智能化(huà)無人(rén)系統集群将改變未來(lái)戰争格局

分(fēn)布式與協作智能系統和(hé)技術（DCIST）協作研究聯盟（CRA）計劃

不同類型的(de)無人(rén)系統有各自适合的(de)任務領域。例如，無人(rén)機可(kě)能會比地面無人(rén)車更擅長(cháng)穿越障礙物(wù)，但地面無人(rén)車可(kě)能比無人(rén)機更适合遠(yuǎn)距離機動。美(měi)國陸軍領導人(rén)認爲，下(xià)一階段的(de)戰争将需要能夠動态适應環境挑戰的(de)無人(rén)系統混編團隊的(de)支持。若要實現不同類型自主系統的(de)協同，則需要一種能夠告訴編隊内每個(gè)系統平台如何移動、籌劃和(hé)通(tōng)信的(de)核心策略。爲了(le)填補這(zhè)一技術空白，美(měi)國陸軍作戰能力發展司令部下(xià)轄的(de)陸軍研究實驗室啓動了(le)分(fēn)布式與協作智能系統和(hé)技術（DCIST）協作研究聯盟（CRA）計劃。

DCIST協作聯盟項目經理(lǐ)Brett 　Piekarski表示，美(měi)國陸軍許多(duō)與“多(duō)域作戰”概念相關的(de)路線圖和(hé)自主系統戰略文件都依賴于空中和(hé)地面自主系統的(de)異構混編。目前，美(měi)國陸軍研究實驗室在機器人(rén)協作技術聯盟和(hé)微自主系統協作技術聯盟方面做(zuò)了(le)很多(duō)很好的(de)工作，但在自主系統協作方面仍然存在技術空白。美(měi)國陸軍認爲，自主系統協作是實現陸軍未來(lái)作戰概念的(de)關鍵要素。協作技術聯盟是陸軍、私營企業和(hé)學術界之間合作的(de)橋梁，專注于創新型科學技術的(de)快(kuài)速轉化(huà)，以解決陸軍的(de)實際需求。

DCIST　CRA與全美(měi)學術界的(de)領軍者合作，旨在引領能夠在未來(lái)複雜(zá)、高(gāo)對(duì)抗的(de)“多(duō)域作戰”環境中擴展機動範圍、增強态勢感知并提高(gāo)作戰效能的(de)科學技術。DCIST項目專門研究分(fēn)布式智能、異構群組控制、自适應和(hé)韌性行爲，以及結合所有三個(gè)研究領域的(de)跨學科實驗。鑒于該項目的(de)規模和(hé)範圍，在協作研究聯盟下(xià)取得(de)的(de)綜合進展可(kě)以顯著加快(kuài)陸軍在未來(lái)戰場(chǎng)上取得(de)技術優勢的(de)速度。

來(lái)自DCIST項目自适應和(hé)韌性行爲部門的(de)團隊在今年的(de)電氣和(hé)電子工程師協會（IEEE）機器人(rén)與自動化(huà)國際會議(yì)上展示了(le)一種新型分(fēn)布式智能框架。該框架得(de)到了(le)波音(yīn)公司的(de)支持，引入了(le)一種稱爲分(fēn)布式局部搜索的(de)新式分(fēn)布式信息收集方法，使無人(rén)系統編隊在信息獲取和(hé)能源成本之間達到最佳的(de)平衡狀态，标志著(zhe)DCIST項目達到了(le)新的(de)裏程碑。

賓夕法尼亞大(dà)學電氣和(hé)系統工程學院教授、研究團隊負責人(rén)George 　Pappas表示，目前的(de)分(fēn)布式搜索方法大(dà)多(duō)是派出一支無人(rén)系統編隊，讓其中的(de)每個(gè)無人(rén)系統都像螞蟻一樣執行小區(qū)域内的(de)就近目标搜索。研究團隊要解決的(de)問題是，确定如何使無人(rén)系統集群成爲更具戰略性的(de)團隊，從更長(cháng)遠(yuǎn)的(de)角度思考并尋找更遠(yuǎn)的(de)目标。這(zhè)是第一次在此類問題中真正考慮能源成本等因素，因而引入了(le)一類需要解決的(de)新的(de)優化(huà)問題。

早期的(de)“坐(zuò)标下(xià)降算(suàn)法”

爲了(le)完成重要的(de)陸軍任務，自主無人(rén)系統編隊需要一種可(kě)以最大(dà)限度地發揮集群中每個(gè)平台的(de)能力，而不會将能源或時(shí)間浪費在不必要的(de)行動上的(de)策略。集中式方法可(kě)以對(duì)無人(rén)系統集群提供很大(dà)程度的(de)控制，但是僅通(tōng)過一個(gè)指揮站指揮機器人(rén)的(de)行爲會使作戰行動容易受到單點故障的(de)影(yǐng)響。采用(yòng)每個(gè)無人(rén)系統對(duì)其自身運動進行規劃的(de)分(fēn)布式方法能夠在應對(duì)此類風險時(shí)具有更高(gāo)的(de)韌性，但完全缺乏協調将導緻浪費團隊資源的(de)多(duō)餘行動。

