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DARPA启动OFFSET项目 开启创新无人蜂群战术

 Yoke8 2018-01-29


 引言


随着无人技术的发展,无人系统在城市作战中的作用越来越大,这一点已经在实战中得以证明。为了提升利用无人蜂群系统的作战效能,美国防高级研究计划局(DARPA)征询创新性建议,希望地面部队能同时控制几十甚至几百套蜂群无人系统。然而,美军部队当前缺乏无人蜂群管理及交互技术,也缺乏快速形成并共享各种蜂群战术以适应不同城市环境的方法。为克服这些挑战,提高小规模部队在城市环境中的作战效能,DARPA启动了“进攻性蜂群使能战术”(OFFSET)项目。该项目概念始于2016年秋,当时美空军提出了作战人员可以用手势控制无人机蜂群的作战场景想定。2016年12月,DARPA在公布OFFSET项目时披露,正在寻求发展积极的蜂群战术开发生态系统及支撑性的开放系统架构,包括先进的人-蜂群界面,让用户可同时实时监控和指挥数百套的蜂群无人平台;实时、联网的虚拟环境,能支持基于物理的蜂群战术游戏;社群驱动的蜂群战术交流,这种有人管理、访问受限的项目门户将提供应用程序,帮助参与者设计蜂群战术、蜂群行为及蜂群算法。

OFFSET项目的跨部门公告(BAA)初稿于2017年1月27日发布,2月8日更新,披露了更多项目细节。DARPA设想一种界面,利用增强现实、虚拟现实等游戏技术以及手势、触摸和触感方式对蜂群系统实施指挥控制。希望利用Unity 3D、Unreal等游戏开发平台软件来创建虚拟现实的蜂群作战场景,建立类似游戏世界的社群交互,鼓励用户提交高质量的蜂群战术。

OFFSET项目为期42个月,包含6个一年两次的能力实验。项目第一阶段为期18个月,第二、第三阶段分别为期12个月。



   OFFSET项目构想


先进技术的空前发展推动能力的转型,特别是在分布式、大规模、自主系统背景下。系统可用性的不断增长推动了蜂群能力的开发和飞速发展。技术的进步主要体现在蜂群自主性、人-蜂群编队、蜂群感知、蜂群组网和蜂群后勤5个关键使能领域,如图1所示。

· 蜂群自主性涵盖实现智能移动、决策以及与环境交互的各种自适应、复杂的集体行为。

· 人-蜂群编队强调的是蜂群系统行为交互、相互影响和推断的需求和能力。

· 蜂群感知包含信息的大规模、分布式和分散感知、融合与提炼。

· 蜂群组网是对分发信息的自适应、弹性、碎片式共享和存储。

· 蜂群后勤解决的是硬件和软件的使用、支持以及大规模系统的维护。

OFFSET项目的目标是推进及加快这些蜂群使能技术的发展,重点放在蜂群自主性和人-蜂群编队这两个领域,重视作为蜂群能力发展基础的作战相关蜂群战术。

蜂群战术特别要利用蜂群系统的独有特性,实现战术优势。在确定蜂群技术优势时,蜂群规模通常作为主要考量。

OFFSET项目的关注重点是“蜂群战术”,旨在通过战术通用语表述自主蜂群能力,以便更清晰、直观地捕捉指挥官的意图。通用词汇的采用,将加速自主性、人工情报、平台设计、感知和嵌入式组件技术的快速发展。OFFSET项目预期的以蜂群战术为中心的开发也旨在降低认知性阻抗失配,目前这种失配限制了与现有多机器人系统交互。图2示出以蜂群战术为中心的框架,OFFSET项目通过该框架,寻求蜂群系统能力的发展。

如图2所示,传统的自下而上的方法(左)在作战人员需求与所开发的蜂群战术之间存在缺口,而关注蜂群战术的自上而下的方法(右)把作战人员需求作为蜂群能力进步的驱动力。考虑到图2所述的分层框架,作战人员需求直接通过蜂群任务描述,利用蜂群系统与相关人员的协同,实现高级作战目标。蜂群算法是蜂群集体执行的简单功能或“技能”的基础,尽管这些功能(例如,向前机动、测量信号强度、感知障碍物)个体作战价值并不高,但这些蜂群算法组合成蜂群基元或集体行为,就可提供高度集成的蜂群能力。例如,这些蜂群基元可对行为进行编码,定义某个区域的感兴趣点,确定到某个建筑的入口点,或对周界进行定义并实施保护。

