计算机工程

【RAND】智能无人蜂群技术未来发展

在过去25年里，无人机和蜂群技术在广泛应用中获得了长足发展，并在安全领域成为了一种新的威胁。2024年2月，美国权威智库兰德公司发布报告《新兴技术与风险分析——无人机系统智能蜂群技术》。报告首先对无人蜂群进行了分类，并对智能蜂群技术进行了聚焦评估，考虑了未来三年、三到五年和五到十年三个阶段智能蜂群的可用性及面临的风险和情景，并通过对相关威胁、弱点和效果等多个方面进行了分析，最终提出了未来发展建议。

【RAND】智能无人蜂群技术未来发展编译：学术plus高级观察员高山

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蜂群分类

在评估中，兰德公司将无人机群技术划分为三类：

(1)由多操作员协调操作的多架无人机组成的蜂群；

(2)以协同方式编程的无人机，这些无人机可单独飞行、以领导者-跟随者的配置或由一名人类操作员控制多架无人机的多无人机编队运行；

(3)可在单个无人机之间进行通信并对外部刺激做出响应的智能无人机群。

前两类无人机群在本评估报告中被称为代理无人机群技术，第三类则被称为智能无人蜂群技术。代理蜂群技术已在当前社会、军事行动中广为应用，但其能力、敏捷性和灵活性不如正在开发的智能蜂群技术。随着无人机单体技术和组网技术不断成熟，未来代理蜂群中的各个单元将能够相互通信，单个作战人员就能操控覆盖数百英里范围内的数百架规模的庞大蜂群。可以说，技术进步推动着代理蜂群向未来智能蜂群形态演进，潜在对手可能会利用智能蜂群的低成本、高效率，对重要作战目标执行自杀式蜂群打击、集群电子战/网络战以及蜂群侦察等多元化任务，对国土防空构成重大风险，因此有必要对此进行详细评估。二

评估方法

兰德针对智能蜂群制定了一个评估新兴技术风险的框架，主要考虑了四大关键属性：(1)技术可用性（technology availability），简称为TAV；(2)威胁；(3)弱点；(4)效果。其中，后三者又可被归纳为“风险与场景”（risks and scenarios），简称为RS。

TAV评估包括五个方面：科学和技术成熟度；使用案例、需求和市场力量；资源投入；政策、法律、道德和监管障碍；以及技术普及。RS评估即针对威胁、弱点和后果进行评估。

TAV和RS类别的评级从1到5不等，其中1代表许多挑战，5代表极少挑战。对五个TAV领域的评级取平均值输入新兴技术风险框架进行评估。同样，在RS评估时，兰德根据受影响程度（国家范围，5级；地区范围，4级；地方范围，1-3级）对其进行评级。

通过将威胁、脆弱性和后果的评级与之前计算的TAV平均值进行平均，兰德技术人员可以将特定情景下的新兴技术风险评估分为低（0至低于2）、中（2至低于4）或高（4至5），并在三个时期开展评估：短期（最多三年）、中期（三至五年）和长期（五至十年）。这样，就可以评估随着时间的推移，分析研判TAV和RS将出现怎样的变化。三技术可用性（TAV）评估

（一）科技成熟度

兰德公司 2005 年的研究将代用无人机群定义为 "多个单位从多个轴向对一个目标进行会合攻击"。因此，考虑到过去 20 年来蜂群一直用于作战环境，兰德将以类似集群部署方式运行的蜂群成熟度评估为非常高。但是，这些相对较早的蜂群技术应用并不能全面反映无人机群未来的能力。在考虑未来能力发展时，兰德对蜂群技术作了如下描述：一个地面操作员可以控制数百架无人机，这些无人机可以飞行数百公里，有能力携带1千克的有效载荷，能够花费一个小时执行目标任务。