2014年，美(měi)國國防部對(duì)頂尖大(dà)學的(de)研究人(rén)員(yuán)提供了(le)資助，旨在創造一種新的(de)信息收集策略，使自主無人(rén)系統能夠做(zuò)出長(cháng)遠(yuǎn)的(de)明(míng)智決策，而非追求短期利益。爲了(le)應對(duì)這(zhè)一挑戰，Pappas和(hé)他(tā)的(de)團隊最初設計了(le)一種坐(zuò)标下(xià)降算(suàn)法形式的(de)新方法，即無人(rén)系統依次執行行動規劃。在這(zhè)種方法中，第一個(gè)無人(rén)系統以最大(dà)程度地減少不确定性的(de)角度規劃自己的(de)運動，然後與團隊中的(de)第二個(gè)無人(rén)系統共享此信息。第二個(gè)無人(rén)系統在制定自己的(de)計劃時(shí)會考慮第一個(gè)系統的(de)行動計劃，從而保證自己不會朝著(zhe)第一個(gè)無人(rén)系統規劃的(de)方向前進。然後第二個(gè)無人(rén)系統将信息傳遞給第三個(gè)無人(rén)系統，第三個(gè)無人(rén)系統會考慮前兩個(gè)系統的(de)計劃。

加州大(dà)學聖地亞哥(gē)分(fēn)校電氣和(hé)計算(suàn)機工程學院助理(lǐ)教授、DCIST項目首席研究員(yuán)Nikolay　Atanasov表示，之所以稱爲“坐(zuò)标下(xià)降算(suàn)法”，是因爲每個(gè)無人(rén)系統就像一個(gè)不同的(de)坐(zuò)标，“下(xià)降”是因爲通(tōng)過一次處理(lǐ)一個(gè)無人(rén)系統來(lái)最大(dà)限度地減少不确定性。研究團隊證明(míng)，即使在最壞的(de)情況下(xià)，這(zhè)種分(fēn)散式規劃也(yě)将至少達到集中式規劃最佳性能的(de)50%。

兼顧探索性與經濟性的(de)“分(fēn)布式局部搜索算(suàn)法”

分(fēn)布式局部搜索建立在“坐(zuò)标下(xià)降方法”的(de)基礎上，将能源和(hé)降低不确定性之間的(de)權衡考慮在内，這(zhè)是大(dà)多(duō)數信息收集算(suàn)法往往忽略的(de)現實任務中的(de)關鍵要素。研究團隊希望無人(rén)系統更具探索性，以便這(zhè)些系統能夠作爲一支團隊來(lái)獲取信息并減少不确定性，同時(shí)也(yě)希望無人(rén)系統能夠節約資源（電量或耗費的(de)時(shí)間）。分(fēn)布式局部搜索算(suàn)法能夠以可(kě)擴展的(de)方式在衆多(duō)無人(rén)系統組成的(de)集群内實現了(le)探索性和(hé)經濟性的(de)平衡，這(zhè)是DCIST項目的(de)關鍵創新點之一。

借助分(fēn)布式局部搜索，單個(gè)無人(rén)系統會定期與隊友進行交流，并在團隊内其它無人(rén)系統獲得(de)有關周圍環境的(de)更多(duō)信息時(shí)爲團隊推薦更明(míng)智的(de)行進線路。在每次集群會話(huà)期間，無人(rén)系統會根據其對(duì)環境的(de)了(le)解來(lái)評估提議(yì)的(de)動作，并确定未來(lái)行動的(de)能量成本是否會超過潛在的(de)信息增益。一旦所有無人(rén)系統達成一緻，集群就會迅速采用(yòng)更新後的(de)團隊計劃。集群産生的(de)解決方案在物(wù)理(lǐ)上更容易實現，也(yě)更有意義。這(zhè)一前沿領域研究的(de)不僅是如何讓無人(rén)系統團隊從一個(gè)地方移動到另一個(gè)地方，還(hái)包括如何讓這(zhè)些系統了(le)解環境、對(duì)手和(hé)彼此。

