美軍自主技術發展研究

原標題：美軍自主技術發展研究

來源：防務快訊

作者：李曉文、錢寧

引言

隨著人工智慧、機器人技術和無人系統的迅速發展，自主性（Autonomy）正變得日益重要。自主性是一種能力或能力集合，它與自動化的主要區別是：在不確定性很大的情況下，兩者基於各種信息做出決策的能力、對不斷變化的情況的自適應能力和學習能力不同。自主系統（Autonomous System）具有一定程度的自我管理和自主行為能力。它擁有一個以智能為基礎的能力集合，使其能夠響應在設計時無法預期的狀態。在美國防部文件中，根據人類在自主系統中所發揮作用的不同，將自主系統為三類：（1）半自主，人在環中（human 「in the loop」），機器在完成每一個任務之後等待人類批准，再執行下一個任務；（2）受人類監督，人在環上（human 「on the loop」），一旦激活，機器在人類的監督下開展工作，持續執行任務直至人類干預將其中止；（3）完全自主，人在環外（human 「out of the loop」），一旦激活，機器自己完成其任務，人類既不用監督，在系統出現錯誤時也無法干預。

自主系統可減少潛在的人員配備成本、增加作戰範圍、提高新型作戰能力。更高級的自主系統可用於增強有人和無人系統的行動能力、提高行動能力、指揮與控制、情報、監視和偵察（ISR）能力、戰備能力和保障能力。

美軍自主技術發展概況

2016年，美國國防科學委員會發布題為《自主性》的研究報告，分析了當下自主技術的發展態勢與技術應用面臨的難題。該報告認為自主技術已取得重要突破：

（1）感測器技術已經實現全頻譜探測

光電、紅外、雷達各種類型感測器形成了對物理世界的全頻譜探測能力。未來，感測器技術將進一步向類似人體的視覺、嗅覺方向發展，形成高保真觸感和情景探測能力。

（2）機器學習、分析與推理技術已經實現以任務為導向、以規則為基礎制定決策

機器已經具有大容量計算處理能力，能夠以任務為導向、以規則為基礎制定決策，能夠藉助培訓用數據進行學習。未來，自主系統思考/決策能力可實現基於思想的推理、近乎直覺的判斷能力。

（3）運動及控制技術已經實現路線規劃式導航

目前，亞馬遜公司使用機器人在倉庫內自主移動物料，將儲存貨物揀選效率提升4倍，還基於預期出貨進行倉庫內存貨的動態重新配置。未來，自主系統的行動能力短期將實現躲避障礙的導航，長期可實現動態導航、高自由度傳動裝置控制。

（4）協同技術已經實現人-機和機-機間基於規則的協調

人-機間已經實現高人機比率，機-機間已實現基於規則的多平台協調，許多防空和導彈防禦系統的操作人員與系統協作識別和確認敵方目標後，發射自主攔截器，隨後系統自主探測並截獲目標。未來，人-機和機-機協作可共享「心理模型」，實現相互之間的可預測性、互相了解意圖、完全自適應協調、隱蔽通信。

美國空軍首席科學家辦公室於2015年6月發布文件《自主地平線：空軍系統自主——通向未來之路》中的第一卷「人-自主系統的協作」，聚焦於美國空軍將如何擴大使用自主系統和發展更強、更有效的自主系統的道路。該文件描述了未來自主系統可與空軍人員協同配合，構成有效的人-自主系統團隊；指出了建立機器智能方面的相關技術，認為機器智能可有效應對作戰環境中的不確定性和多變性挑戰；解決了與賽博安全性和可靠性、支持自主工具的通信鏈路和指控系統相關的關鍵問題。

