智能無人集群技術(shù)發(fā)展綜述

閆嬌嬌

摘要：智能無人集群系統(tǒng)是由多個無人系統(tǒng)協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)的整體系統(tǒng)，主要通過利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)提高智能化水平和魯棒性。智能無人集群系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、交通、教育、醫(yī)療、軍事、金融等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但也面臨著任務(wù)復(fù)雜度提升、產(chǎn)品質(zhì)量和成本競爭等挑戰(zhàn)。文章分析了智能無人集群系統(tǒng)應(yīng)用中的環(huán)境感知與認(rèn)識、多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策、信息交互與自主控制、人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)的關(guān)鍵技術(shù)手段，總結(jié)了當(dāng)前智能無人集群系統(tǒng)具有的優(yōu)勢以及特點，最后對智能無人集群技術(shù)的未來發(fā)展提出了展望，為智能無人集群技術(shù)發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：智能無人集群系統(tǒng)；環(huán)境感知；多機協(xié)同；自主控制

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0030-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

無人系統(tǒng)是指利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)無人機、無人車、無人艇等裝備的自主協(xié)同作業(yè)的系統(tǒng)。無人系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是為了滿足軍事領(lǐng)域的需求，例如提高作戰(zhàn)效率和效果，降低人員傷亡和設(shè)備損失，適應(yīng)復(fù)雜和危險的作戰(zhàn)環(huán)境等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會經(jīng)濟的進步，無人系統(tǒng)的出現(xiàn)也開始為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、教育、醫(yī)療等民用領(lǐng)域的很多難題提供了創(chuàng)新的解決方案，例如提高生產(chǎn)效率和安全性，降低成本和資源消耗，解決環(huán)境污染和能源危機等問題。

無人系統(tǒng)以單一平臺的作業(yè)形式最先投入實際應(yīng)用中。隨著需求升級，單無人系統(tǒng)只能執(zhí)行單一或簡單的任務(wù)，如偵察、監(jiān)視、運輸?shù)取o人系統(tǒng)受制于自身的性能和環(huán)境的限制，難以應(yīng)對復(fù)雜和多變的任務(wù)場景的短板逐漸暴露。為解決單無人系統(tǒng)的局限性問題，在法國生物學(xué)家Pierre Paul Grass 1959年提出的“群集行為”思想[1]的啟發(fā)下，智能無人集群技術(shù)應(yīng)勢而生。智能無人機群是由若干個同構(gòu)或者異構(gòu)的單無人系統(tǒng)組成的更高層次的系統(tǒng)。各系統(tǒng)之間根據(jù)任務(wù)分工，通過必要的系統(tǒng)繼承，產(chǎn)生集群協(xié)同效應(yīng)，在一定時間、空間內(nèi)合作完成復(fù)雜任務(wù)。智能無人集群具備執(zhí)行復(fù)雜多變、危險任務(wù)的能力，可以最大限度地發(fā)揮無人系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時提高了集群系統(tǒng)的載荷和信息感知處理能力。

1 智能無人集群技術(shù)的發(fā)展背景

智能無人集群技術(shù)的發(fā)展背景可以追溯到無人系統(tǒng)和人工智能領(lǐng)域的進步。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，為智能無人集群技術(shù)提供了強大的支撐和推動。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)無人裝備之間的高速高效通信，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速分析和處理，人工智能技術(shù)可以實現(xiàn)無人裝備的自主感知和決策。同時，智能無人集群技術(shù)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要組成部分，在軍事作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行、戰(zhàn)場感知、通信與網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)險削減以及訓(xùn)練和模擬等方面都起到了尤為關(guān)鍵的作用。算法和技術(shù)的快速進步也為智能無人集群技術(shù)提供了重要支持，智能無人集群技術(shù)可以提供更強大的信息獲取和處理能力，更靈活的作戰(zhàn)方式和手段，更安全的作戰(zhàn)環(huán)境和保障。智能無人集群技術(shù)不僅會推動現(xiàn)有軍事科技的升級與進步，還將帶動民用科技的智慧性發(fā)展。各類產(chǎn)業(yè)對于提高生產(chǎn)效率和安全性，降低成本和資源消耗，解決環(huán)境污染和能源危機等問題有著迫切的需求。智能無人集群技術(shù)可以在農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、交通、教育、醫(yī)療等多個領(lǐng)域提供創(chuàng)新的解決方案，促進創(chuàng)造巨大的社會價值和經(jīng)濟效益。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

