无人系统,无论是遥控操作还是不同程度的自主操作,已经成为国防库存的一部分,除了用于情报、监视和侦察(ISR)之外,还迅速成为作战部队的重要组成部分。无人驾驶飞行器(UAVs)具有数天的续航能力和洲际范围的打击能力,正在重新定义战争理论和作战战术。海军和地面部队将成为无人系统的新领地,而这一领地至今仍由无人机主导。真正的转折点将是人类和自主无人系统的合作,无论是在任何战斗空间。另一个领域将是空中、地面和海军异质无人系统的合作,并迅速形成业务自主团队。重要的是要认识到,无论是基于确定性模型还是人工智能的算法计算,都不能取代人类对手头关键信息的战术判断。所谓的态势感知可以由经验丰富的战场指挥官来理解,而不是由实验室训练的自主系统来理解。在复杂的情况下,特别是在识别朋友和敌人、诱饵以及确定目标的优先次序方面,团队合作将是一个挑战。自主系统将需要学会节约能源和弹药,并具备应对不利情况的生存技能。另一个重要的领域将是开发 "天生自主 "的平台,其性能将超过所有的载人平台,特别是大型平台。本质上,人类注意力持续时间的限制和生物的必要性是国防系统设计者的主要挑战。无人自主系统(UAS)克服了这些限制,同时放弃了人类独特的敏锐性和启发式知识。紧凑的可能性、承担风险的能力和巨大的耐力和范围,以及最重要的是,可以部署的数量超过了每一个方面。无人战场系统领域仍处于起步阶段,具有先驱者的优势,因此将永远决定领导者的地位。该领域属于那些敢于和不畏惧未知和不确定因素的人。这个领域的创新的简单规则是快速失败和快速发展。

1 引言

机器人的第一个应用是在核反应堆中装载和收回燃料棒,这是一项危险的任务,绝对需要使用机械手和夹持器远程完成。由于对柔性制造工厂的需要,工业机器人大举进入生产线。由于机器人具有适应新任务的灵活性,应用机器人完成重复以及危险的任务已成为该行业的一种常态。这些系统的远程操作,无论有无电线,都已经被业界掌握。在第二次世界大战期间,德国人使用了歌利亚履带式地雷。埃弗雷特很好地记录了这个远程操作系统和其他无人系统的发展。歌利亚 "的基本思想是用小而便宜的东西杀死大东西;即使在今天,这也是所有无人系统的主要思想,广泛地说,它是用更少的钱实现更多的东西。任何未来的国防规划都无法想象会遗漏无人系统。传统的防御技术一直依赖于传感器、推进器、制导、军备等核心技术的进步,并在此基础上发展壮大。毫无疑问,这些核心技术的研究将以同样的强度继续下去,然而,使用无人平台的创新将为部队提供前所未有的力量。事实上,今天的无人系统所使用的技术很早就有了,是创新的动力和新的信心水平在推动着新的增长。

日本特种部队的神风特攻队飞行员在一次自杀任务中展示了飞行器的杀伤力,突出了这样一个事实:如果飞行员远程操作飞机,冒险的能力会成倍增加。然而,无人驾驶飞行器(UAVs)的第一个更高的技术应用是用于情报、监视和侦察(ISR)的作用,与有人驾驶的飞机相比,具有更高的续航能力和射程,以及更高的被击落接受度。特别是在航空平台上,取消机上人员提供了巨大的优势;首先,消除了飞行员宝贵生命的风险,其次,可以获得额外的空间和重量。载人飞机只会在非常特殊的情况下参与,将大部分任务留给遥控平台,包括战斗任务。

有必要回顾一下美国的U2间谍飞机在非常高的高度飞行,对苏联执行侦察任务。最初没有武器来击落这些飞机。这种导弹最终被开发出来。美国开发的SR-71飞机可以以3.4马赫的速度飞行,但很快就退役了,改用间谍卫星。现在是无人机填补这一空间的时候了,即使不是完全填补。一群无人机联网并覆盖一个巨大的区域可以提供大量的情报和通信覆盖。

