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無人化智能化裝備技術發展及其影響分析

瀏覽次數: 日期:2017年4月8日 11:53

  ▲當今世界正處于新一輪科技革命與產業變革的前夜,以無人技術、人工智能技術、空間技術、互聯網技術、低可探測技術、納米技術和環境物理技術的突破為代表,集中產生了具有顛覆性作用的武器裝備和作戰手段

  無人化智能化裝備技術是指隨著自主控制和人工智能技術的大量運用,賦予作戰體系具備一定程度的智能化指揮決策和自主化行動能力,從而產生能夠自主和協同完成進攻與防御作戰任務的裝備技術,它正在成為世界主要國家今后一個時期軍事技術的發展趨向與重點。

  無人化智能化裝備技術發展的動因

  第四次工業革命是其發展的初始動因

  當今世界正處于新一輪科技革命與產業變革的前夜,以無人技術、人工智能技術、空間技術、互聯網技術、低可探測技術、納米技術和環境物理技術的突破為代表,集中產生了具有顛覆性作用的武器裝備和作戰手段。其中,無人化智能化裝備技術呈現出井噴式發展勢頭,已成為當今世界最具代表性的軍事技術革命,將推動戰爭進入信息化、網絡化、無人化的高級階段。

  新軍事變革浪潮起著推波助瀾的作用

  發軔于20世紀90年代的新軍事變革,經歷了幾次局部戰爭的驗證,當前正在催生作戰手段和力量向無人化智能化聚焦,并且逐漸形成全新的作戰方法和制勝機理。

  首先是戰場感知的泛在化,廣譜傳感技術與物聯網技術,將外太空、臨空、空中、陸地、海上、深海構成一體化戰場感知體系。

  其次是武器裝備的自主化,武器層級的無人化裝備占比日益增大,不斷改變作戰力量的組成結構。

  第三是指揮決策的智能化,人工智能技術的深度運用將實現由經驗決策向智能決策轉變。

  第四是作戰運用的集群化,將在單元層級形成自主化的作戰集群與編隊,人機協同作戰和自主對抗的“智能化戰爭”成為可能。

  最后是作戰體系的云態化,各類作戰人員、裝備、設施、環境要素在云態化的戰場態勢支撐下,形成巨型復雜自適應對抗體系,“云聚”融合“網聚”成為新的作戰力量凝聚機理。

  大國間軍事技術競爭成為重要推手

  美國認為,近年來潛在對手正在以驚人的速度和力度發展海軍和空軍,大幅提升跨域和全球軍事行動的能力,并正在研發一系列空間攻防技術手段,積極謀求太空優勢。美國在第二次抵消戰略中重點發展的C4IKSR系統、隱身武器、導航定位系統、精確制導武器等核心技術裝備所帶來的軍事優勢,正在被對手的“反拒止”手段(如反艦和反衛星武器、遠程打擊武器)所抵消,以往可以自由進入的陸地、天空、海洋和網絡空間正在面臨著新的巨大的挑戰,因此,必須通過實施第三次抵消戰略來謀求新的軍事技術優勢。

  ▲美國高度重視自主深度學習與類腦計算研究,并不斷探索其在無人化智能化裝備技術領域的廣泛運用

  無人化智能化裝備技術的發展重點

  自主深度學習與類腦計算技術

  自主深度學習作為一種類腦計算模型,是機器學習研究的新領域,其核心是模仿人腦機制,建立模擬人腦分析學習的人工神經網絡,解釋圖像、聲音和文本等數據,實現大數據內在特征的分布式表示以及從數據到知識的歸納學習。美國高度重視自主深度學習與類腦計算研究,并不斷探索其在無人化智能化裝備技術領域的廣泛運用。目前,美國國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了數十項旨在增進對大腦動態機制的了解、推進類腦計算平臺研究的項目。其中,“神經系統知識表達”(SyNAPSE)項目重點研究大腦如何表達理性知識,為分析圖像、視頻、文本和其他情報數據提供幫助。被稱為“仿腦”的這類技術最終有望用于開發“會思考”的信息系統。2015年8月,IBM公司發布一款用于深度學習與類腦計算的低功耗神經形態芯片“真北”,實現智能層次的超級腦。

