美军公布机器人战略白皮书 减少士兵风险是重点

概述

陆军的地面机器人的“投资战略”包括三个部分:在快速部署计划(RFI)和联合反IED组织的指导下,开发和部署商用现货系统,以满足前线士兵的迫切需求;研究、开发和列装机器人系统,为未来作战系统项目提供支持;根据OSD无人系统路线图(2007-2032)确定的国防部四大优先发展关键任务领域的研究和开发。

本白皮书通过对相关任务进行确定和描述,介绍了陆军“机器人战略”的内容。陆军训练和条令司令部(TRADOC)和坦克自动化研究、开发和工程中心(TARDEC)的主题专家们(SMEs)对应用机器人系统遂行或辅助遂行32种作战任务中的可行性进行了联合评估,该评估是在近40个来自工业界、学术界和国防部机器人研发领域的专家的协助下,由TRADOC-TARDEC 联合小组从复杂性、技术成熟度和样机开发预计需要的资金投入和所花时间等几个角度,针对这些任务中应用机器人的可行性进行的。这一分析将有助于陆军确立进一步的机器人应用研究和先进技术发展趋势和优先项目,标志着陆军OSD无人系统路线图进入下一阶段,开启了TRADOC的作战人员分析及其结果更新,以及TRADOC手册525-66(兵力作战能力)2010年修订的开端。本白皮书为TRADOC和TARDEC进行进一步的任务领域综合费效比分析,从而找到最经济最有效的解决方案奠定基础。TRADOC和TARDEC对未来更进一步的机器人使用概念仍保持开放态度。最后,本白皮书强调了陆军必须处理好的几个重要问题,比如人类该赋予越来越智能化的机器人系统多大的自由度。

不断进步的机器人技术为在目前和将来日益加快节奏的作战行动中,降低全军110万将士面临的压力提供了广阔的前景。在伊拉克阿富汗战场使用机器人系统对作战提供支持的做法表明其具备协助士兵甚至独自遂行各种多样化任务的能力。机器人在过去的行动中已经为降低部队伤亡作出了贡献,还将继续在今后的侦察、监视、反地雷/反简易爆炸装置(C-IED),以及辨认和锁定目标等行动中提供支持。但是,部队对机器人的应用领域仍有潜力可挖,目前的研究和开发证明机器人在部队的应用前景非常广阔。机器人可用来减少人力需求,代替士兵在本土基地或前线部署地域去实施危险的或日常的重复性工作。这是到目前为止对机器人技术投资所取得的回报。本白皮书指出了在美国本土(CONUS)和前线部署地域最能降低士兵作战负荷的任务。从而作为进一步研究那些能不断提高部队效能,使遂行使命任务更加高效的工作和机器人系统的开端。

机器人定义

机器人是能够感知、理解周围环境并与之交互的人造装置。一个机器人的主要部分是机械系统、计算机和传感器。当前的应用一般集中于人类无法很好完成或不愿去做的重复性、危险的或较困难的工作。比如,自动化工业在其装配线上广泛地应用机器人来进行专业制造或危险的原料处理工作。

在本白皮书中,军用机器人被分为两类:无人地面战车(UGVs)和无人飞行系统(UASs)。这些装置通常都是通过遥控运行的,即由操作人员在安全地域遥控操作和控制。去年,在伊拉克阿富汗战场总计投入了约3000辆UGVs,为作战提供了支持。UGVs最常见的应用就是拆除爆炸装置。在当前的全球反恐战争(GWOT)中,应用了约20种型号的UASs支持侦察、精确定位和情报搜集任务的完成。

2007年批准的第一国防部长办公室无人系统路线图(2007–2032)概述了目前的UASs和UGVs能力和将来开发的导向。虽然机器人对目前的作战环境非常有用,但由于任务的复杂性和作战环境的本质,需要高度的计算能力,以及为完成更加动态的任务集成探测和感知技术的能力,更为广泛的机器人应用领域非常优先。

随着机器人技术的发展,未来的陆战部队将具备全新的作战能力,地面战争的样式将会改变,从而大大降低伤亡,增加灵活性和持久能力。可以预期机器人平台将同其它无人海陆空设施、无人地面传感器网络和无线技术集成,从而通过高度综合的无缝全球信息网格,增强一体化作战能力。在中远期,估计机器人将继续在人类的控制下工作。但随着技术的进步,机器人将需要较少的人类干预,其自主和独立运作能力将得到提高。部队使用的机器人系统自主能力的主要限制因素仍然是系统的可靠性和任务环境的特点(复杂性)。复杂(相关任务量大,且各子任务相互关联)且包含多种变数(预料外和变化的条件)的环境中的机器人操作要求高度可靠的,极度复杂的感知和决策算法。因此,在这些技术未得到突破前,基于目前的机器人技术和作战环境,人类将继续主导机器人的操作。

