以智能為核心的無人機系統課程體系設計

牛軼峰　賈圣德　李杰　王祥科

摘要：國內外無人機系統的快速發展對無人機系統專業人才的需求越來越迫切。文章針對無人機系統“自主性”這一典型特征，結合我國發展現狀和大學實際，建立以智能為主線和以OODA（觀察一判斷一決策一行動）為環節的無人機系統課程體系并對課程體系的實施提出建議，為智能無人機系統領域高素質創新人才的培養提供參考。

關鍵詞：智能；無人機系統；課程體系

1背景

無人機具有機動性強、適應能力高、續航時間長、無人員傷亡、制造/訓練/維修成本低等獨特優勢，可以代替人執行“枯燥的、惡劣的、危險的、縱深的”任務，已成為現代戰爭的“千里眼”和“殺手锏”。無人機系統是機械化和信息化高度結合的產物，通常包括無人機平臺、任務載荷、通信系統、控制站、發射與回收、保障運輸等分系統，其與有人機系統的最大區別在于不需要人在座艙內進行操作。進入21世紀，無人機系統的使用需求和任務能力發生新的變化，需要應對多機協同以及提高自主決策能力的挑戰，從自動化技術開始向智能化技術方面發展，一方面要具備自主行為，另一方面要實現“無人/有人、無人/無人”的協同使用。要使無人系統實現自主與協同的功能，必須有人工智能技術的支持，這是由于無人系統要代替人執行各種任務，而這些任務本身需要一定的智力敏銳性，因此無人系統只有在某種程度上具有人的智能，才能模擬人的行為完成既定任務。無人系統是人工智能技術最典型也最為集中的應用對象，無人系統對環境的理解、行為決策、路徑規劃、集群控制等問題以及人工智能的模式識別、問題求解、專家系統、多智能體、機器學習等理論與方法提出新的挑戰。

我國無人機種類和數量都在快速增長，對無人機系統人才需求日益強烈，要求不僅能夠熟練操控無人機，還能對無人機系統涉及的信息獲取、處理、決策與控制等環節深刻理解和運用。只有理解并掌握無人機系統中所使用的各項先進技術，才能充分發揮無人機系統的最佳性能。

2國外無人機系統人才培養現狀及發展趨勢

作為世界上無人機系統發展水平最高的國家，美國無人機的列裝規模、技術成熟度以及研發投入均已經增長到可與有人機相匹敵的程度。美國國防部在無人機系統近5年（2011—2015年）撥款總額高達300億美元，截止2013年7月，其采購的無人機數量已達10000余架之多，涵蓋從單兵到旅團的多個裝備層次，相應無人機系統的專業人才數量已超過戰斗機和轟炸機相關人員，這種差距呈現加速擴大的趨勢。預計2030年左右，無人機作戰使用人員將占到份額的絕大多數。

2.1美國無人機系統專業人才培養現狀

無人機裝備數量和性能的快速提升與高素質人才短缺之間的矛盾日漸突出，無人機專業人才數量的短缺和水平的不足開始嚴重制約無人機作戰效能的發揮，已引起美國國會的高度重視。如何完善無人機領域的人才培養體系，教育和訓練出高素質的無人機領域專業技術人才和指揮人才，成為最近幾年美國國會關于無人機領域的重要議題。

1）大規模多類型無人機系統的快速列裝急需培養大量的無人機工程專業人才。

進入21世紀以來，無人機在以伊拉克戰爭、阿富汗戰爭、利比亞戰爭為代表的實戰中得到空前發展。無人機投入實戰應用主要有3種方式：第1種是單兵裝備，如“大烏鴉”手拋式無人機配備到士兵一級；第2種是為執行特定任務單獨成軍，如先后成立于2002年和2004年的“捕食者”和“全球鷹”無人機中隊；第3種是混合編制，如海軍的“X-47B”無人作戰飛機未來將與“F-18”“F-35”等艦載戰斗機混合編隊實現協同作戰。后兩種形式裝備對專業人才的需求更為突出，如一個“捕食者”無人機系統由4架帶傳感器和數據鏈路的無人機、1個地面控制站、1個“捕食者”主衛星鏈路、地面保障設備和65名機組人員構成。美國空軍為保障MQ-1“捕食者”、MO-9“死神”無人機的65條24小時空中戰斗巡邏圈（CAP）的任務需求，2017年將增加到19 500名無人機操作和維護人員，但這種人才短缺情況到了近兩年仍然未能明顯改善。2015年，美國政府問責局（GAO）對空軍無人機部隊訓練的7個抽樣表明，由于無人機操作員的缺乏，這些部隊只完成了原計劃35%的訓練任務；陸軍情況更加嚴重，大部分沒有完成基本訓練任務。

