文丨倪霞

 

　　演講丨陳杰

 

　　近年來，在人工智能、仿生學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展推動(dòng)下，智能控制技術(shù)得以快速發(fā)展。自主無人控制系統(tǒng)，就是智能控制技術(shù)的一個(gè)典型。21 世紀(jì)以來，它被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、測(cè)繪、環(huán)衛(wèi)、安防軍事和民用等領(lǐng)域。與此同時(shí)，它也推動(dòng)著無人飛行器、無人車輛、工業(yè)機(jī)器人及服務(wù)機(jī)器人等蓬勃發(fā)展。

 

　　8月12日，2019中國(guó)機(jī)器人學(xué)術(shù)年會(huì)在沈陽(yáng)落幕。在“與人共融、智造未來”主題下，來自全國(guó)高校、研究所和企業(yè)的院士專家及工程師就人機(jī)協(xié)作與人機(jī)融合、模式識(shí)別與智能感知、機(jī)器人操作與控制系統(tǒng)等機(jī)器人學(xué)理論與方法以及仿生機(jī)器人、納米機(jī)器人、工業(yè)應(yīng)用與服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人、水下遙操作機(jī)器人、安全與搜救機(jī)器人、軍事應(yīng)用與武裝機(jī)器人、智能移動(dòng)平臺(tái)與車輛等機(jī)器人應(yīng)用前沿展開深入交流和討論。

 

　　11日早上，一場(chǎng)別開生面的主題分享吸引了現(xiàn)場(chǎng)近千余人的目光。事實(shí)上，10日晚間的臺(tái)風(fēng)“利奇馬”導(dǎo)致多地航班延誤及航班取消，陳杰的出行也因此受阻。但在11日早上，中國(guó)工程院院士、同濟(jì)大學(xué)校長(zhǎng)陳杰仍然通過現(xiàn)場(chǎng)視頻分享了《自主智能無人系統(tǒng)優(yōu)化與控制的幾個(gè)問題》的主旨報(bào)告。在這種特殊形式下，現(xiàn)場(chǎng)觀眾熱情依舊高漲。此次分享也給筆者留下了深刻印象。

 

　　演講開始之初，陳杰感慨道“因?yàn)榕_(tái)風(fēng)利奇馬導(dǎo)致航班取消，很遺憾不能到現(xiàn)場(chǎng)，只能以這種特殊形式和大家見面。”隨后，他從發(fā)展背景、現(xiàn)狀和問題、優(yōu)化與控制、未來發(fā)展等方面深入淺出分析了自主無人控制系統(tǒng)的發(fā)展。億歐新制造根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)分享對(duì)主要內(nèi)容進(jìn)行了梳理。

 

　　全球人工智能發(fā)展如火如荼，自主無人控制系統(tǒng)研究持續(xù)加快

 

　　自主無人控制系統(tǒng)，是指智能地實(shí)現(xiàn)自治或協(xié)同，完成復(fù)雜任務(wù)的系統(tǒng)，具有自主性、智能性、協(xié)同性等特征。包括無人系統(tǒng)單體、集群無人系統(tǒng)和多集群無人系統(tǒng)等，被廣泛應(yīng)用在無人飛行器、無人車輛、無人船舶、工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。未來，自主無人控制系統(tǒng)將顛覆傳統(tǒng)的戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)則，是保衛(wèi)國(guó)家安全的重要武器，更是保證世界秩序的戰(zhàn)略科技。

 

　　自主無人系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要基礎(chǔ)，是人工智能。人工智能，是研究人類如何產(chǎn)生智能，然后讓機(jī)器能夠以人類智能相似方式做出反應(yīng)，即具備認(rèn)知、分析、推理、決策與控制等能力。人工智能的發(fā)展，為自主智能無人系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的動(dòng)能，自主智能無人系統(tǒng)是人工智能研究的重要抓手和極佳的驗(yàn)證平臺(tái)，人工智能已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)發(fā)展的新動(dòng)能。

 

　　不只是中國(guó)，縱觀全球，人工智能也在蓬勃發(fā)展。

 

　　近年來，歐洲的人工智能研究與應(yīng)用持續(xù)升溫。2016年3月，英國(guó)發(fā)布了《人工智能未來決策制定的機(jī)遇與影響》，2017年4月，法國(guó)指定了《人工智能戰(zhàn)略》，2017年5月，德國(guó)頒布全球首部自動(dòng)駕駛法律。

 

