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军方如何才能找到赢得地下战争所需的机器人
2019-06-06

背景

1969年,美国陆军对洞穴和隧道的主要态度就是拆除它们。专门从事丛林作业的野外手册《FM 31-35》里描述了茂密、潮湿的森林。探索已然超出了军队装备士兵作战的范围,更不用说通过地下网络进行占领、控制和机动了。在一个浓密的树叶几乎无法穿透的时代,洞穴是不可能存在的。

1982年出版的后续手册指出,洞穴是一个“隐藏背包”的地方,敌对势力有可能通过隧道网络发动袭击。这一版本将隧道确定为军队可能受到攻击的地方,但却没有说明如何探索、控制或利用这些隧道。

1986年出版的第三本手册专门针对反游击行动,详细介绍了如何清理和控制隧道与沙坑,不过重点仍然是把它们清空然后销毁。关于隧道的独特挑战主要在于发现并且清除它们,但手册的假设是隧道网络可以被关闭或破坏并被中和。这种暴力威胁反过来将迫使隧道内的居民放下武器并且撤离。

西点军校现代战争研究所城市战研究主席约翰斯宾塞表示:“最后一次出现上述场景是在越南,那里敌人的战术非常具体,基本上规避了美国的空中力量、炮兵以及跟踪能力。他们转入地下,然后我们派人到地面。我们认为这是一个特殊的环境,尽管我们在阿富汗战争早期面对的是洞穴复合体,但大多数人都忘记了我们在托拉博拉的洞穴里跟丢了本拉登。”

措施

自越南战争以来,特别是自托拉博拉战役以来,人们对洞穴和隧道以及军队在这样的战场上需要取得成功的想法已经发生了变化。如今军队领导人正在为将在地下进行的战斗做准备,他们正在寻找在洞穴和城市中获胜所需的工具和设备。例如,2017年11月发布的一份战术通告——《地下小部队训练》就探讨了如何在地下进行战争得问题。在一系列关于小团队如何在狭小的空间中行动的图表中,小型机器人总是需要先行,为后面穿过隧道的人类探路。地下作业所需设备的清单已从描述封锁入口所需的炸药扩展到详细说明所需的灯光、通讯工具、呼吸器和抑制器以减少隧道内射击的噪音。

军队领导人需要能够迅速找到幸存者,评估空气质量,并了解洞穴中存在的危险。而且与过去相比,或许可以试图找到一种能够在地下操作的方法从而获得优势。比如这类任务需要机器人向导,而机器人向导目前还不存在。

美国国防部高级研究计划局(DARPA)战术技术办公室的项目经理Timothy Chung表示:“我们使用地下环境,因为它非常复杂并具有挑战性,可以真正起到一种强制性的作用以实现技术领域的突破。有了这些突破,我们也可以在其他复杂环境中做得更好,比如城市环境甚至水下环境。”

Chung负责DARPA的“地下挑战赛”项目,该项目旨在为军方寻找绘制、导航和搜索等一系列地下环境的新方法。包括城市中的洞穴、隧道和地下空间。项目还致力于设计能够进入地下、寻找目标并报告信息的机器人,该机器人将使军方能够比现在更巧妙、更有能力地在地下开展行动。该项目实施的其中一个目的是认识到环境,尤其是具有挑战性的环境在多大程度上阻碍了自主、感知、机器人移动和网络等概念的实现,这些领域仍然是技术人员必须要面对的荆棘。”就像手机或GPS信号在峡谷或偏远山区丢失一样,洞穴被半开玩笑地称为“被否定的环境”。

斯宾塞表示:“最近在阿富汗阿钦地区投下的(大规模军械空袭)炸弹落在一个洞穴群里,因为我们不想处理这些环境,所以我们把它们视为障碍:除非迫不得已,否则不要下去。如果迫不得已,我们把它视为一种清除行动即下去抓坏人。”但是对于人类来说,洞穴、隧道和地下空间是一个很难导航的地方。机器人的部署不会给搜索者带来风险;然而,确保军方的技术在地下仍可以工作将是一个挑战。

传统的信号被设计成能够穿过空旷的空气和土地,或者可通过卫星传回地球的制式,但信号很难穿透地下。如果有一个单一的用例驱动军队中自主工具的开发,那就是需要让这些机器、车辆或传感器在几乎不可能实现远程控制的地方仍保持继续工作。

