6G時(shí)代
——基于新形勢下的智能集群技術(shù)暢想

蔡佳輝 張志浩，2 李昊陽

1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院 陜西西安 710038；2.陜西省電子信息系統(tǒng)綜合集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710038；3.中國人民解放軍94116部隊(duì) 新疆和田 848000

近幾年，隨著無人機(jī)技術(shù)、分布式技術(shù)和集群智能等新興科技的快速發(fā)展，世界軍事技術(shù)先進(jìn)國家的戰(zhàn)斗理念和戰(zhàn)斗模式不斷更新，對顛覆未來戰(zhàn)斗樣式具有里程碑意義。

一、新形勢下智能集群技術(shù)初現(xiàn)端倪

智能集群作戰(zhàn)涉及地、空、海、潛等領(lǐng)域，具有自組織、自同步的協(xié)同作業(yè)特點(diǎn)和合作、競爭、相互學(xué)習(xí)[1]等能力涌現(xiàn)行為，對任務(wù)規(guī)劃智能性、快速性、適應(yīng)性、魯棒性提出了極高要求，亟須創(chuàng)新任務(wù)規(guī)劃理念與方法，實(shí)現(xiàn)“人在環(huán)上/人在環(huán)外”的自主、分層、動(dòng)態(tài)、在線任務(wù)規(guī)劃，達(dá)成物理域、信息域、認(rèn)知域等集群作戰(zhàn)空間殺傷網(wǎng)快速閉合。

智能集群是由一定數(shù)量的單功能或多功能、有人或無人平臺(tái)共同組成，通過個(gè)體自主、群體協(xié)同的自組織群智匯聚，實(shí)現(xiàn)自主協(xié)同、能力涌現(xiàn)、智能對抗，具有“任務(wù)高韌性、決策高自主、行動(dòng)強(qiáng)彈性”的優(yōu)點(diǎn)，支撐“偵—控—打—評—保”多域聯(lián)合一體化作戰(zhàn)。[2]通過先進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)將廣域分布的作戰(zhàn)平臺(tái)“神經(jīng)搭接”為一個(gè)整體，形成聚集、自組織、他組織、涌現(xiàn)、動(dòng)態(tài)性、自修復(fù)性等特征，并基于平臺(tái)之間的隨遇智能交感，實(shí)現(xiàn)集群決策和分布式控制。智能集群將松弛傳統(tǒng)作戰(zhàn)體系中作戰(zhàn)平臺(tái)、傳感器和武器系統(tǒng)之間的硬鏈接關(guān)系，以松耦合的方式構(gòu)建“探測—跟蹤—決策—打擊—評估”殺傷鏈，催化集群編組方式、指控方式、作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)體系及軍事理論等方面的變革。智能集群的發(fā)展趨勢(如圖1所示)。

圖1 智能集群的發(fā)展趨勢

智能集群運(yùn)行空間包括太空空間、臨近空間、航空空間、地表空間、海面空間、水下空間，相應(yīng)的集群平臺(tái)包括星(航天器)、機(jī)(航空器)、車(裝甲車輛)、艦(艦/潛艇)、彈(彈道導(dǎo)彈)，以及未來可能出現(xiàn)的在水下、空中、太空跨越飛行的跨介質(zhì)航行器等。智能集群可以是星/機(jī)/車/艦/彈同維空間平臺(tái)構(gòu)成的同構(gòu)集群，也可以是多維空間平臺(tái)構(gòu)成的星—機(jī)—車—艦—彈異構(gòu)集群。因此，深入研究如此復(fù)雜的新興技術(shù)，并掌握核心技術(shù)，將獲得新形勢下的技術(shù)主動(dòng)權(quán)。智能集群組成與藍(lán)圖(如圖2所示)。

圖2 智能集群組成與藍(lán)圖

二、6G技術(shù)支撐下的智能集群技術(shù)

“5G改變社會(huì)，6G改變世界”。更先進(jìn)的通信技術(shù)將促使整個(gè)世界走向“數(shù)字孿生、智能泛在”，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物間的體驗(yàn)交互，信息可以攜帶更多的感官感受，除了聽覺、視覺外，觸覺、味覺和嗅覺也能夠被充分調(diào)動(dòng)起來。屆時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)具有更低時(shí)延，更大帶寬，并且能夠利用專門設(shè)計(jì)的納米天線接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(尤其是量子衛(wèi)星)，這將使物聯(lián)感知和通信一體技術(shù)順利實(shí)現(xiàn)。在這些優(yōu)勢條件支撐下，未來戰(zhàn)場通信將更加快捷以及保密，與此同時(shí)，6G會(huì)填補(bǔ)5G在網(wǎng)絡(luò)上的不足，要新增UCBC(上行超帶寬)、RTBC(寬帶實(shí)時(shí)交互)、HCS(通信感知融合)三個(gè)場景，從5G場景的“三角形”變成6G場景的“六邊形”，才能從支撐萬物互聯(lián)到使萬物智聯(lián)，以此協(xié)助實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的“智能集群”。

