智能無人系統(tǒng)改變未來

張思齊，沈鈞戈，郭 行，閆 杰，，徐德民，4

（1.西北工業(yè)大學(xué)無人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)無人系統(tǒng)技術(shù)研究院，西安 710072；3.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，西安 710072；4.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安 710072）

1 引 言

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步拓寬和提升了人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界、利用世界的能力，機(jī)械化、電氣化拓展和提升了人類的體能，信息化、智能化提升了人類的智能，智能無人系統(tǒng)將機(jī)械化、電氣化、信息化、智能化集成融合為一體，將人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界、利用世界的能力提高到一個(gè)新的歷史水平，將推動(dòng)生產(chǎn)方式、生活方式、作戰(zhàn)模式、社會(huì)文化和社會(huì)治理等方面發(fā)生深刻的、顛覆性的改變。

21世紀(jì)以來，無人系統(tǒng)快速發(fā)展，從空中到空間，從陸地到海洋，從物理系統(tǒng)到信息系統(tǒng)，各種類型的智能無人系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，無人機(jī)、無人車、無人艦船、無人潛航器、各種機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、交通、教育、醫(yī)療保健、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。智能無人系統(tǒng)是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、軍事變革的新引擎。本文將從農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育、交通和軍事方面介紹智能無人系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

2 智能無人系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展

2.1 智能無人農(nóng)業(yè)

十九大報(bào)告指出，要加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展，推動(dòng)我國從農(nóng)業(yè)大國向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國加快邁進(jìn)［1］。智能無人系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，推動(dòng)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、綠色發(fā)展的重要技術(shù)途徑。

智能無人系統(tǒng)可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，2017年我國農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化水平達(dá)到了67%［2］，在機(jī)械化基礎(chǔ)上推動(dòng)先進(jìn)的智能化發(fā)展是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的重要技術(shù)途徑。智能無人農(nóng)業(yè)可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用率，在人口老齡化、勞動(dòng)力下降的情況下，保證全國人民吃得飽。

圖1 無人系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，得到廣泛應(yīng)用

陜西省是蘋果種植大省，傳統(tǒng)的人工蘋果采摘方法，不僅效率低而且容易產(chǎn)生損傷。利用智能采摘蘋果機(jī)器人可以精準(zhǔn)判斷蘋果的大小和成熟度，既可以提高采摘效率，一臺(tái)可以抵?jǐn)?shù)十人的采摘工作，還可以提高采摘品質(zhì)。

圖2 采摘蘋果機(jī)器人

綠色農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向，全國政協(xié)委員、農(nóng)業(yè)部總經(jīng)濟(jì)師錢克明表示，我國化肥的施用量是發(fā)達(dá)國家的3～4倍，我國每年使用的農(nóng)藥高達(dá)140多萬噸，占世界總量的1/3?；屎娃r(nóng)藥的過度使用不僅污染環(huán)境，使農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量降低，還會(huì)增加農(nóng)業(yè)成本。精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥的智能無人系統(tǒng)，可以辨別連人眼都看不明顯的害蟲，可針對(duì)蟲害部位及蟲害類型殺蟲，精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥，有效減少殺蟲劑使用量，達(dá)到最佳的殺蟲效果。智能水肥無人系統(tǒng)，識(shí)別作物種類及強(qiáng)弱生長狀況，進(jìn)行全自動(dòng)灌溉精準(zhǔn)施肥，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉、施肥的定時(shí)、定量控制，充分提高水肥利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)肥，改善土壤環(huán)境，提高作物品質(zhì)的目的。除草劑也是一種污染源，雜草檢測無人系統(tǒng)可以精準(zhǔn)地區(qū)分農(nóng)作物和雜草，并檢測出雜草的位置，高精度地和有針對(duì)性地使用除草劑，可減少90%的除草劑用量，推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)進(jìn)程。智能無人農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展可減少農(nóng)藥、化肥和除草劑使用，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展、保護(hù)環(huán)境，在吃得飽的基礎(chǔ)上吃得更好、更健康。

