怎樣同時操作100架無人機？
文章來源於「科學大院」公眾號
作者：周滿
最近的國產軍事電影中，無人機可謂出盡風頭：它在《空天獵》里悄悄偵察對方陣地，在《戰狼2》里掃射人群，在《紅海行動》里直接報銷了一輛坦克！
不過，電影中的無人機雖然酷炫，但是每架無人機都需要配備一名遙控人員，控制上百架無人機協同作戰似乎是個難以完成的任務。
但是，在2017年6月，中國電子科技集團公司成功做到了119架固定翼無人機的集群協同飛行，成功演示了119架無人機的密集彈射、空中自主集結、多目的自動分組、自動編隊合圍等。這一實驗的重點，就是「集群智能」！只需要一個人就可以操縱上百架無人機。
中國無人機集群協同飛行
什麼是無人機集群？
無人機集群是由大量的無人機構成，可以是由完全相同的無人機組成，也可以是由紅外偵察無人機、雷達探測無人機、圖像偵察無人機、戰鬥機、轟炸機等不同無人機組成。它們彼此間通過無線網路等方式進行態勢共享與信息交互，相互協調合作完成任務分配、航跡規劃等。
在系統內，每個無人機都是一個智能體，具有獨立飛行、偵察等能力，而無人機群之間可通過無線網路進行信息交互，無人機群與有人機或地面也存在信息交互，最終實現無人機群體的管理、群體間任務的分配、群體航跡的規劃及單無人機航跡的規劃等。
下圖展示的為多無人機協同搜索的概念圖，多架不同功能構成的無人機對特定區域展開搜索，提高探測準確度及探測範圍。
多無人機集群協同搜索
為更好的理解無人機集群系統，大院er舉一個軍事對抗的例子：敵方有一個火炮陣地對我方造成嚴重威脅，必須將其摧毀。有人機雖然操作簡單，易於管理，可執行此任務，但體積較大，容易被雷達等設備發現而被擊毀，另一方面有人機成本較高（此處成本暫不包括飛行員傷亡所帶來的損失）。這時，無人機就要上場了！
為提高執行任務的成功率，利用小型無人機低成本優勢，可採取飽和式攻擊方案（雷達一次所能探測的數量有限，敵方一次所能攔截的數量也有限，飽和式攻擊是指通過增加無人機數量，使其超過敵方雷達所能探測上限或超過敵方一次所能攔截的上限，使部分無人機可滲透進敵方陣地），一次派出10～100架無人機。此外，多架無人機協同執行作戰任務，可以擴大探測、攻擊範圍，提高執行效率，俗話說「一個好漢三個幫」，就是這個道理。
集群智能：向蜜蜂學習
動物界集群行為是指以群體的形式出現，目的是通過相互合作提高群體的利益，同時滿足自己的利益。無人機集群技術正是源於自然、源於生活，最初的無人機集群概念起源於古老的昆蟲蜜蜂。
早在1億2千萬年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每個蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂組成，蜂王每個種群通常只有1隻，工蜂數千至數萬不等，雄蜂略少。工蜂則負責日常采蜜、築巢、保衛、飼養幼蟲等工作。
無人機群的操作手可類比於蜂群中的蜂王，負責操控整個無人機群；無人機群中的偵察機則更像勤勤懇懇的工蜂，偵查無人機負責偵查、探測任務，執行正常的作業任務，當危險來臨時，又可以充當戰鬥機，與敵機進行作戰；無人機集群中的轟炸機、戰鬥機則更像負責集群安全的兵蜂，轟炸無人機負責對敵方進行轟炸，戰鬥機負責護衛群體安全與敵人正面作戰。
為降低無人機操作手的操作難度，實現1個操作手可輕鬆操作成百甚至上千架無人機，需要模擬生物的集群行為對這個無人機群進行管理。
要實現這個目地，首先需要設計集群管理控制器，通過設計控制演算法，使這個群體能夠像蟻群、鳥群等自主去尋找火炮陣地，同時在飛行過程中，探測周圍的障礙物、雷達等威脅，並在機群內共享這些信息，使機群能夠自主的規划出最佳飛行路線，避開威脅物，以最短時間到達目的地。在到達目的地後，根據各個無人機的功能，通過集群管理，給各個無人機分配不同的任務：
偵察機組負責偵察周邊環境、火炮陣地具體坐標等，然後將火炮陣地坐標及周邊環境信息發送給轟炸機組。
轟炸機組根據火炮陣地坐標，規划出最佳攻擊路徑，對火炮陣地及周邊威脅物進行轟炸摧毀。
戰鬥機組負責周邊警戒、護航，防止敵機進行騷擾攔截。
當然除此之外還會有負責引誘、通信、干擾等用途的機組來共同完成此任務。
就如同一個球隊，有前鋒、中鋒、後衛、門衛，還有教練，他們共同組成了一個球隊，有負責排兵布陣出謀劃策的，有負責進攻的，也有負責守衛保護的，他們之間通過語言、手勢來彼此配合，提高團隊的戰鬥力，戰勝對手。
而其中的涉及的關鍵技術有很多，主要包括整個無人機集群的管理、無人機集群的任務分配、無人機集群的航跡規劃、無人機集群間的信息交互等等。
未來無人機群什麼樣
近幾年，無人機行業發展迅猛，無人機集群因其低成本、高效率的特點，在國內外已得到廣泛關注。
2016年5月，美國空軍正式提出《2016-2036年小型無人機系統飛行規劃》，希望構建橫跨航空、太空、網空三大作戰疆域的小型無人機系統，並在2036年實現無人機系統集群作戰。明確了美國空軍小型無人機系統近期、中期和遠期主要發展目標。
在美國國防部的領導下，國防先進研究計劃局（DARPA）、戰略能力辦公室（SCO），以及空軍、海軍等都開展了大量的研究和論證工作，啟動了多個項目，如「小精靈」項目、低成本無人機集群技術項目、「山鶉」項目、進攻性蜂群使能戰術項目、拒止環境中協同作戰項目等。
小精靈無人機群概念圖
上圖為無人機集群在複雜戰場環境中協同作戰的模擬作戰效果圖，可以看到機群由多個不同功能的無人機組成，包括一架有人機。有人機負責控制無人機群，對其發送指令，無人機群收到作戰指令後，集群內偵查無人機自主探測敵方陣地坐標、探測威脅物，通過無人機群間網路，有人機與無人機群進行信息交互，通過無人機集群協同控制器的計算，規劃處最佳的飛行路線及攻擊方案，實現對敵方陣地的偵察及最大限度的破壞，最大限度提高任務成功率同時降低己方人員傷亡。
複雜戰場環境中協同作戰項目模擬作戰圖
此外，還有歐盟的異構多無人機實時協同和控制(COMETS)項目，以及澳大利亞研究中心的自主導航和環境感知研究項目等。
無人機集群技術在軍事對抗領域已得到廣泛關注，其低成本、大規模、高智能的特性，使其在民事領域也具有較好的發展前景，大規模協同工作方式將大大提高搜索效率、探測精度，為農林防護、搜索救援等贏取寶貴時間，同時提供準確數據。
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