跨界 · 融合 · 服務 · 創新
摘 要: 隨著無人系統技術的不斷發展，多無人系統之間的跨域協同憑借其諸多優勢成為當前無人系統領域研究和應用的熱點。首先，闡述了無人系統跨域協同的概念形成與發展歷程，并對未來發展趨勢進行了展望；其次，系統梳理了國外多無人系統跨域協同技術的研究情況，分別從比賽競技、項目研發和應用三個角度對美國、歐盟等無人系統跨域協同技術開展分析綜述；然后，介紹了無人系統跨域協同的核心問題和技術體系；最后，通過對典型應用案例分析表明跨域協同對實際應用效能有明顯提升作用，相關研究為我國未來無人系統跨域協同相關發展提供參考。
關鍵詞: 無人系統；跨域協同；信息融合；優化決策；協同控制；人機融合
1 引 言
裝備、系統的跨領域應用并不是全新的概念，而是自古存在的現象，其發展大致可分為早期萌芽、應用驅動、理念成熟和無人時代四個階段。
早期萌芽：在人類文明數千年的發展歷史中，幾乎同時具備了對地面平臺和裝備的駕馭記錄，并廣泛用于人類的日常生活、生產和軍事等各個方面。19 世紀初，人類發明了現代飛行器后，終于實現了駕馭空中平臺和裝備翱翔天空的理想。與此同時，跨域協同的概念就開始萌芽：第一次世界大戰中，飛行器廣泛用于偵察、通信、炮校等輔助性任務，為地面部隊提供支援和保障，成為空地跨域協同的較早案例。再往前追溯，人類利用孔明燈、熱氣球等來為地面人員傳輸信息和物資等活動也同樣表明了人類“將可利用空間從地面二維擴展到空間三維以提供更多便利和啟發更多能力”的樸素思想，這雖然談不上嚴格意義上的跨域協同，但不可否認地成為現代跨域協同思想的萌芽和雛形。
應用驅動：隨著現代化裝備技術的高速發展，跨域應用的案例屢見不鮮，典型代表就是馬航搜索事件。在馬航MH370 航班搜索事件中，世界各國大量利用太空、空中、水面、水下等裝備開展搜索工作，這場歷時數年的大搜索創造了多項紀錄，其中之一就是利用破紀錄數量的跨域平臺開展工作。據不完全統計，在災難后的 9天內（即截至到2014年3月17日），已經有來自26 個國家和地區的40 艘艦船、超過58 架飛機參與搜索，覆蓋范圍超過78 萬km2[1]。這一創歷史紀錄的搜索活動雖以失敗告終，但其無疑在人類歷史上留下了聯合使用陸海空天跨域裝備的濃重一筆。
理念成熟：嚴格來講，馬航搜索并不能稱為嚴格意義上的跨域協作，因為各個國家的各型裝備之間的協同方式并不緊密，甚至因各救援力量無法通過互聯協作統一行動而難稱為協同。但在同一時期，軍事領域中的跨域協同概念已經清晰并日趨成熟：2012年1月17日，美軍正式頒布《聯合作戰介入概念》，其中就明確提出了跨域協同的作戰思想[2]。隨后，美軍頒布的《美國陸軍和海軍陸戰隊的跨軍種概念：實現并維持進入》《聯合作戰頂層概念：2020年聯合部隊》《海空一體戰：軍種協作應對反進入和區域拒止挑戰》等一系列文件，對跨域協同作戰思想進行了擴充[3]，明確了跨域協同的基本內涵：在不同領域互補性地而不是簡單疊加性運用多種能力，使各領域之間互補增效，從而在多領域建立優勢，獲得完成任務所需要的行動自由。
無人時代：近年來，無人系統技術的快速壯大為跨域協同發展帶來了更多活力。這是因為相對于有人裝備，無人系統具有兩方面無可比擬的優勢：一是無人系統多樣化發展的特征明顯，極大地豐富了協同模式并為功能提升帶來了更多可能性；二是無人系統的低成本優勢明顯，為跨域協同應用從軍事走向民用奠定了堅實基礎。自此，跨域協同思想具備了蓬勃發展的基本土壤，在過去的十多年間得到快速發展。
綜上所述，本文的無人系統跨域協同是指陸、海、空、天等可在不同空間域內運行的、具有顯著功能差異性的多臺套無人系統組成有機整體，其相互間可通過信息共享與融合、行為交互與協調、任務協同與合作實現功能互補、能效倍增，從而提升面對復雜環境和使命的應對能力。跨域協同與傳統的多機協同和當前的集群協同等概念也存在明顯的差異，是無人系統應用和技術發展的新趨勢。應用層面，海、陸、空、天無人系統之間的跨域互聯與協同合作有利于充分發揮異構平臺的功能冗余性和能力互補性，實現各要素單元的一體化運用，從而達到效果互用、效能增強的綜合目的，同時跨域協同也有利于推動無人系統應用新模態的涌現，從而進一步推動無人系統在各領域發揮全新作用；技術層面，協同是無人系統自主性技術的高級階段，萬物互聯是可改變世界的潛力技術，加之被寄予厚望的集群技術，共同構成了跨域協同的技術內涵，其與人工智能、信息技術等學科的交叉融合，有望顯著推動無人系統整體技術的發展與提升。