智能無人集群技術(shù)目前相關(guān)研究尚處于初級階段。目前，國外無人技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用研究多聚焦于軍事應(yīng)用，美國在智能無人集群系統(tǒng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國軍方開展了多個智能無人集群系統(tǒng)的研究和試驗項目。美國海軍研究局（ONR）于2015年推出了“低成本無人機技術(shù)蜂群”項目，旨在開發(fā)能夠從大型運輸機或轟炸機發(fā)射并自主編隊的小型無人機，以提高空中作戰(zhàn)的靈活性和有效性。該項目于2016年4月完成了30架無人機連續(xù)發(fā)射并編組飛行的試驗[2]。美國空軍研究實驗室（AFRL）于2015年發(fā)起了“空中作戰(zhàn)忠誠僚機”項目，旨在將第四代戰(zhàn)機進行無人駕駛技術(shù)改裝，并將其與第五代隱身戰(zhàn)機配對，使第五代戰(zhàn)機（長機）的駕駛員可以對無人機（僚機）進行控制，從而讓雙方的作戰(zhàn)能力都有所加強，尋求有人-無人機編隊作戰(zhàn)的能力[3]。該項目于2020年12月完成了首次有人-無人協(xié)同飛行試驗[4]。

歐洲國家在智能無人集群技術(shù)的研究和應(yīng)用方面也取得了一定進展。英國軍方于2021年2月啟動了“黑暗天空”項目，旨在研制能夠與有人戰(zhàn)斗機協(xié)同作戰(zhàn)的無人戰(zhàn)斗機集群，計劃在2023年進行首次飛行試驗[5]。而法國軍方于2020年7月啟動了“新一代空中武器”項目，研制能夠自主編隊和執(zhí)行任務(wù)的無人飛艇集群，并且計劃在2014年進行首次飛行試驗[6]。亞洲國家也在積極開展智能無人集群技術(shù)的研究工作。其中，日本和韓國在工業(yè)、交通等民用領(lǐng)域開展了大量關(guān)于智能無人集群技術(shù)的應(yīng)用研究[7]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在軍事領(lǐng)域方面，中國軍方在無人機、無人船、無人車等多個平臺上開展了智能無人集群技術(shù)的研究和試驗，展示了高效、靈活、安全的作戰(zhàn)能力。2018年11月，中國海軍在南海進行了多型號水面無人艇集群演練，驗證了水面無人艇集群的自主編隊、協(xié)同探測、協(xié)同攻擊等能力[8]。2019年10月，中國陸軍在西北某訓(xùn)練場進行了多型號無人車集群演練，驗證了無人車集群的自主巡邏、自主避障、自主打擊等能力[9]。

在工業(yè)領(lǐng)域方面，中國利用智能無人集群系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率和安全性方面取得了顯著成果，涉及橋梁檢測、管道巡檢、電力巡線、物流配送等多個場景。2021年4月，國網(wǎng)利用無人機集群對新疆電網(wǎng)進行了巡線和抗災(zāi)保電，提高了巡線效率和可靠性[10]。同年10月，京東利用自動駕駛汽車和自動配送車實現(xiàn)了智能物流配送，提高了配送效率和滿意度[11]。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面，中國利用智能無人集群系統(tǒng)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量方面取得了突出進展，涉及農(nóng)作物監(jiān)測、施肥噴灑、收割運輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)。2020年11月，山東省啟動了“智慧果園”項目，利用水陸兩棲無人機集群對蘋果園進行監(jiān)測和管理，提高了蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)[12]。2021年5月，河南省啟動了“智慧麥田”項目，利用無人車集群對小麥進行收割和運輸，提高了小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。

3智能無人集群關(guān)鍵技術(shù)

智能無人集群技術(shù)不是某項單一技術(shù)，而是無人控制、群體智能、人工智能、無線移動網(wǎng)絡(luò)等多種相關(guān)技術(shù)的綜合運用。智能無人集群關(guān)鍵技術(shù)主要包括：環(huán)境感知與認(rèn)識、多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策、信息交互與自主控制、人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)等。圖1中模擬了智能無人集群技術(shù)在森林火場救援場景中的應(yīng)用實現(xiàn)。