国防部优先发展的机器人功能

2007年12月国防部长办公室无人系统路线图指出了国防部优先研发的无人系统的四个功能域,以提升作战能力缺陷。优先发展这些功能并非意味着排除其它任务领域的研究、开发和采办,但却反映了国防部最为迫切需要提升的项目。

· 侦察和监视。某些形式的侦察(电子感应或可视化)是作战指挥员最希望无人系统具备的功能。保持一定隐蔽性地对关注地区的侦察能力非常重要,而目前无人系统所执行的侦察任务需要提升其标准化和互操作能力,以为大范围的国防部用户提供更好的支持。

· 目标确认和定位。目前,国防部无人系统对目标的实时确认和精确定位能力尚存不足,需要进一步减少GPS制导武器的时延,并增加其精确度。但同目前人工操作系统相比,机器人系统可以代替作战人员在高危险环境中作战,减少人员伤亡。

· 反地雷作战。简易爆炸装置(IEDs)是“伊拉克自由行动”中头号导致伤亡的原因。远程操作的机器人系统作为地面部队的重要补充力量,减少了大量的人员伤亡。二战以来,水雷造成的美军舰艇损失比其它武器系统加起来的数量还多,因此,美军投入了大量的人力物力,以提升其发现、标识和摧毁地雷和水雷的能力。无人系统在执行这一危险任务时具备天然的优势,并将继续在反地雷行动和作战地域废弃炸弹处理方面发挥关键作用。

· 核、生、化和辐射性、爆炸性武器侦察。发现核、生、化和辐射性、爆炸性武器并检测受影响地区的工作在国内安全行动和国外应急作战中都很重要。

以上是陆军研究和开发工作优先考虑的领域,另外,同时进行的还有与陆军未来作战系统相关的以及国会感兴趣的其它研发项目。

未来作战系统(FCS)

未来作战系统的人工操作和无人操作系统都是未来部队的重要组成部分,是陆军现代化战略的主要代表,体现了模块化部队的发展方向,是为实现“全频谱”作战需要而设计的模块化系统。FCS无人系统将既能适应传统作战,又能胜任在城市地形、沙漠和平原的混合地形、山地和丛林等受限地形中的复杂不规则作战任务。一旦完全发挥作用,FCS无人系统将为陆军及其小型分队提供空前的能力,发现、控制并摧毁敌人于21世纪战场。FCS无人地面战车家族包括小型无人地面战车(SUGV)、轻型武装机器人攻击车(ARV-A(L))、多功能后勤装备运输车(MULE-T)和多功能后勤装备反地雷战车(MULE-CM)等。

未来作战系统技术正通过验证加速向陆军模块化旅的装备,这些验证将让士兵能使用FCS无人系统。第一阶段验证的项目包括SUGV和I类 O型无人飞机,并将于2011年装备陆军步兵旅战队。

国会制定的机器人研发目标

为支持机器人系统的发展,国会通过《国防授权(NDA)法案》(FY01, H.R.4205, 217款)为部队制定的无人遥控技术投入实战的发展目标是,到2010年,三分之一的远程空中打击行动由无人系统实施;到2015年,三分之一的地面战车为无人系统。尽管难度较大,但目前已取得许多进展,并有望持续这一势头。

2007年的《国防授权法案》(FY07, H.R. 109-702, 941款)也表达了对无人系统的偏好,但同时也指出制定和报批新的人工系统的需要。此外,在FY07 H.R. 5122-282. 941款 (d)(2)C中,也要求对2001年《国防授权法案》提出的目标进展情况进行评估。

目前的陆军预算为无人战车技术基本项目(PE)6.2(应用研究)和PE6.3(高级技术发展)的投入是每年5400万美元。这一数额不包括对其它诸如C4ISR等配套系统技术领域的投入。

未来作战系统是陆军旅战队(BCT)模块化建设中计划使用无人地面和空中系统的第一个重大项目,该系统将具备空前的作战能力,成为陆军无人系统发展的最前沿。在2003年5月,里程碑B项目开始实施的时候,FCS BCT的编成中包含234个无人地面系统。但通过过去3年的项目调整,这一数目降到了192个。减少后,获批的旅战队编制中,514个未来作战系统中的192个为无人系统,占37%,达到了国会为FCS BCT制定的三分之一的地面战车为无人系统的目标。FCS BCT还具有许多其它无人化地面和空中能力,包括:无人地面传感器,非线性可视发射系统和无人飞机等。地面战车将于2015年开始装备FCS BCT。现在,陆军机器人技术的投资主要用于研究和发展。