Robotika International(总部位于布拉格)公司在DARPA的一次集成演习中派出了一个机器人,其设计师Frantisek Brabec表明:“地下环境与外面的环境完全不同。因为有很多采矿设备、很多铁,因此无法使用GPS;指南针也不太好用,只能用一些平时可用的工具,操作人员与机器人的通信会很困难。”未来战场上,以及当今的许多战场环境上,对手极有可能会干扰部分电磁频谱。在洞穴里远程控制是不可能的,如果机器人要去探险,那它需要自己进行探测。DARPA项目负责人Chung则表示:“挑战赛的规定中明确表示了不禁止远程操作,但坦率地说,环境将严重威胁到目前的远程操作方式。”

提案者日

DARPA为解决上述问题而举办的挑战赛于2018年1月设立了提案者日。4月,七个由机构赞助的团队以及两个自筹资金的团队前往科罗拉多州的爱达荷斯普林斯,参加在科罗拉多矿业学院埃德加实验矿场举行的综合演习。实验场地有近两英里的通道,有死胡同、相互连接的通道、斜坡和竖井。美国丰富的洞穴意味着DARPA可以在一个洞穴里举办发射活动,在另一个洞穴里进行演习,然后在不同洞穴举办比赛,以便团队每次都在探索新系统。

这项工作的一个主要部分是确定团队的机器人如何能够找到放置在现场的物品,比如手机或工具。组织者甚至隐藏了红外摄像机上显示的“热人体模型”,其代表可能在地下遇到的幸存者或其他人。布拉贝克表示:“我们的机器人可以通过摄像头四处查看,但它不能最终确定某个东西是否是人工制品,但它会突出某些潜在的命中目标,然后当机器人回来时,人类操作员会验证这些景象并报告。我们进行了水平和有角度的激光扫描,测量了车轮转动的方式来计算位置。”

DARPA最终要寻找的并不是一个能够控制特定洞穴的单一平台。相反,DARPA希望工业界考虑一系列可以在任何地下环境工作的平台。其中一种多样化的方法是“有袋类解决方案”,即一个机器人背着其他机器人(更小的四轴飞行器),使用一个主体和一个较小的车身进行飞行和航测结合了两种运输方式的优点。但它也需要弄清楚如何导航空中和地面的洞穴,以及如何让机器人链接备份,然后报告出有意义的信息,这两个问题都不容易。

Chung表示:“我们感兴趣的是能够在地下环境中提供可操作的态势情报的技术,而不仅仅是二维或三维地图的传输。我们想要的是操作方什么有兴趣,比如他们对幸存者的位置很感兴趣或者他们对地下的空气质量很感兴趣;因为我们要确定在进入这些空间之前是否需要特殊的设备,以及除环境中的障碍外进入人员还应该意识到有哪些危险。”

斯宾塞表示:“在人口超过100万的所有城市都将有地下通道。他们将建设水道系统、电信系统、地铁系统等地下基础设施。目前DARPA正在推进地下作战所需的最基础的能力。”

相关工作

科罗拉多煤矿首次允许团队在一个新的环境中探索挑战,但真正的竞争将于8月在匹兹堡国家职业安全与健康研究所(NIOSH)的一个隧道赛道上展开。随后的城市和洞穴环境测试将分别在2020年2月和8月进行,最终测试将在2021年8月进行。为了避免团队对特定环境设计过度匹配的解决方案,创建一个可以运用到未知领域的通用工具,在正式宣布之前,这些位置都将保密。

除了物理比赛,DARPA还举办了一项并行的虚拟挑战,参赛团队可以在模拟环境中与机器人进行竞争。使用人们可能在电子游戏中找到的那种建模方法,虚拟机将在危险中导航——比如突然下降到稠密、尘土飞扬的空气,同时寻找散布在此位置的同类物品等。除了未来可能在地下环境中作战的士兵和海军陆战队员的需要,比赛还考虑了社区的利益。

陆军在地下环境中训练的小型部队指出:“在地下环境中进行救援行动有时会面临与地面救援行动不同的挑战,在洞穴中拯救生命需要为成功地清除敌人的洞穴提供相当的工具和技能,以便遇到不同情况的时候进行不同的选择。

Chung表示:“我们可以从现有洞穴的模型或环境模拟中获取一切,让机器人在虚拟环境中体验真实世界的环境,我们还试图为这些地下环境中的射频传播提供一个有代表性的模型。通信链路是如何工作的,或者毫米波成像雷达是如何与环境相互作用的,为虚拟竞争对手提供一个额外的真实性,让他们能够面对自己的解决方案。我们感兴趣的是面对地下未知环境时我们能学到什么,我们不知道其中的危险是什么,如何在这些操作中运用我们的技术?”

在美国陆军将战争中的洞穴和隧道列为值得关注的主要目标半个世纪后,DARPA正在挑战工业界以试图寻找一种驾驭未知区域的方法。如果有一条路可以让人类在地下战争中更安全,那或许就是机器人开辟的道路。(中国电科发展战略研究中心 秦浩)

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