摘 要： 首先介绍了人工智能与军事智能技术的内涵及应用, 研究了军事智能技术对海战形态与作战理念、作战样式带来的深刻变化, 总结了未来智能海战的基本特征;随后, 分析了国内外军事智能技术发展现状;最后, 提出了海战装备智能化发展思路和发展建议。
关键词： 人工智能; 军事智能技术; 海战装备;
Abstract： Firstly, the connotation and application of artificial intelligence and military intelligence technology are introduced, and the profound changes of military intelligence technology to naval warfare form, operational concept and style are studied.Moreover, the basic features of future intelligence naval warfare are summarized.Then, the development status of military intelligence technology at home and abroad is analyzed.Finally, the intelligent idea and suggestion of naval warfare equipment are put forward.
Keyword： artificial intelligence; military intelligence technology; naval warfare equipment;
0 引言
近年来, 伴随机器学习、物联网、云计算、大数据、机器人、无人系统等高新技术的不断发展与成熟, 人工智能技术在诸多领域获得了广泛深入的应用, 并且日益向军事领域拓展渗透, 军事智能技术正在以前所未有的速度与广度发展, 智能化军事革命的大幕已经开启, 军事装备智能化发展的历史机遇已经到来。世界强国纷纷着眼军事智能技术的发展方向, 大力研发智能化的军事装备。机会稍纵即逝, 尽管我军现在处于机械化与信息化建设的关键时期, 但我们必须超前谋划、精细布局, 在搞好机械化与信息化建设的同时, 抓住难得的智能化发展历史窗口, 加快作战装备智能化发展, 努力实现我军装备由跟跑并跑向并跑领跑转变。
1 人工智能与军事智能技术概述
1.1 人工智能概述
智能是知识与智力的总和。人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能行为 (如计算、学习、推理、思考、规划、指挥、决策等) 的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学[1,2]。当前, 人工智能技术发展浪潮汹涌澎湃、势不可挡。人工智能技术方法与技术体系庞大又复杂, 简而言之, 可以粗略地分为以下四类:知识表示、知识推理、搜索求解以及机器学习。
从智能化水平看, 人工智能大体可分为计算智能、感知智能和认知智能等3个层次。第一层次是计算智能。计算智能以规则化、形式化、机械化运算 (比如:统计搜索、运筹优化、逻辑运算、科学计算等等) 为核心, 其发展最为成熟, 目前水平已超越人类。第二层次是感知智能。感知智能以语音识别、图像识别、自然语言处理为代表, 其发展非常迅速, 发展水平接近人类, 日趋达到实用水平。第三层次是认知智能。认知智能以学习、理解、判断、推理和决策为核心, 注重机器以人类相似的方式进行判断、思考以及决策等高级智能活动来处理各类模糊的、不确定的、矛盾的问题。认知智能是最接近人类智能的机器智能, 其综合性更强, 智能程度高, 研究难度也最大, 长期以来一直进展缓慢。然而随着近年来智能化研究热潮的掀起, 认知智能技术也取得了很大的进步[3,4]。
