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分布式無人機(jī)與無人機(jī)集群

發(fā)布日期:2022-02-28??來源:eet-china??作者:李清我要投稿我要評(píng)論

     想象中的無人機(jī)集群

 

當(dāng)前,無人機(jī)是航空器發(fā)展的熱門領(lǐng)域。伴隨著無人機(jī)熱的持續(xù)升溫,新概念也大量涌現(xiàn)。分布式無人機(jī)與無人機(jī)集群便是例子。什么是分布式無人機(jī)?什么是無人機(jī)集群?二者之間什么關(guān)系?對(duì)于諸如此類的問題,非專業(yè)人士大都一知半解。好吧,我們就來說說這些問題。

 

一、什么是分布式無人機(jī)?

 

分布式無人機(jī),即采用分布式結(jié)構(gòu)的無人機(jī)。所謂分布式結(jié)構(gòu),就是將目前集成化的功能系統(tǒng)拆分為若干物理分離、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能相對(duì)專一的子系統(tǒng),通過信息互通,保持或擴(kuò)展原有功能。做一個(gè)比喻,如果把系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)稱之為“形”,系統(tǒng)的功能稱之為“神”,分布式結(jié)構(gòu)就是“形散而神不散”。

 

 

空中作戰(zhàn)從集成到分布

 

分布式結(jié)構(gòu)的概念,由美國人提出。2010年5月,美國空軍首席科學(xué)家在《技術(shù)地平線報(bào)告——2010-2030年間空軍科學(xué)與技術(shù)構(gòu)想》中首次提出了分布式結(jié)構(gòu)的概念。

 

分布式結(jié)構(gòu)是相對(duì)于集成化而言的。所謂集成,就是把一些孤立、分散的事物或元素集中在一起,產(chǎn)生聯(lián)系,構(gòu)成一個(gè)功能整體。集成化的水平,可以用集成度進(jìn)行度量。以集成電路為例,目前元件的集成度已經(jīng)超過了1億個(gè),組件數(shù)超過了109個(gè)。手機(jī),就是集成化的產(chǎn)物,從最初的單一通話到現(xiàn)在的智能手機(jī),就是元器件和功能模塊的集成度不斷提高的結(jié)果。無人機(jī)的發(fā)展也離不開零部件、功能模塊與單元體的高度集成,集成化帶來了無人機(jī)功能和運(yùn)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,同時(shí)也帶來了一些問題。

 

這些問題突出表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是隨著無人機(jī)集成度的不斷提高,其技術(shù)含量和復(fù)雜程度也不斷提升,研發(fā)周期不斷拉長(zhǎng),研發(fā)成本不斷攀升,無人機(jī)的成本優(yōu)勢(shì)逐漸喪失。目前,就大型高端無人機(jī)而言,在單機(jī)采購成本上無人機(jī)已經(jīng)沒有多少優(yōu)勢(shì),其成本優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)于任務(wù)飛行成本。據(jù)統(tǒng)計(jì),有人駕駛飛機(jī)的訓(xùn)練飛行時(shí)間約占總壽命的95%,任務(wù)飛行時(shí)間僅占5%左右,而無人機(jī)的大部分訓(xùn)練都可以在模擬器上進(jìn)行,任務(wù)飛行時(shí)間可以達(dá)到總壽命的50%左右,因此,無人機(jī)的每小時(shí)任務(wù)飛行費(fèi)用要顯著低于有人駕駛飛機(jī)。二是對(duì)于高度集成化的無人機(jī),其任一任務(wù)系統(tǒng)的損失都可能導(dǎo)致任務(wù)失敗或系統(tǒng)失靈,從而影響其戰(zhàn)場(chǎng)生存力。

 