　　歐盟在人工智能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用上多措并舉，奮起直追，走出一條有別于美國(guó)的AI發(fā)展之路。英、法、德及西方主要國(guó)家都非常重視人工智能，積極將其應(yīng)用于感知與信息處理、指揮決策、無人平臺(tái)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)科技和軍事領(lǐng)域。2018年11月，德國(guó)發(fā)布了人工智能戰(zhàn)略，促進(jìn)AI面向經(jīng)濟(jì)的開發(fā)與應(yīng)用，反過來，經(jīng)濟(jì)是進(jìn)一步AI研究的推動(dòng)力。

 

　　除歐洲外，日本也是發(fā)展AI的重要一極。2016年4月，日本設(shè)定了人工智能研發(fā)目標(biāo)和產(chǎn)業(yè)化路線圖，2018年8月，無人駕駛出租車駛上東京街頭，2018年10月，豐田公司在無人駕駛和共享汽車等領(lǐng)域拓展業(yè)務(wù)。事實(shí)上，日本每年在培養(yǎng)AI科技和人才方面的預(yù)算是極高的，約為133億日元?？偠灾毡就苿?dòng)人工智能技術(shù)給社會(huì)各領(lǐng)域帶來巨大變革，尤其是給嚴(yán)重老齡化的日本社會(huì)打了一針“強(qiáng)心劑“。

 

　　人工智能發(fā)展如火如荼，與此同時(shí)，自主無人控制系統(tǒng)發(fā)展加速。進(jìn)過幾十年的發(fā)展，原來笨拙的機(jī)器人開始學(xué)會(huì)走路、跑步和抓取。這種進(jìn)步開啟了無人單體智能發(fā)育的新時(shí)代。細(xì)分來看，個(gè)體機(jī)器行為強(qiáng)調(diào)算法本身的研究，集群機(jī)器行為強(qiáng)調(diào)研究機(jī)器之間的相互作用，而混合人機(jī)行為則強(qiáng)調(diào)機(jī)器與人類之間的相互作用。總而言之，個(gè)體/集群機(jī)器人行為和混合人機(jī)行為的研究是人工智能研究的重要方面，這類研究有望突破智能系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。

 

　　盡管應(yīng)用廣泛，仍面臨重大挑戰(zhàn)

 

　　自主智能無人系統(tǒng)的應(yīng)用模式隨著智能水平的提高，呈現(xiàn)出分階段螺旋式發(fā)展趨勢(shì)。并且，其應(yīng)用可以分軍事和民用兩大類。

 

　　在軍事領(lǐng)域，自主智能無人系統(tǒng)的應(yīng)用模式持續(xù)擴(kuò)大。2001年，由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的“蜘蛛”無人戰(zhàn)車，具有良好的自主導(dǎo)航能力；2007年，由美國(guó)陸軍坦克和汽車研究發(fā)展中心研制的“Crusher”無人戰(zhàn)車，將“野外感知”技術(shù)整合到無人戰(zhàn)車中，增強(qiáng)了無人車的自主機(jī)動(dòng)性；2009年，英國(guó)“黑騎士”無人戰(zhàn)車，也具備無人自主操作功能；2018年，俄羅斯最新研制的S500防空導(dǎo)彈系統(tǒng)能同時(shí)攔截10個(gè)目標(biāo)，多個(gè)作戰(zhàn)單元可與其他作戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。此外，俄計(jì)劃到2015年，無人系統(tǒng)在俄軍裝備結(jié)構(gòu)中的比例將達(dá)到30%。

 

　　在民用領(lǐng)域，自主智能無人系統(tǒng)的應(yīng)用更是豐富多彩。其中，智能交通的多無人車有人/無人協(xié)同控制就是一個(gè)例子。其實(shí)，協(xié)同控制可以提升無人車的自主性和安全性，是目前多無人車的重要控制模式。此外，自主智能無人系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用于智能交通中的多無人車智能協(xié)同路徑規(guī)劃。多無人車智能協(xié)同路徑規(guī)劃可以提升智慧城市道路利用率，緩解城市擁堵。據(jù)預(yù)測(cè)，到2035年，全球無人車的銷量將達(dá)1200萬輛，協(xié)同將成為無人車的主要運(yùn)行模式。

 

　　通常意義上，無人系統(tǒng)自主智能控制等級(jí)可以分為6個(gè)等級(jí)。分別是遙控駕駛、適應(yīng)故障和環(huán)境變化、自主路徑規(guī)劃、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)、多系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)、分布式控制。
 

 

　　然而，與國(guó)外相比，我國(guó)的無人系統(tǒng)是稍顯落后的。
 

 

　　并且，我國(guó)無人系統(tǒng)在適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景方面能力較弱。
 