支持军事应用的机器人发展展望

机器人不可能使战争成为仅仅是“不流血的”按键游戏,也不会成为部队应对未来所有挑战的“万金油”,但它们的确能为美军在当前和未来的作战环境中带来作战优势。此外,机器人系统可以执行大量重复性、机械性和其它可以实现自动化的程式性工作,可以让原先从事这些工作的士兵解放出来,去执行其它任务。机器人已被证明在从事重复性或危险的工作时非常高效却经济。它们非常时候执行那些可能使士兵有生命危险的任务,大大降低人员伤亡且几乎或毫不影响任务的成功完成。它们在受限作战环境执行任务非常有效率,且即使系统失灵也不会带来灾难性的人员伤亡。陆军机器人战略大受欢迎得益于在伊拉克和阿富汗远程操作系统提供的作战支持,国防部的四大优先发展领域,以及FCS项目的研究和发展。在这些研究领域外,还有一项重要的研发工作,这一创新性研究工作独立于目前陆军战略的各个组成部分之外。下面的TRADOC-TARDEC分析将指出在未来20年内,机器人系统还可能提供的任务能力,即集中深入研究陆军可以有机器人执行的任务的费效比。

结果及讨论

TRADOC和TARDEC主题项目专家将机器人可能完成的任务分成五个任务功能域:后勤、安全、工程、医疗和维护。在某些任务中,机器人可以作为士兵的补充,帮助他们执行任务;在其它任务中,机器人可以减少完成任务所需的士兵数额。在后一情况中,特别是那种需要每天轮2到3班的工作中,机器人可以大大节省人力资源。

在2009年1月举行的机器人计划研讨会上,来自TRADOC、TARDEC和其它机构的30多个机器人研发主题项目专家们(SMEs)提名、评估了下列任务领域。这些任务都是基于全球联合任务清单(UJTL)和陆军全球任务清单(AUTL)所列项目,与作战人员成果(WFOs)相关。研讨会与会SMEs对每一种任务的描述进行了可行性评估。

后勤(L)

机器人能够可行解决方案的与WFOs相关的后勤任务较多,其中,最具代表性的任务包括:预先保障和改良配给、UGV自主行动和战术行动、非接触作战改良补给分发和改良联合运输平台技术和方法。

UJTL任务指出了大量通过使用机器人可能得到提高的后勤任务领域。在这些任务中,装备和补给行动中的装备使用率、补给速度和车船备战率都会增加,但卸载时间却减少了。运输工具的运送距离和持续运送时间都得到了最大化,而误操作率、为响应率和定位具体车船的时间都最小化了。在机器人使能的加油工作中,加油量和加油要求得到及时满足的几率得到提升,而所在国家的支持和因加油造成任务中断的次数可以减少。下面具体列出了因为机器人支持而可能得到促进的UJTL/AUTL任务。

L1-使用后勤护送的装备补给水陆运输和分发。 后勤护送属于AUTL 6.3.3.1水陆运输所列任务,规定陆军“要通过水面、铁路、公路或其它手段运输货物、装备和人员。”尽管自主地面机器人后勤护送可以代替士兵,运送补给至战术地域,但这一办法面临着诸多挑战。利用机器人使能水陆运输目前存在的主要问题是:附近部队和平民的安全、作战指挥和感知/跟踪、人机结合、对意外情况(即天气、障碍和战术环境)的及时反应等。其它问题还有:货物安全(即对无人补给的攻击或偷盗),装载和卸载、传感器的脆弱性、专门系统在破坏或故障后的维护等。最后一个问题是机器人使能的运输车辆必须能够提供各种路况的长途运输能力,以支持部队在全球的任务,包括在既定路线无法通过的情况下。应用机器人的运输行动很可能是一个不断反复的过程,知道所有的机器人技术足够成熟。机器人在不对称的威胁环境中,尤其是可控制环境下的应用将带来巨大好处。

空中运输和补给则是对远程部队物质和补给的规划、运输和配发。传统空中运输包括以下三种方式:机降(飞机着陆卸载)、投掷(使用直升机)、或空投。在“伊拉克自由行动(OIF)”或其它的行动中,部队越来越多地应用于分布式作战(DO)。DO即指部队在广域的战场广泛分布,但通过指挥控制(C2)系统紧密联系,迅速灵活的应用火力支持,协调分散分布的各部队行动。尽管在DO中,各分队部署较为分散,但这中作战减少了循环结构,需要分布式的保障方式。

机器人技术和无人飞机沿着不安全交通线(LOCs)减少了支持大量广泛分布的小型分队的保障人员,避免了士兵暴露于LOCs,将人员、车辆和装备解放出来以支持更为需要的地域。

