智能自主系統(tǒng)及其航天控制應用*

柳嘉潤,鞏慶海,翟雯婧

(1.宇航智能控制技術國家級重點實驗室·北京·100854;2.北京航天自動控制研究所·北京·100854)

0 引 言

智能自主技術作為未來顛覆性技術的重要內容之一,已在美國多個公共智庫被提及和肯定。早在2013年9月,新美國安全中心發(fā)布了 《游戲規(guī)則改變者:顛覆性技術與美國國防戰(zhàn)略》一文,認為智能自主系統(tǒng)是可能在軍事領域造成一系列革命性變革的五大技術之一[1]。2014年1月6日,美國雜志《原子科學家公報》發(fā)表了 《即將到來的軍事科技》,將無人系統(tǒng)、智能自主系統(tǒng)、網絡武器、3D打印技術和定向能武器作為未來10年可對美軍產生深遠影響的五大新興技術領域。2014年2月和11月,美國 《國家利益》雜志2次刊文,提到了有知覺的無人飛行器、高超音速巡航導彈與全球快速打擊武器、空間武器、電磁軌道炮、超級隱身/量子隱身材等有望在未來數(shù)十年內改變戰(zhàn)爭形態(tài)的五大裝備與技術。2015年5月、6月,美國NASA(National Aeronautics and Space Administration,國家航空航天局)和USAF(United States Air Force,美國空軍)分別發(fā)布了NASA 2015技術路線圖草案[2]和自主地平線計劃[3],進一步闡述了航天、航空相關自主系統(tǒng)的發(fā)展方向和途徑。2017年7月,國務院印發(fā)了 《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,指出智能自主系統(tǒng)成為人工智能的發(fā)展重點[4]。要提升行業(yè)影響度、引領技術發(fā)展,同時滿足型號研制、專業(yè)發(fā)展、業(yè)務高效、軍民融合的多重需求,就必須大力發(fā)展適應航天特點的智能自主技術,尤其是控制與信息技術。

1 智能自主系統(tǒng)內涵

當前,學術界、工業(yè)界對智能相關有很多定義和分類方法,尚未達成共識。中國人工智能學會李德毅院士等積極推動智能科學與技術一級學科的設立,將智能技術分為腦認知、機器感知與模式識別、自然語言處理與理解、知識工程、機器人與智能系統(tǒng)5個領域[5]。有觀點將人工智能的核心歸為數(shù)據、算法、計算能力三大部分,也有專家學者將人工智能的功能劃分為認知、預測、決策、集成四類。

1.1 智能的概念

對無人系統(tǒng)而言,智能是指具備自動地獲取和應用知識的能力、思維與推理的能力、問題求解的能力和自動學習的能力。是個體對客觀事物進行合理分析、判斷及有目的地行動和有效地處理周圍環(huán)境事宜的綜合能力。依靠飛行器實現(xiàn)智能化的飛行控制,是人工智能的高級階段,是難度較大的研究方向。

1.2 自主的概念

自主是指擁有感知、觀察、分析、交流、計劃、制定決策和行動的能力,表示出無人系統(tǒng)自我管理的狀態(tài)和質量。能自行做出選擇的系統(tǒng)可稱為自主系統(tǒng)。其要點是不依賴人而作選擇。

1.3 智能自主系統(tǒng)特點

既智能、又自主的系統(tǒng),可稱為智能自主系統(tǒng)?；蛘哒f,智能自主系統(tǒng)是具備高等級智能性的自主系統(tǒng)。將智能自主系統(tǒng)的能力歸納為以下幾個方面。

(1)感知與理解 (Perception&Understanding)

感知是認知心理學中一個基本概念,包括感覺和知覺。感覺是對客觀事物個別屬性的反映,知覺則是整體反映。理解則是比感知更復雜的一種信息處理能力,更為抽象,也含有較多主觀色彩。

感知與理解的具體應用包括:PNT(Positioning,Navigation,and Timing,定位、導航授時);對自主系統(tǒng)內部狀態(tài)的感知;對自主系統(tǒng)周邊環(huán)境的感知;尋找突出特征,檢測異?；蛲话l(fā)事件;對目標的感知與識別;態(tài)勢感知;對數(shù)據的實時機載分析,對人類狀態(tài)、行為和意圖的理解與預測等方面。

(2)運動與操作 (Movement&Operation)

運動能力是指自主系統(tǒng)改變自身空間位置的能力,具有快速性、敏捷性、機動性等特點。操作能力是指自主系統(tǒng)改變外部環(huán)境的能力,主動地對外界環(huán)境施加影響,借此達到一定目的。它們都屬于執(zhí)行層面,需要通過控制來實現(xiàn)。

