无人智能化关键技术及其在火炮系统中的应用

常建龙，段心磊，武瑞文，潘玉田，赵永娟，李强

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学 军民融合协同创新研究院，山西 太原 030051；3.中国兵器工业集团 北方科技信息研究所，北京 100032)

从海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争以及近期的亚阿战争的战场环境来看，在未来战争中精准打击弹药将处于主导地位，使用比例将达到90%以上，其精度将达到1.5 m左右，使得战场的环境空前复杂。与此同时战场使用有人装备的成本越来越高，2021年美国军人的人员费用将消耗国防部预算的大约一半(46%)，会挤占研发与采购投资以及军事行动和训练的资金，因此目前现有的有人装备或载人系统将逐渐失去优势，必须加紧武器系统无人智能化的研发来应对这些变化[1]。

当前的先进技术催生无人系统发展，包括云计算、大数据、人工智能、先进制造和小型化机器人等，技术的快速发展使得无人系统的优势将会得到充分体现，提高了陆军的作战能力和自主能力[2]。目前全世界至少75个国家在投资无人系统，美国是世界上装备军用无人系统数量最多的国家，装备类型也最为齐全，目前美国陆军已装备1万余套遥控型地面无人系统，功能包含目标探测与识别、扫雷排爆、火力打击、核生化侦察和后勤保障等[3]，其现役系统以侦察监视、扫雷排爆为主，均采用遥控操作方式。

无人智能化武器装备代表着当前先进军事技术的方向，并在世界范围的军事行动中发挥着越来越重要的作用，将会带来一场新的军事技术革命[4]。笔者以智能化武器系统的发展为引，就陆军无人智能化火炮武器系统发展的关键技术以及发展展开探讨。

1 无人智能化武器基本概念定义研究

1.1 技术等级定义

2014年，美国陆军工兵研究与发展中心在《智能无人系统自主等级与自主系统性能评估》报告中，将无人车自主等级划分为遥控、半自主、自主和全自主4级[5]，如表1所示。这种划分方法主要是从无人车自身的“智能化”程度提出的，其实质思想与2011年美国国防部《无人系统综合路线图》的划分方法基本类似[5]。

表1 美国陆军工兵研究与发展中心无人系统自主等级划分

1.2 无人智能化武器系统具备的五大优势

与传统武器系统相比，无人智能化武器系统应该具备以下五大优势。

1.2.1 士兵伤亡更少

复杂多维度且高强度的未来作战环境和敌方的防范对抗措施，往往限制了营级(含)以下士兵的侦察和作战能力，加大了士兵暴露在危险情况下的可能[6]。无人智能化武器系统的发展，大大拓展了武器系统在更广阔的地区对敌方持续的监视和侦察能力，拉大了与敌方编队、火箭弹、加榴炮和迫击炮之间的间隔距离，因此无人智能化武器系统能有效地避免在执行任务期间将更多的士兵置于高危险的环境中，为保护有生力量、提高士兵生存能力创造了有利条件，可极大地减少士兵伤亡。

1.2.2 战术机动更活

未来战场作战双方都将在前进道路上设置更多的障碍，大大减缓陆军的作战推进速度，使部队的作战能力大打折扣，而无人智能化武器系统可以极大地提高部队的战术纵深和机动能力。

无人智能化武器系统为陆军对敌方阵地的机动突击能力进行了大力开发，提高了前沿部队克服机动障碍的能力。采用无人智能化武器系统可以提前扫清障碍，扩大行动区域深度、增加陆军部队可利用的时间和空间，可使陆军部队能够在更远的距离、更早的时间打击未来之敌。

此外无人智能化武器系统通过收集、组织和优化数据，可以为提高战场战术机动性、降低来自多维度的干扰提供有效的辅助支持，并提高指挥官在关键时刻对任务的快速决策和有效指挥。