圖3 2016年我國化肥和農(nóng)藥使用情況

智慧農(nóng)業(yè)涉及農(nóng)業(yè)電子商務(wù)、農(nóng)業(yè)信息服務(wù)等方面內(nèi)容，可以根據(jù)病蟲害發(fā)展規(guī)律、氣候變化、市場規(guī)律等因素，進(jìn)行種植決策，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；通過大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段進(jìn)行市場預(yù)測，變“以產(chǎn)定銷”為“以銷定產(chǎn)”，適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活節(jié)奏，創(chuàng)造更大的價(jià)值。通過農(nóng)業(yè)規(guī)?；⒕G色化、智慧化生產(chǎn)，可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展，全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)強(qiáng)、農(nóng)村美、農(nóng)民富的發(fā)展目標(biāo)。

2.2 智能無人醫(yī)療

醫(yī)療是當(dāng)前社會(huì)大眾關(guān)注的熱點(diǎn)問題，關(guān)注焦點(diǎn)在于看病難、看病貴，以及優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源利用不充分、分布不平衡。智能無人醫(yī)療可以使優(yōu)質(zhì)醫(yī)療服務(wù)大眾化、精準(zhǔn)化、精細(xì)化發(fā)展，是解決民生醫(yī)療問題的重要途徑。

（1）優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源大眾化。IBM公司的Watson機(jī)器人可對(duì)醫(yī)療影像進(jìn)行快速讀片和智能判斷，進(jìn)而規(guī)劃個(gè)性化的診療方案，提高診療效率。Watson機(jī)器人對(duì)三種癌癥診斷吻合度可以達(dá)到權(quán)威治療方案的90%左右，但診斷時(shí)間卻縮短78%。2017年，Watson醫(yī)療機(jī)器人在我國已經(jīng)面向大眾推廣使用，未來的優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源將進(jìn)一步大眾化。

表1 Watson機(jī)器人診斷癌癥吻合度

（2）醫(yī)療診斷精準(zhǔn)化。2018年9月28號(hào)，“2018西安硬科技中國AI+醫(yī)療創(chuàng)新大會(huì)”在陜西西安召開，來自主會(huì)場（陜西西安）和分會(huì)場（青海西寧）兩地近百名國內(nèi)頂尖神經(jīng)內(nèi)科專家與“領(lǐng)創(chuàng)醫(yī)學(xué)大腦DeepDoc”進(jìn)行腦膜炎的醫(yī)學(xué)診斷競賽。最終西安主會(huì)場醫(yī)生平均診斷準(zhǔn)確率為38%、西寧分會(huì)場醫(yī)生平均診斷準(zhǔn)確率為39%，而DeepDoc平均診斷準(zhǔn)確率達(dá)到80%。結(jié)果表明，DeepDoc的平均診斷準(zhǔn)確率高出了人類醫(yī)生1倍?？梢?，智能診斷機(jī)器人超越醫(yī)生的認(rèn)知，使診斷更加準(zhǔn)確，識(shí)別率更高，顯著降低誤診、漏診出現(xiàn)概率。

表2 腦膜炎診斷人機(jī)比賽結(jié)果

（3）醫(yī)療用藥精細(xì)化。我國抗生素、抗菌藥物的使用存在著嚴(yán)重不合理的狀況，其中抗生素的使用量是發(fā)達(dá)國家的3～4倍，藥物綜合不良反應(yīng)發(fā)生率為10%～20%，重度抗菌藥物不良反應(yīng)發(fā)生為473.8萬人次/年。而智能無人醫(yī)療可以針對(duì)病例特征和病史等情況對(duì)癥下藥、精細(xì)用藥，保證在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間使用最合適的藥品和藥量，杜絕藥品亂用、濫用現(xiàn)象，同時(shí)降低醫(yī)療成本，有效解決醫(yī)療“看病貴”的問題。