在近期,使用无人飞机投送小型、轻量(200磅以下)、急需的物品具有非常重要的实用价值。目前的UAVs和/或者可操纵降落伞尽管其机械性能、精确投送、诸如重量分布和分发机制需要进一步提高,但仍表现出诱人的前景。统一的可任意使用的抗毁性飞机或集群对执行任务非常有用。尽管前景看好,但大型补给的空中支持需要考虑花费和发展支持中性无人投送飞机的力量结构。

L2-货物打包和货盘装载。使用机器人工具支持货盘转载的任务可以为军事分队装备、维护和行动提供各种必要的支持。许多商业企业使用机器人自动化和机器人系统来进行标准物件的打包和装载,提升了企业的标准打包和转载技术。比如,对于相同的物件,可以通过自动化控制其打包,装盒和装载流水线。采用自动化包装和装载的物件必须具备可运输性和灵活性。前者要求货物能在装载过程中不被破坏,形状符合运输工具允许的形状且重心分布较为合理(尤其是空运货物)。然而,不像商业厂家的货物都基本一样,DoD向前线部队装载运送的货物常常多种多样,且货盘的物品形状各异,所以混装必须进行严密的监控。对军火包装标准的额外重视将有助于提升可行性,促进低成本的自动重新供给。对商业标准装配线的包装能力的使用需要对其进行调整和进一步的调整,以更适应部队利用。

L3-补给仓储:目录管理、优先次序排列、出仓运输准备。利用机器人技术支持自动化仓储功能属于补给功能领域。在这一领域中,货物清单管理、从货架上挑选物品、搬运重的物品等任务都可能从机器人技术中获益。整洁、条块分明的仓库布局和箱形托盘尺度提高了自动化仓储的可行性,并将因为专为自动化存储设计的高度标准化的仓库布局得到进一步提高。然而,从从普通货物中挑选箱柜给机器的触觉性能提出了挑战,普通的商用机器人采取的对策是预留足够的空间以简化机器人的拣选工作。

L4-燃料补给(批发和零售)。自动燃料补给可以让士兵远离有害或危险燃料。这可能会促进在未来部队使用氨或C1-C5烷烃有害或者极其易燃的燃料的想法实现。即使使用机器人系统来进行补给操作,安全机制和避免溅出和猝燃的办法依然至关重要。触觉能力和几何形状视觉数据和标准化的机器人友好型燃料输送端口和联接技术将促进机器人完成操作的能力。虽然这个解决办法非常实用,但将需要巨额投资,并需要大量时间来替换现有加油基础设施。

L5-吊运和起重操作。起重机的特点是用吊钩在上面吊运货物的机械设计,可以灵活的绳索提升货物。但是货盘装运时货物必须在在中间提供一个向上的受力眼以使吊钩钩住,否则货物就会倾斜,自动的吊装则更为复杂。此外,为了避免货物脱离吊钩,还必须加深吊钩曲度,采用自动闭锁,或采用全新但有益于自动操作的联接方式。要想机器人起重机提升危险任务的安全性,避免了人徒手将货物吊装到吊钩上的工作,让人可以远离可能摇摆或掉落的货物,就需要有完全自动化的绳索套挂,或人机一体化。而且,不可预料的条件,比如地面不平、货物不规则或时间仓促可能使开发通用系统难度加大。这需要投入时间和金钱,直到在所有地点机器人友好型系统都能实现标准化,以及军火吊运等需要精细操作的任务能确保完成,这些工作都有较大难度。

L6-补给场起重和短距离搬运操作。使用叉式升降机时,货物一般在叉铲上方,叉铲增强了货物运送中的安全性。但是托举移动,以及货物叉起后通过悬臂带给升降机的冲力可能让其不稳定从而带来危险,尤其是在户外运送那些光滑的,松软的或不均匀的货物时。新型叉式升降机加装了稳定控制传感器,对人工操作或无人操作都可以在一定程度上减少危险性。叉铲触觉和整个升降机负载判断都需要力反馈能力得以实现。在室内仓库内,可以通过在地面标识线条,引导机器人的行动,因而最适合机器人系统。而室外的工作,尤其是在那些不断变化且附近有人活动的战术环境中,机器人起重系统面临巨大的挑战。增加系统的自由度,不论是通过清晰导控节约仓库空间还是增加室外工作的自我调节能力,都能提升机器人系统的功能和实用性,但开发成本会更高。

