推荐!《蜂群武器:用于并行攻击的蜂群智能算法》美国陆军51页技术报告

2022 年 9 月 12 日 专知
无人机技术的快速发展已经将蜂群机器人技术从科幻小说领域转变为现实。今天,学术和军事机构正在研究如何将现有的无人机技术发展成一个蜂群。问题是,在未来十年中,什么是技术上可行的,指挥官如何在战场上使用这种技术?通过整合现有的无人机技术,就有可能开发出一种由数百架无人机组成的蜂群武器,这些无人机利用突发行为整合它们的行动。通过利用蜂群通过机动迅速集中的能力,就有可能同时对数百个点进行大规模打击。
这提供的优势是能够进行约翰-沃顿上校定义的并行攻击,且规模空前。为了论证这一点,本文将首先通过回顾现有的研究和文献,分析未来十年在技术上的可行性。接下来,这项研究工作将开发一个使用并行攻击概念的蜂群武器概念。然后,本文将在计算机模拟中展示这项研究工作设计的蜂群智能算法。本文将表明,在未来十年内,开发一种能够进行并行攻击的蜂群武器是可行的。通过在其他相同的武器中加入蜂群智能,蜂群算法使这些武器更加高效和致命。这项研究工作的结果可以为蜂群武器的多种新的使用概念奠定基础,包括蜂群突破、蜂群区域防御、蜂群并行攻击和蜂群在有争议环境中的广域侦察

引言

在过去的五年里,人工智能研究出现了爆炸性增长,而蜂群机器人技术已经上升为其最有前途的领域之一,学术和军事机构在实验室内外演示了无人机群。在去年,美国和中国都展示了由一百多架无人机组成的蜂群,与此同时,中国和俄罗斯都提出他们将把无人机武器化,用于攻击。2017年,中国还发布了国家人工智能发展计划,将蜂群智能作为一项优先发展工作,力争在2020年之前实现可操作的蜂群智能算法。每个国家都认为蜂群技术将对战场产生颠覆性影响;要真正理解这项新技术带来的能力,必须将科幻小说与现实分开。在一个资源有限的时代,军事领导人应该问的问题是,蜂群武器能提供什么能力,更重要的是,这种能力是不是已经存在了。要理解这个概念,你必须超越蜂群武器的数量优势或其压倒敌人先进武器系统的能力。蜂群武器提供的不仅仅是数量上的优势,它们代表了一个相互关联的武器系统,能够反应性地适应环境和动态的敌人。
无人机技术已经成熟到在未来十年内采用蜂群武器来获得战场上的作战优势在技术上是可行的。为了说明在未来十年内技术上的可行性,本文将首先回顾现有文献,以确定研究人员在实验室外已经展示了哪些技术。使用这种方法,它将表明,拥有100个智能体的较小蜂群武器所需的硬件今天已经可以实现,在未来十年,这种技术将扩展到多达1000个无人机的蜂群将成为可能。接下来,它将使用战争理论来介绍蜂群武器的使用概念,而不仅仅是数量上的优势。最后,它将把这两者联系起来,通过展示一个使用计算机模拟来实现这一就业概念的蜂群智能算法。这种模拟将使我们能够理解和分析蜂群武器使用本文提出的应用概念可能产生的影响。这个软件还将促进对人类-蜂群组队的优势和劣势的分析。通过将现有的硬件与战争理论和应用概念联系起来,本文表明,蜂群武器可以成为一种极具颠覆性的技术。通过对蜂群武器如何利用蜂群智能算法实现适应性行为形成共识,它有助于启动这一对话。
蜂群智能行为是一种自然发生的现象,几个世纪以来,它提高了数百种不同动物物种的生存机会。你可以在鸟群、鱼群、蚂蚁群、蜜蜂群以及其他数百个物种中看到蜂群的概念。蜂群智能算法是在科学家试图研究、理解和复制这些行为时出现的。计算机科学家和生物学家了解到,在每一种情况下,动物们都在以某种方式进行交流,没有领导者,而且蜂群中的每个代理都遵循一套规则。通过尝试复制这种行为,科学家们发现,每个蜂群都在优化行为,以最大限度地提高蜂群的整体生存能力。
许多人用来描述蜂群的一个常见例子是一群椋鸟,如图1所示。虽然它们的同步飞行令人印象深刻,但在这个鸟群中发生的事情更令人印象深刻。鸟群正在实施一个复杂的问题解决过程,优化鸟群的行为以寻找食物和避免威胁。当一只鸟检测到威胁时,整个鸟群就会做出反应,避开该威胁。当它们探测到食物或落脚点时,整个鸟群都会跟上。蜂群在没有领导者的情况下完成了所有这些工作,它使用的是一个局部的、分散的通信网络,每只鸟只与他的邻居进行通信。蜂群是一种适应,它优化了蜂群分散和搜索大片区域的能力,同时仍然允许蜂群在一个代理人发现食物或威胁时迅速集中。这种分散和集中的能力将在后面讨论蜂群通过脉动进行机动的能力时变得至关重要。
图1. 一群椋鸟。珍妮弗-史密斯,"电群",《每日邮报》,2013年11月,2017年9月12日访问
科学家们将这种行为描述为蜂群智能,即一群智能体在决策中使用分散和自组织行为来适应环境变化和解决问题。几十年来,研究人员从这些自然发生的蜂群中获得灵感,开发了蜂群智能算法,如蚁群、蜂巢或粒子群优化算法。蜂群智能算法有成千上万种不同的变化,这将超出本文的范围,但所有这些算法的共同点是,每个算法都有一个代理群,使用本地规则集和分散的通信网络来适应环境变化。今天,蜂群工程已经开始整合多种算法并修改规则集以解决新问题。例如,后面介绍的蜂群智能算法就是对粒子群优化的修改。因此,蜂群工程可以开发新的更复杂的蜂群行为。这种设计行为的能力对于后面讨论战争理论和蜂群武器的使用概念也将是很重要的。
今天,无人机技术的成本降低,使这些蜂群智能算法能够过渡到现实世界。中国和美国都已经展示了他们操作一百架无人机群的能力。例如,在2016年,美国战略能力办公室展示了从F-18飞机的飞行中发射的103架无人机群。现在,同一个小组正在开发一个1000架无人机群。本文将重点讨论蜂群的武器化。由于该技术刚刚出现,研究人员对蜂群武器的论述非常少。这也是一个复杂的、有争议的话题,但却是一个重要的话题,因为这些武器有可能大大塑造战场的优势或劣势。到目前为止,作者们所写的关于蜂群武器的文章主要集中在蜂群的数量优势或压倒先进武器系统的能力上。尽管蜂群武器确实可以提供这种能力,但这只是触及了其真正潜力的表面。蜂群武器对敌人动态行动的实时反应能力使蜂群能够迅速改变状态和行为。有了这一点,你可以设计蜂群的行为,使之与军事理论和战争原则相一致。通过设计行为,你可以创造出一种蜂群武器,它能够在搜索目标时保持分散状态,然后根据敌人的行为迅速集中到一个、两个、三个或数百个目标上(图2)。在联合作战原则中,这种脉冲能力整合了机动性和质量原则,以便在深度和广度上攻击敌人。下面将论证这一概念是可行的,并可能在未来十年内对战场产生颠覆性影响。
图2. 蜂群武器。由作者创建。