十九大報(bào)告提出，要實(shí)施健康中國戰(zhàn)略，改善民眾生活品質(zhì)和健康水平。智能無人醫(yī)療系統(tǒng)可以解決優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源不均衡和相對(duì)匱乏的窘境，并監(jiān)測個(gè)人健康狀況，保證及時(shí)、及早治療，還能提前預(yù)防流行病蔓延，防患于未然。也正因此，2012年以來，我國智能無人醫(yī)療融資額由30萬美元發(fā)展到2017年的824萬美元，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

圖4 我國智能無人醫(yī)療融資變化曲線

2.3 智能無人教育

教育也是當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)，關(guān)注的焦點(diǎn)仍然是優(yōu)質(zhì)教育資源不充分、不平衡的問題。十九大報(bào)告提出，要把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化。智能無人教育是實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化辦好人民滿意教育的主要技術(shù)途徑?！秶医逃聵I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提到，支持學(xué)校建設(shè)智慧校園，綜合利用大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來教育教學(xué)新模式［3］。智能無人教育有三大特征——網(wǎng)絡(luò)化、智能化、無人化。

智能無人教育的特征之一是網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)教育既可以免費(fèi)提供優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，又可提供完整的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；即時(shí)互動(dòng)，有利于留下思想碰撞的火花和靈感閃現(xiàn)的痕跡。目前，我國高等學(xué)校正在推廣互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范區(qū)，示范區(qū)以互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)課堂與移動(dòng)課堂的整合與統(tǒng)一。課堂學(xué)習(xí)的空間和時(shí)間極大擴(kuò)展，并支持學(xué)習(xí)者和助學(xué)者在課前、課中和課后的互動(dòng)式、社交化學(xué)習(xí)?；ヂ?lián)網(wǎng)教學(xué)示范區(qū)可進(jìn)一步提升其智能化和無人化的水平，是未來智能無人教育的雛形。

圖5 西北工業(yè)大學(xué)互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)示范區(qū)

智能無人教育的特征之二是智能化。通過借助大數(shù)據(jù)與AI技術(shù)，針對(duì)每一位學(xué)生生成個(gè)性化知識(shí)圖譜，進(jìn)而精準(zhǔn)推薦個(gè)性化學(xué)習(xí)資源，幫助學(xué)生按圖索驥、高效學(xué)習(xí)。智能無人教育系統(tǒng)可承擔(dān)大部分重復(fù)性工作，大幅度提高優(yōu)秀教師的工作效率，為教師減負(fù)增效?？拼笥嶏w作為教育技術(shù)引領(lǐng)企業(yè)，通過人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，為廣大教育用戶提供了覆蓋“教、學(xué)、考、評(píng)、管”的一系列典型特色的智能教育應(yīng)用案例，通過智慧的教與學(xué)，促進(jìn)全體學(xué)生實(shí)現(xiàn)符合個(gè)性化成長規(guī)律的智慧發(fā)展。

智能無人系統(tǒng)的特征之三是無人化。大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程（Massive Open Online Courses，MOOC）教育、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是無人教育的初級(jí)階段，它們可朝著無人化發(fā)展，是智能無人課堂的未來發(fā)展趨勢(shì)之一，是下一代未來課堂的標(biāo)配。人大附中在課堂上引入VR技術(shù)，學(xué)生被帶入微觀或宏觀的虛擬世界中，身臨其境地觀察、探究，極大激發(fā)了學(xué)生的興趣和好奇心，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。它還將學(xué)科的復(fù)雜知識(shí)和抽象結(jié)構(gòu)形象展現(xiàn)，幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)。無人化特征使得教師可大規(guī)模教學(xué)，任何人可隨時(shí)學(xué)習(xí)，使得優(yōu)質(zhì)教育資源大眾化。

