何玉慶，秦天一,3，王 楠

（1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110169；2.機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽 110169； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引 言

裝備、系統(tǒng)的跨領(lǐng)域應(yīng)用并不是全新的概念，而是自古存在的現(xiàn)象，其發(fā)展大致可分為早期萌芽、應(yīng)用驅(qū)動、理念成熟和無人時代四個階段。

早期萌芽：在人類文明數(shù)千年的發(fā)展歷史中，幾乎同時具備了對地面平臺和裝備的駕馭記錄，并廣泛用于人類的日常生活、生產(chǎn)和軍事等各個方面。19 世紀初，人類發(fā)明了現(xiàn)代飛行器后，終于實現(xiàn)了駕馭空中平臺和裝備翱翔天空的理想。與此同時，跨域協(xié)同的概念就開始萌芽：第一次世界大戰(zhàn)中，飛行器廣泛用于偵察、通信、炮校等輔助性任務(wù)，為地面部隊提供支援和保障，成為空地跨域協(xié)同的較早案例。再往前追溯，人類利用孔明燈、熱氣球等來為地面人員傳輸信息和物資等活動也同樣表明了人類“將可利用空間從地面二維擴展到空間三維以提供更多便利和啟發(fā)更多能力”的樸素思想，這雖然談不上嚴格意義上的跨域協(xié)同，但不可否認地成為現(xiàn)代跨域協(xié)同思想的萌芽和雛形。

應(yīng)用驅(qū)動：隨著現(xiàn)代化裝備技術(shù)的高速發(fā)展，跨域應(yīng)用的案例屢見不鮮，典型代表就是馬航搜索事件。在馬航MH370 航班搜索事件中，世界各國大量利用太空、空中、水面、水下等裝備開展搜索工作，這場歷時數(shù)年的大搜索創(chuàng)造了多項紀錄，其中之一就是利用破紀錄數(shù)量的跨域平臺開展工作。據(jù)不完全統(tǒng)計，在災(zāi)難后的 9天內(nèi)（即截至到2014年3月17日），已經(jīng)有來自26 個國家和地區(qū)的40 艘艦船、超過58 架飛機參與搜索，覆蓋范圍超過78 萬km2[1]。這一創(chuàng)歷史紀錄的搜索活動雖以失敗告終，但其無疑在人類歷史上留下了聯(lián)合使用陸?？仗炜缬蜓b備的濃重一筆。

理念成熟：嚴格來講，馬航搜索并不能稱為嚴格意義上的跨域協(xié)作，因為各個國家的各型裝備之間的協(xié)同方式并不緊密，甚至因各救援力量無法通過互聯(lián)協(xié)作統(tǒng)一行動而難稱為協(xié)同。但在同一時期，軍事領(lǐng)域中的跨域協(xié)同概念已經(jīng)清晰并日趨成熟：2012年1月17日，美軍正式頒布《聯(lián)合作戰(zhàn)介入概念》，其中就明確提出了跨域協(xié)同的作戰(zhàn)思想[2]。隨后，美軍頒布的《美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊的跨軍種概念：實現(xiàn)并維持進入》《聯(lián)合作戰(zhàn)頂層概念：2020年聯(lián)合部隊》《海空一體戰(zhàn)：軍種協(xié)作應(yīng)對反進入和區(qū)域拒止挑戰(zhàn)》等一系列文件，對跨域協(xié)同作戰(zhàn)思想進行了擴充[3]，明確了跨域協(xié)同的基本內(nèi)涵：在不同領(lǐng)域互補性地而不是簡單疊加性運用多種能力，使各領(lǐng)域之間互補增效，從而在多領(lǐng)域建立優(yōu)勢，獲得完成任務(wù)所需要的行動自由。

無人時代：近年來，無人系統(tǒng)技術(shù)的快速壯大為跨域協(xié)同發(fā)展帶來了更多活力。這是因為相對于有人裝備，無人系統(tǒng)具有兩方面無可比擬的優(yōu)勢：一是無人系統(tǒng)多樣化發(fā)展的特征明顯，極大地豐富了協(xié)同模式并為功能提升帶來了更多可能性；二是無人系統(tǒng)的低成本優(yōu)勢明顯，為跨域協(xié)同應(yīng)用從軍事走向民用奠定了堅實基礎(chǔ)。自此，跨域協(xié)同思想具備了蓬勃發(fā)展的基本土壤，在過去的十多年間得到快速發(fā)展。