作为OFFSET项目的中心焦点,蜂群战术通过依次和/或同时执行蜂群基元组合,推动作战相关蜂群系统能力的发展,实现战术目标,支持任务的实施。尽管利用蜂群系统可大大增强现有战术,例如建筑物的隔离和清查、压制敌方火力或保护侧翼安全,但OFFSET项目的目标却是激发创新一代蜂群战术的开发,为未来蜂群系统能力颠覆性发展创造机会。

人口密集的城市环境是潜在作战环境之一,在这种环境中,未来蜂群能力可验证游戏规则改变所带来的影响。在密集城市环境中的作战行动中,小型地面部队必须针对动态环境和敌人进行机动、防御和作战。部队通常对此类作战所在区域的基础设施、供应链、当地条件和潜在威胁等方面了解很少,且接入和/或控制严重受限,因而,执行行动困难重重。这些密集城市区域特别需要未来连级及以下地面部队在建制分布式或分散式无人系统能力方面取得进步。

OFFSET项目寻求革命性能力,保持和维护城市作战环境的空中和地面优势。OFFSET项目感兴趣的是可跨多个时空范围、协同自主蜂群单元数量高达250的高能力异质蜂群系统,例如,在高楼林立的8个街区,由250套无人系统组成的自主蜂群执行任务时间高达6个小时的城市作战。



   OFFSET项目描述


OFFSET项目的目标是设计、研发和验证一种蜂群系统架构,推动新型蜂群战术的创新、交互和集成。该项目的成功完成最终将产生以下成果:先进的蜂群系统,包括一种经过验证的蜂群软件架构,实现蜂群战术和先进蜂群界面;物理蜂群系统测试床,进行大量试验和运算;强健的开发者和用户群体,支持蜂群系统能力的进步。从更广泛意义上来说,OFFSET项目的目标还包括有人-无人编队概念的扩展、自主系统的测试和评估以及实现分布式组网能力的开放系统架构。


3.1 OFFSET蜂群系统核心要素

OFFSET蜂群系统体系框架以三个互相协同且彼此交叉的交集为核心(如图3所示):从蜂群使用中发现新蜂群战术及见解(创新);创建新方法使蜂群操作人员获得丰富且直观的感受(交互);在蜂群中实现快速发展的蜂群能力(集成)。


(1)

蜂群战术创新


OFFSET项目的主体是蜂群战术创新,在基于游戏的环境中,利用基于工业标准、开放源代码游戏引擎(例如,Unity 3D、Unreal)实现的可扩展软件架构。这种环境提供一种虚拟现实世界,在这样的世界中,可广泛利用和扩展相关作战场景(例如,城市作战)。

OFFSET采用两种互补途径构想新的蜂群战术理念,提供近期和未来蜂群战术能力的发展途径:

· 实现仅包含物理可实现组件的蜂群战术,即,仅利用现有的和/或成熟的传感器、数据类型、嵌入式计算和网络资源以及经过试验验证的蜂群算法或蜂群基元。

· 利用合成蜂群组件设计蜂群战术,即,仅利用可在游戏环境中使用的数据接入,创造和/或实现未来或新型蜂群能力。

前一种方法通过利用和挑战现有能力,引导新型蜂群战术的潜在发展。现有技术可能包括激光雷达(LIDAR)、光电红外视觉传感器、防碰撞导航和多机器人路径规划算法、同时定位与地图构建解决方案等。

后一种方法描述并确定那些可能会大大影响未来蜂群能力的组件。那些可以完全在虚拟游戏环境中编码和仿真的概念性合成技术,可能包括能定位和确定所有人员的虚拟传感器、空中或地面平台的未来机动性和航时能力以及实现高弹性通信的先进组网技术。

这两种途径旨在激发对蜂群系统的复杂多面考量,了解蜂群技术缺口,确定引发战略突袭的潜在蜂群能力。


(2)