1.2 军事智能技术概述
军事智能技术是人工智能技术的一个重要分支, 是人工智能技术在军事领域的创新发展与转化应用。军事智能技术研究机器用来完成军事活动中与识别、推理、判断、决策、控制、制导、环境适应等相关的内容, 贯穿于军事活动的观察、判断、决策、行动的全过程。
军事智能技术典型应用方向有:目标识别与态势认知、作战筹划与指挥决策、武器系统、无人作战系统、后勤保障、装备综合保障6个方面。在参谋业务、情报分析、作战数据处理、作战运筹与指挥、战争模拟等军事活动中引入智能技术, 更能以快精准的标准形成信息获取优势、认知决策优势、兵力行动优势以及火力打击优势, 极大提高指挥战争和作战行动的水平。
2 军事智能技术对海战的影响
随着人工智能技术持续地向军事各领域全方位地渗透, 军事智能技术逐步进入高速增长期, 是改变未来战争形态、作战理论、作战样式、制胜机理、编成编组的颠覆性技术之一。
2.1 军事智能技术改变海战形态
随着军事智能技术在海战领域持续深度发展, 必将催生未来海战新形态———智能化海战。智能化海战是人机主导、虚实结合、“蜂群”对抗、脑网争夺、新质毁伤的全新海战形态[5]。人机主导:战略决策层面, 人主机辅决定战争爆发、进程与结束;战役战斗层面, 机主人辅决定作战开局、破局与收局。虚实结合:智能化海战作战空间不仅包括海洋、天空、太空等实体空间, 也包括电磁网络、思维脑波、心理意识等虚拟空间。“蜂群”对抗:智能化海战突出表现是无人作战平台集群对抗。脑网争夺:脑网是根据神经感知、神智决策、器官行动的机理, 依托脑神经元硬件组成的复杂网络。新质毁伤:通过新质武器 (激光、电磁脉冲弹、声波等) 毁伤智能武器装备。
2.2 军事智能技术改变作战理论
当前, 随着脑机交互、神经元计算等军事智能技术广泛应用, 已经产生了“智能安全战”、“无人集群战术”、“脑网战”、“作战云”、“空天母舰理论”、“母舰/艇理论”、“算法战”、“分布式杀伤”、“多域战”等智能化作战理论或思想。
2.3 军事智能技术改变作战样式
相比于信息化海战、机械化海战, 智能化海战带来的本质变化为:有人平台之间的搏杀格斗转变成无人平台之间的对抗博弈。因此, 军事智能技术发展催生出了新的作战样式。智能化海战两个典型作战样式为:有人与无人协同作战 (包括协同指挥决策与协同行动控制) 以及无人平台集群作战。
2.4 军事智能技术改变制胜机理
智能化海战与信息化海战相比, 不仅作战样式发生根本变革, 内在的制胜要素、制胜方式以及制胜机理也发生根本变化:制胜关键要素从信息域转到认知域, 从争夺“信息优势”向获取“认知优势”转变;制胜方式从“击毙杀伤”向“瘫痪失能”转变;制胜机理从“切断敌信息网络”向“瘫痪敌智能装备体系”转变。
2.5 军事智能技术改变作战力量编成编组
军事智能技术产生新的作战编成与力量编组方式, 使人与武器的结合发生根本改变。随着云计算、大数据、物联网等新型技术在军事领域的深入广泛应用, 一方面使得无人作战平台集群编组以及有/无人混合编组会逐步走上战场。另一方面导致各式各样的新型作战力量不断涌现, 比如“虚拟仓储”、“虚拟参谋”、“云端大脑”等等, 必然使作战力量编成更加一体化、模块化, 军队规模更趋灵巧化、小型化。
3 军事智能技术国内外发展现状
3.1 美军军事智能技术研究现状