2 國外技術發展介紹
2.1 國外無人系統發展規劃中的跨域協同
近年來，國內外針對無人系統跨域協同的重視程度日益增加，歐美的各種發展規劃中對該方向給予了諸多關注。
早在2006年，歐盟提出了機器人技術路線圖，在對面向安全與監控的機器人發展章節中明確提出了遠期發展目標（到2020+）[4]：不同種類的機器人通過合作完成高度復雜的任務。這是較早在正式規劃中提出要發展跨域協同記載。
美國方面，隨著美軍“跨域戰”“多域戰”“全域戰”等概念的不斷發展，其在無人系統技術路線圖中也開始關注跨域協同技術與應用。自2007年美國防部發布《無人系統綜合路線圖》起（圖1），其在持續不斷地大力推進無人系統體系化和智能化，并強調海陸空無人系統自主協作技術。圖1 中，封面從最早的陸海空割裂圖片（2007）到共處同一畫面（2009、2011）、再到協同案例（2013）、組網協同（2017），表征了美軍對跨域協同在不同時期的理解和重視程度。
圖1 美國防部無人系統發展路線圖封面 (2007—2017)
Fig.1 Cover of DARPA unmanned systems roadmap (2007—2017)
◆ 2007年，提出互操作性要求的五大需求，其中之一是跨域協同的互操作性。在不同模式的系統中：陸軍未來戰斗系統（Future Combat System，FCS）的地面車輛及空中無人機協同工作的計劃能力是這個級別未來互操作性的一個例子。
◆ 2009年，明確提出了無人系統可以為跨域戰提供靈活選擇，這其中除了“有人–無人協同”以外的另一個重要方向就是無人系統間及其與有人系統間的跨域協同。這將為聯合部隊指揮官（Joint Force Commander，JFC）提供決定性能力。
◆ 2011年，互操作被列為美軍面臨的七大挑戰之一，并將跨域系統的互操作性列為互操作性的首要需求。
◆ 2013年，美國防部發布的無人系統路線圖和美國機器人技術發展路線圖分別給出了多個跨域協同的應用想定，涉及軍事封鎖/偵察、近海管道威脅、國土關鍵基礎設施保護和檢查等案例，全面深入介紹了未來跨域協同技術可能帶來的應用模式的變革性影響。
◆ 2017年及隨后幾年的規劃中，利用無人系統和有人系統組成跨域體系成為全面趨勢，強調所有無人系統的軟硬件架構的統一，從而為體系化運用奠定技術基礎。
2.2 國外無人系統跨域協同進展綜述
國外為了推動跨域協同技術的進步和發展，開展了諸多工作，本節將從比賽競技、探索研究和應用驅動三個角度對相關工作進行簡單綜述。
2.2.1 比賽競技型項目
比賽競技是促進無人系統技術發展的有效手段之一，近年來世界各國對無人系統競技類比賽投入了極大的關注，跨域協同類比賽由于相對投入較大，因此尚不多見，但也已出現一些在常規項目中采用跨域協同技術參賽或者專門針對跨域協同而設置的比賽科目，這些競賽無疑對跨域協同技術的發展起到了較好的推動作用（表1）。
表1 國外知名跨域協同相關競技賽
Table 1 Well-known foreign cross-domain cooperative competitions
（1）歐盟：euRathlon 挑戰賽
euRathlon 是歐盟FP7 支持下的一個競賽，其目標是通過競賽加速實現適應真實世界的智能機器人，該項賽事以類似福島核事故災難響應為主要背景開展。2015年，euRathlon 競賽科目正式引入跨域協同概念，要求陸海空平臺協同行動，收集環境數據、識別關鍵危險并承擔任務，以確保核電站安全（圖2）[5]。
圖2 歐盟組織的euRathlon-2015 挑戰賽比賽場地
Fig.2 euRathlon-2015 grand challenge competition site