3.1 環(huán)境感知與認(rèn)識

環(huán)境感知與認(rèn)識是指智能無人集群技術(shù)中的無人裝備能夠根據(jù)自身的傳感器和其他無人裝備的通信信息，可以實時獲取和理解周圍環(huán)境的狀態(tài)和變化，以便于進行任務(wù)規(guī)劃和決策。環(huán)境感知與認(rèn)識涉及目標(biāo)檢測、目標(biāo)識別、目標(biāo)跟蹤、障礙物避讓、地圖構(gòu)建等多個方面。環(huán)境感知與認(rèn)知技術(shù)的發(fā)展主要依賴于圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)的進步。2022年，Suleman Qamar等人提出了一種使用深度強化學(xué)習(xí)進行集群導(dǎo)航的自主方法[14]，該方法模擬了具有靜態(tài)和動態(tài)障礙物以及阻力（如線性阻力、角阻力和重力）的復(fù)雜3D環(huán)境，以跟蹤多個動態(tài)目標(biāo)；Saeed， R.A.等人提出了一種基于粒子群優(yōu)化機制的無人機路徑規(guī)劃方法[15]，通過使用3D路徑規(guī)劃來形成無人機，并通過使用混沌基礎(chǔ)邏輯圖來初始化粒子分布。

3.2多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策

多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策是指智能無人集群技術(shù)中的無人裝備能夠根據(jù)自身的能力、資源以及其他無人裝備的信息，自主地制定和執(zhí)行合理的任務(wù)計劃，以實現(xiàn)集群任務(wù)的要求。多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策涉及任務(wù)分配、路徑規(guī)劃、編隊控制、協(xié)同控制等多個方面。多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策技術(shù)的發(fā)展主要依賴于優(yōu)化算法、博弈論、分布式控制等相關(guān)技術(shù)的進步。Bo Liu等人2013年提出的完全分布式的魯棒控制方案是該技術(shù)最新的應(yīng)用研究成果[16]，主要利用最小虛擬領(lǐng)導(dǎo)者信息解決了無人機集群的魯棒編隊飛行問題。

3.3 信息交互與自主控制

信息交互與自主控制是指智能無人集群技術(shù)中的無人裝備能夠通過有線或無線方式與其他無人裝備或地面站進行信息交換，以實現(xiàn)集群任務(wù)的協(xié)調(diào)和指揮。信息交互與自主控制涉及通信協(xié)議、通信拓?fù)洹⑼ㄐ刨|(zhì)量、通信安全等多個方面。信息交互與自主控制技術(shù)的發(fā)展主要依賴于物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、衛(wèi)星通信等相關(guān)技術(shù)的進步。F. Chiti. 等人提出了一種使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的無人機集群通信協(xié)議，設(shè)計SDN架構(gòu)用于支持高性能的城域量子無人機網(wǎng)絡(luò)（MQDNs），通過無人機集群在兩個地面站（GSs）之間創(chuàng)建糾纏[17]。Taehoon Yoo. 等人提出了一種基于深度強化學(xué)習(xí)的無人機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ治隽藷o人機集群內(nèi)部的相對位置，然后從干擾和能耗的角度優(yōu)化它們之間的連通性，并最終通過選擇每個無人機的鄰居并在它們之間映射數(shù)據(jù)流來重塑無人機網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)[18]。Xi Chen等人在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了四種通信架構(gòu)以及其優(yōu)點和缺點，還對路由協(xié)議進行了系統(tǒng)性的概述和可行性研究，提出了如何通過構(gòu)建多條通信路徑來實現(xiàn)無人機集群之間或無人機集群與中央控制中心之間的信息交換，從而提高無人機集群通信質(zhì)量[19]。

3.4 人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)

人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)是指智能無人集群技術(shù)中的無人裝備能夠與人類操作員或指揮員進行有效的交互和協(xié)作，以實現(xiàn)集群任務(wù)的優(yōu)化和調(diào)整。人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)涉及人機界面、人機協(xié)同、人機信任、人機學(xué)習(xí)等多個方面。人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展主要依賴于人工智能、虛擬現(xiàn)實、情感計算、強化學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)的進步。Valerii Serpiva. 等人2023年提出了一種名為SwarmPaint的人群交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許用戶通過直接手部運動或通過基于DNN手勢識別的手勢界面控制群體位置和編隊[20]。Brian Stanton. 等人則討論了人工智能（AI）系統(tǒng)對用戶信任的獨特挑戰(zhàn)。他們認(rèn)為AI用戶必須因其復(fù)雜性和不可預(yù)測性而信任AI，這改變了用戶和系統(tǒng)之間的動態(tài)關(guān)系，同時驗證了用戶對AI的信任將是實現(xiàn)并發(fā)揮這種新技術(shù)優(yōu)勢的同時最小化其風(fēng)險所必需的[21]。

4智能無人集群技術(shù)特點及優(yōu)勢

通過分析智能無人集群技術(shù)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，智能無人集群技術(shù)相比于傳統(tǒng)的無人技術(shù)，其特點及優(yōu)勢如下：

1）高效：智能無人集群技術(shù)可以在復(fù)雜的環(huán)境中執(zhí)行多種任務(wù)，如偵察、監(jiān)視、打擊、救援等，提高了作戰(zhàn)效率和效果。同時，可以與有人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)，形成更強大的作戰(zhàn)力量。

