SWARM和MAS的原理與無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)的

物聯(lián)網(wǎng)的這種控制模式下協(xié)作物件的集群（SWARM）將是未來研究的一個(gè)方向之一，英特爾公司的500架無人機(jī)編隊(duì)組成復(fù)雜圖案的智能模式，是復(fù)雜的邊緣側(cè)計(jì)算的未來熱點(diǎn)。

但是只是關(guān)注SWARM的趨勢，卻不知道SWARM的原理，這篇文章很好的闡述了SWARM的原理。相信這篇文章對物聯(lián)網(wǎng)研究者會(huì)有啟發(fā)！

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概述

無人蜂群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的無人機(jī)在有/無人操作裝置輔助下，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信、多機(jī)編隊(duì)、協(xié)同作戰(zhàn)，并在操作員的指引下完成滲透偵查、誘騙干擾、集群攻擊等一系列作戰(zhàn)任務(wù)。無人蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)可填補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略之間的空白，以多元化投送方式快速投送到目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行多樣化軍事任務(wù)，包括與其他武器平臺協(xié)同攻擊海上、空中、地面目標(biāo)及ISR等，實(shí)現(xiàn)對熱點(diǎn)地區(qū)戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)役對抗、戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)。

無人機(jī)蜂群一般由一組承擔(dān)不同作戰(zhàn)任務(wù)的無人機(jī)群組成，其執(zhí)行任務(wù)簡單的流程如下圖所示：由大型運(yùn)輸機(jī)作為母船前出至任務(wù)區(qū)域并釋放無人機(jī)組，無人機(jī)蜂群進(jìn)行編隊(duì)并俯沖至任務(wù)區(qū)域展開協(xié)同作戰(zhàn)行動(dòng)，任務(wù)完成后返回母船。

圖1無人機(jī)集群作戰(zhàn)流程

最初無人蜂群作戰(zhàn)技術(shù)來源于多智能體系統(tǒng)理論，一般將無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)中的無人機(jī)視為智能體(Agent)，執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)編隊(duì)視為一個(gè)多智能體系統(tǒng)(Multi-agent Systems)。本文將從理論角度簡單介紹無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)與其背后的多智能體系統(tǒng)理論之間千絲萬縷的聯(lián)系。

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前世

一．多智能體系統(tǒng)(MAS)理論的發(fā)展

群體行為(Swarming Behavior)是自然界中常見的現(xiàn)象，典型的例子如編隊(duì)遷徙的鳥群、結(jié)隊(duì)巡游的魚群、協(xié)同工作的蟻群、聚集而生的細(xì)菌群落等等。這些現(xiàn)象的共同特征是一定數(shù)量的自主個(gè)體通過相互合作和自組織，在集體層面上呈現(xiàn)出有序的協(xié)同運(yùn)動(dòng)和行為。

因此在該方面的研究早期，大量的工作集中在對自然界生物群體建模仿真上。學(xué)者們通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究個(gè)體行為，個(gè)體與個(gè)體之間關(guān)系對群組整體行為表現(xiàn)的影響。1987年，Reynolds提出一種Boid模型，這種模型的特點(diǎn)為：(1)聚集：使整個(gè)組群中的智能體緊密相鄰；(2)距離保持：相鄰智能體保持安全距離；(3)運(yùn)動(dòng)匹配: 相鄰智能體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同。這種模型大體概括描述了自然界中群體的運(yùn)動(dòng)特征。1995年，Vicsek等人提出一種粒子群模型，這種模型中每個(gè)粒子以相同的單位速度運(yùn)動(dòng)，方向則取其鄰居粒子方向的平均值。該模型僅實(shí)現(xiàn)了粒子群整體的方向一致性，而忽略了每個(gè)粒子的碰撞避免，但是仍為群體智能體建模方面做出了重要貢獻(xiàn)。

圖2自然界中生物群集活動(dòng)現(xiàn)象，其中最主要的特點(diǎn)是群集活動(dòng)中的個(gè)體生物可以依據(jù)相鄰個(gè)體狀態(tài)自主規(guī)劃自身狀態(tài)

圖31995年Vicsek提出的粒子群模型，可以看出在一段時(shí)間之后所有粒子最終都沿著相同方向運(yùn)動(dòng)

隨后，對多智能體系統(tǒng)的研究進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與圖論描述”階段。具體是指：群體系統(tǒng)是由許多個(gè)體通過某種特定的相互作用所形成的一類網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)。個(gè)體之間的相互作用關(guān)系在數(shù)學(xué)上可以利用圖論方法進(jìn)行描述和研究。在此階段，學(xué)者們在對自然生物群落建模仿真的基礎(chǔ)上，從對表象模擬推演層面跨越到從理論角度探尋個(gè)體與系統(tǒng)整體之間的關(guān)系層面。最近，針對多智能體系統(tǒng)理論的研究進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。大量的工作側(cè)重于實(shí)際問題，尤其是工業(yè)、戰(zhàn)爭應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。無人蜂群作戰(zhàn)技術(shù)就是誕生于該階段。

