מערכות אוטונומיות מעבר לפינה

כלים בלתי מאויישים שפועלים על דעת עצמם, היו עד לא מזמן נחלתם הבלעדית של סופרי מדע בדיוני. ובכן, לא עוד. שדה הקרב של ימינו כולל פיתוחים שהם פרי מחקר של השנים האחרונות בתחום. סקירה של אריק יבנאי, מומחה לנושא

(shutterstock.com)

בשנים האחרונות אנו עדים להתעניינות ולהתפתחות מואצת בהקניית יכולות לפעולה אוטונומית של מערכות במגוון יישומים מבצעיים ובכל סוגי התווך של שדה הקרב - חלל, אוויר, יבשה (כולל פעולה בתווך אורבני) וים (על-מימי ותת-מימי).

התפתחויות אלו מכוונות מחד (pull), לתת מענה למורכבות ההולכת וגדלה של שדה הקרב והצרכים המבצעיים הנגזרים מכך. ומאידך, נתמכות ומדורבנות(push) על ידי התפתחויות טכנולוגיות בתחומים רבים, כולל מחשוב, מזעור, מדעי המחשב, מדעי המערכות והבקרה, תקשורת, מדעי האינפורמציה (כולל עיבוד אותות וראיה ממוחשבת), סנסורים פסיביים ואקטיביים, מקורות אנרגיה יעילים, חומרים מתקדמים, התקני ננו-טכנולוגיה ועוד.

עדות למגמות ההתפתחות היא הגידול בתקציבים לפיתוח הטכנולוגיות הרלוונטיות של מערכות אוטונומיות, גם בתקופה של צמצום תקציבים כללי. אחד הגופים המובילים בתחום, המשרד למחקר של צי ארה"ב, ONR- Office of Naval ResearchUS, חנך רק לאחרונה(אפריל 2012) מעבדת ענק משוכללת ביותר המתמקדת במו"פ של מערכות אוטונומיות - LASR - Laboratory for Autonomous Systems Research. במסגרת זו, מתקיימת גם תוכנית מחקר רב-שנתית בשם Science of Autonomy המשלבת ארגונים תעשיתיים ומכוני מחקר אקדמאיים ברחבי ארה"ב.

חשוב לציין כי גם בתחומי יישום אזרחיים מתבצעת פעילות ענפה של מחקר ופיתוח, ובהיקפים תקציביים גדולים. בתוכנית המו"פ האירופאית, FP7 Seventh Framework Program for Research (FP7) , מוקצבים עשרות מיליוני יורו לפיתוח תשתיות ויכולות טכנולוגיות בתחומים של רובוטיקה מתקדמת, רובוטיקה קוגנטיבית ומערכות אוטונומיות במגוון רחב של יישומים.

תחומים "חמים" בסקטור הלא-בטחוני הם, בין היתר: חקלאות "נבונה", ניטור ואבטחת סביבה, ניטור, תחזוקה מונעת, תיקונים, ואבטחת תשתיות כמו חשמל, מבנים, סכרים, גשרים, צנרת עלית, צנרת תת-קרקעית, מתקנים סולאריים, מתקני קידוח והפקת גז או נפט, מכרות, חיפוש והצלה.

קבוצת יישומים נוספת ההולכת ומקבלת תאוצה קשורה לעבודות משק בית וסיוע לאוכלוסיה קשישה או מוגבלת. התקציבים המוקצים למחקר ולפיתוח בנושאים אלו במסגרת תוכנית המו"פ האירופאית הוגדלו לאחרונה, למרות המשבר הכלכלי באיחוד האירופאי. זאת מתוך הבנה של התרומה הפוטנציאלית לטווח ארוך הגלומה בהשקעות בנושא, להתפתחות הטכנולוגית, הכלכלית ולרווחה של מדינות האיחוד האירופאי ומדינות נספחות לתוכנית, כגון ישראל.

מהי מערכת אוטונומית?

ניתן להגדיר מערכת אוטונומית כמערכת המבצעת את משימתה באופן עצמאי לחלוטין או עצמאי למחצה או מפוקח supervised, תוך שהיא פועלת בתנאי אי וודאות, ותנאי סביבה ותרחישים דינמיים, לא ידועים, ולעתים גם לא צפויים מראש. המערכת פועלת ללא ערוץ תקשורת או עם ערוץ תקשורת צר-סרט, מול גורם חיצוני קואופרטיבי. למשל, מנהל או מפקח מרחוק. רמת האוטונומיות של המערכת נקבעת על ידי רמת המעורבות של המפעיל או הגורם האחראי על פעולתה, בניהול ובשליטה על המערכת במהלך ביצוע המשימה שהוגדרה לה.