L7-水运装备卸载-码头船舶卸载。在“海岸联合后勤(JLOTS)”行动中,补给、装备和人员都需转移上岸,并做好继续前进的准备。陆军的职责要包括在JLOTS地点将装备从船上卸载,并向内陆作战地域运输和发送。装船卸船的技术变量要求一般比地面运输低,所以在JLOTS行动中,采用自动化技术的可行性更高。

使用驳船、拖船的机器人化的补给转运,无论是船间转运还是船到码头之间的转运,都很容易受到海浪和尾波的影响。除了要注意通常对叉式升降机造成影响的问题外,还要考虑特殊的探测障碍和海水腐蚀问题。新系统的设计将很困难;在旧系统退役前将主要依靠系统改进。因为陆军基本上是基于地面行动的部队,所以这一领域最好由海军和海军陆战队来主导,但陆军可以参与其中。

L8-机器人弹药补给。从小型弹药箱,坦克履带,到火炮炮弹、高级反直升机导弹系统等各种类型的军火都需要从补给车辆向武器平台的转送。弹药补给一直都是劳力密集型的工作,需要士兵艰苦的户外工作,并对弹药进行检验和随时跟进补给。尽管有一定挑战,但使用机器人执行弹药补给任务能带来不少益处,可以促进士兵人身安全、减少装备训练需求和补给时间。机器人执行这一任务要基于转载传感能力、专业机器人控制技术、避免碰撞、武力反馈和定位探测能力和系统的发展。

L9-士兵持续行动能力:简易低机动条件中士兵装备补给负载的力量、耐力和运送能力。士兵通常需要在困难地形情况下执行高强度和危险的任务,装备的极大负载会让士兵承受体力压力,并且难以在持久性任务中实施高效能的行动。机器人系统不但可以提高士兵的忍受力和力量,还可以替士兵运送一些装备,从而提高战士的机动速度和持久力。同时,还可成为士兵补给和伤员火线撤退的手段。理想状态是,这些运送装备的机器人系统还要能够与徒步行进的士兵保持一定距离,以免暴露士兵的方位,并且能跟随被支持的士兵,为他们提供各种地形条件下,不同任务的支持。未来作战系统项目MULE-T就能提供这样一种能力,但是如何使系统更加小型化,增加在建筑物内部、窄小或多岩石道路上的灵活机动性还需进一步研究。为士兵提供力量或类似行动能力的机器人系统必须具备足够的不受限制的能力,在即将接触敌人的士兵附近保持行进安静的能力,而且还要能够在士兵预先设定后自动或半自动行动。

安全(S)

多个安全相关的作战人员成果(WFOs)都能由机器人提供重要的解决方案。需要优先解决的安全问题需求包括:核生化、辐射和高泄露爆炸物(CBRNE)定点探测(和清除)和收集管理生物统计数据。其它能力需求还包括:探测和确认有毒工业化学物品/原料、固定(和移动)半球防护、防止关键部位侵入的传感器/感应装置和提供兵力保护。

UJTL给出了可能通过机器人得到改进的安全领域。确认友好部队的时间,以及错误探测或报警的可能性都应该减少。并且,敌军破坏或复制友军识别能力的所需时间都应被最大化,而同时己方的探测能力(PD)得到加强。对于CBRNE事务,评估CBRNE情况、行动计划和资源分配的时间需要最小化。安全领域内的以下任务的行动结果可能因为使用机器人而得到提升。

S1-提供军事设施/机场、军火库、化学武器库的周边安全维护。根据技术可行性不同而造成的行动效果的影响,安全任务可以分为四种情形。CONUS设施需要探测和报警能力,但不必要需要自动武器促发能力。因此,对错误报警率(FAR)的关注可以少一些。而自动武装的静止前线作战基地(FOB)周边安全因为既要求高度的探测能力,有要求较低的错误报警率而很困难,尽管因为具有外围电网和警报装置而对错误报警率的要求较低。FOBs内的军火或化学库可能被人员接近的几率较小,所以只需要高度的PD能力就足够了。采用无人地面战场的机动安全问题可能因为地形的变化和威胁的多种多样而较为棘手,但是,如果系统沿着“熟悉”但无人涉足的地形,比如一个FOB的防护网,按照不规则的线路运行,那么机器人可能基于以前的感知和存储数据具备地形变化辨别能力,从而提供可行的解决办法。

S2-对进入管制地域的人员和车辆进行遥控扫描。在本土基地入口控制点(ECPs)采用自动系统进行生物测量扫描,虽然可能在起初因为美国的多种族特点而较难开发,但将为长期使用提供机遇,且比其它该技术还不常见的运行环境中更能在文化上得到接受。但是在国外战术FOB的应用则可能遭遇生物测定表达方式的文化多样性,需要根据不同国家的特点进行相应调整。而在此领域的工作目前正在取得进展,尽管从OIF行动中返回的军事人员认为安全人员似乎具有某种综合人类因素数据的能力(即“第六感”),能够凭直觉判断入侵者。用于本土基地管道和边界地区的地下漫游安全系统必须使用小型化的机器人,防止通过地下管道进行的破坏活动,这一任务领域是典型的利用机器人执行人类不适合自己完成的任务的实例。