美军一直认为人工智能技术是最有可能改变未来世界的颠覆性技术, 因此美国在上世纪70年代就开始研究人工智能在国防军事领域中的应用。美国国防高级研究计划局 (DARPA) 是美军开展人工智能研究的领导者, 也是其最重要的研究机构, 美国人工智能的发展很大程度上要归功于DARPA的大力支持。DARPA很早就启动了跨学科人工智能研究项目, 综合了计算机科学、数学、概率论、统计和认知科学领域内的最新成果。DARPA最早提出了作战指挥决策支持系统的概念, 该系统借助计算机, 基于数据库、方法库、知识库以及模型库等, 为指挥决策人员提供帮助。基于该概念, 美军研制了参谋计划与决策支持系统 (SPADS) 、联合任务规划系统 (JMPS) 、计算机辅助任务规划系统 (CAMPS) 、战区级作战方案评估系统 (CEM) 、联合作战计划和执行系统 (JOPES) 等一系列作战指挥决策支持系统。这些作战指挥决策支持系统已在许多实际军事作战行动中得到应用, 如在“沙漠风暴”行动、伊拉克战争以及阿富汗反恐等军事行动中, 从简单的货物调运到复杂的兵力筹划与作战行动协调, 均有作战决策支持系统的参与, 但这些系统无一例外地均采用人在回路的运作方式, 作战指挥决策的关键角色仍是指挥员。目标识别、情报分析、作战方案拟定、临机筹划等核心环节仍是由指挥员完成, 机器主要是在计算层面上提供支撑[2]。因此, 这些作战指挥决策系统仍属于智能的第一层次———计算智能, 未发展到认知智能。
近年来, 美国更是预见到人工智能技术在军事领域的广阔应用前景, 断言未来的军备竞赛的关键是智能化的比拼, 并为保持其未来军事优势进行长期规划布局, 力求在智能化上与潜在对手拉开代差。2009年—2014年, DARPA先后启动并已提前布局了“深绿”、“洞察”、高级机器学习概率编程、文本深度发掘与过滤、深度学习、可视化数据分析、“心灵之眼”、对抗环境中目标识别与适应计划、分布式战场管理、人机协作、阿尔法空战系统和指挥官虚拟参谋、进攻性蜂群战术、反潜战持续追踪无人艇、无人潜航器等大量基础技术研究与工程实践项目[6]。这些项目探索从传感器、文本、音频、图像、视频等多类多源数据中自动获取并智能处理信息, 自主提取关键特征并挖掘隐藏的关联关系与规律, 用强化学习、迁移学习、对偶学习、对抗学习等智能算法解决敌我对抗与反对抗条件下作战态势智能认知、威胁判断、行动建议生成等问题。例如:对抗环境中目标识别与适应计划尝试用强化学习和迁移学习等智能算法解决对抗条件下态势目标的自主认知, 帮助指挥员快速定位、识别目标并判断其威胁程度[2];“心灵之眼”项目用于探索一种能够根据视觉信息进行态势认知和推理的监视系统;人机协作计划尝试将人与机器深度融合为共生的有机整体, 让机器的精准和人类的可能性完美结合, 并利用机器的速度和力量让人类做出最佳判断, 从而提升认知速度和精度;分布式战场管理计划发展战场决策助手, 帮助飞行员在对抗条件下理解战场态势、自主生成行动建议并能够管理无人驾驶的僚机[1]。
3.2 我军军事智能技术研究现状
伴随着早期人工智能技术的发展, 国内开展了关于专家系统、运筹优化以及贝叶斯估计等传统智能技术的军事应用研究, 建立了从武器平台性能到战术火力计算等一系列辅助决策模型[2], 并在数据融合、态势评估、定下决心、作战计划和资源分配等应用领域相继展开了多个军事智能辅助决策系统的研制, 包括传感器优化布设和数据融合系统、敌情分析判断专家系统、侦察计划辅助拟制系统、战役机动智能化辅助决策系统、联合任务计划决策支持系统、兵力协同计划方案智能决策系统、分布式作战计划辅助决策生成系统等[7]。
2010年以来, 人工智能在图像识别、语音识别和机器翻译等领域取得了突破, 尤其是2016年后, AlphaGo大获成功后, 国内掀起了军事智能技术新一轮研究高潮, 开展了诸多先期探索研究, 取得了一定研究成果, 比如“通用战场可视化系统”、“作战态势推演系统”以及“兵棋推演系统”等[8,9]。然而军事智能技术应用具有对抗博弈条件不确定、环境复杂多变、信息不完备、边界不确定等显着特征, 而且我们没有系统地从顶层设计的观点将军事智能的先进技术及概念与作战装备通过“观测、判断、决策、行动”的指挥环完成对敌目标打击的工程化需求相结合。因此, 偏理论、偏综述及偏探索性设想的研究成果较多, 偏实用的技术成果较少, 造成当前我海战装备智能化总体水平仍然较为低下, 与美国有较大差距[10,11]。目前我海战装备提供了态势显示、态势标绘和一些战术计算等辅助工具, 具备简单的作战方案辅助拟制和生成功能, 能够为指挥员提供一定的计算支持与智能辅助, 但战场态势与威胁智能评估能力、作战方案智能推荐与优选能力、智能自主决策推理能力等等均比较薄弱。