随着学习算法的成熟,人工智能(AI)作为主要推动力的出现将成为无人驾驶系统的主要工作动力。具体来说,基于人工智能的图像处理和推理引擎是最近一段时间的主要发展。其中包括人脸识别,目标的识别和分类--一个人是拿着枪还是拿着杖,一辆车是否是值得的军事目标。重要的方面是人工智能系统可以得到多好的训练,他们的推断能力有多强,当出现反直觉的情况时,会发生什么。必须接受的是,在该领域有经验的人可能会很慢,而且可能会犯错,但当涉及到未知因素时,他的启发式方法和直觉可能是更好的选择。

整个现代战争都取决于通信领域,谁在战场上主导了这个领域,谁就会有巨大的优势。整个无人系统如果没有一个强大的通信系统,就会使自己失去作用。能够与指挥中心有效沟通的空间资产甚至更加重要。

最令人兴奋的是 "蜂群 "的概念,其中蜂群的单个实体可能有非常简单的传感器和控制器,但在一个具有简单蜂群算法的编队中,它们可以成为一支重要的力量,当它们攻击传统平台时,没有人能够对付它们。想象一下,当反舰导弹在其目标附近投放蜂群时,这些携带小型炸药的蜂群实体可以击中战舰的重要系统,或者可以做任何事情,包括将战舰围困。目前,唯一可以想象的针对蜂群的可靠对策是反蜂群。

科学和技术研究将在核心技术和材料科学方面继续保持同样的活力,特别是在非金属材料方面。未来的无人系统研究将更多地以应用为导向,学术界和国防科学家共同合作,调整和配置技术,包括非常严肃的实验室模拟和实际场景的仿真,以及对必须处理这些情况的人工智能引擎的培训。

2 未来的研究方向

审慎的做法是看一下一些可能的未来主旨领域,在这些领域中,可以预期会有显著的增长。建造未来无人系统的技术将与建造传统战争机器的技术相同,然而,有几个重要的应用研究领域将需要立即关注和努力。

2.1 通信系统

首先,最重要的是要有能力与异质系统进行无缝通信,这些系统将有不同的起源和建造日期。所有的东西都不可能是最新的和最先进的。有必要建立一个骨干网,以无缝地处理所有最先进的和传统的系统,以便指挥中心的人类指挥官能够快速更新和理解情况,并给这些无人驾驶系统提供适当的指示。将需要具有容错和快速重新配置能力的分布式通信网络。这些网络应该能够使用多种资源,即卫星、无人机、地面光纤网络、带有或不带中继器的不同频段的无线网络。这些系统将是软件驱动的,有能力用任何可用的最佳资源建立从战场到指挥中心的联系。通信系统需要应对固定电话的物理破坏、无线链接的干扰等。毋庸强调,通信网络应该有强大的加密、解密和认证系统。据说,在未来的任何战争中,谁主导了电磁空间,谁就是赢家。应该承认,现代系统有很强的屏蔽能力和抗干扰能力,它们可以 甚至可以承受高能量的脉冲。使敌方平台失明到支配水平所需的能量水平是巨大的,不切实际的,甚至是不可能的。其次,利用卫星、无人机作为通信平台,可以快速连接备用通信渠道。总而言之,谁拥有更好的和强大的通信网络,谁能更快地处理数据并有效地利用现有的数据,谁就能在战场上处理无人驾驶系统方面拥有巨大的优势。

2.2 有人与无人机编队

有人与无人机编队(MUMT)是一个预期的增长方向,其主要目标是在最大限度保护载人平台的情况下有效打击目标。这带来了一个优越的形势思考者--人类--的优势,这样他就可以指导无人平台达到最佳效果。有人-无人合作可能有许多技术挑战,但它似乎是一个值得追求的研究领域。一个典型的场景可能是传统战斗机与无人平台一起飞行。美国的国际防务、航空航天和安全公司BAE系统公司已经宣布了无人驾驶僚机的概念,并且可以使用无人驾驶僚机的战斗机具有更多的生存能力和更大的杀伤力。诺斯罗普-格鲁曼公司也发表了一篇论文,提出了一个典型的作战场景,即一群无人机干扰敌人的雷达,并在进行救援行动时自主地参与战斗。有人和无人平台之间的合作以及战术场景需要由各自的专业人员进行想象和制定。团队合作的不同场景必须被模拟、仿真,并对人工智能引擎和人类作战员进行培训。