圖6 VR技術(shù)走進(jìn)課堂

智能無人教育系統(tǒng)正在改變教育生態(tài)環(huán)境，改變教育觀念和教育方式，但教育傳承文化、創(chuàng)新知識(shí)和培養(yǎng)人才的本質(zhì)不會(huì)變，立德樹人的根本目的更不會(huì)改變。

2.4 智能無人駕駛

無人駕駛是智能無人系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要應(yīng)用方向，它涉及無人駕駛飛機(jī)、無人駕駛車輛、無人船、無人潛航器等行業(yè)領(lǐng)域。

交通出行作為當(dāng)前社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題，關(guān)注焦點(diǎn)是交通擁堵、停車難和尾氣排放問題，而智能無人駕駛是解決這些問題的一個(gè)重要技術(shù)途徑。

圖7 無人駕駛涉及多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域

智能無人駕駛的未來市場十分巨大。全球無人駕駛行業(yè)發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)白熱化趨勢(shì)，在《無人駕駛汽車行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》中指出，2018年全球無人駕駛汽車市場規(guī)模達(dá)到48.2億美元，2021年將達(dá)70.3億美元；2035年，全球無人駕駛汽車銷量將達(dá)2100萬輛［4］；谷歌、優(yōu)步、福特、特斯拉等正在全力爭奪無人駕駛市場。

我國有望成為全球最大的無人駕駛市場。2017年《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中指出，力求2026年到2030年，每輛車都采用無人駕駛或輔助駕駛系統(tǒng)［5］。行業(yè)研究機(jī)構(gòu)IHS Research預(yù)測，2035年中國無人駕駛汽車市場份額為24%［4］。我國無人駕駛?cè)孢M(jìn)入開放道路測試階段，2018年3月，我國發(fā)出第一張無人駕駛路測牌照，至今國內(nèi)數(shù)十家公司拿到路測牌照。

圖8 2018年9月28日，百度阿波龍?jiān)趶V東潼湖科技小鎮(zhèn)正式落地運(yùn)營

智能無人駕駛的發(fā)展不僅是車輛本身的問題，更是交通的系統(tǒng)工程，涉及到車輛技術(shù)的完善，智慧道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，還有法律法規(guī)的健全。

此外，無人化是重型卡車發(fā)展的一個(gè)重要方向?！?018年中國物流科技發(fā)展研究報(bào)告》指出，物流行業(yè)要著重發(fā)展智能無人重卡［6］。智能無人重卡可以使每輛重卡配備的司機(jī)從2～3人減少到1人，創(chuàng)造市場價(jià)值高達(dá)5000億元；車輛的動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)和跟車行駛系統(tǒng)可以減低單位油耗；還可以降低事故率，提高安全性，節(jié)省物流成本。

2.5 軍用智能無人系統(tǒng)

十九大報(bào)告明確提出“加快軍事智能化發(fā)展”要求，軍用智能無人系統(tǒng)是軍事智能化的關(guān)鍵領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域的智能無人化發(fā)展是“加快軍事智能化發(fā)展”的重要內(nèi)容，也是軍事智能“由人向物”遷移的關(guān)鍵領(lǐng)域［7］。

截至今年，美軍已發(fā)布8個(gè)版本的無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖，大力推進(jìn)軍用智能無人系統(tǒng)發(fā)展。無人化作戰(zhàn)被列為改變未來作戰(zhàn)模式的十大顛覆性技術(shù)之首；無人化戰(zhàn)場將成為未來軍事沖突的重要特征；軍用智能無人系統(tǒng)將會(huì)支配戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)，在地面、空中，尤其是太空戰(zhàn)中將占主導(dǎo)地位。

