1 引言

近年来,"蜂群 "和 "构建蜂群"是无机组系统界最普遍的流行语之一,不仅包括航空器,还包括陆地、海洋、水面以及水下的无人系统。然而,什么是蜂群,或者它需要拥有哪些基本能力,还没有正式定义。北约的无机组飞行器社区最近开始为上述术语制定定义,以最终正式确定各自的术语供官方使用,但由于不同社区对什么是蜂群有不同的解释和观点,很快就陷入了困境。因此,以空中为中心的定义可能不太适合于其他领域。

本文旨在概述挑战,并在讨论未来 "蜂群 "的定义及其在无人飞行器背景下的相关术语提供思考素材。

2 定义的目的

每个术语的定义都需要满足一个目的;否则,它就没有意义,也不需要被定义。例如,遥控飞机(RPA)被定义为 "由经过培训和认证的飞行员控制的无人驾驶飞机[......],其标准与有人驾驶飞机的飞行员相同。"因此,使用RPA一词表明操作飞机需有一定程度的飞行员资格要求。以同样的方式,需要同意该定义是为哪些条件和目的服务的,即在哪些情况下需要它。

定义 "蜂群 "所面临的挑战是,适用的用途差别很大,一种用途的定义参数可能与另一种用途不相关。为了概述这一挑战,下面介绍了一些例子。

作业用途。使用蜂群来实现军事效果是基于需要解决的军事问题。只有当蜂群功能与其他解决方案相比能带来军事利益时才会被采用。所期望的效果在本质上将符合能力要求的定义,因此,需在采购者的法律框架内。实战化蜂群技术并按照适用的国家和联盟立法、交战规则以及战术、技术和程序进行操作,可能需要一个定义,该定义提供了关于军事能力、远程操作模式、指挥和控制手段以及人类互动程度的说明。

开发者用途。需要充分了解潜在的蜂群功能,以便从开发者的角度确定军事使用的好处。开发蜂群技术和实现蜂群行为的正确执行可能需要复杂的自主性和人工智能应用水平,使人类能够将蜂群作为一个整体进行操作,但不需要(甚至不允许)控制任何单独的蜂群实体。因此,这种用途的定义可能集中在自主性水平、其在硬件和软件中的技术实现以及蜂群功能在其系统中的适应性。

反蜂群用途。在观察和防御蜂群时,自主性水平或指挥和控制手段并不那么重要。从这个角度来看,实体的数量、它们的观察行为以及它们假定的蜂群能力是最相关的问题,因此也是决定性的因素,不管蜂群实体是人工控制还是自主操作。识别一个较大的实体群是否有资格成为蜂群的挑战随着展示的蜂群行为的复杂性而增加。

在其他情况下,"蜂群 "一词的定义可能需要偏离或替代,以达到其目的。为了解决这个难题,有两个选择。首先,为每一种用途制定多个定义,其次,找到一个可以服务于所有(或至少是大多数)用途的共同标准。由于多种定义有可能在不同的用户群体之间造成混淆和误解,因此第二种选择更受欢迎。每个用户群体以后可以将其具体要求作为子类别术语附加到一般定义中,类似于RPA,它是 "非螺旋桨飞机 "这一总体定义下的一个子类别。

3 共同标准

这就给我们带来了一个挑战,即为总体的蜂群定义确定一个共同标准。通过观察蜂群,特别是其行为,可以发现共同点,不管它是由空中、陆地还是海上的无人系统组成,也不管蜂群的行为是实际执行的还是只是被感知的。因此,一个总体的定义应该从蜂群的外部外观和视觉感知开始,而不是关注其内部运作。后者可以用子类术语来涵盖和区分。

4 蜂群行为

在开源研究中,有许多关于蜂群行为的定义,但它们主要描述的是同一个概念,通常将蜂群智能作为一个前提条件。例如:

  • "蜂群是大量个体组织成协调运动的现象。仅仅利用环境中他们所掌握的信息,他们就能聚集在一起,集体移动或向一个共同的方向迁移"。

  • "蜂群智能是对分散的、自组织的系统的研究,这些系统能够以协调的方式快速移动"。

  • "在蜂群机器人学中,多个机器人通过形成类似于在自然系统中观察到的有利结构和行为来集体解决问题,如蜜蜂群、鸟群或鱼群"。

  • "蜂群智能源于动物的自然蜂群行为,可以定义为相同大小的动物表现出的集体行为,聚集在一起解决对其生存至关重要的问题。蜂群智能可以被定义为简单代理群体的新兴集体智能"。

上述所有定义的共同点是形成蜂群的个体的 "协调运动"。集体智能也被提到是实现这种行为的关键因素;然而,观察者将无法确定蜂群的协调运动是基于集体智能还是通过其他控制手段。因此,在总体定义中,集体智能是一个需要考虑的次要属性,需要由后续术语来涵盖。值得注意的是,未来的技术,包括人工智能和机器学习应用,可能使观察者能够确定一大群实体是否拥有可能造成更大威胁的额外蜂群功能。因此,"集体智能"或类似的可识别的蜂群功能可能被纳入定义中。

【值得注意的是,"多个蜂群元素 "原则上意味着,任何数量大于1的单位,如果从事蜂群行为以提高整体单位的集体能力,都可以被视为一个蜂群。由于没有专门的系统,识别蜂群行为几乎是不可能的,因此,除非另有证明,否则最好将看似一起行动的多个实体视为一个蜂群。更高的数量会放大蜂群行为的好处。另外,各个实体不需要完全相同,只需要兼容,作为蜂群的一部分解决军事问题。】

5 单个蜂群元素的数量

根据上述定义推断,蜂群的另一个关键要素是参与的实体数量,但没有明确规定最低数量。是否有一个阈值需要跨越,以脱离传统的分组方案,如中队、航班,从而有资格成为蜂群?同样,我们有几个选择:

1.将任何由两个或更多元素组成的编队都归为蜂群。

2.将蜂群定义为超过特定数量的单个元素的群体,其数量高于上述传统分组。

3.避免任何具体化,将这一细节再次留给后续的分类学层次。

为了避免限制性太强,并允许有子类别,建议采用最后一种方案。术语"多个蜂群实体"很好地表达了建议的 "非特定性",并将在文章后面为此而使用。

6 空间分布

上述可观察到的特征,即 "协调运动 "和 "多个蜂群元素",并不意味着各个蜂群实体之间有最小或最大的距离。已经有了采用广泛分布的无机组的飞行器来转播无线电通信或向偏远地区提供互联网连接的概念。单个航空器之间的距离可能是数百公里,以提供大面积的覆盖。即使在较小的规模上,蜂群实体也可以在仅几百米的距离内以协调的方式运作,以观察一个地区或攻击具有多个影响点的较大目标。如果不能对群体(或蜂群)进行整体调查,那么这些实体是否遵循预先确定的和不协调的模式或执行协调行动,对观察者来说可能仍然是隐蔽的。因此,蜂群的空间分布不是一个总体定义的限定因素,而且会不必要地限制其应用,尽管这些特征可能在反蜂群活动中发挥作用,并在随后的术语中加以定义。

7 人与人之间的互动

在谈论蜂群技术时,人们广泛讨论了不同的自主性水平和相应的人类互动水平。例如,自主性水平越高,在实际任务中对人类投入的要求就越低。显示出一套完整的蜂群行为的蜂群很可能处于自主性等级的高端,将人类互动的必要性降到最低。也可以假设这种人类互动适用于整个蜂群,以控制总体的蜂群功能,而不是单个的蜂群实体。然而,在观察由单个空中、陆地、地面或地下飞行器组成的蜂群时,很难确定其自主性和人类互动水平,因此对于总体 "蜂群 "的定义而言,这不是一个相关因素。为了不限制定义的适用性,这些特征应该用一个子术语来描述,如 "智能蜂群"、"自主蜂群 "或类似的措辞,因为它们肯定在研究和开发、蜂群就业方面具有适用性,而且可能用于法律目的。