方法论

要使蜂群武器在未来十年内为战场提供作战优势,必须在技术上的可行性和提供作战优势的使用概念之间建立联系。为了建立这种联系,下面的章节将回答三个子问题。
首先,在未来十年,蜂群武器在技术上是可行的吗?为了将科幻小说与现实区分开来,第1节将首先确定蜂群武器在技术上是否可行,以及它们可以提供哪些能力。为了回答这个问题,本文将审视今天的可能性,并推测十年内的可能性。所用的时间线是十年,因为它涉及到更多的近期能力和威胁。它还可以更准确地预测蜂群技术的可用性及其影响。对于这项研究工作来说,要考虑未来十年内技术上可行的东西,它必须是一种已证明的能力。因此,本分析没有考虑理论技术。第一部分的产品将是一个蜂群武器的能力表,这些能力在今天或十年内是可行的。
第二个问题是军队应该如何利用蜂群武器的概念来获得战场上的作战优势?为了回答这个问题,本分析将从军事和战争理论入手,以确定军队如何利用蜂群武器来发挥其优势。尽管蜂群武器有成千上万种用途,但本文将以军事理论为基础,提出蜂群武器的概念。第2节,将通过介绍建立在军事理论基础上的就业概念来回答这个问题。它将利用该军事理论来论证蜂群武器提供了一种目前尚不存在的能力。
最后一个问题是,现有技术是否能够提供第2节所述的能力,以及这种能力是否会带来作战优势?为了回答这个问题,这项研究工作将开发一种蜂群智能算法,利用蜂群技术实现这一军事理论,在十年的时间框架内是可行的。本节将通过计算机模拟来分析这种蜂群智能算法提供所需能力的能力(图3)。蜂群中的每个代理将实施蜂群智能算法来攻击这个敌方系统,目标是在120分钟内尽可能多地找到并摧毁200个分散的目标。为了分析结果,这项研究工作将使用模拟技术来比较没有蜂群的1000个智能体的质量和有蜂群的800个智能体的质量。如果其中任何一个能够找到、固定并摧毁超过50%的指定目标,那么根据陆军理论,本分析将认为敌方系统不具备作战能力或作战无效。使用这种方法,本文将比较每一个,以确定蜂群武器是否能够在未来十年内提供这些能力。
图3. 蜂群武器兵棋推演截图。肖恩-威廉姆斯,用于模拟系统攻击的蜂群武器战争游戏模拟软件,Java,2017年

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