6G的超高速、超帶寬通信能力是智能集群形成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。目前，5G的最高頻帶約為52GHz，它的可用頻譜帶寬有2GHz，而基于毫米波的6G技術(shù)帶寬可以再增大10倍，延遲可以精確到毫秒級，從而能夠保證其傳輸速度更快，戰(zhàn)場通信的迅速高效性得以實(shí)現(xiàn)，這將極大地提升戰(zhàn)場通信能力，實(shí)時(shí)傳輸也會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。

充分發(fā)揮“6G+智能集群”的新型組合作用，借助大量的智能無人設(shè)備進(jìn)行戰(zhàn)場資源探測，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物進(jìn)行方位的識別、遠(yuǎn)程偵察和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)指揮網(wǎng)絡(luò)化、及時(shí)化、一體化戰(zhàn)場控制。

三、智能集群典型技術(shù)原理

(一)基于智能集群技術(shù)的任務(wù)規(guī)劃

智能集群任務(wù)規(guī)劃[3]由預(yù)先規(guī)劃、在線規(guī)劃兩部分組成。其中，預(yù)先規(guī)劃是基礎(chǔ)，主要運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)、理論方法，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢分析、兵力計(jì)算、目標(biāo)分配、路徑規(guī)劃，將行動(dòng)構(gòu)想、方案分解為可操作、可執(zhí)行的行動(dòng)安排；在線規(guī)劃是核心，主要運(yùn)用先進(jìn)智能理論方法與信息科學(xué)技術(shù)，依據(jù)戰(zhàn)術(shù)意圖與作戰(zhàn)規(guī)則庫，實(shí)現(xiàn)集群資源、任務(wù)環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)的映射表征，資源按需聚合，行動(dòng)自主智能決策，生成執(zhí)行指令。5G通信的高帶寬，低時(shí)延，大速率已經(jīng)基本滿足智能集群作戰(zhàn)對任務(wù)規(guī)劃的快速性要求，是實(shí)現(xiàn)智能集群作戰(zhàn)[4]的良好工具。6G技術(shù)的出現(xiàn)，將為智能集群作戰(zhàn)的任務(wù)規(guī)劃提供更便捷的服務(wù)和技術(shù)支撐。

針對巡邏、偵察、攻擊一體化任務(wù)規(guī)劃[5]在時(shí)、空維度的復(fù)雜性、耦合性，在網(wǎng)絡(luò)維度的高時(shí)變、去中心化特征，基于“協(xié)商—決策”框架和差分進(jìn)化算法提出了集群自主巡邏打擊任務(wù)規(guī)劃方法，具有“想定—戰(zhàn)術(shù)—行動(dòng)”全要素規(guī)劃能力，支持“靠近即發(fā)現(xiàn)、越界即跟蹤、觸發(fā)即攻擊”全流程的無人化、自主化。

(二)無人機(jī)集群協(xié)同跟蹤攻擊任務(wù)模型

無人機(jī)集群根據(jù)攻擊任務(wù)需求自主編組[6]，形成廣域分布的多組攻擊子群，從多域多向來打擊目標(biāo)，使對方防不勝防。無人機(jī)集群以其數(shù)量規(guī)模優(yōu)勢消耗對方防御力量或阻塞對方防御通道，實(shí)現(xiàn)規(guī)模不對稱的飽和打擊態(tài)勢，使其難以對抗。協(xié)同跟蹤攻擊通常采用調(diào)整路徑和調(diào)整速度方法解決靜止目標(biāo)的協(xié)同跟蹤攻擊問題，而針對無人機(jī)集群協(xié)同跟蹤攻擊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)問題則更加具有難度。

