集群是一项颠覆性的、改变游戏规则的技术，其基础是协调使用在多个领域（空中、地面、海上、太空）运作的多个无人驾驶系统。新的微电子技术、制导和导航技术、传感器和人工智能技术的发展使得低成本、微型无人机器人能够执行具有挑战性的任务。当与新的决策、目标跟踪、通信技术和算法相结合时，蜂群可以在战场上产生非常颠覆性的影响，其应用范围包括持续的和未被发现的监测，以及提供关键的防御能力，如游荡弹药。本文介绍了欧洲在蜂群方面的活动，并就其对国防和民用部门可能产生的改变游戏规则的影响提出了见解。
关键词：无人系统（UxV），自主性，决策，目标跟踪，引导和控制，传感器融合，情报、监视和侦察（ISR），无人交通管理（UTM）。
1 引言
无人系统集群（UxVs）由大量异质无人车（空中、陆地、海上）组成，作为自主 "系统"的智能群体运作，具有决策、目标跟踪、制导和控制、传感器融合和指挥能力，作为单一智能群（自主系统）运作。如果利用机器人、人工智能（AI）、通信、制导和控制、传感器融合、航空航天和无人交通管理（UTM）等领域的发展，将无人系统群设计成蜂群或鸟群，使其具有必要的智能和自主性，就能为国防部门创造颠覆性的、改变游戏规则的能力，将数量和智能、智慧技术的优势相结合。无人系统群可以创造出前所未有的能力，可以提高欧洲的安全和国防能力，同时对其他非国防部门产生颠覆性影响，如城市交通、UTM、自动驾驶或机器人技术。在国防方面，无人驾驶车辆的联合使用可以限制人类在危险环境中的风险/暴露，允许枯燥和肮脏的军事行动发生，如对大面积地区（如地中海、欧洲边界）的持续监测，甚至可以在未来的军事场景中用来迷惑和压倒对手。图1显示了一个多领域（空-空-地-海-空）的无人系统群概念，用于保护和提供对高价值资产（如军营/驻地）的持续监视，这是在2016年EDA研发试点项目EuroSWARM中首次提出。
图1：多域蜂群概念（空-空-地-地）。
2 集群技术
无人系统（UV）集群是由自主或半自主的飞行器组成的群体，它们相互协作以达到共同的目的。无人系统群体可以在国防应用中用于各种任务，如侦察、监视、目标获取和打击行动。本节探讨了用于国防应用的集群的三个主要特征：（1）总结了使高效集群发展的最关键的能力和技术，（2）设计集群时使用的主要架构模式，以及（3）一些经常结合起来描述集群国防应用任务的作战类型。谈到集群设计，有四个主要的技术模块必须考虑国防应用[1]。每个模块对集群的性能和稳健性起着非常重要的作用，从感知能力到集群通信协议[2]和路由[3]。
1.感知： 感知能力对于无人系统群的成功至关重要。感知能力使集群能够感知和了解它所处的环境，探测障碍物，识别目标，并保持态势感知。有效的感知能力使集群能够在复杂和动态的环境中运行，并以极高的效率执行广泛的复杂任务。机器学习和人工智能技术可以增强这些能力，通过传感器融合，集群可以在以前不可能的水平上实现态势感知。
2.任务分配和决策： 任务分配和独立决策对于集群的成功至关重要。有效的任务分配确保每个机器人被分配到与其能力相符的具体任务，从而优化可用资源的使用。集群可以弥补一个或多个机器人的失败，而任务分配有助于分配决策，使集群能够快速适应不断变化的环境。任务分配也有利于适应性、可扩展性和更快的决策，使集群在动态和不确定的环境中更加有效。集群能够通过集群的机器人之间的无缝数据交换做出更好的决定。这使得资源得到有效利用，提高了鲁棒性和容错性，改善了适应性，大大增强了可扩展性。
3.路径规划和消除冲突： 当涉及到集群时，预计会有大量的机器人。这使得路径规划和解除冲突的方法对高效和安全的集群操纵至关重要。集群中路径规划的目标是为每个机器人找到一条到达目的地的最佳路径，同时避开障碍物，并使所需的时间和能量最小化。解除冲突确保机器人不会相互碰撞，使每个机器人都能成功完成其任务。例如，在监视任务中，路径规划可以优化机器人的路线，以尽量减少重叠，增加覆盖面积。路径规划和消除冲突可以通过各种技术实现，包括集中式和分散式方法。集中式方法包括由一个实体来规划和协调集群中所有机器人的路径。另一方面，分散式方法涉及每个机器人根据本地信息做出自己的路径规划决定。