（2）美國：地下挑戰賽（Subterranean Challenge）
2019年起，美國國防部預先研究計劃局（DARPA）發起最新的“地下挑戰賽”，旨在促進機器人與無人系統技術在地下環境中的應用[6-7]。比賽要求參賽者研制出可幫助人類在未知且危險的地下環境實現定位導航、繪圖以及搜尋的空地機器人系統。比賽分為隧道巡回賽、城市巡回賽、洞穴巡回賽和總決賽四個階段，2019年8月的第一階段比賽中，要求參賽隊伍在60 min 內對隧道內環境建模并對40 個模擬生還者及制定物品定位，共有來自8 個國家的11 支團隊參賽，最終卡耐基梅隆大學與俄勒岡州立大學聯合組隊，贏得比賽冠軍；2020年2月，第二階段比賽在城市地下機構中進行，來自11 個國家的17 個團隊參賽，最終美國國家航空航天局（NASA）噴氣式推進實驗室、麻省理工學院加州理工學院和波士頓動力公司組成的CoSTAR 團隊獲得實體比賽冠軍[8]，密歇根理工大學的BARCS 團隊獲得模擬比賽冠軍；2020年11月，第三階段比賽在虛擬洞穴環境中完成，參賽團隊需以不超過5 m的精度定位找到隱藏在虛擬洞穴環境中的20 個虛擬物件以及模擬礦難幸存者人體模型，最終加州大學、紅杉中學等組成的協同機器人團隊奪冠。
2.2.2 探索研究型項目
自21 世紀初，國外對跨域協同技術的關注不斷高漲，各部門所資助的與此相關的項目不勝枚舉，本小節列出部分具有代表性的探索研究型項目，供讀者參考（表2）。
表2 國外探索研究型跨域協同項目
Table 2 Foreign exploratory and research-type cross-domain collaborative projects
（1）美國：MARS2020 項目
早在21 世紀初，DARPA 資助了MARS2020項目。該項目由美國賓夕法尼亞大學、佐治亞理工大學、南加利福尼亞大學等機構聯合開展，目的是探索跨域協作搜索技術。2004年12月1日在美軍Fort Benning 基地開展了聯合演示，演示中2 臺固定翼無人機和8 臺地面無人系統組成跨域協作系統，另有3 名監控人員負責演示過程監控和目標確認。演示分兩個階段進行：①無人機對整個區域進行搜索，發現疑似目標后，給地面站發送信息及粗略定位信息；②地面站接到疑似目標信息后，部署不同的地面無人系統進行精細搜索和定位。此類演示是迄今為止跨域協作最為常見的一種合作方式（圖3）[11]。圖3(a) 為固定翼無人機，攜帶視覺系統對地面目標進行觀測；圖3(b) 為地面無人系統，攜帶立體視覺傳感器實現對地面目標的觀測；圖3(c) 為地面無人系統和無人機對地面目標觀測的誤差分析。
圖3 MARS2020 項目中的空–地無人平臺及定位算法
Fig.3 MARS 2020 project: Air-ground unmaned platform and positioning algorithm
（2）法國：Action 項目
2007年，法國國防部資助了跨域協作的Action 項目[12]。該項目以邊界巡邏與監控為背景，針對跨域協作中的“數據融合”和“態勢評估與決策”兩個科學問題，旨在研究不同無人系統（空中、地面、水面、水下）之間的跨域協作方法及其實現技術。項目目標是開發和實現適應異構平臺協同的軟件架構，使它們能夠在危險、未知、動態環境中合作完成任務，具體包含四個主題：雙機協同、三機信息共享、跨域協同、集群管理。2012—2015年，該項目共進行包括“空中、地面協同設施監視”“空中、水下、水面協同水污染監測”等科目在內的6 次技術驗證演示，驗證了協同感知與協同決策等關鍵技術（圖4）[13]。圖4中，(a)為演示中的兩個地面無人系統；(b)為地面無人系統跟蹤；(c)為無人機跟蹤目標；(d)為用于巡邏12 個機器人的路線圖；(e)為任務跟蹤接口；(f)為界面跟蹤每輛車的操作（運動、感知、通信）。
圖4 法國Action 項目的演示平臺及技術
Fig.4 Action project: Platform and technologies
（3）德國：空地協作無人系統