未来的智能蜂群将是多种技术融合后的成果，包括人工智能（AI）、大数据和物联网（IoT）等新兴技术。此外，第五代蜂窝（5G）通信技术，乃至未来蜂窝通信技术的持续部署，新兴射频和卫星通信技术，都将为智能蜂群提供技术支持。国防部以及国际合作伙伴和潜在对手都在不断加紧试验智能蜂群技术。例如，2022 年，美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 的测试展示了由单个操作员控制的 150 多架无人机组成的蜂群的使用情况。DARPA 官员预测，五年内，一个蜂群可能包含多达 1000 架无人机。而美国海军正在寻求建造、部署和控制数千架小型无人机，这些无人机能够聚集在一起，以数量优势压倒防空系统。一旦开发成功，这些能力将按照最高技术储备水平进行评估。不久的将来，智能蜂群技术将迅速扩散到民用领域。

另一方面，无人机群要充分发挥潜力，仍需克服航程、有效载荷和动力方面的限制。有迹象表明，无人机系统技术正在不断成熟，到评估期结束时很可能会克服目前限制。军方解决这些限制的一种方法是在测试中从母舰（运输无人机的载体平台）上部署无人机群，在预定目标附近释放无人机群。对许多恐怖组织来说，这种方法可能不切实际，但可以考虑使用其对高优先级目标实施攻击，以降低风险。智能蜂群技术的成熟取决于多种技术的融合，这些技术将共同支持这些能力的开发和应用。

（二）使用案例、需求和市场力量

随着无人机系统单体和智能蜂群技术的不断成熟，兰德预计随着系统的可用性和经济性的提高，将会有更多的智能蜂群应用案例。智能蜂群技术将使系统具有更高的精确度、更低的脆弱性、更低的附带损害可能性和更低的成本。这将对各国军队产生重要影响；同样的技术可能会广泛而迅速地推广到民用领域。在民用领域，鉴于人工智能、大数据、物联网和 5G（以及未来几代通信技术）的预期发展，市场力量也可能会增强；这可能会推动该技术的进一步普及。在军用领域，智能蜂群可灵活配置有效载荷，可携带包括传感器、干扰机、杀伤性弹头等多种装置，使其攻击成功几率更大，有望在军队系统中广泛推广。但同时，这些使用案例也很可能会扩展到恶意行为者手中（可能包括恐怖分子和罪犯），使其更轻易达到作战目标，从而导致更多的战场风险。

（三）资源投入

据估计，到2030年，全球蜂群智能市场价值将达到4.472亿美元。全球市场规模的不断扩大掩盖了小型无人机系统成本降低的相反趋势。因此，蜂群技术有可能克服军用硬设备的一个根本问题——成本。除军事应用外，无人机蜂群技术还将提供低成本的替代方案，用于各种攻击和侦察场景，恶意行为者可能会充分利用相关能力。

实际的资金投入可能取决于无人机蜂群中系统的数量、航程和有效载荷，以及是否需要为特定任务进行特殊的工程设计。对于大多数应用来说，现成的商用系统（COTS）就能够满足战场需求，只有在特定任务需要时才需要进行改装，例如在无人机上安装爆炸材料或电磁发射机。智能蜂群的使用取决于多种技术的融合，但这些技术也可以从COTS系统中集成（如用于指挥、控制和通信的商用5G网络，以及用于打印专用附件部件的3D打印机）。

（四）政策、法律、道德和监管障碍

美国联邦航空局制定了涉及无人机操作和注册的法规。小型无人机，属于《联邦法规汇编》第14篇第107条目的管辖范围，被称为FAA小型无人机系统法规，适用于大多数商业应用中重量小于55磅的系统。对于娱乐用途，不一定需要遵守第107条目的规定。美国联邦航空局还有关于人员周围操作使用的具体规定，旨在将无人机系统安全地纳入国家空域系统。

美国联邦航空局已经批准了几项无人机群的豁免。其中一项用于农业的豁免被称为"飞行和应用"，适用于农村地区。它允许每小时喷洒约40英亩的土地，几乎是目前每小时14英亩的三倍。豁免通常仅限于特定的地理区域，允许在所有48个毗连州使用。

2019年，俄克拉荷马州立大学的无人系统研究所获得了联邦航空局的授权证书，"允许单个飞行员与出于安全考虑的目视观察员一起操作由多达20架固定翼飞机组成的机群。申请的目的是进行研发，以建立安全高效的自主飞行能力，并在未来几年内广泛普及。但总体而言，美国联邦航空局（FAA）的规定还是限制了多架小型无人机的运行，因此，一些人认为，州和地方执法部门应重点关注无人机运营商是否遵守联邦航空局的规章制度。然而，这些规则的执行具备很大的难度。