運動與操作的具體應用包括:根據需要運送物體;極端地形下的移動性;地表之下的移動性;極端條件下的交會和對接;捕獲和?？啃⌒行桥c非合作目標接近甚至超過人類水平的車輛駕駛或飛行器駕駛;接近甚至超過人類水平的靈巧操作安全的運動與操作;各種運動的控制等方面。

(3)學習與適應 (Learning&Adaption)

學習是指通過對輸入的外界信息進行處理,加工提煉后成為自身所掌握的知識。訓練是一種常見的學習方法,例如自主學習、遷移學習是當前熱點。適應是主動地調整或改變自身的參數(shù)、狀態(tài)甚至結構,改良自身的行為特征,以適應任務、外部環(huán)境、內部狀態(tài)的變化,通過調參、重構、修復、自演化等,都能提升系統(tǒng)自身的知識、技巧、性能,增強系統(tǒng)在其他方面的能力,從而能更好地適應環(huán)境、完成任務。

學習與適應的具體應用包括:從人類經驗或者其他機器人經驗中學習的系統(tǒng);對故障的適應、隔離與修復、容錯規(guī)劃、實時故障診斷和重規(guī)劃;基于學習成果的變參數(shù)、變結構、變外形、變推力等方面。

(4)規(guī)劃與決策 (Planning&Decision-Making)

規(guī)劃是指計算一系列有序行動的過程,能使世界由當前狀態(tài)轉變?yōu)槠谕麪顟B(tài),最優(yōu)地分配資源,并滿足硬約束、優(yōu)化軟約束。決策是指做出決定或選擇,是一種在各種替代方案中考慮各項因素做出選擇的認知、思考過程。規(guī)劃與決策是自主與自動相區(qū)別的一個關鍵特征,體現(xiàn)了預先設定和隨機應變的巨大區(qū)別。

規(guī)劃與決策的具體應用包括:多關節(jié)機械臂/機械手實時路徑規(guī)劃;車輛、飛行器、探測器等載體實時路徑規(guī)劃;可動態(tài)調節(jié)的任務規(guī)劃;戰(zhàn)術規(guī)劃與決策;滿足硬約束、優(yōu)化軟約束的資源分配等方面。

(5)溝通與協(xié)同 (Communication&Cooperative)

溝通是自發(fā)、主動、有目的性的向其他主體傳遞信息。協(xié)同是指多個主體共同完成某一公共的目標,強調整體效益,不排除犧牲個體效益。溝通與協(xié)同是自主系統(tǒng)與其他主體進行互動的行為方式,是智能自主系統(tǒng)的高級屬性。

溝通與協(xié)同的具體應用包括:信息摘要與報告;根據需要尋求指導;人-機接口;完全沉浸式的遠程呈現(xiàn);高效、安全、保密的通信;協(xié)同的感知與理解;協(xié)同的路徑規(guī)劃;協(xié)作中的學習、適應;異構系統(tǒng)的協(xié)同等方面。

2 智能控制系統(tǒng)與經典控制系統(tǒng)的關系

經典控制系統(tǒng)是一個由傳感器、控制律、執(zhí)行機構和被控對象構成的閉環(huán)系統(tǒng),它處于特定的環(huán)境條件之下。經典的控制系統(tǒng)與智能材料、智能認知、智能規(guī)劃與決策、智能計算、智能通信等新興因素進行有機結合,大大增強和擴展了控制系統(tǒng)的能力,也就形成了智能控制系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)還可以與其他智能系統(tǒng),包括人類在內,發(fā)生信息交互,甚至可以實現(xiàn)智能從人向裝備的轉移。

圖1 從控制系統(tǒng)向智能自主系統(tǒng)的延伸

回顧控制理論的發(fā)展歷程,1932年,奈魁斯特 (H.Nyquist)關于反饋放大器穩(wěn)定性的論文,開創(chuàng)了定量分析的閉環(huán)控制理論。隨后,在空間技術發(fā)展的推動下,控制理論得到了大發(fā)展。隨著計算機技術的發(fā)展,形成了智能控制理論和技術。電子信息科學技術與控制理論相結合,又使控制論向大系統(tǒng)理論發(fā)展,控制系統(tǒng)顯現(xiàn)出規(guī)模龐大、結構復雜、因素眾多、功能綜合的特點。