美空軍研究實驗室（AFRL）積極探索自主能力在空軍ISR、指揮控制、人-機編隊等領域的應用，計劃在未來5年內定期發布報告，向工業界徵求將自主能力集成到飛機與計算機系統及其他相關問題的意見，並啟動開放性研究以及開發競賽。在ISR領域，該實驗室通過「彈性自主系統」、「多源分析」等項目開發自主處理工具，加快ISR數據的採集、識別、提取、融合、分析和關聯能力，提高情報處理能力；在指揮控制領域，通過「忠誠僚機」、「可控對抗環境」等項目開發有人-無人編隊的自主演算法，以減輕駕駛員負擔，演示驗證多系統協同的優勢；在通信與組網方面，開展「自主組網」、「中層航空通信」等項目為自主系統尋求應用層、傳輸層和網路層的新型協議，滿足未來機器-機器和/或有人-無人戰術機載編隊的網路要求，實現通信拒止環境下的正常工作；在指示與告警方面，在地面防撞系統的基礎上開發和演示驗證空中防撞系統，並以此技術支撐自主編隊飛行；在賽博領域，通過開展「敏捷賽博技術」、「賽博彈性能力」等項目加強賽博態勢感知、賽博指控、網路威脅規避與主動防禦以及全頻譜作戰能力。

美陸軍尋求將機器人和自主系統與地面部隊融合，將機器人與自主能力提升至更高層次：機器人具備引領與跟隨的能力，可以充當士兵的助手，甚至遠處的敵人發起射擊。過去幾年，美軍在機器人與機動部隊融合方面獲得重大進展。2017年，陸軍卓越機動中心演示驗證了一種應用於機動部隊的「機器人僚機」（robotic wingman），以及如何將機器人能力融入坦克編隊。除了發展技術，陸軍還在制定推動機器人與自主技術在機動部隊應用的戰術、技術和方法。未來10至15年，將找到將機器人與自主系統嵌入編隊當中的方式。未來5年，軍方會投資建設一些新型平台，主要是關於爆炸物處理、後勤、情報、監視與偵察的戰術系統。

雖然自主系統發展已經取得重大進展，但也存在許多問題，如機器與人類的感知與思維模式不同、機器缺乏自我認知與環境感知、自主運行過程中可觀察性、可預測性、可指導性以及可審查性低、人機協作時二者對共同目標的認知不一致、人機間存在直接進行語言交流的障礙、機器難以實現人類水平的自學習能力等，這些問題直接影響著人們對自主系統的信任。信任已成為自主技術發展的核心問題。

3. 重要研究項目

拒止環境中的協同作戰

2015年，DARPA 啟動拒止環境中的協同作戰（Collaborative Operations in Denied Environment，CODE）項目，目的是使偵察、攻擊等無人機在電子干擾、通信降級以及其他惡劣運行環境中能夠協同工作，提升與地面和海上高機動目標開展動態遠程交戰的能力。該項目尋求創建一種模塊化軟體體系結構，能適應帶寬受限及通信干擾的環境，同時兼容現行標準，且在現有無人機平台上安裝具備經濟可承受性。項目重點研發及驗證先進的協同自主能力，提升無人機編隊的自主協作能力，使得無人機編隊在單個操作人員控制下就能夠協同完成發現、跟蹤、識別和攻擊目標等複雜任務。

圖1 CODE項目的概念示意圖

該項目最終將交付一套軟體系統，將能夠極大增強現有空中平台的生存能力、靈活性和高效性。通過組合不同的低成本無人機，擴展潛在的任務領域，該項目將極大增強現有空中平台在拒止環境中的生存能力和作戰效率。

該項目重點發展4項關鍵技術：單架無人機的自主能力；無人機編隊的自主能力；便於操作人員指揮管理無人機的人機介面；開放式架構。

（1）單架無人機的自主性

為使整個無人機編隊具有自主性，每架飛機都必須具有足夠級別的自主性，包括正常和異常情況下對平檯子系統、任務裝備和飛行軌道的自主管理，具體涉及以下方面的自主性：

• 能夠分析飛機狀態數據，如溫度、壓力、剩餘能源等，該類數據以往通常是發給控制站由領航員審核；
• 能夠識別並對常見意外事件做出反應；
• 在避免任務失敗的情況下能夠處理鏈路丟失問題，比如在鏈路恢復以後，仍舊掌握目標情況並能夠找回數據，或在鏈路丟失的情況下能夠通過預協商避免與其他機組中的飛機衝撞；
• 能夠基於任務目標或其他無人機的輸入在本地分析自己的感測器輸入並減少數據集；
• 能夠通過合成感測器控制和飛機軌道來自動追蹤移動目標並維持最佳感測器性能；
• 在不藉助自動駕駛儀內部環路的情況下能夠像控制站的領航員一樣定義並控制複雜航跡。