面對(duì)問題,迫使美軍思考新的出路,分布式結(jié)構(gòu)也就應(yīng)運(yùn)而生。美軍希望通過分布式結(jié)構(gòu)推出一大批功能單一、成本低廉、可以大量裝備的無人機(jī),部分取代目前成本居高不下的高端無人機(jī),用數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)取代質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。美軍認(rèn)為在一定條件下,數(shù)量就是質(zhì)量。可見,分布式結(jié)構(gòu)其實(shí)就是“逆集成化”,是對(duì)集成化的反其道而行之。當(dāng)然,必須指出,分布式結(jié)構(gòu)不是對(duì)集成化的否定,而是提供了一種與集成化長(zhǎng)期共存的新選擇。

 

分布式發(fā)展的最大好處是通過拆分和冗余技術(shù)的組合,在降低研制、使用費(fèi)用與風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),還具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存力。目前,實(shí)現(xiàn)航空武器裝備的分布式發(fā)展主要面臨兩大難題:一是通信問題,如何在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下保證子系統(tǒng)間通信的有效帶寬、時(shí)效性和抗干擾等問題;二是自主協(xié)同控制問題,空中戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬變,如何保證物理分離的各子系統(tǒng)圍繞作戰(zhàn)任務(wù),在作戰(zhàn)空間實(shí)現(xiàn)快速協(xié)同。只有解決了這些問題,分布式結(jié)構(gòu)才能走向?qū)嵱?。近年來?G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展為解決上述問題帶來了新的希望。

 

二、什么是無人機(jī)集群?

 

集群,是眾多個(gè)體聚集在一起,實(shí)現(xiàn)共同目的的群體協(xié)同行為。

 

 

魚類集群

 

集群現(xiàn)象存在于自然界,如一些魚類、鳥類、昆蟲類和哺乳類等動(dòng)物的自主集群。動(dòng)物集群有四個(gè)特點(diǎn):一是無中心,沒有任何個(gè)體處于主導(dǎo)地位,任一個(gè)體的消失或功能喪失,都不影響群體功能;二是自主協(xié)同,每一個(gè)體依據(jù)相鄰周邊狀況,自主控制自身行為,實(shí)現(xiàn)群體間的自主協(xié)同;三是自主重構(gòu),任何原因?qū)е录菏軗p或受到影響,集群都能夠自主恢復(fù)或建立新的構(gòu)型并保持穩(wěn)定;四是趨利避害,通過集群間的信息、資源共享與相互協(xié)作,動(dòng)物集群可以增加個(gè)體發(fā)現(xiàn)、捕獲獵物的機(jī)會(huì),同時(shí)也有利于規(guī)避天敵,提高個(gè)體的生存率。

 

人們關(guān)注動(dòng)物集群由來已久。近年來,隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,特別是機(jī)間通信技術(shù)和自主控制技術(shù)的發(fā)展,借鑒動(dòng)物集群實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群的問題引發(fā)人們高度關(guān)注。無人機(jī)集群,包括同構(gòu)集群和異構(gòu)集群。由相同類型無人機(jī)構(gòu)成的集群是同構(gòu)集群,由不同類型無人機(jī)構(gòu)成的集群是異構(gòu)集群。推而廣之,圍繞同一任務(wù),無人機(jī)和有人機(jī)也可以構(gòu)成廣義異構(gòu)集群。目前,在研究動(dòng)物集群的基礎(chǔ)上,對(duì)于無人機(jī)集群?jiǎn)栴}的研究主要集中在兩個(gè)方面,一是無人機(jī)自主集群的技術(shù)實(shí)現(xiàn),二是無人機(jī)自主集群的運(yùn)用研究。

 