綜上所述，本文的無人系統(tǒng)跨域協(xié)同是指陸、海、空、天等可在不同空間域內(nèi)運行的、具有顯著功能差異性的多臺套無人系統(tǒng)組成有機整體，其相互間可通過信息共享與融合、行為交互與協(xié)調(diào)、任務(wù)協(xié)同與合作實現(xiàn)功能互補、能效倍增，從而提升面對復(fù)雜環(huán)境和使命的應(yīng)對能力?？缬騾f(xié)同與傳統(tǒng)的多機協(xié)同和當(dāng)前的集群協(xié)同等概念也存在明顯的差異，是無人系統(tǒng)應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展的新趨勢。應(yīng)用層面，海、陸、空、天無人系統(tǒng)之間的跨域互聯(lián)與協(xié)同合作有利于充分發(fā)揮異構(gòu)平臺的功能冗余性和能力互補性，實現(xiàn)各要素單元的一體化運用，從而達到效果互用、效能增強的綜合目的，同時跨域協(xié)同也有利于推動無人系統(tǒng)應(yīng)用新模態(tài)的涌現(xiàn)，從而進一步推動無人系統(tǒng)在各領(lǐng)域發(fā)揮全新作用；技術(shù)層面，協(xié)同是無人系統(tǒng)自主性技術(shù)的高級階段，萬物互聯(lián)是可改變世界的潛力技術(shù)，加之被寄予厚望的集群技術(shù)，共同構(gòu)成了跨域協(xié)同的技術(shù)內(nèi)涵，其與人工智能、信息技術(shù)等學(xué)科的交叉融合，有望顯著推動無人系統(tǒng)整體技術(shù)的發(fā)展與提升。

2 國外技術(shù)發(fā)展介紹

2.1 國外無人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃中的跨域協(xié)同

近年來，國內(nèi)外針對無人系統(tǒng)跨域協(xié)同的重視程度日益增加，歐美的各種發(fā)展規(guī)劃中對該方向給予了諸多關(guān)注。

早在2006年，歐盟提出了機器人技術(shù)路線圖，在對面向安全與監(jiān)控的機器人發(fā)展章節(jié)中明確提出了遠期發(fā)展目標(biāo)（到2020+）[4]：不同種類的機器人通過合作完成高度復(fù)雜的任務(wù)。這是較早在正式規(guī)劃中提出要發(fā)展跨域協(xié)同記載。

美國方面，隨著美軍“跨域戰(zhàn)”“多域戰(zhàn)”“全域戰(zhàn)”等概念的不斷發(fā)展，其在無人系統(tǒng)技術(shù)路線圖中也開始關(guān)注跨域協(xié)同技術(shù)與應(yīng)用。自2007年美國防部發(fā)布《無人系統(tǒng)綜合路線圖》起（圖1），其在持續(xù)不斷地大力推進無人系統(tǒng)體系化和智能化，并強調(diào)海陸空無人系統(tǒng)自主協(xié)作技術(shù)。圖1 中，封面從最早的陸?？崭盍褕D片（2007）到共處同一畫面（2009、2011）、再到協(xié)同案例（2013）、組網(wǎng)協(xié)同（2017），表征了美軍對跨域協(xié)同在不同時期的理解和重視程度。

圖1 美國防部無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖封面 (2007—2017)Fig.1 Cover of DARPA unmanned systems roadmap (2007—2017)

◆ 2007年，提出互操作性要求的五大需求，其中之一是跨域協(xié)同的互操作性。在不同模式的系統(tǒng)中：陸軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（Future Combat System，F(xiàn)CS）的地面車輛及空中無人機協(xié)同工作的計劃能力是這個級別未來互操作性的一個例子。

◆ 2009年，明確提出了無人系統(tǒng)可以為跨域戰(zhàn)提供靈活選擇，這其中除了“有人–無人協(xié)同”以外的另一個重要方向就是無人系統(tǒng)間及其與有人系統(tǒng)間的跨域協(xié)同。這將為聯(lián)合部隊指揮官（Joint Force Commander，JFC）提供決定性能力。

◆ 2011年，互操作被列為美軍面臨的七大挑戰(zhàn)之一，并將跨域系統(tǒng)的互操作性列為互操作性的首要需求。

◆ 2013年，美國防部發(fā)布的無人系統(tǒng)路線圖和美國機器人技術(shù)發(fā)展路線圖分別給出了多個跨域協(xié)同的應(yīng)用想定，涉及軍事封鎖/偵察、近海管道威脅、國土關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護和檢查等案例，全面深入介紹了未來跨域協(xié)同技術(shù)可能帶來的應(yīng)用模式的變革性影響。

◆ 2017年及隨后幾年的規(guī)劃中，利用無人系統(tǒng)和有人系統(tǒng)組成跨域體系成為全面趨勢，強調(diào)所有無人系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)的統(tǒng)一，從而為體系化運用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 國外無人系統(tǒng)跨域協(xié)同進展綜述

國外為了推動跨域協(xié)同技術(shù)的進步和發(fā)展，開展了諸多工作，本節(jié)將從比賽競技、探索研究和應(yīng)用驅(qū)動三個角度對相關(guān)工作進行簡單綜述。