2.3 蜂群系统

无人机、无人地面飞行器和无人水面及水面下系统组成的蜂群可以对没有任何反制措施的常规平台造成不成比例的破坏。一辆作战坦克如果被一群炸药包围,仅凭数量就没有生存的机会。电子对抗措施可能起作用,也可能不起作用,这取决于这些实体被设计成如何在受挑战的环境中运作。很难想象常规平台在面对蜂群时的命运。使用诱饵,如照明弹、金属箔片、高强度辐射来蒙蔽搜寻者、反射器、热信号模拟器的经典方法可能对蜂群没有用。它不像一个单一的弹头朝向目标,你甚至可以用反导弹系统将其击落。无人机群更容易建造和部署,它们可以由一个较大的无人机运送到离目标足够近的地方,但又足够远以保证自身的安全。它类似于从战斗机上远距离发射的反舰导弹。飞机从未进入舰艇防空导弹的射程,但其射程足以让反舰导弹到达目标。

蜂群依赖于蜂群算法,这些算法将通过在计算机模型或实验室的实验装置中的模拟环境中进行训练而发展。Eric Bonabeau、Marco Dorigo和Guy Theraulaz在他们的书中提供了对蜂群算法的良好见解。人工神经网络(ANN)、遗传算法(GA)、模糊逻辑、图论等的组合,成为学习和建立人工智能系统的基本工具。这些基于人工智能的系统和一些确定性的算法将能够处理蜂群操作的一些重要方面,即:蜂群的传播、目标的识别和将目标分配给蜂群成员、目标的优先次序、蜂群的领导和等级制度、它们的操作情绪,即:保存能量、保垒、全力攻击或撤退。就像自然界的蜂群或兽群一样,它们需要具备生物世界的一些特征,以获得更好的效率和生存。有些情况可能是为了部落的更大利益而进行自我牺牲。一个直接的需要是解决识别朋友或敌人的问题,并在与指挥中心失去联系时以最佳方式采取行动。一群无人驾驶的战斗坦克的成本和大小将是四分之一,并且有更多的装甲来打败传统的反坦克射击。

在极低地球轨道上的太空卫星群具有较短的寿命,将给部队带来优势。将会有一种 "军事物联网 "的出现。

未来的战场如果没有各种蜂群将是不可想象的。武装部队别无选择,要么尽快接纳它们,要么面对它们。

2.4 先天自主性

不难预见,超音速无人驾驶作战飞机的出现,以及类似的无人驾驶作战坦克、无人驾驶海军舰艇和潜艇的出现,与现有的常规平台相比,其杀伤力要大很多。这些系统将以自上而下的方式设计为 "天生自主",并能够在人类指挥官的指挥下以群组的形式运行,战术上避开障碍物、与指定目标交战等任务都是自主完成的。诺斯罗普-格鲁曼公司的X-47B已经完成了半自主和自主模式的飞行试验。预计它将在半自主模式下投入运行。

直观地讲,可以理解的是,不能让自主系统自己操作,因为它们是根据所学的内容来操作的,对于不熟悉的和大纲以外的问题,人工智能可能没有答案,但在完全不确定的情况下,人类的理解力可能要好得多。像无人驾驶作战坦克这样的大型平台可以在半自主模式下运行,其中发射武器的决定将由人类控制,而其他操作,如避开障碍物和移动将是自主的。一个操作员控制几个平台的可能性将需要有效的算法开发,最重要的是培训。

将接近报废的常规平台转换为无人系统是另一种选择,以便在 "先天自主"类型的系统扩散之前拥有一个相当大的无人系统基地。这样的转换需要非常小心,因为大多数子系统可能需要调整和手动调整,甚至是修改。战斗机、作战坦克、海军舰艇包括潜艇的转换可能需要更深入的研究,如果是许多大型平台,可能不值得努力。未来具有可比火力的无人系统在尺寸和重量上将更小,并将携带更多的传感器,而且必然会有一个完整的健康监测系统。

2.5 改变战场

推动未来发展的另一个重要方面是大型平台面对不断发展的导弹技术时的脆弱性。寻的器变得更加智能和精确,推进系统变得更快,而高超音速导弹也不是很遥远。现在已经到了装甲部队更难战胜弹药的阶段。除非使用大型航空母舰的部队能够完全支配敌人,否则大型航空母舰的前景确实很暗淡。抵消这种情况的唯一方法是拥有大量的无人驾驶系统,形成无法对抗的集群。需要注意的是,任何反制措施的发展都会滞后于任何新的战争武器。目前,无人系统,尤其是蜂群具有这种优势。任何拥有蜂群打击能力的武装力量都将在战场上拥有巨大的优势。

