想象中的无人机集群

 

当前，无人机是航空器发展的热门领域。伴随着无人机热的持续升温，新概念也大量涌现。分布式无人机与无人机集群便是例子。什么是分布式无人机？什么是无人机集群？二者之间什么关系？对于诸如此类的问题，非专业人士大都一知半解。好吧，我们就来说说这些问题。

 

一、什么是分布式无人机？

 

分布式无人机，即采用分布式结构的无人机。所谓分布式结构，就是将目前集成化的功能系统拆分为若干物理分离、结构相对简单、功能相对专一的子系统，通过信息互通，保持或扩展原有功能。做一个比喻，如果把系统的结构称之为“形”，系统的功能称之为“神”，分布式结构就是“形散而神不散”。

 

 

空中作战从集成到分布

 

分布式结构的概念，由美国人提出。2010年5月，美国空军首席科学家在《技术地平线报告——2010-2030年间空军科学与技术构想》中首次提出了分布式结构的概念。

 

分布式结构是相对于集成化而言的。所谓集成，就是把一些孤立、分散的事物或元素集中在一起，产生联系，构成一个功能整体。集成化的水平，可以用集成度进行度量。以集成电路为例，目前元件的集成度已经超过了1亿个，组件数超过了109个。手机，就是集成化的产物，从最初的单一通话到现在的智能手机，就是元器件和功能模块的集成度不断提高的结果。无人机的发展也离不开零部件、功能模块与单元体的高度集成，集成化带来了无人机功能和运用领域的不断扩展，同时也带来了一些问题。

 

这些问题突出表现在两个方面：一是随着无人机集成度的不断提高，其技术含量和复杂程度也不断提升，研发周期不断拉长，研发成本不断攀升，无人机的成本优势逐渐丧失。目前，就大型高端无人机而言，在单机采购成本上无人机已经没有多少优势，其成本优势主要体现于任务飞行成本。据统计，有人驾驶飞机的训练飞行时间约占总寿命的95%，任务飞行时间仅占5%左右，而无人机的大部分训练都可以在模拟器上进行，任务飞行时间可以达到总寿命的50%左右，因此，无人机的每小时任务飞行费用要显著低于有人驾驶飞机。二是对于高度集成化的无人机，其任一任务系统的损失都可能导致任务失败或系统失灵，从而影响其战场生存力。

 

面对问题，迫使美军思考新的出路，分布式结构也就应运而生。美军希望通过分布式结构推出一大批功能单一、成本低廉、可以大量装备的无人机，部分取代目前成本居高不下的高端无人机，用数量优势取代质量优势。美军认为在一定条件下，数量就是质量。可见，分布式结构其实就是“逆集成化”，是对集成化的反其道而行之。当然，必须指出，分布式结构不是对集成化的否定，而是提供了一种与集成化长期共存的新选择。

 

分布式发展的最大好处是通过拆分和冗余技术的组合，在降低研制、使用费用与风险的同时，还具有远远超过传统武器装备的战场生存力。目前，实现航空武器装备的分布式发展主要面临两大难题：一是通信问题，如何在强对抗环境下保证子系统间通信的有效带宽、时效性和抗干扰等问题；二是自主协同控制问题，空中战场瞬息万变，如何保证物理分离的各子系统围绕作战任务，在作战空间实现快速协同。只有解决了这些问题，分布式结构才能走向实用。近年来，5G通信网络技术和人工智能技术的发展为解决上述问题带来了新的希望。

 

二、什么是无人机集群？

 

集群，是众多个体聚集在一起，实现共同目的的群体协同行为。

 

 

鱼类集群

 

集群现象存在于自然界，如一些鱼类、鸟类、昆虫类和哺乳类等动物的自主集群。动物集群有四个特点：一是无中心，没有任何个体处于主导地位，任一个体的消失或功能丧失，都不影响群体功能；二是自主协同，每一个体依据相邻周边状况，自主控制自身行为，实现群体间的自主协同；三是自主重构，任何原因导致集群受损或受到影响，集群都能够自主恢复或建立新的构型并保持稳定；四是趋利避害，通过集群间的信息、资源共享与相互协作，动物集群可以增加个体发现、捕获猎物的机会，同时也有利于规避天敌，提高个体的生存率。