S3-对灾难性泄露事件的探测、确认、评估、报告和报警。由于本任务和下一类任务可能和OSD无人系统路线图CBRNE侦察任务领域相关,所以必须注意所做工作的审核,以避免概念开发方面的重复性工作。有害物质传感器是这一技术的关键元件,可以安装在许多现有机器人的背部。而且,这类传感器还常常根据具体的目标化学物质进行调节,所以要使用正确的传感器,CBRNE设计者和智能分析人员之间的协调非常重要。

S4-从受影响地域清除有害物质。根据美国放射性研究工作的经验,在CBRNE领域使用的机器人系统很可能也会受到污染,且难以保证清除所有污染物。因此,需要有廉价的、一次性使用的系统,或者必须能力足够强大,只需要较少的维护,并在简单的冲洗后就能存放起来,以备下一次使用。因为需要清除的地点和环境的多样性,决策流程可能难以实现完全自动化,因此最好采用远程操纵的系统来执行此类任务。

S5-伤员后撤。这一任务领域与未来作战系统机器人研发有交迭的地方。但是,如果未来作战系统延迟,或者如果需要更为经济的方案的话,那么,一种基于自动化商用现货(COTS)多功能车的相对便宜的UGV不失为合适的选择,这种UGV装备有轻型(小型武器和/或电刷触点)挂钩牵引的炮架。

工程(E)

机器人可以为多个工程相关的作战人员成果(WFOs)提供合适的的解决方案。需要较优先发展的工程需求尚需通过全球范围内的信息分析和收集。次要优先发展的任务能力包括:自动标记、可视化或虚拟障碍标记系统、专业城防破除、迅速铺设或维修战时道路或铁路等。

UJTL指出了使用机器人可能得到提高的工程领域。对训练和物资投送时反地雷工作可以得到提升,而且,可以通过布障和设雷,为友军赢得更多时间,并提供更多信息。下列就是具体可能得到提升的任务领域。

E1-遂行侦察任务,确定栅栏/障碍/地雷分布地点和可通行程度。前四个任务可以分成三中控制类型。遥控(RC)行动可以利用典型的无线电波作为输出信号,但是限制了视线反馈。速度传感器的精度和电力需求也限制了其实用性。这些因素同样限制了遥控系统,虽然探测距离可能更远,但由于对于操作者来说,可视距离、深度探测缺乏和视频保真度的有限限制了其应用。但是,这一限制可以通过采用两套分离的显示系统部分克服,即在为精确分析提供放大局部传感器图像的同时,显示较大范围的图像以为操作者提供概略的态势感知。合适的、精确的和及时的传感器数据、通信(即带宽)和人工智能算法设计和速率可能限制其效用。一般来说,E1-E4所述的系统可能采用大型的现有工程车辆(比如 SEE D7和M1),但是保持态势感知和控制将是其主要挑战。

E2-突破和报告障碍。这一任务的各个方面与E1描述的一致。

E3-遂行破袭战:摧毁、清除巷战障碍并提供防护。除了E1中提到了若干事项外,使用机器人执行此类任务还要使用武器系统。因此,安全和警戒事务将是影响使用机器人可行性的因素。

E4-运送和放置物资,设立障碍,建立安全防护。这些任务涉及在建造栅栏、挖掘战壕、架设隔板等任务中的土石运输,因此增加了使用机器人的难度。故注意的事项与户外叉式升降机相关任务(任务L6)相同。

E5-标识、记录和报告障碍。使用无人空间监视(UAS)数据可以增强可行性。尽管许多任务都有赖于全球定位系统(GPS)数据,但GPS技术更可能是障碍报告的核心。GPS易受到对应措施的影响,甚至欺骗。机器人系统在安全距离内GPS表示点拍发的障碍物图片(如布雷区和铁丝网等)对地面分队可能有用,可用来确认障碍区域。

E6-遂行火力行动。机器人系统可以促进火力进攻的效能,因为它们可以比人更近距离的开火。但是,各种装备(如通信装置、视频设备、导线和燃料等)必须耐热。而且,视频可视能力可能因为火焰和烟雾的影响,机械敏感装备还必须防止掉落的碎片的破坏。