指挥中心将需要大量的软件来吸收来自无人驾驶系统的巨大数据流。人类不可能处理和控制具有不同任务的多个蜂群,因此,指挥中心的软件工具需要具有优先考虑的能力,并为人类决策者提供图形化的情况,以便向自主无人平台蜂群发出指令,有效地完成任务。首先,我们应该建立这样的指挥中心,能够处理巨大的通信流量。其次,软件应该能够吸收数据并大致推断出情况,并提出人类指挥官必须知道并采取行动的重要和关键信息。

军事硬件的库存将是异质的,种类繁多,这与维修专业人员的意愿相反。使用传统的记账和存储方法将是不可能的。幸运的是,可以建立具有健康监测功能的系统,其升级和维护记录可以通过软件集成来实现自动化,大部分传统的存储管理也可以实现自动化。库存的种类和巨大的类型反而是可取的,而不是维护的祸根。即使从管理的角度来看,这些系统的自动化也会使尾牙比率下降。然而,这些系统的技术支持需要工业企业的支持,无人驾驶系统和人类指挥官的培训需要特殊的实验室基础设施。

2.6 未来水雷战

目前,压力驱动型和影响型地雷被埋在地下,这些地雷等待着敌人的战斗坦克不小心踏过去而启动。埋设的地雷将真正被埋入历史,原因有二:第一,埋设数公里的地雷将无法阻止敌人,因为地雷探测已经变得更快,用扫雷器或布雷器或拖网清除一些地雷的突破口将形成车辆安全通道。强大的扫雷系统可以在一两个小时内清除一条车道,而敌方车辆可以突破,使苦心营造的雷区完全失去作用。其次,有可能设计出具有智能和移动性的地雷,使雷场具有致命性。未来的雷场将是智能化的地面地雷,对任何企图突破的行为进行监视,这些地雷也可以是移动的,可以迅速治愈雷场,拒绝敌方车辆和部队通过,同时为自己的车辆和人员提供安全通道。这样的智能雷场将是可怕的,并为惩罚敌人提供更多时间。

海底水雷是致命的,因为它们无法被探测到,拆除它们的唯一方法可能是派遣一艘无人驾驶的水面下的船只来目测和消除地雷。目前,海面下的地雷是由耐力有限的特殊破雷船破除的。无人驾驶的破雷自主车辆群可以有效地执行探测和解除这些地雷的任务。

无人机的另一个未来应用是通过各种手段物理拦截低空巡航导弹和其他导弹来保护机场。这个概念类似于地面或海上的雷区。用无人机群在机场周围设置雷场,可以完全保护机场不受任何入侵。蜂群的方法之一可能是几个无人机携带像网一样的物理屏障,并将网置于来袭导弹的弹道中。这些可以自主操作,而友军的飞机将在蜂群提供安全通道的情况下没有任何问题地运行。

2.7 无人系统隐形技术

拥有隐身技术的第五代飞机将拥有巨大的优势。具有相同水平的隐身技术和较小的雷达截面的无人机将成为一种可怕的武器。如前所述,常规平台的所有技术都将流入无人驾驶系统。如果这些系统的群集,最初从群集中分散开来,汇聚到一起攻打敌人的阵地,如机场等,这将是一种致命的和可怕的武器。当出现反战时,隐身能力将变得很重要,在这种情况下,谁能给谁带来惊喜将成为制胜点。内部武器舱、合并机身的飞翼和蛇形进气口将成为UCAVs的基本特征。带有雷达吸收夹杂物和涂层的复合材料以及具有最小反射边缘的变形翼将是未来的趋势。

2.8 无人战场雷达

不难猜测,现有的雷达在对付RCS非常不明显的小型无人机时有什么缺点。这些雷达从来就不是为这个角色而设计的。为了谨慎起见,我们应该指出这样一个事实:能够提供最远射程的最节能和紧凑的雷达取决于材料技术和特定半导体技术的制造技术。这是一个被严密保护的技术领域,这些技术中最好的技术将被列入拒绝名单,以便技术发展国家始终保持领先。长期以来一直如此,除了先进的半导体之外,所有先进材料也将继续如此。能够对大面积地区进行监视的天基雷达也将提供巨大的优势。然而,另一种方法是拥有无人驾驶的预警监视飞机,其机载雷达以蜂群的形式运作,并持续提供集体情况数据。这不仅可以提供敌方机场行动的数据,还可以提供地面活动的数据。

