無人系統(tǒng)免疫智能技術(shù)

郭雷，袁源，喬建忠，余翔

1. 北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 北京 100083 2. 北京航空航天大學(xué) 大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100083 3. 西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 西安 710072

1 研究背景與意義

2020年新型冠狀病毒的爆發(fā)對(duì)人類健康造成了嚴(yán)重威脅, 提高人類對(duì)于新型病毒的免疫能力和自愈能力已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)和生物學(xué)家近期的主要任務(wù)。動(dòng)物在億萬年進(jìn)化中, 面對(duì)病毒侵襲、環(huán)境劇變、天敵侵害、種群競爭等紛繁多樣的挑戰(zhàn), 依靠自身和群體的能力保證了物種的生存與進(jìn)化, 其中的病原識(shí)別、免疫、自愈和進(jìn)化能力是抵抗病毒、治愈病痛、戰(zhàn)勝天敵、適應(yīng)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)繁衍的關(guān)鍵要素。

智能系統(tǒng)的本質(zhì)是使得人工設(shè)計(jì)和制造的物理系統(tǒng)具有某些生物的功能。近年來, 人工智能技術(shù)在思維、感知和肌電反應(yīng)等領(lǐng)域已得到飛速發(fā)展，無人系統(tǒng)人工智能技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[1]。其中，受生物啟發(fā)的無人系統(tǒng)將基本的生物學(xué)原理轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)規(guī)則, 憑借“道法自然”的思想創(chuàng)造出像自然系統(tǒng)一樣工作的無人系統(tǒng), 使其“受生物啟發(fā)”但又具有“超越生物“的能力。文獻(xiàn)[2-3]分別闡述了生物無人系統(tǒng)和受生物啟發(fā)無人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與愿景。

動(dòng)物的生存和健康會(huì)受到病毒侵襲、肢體損傷和天敵侵害等方面的威脅。對(duì)無人系統(tǒng)而言，外界干擾、信號(hào)攻擊、不良影響、環(huán)境劇變等因素就像病毒和疾病, 會(huì)與無人系統(tǒng)、特別是復(fù)雜環(huán)境作業(yè)下的無人系統(tǒng)相伴相生。同時(shí), 正像動(dòng)物會(huì)受到肢體傷痛的影響, 無人系統(tǒng)在其生命期內(nèi)也存在傳感器失效、執(zhí)行器故障以及機(jī)構(gòu)損傷等問題。另外, 正如動(dòng)物在生物鏈中必須應(yīng)對(duì)天敵威脅、種群競爭的挑戰(zhàn)，無人系統(tǒng)也同樣面臨著在博弈、對(duì)抗環(huán)境中競爭生存的問題。

因此, 面對(duì)外部攻擊、干擾、對(duì)抗、拒止、封鎖、故障和博弈等復(fù)雜環(huán)境, 能否通過擬人化、智能化設(shè)計(jì)使無人系統(tǒng)具有免疫識(shí)別、免疫適應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)和免疫進(jìn)化能力的“免疫智能”系統(tǒng),使之像動(dòng)物一樣能夠適應(yīng)環(huán)境、抵御疾病、克服傷痛和對(duì)抗天敵，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。以往免疫算法研究大多針對(duì)軟件的可靠性框架和過程控制的優(yōu)化算法(參見文獻(xiàn)[4-5])，具有應(yīng)對(duì)干擾、攻擊、損傷、對(duì)抗和博弈環(huán)境能力的無人系統(tǒng)免疫智能技術(shù)尚是一個(gè)空白的研究領(lǐng)域。免疫智能的研究目標(biāo)在于將生物體的免疫原理和進(jìn)化能力凝練成一種規(guī)則或機(jī)制用來指導(dǎo)無人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得無人系統(tǒng)可以像動(dòng)物一樣應(yīng)對(duì)疾病侵襲、傷痛折磨、環(huán)境突變和天敵威脅。

動(dòng)物的免疫過程涉及分子、細(xì)胞、組織、神經(jīng)以及行為等不同層面。就無人系統(tǒng)而言，在對(duì)抗博弈等復(fù)雜環(huán)境下保證健康和生存，也需要從材料、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航、控制、決策和管理等角度開展研究。受篇幅所限，本文重點(diǎn)從組織、神經(jīng)和行為的視點(diǎn)研究具有免疫智能的無人系統(tǒng)導(dǎo)航、控制、決策和管理方法和技術(shù)。下面分別從疾病感知與診斷、適應(yīng)和調(diào)節(jié)、學(xué)習(xí)和進(jìn)化3個(gè)方面進(jìn)行探討。