  在深度學習領域取得重大突破的標志就是AlphaGo,其實驗結果表明,借助深度學習技術,機器人可以表現出與人類直覺類似的形象思維與邏輯思維能力,未來誕生具有自主行為和決策能力的智能機器只是時間問題,AlphaGo的技術模式將對戰爭設計、任務規劃、指揮決策產生重大影響。

  可以預見,自主深度學習與類腦計算技術可能極大提高C4ISR系統的數據處理速度和準確性,實現武器裝備逼近甚至超越人類智能的強人工智能,在軍事領域有著巨大的應用前景。

  自主控制和協同控制技術

  它可提高無人系統的自適應性,可使系統在不需要人干預的條件下自動感知、判斷、決策、協同、行動,以最優的方式對快速變化的戰場情況做出實時、靈活和準確的反應,實現智能化武器平臺的群隊作戰。

  2014年11月,美國國防部長簽發的“技術革新備忘錄”將機器人和自主系統排在了第一位,認為以自主性技術為代表的新興技術群可以在未來20年內保持美國對中國和俄羅斯的軍事優勢。美國國防部高級研究計劃局(DARPA)在自主性研發方面進行了長期的技術儲備,“小精靈”和戰略能力辦公室的微型無人機集群項目,均已開展了原型測試,在不久的將來可望實現集群作戰。美國空軍研究實驗室2015年開啟了“忠誠僚機”項目,計劃于2018年展開F-16武裝無人機與F-35戰斗機配對測試,以實現有人/無人的無縫配合和協同作戰。雖然目前無人系統的自主性能還處于比較低級的水平,但隨著技術水平的發展提高,不同種類無人系統之間的混合編組與協同對抗將成為可能。

  腦機接口和控制技術

  通過采集大腦皮層神經系統活動產生的腦電信號,將其轉化為可以被計算機識別的控制指令,使得外部設備可以讀懂大腦神經信號,實現基于意念的武器裝備智能操控。核心技術包括大腦神經生物信號采集、處理以及人機高效協同技術等。目前,該技術已從簡單的運動信息解析逐步發展到包含感知與認知的復雜任務控制。

  2013年,美國國防部披露了“阿凡達”項目,研究通過意念遠程操控“機器戰士”,代替士兵在戰場上遂行各種作戰任務。DARPA近年來也啟動了數十項旨在提高對大腦動態機制的理解并推進腦機接口技術應用的項目,包括可靠神經接口技術項目、革命性假肢、恢復編碼存儲器集成神經裝置、重組和加速傷勢恢復、模擬大腦的復雜信號處理和數據分析項目等。直接利用“大腦思維”操控以及增強人類行動能力等相關研究,將成為武器裝備智能化發展方向。

  大數據技術

  主要是指處理海量復雜數據集合的新型計算架構和智能算法等新技術,包括大數據存儲管理的云計算平臺、大數據分析處理的機器學習算法以及用于大數據決策的知識工程自動化等。自1997年美國國家航空航天局(NASA)首次提出大數據概念以來,美軍高度重視大數據技術在軍事應用的研究,投資20億美元成立了大數據中心,用于存儲各類情報數據,并利用大數據技術每天對各類數據進行過濾、篩選、處理、分析和融合,快速提取有價值信息,向美國政府和國防部提供各類情報產品。

  2012年美國政府啟動《大數據研究發展倡議》,美國防部上馬了一系列大數據研發項目:

  “洞悉”項目旨在構建集成多傳感器資源管理、數據實時分析與人機交互的全球綜合性情報監視偵察系統,形成統一的戰場態勢圖。

  “視頻與圖像檢索分析工具”(VIRAT)項目能快速檢索海量視頻數據,發出預警信息。

  美軍針對大數據發展趨勢制定了明確的研發目標:將信息提取能力提高100倍,增強作戰所需的情報獲取以及對目標、活動和事件的觀察能力,建立能夠獨立完成操控并做出決策的自動化系統。大數據技術的發展將強化面向聯合作戰需求的信息采集、分析與服務,為戰場聯合態勢感知提供全面的決策支持,實現從“數據優勢”、“信息優勢”到“決策優勢”的飛越。

  云計算技術

  作為大數據技術的基礎架構,本質上是一種基于網絡的分布式存儲與計算模式,其計算資源(包括計算能力、存儲能力、交互能力等)虛擬、動態、可伸縮,應用于軍事領域可為計算密集型大數據提供IT架構支撐。自2006年谷歌公司首次正式提出云計算概念以來,各國紛紛制訂了云計算發展的國家計劃。美國政府2011年發布《聯邦云計算戰略》,國防部于2012年7月首次發布《美軍云計算戰略》,旨在建設迅捷、安全、高效的企業云計算服務環境,以快速響應不斷變化的任務需求,其最終目標是建立符合美軍IT目標的企業云環境(聯合信息環境),將云計算作為最具創新性、高效和安全的IT服務交付方式。目前,云計算已經催生出MapReduce、Hadoop、Spark等一系列新型計算平臺與計算架構。美軍全球監視與打擊網絡的底層基礎技術架構主要是大數據和云計算,并在此基礎上提出“云作戰”和“作戰云”的作戰理念,實現信息跨域融合、體系精準釋能的一種全新作戰樣式,支持美軍在任意地點、任意時間利用授權設備履行使命。

  ▲“洞悉”項目旨在構建集成多傳感器資源管理、數據實時分析與人機交互的全球綜合性情報監視偵察系統,形成統一的戰場態勢圖

  無人化智能化裝備技術的發展變化

  加速實現戰場感知立體化布局

  海灣戰爭以來,美軍已經初步建立起太空、空中、地面、水下、網電一體化的戰場感知體系,能夠通過融合多源情報,繪制戰場“通用作戰圖”,形成對多維戰場空間的態勢感知能力。當前美軍正在在發展新的感知平臺和手段:一是高空持續偵察監視平臺。采用液氫動力推進裝置的“鬼眼”無人機已實現首飛,該無人機可攜載200千克載荷,在近2萬米高空持續飛行4天;二是海上廣域偵察監視平臺美國海軍采購的MQ-4C“海神”無人偵察機偵察范圍可達700萬平方千米,顯著提升美國海軍的廣域海上監視能力;三是能夠穿透云層的高性能視頻監視手段。DARPA正在研制“視頻合成孔徑雷達”,能夠穿透云層和塵埃捕捉地面機動目標,提供高分辨率、全動態視頻,可裝備于多種空中平臺;四是水下信息環境持續監測平臺。美在前沿海域及沿岸地區構建了信息環境持續監測網絡,為聯合部隊提供水下戰場空間態勢,在對抗環境中確保聯合部隊指控通道順暢。

  加速實現無人平臺自主化進程

  美國戰略與預算評估中心的《邁向抵消新戰略》報告指出,自主程度日益提高的無人系統,由于其具備任務航時長、生命周期成本低以及機組人員零傷亡等優勢,將構成全球監視與打擊網絡的核心。

  進入21世紀以來,美國防部已經發布了七版無人系統路線圖,對自主性技術的發展趨勢、方向和途徑做了明確闡述。其中,《2013-2038財年無人系統綜合路線圖》明確在2038年前達到全實時計劃、團隊內協作、自主態勢感知和操作的建設目標。為加速實現無人系統全自主控制,美國防部設立了“自主研究試點計劃”,重點發展機器感知與推理、自然語言交互與合作、人與自主裝備編隊等技術,實現了無人裝備自主工作所需的多種基本功能,可望將無人系統自主化進程提前5~10年。美軍無人平臺自主化進程對構建全球監視與打擊網絡具有核心推動作用。