1.2.3 战场侦察能力更强

无人智能化武器系统的战场侦察能力的提高主要体现在两个方面：一是地面无人装备可以进入有人系统由于生理因素通常达不到的地方，结合其在感知、计算、机动、火力等方面的优势，从而有效发挥人员指挥与筹划的优势，有效提升战场态势感知和目标侦察的能力；二是时效性更强，无人智能化武器系统能够快速传递前方侦察信息，准确实现指挥人员的行动意图，在对敌方进行目标侦察并分析后立即传回后方指控系统，使后方平台指挥官能够迅速感知敌情状态，了解敌我差距，为指挥官决策留有更多的反应时间和空间。

1.2.4 后勤补给线更稳

在战场上，前方士兵以及作战部队始终处于补给线的末端，随着作战地域的不断拓展和延伸，后勤补给和配送也会变得越来越困难。无人智能化武器系统中的无人补给车具有目标特征小、抗冲击过载能力强、可静默行驶以及战场隐蔽效果好等优点，在机器人和无人机的多方位自主协同配合下，可在作战的每个阶段都有效提高其后勤补给运输能力。另一方面无人智能化平台具有较高的物资管理效率和物资分配能力，能够高效地将战场物资及时运输到最迫切的需求点，为处于极度危险的陆军前线士兵和作战部队提供及时可靠的战场补给，并在后勤分配时为士兵提供更多的选择。

1.2.5 单兵装备更轻

为适应复杂多变的战场环境，单兵装备也变得繁杂多样，例如美国陆军的步枪手除了单兵武器外，一般身着防核生化的三防衣以及手套、面具等，还配备装有子弹、水壶、GPS、掌上电脑、侦察设备、生化武器检测仪等的单兵携行具，还有标准配置的防弹背心、望远镜、瞄准镜、夜视仪及电池等[7]。如此繁多的装备使作战人员生理负荷较重，极易损耗士兵的战场耐力、作战毅力和战斗意志。

在无人智能武器系统中，单兵装备中的智能头盔将具备抬头显示、综合通信、空气过滤、夜视和光学侦察等功能；智能作战服质量轻、柔韧性好，通过小型传感器、功能结构件和致动器将负重分布于士兵全身，减轻负重对关节的损伤，同时带有生物传感器，可以实时健康检测，具备自主治疗辅助等功能。单兵装备的智能化、轻量化可极大限度地减轻作战人员的装备负荷，并有效提高士兵的速度、机动性、耐力和效能。

2 无人智能化武器系统发展探讨

现代战争已完全脱离了传统战争的躯壳，成了“见物不见人”的超视距、多维度以及强电磁环境的高科技立体战场。因此，无人智能武器系统的发展势在必行。

2.1 成体系、成系统的研发思路

无人智能武器系统研发需要有成体系的论证才能准确复现复杂的作战场景，理清武器装备体系的层次结构，优化装备的应用流程；必须成系统的进行设计才能满足复杂环境下的装备需求，才能根据装备的运用方式准确地评估装备的实战效能，并为装备研制提出明确的技术指标。因此对于无人智能化武器系统的研发要成体系论证、成系统设计，才能统筹解决武器系统的诸多重大问题，使无人智能武器系统成为适应现代战争要求的新型武器系统之一[8]。

2.2 核心关键技术研究

无人智能化火炮武器系统的核心关键技术主要有3个方面，即自主性关键技术、网络保护技术和可互操作技术。

2.2.1 自主性关键技术

自主性的提高将对作战理念带来革命性的变化，要提高无人智能化武器系统的自主性，需要大力发展以下四大关键技术，即态势感知技术、规划与协同技术、快速反应技术以及人工智能/机器学习(Artificial Intelligence/Machine Learning，AI/ML)。

1)实现无人智能化武器系统自主控制必须不断发展态势感知技术，通过各种信息获取设备(如传感器等)自主地对任务环境进行建模，包括对三维环境特征的提取、目标的识别、态势的评估等。对于复杂环境下作战的无人系统，只有足够精准地感知周围环境，才能提高其自主能力，适应未来战场的需要。