2）靈活：智能無人集群技術(shù)可以根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境變化，自主地調(diào)整自身的運動狀態(tài)和協(xié)同方式，實現(xiàn)更靈活的作戰(zhàn)方式和手段。在面臨部分成員或功能失效時可以通過內(nèi)部信息交互控制實現(xiàn)敏捷重組，應(yīng)對部分無人裝備的損失和故障。

3）安全：智能無人集群技術(shù)可以在高風(fēng)險的區(qū)域或任務(wù)中代替有人系統(tǒng)，避免或減少人員傷亡和設(shè)備損失，保障了作戰(zhàn)安全和人員生命。未來發(fā)展中，會考慮提高設(shè)備的自保能力，利用自動控制系統(tǒng)，迅速采取自我防御措施，擺脫敵方打擊。

4）節(jié)約：智能無人集群技術(shù)相比有人系統(tǒng)，一般具有更低的研制成本、運行成本和維護成本，節(jié)省了資源和資金，提高了作戰(zhàn)經(jīng)濟性。隨著技術(shù)的成熟，集群的龐大，可以利用數(shù)量優(yōu)勢，使敵方在防御中耗費大量的物力和財力。

5）創(chuàng)新：智能無人集群技術(shù)可以在農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、交通、教育、醫(yī)療等多個領(lǐng)域提供創(chuàng)新的解決方案，解決環(huán)境污染和能源危機等問題，創(chuàng)造巨大的社會價值和經(jīng)濟效益。

綜上所述，這些特點及優(yōu)勢可以使智能無人集群技術(shù)在各種應(yīng)用場景中具備更大的潛力和優(yōu)勢，為未來的智能無人集群技術(shù)發(fā)展帶來了新的機遇。

5 智能無人集群技術(shù)未來展望

智能無人集群技術(shù)是一種利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)無人機、無人車、無人船等裝備的自主協(xié)同作業(yè)的技術(shù)，在其高效、靈活、安全、節(jié)約、創(chuàng)新等特點和優(yōu)勢的驅(qū)動下，可以應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、救援等多個領(lǐng)域，將是新一代信息技術(shù)的重要應(yīng)用方向。智能無人集群技術(shù)在其應(yīng)用領(lǐng)域尚未完全實現(xiàn)自主化與智能化，對智能無人機群技術(shù)的未來展望主要有以下4點：

1）更高的自主性和智能性：隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，智能無人集群技術(shù)將能夠?qū)崿F(xiàn)更高的自主性和智能性，通過自主感知、決策、控制和學(xué)習(xí)，適應(yīng)復(fù)雜和動態(tài)的環(huán)境和任務(wù)，實現(xiàn)更優(yōu)化的任務(wù)執(zhí)行和更靈活的任務(wù)調(diào)整。

2）更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和場景：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，智能無人集群技術(shù)將能夠在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和場景中發(fā)揮作用，如教育、醫(yī)療、娛樂、旅游等，為人類生活提供更多的便利和樂趣。

3）更深入的人機融合和協(xié)作：隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，智能無人集群技術(shù)將能夠與人類操作員或指揮員進行更深入的人機融合和協(xié)作，通過高效的人機界面、高度的人機信任、高質(zhì)量的人機學(xué)習(xí)，實現(xiàn)更優(yōu)化的任務(wù)分配和更高效的任務(wù)協(xié)調(diào)。

4）更嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)：隨著智能無人集群技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，也將面臨更多的技術(shù)問題和社會問題，如技術(shù)質(zhì)量和安全、技術(shù)責(zé)任和倫理、技術(shù)秩序和公平等。因此，需要制定更嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范技術(shù)行為和責(zé)任，防止技術(shù)失誤和濫用，維護技術(shù)秩序和公平。

6 結(jié)束語

智能無人集群技術(shù)是指由多個不同類型的無人平臺組成的系統(tǒng)，它們通過信息交互和任務(wù)協(xié)同，實現(xiàn)一定目標(biāo)的過程。智能無人集群技術(shù)作為群體智能領(lǐng)域的重要研究方向之一，在國防、社會、經(jīng)濟等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，同時也將推動群體智能理論與技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。研究者既要注重探索群體智能的基礎(chǔ)理論方法，又要著力研究智能無人集群技術(shù)的核心技術(shù)，更要加強自主研發(fā)各種形態(tài)的智能無人集群系統(tǒng)，開展典型領(lǐng)域應(yīng)用，為國家進步和社會發(fā)展服務(wù)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】