態(tài)融合估計(jì)、協(xié)同態(tài)勢(shì)理解與共享等。

2.集群協(xié)同智能決策

無(wú)人機(jī)集群協(xié)同決策是實(shí)現(xiàn)集群優(yōu)勢(shì)的核心。集群協(xié)同智能決策的目標(biāo)，是針對(duì)高對(duì)抗性的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，提高系統(tǒng)的整體生存能力——在可能損失部分無(wú)人機(jī)的決策前提下，加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的生存能力，確保完成任務(wù)。

無(wú)人機(jī)集群協(xié)同決策的內(nèi)容包括威脅的判斷、目標(biāo)優(yōu)先權(quán)的排序、目標(biāo)分配等任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配與調(diào)度。在這一階段，需考慮各個(gè)無(wú)人機(jī)的任務(wù)分配是否存在沖突，重點(diǎn)消除多機(jī)之間的任務(wù)耦合，以應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)、不確定的外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)和無(wú)人機(jī)能力的協(xié)同決策，制定高效合理的任務(wù)計(jì)劃。良好的集群協(xié)同智能決策，可使無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的生存概率和作戰(zhàn)效能達(dá)到最佳。

3.通信及組網(wǎng)技術(shù)

通信技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)都是無(wú)人機(jī)集群化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。要想實(shí)現(xiàn)集群中單個(gè)個(gè)體間的相互通信，就得建立強(qiáng)大且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路。無(wú)論是中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)還是主要網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對(duì)無(wú)人機(jī)集群的作戰(zhàn)遷移路徑和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力都至關(guān)重要。

集群對(duì)抗環(huán)境對(duì)通信鏈路的要求同樣嚴(yán)苛，既要滿足地面站與無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)編隊(duì)與無(wú)人機(jī)編隊(duì)之間存在一定冗余的信息交互，又要盡量減少通信延遲，保證信息交互的實(shí)時(shí)性。

4.協(xié)同編隊(duì)控制技術(shù)

無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行，就是讓多架無(wú)人機(jī)按照一定的隊(duì)形排列，并確保在整個(gè)飛行過程中隊(duì)形不變。當(dāng)某架無(wú)人機(jī)因敵方的通信干擾，或受到攻擊掉隊(duì)失蹤時(shí)， 剩余無(wú)人機(jī)應(yīng)能立刻填補(bǔ)留下的空缺。這就是協(xié)同編隊(duì)的意義所在，飛行中的無(wú)人機(jī)能隨時(shí)通過信息共享，在飛行中改變?cè)嘘?duì)形，自發(fā)地對(duì)突發(fā)事件做出反應(yīng)。也就是說，集群中的所有飛行器都要在執(zhí)行任務(wù)時(shí)根據(jù)具體情況來(lái)分擔(dān)各自的任務(wù)。

協(xié)同編隊(duì)控制是無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)和最基本形式。無(wú)人機(jī)集群在執(zhí)行任務(wù)過程中，會(huì)形成并保持一定的幾何構(gòu)型，以適應(yīng)平臺(tái)性能、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等。在這一階段，需要解決兩個(gè)問題：一是編隊(duì)構(gòu)成/重構(gòu)，包括起飛前編隊(duì)的生成、遇障礙時(shí)編隊(duì)的拆分和重建、增加或減少無(wú)人機(jī)時(shí)編隊(duì)的重構(gòu)等問題；二是編隊(duì)保持，包括飛行中編隊(duì)的保持、不同幾何形態(tài)下的編隊(duì)切換，以及保持幾何形態(tài)不變下的編隊(duì)收縮、擴(kuò)張、旋轉(zhuǎn)控制等。

無(wú)人機(jī)編隊(duì)和集群技術(shù)并不是最近才爆出的黑科技。早在2003年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍就將多種不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)組成一個(gè)廣域無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)集群，其中“全球鷹”在高空?qǐng)?zhí)行偵察任務(wù)；“捕食者”、“先鋒”、“獵人”、“影子200”等在中空?qǐng)?zhí)行偵察或打擊任務(wù)；“龍眼”、“指針”等則在低空?qǐng)?zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察任務(wù)。目前，并沒有哪個(gè)國(guó)家的軍隊(duì)把微小型無(wú)人機(jī)集群作為主力兵器，而是在特定情況下能出奇制勝的奇兵。不過隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日益惡化、無(wú)人機(jī)自主能力的不斷提高，無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)必將成為未來(lái)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的一種重要形式。