《无人机蜂群在模拟战斗环境中对任务效能的影响》50页

无人机蜂群的内部角色分配与规模对其作战性能具有重要影响，但关于其具体影响的量化研究却很少。了解这些关系对于进一步开发和设计无人机蜂群的配置至关重要。对此主题的额外研究可以提高任务效率，并实现资源的最优分配。当前工作旨在考察无人机蜂群的配置，以量化角色分配和规模在不同任务情境下如何影响成功率，并指导更有效的蜂群设计。

本研究开发了一个基于代理的无人机蜂群模拟，以评估集中式异构蜂群的性能，评估其在两种不同情境下角色分配和数量变化时的表现：一种是目标密度高、无人机运载能力受限的小区域；另一种是目标密度低、无人机运载能力强的大区域。蜂群的任务是消灭区域内的所有目标。该模拟基于经核实的精确参数，这些参数的灵感来源于乌克兰战争中的数据，并结合了基于该领域现有专业知识的专家意见。

通过成功率、总步骤数和平均每个目标中立的步骤数来量化集中式异构蜂群的性能。结果表明，它们在稀疏且可预测的任务空间中表现异常出色，蜂群有更大的能力实现规模最大化并被利用以达到最大的覆盖范围和效能；但当应用于更密集、更不可预测的任务空间时，其效率会下降，而集中式控制和更大的蜂群规模会产生反效果。这些结果有力地表明，蜂群的架构和规模必须根据任务空间进行调整，大型集中式蜂群应用于开阔空间，而在复杂空间中则应采用规模更小、可能更具灵活性的配置。

现代战争如今日益聚焦于无人机研究及其应用。低成本无人机已被证明在影响乌克兰战场方面极为有效。无人机的这种扩散在国防工业中引发了大量活动，各国投入大量资金用于这些系统的研究和大规模部署。此项研究的一个主要焦点是无人机蜂群的开发，即一群协同工作、朝着共同目标前进的无人机。最近的动态，如美国国防部长指示五角大楼增加无人机蜂群研究，以及像芬兰无人机战略文件等报告概述了该国无人机制造和蜂群研究的路线图，都证明了这种国际兴趣。

无人机蜂群提供了独特的优势：一个人类操作员可以控制多架而非一架无人机，或者实现完全自主，完全无需人员，从而提高了此类系统的可扩展性和作战节奏。一个大型蜂群也能产生显著的战术影响，可以同时攻击多个目标或饱和压制可能的防御。然而，从由人操作的单架无线电遥控无人机，发展到可能由数百架无人机组成的蜂群，也带来了许多需要解决的研究挑战，以实现现实世界中的有效部署。

此类大型系统的主要挑战在于定义控制架构、维持鲁棒的编队与协调，以及优化任务或路径规划。此外，除了由相同单元组成的蜂群外，包含不同类型无人机的异构蜂群引入了另一层复杂性。异构蜂群中的角色各不相同，包括装备专用传感器的单元、拥有更强指挥或数据处理计算能力的单元，或专为投送武器载荷设计的无人机。因此，要想在现实世界中成功部署，需要针对具体任务环境，在最优角色比例和蜂群总规模方面进行周密的设计考量，这仍是一个有待进一步研究的领域。

本文旨在研究无人机蜂群在各种作战环境下的理想角色分配和规模。为此，开发了一个基于代理的无人机蜂群模拟，对负责消灭给定区域内所有目标的蜂群进行建模。设计了两种对比鲜明的场景：一种是有许多目标的密集复杂环境；另一种是仅有少数目标的广阔稀疏区域。使用这两种场景进行了模拟实验，系统性地改变蜂群规模和角色构成。然后，本文分析了这些模拟运行中的关键性能指标，形成了结论和重要发现的基础，并提出了本工作中展示的未来研究方向。