蜂群战术交互


随着OFFSET项目设想的蜂群自主性的增加,为应对蜂群系统所面临的挑战和复杂度,需要新型人-蜂群交互框架及实现技术。使用蜂群战术可丰富OFFSET蜂群的交互形式,同时,使得传统无人系统操作人员的角色转型为面向任务的“战术协调员”或“蜂群战术专家”。相比较而言,先前的工作研究的是管理控制方法,尚无法应对OFFSET感兴趣的规模、复杂度和动态交互及其预想的未来人-蜂群编队背景。

此外,为捕获和传达指挥官的意图,需要考虑与未来蜂群系统的交互界面。这些界面可能包括快速发展的沉浸式交互技术和能力越来越高的自然交互形态,例如,姿态(如手或身体)、对话(如虚拟助理)、触摸或触感界面以及其他新形态。

未来的人-蜂群交互跨越各种类型各种规模的复杂任务,涉及空间维(例如,一个或多个蜂群的集体机动)、时间维(例如,蜂群的排序和同步)和逻辑维(例如,子蜂群的分组或离群/入群)。交互的应用案例包括蜂群规划(在规划中,一系列蜂群战术的设计以一种先验的方式进行)和所有“自由方式”蜂群交互方法(在这些方法中,蜂群战术专家可实时动态地组织和调整蜂群战术的执行)。

在这种背景下,OFFEST项目的兴趣放在对这些新的沉浸式环境和交互形态的开发及集成方面,同时,关注表示层和决策支持能力、蜂群战术设计环境(例如绘画工具、草图识别、自然语言)、蜂群任务规划工具及其他增强蜂群战术界面的发展。另外,高度关注任务分析工具。

为了进一步提升人-蜂群编队能力的发展,OFFSET项目还寻求设计和定义蜂群交互语法,通过蜂群交互语法这种媒介,可建立用于人-蜂群交互的通用界面。创建这样一种“语法”,可以把有效且高效的交互手段映射到蜂群战术、蜂群行为乃至蜂群算法。通过界面标准化,可实现对不同交互形式的效能以及蜂群战术认知复杂度的探索和基准测试。蜂群交互语法有助于对最优方法的熟悉和整理,实现人-蜂群编队的不断进步,理解蜂群战术中那些最为相关的特性和参数以及为改善蜂群系统和任务性能,如何、何时和为何增强这些特性和参数。蜂群交互语法的设计应该是一种可扩展框架,不仅可以应对当前所设想的蜂群战术,而且还能够应对潜在的未来蜂群战术。

技术途径和交互技术的选择需要进一步定义和描述一种或多种操作概念,设想在作战背景下,如何对人-蜂群交互进行显示和管理。例如,对于参与前线作战的小规模部队的一名下车士兵,以态势感知和安全为代价,全面沉浸在虚拟现实中可能并不可行,但是,利用一种增强现实界面,可实现足够的蜂群交互,同时维持对当前周围环境的感知。专门的蜂群协调者放在移动指挥车或前沿作战基地(可实现丰富全面的虚拟现实),可大大有助于与部署蜂群进行动态交互。


(3)

蜂群战术集成


OFFSET项目的主要目标是把开发的蜂群战术集成到一种物理蜂群测试床,包括空中和地面自主系统,希望在基于游戏的虚拟环境以外的环境中提升蜂群能力。其设想是把蜂群技术发展到能够进行广泛试验进而推动概念生成的成熟水平;提高对自主蜂群系统的熟悉程度;激发新的战术、技术和程序(TTP);确定实践中的蜂群新任务交流空间和技术缺口。

OFFSET项目将挑战蜂群系统的现有能力和物理实现,探索更大型的异构蜂群。大型蜂群指的是空中和地面组合自主系统数量达到100到250的蜂群规模。OFFSET项目通过力邀各方建议,确定能够协同利用蜂群战术的规范和个体平台,实现设想的目标能力,如表1所示。


表1空中和地面自主蜂群系统的目标能力


这三种作战背景突出了OFFSET所关心的面向任务的愿景,蜂群群体能力不是由系统或平台指标决定的,而是由蜂群执行一个或多个蜂群战术进行任务支持的能力而定义的。

· 任务持续时间描述的是蜂群有效利用的时间;

· 作战区域描述的是城市街区的实际大小;

· 蜂群规模描述的是当前任务中空中和/或地面个体预期数量。


3.2 OFFSET蜂群系统架构

定义的OFFSET蜂群系统架构,除了包含前面章节中提到的核心要素外,还应该包括下面两个架构的指标。


(1)

