以智能为核心的无人机系统课程体系设计

牛轶峰　贾圣德　李杰　王祥科

摘要：国内外无人机系统的快速发展对无人机系统专业人才的需求越来越迫切。文章针对无人机系统“自主性”这一典型特征，结合我国发展现状和大学实际，建立以智能为主线和以OODA（观察一判断一决策一行动）为环节的无人机系统课程体系并对课程体系的实施提出建议，为智能无人机系统领域高素质创新人才的培养提供参考。

关键词：智能；无人机系统；课程体系

1背景

无人机具有机动性强、适应能力高、续航时间长、无人员伤亡、制造/训练/维修成本低等独特优势，可以代替人执行“枯燥的、恶劣的、危险的、纵深的”任务，已成为现代战争的“千里眼”和“杀手锏”。无人机系统是机械化和信息化高度结合的产物，通常包括无人机平台、任务载荷、通信系统、控制站、发射与回收、保障运输等分系统，其与有人机系统的最大区别在于不需要人在座舱内进行操作。进入21世纪，无人机系统的使用需求和任务能力发生新的变化，需要应对多机协同以及提高自主决策能力的挑战，从自动化技术开始向智能化技术方面发展，一方面要具备自主行为，另一方面要实现“无人/有人、无人/无人”的协同使用。要使无人系统实现自主与协同的功能，必须有人工智能技术的支持，这是由于无人系统要代替人执行各种任务，而这些任务本身需要一定的智力敏锐性，因此无人系统只有在某种程度上具有人的智能，才能模拟人的行为完成既定任务。无人系统是人工智能技术最典型也最为集中的应用对象，无人系统对环境的理解、行为决策、路径规划、集群控制等问题以及人工智能的模式识别、问题求解、专家系统、多智能体、机器学习等理论与方法提出新的挑战。

我国无人机种类和数量都在快速增长，对无人机系统人才需求日益强烈，要求不仅能够熟练操控无人机，还能对无人机系统涉及的信息获取、处理、决策与控制等环节深刻理解和运用。只有理解并掌握无人机系统中所使用的各项先进技术，才能充分发挥无人机系统的最佳性能。

2国外无人机系统人才培养现状及发展趋势

作为世界上无人机系统发展水平最高的国家，美国无人机的列装规模、技术成熟度以及研发投入均已经增长到可与有人机相匹敌的程度。美国国防部在无人机系统近5年（2011—2015年）拨款总额高达300亿美元，截止2013年7月，其采购的无人机数量已达10000余架之多，涵盖从单兵到旅团的多个装备层次，相应无人机系统的专业人才数量已超过战斗机和轰炸机相关人员，这种差距呈现加速扩大的趋势。预计2030年左右，无人机作战使用人员将占到份额的绝大多数。

2.1美国无人机系统专业人才培养现状

无人机装备数量和性能的快速提升与高素质人才短缺之间的矛盾日渐突出，无人机专业人才数量的短缺和水平的不足开始严重制约无人机作战效能的发挥，已引起美国国会的高度重视。如何完善无人机领域的人才培养体系，教育和训练出高素质的无人机领域专业技术人才和指挥人才，成为最近几年美国国会关于无人机领域的重要议题。

1）大规模多类型无人机系统的快速列装急需培养大量的无人机工程专业人才。

进入21世纪以来，无人机在以伊拉克战争、阿富汗战争、利比亚战争为代表的实战中得到空前发展。无人机投入实战应用主要有3种方式：第1种是单兵装备，如“大乌鸦”手抛式无人机配备到士兵一级；第2种是为执行特定任务单独成军，如先后成立于2002年和2004年的“捕食者”和“全球鹰”无人机中队；第3种是混合编制，如海军的“X-47B”无人作战飞机未来将与“F-18”“F-35”等舰载战斗机混合编队实现协同作战。后两种形式装备对专业人才的需求更为突出，如一个“捕食者”无人机系统由4架带传感器和数据链路的无人机、1个地面控制站、1个“捕食者”主卫星链路、地面保障设备和65名机组人员构成。美国空军为保障MQ-1“捕食者”、MO-9“死神”无人机的65条24小时空中战斗巡逻圈（CAP）的任务需求，2017年将增加到19 500名无人机操作和维护人员，但这种人才短缺情况到了近两年仍然未能明显改善。2015年，美国政府问责局（GAO）对空军无人机部队训练的7个抽样表明，由于无人机操作员的缺乏，这些部队只完成了原计划35%的训练任务；陆军情况更加严重，大部分没有完成基本训练任务。