（2）人-系統介面

人-系統介面（HSI）負責定義限制和操作環境、評估達成目標的進展和所需的活動、在任務執行過程中實現與任務指揮官的動態交互。人-系統介面主要實現以下功能：

• 對通過移動指揮站執行戰術級行動的大型機組（≥4架無人機）進行監控；
• 加速任務規劃，包括對任務目標的定義、作戰區域和交戰的規劃；
• 使能任務指揮官與系統之間的交互；
• 提供當前狀態（包括藍軍和紅軍狀態、環境、電磁頻譜、已知和可疑威脅）和未來狀態的態勢感知；
• 平衡訓練需求與能力，支持雙向信息流。

（3）編隊的自主性

為了從協同作戰中受益，無人機組需要對不斷變化的作戰環境達成共識。從多源渠道收集來的數據不斷積累，最終通過數據融合、分析和閉環控制最終生成可指導行動的信息。

CODE項目聚焦的協作自主性的演算法與軟體包括：融合來自多源渠道的多種數據類型的數據；開發可在惡劣通信環境下使用的通用決策和全球建模框架；在作戰範圍、作戰時長和持久力、導航、通信和任務打擊的所有方面（發現、定位、跟蹤、瞄準、交戰和評估）提升編隊性能；在不受空間或其他非組織資產（如通信或GPS衛星、聯合監視和目標攻擊雷達系統和機載預警與控制系統）的影響下獨立執行任務。

（4）開放架構

CODE項目所採用開放式模塊化架構具有如下屬性：

• 介面及模塊定義均無專利限制；
• 最大程度的符合現有標準以及組織化的軟體實踐；
• 高度模塊化，可以實現能力、代理數量和參與者數量的擴展；
• 支持接收、處理或創建機密數據的多級安全性；
• 高性能、低計算和通信開銷以及實時保證機制。

該項目在自主性方面的突破主要包括協作感知戰術、協作式的打擊戰術、協作通信戰術、協作導航技術、編隊飛行、多約束自動路由、帶寬節省和行為建模；在演算法方面的突破主要包括使用到達時間差（TDOA）的相對導航、協調到達時間（CToA）、協作自動目標識別（ATR）和相干波束形成。

在項目第一階段，DARPA選擇了約20個可以提升無人機在拒止或對抗環境中有效作戰能力的自主行為，模擬驗證無人機自主協同的潛在價值，並完成了可向未來作戰系統轉化的過渡計劃草案。基於未來機載能力環境（FACE）標準、無人控制程序（UCS）標準、開放式任務系統（OMS）標準、通用任務指揮和控制（CMCC）標準研發人機介面和開放式架構，已取得一定進展。人-系統介面的目標是讓操作人員能夠以直觀的方式可視化、監視和指揮一個無人機編隊。任務指揮者能夠獲悉編隊的狀態以及戰術情況、預見行動計劃和替代行動方案，並實時改變無人機的活動。

2016年6月，DARPA將項目第二階段的合同授予了洛克希德?馬丁公司和雷聲公司。在這一階段，洛馬和雷聲公司以RQ-23「虎鯊」（Tigershark）無人機為測試平台，利用開放式架構，由一個或兩個真實無人機與幾個虛擬飛機進行協同，開展了大量飛行試驗，驗證了開放式架構、自主協同等指標。

圖2 第二階段飛行試驗

2018年1月，DARPA將項目第三階段合同授予雷聲公司，進一步開發CODE的能力，引入更多無人機在更複雜的場景下開展自主協同測試。

在感測器與驅動技術、計算技術、控制理論、設計方法與工具、建模與模擬等領域不斷創新的推動下，自主系統取得了巨大進步，各種空中、地面、海上及水下無人系統迅速發展。但在極其重視安全的國防部應用中，在更大範圍內部署和採用自主系統仍然充滿挑戰和爭議。確保這些系統的運行安全及達到預期效果是國防部成功運用自主技術的關鍵。