8 蜂群的能力

人们通常认为,组成一个蜂群可以增强或产生单个系统无法实现的能力。蜂群可以被认为是一个系统簇,它可以执行预先设计的功能并提供一个或多个(军事)效果。这些效果要么直接受益于蜂群行为,要么间接受益于单个系统能力的组成,作为一个组合的蜂群功能。这种好处需要从能力要求、作业和防御的角度清楚地理解,并且可以与其他军事用途的定义联系起来。一般来说,蜂群行为是任何蜂群能力的基础。然而,蜂群能力可能因使用的系统类型而有很大的不同,而且与蜂群行为相比,不能观察到,只能在执行前假设。因此,能力声明被认为不适合作为总体定义,还应该由下属术语涵盖。

9 定义提议

一个定义取决于蜂群的预期用途。由于蜂群应用提供了各种用途,本文建议从一个总体定义开始,并在下属术语中涵盖各个使用属性。

以下是一个总体定义建议,涵盖并支持所有军事领域及其各自的无机组人员系统,随后对定义的每个术语进行了解释。

形成。这应表明蜂群元素之间的空间相关性,同时有意不进一步描述其具体组织。这就为各个蜂群元素之间的各种距离和空间安排留出了分类的空间。

多个。蜂群可能由少数甚至数百个元素组成,但至少要超过一个。不具体的术语 "多个 "允许该定义适用于所有类型的蜂群,无论其参与元素如何。定义一个具体的数字对于任何下属的术语来说也将是困难的。可以对小型蜂群中的 "可计算的数量 "和大型或大规模蜂群中的 "不可计算的数量 "进行区分,这可能有助于区分人类或技术系统被接近的实体所淹没时的威胁。

实体。它包括所有类别的无人系统,包括空中、陆地、地面和地下系统。如果计算机程序或卫星系统的协调行动是北约未来的选择,这个术语也可以适用于网络和空间领域。可以考虑使用从属的术语,例如,无人驾驶飞机系统群(UASSw)或无人驾驶地面车辆群(USVSw)。

显示协调的行为。蜂群的内部运作和技术机制可能有所不同,对于某些用途,定义甚至可能不需要审查这些内部特征。本文所确定的共同点是蜂群的行为,包括可以观察到的协调动作和行动。故意不说明这些协调行动是如何实现的。实现蜂群功能的技术手段可以用随后的术语来表达,如 "自主蜂群 "或 "智能蜂群"。

朝着一个目标前进。这是为军事背景服务的,因为可以假设蜂群总是指向一个目标,以实现其特定的任务目标,从简单的现场调查、情报、监视和侦察,到打击或自杀任务。这可能与军事背景以外的情况无关,可以不提。

【蜂群是由多个实体组成的,它们朝着一个目标表现出协调一致的行为。】

10 结论

为 "蜂群 "找到一个一致的定义是一个困难的挑战,因为在所有的军事领域和民事应用中都有很多用途。要在北约内部实现对蜂群定义的广泛接受,唯一的解决办法是确定所有蜂群特征的共同点,将定义减少到最低限度,并将专门用途的具体细节留给下级术语。

作者

安德烈-海德尔,中校是一名炮兵军官,在指挥与控制和作战计划方面有超过15年的经验。他是JAPCC的无人驾驶飞机系统主题专家,已有十多年的经验,并代表JAPCC参加北约联合能力小组的无人驾驶飞机系统和北约反无人驾驶飞机系统工作组。他撰写了关于无人机系统和C-UAS的操作和法律问题的多项研究、书籍和文章。

安德烈亚斯-施密特,中校于1993年加入德国空军。在军官学校学习后,他在慕尼黑的德国武装部队大学学习计算机科学。自1998年以来,他在地基防空方面建立了广泛的背景,特别是爱国者武器系统。他开始担任战术控制官,随后在不同的 "爱国者 "部队中担任侦察官、炮台执行官和炮台指挥官。此外,他曾两次不连续地被派往德克萨斯州的布莱斯堡。在这之间,他曾在前空军师担任A3C的任务。目前,他是JAPCC的综合防空和导弹防御/弹道导弹防御中小企业。

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