  加速實現精導彈藥智能化殺傷

  近年來,美軍為進一步加強精確制導彈藥在復雜戰場環境下的突防和打擊能力,不斷加大新型制導彈藥智能化研發力度。

  一是增強自主識別能力。美國在研的智能導彈采用“圖像理解”人工智能技術,已能區分外形和尺寸相同的敵友軍用卡車、地空和地地導彈等目標和假目標。

  二是自主組網攻擊。智能化彈藥具有“自我思維”的能力,能組網形成全方位的打擊優勢,并自主調整跟蹤和打擊目標,尋找最易攻擊的部位。

  三是提升自主導航水平。利用芯片級高精度慣性導航技術及其他多模復合制導技術,實現不依賴GPS和后方遠程網絡的自主導航,能夠感知對手電子對抗干擾,自主規劃路徑、改變彈道飛行軌跡,實現導彈末端彈道機動,自主尋的、自主攻擊。

  加速實現作戰指揮智能化決策

  美軍將大數據挖掘技術引入作戰指揮決策支持系統,利用基于知識發現的專家系統,提高決策的效率和科學性。2015年,DARPA的“大機理”項目,開發基于大數據的智能自動化計算技術,包括信息提取和規范、智能推理引擎、知識綜合運用等技術,實現根據任務自動制定作戰方案,在任務層面快速、獨立完成作戰決策,使得指揮官能夠以最快的方式向作戰單元甚至是單兵發出指令,從而實現“任務式指揮”的目標。

  ▲為加速實現無人系統全自主控制,美國防部設立了“自主研究試點計劃”,重點發展機器感知與推理、自然語言交互與合作、人與自主裝備編隊等技術

  無人化智能化裝備技術發展的影響

  將打破軍種傳統界限,形成跨域跨界作戰能力

  軍隊現有組織形態都是由基于武器平臺和作戰空間的軍種結構組成,各軍種均構建了情報、偵察、指揮、通信、打擊、保障等力量體系,已不適應信息化條件下一體化聯合作戰需要。

  近年來,美軍一直在尋求突破軍種和軍種跨界的能力。如,美國空軍發展高空長航時偵察與打擊力量,支撐全球到達、空海一體、空天一體作戰;海軍發展艦載遠程隱身無人作戰力量,支撐大型海上平臺采取分布式投送實現由海向陸作戰;陸軍發展中高空偵察與打擊力量,支撐全維作戰。隨著陸、海、空、天、網等多領域緊密相連的統一作戰空間的形成,以及無人化智能化作戰體系的融合發展,傳統界限分明的軍種體制已經發生動搖,基于任務和作戰區域的一體化聯合部隊呼之欲出;將催生新型作戰力量,促進軍隊組織形態重構。

  近年來,無人化智能化裝備技術越來越多的出現于戰場,運用于各個作戰空間和作戰領域,無人化作戰、網電作戰、空間對抗、全球監視與打擊和一體化彈道導彈防御等新型力量體系均帶有智能化作戰力量的顯著特征。目前,美軍成軍的無人作戰力量已達上萬架無人機和大量戰場機器人,已組建133支網絡戰分隊,太空作戰、心理戰、定向能作戰等新型力量在組織形態構成中的比重日益上升,促使現有作戰力量裝備結構和作戰編成產生深刻變化。