4 海战装备智能化发展思路
4.1 海战装备智能化发展的困难与挑战
自2010年以来, 民用人工智能技术得到深入研究与发展, 其应用得到爆炸式增长。虽然人工智能技术在民用领域取得了举世瞩目的成就, 但人工智能在具有复杂非线性与战争迷雾特点的海战场应用比民用领域应用的难度更大, 需要考虑到更多不确定的、模糊的、随机的、偶发的、对抗的因素, 因此海战装备智能化的突破, 受到多方面因素制约。所以距离真正实现海战装备智能化还有较大差距, 其困难与挑战主要体现在以下4个方面:
1) 指挥员对海战场敌我态势的理解和认知是在不确定、不完备乃至对立冲突信息条件下进行的, 是经验与理性并重、宏观与微观结合的高度艺术化的思维活动, 其内在作用机理与运作方式目前还尚不清楚。
2) 海战装备的智能认知所需的领域知识与样本数据缺乏 (特别是有较高价值的标注数据更是稀缺) , 且保密性强、获取困难, 现有的基于大量数据的智能学习方法 (比如深度学习、对抗学习) 难以应用, 需要革新现有机器学习方法。
3) 海战态势日益复杂, 海战决策中弱结构和非结构化问题的不确定性辅助指挥决策需求显着增多, 导致作战指挥的智能认知计算量巨大, 需要远超现有平台的超强计算能力支持。
4) 用于验证智能化技术的可行性、综合评价智能决策结论的可信度与智能水平高低的方法尚未成熟。
海战装备智能化发展是一项需要持续不断探索的长期性复杂系统工程, 是一个随着军事智能技术进步和军事样本数据积累的逐步发展过程, 不可能一蹴而就, 但也已见到曙光。
4.2 海战装备智能化发展思路
为推动海战装备智能化发展, 提升海战装备智能化水平, 结合现有军事智能技术水平与装备性能, 提出如下海战装备智能化发展思路:
1) 加强海战领域知识工程基础研究, 开展建设领域知识和样本数据基础工程
知识工程是装备智能化的基石, 还应从知识表示、知识学习、知识推理等基础问题入手, 加强海战领域知识工程基础研究[3]。海战领域知识指军事专家已能解释清楚的事实和规律等。样本数据指实际作战、演习训练和仿真试验等过程中积累的目标特性数据 (声、光、电磁等) 与情报侦察数据。建议协调相关军事领域专家与知识工程技术人员, 共同提炼海战领域的各种知识, 利用流程、规则、本体以及框架等各种智能知识表示方法, 分门别类地建立形式化表征, 构建相互间的关联, 生成海战领域的知识图谱, 从而将指挥人员能够解释清楚的知识转化为机器所能理解和掌握的知识。
2) 重点突破海战场指挥信息系统智能化基础共性技术群
重点突破基于自主特征表示的体系评估和威胁判断技术、作战时空行为认知判断与意图识别技术、不确定信息条件下的自主推理决策技术、面向稀缺样本的智能学习技术、多模智能人机协同交互技术、人机分工与协同决策技术、智能技术测试验证与综合评价技术等基础共性技术群, 为海战装备智能化扫除障碍。
3) 系统发展海战装备智能化关键技术
深入发展海战场网络通信智能化技术、海战场态势认知智能化技术、海战场决策筹划智能化技术、海战场对抗智能化技术、无人作战平台智能化技术等关键技术体系 (如图1所示) , 实现智能通信网络支撑, 提高态势认知、决策筹划的效率和精准度以及行动主体的自主化、智能化程度, 使信息力、兵力、火力与作战任务密切融合在一起, 形成高效精确的观察、判断、决策、行动、评估的闭环[12]。
图1 海战装备智能化关键技术体系Fig.1 Naval warfare equipment intelligence key technologies system
5 海战装备智能化建议