另一方面，随着5G的普及，另一个技术问题也被解决，即确保操作员与无人机或无人机群之间的超视距（BVLOS）通信链路。虽然使用未经许可的无线电频率信号容易受到干扰和频谱挤占，但5G将解决这一问题。目前美国联邦航空局（FAA）禁止BVLOS无人机系统操作，只有极少数主要针对政府机构的豁免除外。

对商业系统进行非法改装很可能超出普通无人机用户的技术能力，而美国联邦航空局的规定禁止在没有豁免的情况下进行此类改装。可用于智能无人机群的技术不太可能受到出口管制，除非这些技术仅用于军事用途。总体而言，政策、法律、道德和监管方面的障碍并没有构成难以克服的重大障碍，因此不会成为重大阻碍因素。

（五）技术普及

未来三年，智能蜂群系统技术将继续快速提升，会出现越来越多的使用案例。研发领域的早期应用，如上文提到的俄克拉荷马州立大学的研究和农业应用，凸显了这项技术的活力。系统的低成本将使其在广泛的应用领域具有吸引力。同时，政府对其的限制很少——如美国联邦航空局对无人机技术改装的限制和飞行规则，并不会对技术的可获取性造成重大障碍，这将造成恶意行为者获取新式蜂群武器的难度降低。

（六）总结

虽然迄今为止大多数使用案例都是传统代理无人机蜂群，但持续的研发应能使技术在未来三到五年内日趋成熟。在评估中，兰德将智能蜂群技术与上述代理蜂群能力进行了对比。兰德预计，无人机系统技术将继续成熟，尤其是人工智能、大数据和物联网（与5G结合使用）等使能技术。智能蜂群技术的成熟度也将相应提高，技术的全面普及也将随之而来。下表提供了兰德对未来智能无人机群技术的短期、中期和长期评估。

兰德预计，随着科学技术的成熟以及使用案例、需求和市场力量在未来十年内达到完全成熟。随着技术的成熟，社会可能会花费更多的资源来采购这些系统，而政策、法律、伦理和监管方面的障碍将进一步减少。最后，在未来十年中，技术的可获取性将继续提高；其最初的评级为1是考虑需要提高科学和技术的成熟度，然后才能提升可用性。然而，到十年评估期限结束时，智能蜂群技术应该相当容易获得，这将导致其TAV从短期的2.0评值增加到长期评估的4.2，即具备高可用性。

四风险与场景评估

在风险与场景评估中，兰德将恐怖分子利用无人机使用爆炸物攻击关键基础设施作为主要情景。从这一场景中衍生出来的情况包括使用携带爆炸物的智能蜂群大规模攻击，使用具有网络或电磁攻击能力的蜂群攻击变电站，以及走私者使用蜂群进行侦察以躲避边境巡逻。必须强调，蜂群攻击很可能仍然是局部发生的，其影响大都具备区域性特征，如针对电网的网络或电磁攻击等，不太可能对全国产生影响。

（一）威胁评估认为，获取和使用无人机系统和智能蜂群技术的能力与恶意行为者的资金、复杂程度和规划能力有关；规模较大、资金雄厚的团体更有可能在初期获取和使用智能蜂群。而随着技术的成熟和普及，即使是单一的恶意行为者也更有可能获得智能蜂群技术。此外，叛乱分子在伊拉克和阿富汗的军事行为，以及俄罗斯和乌克兰最近在战争中的行动，都展示出了蜂群的作战样本案例，很可能被其他人员效仿。在评估这一威胁时，兰德重点强调，此前战争中无人机的使用并非智能蜂群，而是单个无人机的集合，这些无人机被编程为按照飞行计划同时攻击一个或多个目标。根据2020 年美国国土安全行动分析中心报告，无人机技术发起攻击中可采取直接攻击、间接攻击、网络攻击等多种样式，并可执行包括情报、监视、侦察、信息收集、指挥控制、通信、运输和滋扰等非杀伤性任务。而随着能力更强的智能蜂群技术的使用不断增加，蜂群作战有效性将大幅提升，同时使得现有无人机防御措施对其应对能力骤减。