4.通信： 当机器人之间的通信是无缝和强大的时候，集群的运行是最理想的。通过传感器融合，集群可以提供具有更高确定性和分辨率的信息。有效的通信协议使机器人能够共享信息，如他们的位置、状态和任务分配，而路由将负责寻找信息在机器人之间传播的最佳路径。这使得集群能够团结一致地运作，协调行动，并实时分享信息。通信协议和路由可以通过各种技术来实现，如特设网络、网状网络和多跳路由。特设网络允许机器人直接相互通信而不需要固定的基础设施，而网状网络使机器人形成一个具有冗余路径的网络进行通信。多跳路由涉及将信息从一个机器人传递到另一个机器人，直到它到达目的地，从而实现更远距离的通信。
无人系统群是利用通信协议来交换信息的，而协议是由任务的具体要求以及车群的特点决定的[4]。有三种主要的架构方法可用于设计国防应用的无人系统群，包括：
1.集中式架构：在这种方法中，集群中所有无人系统的运行都由一个中央实体协调，如地面控制站。中央实体与集群的代理进行通信，收集数据，处理数据，并作出明智的决定。这种方法适用于小规模的集群和简单的任务。
2.分布式结构：在这种方法中，没有中央实体，集群中的每个无人系统都独立运作，根据本地信息做出决定，并将其信息与邻近的车辆进行交流。这种方法适用于大规模集群和复杂任务。
3.混合结构：这种方法结合了集中式和非集中式结构的优点。在这种方法中，有一个中央实体向无人系统提供高级指导，而每个无人系统都配备了本地决策能力。
无人系统群呈现出大量的军事应用，能够执行各种不同的任务。这里确定了自主集群的一些关键操作类型的例子。提出的操作可以组合成一系列的任务。
1.区域覆盖： 在区域覆盖操作中，集群的任务是利用机器人配备的传感器扫描一个特定的领域。在大多数情况下，希望区域覆盖是全面的，必须对该区域进行全面扫描。多无人系统区域覆盖问题的常见方法包括使用分解技术将感兴趣的区域划分为一组子区域，并将每个子区域分配给一个机器人。对于异质群，在区域分解过程中必须考虑到传感器的范围、机器人的流动性和电池的自主性，以提高系统的效率[5]。在每个机器人被分配到一个子区域后，机器人在其区域内独立规划其路径。在[6]中介绍了覆盖路径规划方法的调查，总结了二维、三维和多机器人区域覆盖的最常用方法。
2.全面和持久的区域覆盖：全面和持久的区域覆盖要求集群的部署方式能够在整个任务期间提供整个给定区域的传感器覆盖。集群的机器人应考虑其传感器的范围和可能的环境特征（例如，障碍物或遮挡区域），创建一个编队。机器人以静态队形部署，或以动态队形部署，以防区域特征或所需监测的区域随时间变化[5]。主要目标是设计一种编队模式，以最小的机器人数量实现全面的静态覆盖。
3.区域搜索： 在区域搜索行动中，机器人群的任务通常是在一个感兴趣的区域内寻找特定目标。在这种操作中，不需要对该地区进行完全或全面覆盖。机器人群必须探索该区域，目的是在最短的时间内识别目标。机器人必须在任务期间进行合作，它们使用在线决策和路径规划技术，根据它们对环境的感知和机器人群中其他机器人的行为改善系统的性能。区域搜索算法可以被调整以考虑目标分布的概率。生物启发的集群算法已经引起了科学界对区域搜索行动的兴趣[7], [8]。
4.区域监视： 区域监视行动要求机器人群持续地监视一个给定的区域。区域监控通常用于巡逻、监测、探测突发或动态威胁以及边境安全。目标通常被定义为在长时间内最小化区域的最大年龄（即自上次访问以来所经过的时间）[9]。
5.目标跟踪： 通常情况下，目标追踪行动涉及一个目标和一个机器人。机器人的范围是根据其感官数据和对目标位置的估计，以及在某些情况下对目标的预测行为或未来位置的估计，在线规划其路径[10]。机器人必须引导自己不断跟随目标。随着机器人群功能的引入，目标跟踪问题可以被增强为一个多机器人问题，跟踪单个[11]或多个目标[12]。
总的来说，为国防应用设计机器人群需要仔细考虑几个因素，包括任务要求、机器人群规模、通信能力和计算资源。
3 集群项目和应用
3.1 EUROSWARM
