导弹武器的智能分级及特征

樊会涛, 张同贺, 张 良

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009； 2.航空制导武器航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009)

0 引 言

技术是推动战争形态变革的源动力，每一次技术上的突破都会带来战争形态的变革，如图1所示。火药的发明催生战争由“冷兵器”转向“热兵器”时代，这是对人类力量的扩展； 工业革命的发展催生出“机械化”时代，这是对人类运动能力的扩展； 以信息化和网络化技术为主体的科技革命则推动了战争由“机械化”向“信息化”变革，催生出“千里眼、 顺风耳”，这是对人类五官感知能力的扩展； 信息化的高度发展使得海量信息和大数据随之产生，人工智能、 云计算、 万物互联技术快速发展，推动着战争从“信息化”转向“智能化”时代，这是对人类大脑能力的扩展。

伴随着战争形态的变革，作为打击节点的导弹武器该如何发展？导弹的本质是拳头的快速延伸、 能量的精准投送。现代战场态势高度复杂、 攻防对抗激烈，而处于对抗之中的人，是不能用规则约束的，这就使得传统基于规则设计的算法难以有效遂行任务。人工智能技术在海量数据处理方面具有显著优势，它的学习、 推理能力能够应用于导弹系统的攻防博弈对抗，因此，为确保复杂环境下的作战效能，导弹将会是率先应用人工智能的武器装备，导弹武器“智能化”是必然趋势。

既然导弹武器智能化是技术发展的必然，那么应该如何评价导弹的智能水平？导弹的智能水平怎么分级? 智能导弹的能力特征是什么? 实现这些智能能力的关键技术又是什么？这些问题的研究是智能导弹研制的基础性问题。

1 导弹的智能水平分级

1.1 智能导弹的概念与内涵

智能的本质是古今中外许多哲学家一直在努力探索和研究的问题，它是“智力”和“能力”的集中表现。达尔文的进化论指出，“物竞天择、 适者生存”，智能体必然是为了达成某个目标，不断适应环境，成长进化，从而赢得竞争优势。智能导弹的内涵可以由智能体类比中得出，即为了精确打击目标，不断成长进化，根据对环境的认知自主生成合理的系统策略，从而适应复杂的作战环境，实现作战任务。

图1 战争形态变革示意图

结合导弹的作战使命和信息流工作原理，将智能导弹系统定义为： 能够对弹载传感器和体系数据进行综合分析处理与判断，根据对环境的认知，自主生成合理的系统策略，从而实现对目标的探测、 识别、 跟踪与精确打击的系统，如图2所示。

图2 智能导弹概念框图

1.2 导弹武器的智能分级

通常用智商来评价一个人的智力、 能力水平，而决定智商高低的核心则是大脑。那么，决定导弹“智商”的核心是什么呢？显而易见，是算法！正如形容一个人智商高，往往会说其脑子聪明，形容导弹抗干扰能力强, 常常会说其抗干扰算法设计得好。可以说，算法是人工智能的灵魂，从本质上决定了导弹的智能水平。

人工智能这一名词自1956年被提出后，各种相关算法就层出不穷。本文不拘泥于具体的种种算法，针对复杂攻防博弈对抗环境的导弹智能能力需求，以能否直接从数据中实现认知决策能力为划分原则，基于算法的设计原理和导弹武器的研制特点进行导弹的智能等级划分。将导弹的智能水平划分为初、 中、 高、 超四个等级，如图3所示。

图3 导弹智能分级框图

1.2.1 初级智能导弹

基于逻辑规则进行判断。该等级导弹不具有生命体特征，它是“死”的，一经确定，能力即固化，即“规定什么, 就是什么”。它将人对问题的理解转化为导弹能够执行的逻辑与规则集合。

人的知识包括理性知识、 感性知识等，能够用规则清晰表达的少之又少，各种阈值的设置也远比不上人的灵活性，特别是抗干扰问题并没有标准的知识模型，这就决定了基于“规则”的算法难以达到人的认知水平。