2）人才培養體系呈現多崗位、多裝備、多基地、多生源、多層次等特點，不同軍兵種培養體系相對獨立，缺乏聯合作戰的通用性基礎。

美國各軍種對當前無人機的任務需求、裝備現狀及隸屬關系要求不同，因而造成現有對無人機專業人員的培養是松散的，其體現在學生來源、任職安排、培養流程等方面。美國空軍裝備有多型中高端無人機，用來執行情報偵察、遠程打擊等復雜使命任務，需要的相關崗位眾多，如RQ-4“全球鷹”無人機任務控制單元的機組成員就包括任務控制官、指揮控制員、任務規劃員、通信操作員、情報分析員、維護技師等，MQ-1“捕食者”包括飛行、傳感器、常規數據分析、任務規劃、通信等多個崗位。空軍對相關人員的培訓主要在倫道夫基地和拉克蘭基地展開，原則上要求無人機操作員候選人必須是有人機飛行員或是具有聯邦航空局商業飛行執照和儀表飛行等級資格的導航員或已停飛的飛行員。相比其他軍種要求飛行操作員需要是有人機飛行員出身，陸軍不作此項要求。無人機主要的RQ-11“大烏鴉”在喬治亞州本寧堡的陸軍最佳機動中心開展訓練。

2.2美國無人機系統專業人才培養的發展趨勢

進入21世紀10年代以來，以人工智能為代表的一大批新技術的不斷變革，促進戰爭模式向精確化、信息化、智能化聯合作戰為主導的新型作戰模式轉變，同時也對無人機系統專業人才培養提出新的要求。

1）為支持多種類型無人機系統聯合作戰，對人才培養的深度和廣度提出更高要求，需要加強院校學歷人才的培養。

美國每種無人機系統都有專門的訓練項目，這就使得無人機系統操作員缺乏戰場交互操作能力，各機型操作員無法操作別的無人機系統，無法實現協同作戰，這對操作員個人的知識結構和理論深度提出極高的挑戰。美國國防部指出由于技術、戰術與規程（TTP）不斷發展，無人機操作員除了接受專門的訓練，其培訓的內容深度還要能夠支持某軍種的任務，訓練的廣度要允許操作員融入聯合作戰環境。采用基于院校的通用化學歷教育培養方式，將通用教育和崗位教育相結合，使無人機操作員既具備最初的任職資格能力，又要有提升空間，具備很強的崗位適應能力。目前，美國已經大約有100個學院和大學開設無人機相關培訓課程。安柏瑞德航空航天大學在2012年開始無人機操作員培訓。美國海軍研究生院也設立了航空宇航工程專業，為美海軍無人機人才培養提供一定支持。美空軍無人機飛行員和操作員主要由飛行員轉任，這些飛行員大多畢業于美國空軍學院（USAFA）。

2）不同無人機系統培養內容在基本原理和基礎知識上存在共性，在使用方式、使命任務等方面則具有不同特性，需要統籌好拓寬知識結構與精通實踐運用的關系。

潛在的無人機訓練需求規模龐大，裝備無人機多樣化，適用于所有無人機操作人員的通用核心課程和裝備實踐分開的方式，可以在顯著提高訓練數量和質量的同時，減少成本和時間周期的代價。美國空軍、陸軍、海軍以及海軍陸戰隊按照區分共性與特性的原則，將無人機操作人員培訓合理地分成2個階段：第1階段對操作人員統一進行通用核心課程教育和模擬器訓練，拓寬學員知識結構；第2階段再針對裝備的特性分不同基地進行深入實踐，緊貼作戰需求，學以致用。

3）智能化程度的提高成為各國對無人機系統能力躍升的共識，與以機械結構為對象、屏幕界面為主導的傳統操作方式相比，更需要操作員懂得信息處理、博弈決策、智能規劃等內在原理。

未來20年內，自主能力將會得到飛躍式提升，從而緩解“鏈路丟失”的情況，同時保證忠誠僚機能夠完全與有人機、遙控駕駛飛行器（RPA）以及其他小型無人機系統（SUAS）集成。此外，半自主作戰將會改變集群與多機控制（MAC）的有關概念，使一位操作員能夠為戰場空間內的多架SUAS分配任務并進行管理。“隨著自主能力的加速發展，需要加快利用觀察一判斷一決策一行動（OODA）回路，更快地向決策者提供關鍵信息；在未來應對高科技敵手的作戰任務中，這將是一種非常關鍵的手段”。美國防部文件3000.09指出，美國空軍在繼續規劃“人在回路中”操作的同時，應當著力提高自主能力，通過多機控制降低對人力的需求。