קיימות הגדרות שונות של רמת האוטונומיות, רובן איכותניות ומקצתן כמותיות. אחת מהן, מבוססת על דו"ח אמריקני, מגדירה 4 רמות של אוטונומיות. רמת האוטונומיות הנמוכה ביותר,רמה 1, היא מערכת המופעלת על ידי אדם human operated. רמה 2, האדם מאציל מספר החלטות מצומצם ומגדיר אופני תפעול למערכת האוטונומית human delegated. רמה 3, מערכת מפוקחת על ידי אדם human supervised ורמה 4, מערכת אוטונומית מלאה fully autonomous שהיא רמת האוטונומיות הגבוהה ביותר.

בהפעלה ברמה 1 נדרש רוחב סרט מירבי בערוץ התקשורת בין המפעיל האנושי לבין המערכת האוטונומית וברמה 4 נדרש רוחב סרט מזערי בערוץ התקשורת ואולי אף רוחב סרט "אפס". כלומר, ללא ערוץ תקשורת עם המפעיל.

הגדרה אחרת של רמת האוטונומיות דנה בחלוקת הסמכויות ותחומי האחריות בין האדם המפעיל, לבין יחידת המחשב המשולבת במערכת האוטונומית. למשל, יש התייחסות לארבע פונקציות מרכזיות. הגדרת היעדים במשימה, הסקה וקבלת החלטות לגבי מצב המשימה והסביבה, תכנון פעולה ומסלול תנועה וניהול ובקרת ביצוע של המשימה.

החלוקה מי עושה מה מארבעת הפונקציות, המחשב המשובץ במערכת או האדם המפעיל, מגדירה את רמת האוטונומיות של המערכת. ככל שרמת האוטונומיות של המערכת גבוהה יותר, יש יותר פונקציות "עיליות" המבוצעות על ידי יחידת המחשב המשובצת במערכת.

יתרונות האוטונומיה

כלים לא מאוישים הם נחלת צבאות רבים כבר עשרות שנים. מוטיב מרכזי הוא להפעיל כלים אלו במשימות המוגדרות 3D - Dull, Dirty, Dangerous ,או בשפתנו, 3 מ' - משעממות, מלוכלכות, מסוכנות. כללית, ניתן לשלוט ולנהל כלים לא מאוישים במהלך המשימה באחד משלושת האופנים הבאים: ניהול עצמאי על ידי Programmer , ניהול על ידי אדם בחוג או ניהול אוטונומי על ידי יחידת מחשוב משובצת במערכת, "מנוע אוטונומיות" - Autonomy Engine AE.

ניהול מערכת לא מאוישת על ידי Programmer, יכול להתבצע במשימה רק ב"חוג פתוח", open loop. ניהול כזה רגיש לאי-וודאויות ולשינויים דינמיים שחלים במהלך ביצוע המשימה, הן בתנאי הסביבה והן בתנאי המשימה. שני האופנים האחרים, שילוב אדם בחוג או ניהול אוטונומי מאפשרים לנהל את המשימה ב"חוג סגור" closed loop ולכן מתאימים יותר להתמודד עם אי הוודאויות, ההפתעות והדינמיקה של סביבת המשימה והתרחיש.

מה אם כן היתרונות והמוטיבציה להפעלה אוטונומית של מערכות, לעומת הפעלתן על ידי מפעיל מרחוק המשולב בחוג? ראשית, מערכת אוטונומית מאפשרת נטרול או עקיפה של מגבלות הנובעות מהתכונות האינהרנטיות של המפעיל האנושי. כך, נטרול מגבלות מהירות התגובה של המפעיל האנושי (רוחב סרט; השהיות) מאפשר ניהול ושליטה במערכות עם דינמיקת אירועים מהירה.

נטרול מגבלות יכולת עיבוד המידע של המפעיל האנושי - החישוב, קשב בריבוי משימות, קיבולת ערוצים ומגבלות זכרון עבודה המאפשר לבצע משימות עם צורך בקבלת החלטות מורכבות בלחץ זמן ותחת ריבוי של משתנים ואילוצים.