2.2.1 比賽競技型項目

比賽競技是促進無人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的有效手段之一，近年來世界各國對無人系統(tǒng)競技類比賽投入了極大的關(guān)注，跨域協(xié)同類比賽由于相對投入較大，因此尚不多見，但也已出現(xiàn)一些在常規(guī)項目中采用跨域協(xié)同技術(shù)參賽或者專門針對跨域協(xié)同而設(shè)置的比賽科目，這些競賽無疑對跨域協(xié)同技術(shù)的發(fā)展起到了較好的推動作用（表1）。

表1 國外知名跨域協(xié)同相關(guān)競技賽Table 1 Well-known foreign cross-domain cooperative competitions

（1）歐盟：euRathlon 挑戰(zhàn)賽

euRathlon 是歐盟FP7 支持下的一個競賽，其目標(biāo)是通過競賽加速實現(xiàn)適應(yīng)真實世界的智能機器人，該項賽事以類似福島核事故災(zāi)難響應(yīng)為主要背景開展。2015年，euRathlon 競賽科目正式引入跨域協(xié)同概念，要求陸?？掌脚_協(xié)同行動，收集環(huán)境數(shù)據(jù)、識別關(guān)鍵危險并承擔(dān)任務(wù)，以確保核電站安全（圖2）[5]。

圖2 歐盟組織的euRathlon-2015 挑戰(zhàn)賽比賽場地Fig.2 euRathlon-2015 grand challenge competition site

（2）美國：地下挑戰(zhàn)賽（Subterranean Challenge）

2019年起，美國國防部預(yù)先研究計劃局（DARPA）發(fā)起最新的“地下挑戰(zhàn)賽”，旨在促進機器人與無人系統(tǒng)技術(shù)在地下環(huán)境中的應(yīng)用[6-7]。比賽要求參賽者研制出可幫助人類在未知且危險的地下環(huán)境實現(xiàn)定位導(dǎo)航、繪圖以及搜尋的空地機器人系統(tǒng)。比賽分為隧道巡回賽、城市巡回賽、洞穴巡回賽和總決賽四個階段，2019年8月的第一階段比賽中，要求參賽隊伍在60 min 內(nèi)對隧道內(nèi)環(huán)境建模并對40 個模擬生還者及制定物品定位，共有來自8 個國家的11 支團隊參賽，最終卡耐基梅隆大學(xué)與俄勒岡州立大學(xué)聯(lián)合組隊，贏得比賽冠軍；2020年2月，第二階段比賽在城市地下機構(gòu)中進行，來自11 個國家的17 個團隊參賽，最終美國國家航空航天局（NASA）噴氣式推進實驗室、麻省理工學(xué)院加州理工學(xué)院和波士頓動力公司組成的CoSTAR 團隊獲得實體比賽冠軍[8]，密歇根理工大學(xué)的BARCS 團隊獲得模擬比賽冠軍；2020年11月，第三階段比賽在虛擬洞穴環(huán)境中完成，參賽團隊需以不超過5 m的精度定位找到隱藏在虛擬洞穴環(huán)境中的20 個虛擬物件以及模擬礦難幸存者人體模型，最終加州大學(xué)、紅杉中學(xué)等組成的協(xié)同機器人團隊奪冠。

2.2.2 探索研究型項目

自21 世紀初，國外對跨域協(xié)同技術(shù)的關(guān)注不斷高漲，各部門所資助的與此相關(guān)的項目不勝枚舉，本小節(jié)列出部分具有代表性的探索研究型項目，供讀者參考（表2）。

表2 國外探索研究型跨域協(xié)同項目Table 2 Foreign exploratory and research-type cross-domain collaborative projects

（1）美國：MARS2020 項目

早在21 世紀初，DARPA 資助了MARS2020項目。該項目由美國賓夕法尼亞大學(xué)、佐治亞理工大學(xué)、南加利福尼亞大學(xué)等機構(gòu)聯(lián)合開展，目的是探索跨域協(xié)作搜索技術(shù)。2004年12月1日在美軍Fort Benning 基地開展了聯(lián)合演示，演示中2 臺固定翼無人機和8 臺地面無人系統(tǒng)組成跨域協(xié)作系統(tǒng)，另有3 名監(jiān)控人員負責(zé)演示過程監(jiān)控和目標(biāo)確認。演示分兩個階段進行：①無人機對整個區(qū)域進行搜索，發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)后，給地面站發(fā)送信息及粗略定位信息；②地面站接到疑似目標(biāo)信息后，部署不同的地面無人系統(tǒng)進行精細搜索和定位。此類演示是迄今為止跨域協(xié)作最為常見的一種合作方式（圖3）[11]。圖3(a) 為固定翼無人機，攜帶視覺系統(tǒng)對地面目標(biāo)進行觀測；圖3(b) 為地面無人系統(tǒng)，攜帶立體視覺傳感器實現(xiàn)對地面目標(biāo)的觀測；圖3(c) 為地面無人系統(tǒng)和無人機對地面目標(biāo)觀測的誤差分析。

