AI/无人驾驶/传感/通信技术发展,无人化是未来陆军体系核心部分

AI/无人驾驶/传感/通信技术发展,无人化是未来陆军体系核心部分

(报告出品方/分析师:东方证券研究所 王天一、罗楠、冯函)

俄乌军事行动再次证明了军用地面无人车辆(UGV)的重要性。即使在高技术条件下,陆上军事行动由于涉及大量人员和复杂环境,往往面临较高的人员伤亡风险,而在现代政治环境中,人员伤亡往往是军事行动中需要考量的重要因素,较高的生命损失会另军事行动的成果大打折扣,也会限制主体利用军事实力达到政治目的和国家意志的作用。

陆上军事行动中人员伤亡往往是需要考量的重要因素。即使在高技术条件下,陆上军事行动由于涉及大量人员和复杂环境,往往面临较高的人员伤亡风险,而在现代政治环境中,人员伤亡往往是军事行动中需要考量的重要因素,较高的生命损失会令军事行动的成果大打折扣,也会限制主体利用军事实力达到政治目的和国家意志的作用。此次俄乌军事行动,随着大范围地面作战的推进,俄乌双方损失的人员和装备持续提升,已经到了非常可观的程度。在精确制导反坦克武器遍布战场的情况下,强如 T-90M 主战坦克的战场生存性同样岌岌可危。

作为军事强国,俄罗斯在地面无人车辆的研制工作上也是居于世界前列。俄罗斯在近期的卫国战争胜利日阅兵式中,再次亮相的无人战斗车辆天王星-9再次吸引了众多目光。早在 2018 年 4月,俄罗斯国防部表示配备 5 台天王星-9 的首支战斗机器人部队已开始组建。该机器人全长 5.12 米,战斗全重 12 吨,配备了激光、光电和热成像传感器在内的各类感知模块,昼夜探测和追踪目标的有效距离分别为 6 千米和 3 千米。并能通过远程遥控和自主方式进行机动,最大越野速度为 25 千米/小时,可持续行驶 6 小时。

天王星-9 最大特点之一,就是其模块化火力系统为其带来了强大火力。它搭载 1 门 2A72 型 30 毫米机关炮、4 部 9M120-1 反坦克导弹发射装置、3 具 93 毫米火箭筒和一挺 PKT/PKTM 机枪等。如果需要,它还能搭载 9338 地空导弹、9K333 便携式防空导弹和9M133M 反坦克导弹。因此,天王星-9 既可同时打击装甲目标和低空目标,更可轻易压制步兵集群。而整套的天王星-9 作战系统还包括有人驾驶且配备指挥方舱的装甲车,该车配备可以实施跟踪无人平台的遥控通讯装置,也能通过多个控制台等设备感知战场态势,进而做到一名乘员控制一台天王星-9。

同时,重型平板拖车和检修维护车辆也会成为天王星-9 作战系统中不可分割的一部分,它们将保障无人作战平台的出勤率和活动范围。根据俄罗斯军方透露出的消息称,少量天王星-9 已投入顿巴斯前线,在战斗中的表现达到了预期。

俄罗斯大力发展无人军用车辆和系统平台,除了天王星-9 之外,还有涅列赫塔人工智能无人平台、" 旋涡 "系统等等从 15 吨到 1 吨的多样化型号。

表 1:俄罗斯无人军用车辆和系统平台

基于丰富的平台,俄罗斯把他们投入实战进行验证,并给出了明确的无人化平台建军目标。

2015 年,俄军将一个带有实验性质的无人平台连投入任务,该连据称配备了 6 部大型履带式作战平台、4 部轮式作战平台,一个自行火炮群、一套遥控系统将为其提供支援,与之一道行动的还有多架无人机。每部搭载机关炮、机枪和制导武器的履带式平台都有自己的火力覆盖区。当时俄叙联军的目标是夺取拉塔基亚附近一处高地,战斗中,俄军无人机率先将战场信息传递给自动指挥系统,操作员则指引无人平台在距对方 100-200 米处发动反坦克导弹和机关炮密集齐射,并将坚固火力点的图像传输给后方自行火炮。同时叙政府军部队则在无人平台后安全距离负责清扫,因此战斗耗时 20 分钟就胜利了。