 

　　綜合看來，現(xiàn)階段，我國(guó)的自主智能無人系統(tǒng)研究面臨不少挑戰(zhàn)。這其中就包括，自主無人控制系統(tǒng)無法適應(yīng)開放環(huán)境、無法適應(yīng)突發(fā)事件、簡(jiǎn)單的動(dòng)作仍會(huì)失效、無法適應(yīng)多項(xiàng)任務(wù)等。

 

　　此外，現(xiàn)階段的人工智能與仿生智能仍存在較大差距。就單體來看，人工智能難以在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)健壯和普適的機(jī)器智能，但仿生智能卻能快速適應(yīng)突變與對(duì)抗性的復(fù)雜環(huán)境，并做出正確的推理、決策和行動(dòng)。就群體來看，機(jī)器智能在環(huán)境突變情況下，固定程序的協(xié)同難以實(shí)現(xiàn)，而仿生智能在復(fù)雜群體間已讓有序。

 

　　總而言之，無人系統(tǒng)在指揮與決策、分布式控制、自主故障檢測(cè)、人為干預(yù)等方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。

 

 

　　盡管無人系統(tǒng)發(fā)展面臨重重考驗(yàn)，但解決問題依然有規(guī)律可循。事實(shí)上，只要“對(duì)癥下藥”，突破瓶頸并非不可能。

 

　　首先是協(xié)同指揮與決策問題。面臨任務(wù)環(huán)境不確定、決策信息不完全、通信交互受限等問題，無人系統(tǒng)的協(xié)同指揮與決策的智能化程度低，導(dǎo)致協(xié)同任務(wù)不能有效完成。此時(shí)，只要將角色的概念引入多無人系統(tǒng)，仿照人類協(xié)作模式設(shè)計(jì)協(xié)同框架，就能克服復(fù)雜條件對(duì)無人系統(tǒng)協(xié)同任務(wù)的影響。具體需要解決的瓶頸問題包括模型構(gòu)建、角色指派、協(xié)同決策和時(shí)序邏輯優(yōu)化。解決相應(yīng)問題的關(guān)鍵技術(shù)包括構(gòu)建基于角色的無人系統(tǒng)協(xié)同決策模型，多無人系統(tǒng)角色分析與指派、基于角色的無人系統(tǒng)隱式協(xié)同決策、時(shí)許邏輯下約束下的無人系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃。

 

　　其次，是分布式控制問題解決。無人系統(tǒng)分布式控制面臨通信受限、時(shí)延長(zhǎng)，不可直接預(yù)測(cè)等挑戰(zhàn)，因魯棒性差，導(dǎo)致理論適用范圍有限。幸而，全面輸出反饋分布式跟蹤控制技術(shù)、基于Tensegrity結(jié)構(gòu)的編隊(duì)控制、基于系統(tǒng)相對(duì)輸出的調(diào)節(jié)器、補(bǔ)償器設(shè)計(jì)能夠解決以上問題。

 

　　然后，是協(xié)同控制/攻擊檢測(cè)問題。事實(shí)上，多無人系統(tǒng)的故障檢測(cè)的規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通信能力有限且面臨的環(huán)境不確定，這些因素都增大了故障檢測(cè)的難度。然而，只要解決單節(jié)點(diǎn)能力有限的問題，通過構(gòu)建協(xié)同檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，就可借助節(jié)點(diǎn)之間的合作和群體優(yōu)勢(shì)賴完成對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)。具體方法包括系統(tǒng)檢測(cè)算法設(shè)計(jì)、殘養(yǎng)生成器設(shè)計(jì)，并采用平均一致性協(xié)議分布式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)算法，提高檢測(cè)算法的適用范圍及可擴(kuò)展性。

 

　　最后，是人與多機(jī)器人的共享控制問題。事實(shí)上，多機(jī)器人在高度受控的工業(yè)環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行，但若要將其運(yùn)用到真實(shí)環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，遙操作仍然是主要的控制方式。其中，一個(gè)亟待解決的問題是，如何將人為干預(yù)控制與系統(tǒng)的自動(dòng)化算法相結(jié)合。只有先解決這個(gè)問題，才能進(jìn)一步利用人工智能輔助機(jī)器人系統(tǒng)來指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)和規(guī)劃，才能利用機(jī)器人自動(dòng)化算法簡(jiǎn)化人的干預(yù)操作，降低人/機(jī)比例。而解決問題的關(guān)鍵，包括對(duì)人為干預(yù)意圖的理解與建模、基于優(yōu)化的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以及基于意圖場(chǎng)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。