圖3 MARS2020 項目中的空–地?zé)o人平臺及定位算法Fig.3 MARS 2020 project: Air-ground unmaned platform and positioning algorithm

（2）法國：Action 項目

2007年，法國國防部資助了跨域協(xié)作的Action 項目[12]。該項目以邊界巡邏與監(jiān)控為背景，針對跨域協(xié)作中的“數(shù)據(jù)融合”和“態(tài)勢評估與決策”兩個科學(xué)問題，旨在研究不同無人系統(tǒng)（空中、地面、水面、水下）之間的跨域協(xié)作方法及其實現(xiàn)技術(shù)。項目目標(biāo)是開發(fā)和實現(xiàn)適應(yīng)異構(gòu)平臺協(xié)同的軟件架構(gòu)，使它們能夠在危險、未知、動態(tài)環(huán)境中合作完成任務(wù)，具體包含四個主題：雙機協(xié)同、三機信息共享、跨域協(xié)同、集群管理。2012—2015年，該項目共進行包括“空中、地面協(xié)同設(shè)施監(jiān)視”“空中、水下、水面協(xié)同水污染監(jiān)測”等科目在內(nèi)的6 次技術(shù)驗證演示，驗證了協(xié)同感知與協(xié)同決策等關(guān)鍵技術(shù)（圖4）[13]。圖4中，(a)為演示中的兩個地面無人系統(tǒng)；(b)為地面無人系統(tǒng)跟蹤；(c)為無人機跟蹤目標(biāo)；(d)為用于巡邏12 個機器人的路線圖；(e)為任務(wù)跟蹤接口；(f)為界面跟蹤每輛車的操作（運動、感知、通信）。

圖4 法國Action 項目的演示平臺及技術(shù)Fig.4 Action project: Platform and technologies

（3）德國：空地協(xié)作無人系統(tǒng)

2012年，德國錫根大學(xué)、漢諾威–萊布尼茨大學(xué)和弗勞恩霍夫CIPE 研究所聯(lián)合研制了空中–地面機器人協(xié)作系統(tǒng)[14-15]，來驗證其開發(fā)的可用于跨域協(xié)同的編程與操控語言，從而使得只需一個操控人員通過簡單的操控指令即可對整個跨域協(xié)作系統(tǒng)進行控制。在其共同開展的技術(shù)驗證中，6 臺套不同的自主系統(tǒng)開展了協(xié)同演示，文獻[14]中，開發(fā)者認為實現(xiàn)多平臺跨域協(xié)同是可行的，且同類型的協(xié)同系統(tǒng)非常適用于偵察和監(jiān)視等領(lǐng)域。

2.2.3 應(yīng)用驅(qū)動型項目

除了探索研究型項目，更多跨域協(xié)同類項目直接面向具體應(yīng)用使命，此類項目具有較強的針對性，所取得的可視化效果也往往更加突出，本小節(jié)將借助幾個知名的跨域協(xié)同應(yīng)用型項目進一步闡述跨域協(xié)同所能帶來的實用效能（表3）。

表3 國外應(yīng)用驅(qū)動型跨域協(xié)同項目Table 3 Foreign application-driven cross-domain collaboration projects

（1）美國：圣迭戈SPAWAR 中心

早在21 世紀初，DARPA 就曾資助美國圣迭戈SPAWAR 中心開展過空中–地面–水面平臺跨域協(xié)作的研究，并于2005年12月份進行了針對“入侵人員”監(jiān)控與打擊的演示（圖5）。在該演示中，1 臺旋翼無人機、3 臺地面無人系統(tǒng)和相關(guān)參演人員一起展示了如何通過一個中央聯(lián)合操控系統(tǒng)（Multi-robot Operator Control Unit, MOCU）實現(xiàn)對逃竄人員的聯(lián)合抓捕，這是可查的、較早開展跨域聯(lián)合實用化展示的案例[16]。圖5 中，(a)為能同時控制多個無人系統(tǒng)的中央聯(lián)合操控系統(tǒng)；(b)為空地跨域協(xié)作中的旋翼飛行機器人RotoMotion；(c)為空地跨域協(xié)作中的地面移動機器人MDARS。

圖5 SPAWAR 中心開展的陸?？湛缬騾f(xié)作演示Fig.5 Land-sea-air cross domain demonstration of SPAWAR

（2）歐盟：SHERPA 項目

2013—2015年，歐盟資助了SHERPA 項目[19]，該項目由7 所大學(xué)、2 家公司和1 個聯(lián)盟組成研發(fā)團隊聯(lián)合開展，歷時三年，旨在構(gòu)建一套可利用地面、空中無人平臺與搜救人員協(xié)同開展山區(qū)人員搜救的系統(tǒng)。該項目于2015年開展了兩次技術(shù)演示，其中夏季演示針對阿爾卑斯山失蹤人員營救，冬季演示針對雪崩災(zāi)難后的被埋者營救。演示過程中固定翼無人機用于大面積搜尋，無人直升機用于搜索和緊急物資輸送，多旋翼無人機用于自動跟隨人員、提供穩(wěn)定的航拍圖像、擴展人員的觀測范圍，無人車搭載機械臂，用于精細搜索、挖掘和救援、物資和人員運輸?shù)?，所有平臺信息在同一認知地圖上更新、融合（圖6）。