EuroSWARM[13]项目（为国防应用中的无人机蜂群开发技术）是欧洲防务局的一个项目，该项目于2016年11月-2017年11月举行，联合体由来自希腊、英国、法国和瑞典的4个合作伙伴组成。该项目的关键技术，包括静态传感器网络设计、移动传感器任务分配和信息融合，能够开发出用于商用无人驾驶车辆的新型算法。这些算法具有低计算能力要求、灵活性和可重新配置性。在图2中，介绍了项目的结构和使用的模块。基于贪婪地排除技术的任务分配算法确保了实时的接近最优的任务分配，允许在快速变化的环境中进行有效的蜂群控制。通过无人机的空中传感、自主行为监测的一般框架和轨迹分析工具，实现了增强的态势感知。传感器融合技术和分散的跟踪算法支持自动目标检测和跟踪，增加了系统的可靠性和容错性。为移动车辆设计了一个反应式和分布式合作制导法，解决了任务和安全目标，以及车辆和静态传感器网络之间的相互作用。这些蜂群技术在户外环境中的实际演示验证了这些算法和技术在军事和执法应用中持续监测的有效性。
实际演示结合了前面几节介绍的所有集群技术，在一个按比例的户外环境中进行了模拟和验证。由于时间和预算的限制，测试区域的大小是有限的，用于形成机器人群的无人平台是基于市场上的COTS系统。实际演示的主要目的是建立演示环境、通信网络，并测试持续监测场景下的蜂群功能。实施了代理、车辆类型和目标数量的多种组合，以评估同质（同一类型的车辆/传感器）和异质车辆（光学/红外传感器、固定翼/四旋翼无人机）。
3.2 低可观察性战术无人机系统--Lotus
LOTUS项目（低可观测战术无人机系统）是一个EDIDP项目，财团由来自希腊和塞浦路斯的9个合作伙伴以及来自西班牙和荷兰的另外两个合作伙伴组成。该项目于2020年12月启动，持续时间为45个月，由Intracom防御公司领导。通过LOTUS项目，一个最先进的无人驾驶飞行器（UAV）系统被设计用于战术空中侦察和监视任务。它拥有几个关键特征，包括躲避敌军的隐身特性、对峙作战能力、适航性和基于北约标准的互操作性，以及考虑到网络安全的可靠通信。此外，该系统还广泛采用了人工智能，确保其能够高度准确地执行复杂的任务。该母舰配备了多个ISR传感器，设计为低可观察性和高续航能力，并加入了自我保护系统，以应对敌人的威胁。它可以部署四个管状发射的可折叠翼无人机，这些无人机具有先进的自主功能，使它们能够执行复杂的ISR任务。母舰和无人机共同组成了一个强大的蜂群，可以无缝运行，为地面的决策者提供关键的情报和监视数据。在图3中，地面目标的智能任务分配（左）和合作覆盖（右）是通过帕特雷大学开发的蜂群算法执行的。
3.3 自主的、可重新配置的无人驾驶车辆群在国防方面的应用 - ACHILLES
ACHILLES项目（用于国防应用的自主、可重新配置的无人驾驶车辆群）是一个EDA项目，其财团包括希腊和德国的工业和大学。
该项目于2023年1月启动，由佩特雷大学牵头，涉及工业界（ATOS、DroniQ、Scytalys、Intracom Defense）和学术界（佩特雷大学、英戈尔施塔特技术学院和雅典大学）。该项目旨在通过提高自主的、可重新配置的无人驾驶车辆群的TRL来推动无人驾驶车辆群在国防领域的发展和使用，并展示无人驾驶车辆群在国防领域持续监测的能力和准备水平。无人驾驶车辆群的多种好处和潜在应用已被认可，并成为ACHILLES项目的灵感来源。最近的科学和技术进步使无人驾驶车辆能够自主地收集关键数据，以提高对形势的认识。可扩展的、自主的和可重新配置的蜂群可以实现高效的代理协调，并且对故障事件（例如，代理的损失）有很强的适应性。项目的预期成果和创新包括形成新的蜂群能力，以及以安全和高效的方式将无人机纳入军事和民用空域的方法。预计产生的能力将支持基于无人机群的系统和技术的成熟和验证。
3.4 使用有人-无人系统的车队行动--COMMANDS
COMMANDS项目（有人无人系统车队行动）是EDF的一个项目，由来自10个成员国的21个合作伙伴组成的联合体。该项目于2022年12月启动，由Sener航空航天和防务公司领导，执行时间为3年，并得到了七个国防部的支持，提供了共同的要求。COMMANDS项目旨在为敏捷、智能和合作的有人和无人系统开发全寿命能力（TLC）。几个模块系统将成为这个项目的一部分，通过无缝的功能服务和数据交换实现群集能力。载人和无人地面车辆以及无人机将是该系统的一部分。该项目将消除风险并利用技术来解决自力更生的欧盟国防TLC可持续发展的路线图。这些成果将升级目前的地面车辆，并被整合到未来的车辆中。技术演示计划包括一个实验室和一个真实场景的移动演示器，重点是具有部队保护的最后一公里再补给车队。