היבט אחר הוא נטרול מגבלות ההדירות של ביצועי המפעיל האנושי במשימה מתמשכת. כך נמנעת פגיעה בטיב השליטה והניהול של משימות ממושכות. הוצאתו של האדם מהחוג מאפשר פישוט של ערוץ התקשורת. בכך ניתן להקטין את האילוצים על טווח הפעולה, ולשפר את הרובוסטיות של הערוץ לתנאי מזג אוויר ולוחמת סייבר. יתרון נוסף של מערכת אוטונומית על פני מערכת מנוהלת מרחוק, הוא הפוטנציאל לצמצום עלויות של אימון מפעילים, שמירת כשירות וצמצום בתשתיות הפעלת המערך.

אוטונומיה - עניין של החלטה

את תומכי השימוש במערכות אוטונומיות ניתן למיין לשלוש קטגוריות. ראשית, רובוסטיות ושיפור ביצועים ואמינות - השגת היעדים במצבי אי-וודאות, הפתעות מתאר, כשל תת-מערכות, לוחמת נגד, הקטנת חתימת תקשורת. שנית, הקטנת סיכון לחיי אדם ולציוד. קטגוריה זו היא רציונל להפעלת כלים לא מאוישים בכלל, לאו דוקא אוטונומיים.

קטגוריה שלישית, היא הוזלת עלות מחזור חיים. כאן יש להביע הסתייגות שכן לעתים הקניית היכולת האוטונומית תייקר את מחיר המערכת בגלל עלויות המחקר והפיתוח הכרוכים בכך. לכן, יש עניין ביישום מערכות אוטונומיות באותם יישומים ותרחישים בהם לאוטונומיזציה יש ערך מוסף מובהק - מבצעי, כלכלי או משולב.

בבואנו לבחון האם יישום מבצעי ותרחיש מסויימים הם מועמדים מתאימים לאוטונומיזציה, כלומר, האם יש יתרון וערך מבצעי מוסף להפעלה של מערכות אוטונומיות באותו יישום מבצעי ותרחיש, ניתן לאפיין את היישומים מדרבני האוטונומיזציה לפי 3 מרכיבים: משימה, סביבה, ותרחיש.

פרמטרים עיקריים בשקלול תרומת מאפייני המשימה לצורך באוטונומיזציה הם: טווח גדול / משימה ממושכת; מורכבות - ריבוי פונקציות; מורכבות - ריבוי משטרי הפעלה; דינמיקה מהירה; ספיקה גבוהה בזמן ובמרחב; אמינות; בטיחות; חשאיות. פרמטרים עיקריים בשקלול תרומת מאפייני הסביבה לצורך באוטונומיזציה הם: סביבה דינמית ולא צפוייה; אירועים במופע אקראי; מידע חלקי / לא קיים; סביבה עויינת - הפרעות טבעיות; סביבה עויינת - נוכחות של אמצעי נגד; סביבה מזיקה לאדם; סביבה מדכאת תקשורת.

פרמטרים עיקריים בשקלול תרומת מאפייני התרחיש לצורך באוטונומיזציה הם: תרחיש לא-מובנה; תרחיש לא חזוי; התפתחות "מתגלגלת" של התרחיש - מותנה באירועים במופע אקראי; מודיעין חלקי; ריבוי איומים.

אחת הדרכים המשמעותיות והמעניינות להבנה של התרומה הפוטנציאלית של מערכות אוטונומיות בשדה הקרב, היא לבחון אותן בהקשר של תרומתן למימוש עקרונות המלחמה, בהקשר של יישום מבצעי ותרחיש מסויימים. עקרונות מלחמה רלבנטיים לבחינה הם: דבקות במטרה והתמדה בביצוע המשימה; השגת הכרעה / מיגור; יוזמה ופעולה התקפית; ניידות ותמרון; ריכוז כוח; כלכלת כוח; הפתעה; אבטחה / מניעת הישג מהאויב; שיתוף פעולה / שילוב כוחות/ הפעלת כוחות ברשת.

בחינה מעמיקה של שורה של צרכים מבצעיים, בלי להיכנס לפרטים, מראה כי קיים פוטנציאל להעצמה של כל אחד מעקרונות המלחמה הללו על ידי הפעלה של מערכות עם יכולות אוטונומיות בהקשר המבצעי המסויים.