2021 年 5 月,俄军派遣 5 台攻击机器人前往指定靶场,它们在无人指挥的情况下自行完成了火力分配、目标分析,不但数分钟内摧毁 500 平方米内所有目标,还利用自身设备对火力覆盖区域进行了二次侦察和打击效果分析。数月后,俄军又在车里雅宾斯克地区测试了新研发的"标识器"无人作战平台。相对于天王星-9," 标识器 " 虽在吨位和武器方面略逊,但智能化程度却有了较大进步,据称"标识器 "运用了技术视觉、自助通讯导航、模式识别、自主机动和联动控制等人工智能领域技术。操作员只需发布目标指示,它就能自主判断最佳武器选择和最佳接近路线等细节。在本次测试中,多台"标识器"系统全程利用激光预警系统、热传感器和红外摄像识别与跟踪系统等各类传感和继承神经网络算法,完成了独立构建行军三维地图,识别路况,克服障碍,规划路线和速度等任务。其中轮式版"标识器"平台在 5 小时 41分钟内就自主完成了 40 千米越野行军和 60 千米泥土和硬质路面行军,并通过了和无人机的初步协调测试考验。

俄军多种无人平台无论实战运用水平还是技术从公开信息看都处于世界前列,由于它们大多具有模块化设计结构,因此能和多种技术装备快速配合。俄军表示,2025 年前其内部各类无人武器的装备比重将可能达到 30%,并专门成立多个较大规模建制的无人作战单位,其内部不同的平台也将各司其职。

在此次俄乌军事行动中,我们也再次看到,地面战仍然是达到军事行动目的的重要和必要手段。

而在地面战中,人员伤亡概率确实会显著提高。鉴于俄乌军事行动再次展现了陆战的危险性和复杂性,未来,无人化的地面军用系统有望迎来更快的发展周期。

美军定义的无人地面军用系统中,地面无人车辆是核心组成部分。无人车辆的定义是:能够在各种路面或野外环境行驶及执行某种任务但车内没有操纵者的轮式、履带式车辆,其最早的研究出于军事应用的需要,目前在军事、民用领域的应用研究都得到了大力的发展。民用领域中的研究主要侧重于在高速公路或一般道路上实现自主行驶,而军用地面无人车辆还应具备执行某种军事任务及在野外无路环境行驶的能力。

美陆军对于无人地面系统与技术发展非常重视,在地面无人车辆系统方面早已开始了长期规划布局和产业实践。美军认为无人地面系统将在未来地面战场发挥越来越关键的作用,而在后勤支援保障方面的应用更为现实、直接,发挥的效益也更为显著。为了推进无人地面系统及技术的发展,美国陆军系统地制定了多项发展规划,建立了较为完善的组织架构,对于无人系统的后勤应用也有着明确的目标。

① 早在2009年,美国陆军训练与条令司令部陆军能力集成中心和坦克车辆研发与工程中心就联合发布了《机器人战略白皮书》。该文件为如何更好地为士兵装备机器人提供了框架,将机器人可能完成的任务简单分成五个功能域:物资补给运输搬运、安全、工程、医疗和维修。

② 2010 年,美国陆军部发布了《陆军无人地面车辆战略》。战略文件确定发展以下 5 种模块化地面机器人能力:

士兵可携带的地面机器人:单兵便携式系统,比如可放置在模块化轻型携行具(MOLLE)中的小型机器人。

由组员共同携带的地面机器人:系统操作配置可被分成若干部分,分别由若干士兵携带。

车辆可运送的地面机器人:较大型机器人,必须由车辆运送到指定任务地点。

自主运输型地面机器人:能自己部署到指定任务地点。其尺寸、重量和速度取决于它支持的部队。例如,用于支持步兵旅战斗,并能由UH-60运输直升机运送的机器人,被叫做“士兵跟随者”,重量小于 2267.96 千克(5000 磅)。另外还有用于支持“斯特赖克”旅战斗队的“中型僚机”和支持重型旅战斗队的“重型僚机”。

附加系统:指附加到现有的有人驾驶车辆上,使之具备一定的无人驾驶能力的系统。这些附加系统可以使现有的有人驾驶车辆能够在遥控状态下行驶,或在监控状态自主驾驶,或完全自主驾驶。外骨骼系统也是一种附加系统,只不过它的使用对象是士兵。

上述每种机器人都采用通用平台,通过在该通用平台上加装不同的载荷和任务模块,使其能够执行不同的任务,比如简易爆炸物装置探测与清除、侦察监视与目标捕获、杀伤、货物运输、核生化(CBRN)与爆炸物探测、医疗、任务指挥,以及网络扩展等。