3.5 无人驾驶交通管理： 欧洲无人机和大都市2
集群技术正被用于民用领域，包括自动驾驶、无人交通管理（UTM）和城市流动。EuroDRONE和Metropolis 2是欧盟SESAR资助的活动，已经证明了集群/自主技术在民用空域安全运行的成功实践，在物流、安全、医疗货运和精准农业方面有重要的商业应用[14]。EuroDRONE是欧洲首批UTM测试中心之一，由帕特雷大学开发和协调（2019-2021）。
4 影响
集群技术使大量的无人机变得高度互联，有能力有效地计划和分配任务目标，做出协调的战术决策，并在最小的监督下对动态环境做出协作反应，同时向人类操作员提出建议。随着蜂群技术的成熟，蜂群军事技术的使用是不可避免的。许多人认为，蜂群的发展可与精确制导武器的发展相提并论，后者在20世纪70年代和80年代进行了测试和改进，但在20世纪90年代初的第一次海湾战争中才开始发挥其作用。蜂群的使用可以使载人防御系统在简单的、低/中水平的、监测、监视防御场景/任务中的使用变得过时，并对攻击系统进行补充，以分散或限制敌方部队。在未来的几十年里，远程操作的单体无人飞行器，如无人机，将逐渐变得过时，因为空中、地面、海上的无人系统将能够部署多个飞行器并作为蜂群操作，从而扩大各种防御任务的范围、监视、ISTAR和攻击能力。
| 在国防方面的颠覆性影响 | 大量（10-100s）的异质无人系统群作为智能单元运行，可用于执行肮脏、危险和枯燥的任务（持续监测）或扰乱对手（攻击敌方战略地点/资产），同时减少人类风险和成本。无人系统群可以成为一种独特的防御能力，这种能力目前还不存在，处于低技术准备水平（<3）。 |
| 激进的愿景 | 无人系统群是一个缩影或激进的愿景，使欧洲新的防御能力，并为无人驾驶/自主系统和防御创造一个新的范式。无人系统群利用欧盟/北约以前在UTM、机器人、传感器、自主性、无人驾驶飞机等领域的国防研发（EUROSWARM、ACHILLES、COMMANDS）和H2020活动（EuroDRONE）来创造一个高风险/高收益能力（无人系统群）。 |
| 突破性的技术目标 | 未来在空中、陆地或海上使用数以百计的无人系统群将创造一种新颖的、雄心勃勃的能力，并取得突破。正如在中东和乌克兰已经显示的那样，使用协调的多倍的无人机智能体可以扰乱军事理论和行动。 |
| 军事意义 | 集群可以成为欧洲主导的史无前例的防御能力。作为一个智能单元运作的多个UxVs将能够执行破坏性任务，从持续的大面积监测（执行枯燥、危险、乏味的任务）到在利基行动中压倒对手，最大限度地减少人员风险、任务成本和提高态势感知能力。 |
表1：集群的创新和影响
集群可以在多个具有社会和经济利益的领域做出重大贡献，如无人驾驶交通管理、自动驾驶和城市交通，所有这些都利用了集群技术。图3显示，根据知名金融机构的预测，到2030年，集群系统的综合市场领域可以达到近9000亿欧元，对民用领域有明显影响。
5 结论
北约的多个防务机构已经宣布打算将集群技术应用于现有的武器系统，如F-35战斗机/攻击机、英国的Tempest下一代战斗机和三方（法国、德国、西班牙）的FCAS飞机/无人机系统。显然，集群技术正在被整合到世界各地的军事能力中，并开始影响国防能力。集群是一项关键的防御技术，它将使多个技术领域得到直接改善，如嵌入式集群、自动化和自主系统的人工智能技术、在非结构化、快速变化、受限和有争议的环境中执行的防御系统合作行动的安全性、效率和有效性。正如在乌克兰和中东冲突地区所显示的那样，蜂群正在通过使用无人机群和闲置弹药来改变战争。因此，为欧洲的国防、安全和繁荣开发自主集群系统是非常重要的，并且可以将关键技术转到民用部门，如运输、机器人和人工智能。
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