E7-机场、FOBs等土石运输。在平地上利用机器人系统的可行性较高,而在不平或斜面地点的机器人使用可能因稳定性问题而较为困难。机器人,尤其是全自动系统在完成此类工作时对各种参数作出感应,包括土壤特性、着力方向和车辆拖拉力量等。

E8-地面和水面、地下和水下爆炸物的探测和清除。机器人执行此类任务的效果与传感器装置和爆炸物清除过程的精细程度相关。而且,探测能力必须很高,才能避免遗漏任何地雷或水雷。然而,传感器为达到较高的探测能力,设定过高的敏感度,导致对爆炸物探测的同时,错误的报警频率非常高。所以,这一权衡之策导致的不必要的“假雷”清除将使机器人花费更多的时间执行任务。

医疗(ME)

可以把机器人使用作为选择的与医疗相关的WFOs任务领域不多。次重要优先项目包括“兵力人身防护计划”,即在机器人使能的撤退行动中使用机器人提供炮弹防护。

UJTL认为机器人对医疗救护领域可能有一定提升。可以发展的领域包括减少快速伤员救护和后撤所需人力,迅速准确的伤情诊断,以及远程诊疗等。下列是通过机器人应用可能提升的医疗领域。

ME1-实施配药业务。电子工程分为数字业务和模拟业务,自动配药业务则分为按包装剂量成包分发和药剂师按量混合配制分发。主题项目专家的研究方向是让机器人能更好完成“数字化”配药任务。这在本土医院已经开始实施,并可以进一步发展以应用于半机动远征FOB。需要改进的问题包括缩小系统体积、补给方法、机械故障排除等。并且,安全检验也面临挑战,必须通过测试予以解决。众所周知,因为可以节省库存费用,减少向FOB转运的难度,粉剂或水剂药品的大量散装供应的“模拟”自动化显示出其优势。但是,药品的污染、保洁和霉变问题及其衡量标准等又给这一分发任务带来了更多的挑战。

ME2-实施远程诊疗/手术。远程诊疗是一项非常切实可行,但也有其局限性的工作。由于可视化检查信息的二维性,可能会缺乏深度和各种直观信息。因此,为达到更好的效果,可能需要给机器人系统配备一个训练有素的人类助手,在病患旁边,为后方的医生发回信息。但是,重要的病征(如体温、脉搏和血压等)则完全可以通过机器人探臂(或病床)的接触获得。国防高级研究计划局(DARPA)正着力研究一种“外伤诊断舱”,可以为病人提供扫描和诊断,但是据报告目前只研发了部分功能,还难以形成具有整体功能的系统。

初看起来,民间医院已具备了远程手术能力,专业外科医生可以在美国的东海岸操纵西海岸的机器人为当地的病人进行手术。但是,这些大型且造价昂贵的机器人常常仅为某些专门的手术建立。并且对于可能面临很高生命危险的手术,远程控制还必须关注带宽限制、时间延迟和传输中断等实实在的问题。

ME3-实施战场紧急救护援助(提供止血带、绑缚夹板、处理枪伤、静脉滴注等)。微创技术研究院(ISN)正在进行附于军服的诊断和紧急注射仪器的基础性研究。而且,还正根据士兵的呼吁,考虑在军服内缝上止血绷带。但是,机器人紧急救护援助要与康复(ME4)和后撤(ME5)任务领域相衔接,还要考虑文化或造成误解的方面,毕竟士兵可能难以接受救护机器人的亲密接触。

ME4-战场伤亡人员临时处理。士兵的自我救助不能想当然,即使对受伤人员也是如此。因此,鉴于相关任务的复杂性,一定要确定搜寻(S5)、评估、稳定伤情(ME3),固定支架,移到担架或车辆(ME4)上准备后撤(S5)等一系列工作的实用方式。而且,这还可能因为伤情的不确定特性变得更为复杂,使机械地战斗负伤(WIA)和战场伤亡(KIA)处理变得无所适从。比如,复合骨折和严重的肢体受伤部位不能受力,否则会加重伤情。远程战场后撤援助机器人(BEAR)系统将在近期问世,具有500磅承重能力和50分钟的伤亡临时处理能力。未来BEAR将需要增加人工只能以集成ME3和S5功能。

ME5-医疗垃圾处理。不论是清理手术室,还是战地紧急医疗点,这一工作都需要集中医疗垃圾(如纱布、液体、绷带等),进行分类和一定的封存,然后处理。如果通过自动化处理,将会减少人员需求,限制接触细菌的机会。亟需解决的重要问题包括生物探测、隔离和密封的方法等。

维护(MA)

尽管作为一个独立的任务领域,但却与许多维护和后勤任务相关,机器人能够进行的维护任务相关的WFOs项目相对有限。次重要优先项目是不受工具限制的维护能力、预先保养和改进配给等。