③ 在美军最新版本的《无人系统发展路线报告》中,美军希望无人地面车辆可以向前部署,无人货运系统在所谓“全光谱”(全天候/各种环境)操作中执行枯燥、肮脏和危险的任务,通过利用无人系统的持久性,解放载人资产,在一个操作区域内执行更困难的任务。而报告也列出了特别适合无人系统的任务:

在各种地面地形向前方部队运送日常用品(如食物、水、弹药和医疗用品)。

再补给来自位于海上的海基资产。

为特种作战部队提供支持。

为广泛分散的行动部队提供日常(24 小时)和即时(对时间敏感)后勤支持的替代交付选择。检查、去污、加油等日常维护相关任务。

物资处理和作战工程。

除此之外,目前受限于政策,但未来可能承担的任务还有伤员疏散和护理、物资人员回收和城市救援。当天气、地形、可用性和敌人构成不适当的风险水平时,无人驾驶车辆旨在通过减少操作有人驾驶车辆的要求来最大程度地降低风险。针对这些任务,美军也列出了无人地面车辆需要具备的抽象化能力。

关于这些抽象的能力,美军在路线图报告中披露了一个具体的演示实验。机器人协作技术联盟(RCTA)在 2014 财年进行了一个实验,过程可参见下图所示。该实验围绕着一个假想的警戒线和搜索操作:据报道,在一个小分队(即四至五名士兵)在城市过境期间,一名逃犯进入了该分队正在接近的一栋建筑。小队指挥官命令一个无人车辆机器人“守住后门”,因为他无法安全地分配他有限的资源。机器人必须理解任务,将命令与感知到的环境联系起来,安全地移动到适当的有利位置,观察建筑物后面的活动,并向单位指挥官报告任何重大事件。根据需要,它进入建筑物,并通过楼梯或其他方式移动,越过障碍。然后它返回到它的单位,保持态势感知,并为另一个任务做好准备。虽然这种叙述发生在警戒线和搜索行动的背景下,但它体现的潜在能力证明其支持更广泛的任务。

④ 在美国陆军的《2015-2040 机器人和自主系统战略》构想报告中提出,未来陆军远征机动部队将通过运用无人系统和自主系统能力,能够远程“看见”( 战场),施行远距离作战,共享态势感知,促进达成跨所有梯队的作战理解,在实施广泛分散的作战行动的同时保持相互支援,与友军取得并保持联系,以创造有利于友军的战场条件,即使在作战区域最边缘,即使在争夺激烈的交通线上,也保持高作战节奏,建立并维护广域安全。

从行驶能力角度,军用地面无人车辆的发展可分为遥控车辆、自主车辆、智能车辆 3 个阶段。遥控车辆是军用地面无人车辆的起始发展阶段,其研制时间长,技术较为成熟,目前许多国家的部队中都装备有各种不同的遥控车辆;自主车辆是当前军用地面无人车辆的研究热点,世界各军事强国均确定了自主车辆的发展规划,并研制了大量的原理样车,自主车辆的系统结构复杂,研制技术难度大,目前还处于研制实验阶段,距离大面积装备部队投入实用还有一定时间;智能车辆是军用地面无人车辆的未来发展方向,其目标是在自主车辆的基础上提高车辆的智能和机动性,增强车辆通过各种复杂地形的能力和针对大范围环境中有效机动的能力。美军提出这些环境可能包括被投掷或发射、爬山或爬楼梯、跳跃和直立着陆。提高这种能力的技术主要是自主控制、传感器和避障算法。

军用无人车辆的自主导航的能力在很大程度上取决于其感知系统的准确性和鲁棒性,该系统应该尝试创建其环境的准确模型。在目前的技术条件下,设计一个能够应对各种环境的感知系统是非常具有挑战性的。为了限制这一问题,目前最先进的地面无人系统从一开始就被设计为在假设的环境中运行。如果这些假设是正确的,地面无人系统通常会有效地运行。然而,当情况与假设不同时,地面无人系统将无法按预期运行。为了缓解这个问题,最好有一个能适应各种环境的感知系统。为了能够适应,无人系统必须了解其环境的变化,识别理解背景的一种可能方法是对视频图像进行分类。

从公开信息判断,我国的军用无人地面系统发展从全球看同样是比较领先的。2017年,国防部放出的“中国人民解放军英文介绍宣传片”对外展示了解放军陆军无人驾驶技术军事应用。片中素材取自解放军和地方院校联合举办的2016年“跨越险阻”地面无人平台挑战赛。其中部分装备为民用汽车改型而来,部分装备为军用传统车辆平台改进而来,部分装备为全新研发的无人载具。