無人機(jī)自主集群的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。近年來,關(guān)于無人機(jī)集群的報(bào)道屢見不鮮,如今年6月2日,為慶祝建校一百周年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)放飛了1000架四旋翼無人機(jī),進(jìn)行了燈光秀表演,炫酷全場(chǎng)。此前,2018年7月19日,為慶祝公司成立50周年,英特爾公司用2018架四旋翼無人機(jī)在空中打出了“intel 50”字樣。目前,固定翼無人機(jī)的世界放飛紀(jì)錄,是2017年中國電子科技集團(tuán)創(chuàng)造的119架。這類表演可以分為兩種情形:一是通過飛行過程的程序控制,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的空中集群與飛行表演,目前的表演大多都是這種情形。二是通過無人機(jī)的自主控制與機(jī)間協(xié)同,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主集群。真正的無人機(jī)自主集群,其實(shí)是這種?,F(xiàn)有報(bào)道中,這種情形極其少見。不是不愿意做,而是絕大多數(shù)表演者根本做不到。要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主集群,在技術(shù)上至少需要解決一系列問題,包括無人機(jī)自主控制算法、無人機(jī)飛行與環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸、寬帶大容量抗干擾網(wǎng)絡(luò)通信鏈路、飛行任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、編隊(duì)控制等。目前,關(guān)于無人機(jī)自主控制的公開項(xiàng)目主要有美國國防部先期規(guī)劃局(DAPAR)的“小精靈”項(xiàng)目、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)項(xiàng)目、美國空軍的山鶉(Perdix)項(xiàng)目、美國海軍的低成本無人機(jī)集群技術(shù)項(xiàng)目等。

 

無人機(jī)自主集群的運(yùn)用研究。包括作戰(zhàn)使用研究和民用研究。前面提到的美軍無人機(jī)集群項(xiàng)目中也都包含了作戰(zhàn)使用研究。無人機(jī)集群主要用于空中突防與防空壓制,一是利用集群無人機(jī)的低成本優(yōu)勢(shì),大量消耗敵方防空導(dǎo)彈,使對(duì)手“打不起”;二是利用無人機(jī)集群的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì),造成敵方防空預(yù)警系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的“通道飽和”,使對(duì)手“看不見”“動(dòng)不了”。此外,無人機(jī)集群也可以用于對(duì)面打擊和城市巷戰(zhàn)。歸根結(jié)底,無人機(jī)集群用于作戰(zhàn),主要是發(fā)揮數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì),讓對(duì)手無從招架。無人機(jī)集群用于民用領(lǐng)域,同樣是發(fā)揮無人機(jī)集群的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì),有望運(yùn)用于物流快遞、農(nóng)業(yè)播種植保、應(yīng)急救援中的通信組網(wǎng)、遙感對(duì)地觀測(cè)以及燈光秀等。

 

三、二者之間什么關(guān)系?

 

就概念而言,二者本質(zhì)不同,說的是不同領(lǐng)域的兩碼事。分布式,說的是無人機(jī)結(jié)構(gòu),相對(duì)于目前的集成式而言。集群,說的是無人機(jī)的使用方式,相對(duì)于無人機(jī)的單平臺(tái)使用和小機(jī)群使用而言。

 

但是,二者也不是風(fēng)馬牛不相及,而是互為依托,相互促進(jìn)。如果沒有分布式結(jié)構(gòu),也就很難有真正意義上的低成本無人機(jī),無人機(jī)集群也就很難走向?qū)嶋H運(yùn)用。同樣,如果沒有無人機(jī)集群的相關(guān)研究和技術(shù)鋪墊,分布式結(jié)構(gòu)所要求的信息互通、功能不減也就無從實(shí)現(xiàn)。由此決定了二者在一些領(lǐng)域技術(shù)上是相通的,在實(shí)際發(fā)展中也是相互促進(jìn)的。

 

分布式無人機(jī)與無人機(jī)集群,為未來無人機(jī)發(fā)展開辟了新路,并有望帶來空中戰(zhàn)場(chǎng)的革命性變化。盡管目前二者都還處于概念探討與技術(shù)研究階段,距離工程化還有很長(zhǎng)的路要走,但是未來值得期待,讓我們拭目以待。

 

【作者簡(jiǎn)介】李清,航空工業(yè)發(fā)展研究中心研究員,航空工業(yè)集團(tuán)公司特級(jí)技術(shù)專家,從事航空產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略與裝備體系研究。

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