2012年，德國錫根大學、漢諾威–萊布尼茨大學和弗勞恩霍夫CIPE 研究所聯合研制了空中–地面機器人協作系統[14-15]，來驗證其開發的可用于跨域協同的編程與操控語言，從而使得只需一個操控人員通過簡單的操控指令即可對整個跨域協作系統進行控制。在其共同開展的技術驗證中，6 臺套不同的自主系統開展了協同演示，文獻[14]中，開發者認為實現多平臺跨域協同是可行的，且同類型的協同系統非常適用于偵察和監視等領域。
2.2.3 應用驅動型項目
除了探索研究型項目，更多跨域協同類項目直接面向具體應用使命，此類項目具有較強的針對性，所取得的可視化效果也往往更加突出，本小節將借助幾個知名的跨域協同應用型項目進一步闡述跨域協同所能帶來的實用效能（表3）。
表3 國外應用驅動型跨域協同項目
Table 3 Foreign application-driven cross-domain collaboration projects
（1）美國：圣迭戈SPAWAR 中心
早在21 世紀初，DARPA 就曾資助美國圣迭戈SPAWAR 中心開展過空中–地面–水面平臺跨域協作的研究，并于2005年12月份進行了針對“入侵人員”監控與打擊的演示（圖5）。在該演示中，1 臺旋翼無人機、3 臺地面無人系統和相關參演人員一起展示了如何通過一個中央聯合操控系統（Multi-robot Operator Control Unit, MOCU）實現對逃竄人員的聯合抓捕，這是可查的、較早開展跨域聯合實用化展示的案例[16]。圖5 中，(a)為能同時控制多個無人系統的中央聯合操控系統；(b)為空地跨域協作中的旋翼飛行機器人RotoMotion；(c)為空地跨域協作中的地面移動機器人MDARS。
圖5 SPAWAR 中心開展的陸海空跨域協作演示
Fig.5 Land-sea-air cross domain demonstration of SPAWAR
（2）歐盟：SHERPA 項目
2013—2015年，歐盟資助了SHERPA 項目[19]，該項目由7 所大學、2 家公司和1 個聯盟組成研發團隊聯合開展，歷時三年，旨在構建一套可利用地面、空中無人平臺與搜救人員協同開展山區人員搜救的系統。該項目于2015年開展了兩次技術演示，其中夏季演示針對阿爾卑斯山失蹤人員營救，冬季演示針對雪崩災難后的被埋者營救。演示過程中固定翼無人機用于大面積搜尋，無人直升機用于搜索和緊急物資輸送，多旋翼無人機用于自動跟隨人員、提供穩定的航拍圖像、擴展人員的觀測范圍，無人車搭載機械臂，用于精細搜索、挖掘和救援、物資和人員運輸等，所有平臺信息在同一認知地圖上更新、融合（圖6）。
圖6 無人平臺在山雪崩事故人員搜救中的應用
Fig.6 Unmanned system in snowslide rescue
（3）葡萄牙：ROBOSAMPLER 項目
2013—2015年，葡萄牙內政部資助了ROBOSAMPLER 項目。該項目旨在設計旋翼無人機和作業型地面無人系統構成的跨域協同，并通過二者的協同實現野外復雜環境中的重金屬、放射性物質等有害物質的采樣、存儲和運輸的工作。實際演示中，無人機系統用于掃描指定區域、識別待采樣物，實時回傳圖像，并指引對地面平臺的遠程遙控；地面無人系統則通過搭載機械臂完成采樣（圖7）[20]。
圖7 跨域協同用于污染土壤采樣
Fig.7 Air-land cross domain in soil sampling
（4）美國：CDMaST 跨域海上監視和瞄準
2015年，DARPA 啟動了跨域海上監視和瞄準（ Cross-Domain Maritime Surveillance and Targeting, CDMaST）項目，該項目明確制定了“實現面向海洋的跨域協同體系集成”的目標，旨在轉變美海軍當前海上力量編成體系，通過將多種海上作戰功能分解至可升級的大量低成本有人–無人系統上，并分散部署至對抗激烈的廣域海域，構建一種能夠跨域執行監視與瞄準任務的“系統之系統”體系結構，形成能夠快速響應、無處不在的進攻能力，阻止對手力量投送，或迫使對手大幅提升海上行動成本，維持美軍海上絕對控制權（圖8）。