2）人才培养体系呈现多岗位、多装备、多基地、多生源、多层次等特点，不同军兵种培养体系相对独立，缺乏联合作战的通用性基础。

美国各军种对当前无人机的任务需求、装备现状及隶属关系要求不同，因而造成现有对无人机专业人员的培养是松散的，其体现在学生来源、任职安排、培养流程等方面。美国空军装备有多型中高端无人机，用来执行情报侦察、远程打击等复杂使命任务，需要的相关岗位众多，如RQ-4“全球鹰”无人机任务控制单元的机组成员就包括任务控制官、指挥控制员、任务规划员、通信操作员、情报分析员、维护技师等，MQ-1“捕食者”包括飞行、传感器、常规数据分析、任务规划、通信等多个岗位。空军对相关人员的培训主要在伦道夫基地和拉克兰基地展开，原则上要求无人机操作员候选人必须是有人机飞行员或是具有联邦航空局商业飞行执照和仪表飞行等级资格的导航员或已停飞的飞行员。相比其他军种要求飞行操作员需要是有人机飞行员出身，陆军不作此项要求。无人机主要的RQ-11“大乌鸦”在乔治亚州本宁堡的陆军最佳机动中心开展训练。

2.2美国无人机系统专业人才培养的发展趋势

进入21世纪10年代以来，以人工智能为代表的一大批新技术的不断变革，促进战争模式向精确化、信息化、智能化联合作战为主导的新型作战模式转变，同时也对无人机系统专业人才培养提出新的要求。

1）为支持多种类型无人机系统联合作战，对人才培养的深度和广度提出更高要求，需要加强院校学历人才的培养。

美国每种无人机系统都有专门的训练项目，这就使得无人机系统操作员缺乏战场交互操作能力，各机型操作员无法操作别的无人机系统，无法实现协同作战，这对操作员个人的知识结构和理论深度提出极高的挑战。美国国防部指出由于技术、战术与规程（TTP）不断发展，无人机操作员除了接受专门的训练，其培训的内容深度还要能够支持某军种的任务，训练的广度要允许操作员融入联合作战环境。采用基于院校的通用化学历教育培养方式，将通用教育和岗位教育相结合，使无人机操作员既具备最初的任职资格能力，又要有提升空间，具备很强的岗位适应能力。目前，美国已经大约有100个学院和大学开设无人机相关培训课程。安柏瑞德航空航天大学在2012年开始无人机操作员培训。美国海军研究生院也设立了航空宇航工程专业，为美海军无人机人才培养提供一定支持。美空军无人机飞行员和操作员主要由飞行员转任，这些飞行员大多毕业于美国空军学院（USAFA）。

2）不同无人机系统培养内容在基本原理和基础知识上存在共性，在使用方式、使命任务等方面则具有不同特性，需要统筹好拓宽知识结构与精通实践运用的关系。

潜在的无人机训练需求规模庞大，装备无人机多样化，适用于所有无人机操作人员的通用核心课程和装备实践分开的方式，可以在显著提高训练数量和质量的同时，减少成本和时间周期的代价。美国空军、陆军、海军以及海军陆战队按照区分共性与特性的原则，将无人机操作人员培训合理地分成2个阶段：第1阶段对操作人员统一进行通用核心课程教育和模拟器训练，拓宽学员知识结构；第2阶段再针对装备的特性分不同基地进行深入实践，紧贴作战需求，学以致用。

3）智能化程度的提高成为各国对无人机系统能力跃升的共识，与以机械结构为对象、屏幕界面为主导的传统操作方式相比，更需要操作员懂得信息处理、博弈决策、智能规划等内在原理。

未来20年内，自主能力将会得到飞跃式提升，从而缓解“链路丢失”的情况，同时保证忠诚僚机能够完全与有人机、遥控驾驶飞行器（RPA）以及其他小型无人机系统（SUAS）集成。此外，半自主作战将会改变集群与多机控制（MAC）的有关概念，使一位操作员能够为战场空间内的多架SUAS分配任务并进行管理。“随着自主能力的加速发展，需要加快利用观察一判断一决策一行动（OODA）回路，更快地向决策者提供关键信息；在未来应对高科技敌手的作战任务中，这将是一种非常关键的手段”。美国防部文件3000.09指出，美国空军在继续规划“人在回路中”操作的同时，应当着力提高自主能力，通过多机控制降低对人力的需求。