2 研究框架與內(nèi)容

2.1 感知和診斷技術(shù)

動(dòng)物通過不同的異狀反應(yīng)如發(fā)燒、咽喉腫痛等來表征疾病的出現(xiàn)。對(duì)于某些病毒, 動(dòng)物甚至可以通過應(yīng)激和誘導(dǎo)模式來識(shí)別和診斷?，F(xiàn)有無人系統(tǒng)感知技術(shù)存在3個(gè)瓶頸：其一是靈敏性差，大多局限于目標(biāo)、任務(wù)和環(huán)境感知, 對(duì)于干擾、故障和威脅的感知和診斷能力不足, 靈敏性和精確性較差。其二是隱蔽性差，易于被干擾和欺騙，被天敵發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)有的無人系統(tǒng)感知技術(shù)過于依賴信息化、網(wǎng)絡(luò)化能力, 依靠介質(zhì)間的大量信息傳輸和交換, 對(duì)于多源干擾、故障的感知和診斷不具備自主性、隱蔽性和自耐性。不僅使得無人系統(tǒng)的自主性弱化, 而且難以避免病毒的欺騙性和傳染性。在面對(duì)天敵可能的襲擊時(shí), 也極易被過早發(fā)現(xiàn)意圖、暴露行為。如果失去網(wǎng)絡(luò)傳輸能力, 無人系統(tǒng)往往就變成了聾子和瞎子, 完全失去對(duì)于病毒和疾病的自主診斷能力。其三是能耗過大，大量的信息傳輸與交換會(huì)消耗大量能源，不利于無人系統(tǒng)的長時(shí)間作業(yè)和遠(yuǎn)距離作業(yè)。

因此, 對(duì)應(yīng)于動(dòng)物診斷病毒、發(fā)現(xiàn)天敵的機(jī)制，無人系統(tǒng)亟需解決在干擾、故障、對(duì)抗和攻擊模式下具有自主性、隱蔽性和靈敏性的病毒感知和診斷能力，實(shí)現(xiàn)靈敏識(shí)別、自主隱藏和自主隔離[6]。文獻(xiàn)[7]從內(nèi)部、外部和模型3個(gè)視角闡述了復(fù)雜系統(tǒng)多源干擾的物理來源、數(shù)學(xué)表征、量化分析、干擾估計(jì)、前饋補(bǔ)償、反饋抑制和溯源設(shè)計(jì)等問題。對(duì)應(yīng)地看，病毒侵襲相當(dāng)于無人系統(tǒng)的外部攻擊，并可造成內(nèi)部信號(hào)和鏈路干擾；環(huán)境劇變相當(dāng)于無人系統(tǒng)外部干擾、系統(tǒng)參數(shù)和模式變化；肌體損傷可描述為無人系統(tǒng)內(nèi)部傳感器、執(zhí)行器失效以及結(jié)構(gòu)破壞等問題；天敵威脅可以描述為一個(gè)博弈對(duì)抗環(huán)境的識(shí)別和優(yōu)化問題[8-10]。

從感知靈敏性角度, 多源干擾估計(jì)與分離、未知信號(hào)識(shí)別與辨識(shí)、異構(gòu)分布式傳感、未知信號(hào)激勵(lì)與誘導(dǎo)等技術(shù)將成為潛在的研究熱點(diǎn)。從自主性和隱蔽性角度，無源導(dǎo)航定位技術(shù)、變頻多域視聽信息融合、盲區(qū)安全規(guī)劃與接近控制等技術(shù)也將成為重要的研究內(nèi)容。

2.2 適應(yīng)和調(diào)節(jié)技術(shù)

生物在遇到病毒侵害時(shí), 可在分子、細(xì)胞、神經(jīng)、組織和行為等層面啟動(dòng)免疫反應(yīng)機(jī)制, 針對(duì)不同病原體產(chǎn)生抗體、吞噬細(xì)胞等進(jìn)行抵御?，F(xiàn)有無人系統(tǒng)著重從設(shè)計(jì)層面通過器件冗余、結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等物理隔離手段增加魯棒性和可靠性。但是, 對(duì)于復(fù)雜多變的干擾、攻擊、故障等不可預(yù)計(jì)的無人系統(tǒng)“病毒”, 能否使得無人系統(tǒng)完成自主的隔離、抵御和抵消任務(wù)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。其中, 病毒模式的表征和分析、主被動(dòng)免疫反應(yīng)、精準(zhǔn)“靶向”抗體激勵(lì)是涉及的三大任務(wù), 這些問題目前仍是無人系統(tǒng)控制領(lǐng)域尚未有效解決的問題。