圖6 無人平臺在山雪崩事故人員搜救中的應(yīng)用Fig.6 Unmanned system in snowslide rescue

（3）葡萄牙：ROBOSAMPLER 項目

2013—2015年，葡萄牙內(nèi)政部資助了ROBOSAMPLER 項目。該項目旨在設(shè)計旋翼無人機和作業(yè)型地面無人系統(tǒng)構(gòu)成的跨域協(xié)同，并通過二者的協(xié)同實現(xiàn)野外復(fù)雜環(huán)境中的重金屬、放射性物質(zhì)等有害物質(zhì)的采樣、存儲和運輸?shù)墓ぷ鳌嶋H演示中，無人機系統(tǒng)用于掃描指定區(qū)域、識別待采樣物，實時回傳圖像，并指引對地面平臺的遠程遙控；地面無人系統(tǒng)則通過搭載機械臂完成采樣（圖7）[20]。

圖7 跨域協(xié)同用于污染土壤采樣Fig.7 Air-land cross domain in soil sampling

（4）美國：CDMaST 跨域海上監(jiān)視和瞄準

2015年，DARPA 啟動了跨域海上監(jiān)視和瞄準（ Cross-Domain Maritime Surveillance and Targeting, CDMaST）項目，該項目明確制定了“實現(xiàn)面向海洋的跨域協(xié)同體系集成”的目標(biāo)，旨在轉(zhuǎn)變美海軍當(dāng)前海上力量編成體系，通過將多種海上作戰(zhàn)功能分解至可升級的大量低成本有人–無人系統(tǒng)上，并分散部署至對抗激烈的廣域海域，構(gòu)建一種能夠跨域執(zhí)行監(jiān)視與瞄準任務(wù)的“系統(tǒng)之系統(tǒng)”體系結(jié)構(gòu)，形成能夠快速響應(yīng)、無處不在的進攻能力，阻止對手力量投送，或迫使對手大幅提升海上行動成本，維持美軍海上絕對控制權(quán)（圖8）。

圖8 跨域海上監(jiān)視和瞄準（CDMaST）項目概念Fig.8 Concept of CDMaST project

（5）美國：OFFSET 進攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)

DARPA 于2016年資助了“進攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)”（OFFensive Swarm-Enabled Tactics, OFFSET）項目，謀求在未來的小規(guī)模步兵部隊作戰(zhàn)中協(xié)同使用多達250 個小型無人機系統(tǒng)和小型無人地面系統(tǒng)，利用無人蜂群技術(shù)和自主、自治、人機協(xié)同技術(shù)，快速開發(fā)和部署無人集群系統(tǒng)并形成戰(zhàn)斗力。2020年9月，該項目完成第四次外場試驗，重點是提高分布式異構(gòu)協(xié)同感知能力，由地面無人車、旋翼無人機和固定翼無人機組成的多平臺無人集群系統(tǒng)在模擬城市環(huán)境中對目標(biāo)進行偵察（圖9）。

圖9 進攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)項目最新演示Fig.9 Demonstration of OFFENSET project

（6）歐盟：OCEAN2020 無人海上態(tài)勢感知

OCEAN 2020 是歐盟“國防試點研究計劃”的旗艦項目，全稱為“歐洲海上感知開放式合作”（ Open Cooperation for European mAritime awareNess，OCEAN），目標(biāo)為探索面向廣域持續(xù)監(jiān)測和海上攔截的海洋態(tài)勢感知相關(guān)技術(shù)。該項目共涉及來自15 個國家的42 家機構(gòu)，旨在將不同類型的無人平臺（固定翼無人機、旋翼無人機、無人水面艇和無人潛航器等）及主戰(zhàn)裝備與海上指控中心相整合，通過衛(wèi)星實現(xiàn)海上指控中心與陸基指控中心的數(shù)據(jù)交換，以驗證跨域協(xié)同中的態(tài)勢感知、自主性及互操作性及其效能。

OCEAN 2020 項目于2019年11月在“地中海”舉行了一次聯(lián)合演示，此次演示設(shè)置了兩種場景：一種是威脅船只封鎖，另一種是在兩棲作戰(zhàn)前攔截布雷船。該演示共匯集了9 部無人系統(tǒng)（4 架無人機、3 艘無人水面艦艇和2 艘無人水下艦艇），來自意大利、西班牙、希臘和法國等的6支海軍部隊，5 顆通信和監(jiān)視衛(wèi)星，4 個國家級海上作戰(zhàn)中心，2 個地面通信網(wǎng)絡(luò)，1 座歐盟海上作戰(zhàn)中心原型。“地中海演示驗證”測試了如何融合從作戰(zhàn)區(qū)域部署的系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)及信息（圖10）。