3我国无人机系统专业人才培养体系构建

3.1我国无人机系统专业人才培养现状分析

我国无人机系统正处于快速发展阶段。在民用无人机方面，诸如“大疆”“零度”等消费级无人机迅速崛起，据报道无人机数量已超过10万架并迅速抢占国内外市场；军用无人机方面，如“彩虹”“翼龙”“翔龙”“利剑”等高端无人机性能也不断提升，开始承担侦察甚至攻击任务。目前，无人机的使用发展呈现以下趋势：①未来将逐步替代有人机执行情报、监视和侦察（ISR）任务；②实现从信息支援类无人机向火力打击无人机发展；③以发展通用平台为基础，向模块化和互操作方向发展；④无人机系统向更高的自主能力发展，实现“人在回路上”监督控制；⑤从独立使用向有人一无人协同、无人机集群使用发展；⑥从传统的航空空间向临近空间发展。

随着我国各种中高端无人机系统的大量快速应用，无人机数量和性能的快速提升与高素质无人机专业人才短缺之间的矛盾日渐突出。目前，无人机设计制造、指挥控制、任务规划、情报分析、维护保障等无人机工程专业人才数量的短缺和水平的不足，已开始严重制约无人机系统使用效能的发挥，同时察打一体无人机、无人作战飞机等高端无人机的人才培养需求越来越大，特别在联合作战背景下，适应无人一有人协同作战的人才培养也十分紧迫，为此在综合型大学开设无人机系统专业已经势在必行。

目前，国内航空类院校如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等已开设无人机相关专业，培养无人机系统领域设计、制造和使用专业人才，但这些专业分散在各学院的相关学科，未进行有效整合。军事类院校如空军工程大学、军械工程学院、陆军军官大学等开设了无人机运用工程等专业，培养无人机领域的指挥、控制和维护人才，但还无法满足实际应用的需要。一些职业院校如天津现代职业技术学院、西安航空职业技术学院等开设了无人机应用专业，主要进行无人机“飞手”的任职培训，培训合格的人员可获得无人机驾驶员或机长的资格证书。

总的来说，目前对无人机系统的认识还停留在机械化平台阶段，并未进入信息化系统，更不要说智能化体系阶段；对无人机的应用主要是“能飞会用”，还缺乏对原理的理解以及对无人机的感知、规划、控制等自主系统的认知；对无人机的发射回收和维修保障还停留在大量人力需求上。为适应多种无人机协同使用及融入有人机融合空域的需要，必须加强无人机专业人才培养的深度和广度。虽然不同无人机的使用方式和使命任务各具特点，但是其原理和基础知识基本相同，因此需要突出无人机系统的信息化和智能化特征，构建出以智能为主线的无人机系统专业课程体系，培养无人机系统领域的新型高素质创新人才，服务于我国国民经济和国防领域无人机系统的发展。

3.2以智能为核心的无人机系统课程体系构建

2014年，国防科技大学紧贴我军装备由机械化向信息化和智能化方向发展的趋势，依托控制学科、机械学科和仪器学科，在自动化专业试办开设无人机工程专业方向，目标是培养掌握无人机工程相关领域基础理论和基本知识的学员，使其具有无人机和无人系统及相关装备的分析、设计、研制、维护、管理等方面的实际工作能力和初步科学研究能力；在研究生阶段面向全校开设“无人作战”军事公共课，在继续教育阶段开设“无人作战系统”专题课程。目前，我们试办无人机工程本科专业方向，已成功培养3届本科学员。无人机系统研究方向培养的研究生扎根边疆海岛无人机部队，已成长为单位骨干；培养的地方研究生走入地方企事业单位，也能一展拳脚，受到用人单位的好评。