免疫控制方法和免疫優(yōu)化方法近年來得到了重視，并取得了很大進(jìn)展(參見文獻(xiàn)[11-15])。以往的研究大多從控制算法和目標(biāo)優(yōu)化角度體現(xiàn)和反映免疫反應(yīng)的部分環(huán)節(jié)和功能, 沒有能夠從傳播和反饋層面刻畫免疫過程、機(jī)制和體系結(jié)構(gòu), 因此應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果受到很大限制，不能從根本上解決被控對(duì)象應(yīng)對(duì)病毒侵襲、環(huán)境劇變、肌體損傷和天敵威脅等問題，更無法使得無人系統(tǒng)具有免疫智能的能力。因此，從免疫機(jī)制、過程和系統(tǒng)的角度研究免疫適應(yīng)和調(diào)節(jié)問題是一個(gè)具有重要意義的理論和工程問題。

另一方面，生物體在免疫過程中產(chǎn)生各種諸如發(fā)燒之類的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體損傷。因此，生物體在免疫過程中具有自身免疫耐受性，避免為抗病毒而使其他器官和功能受到過度損傷。而且也避免自身能量的過快損失。同樣, 無人系統(tǒng)在抗病毒過程中也會(huì)產(chǎn)生超調(diào)、飽和、能量過度消耗等不利現(xiàn)象。如何使無人系統(tǒng)具有自身免疫耐受性和能量的優(yōu)化管理是未來的一個(gè)研究重點(diǎn)。在已受到病毒侵害和損傷的情況下, 具有主被動(dòng)適應(yīng)性的病毒抵御方法涉及無人系統(tǒng)多約束條件下的多目標(biāo)優(yōu)化問題[8]。

生物的免疫和自愈能力啟發(fā)人們?cè)谀芰坑邢蕖⒉辉黾佑布那闆r下設(shè)計(jì)主被動(dòng)適應(yīng)、抗體激勵(lì)和調(diào)節(jié)方法，保證在干擾和損傷模式下的無人系統(tǒng)生存能力。對(duì)應(yīng)動(dòng)物的免疫適應(yīng)和免疫調(diào)節(jié)原理，即使是從現(xiàn)代信息論和控制論的角度, 也有很多亟待解決的理論問題。例如，在能量固定、增益飽和的模式下, 多源干擾和未知輸入的可觀性和可抗性問題、同時(shí)抑制和抵消問題、故障模式下的自修復(fù)和自重構(gòu)問題[7-10]。

2.3 學(xué)習(xí)和進(jìn)化技術(shù)

動(dòng)物在應(yīng)對(duì)病毒過程中會(huì)產(chǎn)生抗體, 還可以克隆有效的吞噬細(xì)胞, 同時(shí)抗體也會(huì)隨著病毒的變異而進(jìn)化。免疫系統(tǒng)應(yīng)該具備典型病毒的應(yīng)答機(jī)制、應(yīng)激反應(yīng)、反射機(jī)制和記憶功能。對(duì)于無人系統(tǒng)而言, 首先要學(xué)習(xí)作業(yè)環(huán)境中可能存在的病毒、疾病和傷痛模式, 完成數(shù)學(xué)上的表征和描述,這個(gè)過程是一個(gè)對(duì)應(yīng)于遺傳的離線學(xué)習(xí)階段。經(jīng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后, 還可以通過自適應(yīng)、自組織的優(yōu)化過程來實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和估計(jì)。從神經(jīng)層面看, 相當(dāng)于設(shè)計(jì)多個(gè)自學(xué)習(xí)、自組織回路來體現(xiàn)動(dòng)物的聯(lián)想記憶、神經(jīng)應(yīng)激和再生過程[16]。

雖然群體免疫的思想在人類社會(huì)中充滿爭議，但是卻可以給無人系統(tǒng)免疫算法設(shè)計(jì)帶來啟示。對(duì)于遭受攻擊或干擾的無人系統(tǒng)集群，賦予集群中每個(gè)子系統(tǒng)免疫能力的代價(jià)過大。可以通過無人系統(tǒng)集群的異構(gòu)分布式設(shè)計(jì)，提高病原識(shí)別和抗體激勵(lì)能力，降低攻擊或干擾沿拓?fù)鋫鞑サ哪芰?，從而形成真正的“群體免疫”。這種分布式異構(gòu)設(shè)計(jì)不同于目前熱門的集群控制方法，將免疫過程對(duì)應(yīng)的抗體細(xì)胞、酶細(xì)胞、淋巴細(xì)胞以及吞噬細(xì)胞等分別對(duì)無人系統(tǒng)集群的個(gè)體賦能，實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)集群的免疫。通過事件觸發(fā)和拓?fù)渖傻葯C(jī)制，可實(shí)現(xiàn)無人集群的再生和重構(gòu)。