以無人機(jī)集群協(xié)同跟蹤攻擊地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為任務(wù)背景，針對集群攻擊中的時(shí)間和空間協(xié)同控制[7]方法展開研究。集群攻擊協(xié)同控制是指將分布在不同位置的多架攻擊型無人機(jī)按照一定的方法進(jìn)行控制，使其在特定時(shí)刻從多個(gè)角度、以一定速度到達(dá)各自的攻擊陣位。為了更好地描述時(shí)間和空間協(xié)同關(guān)系，首先定義了時(shí)間協(xié)同函數(shù)和期望攻擊陣位。然后，將攻擊問題轉(zhuǎn)化為有限時(shí)間跟蹤系統(tǒng)問題，以末端時(shí)刻位置和最小速度誤差為優(yōu)化目標(biāo)建立二次型性能指標(biāo)，采用最優(yōu)控制方法求解控制律，使得所有無人機(jī)在攻擊過程中能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間和空間上的協(xié)同。最后，在“子群間隔到達(dá)、成員同時(shí)到達(dá)”的時(shí)間協(xié)同跟蹤攻擊策略下，仿真驗(yàn)證了所提出控制律的有效性。[8]

四、6G+智能集群技術(shù)作戰(zhàn)應(yīng)用

智能集群可構(gòu)建為有人、有人-無人[9]、無人作戰(zhàn)集群等不同類別。在未來的無人化、智能化對抗中，平臺(tái)數(shù)量將處于次要地位，決定體系與體系之間對抗勝負(fù)的是雙方能否以更高的智能運(yùn)用，比對手更大化從平臺(tái)、傳感器、武器到分群協(xié)同、集群作戰(zhàn)各個(gè)層級的行動(dòng)能力，即“能力涌現(xiàn)”，智能任務(wù)規(guī)劃能力對集群作戰(zhàn)組織和運(yùn)用水平的決定性更加明顯。智能集群在廣域分布空間“一致性”開展作戰(zhàn)行動(dòng)，內(nèi)部子群或隨遇多節(jié)點(diǎn)臨時(shí)組群，必須具備在線任務(wù)規(guī)劃與控制能力，保證在非預(yù)知戰(zhàn)場環(huán)境中可控實(shí)施時(shí)間、空間分散，但目標(biāo)效能一致、集中的協(xié)同作戰(zhàn)行動(dòng)。通過6G通信網(wǎng)絡(luò)“橋接”，實(shí)現(xiàn)集群各作戰(zhàn)單元的縱向集成與各作戰(zhàn)要素的橫向融合，形成偵察、攻擊、防御與支援等作戰(zhàn)行動(dòng)在多域范圍跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)的全方位優(yōu)勢互補(bǔ)、聚集增效。

2017年6月10日中國電子科技集團(tuán)有限公司成功完成了119架固定翼無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，這標(biāo)志著智能無人集群領(lǐng)域的又一突破。無人機(jī)集群并非單個(gè)作戰(zhàn)平臺(tái)的簡單疊加，集群作戰(zhàn)也擁有一些單個(gè)平臺(tái)作戰(zhàn)所無法比擬的優(yōu)勢[10]：

(1)相對更高的勝算。據(jù)蘭徹斯特平方律，參戰(zhàn)平臺(tái)數(shù)量比單個(gè)平臺(tái)作戰(zhàn)能力在勝負(fù)的決定上更為重要[11]。集群作戰(zhàn)充分利用集群的數(shù)量優(yōu)勢來提升局部戰(zhàn)爭的勝算。

(2)較高的效費(fèi)比。無人機(jī)集群作戰(zhàn)不像重型武器那樣昂貴，耗費(fèi)巨大，而對方應(yīng)對大規(guī)模集群作戰(zhàn)時(shí)需要耗費(fèi)較大成本進(jìn)行防御，這就使得集群作戰(zhàn)，優(yōu)勢凸顯。

(3)智能涌現(xiàn)。這是集群作戰(zhàn)最重要且最明顯的特征，它們通過集群個(gè)體之間的高度協(xié)同和自組織，使得集群涌現(xiàn)出遠(yuǎn)超個(gè)體功能之和的集群功能。

正是由于這些優(yōu)勢，使得各國積極發(fā)展集群技術(shù)。如今，無人系統(tǒng)技術(shù)在多學(xué)科交叉融合發(fā)展推動(dòng)下，正在向更高水平的智能自主方向發(fā)展，其廣泛的覆蓋性、復(fù)雜的系統(tǒng)性、開放的知識性，決定了它必將成為一個(gè)極富創(chuàng)造力的領(lǐng)域。

五、總結(jié)展望

新形勢下的智能集群技術(shù)將會(huì)日趨成熟，相信在技術(shù)發(fā)展中，智能集群技術(shù)必將脫穎而出，并對信息化戰(zhàn)爭產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用，而深入研究智能集群也變得愈發(fā)重要。以新形勢為背景，6G技術(shù)為依托，深入研究智能集群技術(shù)，并掌握運(yùn)用方式，將極大有助于借鑒學(xué)習(xí)新的軍事技術(shù)未雨綢繆，做好準(zhǔn)備。