圖10 OCEAN2020 地中海測試場景Fig.10 Demonstration of OCEAN2020 at the mediterranean

3 核心問題和技術(shù)體系

3.1 跨域協(xié)同核心問題

無人系統(tǒng)跨域協(xié)同本質(zhì)上是對單無人平臺和單種類無人平臺協(xié)同的能力增強和效能提升，因此無人系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)導(dǎo)航、感知、控制、規(guī)劃、決策、人機交互等均需在跨域協(xié)同的框架下進行進一步的研究。但有四方面的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)了跨域協(xié)同區(qū)別于其他技術(shù)并亟需解決的核心問題。

問題一、具有顯著差異性情境信息的一致性表征與無縫融合問題。情境感知是無人系統(tǒng)必須面對的技術(shù)挑戰(zhàn)，對于協(xié)同感知來說，不同無人系統(tǒng)得到的感知信息進行統(tǒng)一表述與融合，是信息共享共用的關(guān)鍵。而對于跨域平臺，不同平臺所能獲得的信息在感知視角、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)尺度、噪聲水平等方面都存在顯著性差異，加之跨域多平臺系統(tǒng)所運行的環(huán)境通常具有強動態(tài)性、高復(fù)雜性等特點，所以通信鏈路易受各種干擾因素影響，這使得環(huán)境感知信息一致性表述、抽象與融合技術(shù)面臨極大挑戰(zhàn)。

問題二、多維度情境約束下的實時行為優(yōu)化決策問題?？缬騾f(xié)作中不同平臺得到的環(huán)境信息包括大范圍“宏”環(huán)境信息和局部精細的“微”環(huán)境信息，既包含環(huán)境信息也包括任務(wù)、目標(biāo)信息，情境約束的多維度特性明顯，這將為協(xié)同系統(tǒng)中各平臺提供更多的環(huán)境信息，為實現(xiàn)全局最優(yōu)決策提供基礎(chǔ)。但是，多維度約束下的行為優(yōu)化決策問題給算法實現(xiàn)帶來嚴重的實時性問題；此外，多約束共同作用下的規(guī)劃與決策也容易遭遇局部極小甚至不可求解（可行性）等問題，這些都給實時行為優(yōu)化決策帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

問題三、兼容動力學(xué)差異性的跨域?qū)崟r協(xié)同控制問題?？缬蚱脚_的運動能力和動力學(xué)特性差異明顯。例如，空中平臺和水下平臺具有三維空間運動能力，而地面、水面平臺只能實現(xiàn)二維運動；各種環(huán)境干擾對平臺運動的影響機理不同，空中平臺的空氣動力學(xué)、地面平臺的摩擦動力學(xué)、水面水下的水動力學(xué)等；此外，不同平臺的動力學(xué)和運動學(xué)形式也存在明顯差異。而運動學(xué)和動力學(xué)模型與協(xié)調(diào)行為的可行性密切相關(guān)，這就使得在研究跨域平臺協(xié)同控制問題時需要構(gòu)建更復(fù)雜的模型、考慮更多的環(huán)境/任務(wù)約束，這給本就難以解決的協(xié)同控制理論和技術(shù)研究帶來了全新挑戰(zhàn)。

問題四、面向跨域協(xié)同的人-多機交互與協(xié)同決策問題。實際應(yīng)用過程中往往需要操控人員在不同任務(wù)階段對不同無人系統(tǒng)實施干預(yù)，形成人–機系統(tǒng)共同完成相關(guān)使命，這是無人系統(tǒng)發(fā)展的總趨勢。在跨域協(xié)同應(yīng)用中，由于各平臺自身特性的差異性明顯，傳統(tǒng)的人對多平臺干預(yù)方式的適用性將會下降，要求更加高效和智能的交互方式以及靈活多變的干預(yù)機制與方法，形成能力體系中的人機融合，進一步提升面向使命的跨域協(xié)同效能。

3.2 跨域協(xié)同技術(shù)體系

跨域協(xié)同是無人系統(tǒng)發(fā)展的高級階段，其技術(shù)體系除包含傳統(tǒng)無人系統(tǒng)技術(shù)體系相關(guān)內(nèi)容外，具有更加豐富的技術(shù)內(nèi)涵和外延。此外，由于跨域協(xié)同往往要面臨復(fù)雜的環(huán)境和使命，屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)，需要和相關(guān)的應(yīng)用體系相結(jié)合，從而往往具有更加復(fù)雜的體系架構(gòu)。圖11 給出了包含三個層次的跨域協(xié)同技術(shù)體系示意圖。

圖11 無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術(shù)體系Fig.11 Technology systems of unmanned system cross domain synergy