3我國無人機系統專業人才培養體系構建

3.1我國無人機系統專業人才培養現狀分析

我國無人機系統正處于快速發展階段。在民用無人機方面，諸如“大疆”“零度”等消費級無人機迅速崛起，據報道無人機數量已超過10萬架并迅速搶占國內外市場；軍用無人機方面，如“彩虹”“翼龍”“翔龍”“利劍”等高端無人機性能也不斷提升，開始承擔偵察甚至攻擊任務。目前，無人機的使用發展呈現以下趨勢：①未來將逐步替代有人機執行情報、監視和偵察（ISR）任務；②實現從信息支援類無人機向火力打擊無人機發展；③以發展通用平臺為基礎，向模塊化和互操作方向發展；④無人機系統向更高的自主能力發展，實現“人在回路上”監督控制；⑤從獨立使用向有人一無人協同、無人機集群使用發展；⑥從傳統的航空空間向臨近空間發展。

隨著我國各種中高端無人機系統的大量快速應用，無人機數量和性能的快速提升與高素質無人機專業人才短缺之間的矛盾日漸突出。目前，無人機設計制造、指揮控制、任務規劃、情報分析、維護保障等無人機工程專業人才數量的短缺和水平的不足，已開始嚴重制約無人機系統使用效能的發揮，同時察打一體無人機、無人作戰飛機等高端無人機的人才培養需求越來越大，特別在聯合作戰背景下，適應無人一有人協同作戰的人才培養也十分緊迫，為此在綜合型大學開設無人機系統專業已經勢在必行。

目前，國內航空類院校如西北工業大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等已開設無人機相關專業，培養無人機系統領域設計、制造和使用專業人才，但這些專業分散在各學院的相關學科，未進行有效整合。軍事類院校如空軍工程大學、軍械工程學院、陸軍軍官大學等開設了無人機運用工程等專業，培養無人機領域的指揮、控制和維護人才，但還無法滿足實際應用的需要。一些職業院校如天津現代職業技術學院、西安航空職業技術學院等開設了無人機應用專業，主要進行無人機“飛手”的任職培訓，培訓合格的人員可獲得無人機駕駛員或機長的資格證書。

總的來說，目前對無人機系統的認識還停留在機械化平臺階段，并未進入信息化系統，更不要說智能化體系階段；對無人機的應用主要是“能飛會用”，還缺乏對原理的理解以及對無人機的感知、規劃、控制等自主系統的認知；對無人機的發射回收和維修保障還停留在大量人力需求上。為適應多種無人機協同使用及融入有人機融合空域的需要，必須加強無人機專業人才培養的深度和廣度。雖然不同無人機的使用方式和使命任務各具特點，但是其原理和基礎知識基本相同，因此需要突出無人機系統的信息化和智能化特征，構建出以智能為主線的無人機系統專業課程體系，培養無人機系統領域的新型高素質創新人才，服務于我國國民經濟和國防領域無人機系統的發展。

3.2以智能為核心的無人機系統課程體系構建

2014年，國防科技大學緊貼我軍裝備由機械化向信息化和智能化方向發展的趨勢，依托控制學科、機械學科和儀器學科，在自動化專業試辦開設無人機工程專業方向，目標是培養掌握無人機工程相關領域基礎理論和基本知識的學員，使其具有無人機和無人系統及相關裝備的分析、設計、研制、維護、管理等方面的實際工作能力和初步科學研究能力；在研究生階段面向全校開設“無人作戰”軍事公共課，在繼續教育階段開設“無人作戰系統”專題課程。目前，我們試辦無人機工程本科專業方向，已成功培養3屆本科學員。無人機系統研究方向培養的研究生扎根邊疆海島無人機部隊，已成長為單位骨干；培養的地方研究生走入地方企事業單位，也能一展拳腳，受到用人單位的好評。