2)规划与协同技术涉及两个方面：路径规划和协同控制，这两个方面相互依托，互相联系。无人车底盘路径规划与重规划能力是无人车底盘自主控制系统必须具有的，即系统可以根据探测到的态势变化，实时或近实时地规划、修改系统的任务路径，自动生成完成任务的可行轨迹。未来无人智能化武器系统的作战模式可能涉及到多系统协同作战，协同控制技术可以使不同系统间相互协调，在兼顾自身任务的情况下实现重构控制和多方配合。

3)无人智能化武器系统自主控制技术发展的最终目的是使其对战场环境和任务的变化具有快速的反应能力，其应该具有通用的平台架构，使得在面向任务、面向效能时包含最大的可拓展性。

4)AI/ML对于解决非逻辑性行为有着非常关键的作用。AI/ML通过提高机器自主学习的能力，可以使无人智能武器系统的目标搜寻、弹道修正等功能实现真正的无人化。

2.2.2 网络保护技术

无人智能化武器系统的有效运行是非常依赖网络保护技术的，电磁频谱的有效接入和网络连接的方便快捷等都是至关重要的。对于网络保护技术的发展，大致可以分为两个阶段：第一阶段是防御阶段，物联网技术的发展可以为无人系统的深度防御提供技术支撑；第二阶段是在遭受入侵时的弹性恢复能力，具有自主修复能力的无人网络系统将大大提升陆军在未来的电子战、信息战中的战斗力。

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，其具有智能、先进、互联的3个重要特征[9-10]。对于战场物联网的传感器，需要实现的功能有目标探测、目标识别、目标定位、目标跟踪以及通信传输。

1)目标探测。实现目标探测考虑使用红外/热传感器、振动传感器、红外探头(PIR)和超声传感器，其中红外/热传感器的作用是检测热信号特征，并通知其他传感器开始收集信息，局限性是作用距离有限，而超声传感器通过发送和接收超声波，可以在远距离检测变化情况，通常用于触发其他传感器，使其开始收集周围地区的数据，以帮助进行目标识别。

2)目标识别。实现目标识别考虑使用敌我识别器(IFF)、话音传感器(传声器)和摄像仪(成像传感器)等，可以通过学习敌方和友方的语言、识别制服的颜色图案等方法来自主进行目标识别。还可以识别不同武器的的声音，并通过声音的距离，判断某些威胁的可能距离。

3)目标定位、跟踪。目标定位通常采用全球定位系统(GPS)以及北斗卫星定位系统，主要作用是跟踪和定位目标，缺点是卫星信号极易受到干扰。目标跟踪大多选择使用射频测量传感器，该传感器是基于对相应区域的无线电频率及其强度测量来确定目标位置，从而实施目标跟踪。

4)通信传输。通信传输主要选用XBee2类型的产品，通过串口与单片机等设备间进行通信，具有收/发双向功能，能够实现物联网设备的快速网络接入，但是传输距离会受到室内外障碍物的影响[8]。

具体说，物联网就是把传感器装备到无人武器系统的各种物理器件中，使无人武器系统对目标拥有自主的态势感知能力。

现阶段可以将传感器与现有的互联网整合起来，通过具有强大“算力”的中心计算机群，对整合网络内的机器和设备实现实时的管理和控制，在遭受入侵时可以快速反应，具有一定的网络保护能力。随着无人武器系统自主性的提高，其对抗入侵将具有自主修复能力，此时的无人武器系统的网络安全性将得以大幅提升。

2.2.3 可互操作技术

要想实现无人武器系统的实战应用，互操作性是基础，良好的互操作性能实现无人武器系统之间信息的快速传输，可以促进各个作战系统之间的合作。互操作性需要的关键技术有通用的AI接口、开放且通用的整体架构、设计模块化的子系统、良好的零件互换性以及通用的数据仓库和高密能源技术等。

1)在无人武器系统中要建立通用的AI接口，使得其他新研发的AI智能体可以不修改或者少修改后即可接入系统使用，提高研发效率，减小试验成本。

2)建立开放且通用的架构能使指挥控制和交流标准化，方便系统间和多领域的协同，实现多平台间的共同控制，也可以改善零件互换性，使系统内或各系统之间的零件更换更加便捷。