 

人们关注动物集群由来已久。近年来，随着无人机技术的发展，特别是机间通信技术和自主控制技术的发展，借鉴动物集群实现无人机集群的问题引发人们高度关注。无人机集群，包括同构集群和异构集群。由相同类型无人机构成的集群是同构集群，由不同类型无人机构成的集群是异构集群。推而广之，围绕同一任务，无人机和有人机也可以构成广义异构集群。目前，在研究动物集群的基础上，对于无人机集群问题的研究主要集中在两个方面，一是无人机自主集群的技术实现，二是无人机自主集群的运用研究。

 

无人机自主集群的技术实现。近年来，关于无人机集群的报道屡见不鲜，如今年6月2日，为庆祝建校一百周年，哈尔滨工业大学放飞了1000架四旋翼无人机，进行了灯光秀表演，炫酷全场。此前，2018年7月19日，为庆祝公司成立50周年，英特尔公司用2018架四旋翼无人机在空中打出了“intel 50”字样。目前，固定翼无人机的世界放飞纪录，是2017年中国电子科技集团创造的119架。这类表演可以分为两种情形：一是通过飞行过程的程序控制，实现无人机的空中集群与飞行表演，目前的表演大多都是这种情形。二是通过无人机的自主控制与机间协同，实现无人机的自主集群。真正的无人机自主集群，其实是这种。现有报道中，这种情形极其少见。不是不愿意做，而是绝大多数表演者根本做不到。要实现无人机自主集群，在技术上至少需要解决一系列问题，包括无人机自主控制算法、无人机飞行与环境数据实时采集与传输、宽带大容量抗干扰网络通信链路、飞行任务规划、路径规划、编队控制等。目前，关于无人机自主控制的公开项目主要有美国国防部先期规划局（DAPAR）的“小精灵”项目、拒止环境中协同作战（CODE）项目、美国空军的山鹑（Perdix）项目、美国海军的低成本无人机集群技术项目等。

 

无人机自主集群的运用研究。包括作战使用研究和民用研究。前面提到的美军无人机集群项目中也都包含了作战使用研究。无人机集群主要用于空中突防与防空压制，一是利用集群无人机的低成本优势，大量消耗敌方防空导弹，使对手“打不起”；二是利用无人机集群的数量优势，造成敌方防空预警系统和通信系统的“通道饱和”，使对手“看不见”“动不了”。此外，无人机集群也可以用于对面打击和城市巷战。归根结底，无人机集群用于作战，主要是发挥数量优势，让对手无从招架。无人机集群用于民用领域，同样是发挥无人机集群的数量优势，有望运用于物流快递、农业播种植保、应急救援中的通信组网、遥感对地观测以及灯光秀等。

 

三、二者之间什么关系？

 

就概念而言，二者本质不同，说的是不同领域的两码事。分布式，说的是无人机结构，相对于目前的集成式而言。集群，说的是无人机的使用方式，相对于无人机的单平台使用和小机群使用而言。

 

但是，二者也不是风马牛不相及，而是互为依托，相互促进。如果没有分布式结构，也就很难有真正意义上的低成本无人机，无人机集群也就很难走向实际运用。同样，如果没有无人机集群的相关研究和技术铺垫，分布式结构所要求的信息互通、功能不减也就无从实现。由此决定了二者在一些领域技术上是相通的，在实际发展中也是相互促进的。

 

分布式无人机与无人机集群，为未来无人机发展开辟了新路，并有望带来空中战场的革命性变化。尽管目前二者都还处于概念探讨与技术研究阶段，距离工程化还有很长的路要走，但是未来值得期待，让我们拭目以待。

 

【作者简介】李清，航空工业发展研究中心研究员，航空工业集团公司特级技术专家，从事航空产品发展战略与装备体系研究。