針對無人機系統“平臺無人、系統有人”的典型技術特征，我們加強智能科學與技術在無人機系統專業中的地位，以不斷加強學員對無人機系統的自主性理解與認識；課程體系設計上，以智能為主線，綜合考慮各個學歷層次的課程設置；按照“夯實基礎、瞄準前沿、強化實踐”的思路，面向本科生、碩士生、博士生、繼續教育4種層次的高素質新型軍事人才培養需求；按照學科交叉原則，在控制科學與工程學科，結合機械工程、儀器科學與技術、信息與通信工程、計算機科學與技術等學科課程體系，系統梳理無人系統知識體系和能力結構，突出智能相關課程的主線地位。以人工智能為例，教師可在本科階段開設人工智能導論，重點放在基礎理論和基本方法上，激發學生對人工智能的學習興趣，主要內容包括問題表示、搜索技術、知識表示、推理技術、專家系統等，同時讓學生了解機器學習、進化計算、多智能體等發展動態；碩士階段設置人工智能基礎，重點放在實踐能力的培養上，主要內容包括分布式人工智能與Agent、自動規劃、機器學習、知識發現、自然計算等；博士階段設置人工智能高級專題，重點放在創新能力的培養上，主要內容包括高級知識推理、認知計算、數據挖掘、智能控制、人工生命等方面。

教師還可按無人作戰特有的“觀察—判斷—決策—行動”（OODA）回路設置課程模塊，開設無人機環境感知、無人機任務規劃、無人機飛行控制、無人機協同控制、無人機系統作戰運用等相關課程，涵蓋無人機系統技術領域的基礎課程、專業課程、專題研討和前沿講座，實現“本—碩—博—繼續教育”各層次貫通、“基礎—實踐—前沿”合理搭配、“無人平臺—無人系統—無人體系”相互銜接、“關鍵技術—工程應用—實戰運用”有機融合。我們還引入全國研究生暑期學校、MOOC在線學習平臺和傳統教學模式相結合的多種教學樣式，主辦機器人與無人系統、無人系統協同控制、導航技術等6期智能無人系統全國研究生暑期學校，令上百所高校和科研院所的500多名學員受益。

總的來說，以智能為主線，以OODA為環節，教師可在本科階段設置如下無人機系統專業課程。

（1）大類基礎課程模塊：控制基礎、機械基礎、傳感測試、電工電子、計算機基礎和人工智能基礎。

（2）專業（基礎）課程模塊：

◇無人機平臺（無人機系統概論、空氣動力學、無人機平臺設計與制造、自主起降與發射回收）；

◇智能感知（圖像處理與環境感知、目標識別與態勢理解）；

◇自主控制（自主導航原理、無人機飛行控制、精確制導與控制、自主決策與協同控制）；

◇任務規劃（無人機任務規劃、對策論與運籌學）；

◇通信與測控（通信系統與數據鏈、網絡化測控）；

◇指揮控制（空域集成與運行管控、無人機系統作戰運用、反無人機技術）；

◇綜合保障（無人機狀態監控與故障診斷、無人機綜合保障技術）；

◇綜合實踐（無人機系統設計與綜合實踐、無人機飛行訓練與綜合演練、生產企業實習、基地訓練實踐）。

3.3無人機系統專業課程體系實施建議

（1）面向需求，因材施教。不同院校的定位不同，無人機專業課程側重點不同。高等院校需要加強高端無人機系統技術人才的培養，綜合性軍事大學要加強無人機工程專業建設，軍兵種院校要加強無人機戰術運用專業建設，無人機相關企業要加強高素質工程師的培養。

（2）突出智能，服務應用。面向無人機專業的本科、碩士、博士、繼續教育等各個層級的人才培養，均要突出智能在人才培養的核心地位，深刻理解是“智能”賦予無人機“靈魂”。針對不同層次，講授不同的內容，做到前后銜接，逐級深入，為不同的無人機應用服務。

（3）體系思維，人機協同。在人才培養過程中，培養具備大局觀的專業人才，要讓學生理解無人機系統是信息網絡和作戰體系中的一個節點，既從體系中獲取信息，又為體系提供信息。無人機要想發揮好效用，必要做到人機協同，實現人機智能融合；必須做到多平臺協同，發揮規模和成本優勢。

（4）實踐引領，注重創新。無人機系統和智能機器人一樣，是一個多學科交叉融合和實踐性很強的一門專業，必須培養既有深厚理論基礎，又有較強動手能力的專業人才；在無人機OODA各個環節的課程設計上，都要對各個層次人才加強創新能力和創新意識的培養，提高創新水平。

4結語

筆者結合國內外無人機系統專業人才發展的需求，提出以院校為主體的學歷教育人才培養模式；根據無人機系統提高“自主性”的典型特征，提出以“智能”為主線的無人機系統專業方向的課程體系；根據不同院校定位和學歷層次，提出不同的實施建議。本文的研究可為我國無人機系統領域高素質創新人才的培養提供參考。

（編輯：宋文婷）