《利用情报、监视和侦察无人机蜂群加强地面作战行动》140页论文

2015年8月27日，美国海军研究生院（NPS）先进机器人系统工程实验室同时试飞了50架自主无人机。这次演示证明，自主无人机群技术正在以令人生畏的速度发展，无人机的部署和控制现在已经可以大规模完成。随着学术界、工业界和国防部门不断将传感器微型化并增强蜂群操作系统，从演示到战术应用的过渡将很快实现。要有效地实现这一目标，就必须致力于确定蜂群传感器的要求以及使用战术、技术和程序。本论文使用基于智能体的模拟、尖端的实验设计和并行计算来深入探讨无人机群的使用，以支持海军陆战队步兵连。该场景是一个基于真实事件的蓄意清除任务，其中步兵连在受限地形中与同级敌人作战。对 30,000 次模拟任务所获数据的分析表明，与目前连级可用的 ISR 无人机相比，无人机群平均可使火力支援小组瞄准并打击两倍数量的敌方战斗人员。对于分级无人机群来说，这使美军伤亡人数最多可减少 50%。对新出现的蜂群进行的数据分析和视觉研究还表明，蜂群的体积加上固有的传感器重叠，最大程度地减少了对传感器的需求。

图 ES-1. 将现实世界转化为模型。论文场景的初始启动条件

在过去三十年里，美国军队作为世界上技术最先进的战斗力量，享有无可撼动的霸主地位。在伊拉克和阿富汗冲突期间，美军采用了以网络为中心的战争，取得了毁灭性的效果和效率（Scharre，2014 年）。然而，经过十六年的持续作战行动，地缘政治竞争对手和好战的非国家行为体正在挑战美军在全球公域内保持 "全域准入 "的能力（特朗普，2017）。

随着国际社会从单极模式向多极体系转变，未来的作战环境将更加复杂和混乱。2016 年海军陆战队作战概念（MOC）警告说，美国的对手正在利用技术扩散、部署混合部队以及强大的反介入和区域拒止（A2/AD）能力，在各级战争中挑战美军。简易爆炸装置 (IED)、商用无人机系统和网络工具不断变得更加经济实惠，并以惊人的速度得到改进，这使问题变得更加复杂。随着美国的敌人越来越熟练地掌握这些技术，他们将寻求获得对当地居民的影响力，并参与城市冲突，以削弱美国在骑兵机动和火力方面的优势（美国海军陆战队 [MOC]，2016 年）。

为了为未来的作战环境做好准备，并确保在整个军事行动范围内的准入，美国需要寻求新的创新方法来重新获得战术优势（特朗普，2017 年）。尽管美国国防部（DoD）将需要许多技术来应对这些新兴威胁，但自主蜂群技术正在快速成熟，并为进入军事人员无法到达或过于危险的地区提供了可行的解决方案（Scharre，2014）。在过去十年中，机器人研究界做出了巨大努力，使自主蜂群技术从概念走向现实。

目前，美国海军研究生院（NPS）正走在自主无人机群技术的前沿。2015 年 8 月 27 日，NPS 的先进机器人系统工程实验室（ARSENL）创下了同时飞行 50 架商用现成（COTS）自主无人机的纪录（Chung 等人，2016 年）。自这一开创性事件以来，其他国家实验室在此技术的基础上，部署了近两倍于这一数字的无人机。因此，随着 ARSENL 和其他同行项目继续增强无人机硬件和蜂群操作系统，从实验到应用的过渡可能会很快发生。毫无疑问，模拟和实验将决定 21 世纪部队如何在未来战场上使用蜂群。

本论文使用基于智能体的模拟（ABS）、尖端的实验设计（DOE）和并行计算来深入探讨无人机群的使用，以支持海军陆战队步兵连。通过执行 30,000 次模拟战斗，论文对战斗条件下的蜂群系统性能进行了量化。论文的主要问题集中在指挥与控制（C2）配置、系统运行阈值和蜂群规模如何影响单元的整体性能。总之，研究旨在让决策者了解不同的控制策略如何影响蜂群性能和传感器需求。

作者使用 ABS 建模环境 MANA-V 创建了一个逼真的战场，并恰当地捕捉到了蜂群的复杂性和自主性。论文中的场景是作者在支持 "持久自由行动 "时经历的实际任务设置。模拟逼真地描述了一个具有挑战性的混合威胁，其目的是阻止美军进入敌方据点。此外，无人机群是以 ARSENL C2 架构为模型的。本研究以 ARSENL 架构和作者的作战经验为基础。

MANA-V 是一种基于智能体的时间步进随机建模环境，旨在进行 "快速转向 "的任务级分析（Lucas，2015 年）。对于决策者或首席分析师而言，MANA-V 可提供任务可视化、对不断变化的战斗的宝贵洞察力以及对传感器使用的直觉（McIntosh, Galligan, Anderson, & Lauren, 2007）。作为一种分析工具，MANA-V 提供了一个直观的界面来高效地构建场景，并具有数据耕作能力，使研究团队能够运行多个场景。

本论文的结论基于一个现实的模型、高效的实验设计以及对三个实验组的严格分析，这三个实验组在 30,000 次模拟战斗中得出了独特的结果。论文研究结果表明，不同的无人机（UAV）控制策略对传感器覆盖范围、间接火力使用和单元伤亡有深远影响。六项主要发现包括

分层蜂群在减少伤亡方面具有最大的潜力，而且与新兴蜂群相比，可以用更少的无人机来实现这一目标。在采用首选蜂群配置时，蓝军伤亡人数有可能减少 50%。
平均而言，两种无人机群都能使 FiST 瞄准和攻击的敌方目标数量是单个 ISR 无人机的 2 到 3 倍。
对新出现的无人机群进行的数据分析和视觉研究表明，无人机群的体积加上固有的传感器重叠，最大程度地减少了对传感器的需求。
分层蜂群的首选使用策略是由六架无人机组成两个子蜂群。每个子群由两架验证无人机和四架寻的无人机组成。在假设条件下，需要 48 架无人机才能在 2.5 小时的战斗中为连队提供 ISR。
应急蜂群的首选部署策略建议部署一个由 15 架无人机组成的蜂群，其中包括 3 架验证型无人机和 12 架搜索型无人机。在假设条件下，需要 60 架无人机才能在 2.5 小时的战斗中为连队提供 ISR。
ISR 规划人员必须了解蜂群规模及其对战斗服务支持的影响。虽然蜂群的首选使用配置仅相差 3 架无人机，但总体任务需求却相差 12 架无人机。在开发蜂群投送/发射平台时，这一基本概念非常重要。