可靠自主性

2017年8月16日，DARPA宣布了一項名為可靠自主性的研究項目，旨在推進計算系統學習和發展的方式，更好地管理環境變化，並提高自主系統的可預測性。

在該項目中，研究人員將致力於開發工具，提供基礎證據表明系統可以滿足明確規定的功能和安全目標，產生一種能夠與系統共同進化的可靠性保證措施，以適應需要面對環境變化的自主系統。

為確保自主系統的長期可靠性，該項目在系統的設計與驗證技術方面進行創新，保證這些系統在全壽命周期各階段的安全性。具體涉及以下技術：尋求創新的多領域建模方法來表現自主系統，為可靠性案例的創建、驗證、模擬及試驗提供新的途徑；尋求能夠確保學習演算法內在安全的創新方法，在滿足學習目標的同時，向學習過程中納入安全限制；在可靠性案例技術上進行創新，提供針對可靠性的正式、可量化的度量，這種度量能夠隨著系統的發展不斷演進；用於整個項目試驗、鑒定及驗證的先進實驗平台。

「忠誠僚機」

「忠誠僚機」（Loyal Wingman）概念是將第五代戰鬥機與無人駕駛的第四代戰鬥機組合成一個編隊，藉助五代機的作戰網路節點角色，充分發揮四代機機動性好和火力強大的優勢，從而大大增強二者在空戰中的致命殺傷能力。這種作戰理念是希望在危險環境下，一架無人機可以在一架戰鬥機前面扮演突防角色，承擔發現、摧毀目標的任務，從而有效保證第五代戰鬥機遠離危險境地，避免遭受到來自對手的致命反擊。

2017年4月，洛克希德?馬丁公司首次對外公布在有人/無人編隊技術驗證中取得一些最新進展。洛克希德?馬丁公司臭鼬工廠和美國空軍研究實驗室通過為期兩年的研究，突破了現役F-16戰鬥機改裝為無人駕駛戰鬥機（UCAV）的關鍵技術，不僅可以在無人駕駛狀態下完全自主地與有人機組成編隊，而且還能夠動態地響應不斷變化的戰場環境，自動應對性能故障、航線偏離和通信中斷等意外情況。飛行試驗表明，UCAV初步具備協同有人駕駛戰鬥機的作戰能力。

針對「忠誠僚機」的驗證目標，飛行試驗分為兩個階段：「突襲者Ⅰ」(Have Raider Ⅰ)和「突襲者Ⅱ」(Have RaiderⅡ)。

（1）「突襲者Ⅰ」

臭鼬工廠在2015年實施了該階段的飛行試驗，主要集中於驗證先進飛行器控制的自主權。該項目希望能在無人機平台上實現任務規劃，而不是將這種能力一直固定在地面站上。飛行試驗利用集成了自主飛行控制功能的VISTA試驗機模擬一架UCAV，同時利用一架F-16 Block50戰鬥機作為長機。

（2）「突襲者Ⅱ」

臭鼬工廠在2017年3月又著手實施了「突襲者Ⅱ」階段的飛行試驗，重點集中在從作戰管理角度定義自主權，即驗證VISTA試驗機的自主任務規劃能力。作為一架僚機，VISTA試驗機必須根據操作人員提供的優先順序來優化對地攻擊任務，以實現總體任務目標。與此同時，臭鼬工廠還評估了自主作戰管理系統的動態再規劃能力。研製人員正在探索適應於不同任務的執行能力，即UCAV在發現一個突然出現的地面威脅時，會自動地重新規劃任務，以盡量避免暴露於威脅中，同時仍然能實現任務目標。

4. 結語

隨著人工智慧技術的發展，自主系統已經取得重大進展，有望在未來戰爭中扮演核心角色。自主系統能否為人類所信任已成為未來自主技術發展的核心問題。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！