（二）弱点蜂群技术对国土安全防备、响应和应对能力构成重大挑战。无论是代理无人蜂群还是智能无人蜂群，其庞大数量都将给反制措施的开发和实战带来挑战。各国军方一直在寻求针对蜂群技术的反制措施，包括火力打击、电子战系统等，但如何应对蜂群数量优势仍是巨大难题：乌克兰利用立陶宛设计的名为天空雨刷（Sky- Wiper）的通信干扰机来防御无人机；以色列一家国防公司正在开发一种系统，可入侵无人机的制导软件；美国国防部也已开始投资反无人机系统（C-UAS）解决方案并制定相关战略。

在军事领域之外，美国科技部也制定计划，对 C-UAS 技术进行试点和研究。尽管如此，考虑无人系统体积小、使用非金属材料（如碳纤维复合材料），雷达截面（RCS）大大降低，并可采用技战术躲避探测，因此在较远距离上实时感知非常困难，尤其是在使用的情况下。为此，美国正在开发使用多光谱和光探测/测距（LiDAR）传感器的新型探测系统，但这些系统尚未完全成熟。举例来说，如果 2022 年 11 月发生在北卡罗来纳州的针对变电站的攻击包含智能蜂群，那么造成的破坏可能会大大增加。考虑到防御大型蜂群所面临的挑战，智能蜂群攻击成功的可能性会更高。蜂群还能使攻击者从更远距离发起攻击，使其拥有更多的作战选项。综合多元因素，本土高价值目标在面临智能蜂群时，其弱点将更加明显。

（三）效果兰德评估，在 2022 年北卡罗莱纳州变电站袭击事件中，如果将智能蜂群加入到袭击中，可能会造成更大的灾难。这可以是动能攻击，也可以是非动能攻击，例如使用电磁攻击，但仍会对关键基础设施造成重大破坏。另一方面，无人机群如果针对大规模集会（如职业体育赛事）发起打击，可能会造成更复杂后果。例如，可设想使用燃料空气炸药来代替传统炸药，会造成大规模人员杀伤。此外，还应考虑到智能蜂群所具有更强的躲避探测能力和对外部刺激做出反应的能力，再加上攻击众多小型目标的复杂性，风险会大幅增加。这意味着，恶意行为者利用智能蜂群在杀伤摧毁和战场侦察上都更有可能达到预期效果。

（四）总结下表针对风险与场景RS进行了评估总结。兰德指出，到长期阶段结束时（即未来五到十年），威胁和弱点的每项评估都将被评为5级。对后果的评级将从2到3不等，智能蜂群威胁可能将主要对州级范围产生影响，如果对电网等关键基础设施进行网络或电磁攻击，则有可能对更大区域范围产生影响。大量的潜在目标及其对国土的巨大风险，使得制定和部署反制措施极具挑战性。

五结论

兰德公司利用定性结合定量的方式，针对“技术可用性”TAV和“风险与场景”RS（涵盖威胁、弱点和后果）两大关键主题，从短期（最多三年）、中期（三至五年）和长期（五至十年）三个阶段进行了全面分析。下图形象展示了评估结果。

综上分析，兰德报告发布了以下四大观点：

? 随着无人机技术的不断成熟，在射程、有效载荷和功率方面不断进步，智能蜂群威胁日益严重；

? 智能蜂群的成熟将伴随着包括人工智能、大数据、物联网和5G在内的多种技术的融合，这些技术将结合起来支持这些能力的发展和使用；

? 随着时间的推移，非法使用智能蜂群的风险将继续增加，但相关攻击可能仍将是局部性的，在某些情况下可能会在地区范围内造成影响，例如针对电网的网络或电磁攻击，但不太可能在全国大范围内产生影响；

? 因为在一系列潜在目标上部署无人蜂群探测系统和反制措施可能耗资巨大，因此威胁缓解能力有限。

参考链接：https://www.rand.org/pubs/research_reports/RRA2380-1.html

发布日期：2024年5月7日

来源：学术plus

发布日期: 2024-05-10 访问总数: 1219

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