DARPA无人系统集群的城市作战应用

2018 年3 月，DARPA 发布“进攻性集群战术”（OFFSET）项目第一阶段第二个“集群冲刺”活动跨部门公告，围绕提升集群自主水平，寻求解决方案并开展验证，探索无人系统集群在复杂城市环境中的作战应用。

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项目概况

在城市作战中，采用无人机、无人地面车辆执行情报监视侦察、排雷等任务可显著提升作战效能，若引入集群作战则将进一步凸显作战优势。目前，美军缺乏管理无人系统集群并与之交互的技术，也缺乏适用不同城市环境作战的集群战术。为此，DARPA 战术技术办公室于2017 年2 月发布OFFSET项目跨部门公告，为城市作战的步兵单元开发至少100 种集群战术，并采用由上百个无人机、无人地面车辆构成的集群验证新战术，重点促进集群自主、人机编队两大领域的技术成熟。

OFFSET 项目周期42 个月：第一阶段为期18 个月，目标是实现50 个异构无人系统在城市环境中封锁1 个目标；第二阶段为期12 个月，目标是在城市环境中采用100 个异构无人系统执行1 次攻击任务；第三阶段为期12 个月，目标是在城市环境中采用250 个异构无人系统攻占1 个区域。

集群自主验证指标包括：（1）在虚拟环境下，每季度开发不少于10 种新战术；（2）在集群任务中，评估新战术的时间少于15 分钟；（3）将集群战术架构集成到物理集群平台，每100个无人系统的集成时间少于24 小时。

人机编队验证指标包括：（1）对集群实施空中战术更新，部署新战术的时间少于1 分钟；（2）构建基于新战术的可行行动方案，构建时间1 分钟，行动方案的数量大于3 种；（3）集群规模可变化，无人系统数量变化±50%。

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项目组织方式及特点

1、组织方式

OFFSET 项目计划开展两种“集群冲刺”活动，用于集群战术的开发、验证和集成：一是“核心集群冲刺”，即每隔6 个月向学术机构、大型企业等征集提案，重点针对集群战术、集群自主、人机编队、虚拟环境、物理测试平台等5 大领域；二是“特别集群冲刺”，根据迫切需求研究某一领域，可能会与“核心集群冲刺”同时进行。

图1 OFFSET 项目进度安排

DARPA 初步计划在OFFSET 项目中开展7 个“集群冲刺”活动，每个阶段开展2～3 个：第一阶段，开展集群战术、集群自主2 个活动；第二阶段，开展集群战术、人机编队、虚拟环境3 个活动；第三阶段，开展集群战术、物理测试平台2 个活动。

2、特点

DARPA 通常采用常规、挑战赛、众包三种方式开展项目。其中，常规方式即围绕目标分阶段实施，通常采用如下方式开展：一是同时资助多个项目方案，以降低单个方案失败带来的风险；二是各阶段设定若干技术任务，随项目推进各技术任务逐渐融合，项目承包商也随之调整；三是设定主承包商，每份合同通常涉及多家参研单位，将合同授予主承包商有助于管理众多参研单位。

OFFSET 项目围绕250 个异构无人系统攻占1 个区域的最终目标，将关键技术拆分到三个阶段分步实现，属于DARPA 项目的常规组织方式，其部分组织特点值得参考和借鉴。

（1）集群战术采用由上至下、需求牵引的研发方式

在OFFSET项目前，相关研究通常聚焦集群算法，即由算法组合形成集群行为，由行为组合形成集群战术。但这种由下至上形成的集群战术效用有限，通常与作战需求脱节。而OFFSET 项目将聚焦集群战术的开发、评估和集成，由集群战术推演相关的行为和算法，这种由上至下、需求牵引的研发方式将更切合作战需求。

图2 OFFSET 项目采用由上至下的集群战术开发方式

（2）细化关键技术和承包商，降低项目风险

OFFSET 项目设置了3 个阶段，但实质上按照7 个“集群冲刺”活动（不含“特殊集群冲刺”）分步推进，技术被进一步拆分和细化；在每个“集群冲刺”活动中，DARPA 将授出提案者和集成商两类合同，根据已启动的2 个“集群冲刺”活动看，提案者主要负责提出集群战术、集群自主等方案，集成商重点负责开发虚拟/真实环境下的架构，并验证提案者方案，双方合作共同促进单项关键技术成熟。

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最新进展

截至2018 年4 月，OFFSET 项目已先后发布第一阶段2 个“集群冲刺”活动跨部门公告。

1、首个“集群冲刺”

2017 年10 月12 日，DARPA 启动首个“集群冲刺”活动，目标是开发集群战术，支持由50 个异构无人系统在两个街区、15～30 分钟内封锁一个目标。涉及的集群战术包括：侦察作战区域、绘制作战区域地图、识别作战区域的出入口、识别/定位/追踪目标、维持侧翼和后方安全、定位/识别/对抗敌方火力、实施伪装或诱骗、与己方机动力量保持通信、部署传感器网络、标定进入和退出点等。

2018 年2 月，DARPA 确定洛马公司（获得36.35 万美元资助）、翱翔技术公司、查尔斯河分析公司（获得48.81 万美元资助）、马里兰大学（获得64.60 万美元资助）、卡内基梅隆大学为首批“集群冲刺”的提案者，确定诺格公司（获得370.91 万美元资助）、雷声公司（获得322.34万美元资助）为集成商。诺格公司正在设计、研发和部署一种基于游戏的虚拟开放式架构。雷声公司正在开发一款虚拟现实（VR）界面，目标是实现一名操作员可操控无人系统集群。现已完成对50架无人机的操控测试，在测试中，操作员可操控无人系统集群。现已完成对50架无人机的操控测试，在测试中，操作员通过HTC Vive 虚拟现实头盔、控制器、WI-FI 设备等与无人机开展交互。目前，该头盔仅拥有一些简单的指挥能力，例如在集群中选定部分无人机前往特定区域执行任务，未来将增加语音指控功能。

图3 OFFSET 项目开发的集群战术概念图

2、第二个“集群冲刺”

2018 年3 月26 日，DARPA 启动第二个“集群冲刺”活动，聚焦集群自主领域，目标与首个“集群冲刺”活动一致，即支持由50 个异构无人系统在两个街区、15~30 分钟内封锁一个目标。目前，DARPA 尚未授出第二个“集群冲刺”活动合同。

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结 语

城市作战环境复杂，密集的建筑易降低传感器效能，干扰甚至阻断GPS 等通信信号，影响态势感知能力。因此，DARPA 已启动多个项目，积极探索无人系统在城市作战中的应用。2014 年启动“快速轻量自主”（FLA）项目，开发先进的感知和自主算法，使小型无人机在无遥控信号和GPS 信号情况下，借助机载高分辨率摄像机、激光雷达、声纳或惯性测量单元在房间、楼梯、走廊或其他设障城市环境中自主飞行；2015 年启动“X 班”项目，目标是在城市作战中为步兵单元引入无人机、机器人等智能化装备，在数百米范围内建立感知警戒线，提升步兵态势感知、精准打击等能力。

美军在不断扩大无人系统部署规模、强化其任务能力，并通过有人/无人装备协同、无人装备集群的方式提升整体作战效能。无人系统应用领域已从情报监视侦察、排雷防爆、通信中继等扩展到电子战、火力支援等。当前，无人系统已不再是简单用于降低作战人员危险的辅助工具，正逐步发展为未来作战的主要装备。

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小蓝君
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