圖4 多智能體系統(tǒng)理論發(fā)展歷程

二．多智能體系統(tǒng)(MAS)理論的特點(diǎn)

從個(gè)體與系統(tǒng)的角度分析，多智能體系統(tǒng)具有“個(gè)體智能+通信網(wǎng)絡(luò)=整體運(yùn)動(dòng)行為”特點(diǎn)。其中，“個(gè)體智能”是指組成群體系統(tǒng)的每個(gè)個(gè)體都具有一定的自主能力,包括一定程度的自我運(yùn)動(dòng)控制、局部范圍內(nèi)的信息傳感、處理和通信能力等。例如車流的形成和維持過程中,每個(gè)司機(jī)通常只能根據(jù)其前后左右的相鄰車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(相對距離和速度)來調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；诠餐募铀倩驕p速規(guī)則,可以形成車流在整體上的有序運(yùn)動(dòng)。

圖5車流中的車無法獲取整體車群的運(yùn)動(dòng)情況，只能相鄰車輛進(jìn)行加速或者減速

綜上所述，多智能體系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)分布式：又稱去中心化。整個(gè)群集系統(tǒng)中不存在中心控制器控制所有的智能體，每個(gè)智能體均具有一定的自主能力。該特點(diǎn)使得多智能體系統(tǒng)具有良好的魯棒性，具體表現(xiàn)為執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)蜂群中即使有若干架無人機(jī)因故障或者被攻擊喪失功能，剩下的無人機(jī)可以在重新組網(wǎng)之后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，提高了戰(zhàn)場生存能力。

(2)智能體自主化：顧名思義智能體是指具備一定的位置共享，路徑規(guī)劃及障礙規(guī)避能力。具體表現(xiàn)為蜂群中的無人機(jī)可以根據(jù)一定的規(guī)則自主飛行，將指揮員從繁重的作戰(zhàn)任務(wù)中解脫出來，必要時(shí)又可以進(jìn)行人工干預(yù)。

(3)復(fù)雜功能分布式化：當(dāng)要求一個(gè)對象具備多種復(fù)雜功能時(shí)，難以設(shè)計(jì)合適的控制方案對其進(jìn)行控制。在多智能體系統(tǒng)中，多個(gè)結(jié)構(gòu)功能相對簡單的智能體可以通過協(xié)同的方式完成多種復(fù)雜的任務(wù)。具體表現(xiàn)為可以對無人蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)中的無人機(jī)裝備不同設(shè)備與武器來完成滲透偵查，火力壓制以及目標(biāo)摧毀等多種作戰(zhàn)要求。

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今生

一．當(dāng)前軍用無人機(jī)作戰(zhàn)在實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中存在的主要問題

當(dāng)前軍用無人機(jī)主要存在如下兩方面問題：

1.單機(jī)機(jī)載功能有限：

(1)單機(jī)機(jī)載設(shè)備的偵察能力有限，很難有效地全方位連續(xù)偵查和監(jiān)視目標(biāo)；

(2)單機(jī)的武器載荷有限，使打擊威力和效果受到限制；

(3)被賦予任務(wù)日趨復(fù)雜多樣，需要的傳感器數(shù)量和種類不斷增加；

2.單機(jī)抗未知因素能力弱：

(1)一旦發(fā)生設(shè)備故障，容易導(dǎo)致任務(wù)被延誤，甚至被迫取消；

(2)在面臨高威脅防空體系時(shí)，容易被攔截和毀傷，導(dǎo)致任務(wù)失??；

(3)地面控制鏈路較難對多架無人機(jī)同時(shí)控制，導(dǎo)致空中無人機(jī)數(shù)量偏少；

為了解決上述諸多問題，各軍事強(qiáng)國對在未來無人機(jī)作戰(zhàn)研究及發(fā)展的思路上有著不同的發(fā)展方向，如隱身化、高速化、小微型化、大型化等。但均意識到無人機(jī)單機(jī)的作戰(zhàn)能力已很難有較大提高。因此提出了一種新的無人機(jī)作戰(zhàn)方式那就是蜂群作戰(zhàn)技術(shù)。

圖6 高空投放的密集固定翼無人機(jī)編隊(duì)組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)

二．無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)中有關(guān)MAS的關(guān)鍵技術(shù)