1.2.2 中级智能导弹

基于逻辑规则和被动学习的特征进行判断。增加了基于数据的被动学习算法，即在初级智能导弹“规定什么，就是什么”的基础上，对于无法规则化描述的场景，能通过线下被动学习, 自动从数据中学到特征，具有一定的类比能力。

虽然目前深度学习算法在图像处理等领域已取得了惊人成绩，但大脑的神经元非常复杂，现今用的神经网络都只是简单的模拟，典型代表如图4所示。目前的卷积神经网络，还存在不可解释和易被欺骗的脆弱性，在某些方面与人类的认知还存在较大差距。

1.2.3 高级智能导弹

基于数据进行判断。该等级导弹具有了一定的生命体特征，并具有在线主动学习能力，能够利用数据挖掘出有价值的信息，即在中级智能导弹“被动学习”的基础上，还能在线“主动学习”，具备一定的“思维”能力。

复杂攻防对抗环境下的抗干扰、 反隐身等问题并没有标准解，难以用准确的知识模型描述，而数据是包罗万象的，可以从中探索出小到原子、 大到整个宇宙的奥妙，一切知识、 规律等皆可从数据中学到。如果设计的算法能够在理性原则上与大脑“神似”，就可从数据中通过主动学习直接形成认知决策能力。

图4 典型卷积神经网络结构示意图

1.2.4 超级智能导弹

基于遗传的知识和数据进行判断。该等级导弹具有了完全生命体特征，弹上算法由云端根据战场态势和任务推送，可在线学习进化，实现弹间能力共享。

智慧云端类似于导弹的基因库，存储了导弹在历史仿真、 试验、 实战中获得的有价值的数据、 知识及各种算法模型。正如生命体引入了遗传信息，各种生物的进化成果都在基因之中体现。超级智能导弹的初始能力来自于云端，后天通过自身和体系信息来认识环境，自主进化，并将自身成长信息反馈至云端，即时共享，择优遗传“后代群”。

2 导弹武器智能能力特征

结合前述初、 中、 高、 超四个等级的智能导弹定义，不同等级智能导弹能力特征描述，如图5所示。

图5 四个等级智能导弹能力表现框图

2.1 初级智能导弹能力

具有先验的目标识别、 跟踪和打击能力，可以应对已经存在且有了认知的一般环境。由于规则表达的局限性及没有学习能力，有感知、 能识别但智能、 协同能力不足，现阶段导弹大多处于初级智能水平。

2.2 中级智能导弹能力

具有自动的目标识别、 跟踪和打击能力，具有经过学习的感知、 认知决策能力，智能、 协同能力明显提升，对于模式复杂的战场环境也具备了一定的适应能力。它能够通过被动学习提取复杂高维特征，但是并不产生新质增量。中级智能导弹是近期的研究重点。

2.3 高级智能导弹能力

具有自主的目标识别、 跟踪和打击能力，对复杂环境具有完全智能感知、 认知决策能力，可智能构建弹群形态。它具有“吃一堑、 长一智”的能力，能够通过对过往成功或失败信息的利用以及当前环境的认知判断，生成新质增量能力。

2.4 超级智能导弹能力

具有自主进化的目标识别、 跟踪和打击能力，能够适应各种复杂作战环境，达到甚至超越人类的智能认知决策和协同能力。它的学习能力代际相传、 不断进化，自主积累关于环境的数据与知识。导弹群体已具有信息基因的遗传能力，通过云端形成了高度协调配合的社会化组织形态，一切新增的有效感知、 认知决策策略都会即时共享。

3 关键技术

导弹武器走向智能化是技术发展的必然，需围绕人工智能“数据、 算法、 算力”三要素、 导弹武器作战场景特点和各等级智能导弹内涵，通过阶段性重点突破和持续研究，攻克以下四项关键技术。