3)设计模块化的子系统可以促进多系统之间管理控制的效率，使得系统升级更加方便，简化了可行性论证，极大地节省研发的时间成本。

4)构建通用的数据仓库，在多编队作战时统一各个系统之间的不同的数据传输标准，形成集成的联合数据传输能力，可以对未来全球化作战中的数据传输、信息保障以及网络保护等能力有较大的提升。

5)对于武器系统所使用的能源，应该向小型化、高密化发展，可以满足在战场上的快速补充或者快速更换，大大提高无人武器系统的互操作性。因此开发研制新型的小型高密能源以及如何将其应用到无人智能武器系统中，使其更加实用，是未来发展的关键技术问题。

2.3 无人智能化武器系统应用现状

在叙利亚战场上，俄军的各型无人机被用于侦察、校准炮火以及发动攻击等，各型大小各异的排雷机器人在浩大的排雷任务中表现出色，俄军在叙利亚战场上的经验已经表明，大规模使用无人智能化武器装备将颠覆战争的形态，不对称技术优势将彻底打破战争天平。

在阿塞拜疆与亚美尼亚之间的纳卡冲突中，作为近几年新崛起的武器装备，武装无人机再次大放异彩。借助土耳其提供的武装无人机，阿塞拜疆收获颇丰，单是曝光的视频就有多部亚美尼亚一方的地面装备被摧毁，其中还包括防空专用装备，在阿塞拜疆的武装无人机面前，亚美尼亚一方不具有防空能力的坦克等装备，根本毫无还手之力，因此亚美尼亚战败的主要原因是没有战场制空权和强电磁场控制权。

无人机最大的优势就是可以减少己方的伤亡，以亚阿战争为例，亚美尼亚一方虽然击落了多达几十架阿塞拜疆的武装无人机，但是阿方相应的损失，几乎可以忽略不计。为了应对无人机对地面防空装备的挑战，应加快使地面防空火炮装备实现无人智能化，为其配备能快速反应的复合式侦搜系统，包括雷达、无线电、红外线及声波等探测手段，使其拥有快速的接战反应速度，以降低防空装备的边际成本。

3 无人智能化火炮系统发展路径

无人智能化火炮系统是无人智能化武器系统的重要组成部分，是武器系统实现无人智能化的关键要素，是战场实现打击、防空、拦阻、对抗、压制和摧毁目的的主要手段，也是夺取战场主动权的重要依靠。

无人智能化火炮系统的基本功能有：自主就位-自动感知-自动分析-自动识别-自主判断-智能决策-自主处置-自报评估-自动复位，其中自主处置环节目前还需要加入可人为授权干预的功能以应对复杂的战场环境，使其更加精准地打击目标。

3.1 发射系统模块化

火炮的发射循环系统通常包括击发、后坐、复进、开闩、抽壳与排壳、弹药输送、弹药装填、关闩闭锁、待击发[11]。对于无人智能化的火炮体系来说，需要将发射循环设计为一个标准发射模块，使其适用于各种不同型号的智能火炮。目前的火炮发射器大多使用化学发射器，但是像电能发射器、电磁发射器等其他各种新型发射器正如雨后春笋般发展起来，因此亟需设计出一套标准发射模块以提高无人智能火炮体系的通用性。

除标准发射模块外，对于火炮系统的毁伤、控制以及弹道瞄准等功能都应向标准模块化发展，设计出系统适配度较高的标准毁伤单元、标准控制模块以及标准弹道模块。

3.2 火控系统智能化

火控系统是未来无人战场的核心，是以计算机技术为关键的控制火炮瞄准与射击的自动化系统，其主要目的是解决射击命中问题，其核心使命是实现快速目标捕获、对目标高精度跟踪、精确火控解算、控制武器高精度射击[12]。在火控系统中，目标的自主搜索、目标的自动跟踪、作战任务的动态规划、智能化的控制、无人系统和有人系统的协同作战等技术突破和工程实现，是火炮系统智能化的关键。