针对无人机系统“平台无人、系统有人”的典型技术特征，我们加强智能科学与技术在无人机系统专业中的地位，以不断加强学员对无人机系统的自主性理解与认识；课程体系设计上，以智能为主线，综合考虑各个学历层次的课程设置；按照“夯实基础、瞄准前沿、强化实践”的思路，面向本科生、硕士生、博士生、继续教育4种层次的高素质新型军事人才培养需求；按照学科交叉原则，在控制科学与工程学科，结合机械工程、仪器科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术等学科课程体系，系统梳理无人系统知识体系和能力结构，突出智能相关课程的主线地位。以人工智能为例，教师可在本科阶段开设人工智能导论，重点放在基础理论和基本方法上，激发学生对人工智能的学习兴趣，主要内容包括问题表示、搜索技术、知识表示、推理技术、专家系统等，同时让学生了解机器学习、进化计算、多智能体等发展动态；硕士阶段设置人工智能基础，重点放在实践能力的培养上，主要内容包括分布式人工智能与Agent、自动规划、机器学习、知识发现、自然计算等；博士阶段设置人工智能高级专题，重点放在创新能力的培养上，主要内容包括高级知识推理、认知计算、数据挖掘、智能控制、人工生命等方面。

教师还可按无人作战特有的“观察—判断—决策—行动”（OODA）回路设置课程模块，开设无人机环境感知、无人机任务规划、无人机飞行控制、无人机协同控制、无人机系统作战运用等相关课程，涵盖无人机系统技术领域的基础课程、专业课程、专题研讨和前沿讲座，实现“本—硕—博—继续教育”各层次贯通、“基础—实践—前沿”合理搭配、“无人平台—无人系统—无人体系”相互衔接、“关键技术—工程应用—实战运用”有机融合。我们还引入全国研究生暑期学校、MOOC在线学习平台和传统教学模式相结合的多种教学样式，主办机器人与无人系统、无人系统协同控制、导航技术等6期智能无人系统全国研究生暑期学校，令上百所高校和科研院所的500多名学员受益。

总的来说，以智能为主线，以OODA为环节，教师可在本科阶段设置如下无人机系统专业课程。

（1）大类基础课程模块：控制基础、机械基础、传感测试、电工电子、计算机基础和人工智能基础。

（2）专业（基础）课程模块：

◇无人机平台（无人机系统概论、空气动力学、无人机平台设计与制造、自主起降与发射回收）；

◇智能感知（图像处理与环境感知、目标识别与态势理解）；

◇自主控制（自主导航原理、无人机飞行控制、精确制导与控制、自主决策与协同控制）；

◇任务规划（无人机任务规划、对策论与运筹学）；

◇通信与测控（通信系统与数据链、网络化测控）；

◇指挥控制（空域集成与运行管控、无人机系统作战运用、反无人机技术）；

◇综合保障（无人机状态监控与故障诊断、无人机综合保障技术）；

◇综合实践（无人机系统设计与综合实践、无人机飞行训练与综合演练、生产企业实习、基地训练实践）。

3.3无人机系统专业课程体系实施建议

（1）面向需求，因材施教。不同院校的定位不同，无人机专业课程侧重点不同。高等院校需要加强高端无人机系统技术人才的培养，综合性军事大学要加强无人机工程专业建设，军兵种院校要加强无人机战术运用专业建设，无人机相关企业要加强高素质工程师的培养。

（2）突出智能，服务应用。面向无人机专业的本科、硕士、博士、继续教育等各个层级的人才培养，均要突出智能在人才培养的核心地位，深刻理解是“智能”赋予无人机“灵魂”。针对不同层次，讲授不同的内容，做到前后衔接，逐级深入，为不同的无人机应用服务。

（3）体系思维，人机协同。在人才培养过程中，培养具备大局观的专业人才，要让学生理解无人机系统是信息网络和作战体系中的一个节点，既从体系中获取信息，又为体系提供信息。无人机要想发挥好效用，必要做到人机协同，实现人机智能融合；必须做到多平台协同，发挥规模和成本优势。

（4）实践引领，注重创新。无人机系统和智能机器人一样，是一个多学科交叉融合和实践性很强的一门专业，必须培养既有深厚理论基础，又有较强动手能力的专业人才；在无人机OODA各个环节的课程设计上，都要对各个层次人才加强创新能力和创新意识的培养，提高创新水平。

4结语

笔者结合国内外无人机系统专业人才发展的需求，提出以院校为主体的学历教育人才培养模式；根据无人机系统提高“自主性”的典型特征，提出以“智能”为主线的无人机系统专业方向的课程体系；根据不同院校定位和学历层次，提出不同的实施建议。本文的研究可为我国无人机系统领域高素质创新人才的培养提供参考。

（编辑：宋文婷）