由无人机或无人水面舰艇进行的海面监视将提供对水面舰艇活动的情况了解。然而,最具挑战性的部分是次表层领域,其传感器的范围非常小,而且介质的不一致性使得探测潜艇极为困难。适当的做法是让较小的无人潜水艇在感兴趣的区域运行,以探测任何敌方的潜水艇。

2.9 国产或进口系统

与传统系统不同,无人驾驶系统非常容易受到外国供应商可能在代码中实施的杀伤开关的影响。事实上,从外国提供的所有高科技系统都有保障措施,使武器不能被用来对付原产国,因为它可能落入坏人之手,或者进口国可能在未来变成敌对国家,这不是什么秘密。其次,必须认识到,无人系统的主要优势在于其数量和在必要时被牺牲的能力,所有进入这些系统的技术总量都是成熟的技术,设计创新是优势的主要支点。因此,可以得出结论,在国内用已经成熟的技术建立可信的无人系统是可能的。由于数量、种类和不同的尺寸会很高,谨慎的做法是,本土系统应以比发展本身更快的速度引进。

同时,软件升级和诸如传感器单元等组建的升级必须经常进行,至少以三年为一个周期,电子和软件的完整升级寿命最长为10年。无人系统的数量和它们的赌注在未来将继续增长,这有很多原因。武装部队总是期待着技术上最好的产品。然而,技术的创新和应用的增长将是如此之快,以至于超过了传统的现场试验、采购和诱导时间周期。非常规的系统需要非常规的入伍方式,而武装部队需要一些创新的管理过程。平台和技术集合体有不同的生命周期,随着新的步伐,必须尽早考虑预先计划的产品升级。一些未来的技术可能仍处于理论或早期实验室阶段。更快的诱导和升级的经济性既不会打动管理者,也不会打动财务控制人员。

3 结论

无人战场系统,尤其是 "神风 "无人机,已经经过了实战检验。具有非常有效的人工智能的蜂群技术将在战场上几乎是无敌的,具有无可比拟的优势,因为传统平台目前对这种蜂群没有任何对策。主要的驱动力将是利用已经证实的技术的创新设计,并探索和利用人的生命不受威胁时的独特优势。在人工智能系统的开发和实施以及针对特定场景的蜂群训练方面的应用研究有巨大的潜力。作者第一次接触人工智能是在1996年,当时印度孟买理工学院的一位研究学者正在研究人工神经网络,他咨询确认网络是否在学习。 该网络的学习能力确实令人惊讶。后来,作者在研究了一些关于蜂群的学术著作后,于2008年写了一篇内部论文。然而,所进行的研究并没有形成一个可交付的产品。

现在用于先进常规平台的所有先进技术将被部署在无人系统中,这将更加有效。有效的载人-无人机组队可以给作战部队带来不对称的优势。

由于常规导弹系统和定位技术的巨大进步,大型常规平台更加脆弱,但也因为无人系统的蜂拥而至。陆地和海上的地雷战将被重新定义,无人预警和监视群将是关键领域。

指挥中心将需要智能推断引擎,以吸收来自无人系统的数百个传感器的大量数据,并将可理解的数据呈现给人类指挥官,以便他们做出关键的决定。

诱导一个创新的首创系统具有先锋优势,因为不存在针对这种系统的对策,这将为先锋提供不对称的优势。这不是一个等待和观察心态的领域。在这里,创造者和先驱者拿走一切。自主无人战场系统有无限的可能性等待我们去探索。

有必要在每个行动领域建立专门的无人驾驶战场系统开发中心。在我们建立和测试这些系统时,"天生的无人驾驶 "将有不同的设计原则需要发展。学术研究人员和设计专业人员之间需要协同合作,特别是在算法和软件的开发方面。谨慎的做法是强调确定性的算法是基础,而基于人工智能的算法则是通过计算机和物理模拟的系统学习过程中产生的。健全的算法构成了无人驾驶战场行动的支柱,尤其是在有挑战的环境中。最后,控制战斗的人类指挥官将根据他们的启发式方法和直觉做出最后的决定。

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