隨著被控對象日益復雜,原有的控制器設計方法和手段單一、性能與可靠性低,已經不能滿足控制系統(tǒng)的需求。因此,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)必將逐漸發(fā)展成理論體系完備的智能自主系統(tǒng)。

3 航天智能自主系統(tǒng)

3.1 航天智能自主系統(tǒng)的特點

與其他應用場景相比,航天智能自主系統(tǒng)有其自身特點?？蓺w納為:

(1)快速性或實時性

航天任務對于快速性和實時性要求比其他系統(tǒng)更高,同時,航天系統(tǒng)所面臨的問題更復雜、規(guī)模更大、層級更多,因此需要對航天智能自主系統(tǒng)有特殊的嚴格要求。

(2)可靠性與收斂性

在飛行器所處的特殊工作環(huán)境下,仍然要求確保系統(tǒng)的軟、硬件高可靠地實現(xiàn)期望功能。同時,規(guī)劃、決策、控制等在線的算法,往往要求可靠地收斂。還要求系統(tǒng)對故障的容忍、吸收、化解能力更強。

(3)不確定性、不可預知性和對抗性

除了眾所周知的模型不確定性之外,主要是指航天智能自主系統(tǒng)所處的工作環(huán)境和所能獲取的原始信息,往往具有不確定性、不可預知性。在空間探索等場景下,還要求智能系統(tǒng)能在很少甚至沒有先驗知識的前提下,完成探索任務。在軍事應用場景下,非合作、強對抗的色彩更重,甚至還存在欺騙性信息。

3.2 航天智能自主系統(tǒng)架構

結合航天場景,提出了一種基于信息流和知識流的系統(tǒng)框架,如圖2所示。

在環(huán)境與本體及目標感知模塊中,被感知或被控對象為飛行環(huán)境、本體及打擊目標。環(huán)境與本體及目標感知模塊是智能控制系統(tǒng)的眼、耳,具有看、聽的功能。通過環(huán)境與本體及目標感知獲取感知信息,通過動態(tài)知識庫的配合與輔助完成感知信息處理與融合,并將相應信息流轉化為知識流送入智能健康管理及智能規(guī)劃、決策與控制功能模塊。

智能健康管理模塊負責系統(tǒng)的故障檢測、識別、預示與自恢復,向智能規(guī)劃、決策與控制模塊提供生存和健康狀態(tài)等信息,并在必要時輸出功能或系統(tǒng)重構需求指令。

圖2 基于信息流與知識流的系統(tǒng)框架

智能規(guī)劃、決策與控制模塊是智能控制系統(tǒng)的大腦,具有信息處理和決策控制的功能。它由環(huán)境與本體及目標感知、智能健康管理、動態(tài)知識庫提供輸入信息,進行信息加工和智能規(guī)劃、決策,分為任務級和軌跡級2個層級,分別完成整個任務和自主執(zhí)行層面涉及的相應工作。其中任務級側重多目標、多約束、多任務的系統(tǒng)級規(guī)劃與決策,如任務目標的選擇與調整,軌跡級則側重具體單項任務的規(guī)劃與控制,如飛行軌跡的規(guī)劃及最優(yōu)指令的生成。軌跡級通過信號流將操作、控制與執(zhí)行指令輸出到飛行器本體,對智能材料、智能結構、本體環(huán)境等施加控制,構成了先進飛行器智能自主系統(tǒng)的整個閉環(huán)。

人機接口與動態(tài)知識庫連接,是實現(xiàn)知識動態(tài)更新和管控的手段之一,人的因素也通過人機接口引入到智能自主系統(tǒng)之中。

4 結束語

隨著控制與信息技術的發(fā)展、軍民融合的需要,智能自主系統(tǒng)已成為航天技術發(fā)展的戰(zhàn)略方向。相關的理論、方法、技術與產品,將顯著提升航天產品的智能化水平,實現(xiàn)顛覆性突破,推動和牽引戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展。控制論與信息論是人工智能理論的前身和基礎,覆蓋了系統(tǒng)工程中的所有環(huán)節(jié),對整個航天產品和產業(yè)的拉動作用大,同時與結構、材料等其他學科的關聯(lián)密切。航天控制的自主性強,基礎相對較好,同時航天工程遇到的不確定因素多,需要控制與信息技術來解決。因此,控制與信息技術是拉動整個航天智能技術發(fā)展的重要抓手。面對當前態(tài)勢,需要立足近年來開展智能控制相關工作的基礎,擺正心態(tài),發(fā)揮合力,做實當下,放眼未來,共同推動航天智能自主技術的快速發(fā)展。