UJTL认为这一领域的改进相当有限。维护领域包括主要部件火线维修、使用自动化系统为作战和情报部门提供战场毁伤评估(毁伤类型、地点、可运输性等)。此外,还可能减少系统等待维修或后撤的时间。下列内容是使用机器人可能会提升的维护任务领域。

MA1-设施维护和维修。可行的子任务包括成品喷漆、吊装协助、军火维护、武器准度调试和转矩协助等。此外,还可以避免士兵亲自进行危害性或危险性任务,或者那些人不可能做得很好的任务(比如由于受呼吸或身体颤动影响的武器准度调整)。而使用机器人系统在实施这些任务时的挑战包括:遮蔽传感器(如喷漆)、人工智能(AI)算法的灵活性(对多功能维护系统而言),以及零件组装和危险物质清除等。

MA2-对车辆和装备实施诊断性检查或预防性维护检查和服务(PMCS)。用机器人对高品质车辆外体或装甲进行扫描要比人执行同样工作效果更佳,因为机器人自身的震动性低、速度更为均匀持久偏距更大。装配坚固、长线校准且简易的传感器可能是一个关键挑战。并且,开发者必须抉择是在车辆上装上廉价的传感器,然后用机器人进行探测,还是在机器人臂上装配简单但更昂贵的传感器。搜集各种车辆地点,进行变量分析将成为作此抉择的前提。

MA3-受损车辆修复或清理功能。从安全角度考虑,远程处理或使用全自动机器人处理受损车辆不用担心车辆突然滑动、托举车体和受损电缆突然释放能量等,因此应该更为可行。正如前面机器人起重机任务领域(L5)谈到的,关键难点在于标准坚固的插销联结的开发。另外还要考虑L1中提到的载重量以及防盗等问题。

MA4-维修零件的运送和控制。零件运送控制重申了零件运送(L2和L3)对后勤的要求。主题项目专家评估认为自动维护零件跟踪和发送可以通过一个对所有可拆分的IX级零部件进行统一标识得到促进。

MA5 –远程维护(即由技师远程控制进行的维护工作)。维修专家远程遥控机器人进行实施维修协助的能力可能会受到带宽、通信延迟和二维屏幕空间感知的局限性等因素的影响。全自动的机器人解决方案可能对通信问题的要求不太高,但却面临更大程度地传感器集成和更告难度的AI开发问题。此外,未设想到的损坏部件可能无法进行AI识别,从而增加拉难度。

MA6-高精度制造加工(如机器人焊接加工等)。尽管切割和焊接自动化在本土军械厂维修中的应用已相当成熟,但远征应用还有一定局限,因为与人工加工相比,器械架设费用高,但加工数量却很少。但是,如果当前的高消耗的系统通过采用更更实用、更耐久的金属进行升级,而不是当前使用的塑料制品的话,对于平版零件的加工可能使用机器人更为可行。

在本文附录中给出了相关任务的排序,即最适合机器人支持、可能适合机器人支持和近期不适合采用及其支持的任务领域。TRADOC-TARDEC 小组和其它机器人研究主题项目专家们根据不同花费、开发周期和技术应用突破口而对应的机器人原型开发能力对任务进行了分类。认为可行的任务应该是开发周期少于两年、费用少于500,000美元、复杂程度低的;认为可能可行的任务是开发周期界于2年和5年之间,费用少于1000万美元,复杂程度“中等”的;而近期不可行的是那些开发周期多于5年,花费超过1000万美元,复杂程度相当高,目前无法完成的。总计有5项可行,20项可能可行,7项近期不可行。详细信息请参照附录。

DOTMLPF考虑因素

本文提到的其它任务,以及目前和将来为满足作战人员需求而研究、开发和应用的系统的分析都应考虑其对部队的积极影响。条令/政策、机构、训练、物资、领导、人事、设施(DOTMLPF)模型不失为合适的分析方法。目前伊拉克和阿富汗的作战经验表明,机器人系统的应用的确对部队有着积极的促进作用。它们大大减少了人员伤亡,被证明是从事危险任务的士兵的真正的有益补充力量。机器人系统需要进行前期应用和保障训练,在整个生命周期都需要得到支持,并需要根据机器人方案对支持士兵的影响程度,或者士兵能将工作量转移给机器人的多少来进行人事调整。由于机器人系统对部队潜在影响,任何新的机器人开发都应该进行详细的DOTMLPF评估。这一评估让陆军能充分理解实战应用某一具体方案相关的影响和花费,使其能根据实质性方案的整体效益作出科学的决策。以下论述阐明了有关本文提到的任务领域机器人系统实战应用效能的重点考虑内容

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