  將深化模塊化力量建設,實現作戰力量定制生成

  根據作戰任務和功能需求,定制無人化智能化作戰單元,生成精干高效的模塊化作戰部隊,將成為下一代戰爭組織形態的重要特征。美軍在20世紀90年代就開始試驗模塊化部隊,有效提升了模塊化旅靈活編組和獨立戰斗能力。目前,美軍正在探索構建戰場態勢感知、航空火力支援、網絡通信中繼、兵力機動增強、持續后裝保障等無人化智能化作戰單元。戰時,可根據完成任務需要,為聯合部隊靈活定制相應的力量模塊,向戰場快速輸送和部署作戰力量。這說明軍種模塊已不僅是作戰單元的簡單集合,而是將不同武器平臺的有機集成,按此方向發展,聯合任務部隊形成合成化、多能化戰斗能力已指日可待;將促進體制編制扁平化,提升作戰指揮和行動效率。

  現行軍隊組織形態基本采用寶塔式的樹狀結構,指揮體系層級多、作戰行動鏈路長,越來越難以適應威脅背景復雜、指揮對象多元、行動協同高效的要求。大數據和云計算技術的發展,使指揮體制扁平化、作戰決策智能化和作戰行動自主化成為可能。在作戰云體系支撐下,各類力量單元形成網絡矩陣運行機制,獲得一致的作戰態勢圖,實現數據資源共享、指令同步傳輸、武器平臺互聯互通互操作,有效提高作戰力量群的決策、指揮、協同效能。早在2003年蘭德公司就實驗了處于同一戰場柵格的兩艘執行不同任務艦艇,依靠公共管理資源進行自組織攔截,從而獲得最大攔截率。

  ▲隨著陸、海、空、天、網等多領域緊密相連的統一作戰空間的形成,以及無人化智能化作戰體系的融合發展,傳統界限分明的軍種體制已經發生動搖,基于任務和作戰區域的一體化聯合部隊呼之欲出

  ▲無人化智能化裝備技術的發展運用,豐富了戰爭制勝的理論內涵,將人類對戰爭制勝機理的認識推向了新的高度

  無人化智能化裝備技術將改變戰爭形態

  戰爭主體由有人力量為主向有/無人力量混合發展

  隨著無人作戰力量逐步走向戰場,將不斷產生有人系統為主、無人系統協同,無人系統為主、有人系統協同和無人系統獨立編組等結構形式。在可以預見的未來,人類將在戰爭中由前臺逐漸退居后臺,形成由人類設計戰爭、控制戰爭,而由無人作戰力量執行戰斗任務、在戰場上沖鋒陷陣的局面。目前,美軍正在謀求“不派自己的士兵去打任何一場‘公平’的戰爭”,以不“傷”不“亡”的結局而實現戰爭目的;制勝機理由多維體系對抗向全域智能博弈發展。

  無人化智能化裝備技術的發展運用,豐富了戰爭制勝的理論內涵,將人類對戰爭制勝機理的認識推向了新的高度。未來戰爭體系對抗將在戰場全域展開,在戰爭的所有基本面進行博弈,要求戰爭的決策指揮者能夠準確判斷復雜形勢,洞悉對手思維取向,先于對手高于對手做出決定,實現決策博弈制勝。利用和控制傳媒、網絡等信息載體,主導輿情信息傳播,達成信息對抗制勝。加強主要對手科技創新潛能預測研究,根據戰場新情況,快速創新作戰體系,實現科技對抗制勝。動員國家作戰資源儲備和工業生產能力,形成力量對比優勢,達成潛能動員制勝。

  作戰時空由傳統交戰空間向新邊疆極限區域拓展

  無人化智能化裝備技術能彌補有人作戰系統的不足,而無需考慮人的生理極限因素,實現長時間、高速度、大強度、全空間執行各種作戰和勤務保障任務。在時域上能持久高效,從以小時計算,到以天、月,甚至以年為單位,如依靠海浪提供動力的無人系統可以長年累月潛伏;在空域上能覆蓋死角,活動范圍從太空、深海、高原、極地到核生化污染等新邊疆極限區域。如,X-37B能在距地面203~926千米的低軌道太空上飛行,美國在研的水下潛航器能潛航水下1000米深;在飛行速度上,高超聲速武器馬赫數可以達到5~15,實現全球快速打擊。

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