第一層次（底層）：平臺技術(shù)。跨域協(xié)同在實際平臺上實現(xiàn)才能獲得最終效能，因此平臺技術(shù)是無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術(shù)體系的底層支撐性技術(shù)，是構(gòu)建無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術(shù)體系的物理基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的跨域協(xié)同往往是在現(xiàn)有無人平臺基礎(chǔ)上通過信息化改進實現(xiàn)，但從長遠發(fā)展來看，未來的跨域協(xié)同將對現(xiàn)有的無人平臺提出明確的技術(shù)需求，可能會對無人平臺本身的發(fā)展產(chǎn)生明顯影響。

第二層次（中層）：自主技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。自主技術(shù)是無人系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，而網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)）技術(shù)是實現(xiàn)協(xié)同、集群的基礎(chǔ)性技術(shù)，它們都是在平臺基礎(chǔ)上為提升綜合效能而需要的共性使能技術(shù)，自主技術(shù)決定了無人系統(tǒng)擺脫對人的依賴、自行運行的本體能力程度，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)則表征多個/種裝備/功能實現(xiàn)協(xié)同提升總體作戰(zhàn)效能的共性使能技術(shù)。跨域協(xié)同對現(xiàn)有的自主技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也都會提出新的需求。

第三層次（頂層）：體系工程技術(shù)。體系工程技術(shù)是在平臺基礎(chǔ)上考慮整體目標(biāo)和應(yīng)用體系約束下，實現(xiàn)無人系統(tǒng)與所有其他應(yīng)用單元相互融合、統(tǒng)一的工程實現(xiàn)技術(shù)。它包括對技術(shù)體系的仿真與驗證技術(shù)、總體效能評估技術(shù)、標(biāo)準化技術(shù)，以及貫穿整個研發(fā)周期的體系優(yōu)化集成技術(shù)。它是聯(lián)系相關(guān)應(yīng)用體系與無人系統(tǒng)跨域協(xié)同技術(shù)體系的紐帶，是提升無人系統(tǒng)整體效能的根本。

4 國內(nèi)典型案例分析

國內(nèi)目前已經(jīng)出現(xiàn)不少利用跨域系統(tǒng)提升應(yīng)用效能的案例，本文以本單位近期開展的工作之一介紹跨域協(xié)同對實際應(yīng)用效能可能產(chǎn)生的明顯提升作用。

2021年4月，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和遼寧省公安廳聯(lián)合組織了針對“大型群眾活動現(xiàn)場安?！钡目盏乜缬騾f(xié)同應(yīng)用示范，演示了空地?zé)o人平臺在公安應(yīng)用的新模式。此次示范的參演無人平臺包括：1 架復(fù)合翼無人機、3 架多旋翼無人機、4 輛無人車及指揮控制方艙。演示過程分為事前勘測、事中巡邏、異常監(jiān)測、處突取證、嫌犯追蹤以及山林抓捕等環(huán)節(jié)。

（1）事前勘測。該環(huán)節(jié)采用固定翼無人機、多旋翼無人機以及地面無人車，分別采用視覺和激光的方式開展三維重建，并將其進行跨尺度融合，最終生成了現(xiàn)場多維度模型[21-22]。該模型可表征地表物理信息、人/車/飛機可通過區(qū)域等信息，為現(xiàn)場指揮與控制提供便利（圖12）。該環(huán)節(jié)充分展示了利用跨域融合的感知信息可有效提升區(qū)域掌控能力。

圖12 空地協(xié)同多視角、多源勘測Fig.12 Air-land cooperatively environmental survey

（2）事中巡邏：該環(huán)節(jié)開展空地跨域區(qū)域監(jiān)控驗證。過程中，復(fù)合翼無人機開展外圍巡邏、多旋翼無人機實施周邊巡邏、無人車以及現(xiàn)場布設(shè)的多個固定監(jiān)控設(shè)備實施區(qū)域內(nèi)聯(lián)合監(jiān)測。該過程顯示了利用異構(gòu)（旋翼、固定翼、地面）平臺、人員和固定節(jié)點協(xié)同，可開展無死角監(jiān)控，提升巡邏監(jiān)測的時空密度。在此過程中，平臺自主性的高低將直接決定監(jiān)控效率（圖13）。

圖13 事中聯(lián)合巡邏監(jiān)控Fig.13 Reconnaissance and patrolling

（3）異常監(jiān)測：該環(huán)節(jié)演示了人工智能算法在安保中的應(yīng)用，及其與跨域平臺相結(jié)合所能起到的效能倍增作用。通過所有節(jié)點回傳畫面進行實時處理，能夠識別異常情況，如人員跌倒、可疑人員異常行走軌跡（圖14）等，并通過綜合指揮方艙發(fā)出聲、光警報，提醒警員及時做出應(yīng)對。該環(huán)節(jié)演示了智能技術(shù)對于整個過程的賦能效應(yīng)，其與人機協(xié)同調(diào)度相結(jié)合，明顯提升了現(xiàn)場 處置時效性，如果能將視頻處理功能加載到平臺本身，則對通信的依賴將進一步降低，從而進一步提升系統(tǒng)的魯棒性。