1.無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)中的同/異構(gòu)主體問題

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)的理念是對自然界中蜂蜜和螞蟻?zhàn)迦旱姆抡?，并且該系統(tǒng)中要同時(shí)兼?zhèn)鋵?shí)施偵察，攻擊以及防御等功能。蜂群中的無人機(jī)所攜帶的作戰(zhàn)武器，通信設(shè)備存在一定的差別，因此無人蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)包含了豐富的異構(gòu)主體(Heterogeneous Agents)。

(注：一般地，在MAS理論中，如果系統(tǒng)中的所有智能體的動(dòng)力學(xué)模型均相同，那么稱該多智能體系統(tǒng)中的智能體是同構(gòu)的，反之則是異構(gòu)的。)

目前針對無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)作用機(jī)理的研究僅限于4種形式即：近戰(zhàn)(Melee)、聚合(Massing)、機(jī)動(dòng)(Maneuver)和群集(Swarming)。并未形成符合現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點(diǎn)的技術(shù)-戰(zhàn)術(shù)集成體系。

在有人-無人機(jī)(蜂群)協(xié)同作戰(zhàn)方面，作為空中指揮者的有人機(jī)其機(jī)載武器、通信設(shè)備等均與蜂群中的無人機(jī)不同，因此可以將有人-無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)視為一個(gè)異構(gòu)動(dòng)力學(xué)的多智能體系統(tǒng)。

圖7 美國海軍公開X-47B與F/A-18協(xié)同測試的照片

2014年8月，美海軍首次進(jìn)行有人駕駛艦載機(jī)與艦載無人機(jī)在航母上共同起降。在試驗(yàn)中，兩架F/A-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)和一架X-47B艦載無人機(jī)以相同的模式從“羅斯?！碧柡藙?dòng)力航母上起飛，以此來測試這種艦載無人機(jī)的起飛和降落能力。有人機(jī)與無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)難在空中控制，美國今后研究的重點(diǎn)是無人機(jī)的空中控制能力。

2.無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)中的通信拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)問題

在多智能體系統(tǒng)理論中，數(shù)學(xué)上一般使用圖論來描述智能體(無人機(jī))之間的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從通信方向方面分類有：有向拓?fù)渑c無向拓?fù)?；從通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面分類則有：固定拓?fù)渑c時(shí)變切換拓?fù)洹Ｔ跓o人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)方面，一般采用時(shí)變切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在執(zhí)行不同任務(wù)時(shí)無人機(jī)之間可以采用不同的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，在任務(wù)完成之后又可以切斷連接。

圖8控制多個(gè)對象時(shí)采用的三種控制/通信結(jié)構(gòu)

3.無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)中的飛行編隊(duì)控制問題

在無人蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)中執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)最基本的動(dòng)作要求就是可以保持一定的隊(duì)形進(jìn)行編隊(duì)飛行?，F(xiàn)對已經(jīng)提出的關(guān)于多自主飛行器協(xié)同編隊(duì)方法進(jìn)行討論：

(1)領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者(Leader-follower)法。在該方法模擬鳥群編隊(duì)飛行的生 物活動(dòng)，將一個(gè)無人機(jī)指定為領(lǐng)導(dǎo)者(即長機(jī))，其他無人機(jī)則被指定為跟隨者(僚機(jī))。跟隨者們以一定的偏置量跟蹤領(lǐng)導(dǎo)者的位置和方向。

(2)一致性(Consensus)法。該方法最初來源于多智能體系統(tǒng)的一致性問題，該問題目的是通過對系統(tǒng)中的每個(gè)智能體(無人機(jī))設(shè)計(jì)分布式控制算法，使所有智能體所有狀態(tài)值達(dá)到相同的值。在此基礎(chǔ)上對每個(gè)智能體設(shè)定一定的偏移量，以達(dá)到特定的飛行隊(duì)形。

(3)基于行為的控制。該方法的基礎(chǔ)是將主要控制目標(biāo)分解為任務(wù)或者行為。該方法還可以處理諸如碰撞避免，中心聚攏，障礙回避等復(fù)雜群體行為運(yùn)動(dòng)。

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展望

隨著人工智能以及各種智能控制算法的不斷發(fā)展，基于多智能體系統(tǒng)理論的無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)技術(shù)在充分發(fā)揮數(shù)量優(yōu)勢的情況下，可以完成偵察，滲透以及打擊等一系列戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建起新型空中作戰(zhàn)力量，有針對地提高作戰(zhàn)能力。作為一項(xiàng)前沿的空中作戰(zhàn)技術(shù)，無人蜂群作戰(zhàn)技術(shù)的研究在未來將面向重點(diǎn)解決發(fā)展協(xié)同算法，提升無人機(jī)編隊(duì)的自主協(xié)作能力；開發(fā)軟件開放架構(gòu)和支持框架；系統(tǒng)制造，集成與演示等基礎(chǔ)問題。