圖9 ALPHA操作F15戰(zhàn)勝人類飛行員操作F22

圖10 未來軍用智能無人系統(tǒng)分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)方式

軍用智能無人系統(tǒng)可以顯著增強(qiáng)陸、海、空等多軍種的作戰(zhàn)能力。美軍地面X戰(zhàn)車技術(shù)項(xiàng)目使陸地戰(zhàn)車具有戰(zhàn)場智能感知、靈活機(jī)動(dòng)智能躲避和電磁隱身等優(yōu)秀作戰(zhàn)能力，改變地面作戰(zhàn)方式。美軍反潛戰(zhàn)持續(xù)跟蹤無人艇可以智能自主的進(jìn)行潛艇偵測、追蹤，并具有優(yōu)異的續(xù)航能力，航行數(shù)千千米，持續(xù)數(shù)月，顯著提高反潛能力。

分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)是軍用智能無人系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一［8］，系統(tǒng)將由集中式綜合性作戰(zhàn)平臺(tái)向分布式協(xié)同作戰(zhàn)單元發(fā)展。2015年美軍啟動(dòng)的拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）項(xiàng)目中，通訊無人機(jī)、電子戰(zhàn)無人機(jī)、攻擊無人機(jī)等采用智能協(xié)同模式，顯著提高了空軍介入作戰(zhàn)能力。

高度人機(jī)融合協(xié)同作戰(zhàn)是軍用智能無人系統(tǒng)未來的另一個(gè)發(fā)展方向［9］。2016年，美軍大力推進(jìn)忠誠僚機(jī)項(xiàng)目。在未來無人戰(zhàn)場，人機(jī)高度融合可實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)、復(fù)雜的作戰(zhàn)功能和作戰(zhàn)方式，降低戰(zhàn)爭損失和人員傷亡，獲得未來戰(zhàn)爭優(yōu)勢(shì)。

軍用智能無人系統(tǒng)的第三個(gè)發(fā)展方向是集群作戰(zhàn)。群體智能是人工智能自主性的高級(jí)階段，軍用智能無人系統(tǒng)將由“智能個(gè)體作戰(zhàn)”向“智能集群作戰(zhàn)”發(fā)展。2016年，美軍的進(jìn)攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)（OFFSET）項(xiàng)目，不僅將數(shù)量優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量優(yōu)勢(shì)，整體功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個(gè)體功能的疊加，而且抗摧毀能力強(qiáng)，個(gè)體成本低，作戰(zhàn)效費(fèi)比高。

圖11 軍用智能無人系統(tǒng)集群作戰(zhàn)

3 結(jié)束語

智能無人系統(tǒng)正在成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要著力點(diǎn)。目前，智能無人系統(tǒng)的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，還要在發(fā)展中不斷完善。智能無人系統(tǒng)的發(fā)展也面臨一些問題和挑戰(zhàn)，比如說有人擔(dān)心智能無人系統(tǒng)發(fā)展會(huì)產(chǎn)生失業(yè)。據(jù)劍橋的學(xué)者預(yù)測，未來10～20年，美國702個(gè)工種中將有47%的崗位有可能被淘汰，國際無人協(xié)會(huì)也預(yù)測智能無人系統(tǒng)的發(fā)展將為美國提供7萬個(gè)重要高薪崗位。也有人擔(dān)心智能無人系統(tǒng)的能力可能超過人類，可能會(huì)對(duì)人類的安全構(gòu)成威脅。然而，在無人系統(tǒng)智能化發(fā)展過程中，它不能具有主觀意志、自主意識(shí)，也不能自主進(jìn)化，其所執(zhí)行的動(dòng)作是由人來支配、操縱的。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展還是要以人為本，人的主導(dǎo)作用也不會(huì)發(fā)生改變，有人又在考慮為智能無人系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)法律調(diào)節(jié)器，讓智能無人系統(tǒng)學(xué)習(xí)倫理道德和法律法規(guī)，受到法律法規(guī)的約束。

智能無人系統(tǒng)發(fā)展的整個(gè)進(jìn)程必然會(huì)遇到很多的挑戰(zhàn)和困難，但是這些挑戰(zhàn)和問題只能在發(fā)展的實(shí)踐中逐漸得到解決，畢竟辦法總比問題多。