圖14 智能異常檢測Fig.14 Intelligent abnormal behavior detection

（4）處突取證：該環(huán)節(jié)主要展示綜合指控系統(tǒng)可對多個平臺的載荷系統(tǒng)進行操控，實現(xiàn)現(xiàn)場取證，并通過與公安信息網(wǎng)對接確認嫌犯身份，展示了通過良好的人機交互和信息的無縫對接提升異常事件快速、準確取證的能力。

（5）嫌犯追蹤：該環(huán)節(jié)演示嫌疑人員開始逃竄后無人平臺實施聯(lián)合抓捕的能力。示范中，嫌犯驅(qū)車逃離，綜合指揮方艙立刻派遣附近應(yīng)急無人機前往現(xiàn)場，鎖定并追蹤逃犯車輛，借助無人機回傳車輛影像，結(jié)合無人機遙測數(shù)據(jù)估算嫌犯坐標(biāo)，結(jié)合指揮員干預(yù)派遣無人車提前趕至嫌犯必經(jīng)點進行攔截（圖15）。該環(huán)節(jié)顯示了空地協(xié)同可有效提升異常響應(yīng)能力。

圖15 空地聯(lián)合追蹤Fig.15 Air-land cooperative target tracking

（6）山林抓捕：該環(huán)節(jié)展示嫌犯棄車逃往密林后，無人車和人員很難快速發(fā)現(xiàn)。此時，綜合指揮方艙結(jié)合事前勘測數(shù)據(jù)，借助固定翼無人機在復(fù)雜山林區(qū)域內(nèi)利用視覺信息進行搜捕，并快速定位嫌犯調(diào)配警力實施抓捕（圖16）。

圖16 林中紅外搜索Fig.16 Searching in forest using infrared sensor

上述應(yīng)用示范過程以實際的公安安保應(yīng)用為需求，展示了跨域信息融合、協(xié)同控制、人機協(xié)同決策等跨域協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)，同時也涉及網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、自主航行、智能決策等相關(guān)技術(shù)。結(jié)果顯示，跨域協(xié)同（移動節(jié)點+固定節(jié)點、空中平臺+地面平臺、無人平臺+人員指揮）有利于形成新的處置能力，并能大大提升任務(wù)執(zhí)行效率。

5 結(jié)束語

跨域協(xié)同是無人系統(tǒng)發(fā)展的高級階段，是應(yīng)對日益復(fù)雜的環(huán)境和使命的重要技術(shù)途徑與應(yīng)用手段[23-25]。隨著人工智能等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，跨域協(xié)同勢必將為無人系統(tǒng)的發(fā)展帶來更多契機，但相關(guān)技術(shù)進步過程中也必然伴隨著重大挑戰(zhàn)。從無人系統(tǒng)跨域協(xié)同的發(fā)展歷程和技術(shù)特點來看，進行相關(guān)規(guī)劃和推進相關(guān)研究應(yīng)重點關(guān)注以下幾個關(guān)鍵問題。

首先，堅持需求牽引是開展跨域協(xié)同相關(guān)工作的重要手段。需求牽引與技術(shù)推動是所有技術(shù)發(fā)展的兩個重要方式?？缬騾f(xié)同的最大特點是可通過功能互補性實現(xiàn)效能倍增，而不同領(lǐng)域的應(yīng)用效能往往存在差異化的評估手段和特點，為此各領(lǐng)域在開展相關(guān)規(guī)劃和技術(shù)研發(fā)時，要注重與應(yīng)用場景的緊密結(jié)合，堅持需求牽引的總體發(fā)展思路。

其次，借鑒系統(tǒng)論、體系論的發(fā)展思路，充分發(fā)揮學(xué)科交叉的特點，開展聯(lián)合攻關(guān)。無人系統(tǒng)本身具備明顯的跨學(xué)科特點，加之跨域協(xié)同應(yīng)用中往往面臨功能節(jié)點和應(yīng)用要素極為豐富的問題，其本身是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，這就要求在開展相關(guān)工作時堅持系統(tǒng)化、體系化的研究思路，注重技術(shù)發(fā)展的同時也要關(guān)注技術(shù)發(fā)展的標(biāo)準化和實用化。

最后，跨域協(xié)同的核心技術(shù)仍然在于無人系統(tǒng)的單獨節(jié)點，而跨域協(xié)同也將為無人系統(tǒng)的發(fā)展提供更廣闊的空間。既然要求跨領(lǐng)域協(xié)同，除常規(guī)的無人系統(tǒng)所具備的特點外，跨領(lǐng)域應(yīng)用也為無人系統(tǒng)本身的發(fā)展提出了更多要求，從而有望進一步促進無人系統(tǒng)本身的多樣化發(fā)展，一些面向跨域協(xié)同應(yīng)用的新概念平臺/能力勢必將大量出現(xiàn)。