火控系统通常包括3个模块：目标探测与跟踪系统、火控计算系统和武器瞄准系统。目前的武器火控系统基本可以实现火控计算系统的无人化，但必须3个模块都实现智能化才是真正的智能火控系统，为此需要加快发展其自主探测和识别战略目标以及快速解算后自主瞄准并准确打击的技术。同时火控系统必须由人来把控最后一道关，故自动跟踪技术也是不可忽视的，使其在自主瞄准并锁定目标后，可以自动跟踪目标，等待发射指令。

3.3 行驶系统自主化

现代战争中，重型机械化部队是陆军的主力，为保证主力部队能按照既定战术展开，最大限度的发挥其战力，解决火炮的行驶问题是重中之重。目前的自行火炮大多需要3个乘员，即车长、炮手和驾驶员，3人分工合作以保证自行火炮正常行驶。为了实现真正的无人自主行驶，对于智能行驶系统的关键性技术研究应该从3个方面来入手，即遥控指挥或自主导航、自动驾驶以及弹药自动装填。当前的技术发展已经可以实现弹药自动装填以及遥控指挥，随着AI技术的迅猛发展以及我国国家政策层面的大力支持，实现自主导航以及自动驾驶也指日可待。

当然，除了车辆行进过程中的无人化，自主行驶系统的实现还要考虑后勤装备保障层面的标准化，如采用通用无人智能化底盘等，增强无人火炮系统的可靠性、通用性和可维修性[13]。

3.4 弹药补给无人化

火炮作为机械化陆军主要的火力支援武器，一旦弹尽油枯，将成为一堆废铁，因此为火炮配备弹药补给车，是保证陆军火炮持续作战能力的关键。而将无人智能化技术应用到弹药补给车的研制中，可以大大提高其补给效率。

无人智能化弹药补给车应采用自动化装载系统，不仅能够为火炮补给弹药，自动向榴弹炮或其专用供弹车输送弹药，还应该能够补给燃料和水。对于自行火炮系统编队，无人智能化弹药补给车还可以自主监测各炮的弹药量，具有较高的弹药分配能力。

无人智能化弹药补给车应设计轮式和履带式两种底盘，使自行火炮可根据作战环境的需要选用最合适的弹药补给车。除此之外，为使其具备精确的空中补给能力，要对空降的补给物资进行隐蔽包装，并结合无人驾驶技术和自动装填技术，使其自主行进至前沿阵地对地面火炮群进行补给，大大保证了火炮系统的弹药补给能力。

4 人类在智能武器系统中扮演的角色

在无人智能技术的发展过程中，按表1所示将其技术等级分为4个阶段，其中最高级的是全自主阶段，全自主阶段的人类处于整个系统控制回路的外部[14-15]。这样的好处是即使不加入人工干预，判断系统也可以完全正常使用，但也存在安全隐患，智能武器与人类一样，同样需要“学习”，在“学习”的过程中不断完善，因此战场的不确定性以及随时可能出现的意外情况，都有可能让其系统“大脑短路”。

在无人智能化武器系统总体研制过程中，人类必须具备临时直接干预的能力，或者应至少在以下两种紧急情况下进行临时干预。一是即将面临意外危险，而智能武器系统却没有采取可以降低意外发生概率的行为，此时应在人类指挥中心进行危险提示，由人类进行决策，是否继续该行为；二是已经处于危险情况中，而智能武器系统还继续执行错误行为，此时人类指挥中心应及时按下应急按钮或者暂时接管系统为“半自主模式”。也就是说，无论何时，最终控制权应该由人类掌握而非智能系统。

5 结束语

对于无人智能化火炮系统的发展，首先要准确把握新时代国防战略思想，即“积极防御”和“坚决打赢高水平现代化战争”，并且要解决好未来打什么仗、和谁打仗的问题。其次是坚持无人智能化装备体系化研发思想，构建新时代陆军无人智能化火炮作战体系，必须坚持成体系论证、成系统设计、成建制开发、系列化发展。最后要按照军民融合战略思想开展核心关键技术研发，目前自动化、无人化技术正在飞速发展，民用领域的某些关键技术已有一定基础，其中一些基础元器件及传感器在国际上处于领先地位，要利用好民用领域的资源，按照军民融合的战略实现军用产品的更新换代。