3.1 高拟真度数据生成技术

从初级到超级智能导弹，其能力的实现都离不开数据支持，算法被赋予大数据之后，其灵魂才真正“活”了起来，好的数据集需具有全样本性和真实性。当前民用智能快速发展的关键就是大数据的支持，而这恰恰是导弹算法设计所欠缺的。一方面，数据不可能覆盖全面，这就失去了全样本性； 另一方面，试验、 靶试的数据与对敌作战场景存在一定的差异，这就失去了真实性。因此，如何在真实数据不足的情况下高拟真度生成数据，是智能导弹研究的关键。现阶段可利用多型产品实测和仿真数据，基于敌方目标、 干扰特性的分析结果，通过生成式对抗网络(GAN)将产品实测和仿真数据融合，生成更加接近真实目标特性的数据，在大幅丰富数据来源的同时提高数据的拟真度。

3.2 弹载轻量高效神经网络模型技术

算法是人工智能的灵魂，更是决定导弹智能等级的关键因素。目前国内外见于报道的导弹均未达到中级智能水平，基于数据的被动学习算法还处于研究的初级阶段，也是现阶段研究的重点。

导弹“能量密度”和“时敏”的双重限制对算法规模和资源消耗提出了苛刻约束。要求算法必须在保证学习能力的同时，具有“轻量高效”特点，提升对资源的利用效率。基于此，现阶段研究的关键便是设计出快速、 高效提取输入对象高层次、 多维度特征的神经网络模型。不同于民用场景友好、 数据量大、 信息完备，针对导弹作战场景存在博弈对抗、 环境复杂多变等特点，有必要在现有民用领域相对成熟神经网络模型基础上，经过专门的研究改进和设计，提高算法鲁棒性。同时，寻求高性能、 轻资源的神经网络模型技术途径，降低对能耗的需求。

3.3 低功耗高算力硬件技术

要想实现算法的弹载应用，必须解决“功耗”和“实时性”问题。从初级到超级智能导弹，其能力的实现均离不开高算力硬件的支持。现阶段该关键技术研究可以从三个方面开展： 一是DSP等处理器与神经网络的大规模并行运算不匹配，GPU虽然拥有大量的核，但其无法实现细粒度并行优化，对于高帧频导弹难以适用，有必要开发能够进行细粒度并行优化的加速计算平台； 二是战术导弹共性系统技术突出，有必要研制战术导弹专用、 各种导弹通用的高集成度、 低功耗智能信息处理微系统； 三是积极探索民用领域AI芯片在导弹上的应用方法，降低导弹成本。

3.4 具有生命体特征的智慧云端技术

人的智能显然是生物进化的结果，几亿年来生命在地球环境下尝试出来的正确组合都放在了基因中。因此，建立导弹的基因库对其智能能力的成长与进化至关重要，而智慧云端就类似于导弹的基因库，随着基因库信息的不断完善，导弹智能能力也随之从初级智能向着高级智能进化。

智慧云端属于智能导弹的基础设施建设，导弹智慧云端技术必须在两个方面取得突破才能很好地满足导弹需求： 一是满足导弹全任务阶段对信息更新与处理的实时性要求； 二是云端的任何信息在存储、 处理、 通讯过程中满足不被破解的“保密”的要求。智慧云端需要从现在初级升级为中级智能导弹过程中就开始建设，存储导弹在试验、 实战中获得的有价值数据，伴随导弹成长至超级智能阶段，使得具有基因性质的全样本数据及策略等以比生命体更高效的共享方式遗传给后代群。

4 结 束 语

物竞天择、 适者生存，导弹武器要想生存发展，必然向着智能化的方向不断前进。本文给出的导弹武器智能分级和特征不一定合理，但期望通过抛砖引玉，引来更多对智能导弹的讨论。技术的发展没有极限，未来与强敌必然是智能与智能的对抗，需要尽快形成共识，抓紧开展智能导弹关键技术研究，在以智能化为特征的新一轮军事革命中占得先机。