圖8 跨域海上監視和瞄準（CDMaST）項目概念
Fig.8 Concept of CDMaST project
（5）美國：OFFSET 進攻性蜂群戰術
DARPA 于2016年資助了“進攻性蜂群戰術”（OFFensive Swarm-Enabled Tactics, OFFSET）項目，謀求在未來的小規模步兵部隊作戰中協同使用多達250 個小型無人機系統和小型無人地面系統，利用無人蜂群技術和自主、自治、人機協同技術，快速開發和部署無人集群系統并形成戰斗力。2020年9月，該項目完成第四次外場試驗，重點是提高分布式異構協同感知能力，由地面無人車、旋翼無人機和固定翼無人機組成的多平臺無人集群系統在模擬城市環境中對目標進行偵察（圖9）。
圖9 進攻性蜂群戰術項目最新演示
Fig.9 Demonstration of OFFENSET project
（6）歐盟：OCEAN2020 無人海上態勢感知
OCEAN 2020 是歐盟“國防試點研究計劃”的旗艦項目，全稱為“歐洲海上感知開放式合作”（ Open Cooperation for European mAritime awareNess，OCEAN），目標為探索面向廣域持續監測和海上攔截的海洋態勢感知相關技術。該項目共涉及來自15 個國家的42 家機構，旨在將不同類型的無人平臺（固定翼無人機、旋翼無人機、無人水面艇和無人潛航器等）及主戰裝備與海上指控中心相整合，通過衛星實現海上指控中心與陸基指控中心的數據交換，以驗證跨域協同中的態勢感知、自主性及互操作性及其效能。
OCEAN 2020 項目于2019年11月在“地中海”舉行了一次聯合演示，此次演示設置了兩種場景：一種是威脅船只封鎖，另一種是在兩棲作戰前攔截布雷船。該演示共匯集了9 部無人系統（4 架無人機、3 艘無人水面艦艇和2 艘無人水下艦艇），來自意大利、西班牙、希臘和法國等的6支海軍部隊，5 顆通信和監視衛星，4 個國家級海上作戰中心，2 個地面通信網絡，1 座歐盟海上作戰中心原型。“地中海演示驗證”測試了如何融合從作戰區域部署的系統收集的數據及信息（圖10）。
圖10 OCEAN2020 地中海測試場景
Fig.10 Demonstration of OCEAN2020 at the mediterranean
3 核心問題和技術體系
3.1 跨域協同核心問題
3.2 跨域協同技術體系
4 國內典型案例分析
5 結束語
跨域協同是無人系統發展的高級階段，是應對日益復雜的環境和使命的重要技術途徑與應用手段[23-25]。隨著人工智能等相關技術的快速發展，跨域協同勢必將為無人系統的發展帶來更多契機，但相關技術進步過程中也必然伴隨著重大挑戰。從無人系統跨域協同的發展歷程和技術特點來看，進行相關規劃和推進相關研究應重點關注以下幾個關鍵問題。
首先，堅持需求牽引是開展跨域協同相關工作的重要手段。需求牽引與技術推動是所有技術發展的兩個重要方式。跨域協同的最大特點是可通過功能互補性實現效能倍增，而不同領域的應用效能往往存在差異化的評估手段和特點，為此各領域在開展相關規劃和技術研發時，要注重與應用場景的緊密結合，堅持需求牽引的總體發展思路。
其次，借鑒系統論、體系論的發展思路，充分發揮學科交叉的特點，開展聯合攻關。無人系統本身具備明顯的跨學科特點，加之跨域協同應用中往往面臨功能節點和應用要素極為豐富的問題，其本身是一個復雜的大系統，這就要求在開展相關工作時堅持系統化、體系化的研究思路，注重技術發展的同時也要關注技術發展的標準化和實用化。
最后，跨域協同的核心技術仍然在于無人系統的單獨節點，而跨域協同也將為無人系統的發展提供更廣闊的空間。既然要求跨領域協同，除常規的無人系統所具備的特點外，跨領域應用也為無人系統本身的發展提出了更多要求，從而有望進一步促進無人系統本身的多樣化發展，一些面向跨域協同應用的新概念平臺/能力勢必將大量出現。
參考文獻（略）
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