美海軍無人水面艇蜂群技術演示驗證及其意義

美國海上力量雜誌網站、防務突發新聞網站對美海軍第2次無人水面艇蜂群技術演示驗證進行了報道。報道稱,美國海軍研究局與工業部門、學術界及其他政府部門合作,利用該局研發的「機器人自主指揮與感知的控制體系結構」(CARACaS)自主技術,成功使一個無人水面艇集群協同、自主地實施了巡邏任務,任務執行過程只有遠程人員監控,沒有直接的人員操控。

▲2014年，海軍研究局在弗吉尼亞州詹姆斯河上完成了第一次CARACaS技術演示驗證

試驗與技術

2014年,海軍研究局在弗吉尼亞州詹姆斯河上完成了第一次CARACaS技術演示驗證。這次演示驗證共使用了13艘無人水面艇,其中包含多艘安裝了攜帶型自主技術套件的剛性充氣艇(RHIB),以及多艘沒有安裝該套件的無人水面艇;任務是對己方一艘移動艦船進行護航。試驗中,13艘無人水面艇通過交換感測器數據、就各自「所見」達成一致,集群攔截了潛在敵方艦船,為己方海軍資產提供了護航。無人水面艇實現數據共享,是一件非常了不起的事,因為不同艇上的感測器從不同角度探測到同一物體,會將其視為不同物體。

問 題

在2014年的演示驗證中,集群無人艇一旦對一個物體形成了共同認識,每艘無人艇即開始採取各自獨立的應對措施。這在很多情況下都沒有問題,因為這些無人艇設置了同樣的程序,它們對同樣的情況會採取同樣的應對措施,看起來就像朝威脅蜂擁而至的憤怒蜂群;然而由於蜂擁行為沒有規劃,所有無人艇都會追逐第一個威脅、從而忽略其他威脅的存在。

▲2016年10月，美海軍研究局在切薩皮克灣再次進行了CARACaS技術演示驗證

試 驗

2016年10月,海軍研究局在切薩皮克灣再次進行了CARACaS技術演示驗證。這次演示驗證共使用了4艘無人水面艇,任務是防護一片固定港口區域。演示中,蜂群無人艇在發現一艘未知艦船進入其巡邏水域后,協同確定了由哪一艘無人艇快速靠近該未知艦船、識別其敵意或可疑身份並聯絡其他無人艇協助追蹤和跟蹤;與此同時,其他無人艇則繼續對所分配水域進行巡邏。整個過程中,蜂群無人艇不斷向一名監控人員提供狀態更新數據。

技 術

海軍研究局負責CARACaS技術開發的項目官員羅伯特·布里左拉拉博士表示,本次實驗中,CARACaS新增能力包括:多艘無人水面艇(USV)協同進行任務分配、更多的無人水面艇行為和戰術、自動艦船識別。

(1)「蜂群意識」 2014年演示驗證以來,海軍研究局開發出了能讓無人水面艇共同形成行動計劃並對任務進行分配的軟體,使集群無人艇能夠制定計劃、進行任務分工,甚至留出儲備力量,就像電影《星際迷航》中的「博格集合體」一樣。美海軍將本次實驗命名為「蜂群2」,不過,「蜂群意識」(Hive Mind)一詞更能描述其特點。

(2)「行為引擎」 該軟體還包含了一種「行為引擎」(Behavior Engine),能使編程人員創建一個複雜行為模式庫。相比之下,使用2014年軟體的無人水面艇僅能實施2種行為——護航(友方艦船)與攻擊(威脅);使用2016年軟體的無人水面艇則能實施4種行為——巡邏(特定區域)、識別(一艘艦船屬於友方或敵方)、追蹤(裝有感測器的目標)及跟蹤(可疑艦船)。未來,行為引擎方案將使CARACaS軟體更容易進行行為更新。按照布里左拉拉的設想,蜂群無人水面艇最終將能執行大量不同任務,每個任務軟體包都能從大型行為庫里挑選出適用的行為;不同類型的艦船可以使用相同的軟體模塊,從而降低編程成本;當前,CARACaS軟體已經在超過15型小型艦艇上使用,包括世界最大無人水面艇「海上獵手」號。

(3)自動目標識別 自動目標識別對於軟體編程來說一直是個棘手的挑戰。雖然編程人員試圖利用機器學習來提升軟體根據大型資料庫中識別不同物體的能力,但還是會犯可笑的錯誤,正如DARPA局長阿拉提·普拉巴卡爾常舉的例子:一個通常較為精密的程序會把拿著牙刷的嬰兒識別為揮著棒球棒的男孩。除了上述一般性挑戰外,無人艇目標識別技術還面臨著海上環境帶來的獨特挑戰:海水波動引發感測器及目標晃動,雨霧及潮濕空氣又常常導致圖像變形。在本次實驗中,無人水面艇首先學會識別不同類型的敵方和友方艦船,發現敵方艦船則對其實施跟蹤、追蹤甚至攻擊,發現友方艦船則允許其通行;若無人水面艇判斷錯誤,監控人員將推翻其判斷並人工修改目標的性質,若無人水面艇判斷正確,監控人員則僅在一旁監看。與「捕食者」等第一代無人機相比,海軍研究局這種無人水面艇的自主水平已經高出很多:第一代無人機的操作人員只是沒有在飛機上而已,鑒於飛行員與無人機之間需要進行持續且巨細靡遺的通信聯繫,「捕食者」的遙控模式需要大量不受干擾的帶寬提供支持;而海軍的蜂群無人艇技術則是為儘可能減少無人艇與監控員或無人艇相互之間的通信聯繫、從而節省帶寬。

美海軍領導人近年來一直強調混合型未來部隊,利用無人及有人系統協同效應,實現二者之間的能力互補並完成任務。在不久的將來,無人艇將能承擔某些危險的任務,從而保護作戰人員;並能集群執行任務,所消耗成本僅是有人戰艦執行同樣任務所需成本的一小部分。海軍可以通過為現有艦艇(譬如有人艇)安裝CARACaS套件,快速而低成本地將其改裝成執行此類任務的小型自主無人艇。

編輯：王玉珏

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