个体架构


个体架构应定义一种可扩展的软件框架,通过该框架,单个自主系统可利用局部感知、计算和驱动资源进行理解并实施决策和行动。许多机器人中间件能力,例如机器人操作系统(ROS),极大地方便了这种个体架构的快速发展,基于ROS的个体架构会进一步提高互操作性。

个体架构的软件实现将推进协同自主算法的快速模块化发展,以插入模块的形式加速蜂群战术基本需求的实现,从而实现协同。同样,个体架构应该能够创建和连接多个“软件在环路中”仿真的范例(例如在基于游戏的环境中),从而使虚拟域向物理域的过渡简单化。


(2)

群体架构


群体架构描述个体的能力以及蜂群与指挥单元之间的交互。这种架构要求定义网络配置和通信协议;确定标准数据结构、信息共享方法和蜂群系统状态共享感知;规定进行蜂群战术设计和实现的透明蜂群软件结构。

实现蜂群战术的主要考量源自于构成多个蜂群“构件块”(即蜂群算法、蜂群基元和其他蜂群战术)的需要,这些“构件块”由不同的第三方开发者创建和实现。对于相关界面,需要有明确的规范和文件,包括蜂群内部以及潜在的蜂群间(例如,当子蜂群出现时)为实现蜂群战术而配置的相关界面。

在当前的集体蜂群战术执行之前或执行过程中,面对系统的不确定性、动态环境和对抗局势,蜂群架构应该具有灵活适应能力,这是OFFSET项目最为关注的重点之一。应该最大可能地利用现有的最新能力和开发标准,例如,建立的可扩展报文格式、公共域算法、开发源分布式系统数据库。对用于蜂群系统采集、处理和分析的可扩展接入工具(例如,数据日志、回放和显示)的支持,也应被看做是蜂群系统架构的重要考量,重点放在实现蜂群系统能力的评估和探索。



OFFSET项目目标和度量


OFFSET项目的焦点放在蜂群战术及其在促进蜂群自主性和人-蜂群编队的蜂群实现能力方面的作用。OFFSET项目目标和度量如图4所示。

对于蜂群自主性而言,每个蜂群系统集成者的目标是推进OFFSET项目所描述的作战场景相关且不断变化的蜂群战术的发展,负责组织管理,完成评估。建议者应该与开发者积极配合,以完成100种以上的蜂群战术作为既定目标,演示与所开发的蜂群系统架构的可操作性。如图4所示,支持蜂群战术生成和评估目标的主要子目标充分体现了蜂群战术开发的进步,同时,通过对蜂群战术性能和质量的评估,可以实现把整个架构及相关蜂群战术基础设施部署到物理平台的设想。

对于人-蜂群编队而言,蜂群系统集成者开发的先进界面将大大提升与大型战术蜂群进行交互的能力。建议者应该发展界面、配置和支持技术,以促进与蜂群系统的动态、实时交互。如图4所示,几个子目标进一步强调实现动态加入大型自主蜂群的直观界面的重要性,通过快速构想和创造新型蜂群战术的能力,提供丰富的蜂群决策支持能力,在执行可升级的、灵活的蜂群作战时,进一步授权于蜂群系统中的人为要素。



小结


OFFSET项目的目标聚焦蜂群战术创新、交互和集成。在基于游戏的环境中,利用基于工业标准、开放源代码游戏引擎实现的可扩展软件架构,为城市作战的无人蜂群系统生成、评估和集成蜂群战术,提升城市无人作战蜂群系统的任务完成能力。这种环境提供一种虚拟现实世界,在这样的世界中,可广泛利用和扩展城市作战场景。

OFFSET蜂群系统架构包含个体架构与群体架构。个体架构应定义一种可扩展的软件框架,让单个无人系统可利用局部感知、计算和驱动资源进行理解并实施决策和行动。群体架构体现个体与个体之间的能力,以及蜂群与指挥方面的交互。

OFFSET项目可能涵盖的使能技术包括开放软件和系统架构、游戏软件设计和基于游戏的团体研发、沉浸式交互技术、分布式感知、高适应性鲁棒通信、分散计算和分析、分布式机器人系统集成、自适应集体行为以及算法。

(于金华 编译)




电科小氙


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