進(jìn)化是動(dòng)物個(gè)體和種群得以延續(xù)的重要保證, 目前的進(jìn)化算法大多從任務(wù)的優(yōu)化角度開展研究, 如何從應(yīng)對(duì)病毒侵襲、天敵威脅和環(huán)境劇變的角度開展神經(jīng)回路網(wǎng)絡(luò)的生成進(jìn)化研究仍然是一個(gè)難題, 這對(duì)于博弈和對(duì)抗環(huán)境下的無人系統(tǒng)生存問題具有重要意義。未來的研究重點(diǎn)包括：設(shè)計(jì)無人系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力的在線信息檢測和識(shí)別回路, 使無人系統(tǒng)在病毒和損傷情況下完成拓?fù)?、機(jī)構(gòu)和任務(wù)重構(gòu)任務(wù)。最終使無人系統(tǒng)在博弈和對(duì)抗環(huán)境下通過學(xué)習(xí)形成記憶能力, 并通過遺傳和克隆機(jī)制共享記憶, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)抗和干擾等各種抗原的迅速免疫。

3 結(jié)論與建議

受到生物體病原識(shí)別、應(yīng)激與進(jìn)化功能的啟發(fā), 本文從感知與診斷、免疫與自愈、學(xué)習(xí)與進(jìn)化等方面介紹了免疫無人系統(tǒng)的發(fā)展前景和研究方向。免疫無人系統(tǒng)的特點(diǎn)是在使無人系統(tǒng)面對(duì)外部攻擊、干擾、對(duì)抗、拒止、封鎖、故障和博弈等復(fù)雜工況時(shí)具有病原識(shí)別、抗體誘導(dǎo)、應(yīng)激反射、神經(jīng)再造、聯(lián)想記憶、群體協(xié)同和種群進(jìn)化等免疫與自愈能力, 保證自我耐受性的條件下自主地監(jiān)控潛在威脅、防御病毒侵害、抵御外界入侵、調(diào)控自身肌體、完善應(yīng)變機(jī)制、實(shí)現(xiàn)機(jī)能進(jìn)化、保障健康運(yùn)行。

具體來說，具有免疫智能的無人系統(tǒng)應(yīng)該具備以下4種能力：① 自隱：非對(duì)稱監(jiān)視條件與易感環(huán)境下的態(tài)勢感知與隱蔽潛伏能力；② 自耐：在能量受限條件、陌生惡劣生態(tài)、無支援對(duì)抗模式下的耐受能力；③ 自愈：受攻擊、感染、損傷、故障模式下的生存、反擊能力；④ 自生：在病毒變異、攻擊升級(jí)的情況下具有對(duì)于干擾、攻擊的聯(lián)想、記憶、學(xué)習(xí)與進(jìn)化能力。免疫智能技術(shù)主要應(yīng)用于非理想環(huán)境(如軍事對(duì)抗、生態(tài)惡劣、反恐防暴、瘟疫污染等)和非合作態(tài)勢(如干擾、攻擊、對(duì)抗、損傷、故障和博弈模式)。從追求任務(wù)的精準(zhǔn)性轉(zhuǎn)化到惡劣、對(duì)抗環(huán)境下的生存能力、隱蔽能力和自愈能力。

免疫智能技術(shù)給無人系統(tǒng)提出了一些新的挑戰(zhàn)，包括未知信號(hào)識(shí)別與辨識(shí)、干擾誘導(dǎo)與激勵(lì)、多源干擾學(xué)習(xí)與分離、監(jiān)視規(guī)避與隱蔽、分布式異構(gòu)運(yùn)動(dòng)感知與調(diào)度、能量自主管理與分配、無源自主導(dǎo)航定位、多域視聽信息融合、盲區(qū)安全規(guī)劃與接近控制、多源干擾自耐抑制與補(bǔ)償、損傷模式自愈與重構(gòu)、安全拓?fù)渖膳c進(jìn)化，這些方向可望成為智能系統(tǒng)技術(shù)未來發(fā)展的重要內(nèi)容。