以传统装备为例,如片中展示了陕汽 8 轮驱动重型载具,该车型在 2016 年被确定为解放军 10 吨级“第三代通用军车”。这款陕汽通用军车在研发之初就确定了传统动力和插电式混合动力的两大车族技术状态,并参加了 2016“跨越险阻”地面无人平台挑战赛的陕汽无人驾驶技术平台,该平台为搭载传统动力实时 8 轮驱动车型。而采用增程式混合动力版本处于研发状态,该车型从研发层面就集成了无人驾驶和智能控制模块和外接第三方协议升级接口。

片中展示了多款不同驱动结构、载荷和战术应用的无人驾驶军用载具:

其中 4 轮驱动无人驾驶侦查载具,与美军早些时候测试的“骡子”6 轮驱动柴油动力无人驾驶、智能控制运输载具结构相似。其中较大体型、具备较强通过性的全电驱动无人驾驶载具,不再局限于后勤物资的输送任务,而是可以发展为承担深入前沿进行声光电信号侦查任务的版本。而铰接式 8 轮驱动无人驾驶载具,既可串联成一款大型载具,又可单独分割成 2款小型载具。战场智能输送车,虽然单车载荷小,但是理论上可以进行多达 4 套或更多载具编队使用的战术。

采用特殊悬挂架构的 6 台轮毂电机全电驱动无人驾驶载具,具有更强的地形适应性。美军也研制了类似的后勤支援保障平台,例如洛克希德·马丁公司资助研发的班组任务保障系统(SMSS)平台,该车在 AUSA 2006 展会上亮相,SMSS 旨在通过在未铺砌的道路和越野地形上运输他们的设备,物资,武器和弹药来减少 9 至 13 人的小队或团队的负担。SMSS采用六轮两栖“地面驯服手”(LAND TAMER)平台,可携带 544 千克货物。该无人车在美国国内参加了一些试验和开发活动(包括陆军远征武士实验)后,获得了部署的批准。

2011 年被美国陆军快速装备部队选中,在阿富汗进行为期三个月的军事效用评估(MUA)。

微型履带式全电驱动侦察载具,既可成为反恐防爆机械手臂,又可成为城市反恐防爆,甚至城市巷战的工具。橡胶履带行走机构与全电驱动单元,在保持行动能力的同时,将己方的动力和行走机构产生的音噪降至与背景环境噪音等同,履带式行走机构可满足复杂路况通过性。

适当的配置可搭载 7.62mm 口径、5.58mm 口径班用机枪及少量备弹的 38mm 口径自动榴弹发射器。而基本的声光电型号收集系统,可以延展成适用范围更宽的情报侦查载具。

我国地面无人系统的技术和产品储备呈现谱系化、多样化的发展态势,参与的产业机构也横跨军民市场,包括一汽、陕汽、中国兵器等众多单位。在 2020 年 “央视军事”发布的一段我军近日举行的多兵种联合立体渡海登陆演练的视频中,展示了多款无人地面装备,包括无人快艇在岸边抛撒出大量弹药,清除水中的障碍物的场景。从演习的情况看这次的无人载具应用场景更加贴近实战,这或是我军极其少见的在同一场演习里展示如此多的无人车辆和无人快艇,是我军在自动驾驶技术上长期积累结果的展现。这些无人车辆和水面载具,既有遥控的,也有利用 AI 技术自主行驶的,或者是两种技术相结合的,其中依靠 AI 技术自主行驶的技术难度更大。而中国在这方面的技术得益于庞大市场的民用无人驾驶产业发展,有望保持在全球的第一梯队。

除了官方的宣传和演习视频之外,我国多个军工企业在防务展上也展出了众多的地面军用平台。

比如多次在国内外防务展上出现的北方工业公司的外贸产品 Watchkeeper“守望者”(也有报道名称为“尖兵”),平台配置 UW1 型遥控武器站,配备 1 挺 7.62 毫米轻机枪和两枚 80 毫米反坦克火箭弹发射装置。车上还有高度集成化的传感器桅杆系统,安装有光电/红外传感器、高清日光摄像机、热成像仪。除此之外,中国企业在防务展上还展示过部署于班排单位的“锐爪 1 型”和大型的 VU-T10 履带式地面无人作战平台等等。基本涵盖了全部的主流类别和规格。

在 2022 年上海的疫情中,为了缓解极大的物资配送压力,无人车辆也第一次大规模的参与城市物流作业,并前所未有的在人口千万级别的超大型城市物流中成为重要组成部分。