DCIST研究人(rén)員(yuán)進行了(le)一項計算(suàn)機模拟以說明(míng)分(fēn)布式局部搜索背後的(de)強大(dà)功能。在模拟演示中，地面和(hé)空中無人(rén)系統被放置在一個(gè)一半泥濘不堪一半伴有強風的(de)環境中。地面無人(rén)系統在泥濘的(de)一側必須消耗更多(duō)的(de)能量，而空中無人(rén)系統則會在有風的(de)一側消耗更多(duō)的(de)能量。一旦配備了(le)分(fēn)布式局部搜索算(suàn)法，随著(zhe)時(shí)間的(de)推移，該算(suàn)法逐漸找到了(le)将空中和(hé)地面無人(rén)系統分(fēn)别分(fēn)配到最适合其運動的(de)區(qū)域中的(de)解決方案，即地面無人(rén)系統學會了(le)在有風的(de)一側搜索目标，而空中無人(rén)系統則學會了(le)留在泥濘的(de)一側。相比之下(xià)，就近搜索算(suàn)法隻會設法使信息增益最大(dà)化(huà)，而沒有考慮泥濘和(hé)風況等運動成本。

正如團隊合作對(duì)士兵(bīng)們在戰場(chǎng)上成功完成任務起著(zhe)至關重要的(de)作用(yòng)一樣，無人(rén)系統集群在任務期間共同制定和(hé)修改計劃的(de)能力是陸軍的(de)一項重要技術優勢。這(zhè)種革命性的(de)人(rén)工智能行爲框架可(kě)能會引領大(dà)規模無人(rén)系統團隊的(de)發展，這(zhè)些團隊将能夠快(kuài)速适應意外的(de)任務威脅并智能地規劃适當的(de)應對(duì)措施。智能化(huà)自主系統在高(gāo)度動态的(de)情況下(xià)協同規劃的(de)能力将爲陸軍在日益複雜(zá)的(de)任務和(hé)作戰環境中使用(yòng)無人(rén)系統團隊創造機會。對(duì)于美(měi)國陸軍而言，分(fēn)布式局部搜索等解決方案僅代表DCIST這(zhè)一項目推動下(xià)所實現的(de)技術突破的(de)冰山一角。

DCIST項目的(de)意義——解決複雜(zá)戰場(chǎng)環境下(xià)的(de)自主性問題

DCIST自适應和(hé)韌性行爲部門負責人(rén)Jonathan　Fink表示，美(měi)國學術界的(de)一些“高(gāo)人(rén)”正在與陸軍研究人(rén)員(yuán)通(tōng)力合作，以解決陸軍在魯棒的(de)多(duō)智能體自主行爲中最具挑戰性的(de)相關問題。比如，賓夕法尼亞大(dà)學的(de)科研人(rén)員(yuán)正在研究如何使用(yòng)機器學習(xí)來(lái)加快(kuài)自主智能體之間跨網絡無線通(tōng)信背後的(de)計算(suàn)速度。

美(měi)國陸軍還(hái)在投資新技術，旨在實現抗幹擾的(de)通(tōng)信能力。陸軍擁有使這(zhè)些智能體進行自主規劃的(de)算(suàn)法工具，但研究工作的(de)最終目标是找出能夠加快(kuài)或改進這(zhè)些算(suàn)法應用(yòng)規模的(de)新方法，目的(de)是使這(zhè)些算(suàn)法工具在應用(yòng)到大(dà)量智能體中時(shí)也(yě)能有效運作。盡管DCIST　CRA提出了(le)一系列技術裏程碑，但該項目的(de)真正價值在于其研究如何針對(duì)特定的(de)戰場(chǎng)需求來(lái)實現美(měi)軍相對(duì)于敵方的(de)優勢。

雖然商業公司生産的(de)無人(rén)系統和(hé)人(rén)工智能技術可(kě)以滿足普通(tōng)消費者的(de)需求，但戰場(chǎng)上的(de)士兵(bīng)面臨著(zhe)無法保證對(duì)全球通(tōng)信系統、基礎設施或其他(tā)資源的(de)持續利用(yòng)的(de)獨特環境。對(duì)陸軍相關任務的(de)複雜(zá)性、獨特作戰環境和(hé)敵對(duì)性環境的(de)關注推動了(le)開發數據集和(hé)基本方法的(de)研究，目的(de)是将商業方法擴展到那些它們可(kě)能無法适應的(de)戰場(chǎng)限制條件下(xià)，這(zhè)有助于确定商業市場(chǎng)驅動因素和(hé)用(yòng)例通(tōng)常無法解決的(de)技術差距。

對(duì)于國防部以外的(de)許多(duō)有貢獻的(de)研究人(rén)員(yuán)來(lái)說，DCIST項目爲他(tā)們提供了(le)一種能夠以自己認爲有意義的(de)方式爲陸軍士兵(bīng)提供幫助的(de)機會。雖然研究人(rén)員(yuán)可(kě)以開展各種形式的(de)合作，但DCIST的(de)獨特之處在于它是極少數能夠引導研究界解決國家安全問題的(de)項目之一。研究人(rén)員(yuán)預測，美(měi)國陸軍将在5年内擁有能夠在大(dà)片區(qū)域内執行長(cháng)期任務的(de)大(dà)型陸地和(hé)空中無人(rén)系統編隊。（轉自：中國航空新聞網）