מנוע אוטונומיות

מימוש יכולות הניהול של המערכת האוטונומית מבוסס על "מנוע אוטונומיות" - Autonomy Engine AE שהוא מערך של קומפוננטות תוכנה מקושרות, הפועלות בזמן-אמת ביחידת מחשוב המשובצת embedded במערכת האוטונומית. המטרה של מנוע האוטונומיות, היא ניהול אוטונומי בזמן אמת של משימת המערכת. הניהול האוטונומי הוא תהליך מסתגל של ניהול משימה בחוג סגור, אם נשתמש במונחים ממדעי המערכות והבקרה.

כנתוני קלט לתהליך מוגדרים נתוני המשימה, נתוני סביבה, נתוני מזג-אויר, מידע קרטוגרפי, איומים ואילוצים, וכן מידע שהמערכת קולטת באמצעות מערך החיישנים שלה ובאמצעות ערוצי תקשורת, אם קיימים, במהלך ביצוע המשימה. פונקציות המשתתפות בתהליך כוללות בין היתר: ניטור משימה, הסקה ומודעות מצבית, קבלת החלטות, תכנון/רה-תכנון משימה ונתיב /מסלול תנועה, ניהול חריגים ואירועים. הפלט של התהליך כולל, בין השאר: תוכנית משימה ותנועה עדכניים, הנחיות להפעלת מערכות משימתיות, הנחיות למערכות התנועה.

כמו לכל המערכות, גם למערכות אוטונומיות מספר נקודות תורפה פוטנציאליות שיש לתת עליהם את הדעת במהלך התכנון והפיתוח כדי שלא יפגעו במילוי משימתן. ראשית, הצורך בחסינות לאמצעי נגד, כולל לוחמת סייבר. האינטראקציה של מערכת אוטונומית עם העולם החיצוני לה הוא באמצעות מערך חיישנים וערוץ תקשורת, אם קיים כזה במערכת. הניסיון להונות מערכת אוטונומית, להשתלט עליה, או לשבש את פעולתה עשוייה להיות באמצעות "חדירה" דרך אמצעים אלו - חיישנים וערוץ תקשורת.

שנית, כדי לאפשר פעולה בטוחה יותר של מערכות אוטונומיות יש לשלב בהן יכולת זע"ט - זיהוי עמית-טורף, אמינה ומאובטחת. בנוסף, חשיבות רבה להגבלה דינמית של מעטפת הפעולה של המערכת כך שגם אם נוצר מצב של אי-ודאות שהמערכת מתקשה להתמודד עמה, פעולת המערכת ותגובתה לא תחרוג ממעטפת מותרת. המעטפת יכולה להיות תלויית זמן במהלך המשימה, תלויית מקום גיאוגרפי, תלויית סטטוס ביצוע משימה, תלויית סטטוס בריאות מערכות ועוד.

חסמים למימוש אוטונומיות

מתי ייפרצו החסמים למימוש ולהפצה של מערכות ברמת אוטונומיות גבוהה בזרועות ובחילות השונים? הבשלות הטכנולוגית של מערכות אוטונומיות היא בשלב מתקדם, אם כי קיימים עוד פערים שיש לסגור אותם, למשל, תהליך אימות ותיקוף Validation and Verification V&&V של מערכות מסוג זה.

חסמים נוספים הם אתיים, חברתיים ופסיכולוגיים. בעיית האמון של המשתמש במערכות בעלות רמת אוטונומיות גבוהה, בעיה המכונה trusted autonomy , טרם באה על פתרונה. בין היתר כי טרם נצבר נסיון בהפעלה של מערכות כאלו בשדה הקרב. גם חידושים טכנולוגיים כגון: טייס אוטומטי של מערכת מאויישת ושילוב ניווט GPS התקבלו בחשדנות על ידי הטייסים עם שילובם הראשוני במטוסים. חסמים נוספים הם אתיים. היעלה על הדעת לתת למערכת רובוטית סמכות להפעיל אמל"ח ללא אישור של מפעיל מרחוק? זוהי סוגיה שיש להתמודד אתה, תוך הבנת הרגישויות הרלבנטיות.

לסיכום, לאור הצרכים המבצעיים מחד וההתפתחויות הטכנולוגיות מאידך, נראה כי מגמת הפיתוח, השילוב וההטמעה של מערכות אוטונומיות במגוון ישוומים מבצעיים תתמיד ואף תתרחב. במקביל יש לפתח את התשתית הטכנולוגית התומכת, ולפתח תו"ל - תורת לחימה רלבנטית, שתביא לידי מיצוי מערכות אלו ותמקסם את הערך המבצעי המוסף הטמון בהן.