为更好地将人工智能技术创新转化应用于海战装备中, 以支撑感知、判断、决策、行动海上作战各环节, 提高其军事智能化程度, 以海战场智能化作战军事需求为牵引, 立足于现有装备特点、技术水平以及已有成果, 从海战装备智能化发展规划、无人作战平台集群系统演示验证、舰 (艇) 载智能移动终端、智能巡飞武器、智能海战作战指挥仿真试验系统等方面提出五点海战装备智能化发展建议。
5.1 开展海战装备智能化发展规划研究, 从顶层规划好海战装备智能化发展方向
目前, 海战领域中军事智能技术仅处于初步研究和探索阶段, 散小杂乱的研究较多, 成体系成规模的研究较少, 而且军事装备智能化发展缺乏顶层规划, 目标图像不清晰, 技术发展路线图不明确, 难以为发展应用提供指导。因此现阶段亟需开展顶层规划研究, 分阶段理清发展方向重点与思路, 制定颁布发展路线图, 将宏观需求物化为底层的智能装备与技术发展需求。
5.2 尽快开展舰载无人机集群系统、水面无人艇集群系统以及水下无人航行器集群系统的演示验证, 为无人作战平台融入海战场联合作战体系提供技术储备
开展舰载无人机集群系统、水面无人艇集群系统以及水下无人航行器集群系统的演示验证, 重点突破无人作战平台集群自主分布式控制、跨模态协同学习、对抗环境智能决策、松耦合集群协同探测与综合态势构建、接续引导打击、自主任务规划与分配、协同能力评估等关键技术, 验证集群目标发现、意图判断、认知互通、盲区互补、接力跟踪、引导打击等各层级协同能力, 实现无人作战平台集群综合协同能力由线性叠加向智能集成转变, 从而加速推进无人系统集群实战化应用, 为无人作战平台融入海战场联合作战体系提供技术储备。
5.3 加强舰 (艇) 载智能移动终端发展应用研究, 加快舰 (艇) 载智能移动终端上舰步伐
舰 (艇) 载智能移动终端作为舰艇平台智能化载体, 打破了固定台位对战位的限制, 大大提升辅助作战指挥、操作运行管理与舰员生活的移动性与便捷性, 也是现有传统固定台位的重要补充, 实现了其功能的扩展。舰 (艇) 载智能移动终端的“上舰”是我海军提升智能化水平的重要突破口, 将填补我海军的空白, 进一步提高我舰艇装备智能化水平。
5.4 加快海上智能巡飞巡航武器的研发, 提高武器弹药的智能水平
智能巡航武器是一类集巡飞巡航待机、长时威慑、即时打击、协同攻击与毁伤评估等功能于一体的精确打击智能化弹药, 可以有效遏制任务区域敌方作战行动, 并能够及时捕捉战机, 迅速歼敌, 从而弥补传统火力对时敏目标、反斜面目标等类型目标打击能力的不足。智能巡航武器主要关键技术有自动目标识别、自主组网协同攻击和跨介质巡飞打击等。
5.5 构建智能海战作战指挥仿真试验系统, 为验证智能技术在海战装备发展应用的可行性提供实践平台
面向军事智能技术的验证评估以及迭代循环发展的需要, 建立目标智能探测识别、海战场环境、作战计划方案推演、兵力筹划、火力规划、作战资源调度与管理、作战指挥控制与辅助决策、作战效能、武器系统模拟和作战训练模拟等仿真与评估模型, 从平台级和战术级构建智能海战仿真试验系统, 并逐步向战役级延伸, 系统支撑海战领域全要素全流程的仿真研究, 为验证智能技术在海战装备发展应用的可行性提供验证平台。
6 结束语
为更好地促进海战装备智能化发展, 努力实现我军装备由跟跑并跑向并跑领跑转变, 本文首先介绍了人工智能与军事智能技术内涵、技术体系与应用方向, 研究了军事智能技术给海战形态与作战理念、作战样式带来的深刻变化, 阐述了智能海战的五大基本特征, 回顾了国内外军事智能技术发展现状;然后, 从建设领域知识与样本数据基础工程、突破智能化共性基础技术以及发展海战领域装备智能化关键技术等方面给出了海战装备智能化发展思路;最后, 从海战装备智能化发展规划、无人作战平台集群系统演示验证、舰 (艇) 载智能移动终端、智能巡飞武器、智能海战作战指挥仿真试验系统等方面提出五点海战装备智能化发展建议。
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