由于军用无人车辆涉及技术广泛,且市场空间可观,一些上市公司亦披露了与产业相关布局的信息。如海格通信,在年报中披露,在无人系统方面,已签订首个无人系统科研项目合同;在“跨越险阻 2021”陆上无人系统挑战赛中所参加科目全部进入前五;在空军“无人争锋”智能无人机集群系统挑战赛中获得一项第二名;参加武警“智卫杯”无人系统挑战赛并获得后续参与无人项目竞标的资格。

在无人通信方面,联合多家优势单位获得在陆上无人系统挑战赛参赛项目全部入围的优异成绩;在智能化核心部件方面,某自动识别和跟踪技术入围某机构用户预研项目,是任务系统智能化应用的首次突破,进一步巩固了公司在无人系统及通信领域的竞争优势。今年 2 月,公司公告拟以自有资金 9 亿元投资设立全资子公司广州海格天腾产业发展有限公司。海格天腾将提供公司无人系统等相关新兴产业所需的物理空间平台,实现公司产业基地的有效落地和高效运营。

目前,针对军用无人车辆的采购公开信息较少。2019 年,美国陆军向通用动力陆地系统部门签订了一份价值 1620 万美元的合同,采购 624 辆小型多功能运输无人车。而根据欧洲研究机构在《2031 年全球无人地面车辆市场》分析报告中的预测,从 2021 年到 2031 年,全球军用无人驾驶地面车辆(UGV)业务的总价值将增至 107 亿美元,UGV 市场将以年均 4.3%的增速发展。报告称,在维和任务和全球持续的反恐斗争中,UGV 已被证明极为有用,并正在情报、监视和侦察的作战任务和功能中找到用武之地。预计未来 10 年中,作战 UGV 将成为军用 UGV 最大的市场领域。

军用无人车辆产业距离大放异彩还存在一些技术挑战。以俄罗斯军用大型履带式平台在叙利亚的实战发挥为例,该装备受制于安全距离,往往难以在 500 米外接收终端指挥信号,其观瞄和热成像系统也存在问题。故该平台就难以在远距离有效发现目标,甚至可能因信号延迟而错过命令。

以天王星-9 为例,它的控制模式主要包括有线控制、微波直控、卫星通讯控制和人工智能直接决策行动。但以目前战事情况来看,俄军难以实现有线控制,其现有技术也难以满足人工智能自主决策需求,而平台上也难以安放较大孔径的卫通天线,故俄军只能用微波直控这种相对容易实现的简单技术指挥天王星-9。而在叙利亚期间,履带式平台就曾因微波信号中断而 17 次延迟行动,究其根本,都是脱离了视线范围或遇到复杂地形所致。理论上无人机高空协调可解决此难题,但无人机通信的战场抗干扰能力也是一大挑战。

针对产业快速发展需要解决的技术问题,2042 年美国军用无人系统路线图指出了 19 项需要近远期发展的关键技术,包括机器人技术、开放式体系架构、自主和建模仿真、机器学习、人工智能、尺寸重量与功耗/小型化技术、集群能力、增强现实、虚拟现实、传感器技术、防撞技术、引领-跟随技术、GPS 拒止解决方案、网络弹性和稳健性、信息安全解决方案、增加网络和频谱容量、人机接口、自主数据策略调整技术,是美军未来重点发展的关键技术。

总之,无人化是未来陆军和陆战体系中的核心组成部分,其作用和地位也将越来越突出,其军用应用场景也与民用场景存在部分重叠,随着技术和需求方认知经验的发展,军用无人车辆或无人系统有望获得巨大的发展前景,值得持续关注。

无人化是未来陆军和陆战体系中的核心组成部分,其作用和地位也将越来越突出,而军用应用场景也与民用场景存在部分重叠。据《2031 年全球无人地面车辆市场》预测,从 2021 年到 2031年,全球 UGV 市场将以年均 4.3%的增速发展,预计未来 10 年中作战 UGV 将成为军用 UGV 最大的市场领域。随着技术和需求方认知经验的发展,军用无人车辆或无人系统有望获得巨大的发展前景,值得持续关注。

需求释放进度不及预期:军品销售依赖于军方的采购,由于国防军工政策的不确定性,可能导致需求不及预期。

技术研发进展不及预期:新型武器装备系统复杂,涉及多个技术领域,技术要求高,研发难度大且周期长,其实际的研发进度可能低于预期。

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