人工智能在空间系统的应用

2018-06-14 06:09 来源:光明网-《光明日报》 

  作者:李明(中国航天科技集团五院副院长,国际宇航科学院院士、俄罗斯科学院院士)

  随着科技的发展,中国现在进入了一个空间技术高度发达的时代,空间技术跟人们的日常生活紧密结合。比如打开电视,看到的是卫星电视频道;开车用卫星导航;要了解天气,也是通过气象卫星发布的信息。同时,空间系统也进入了人工智能时代,人工智能对空间系统的发展非常重要。

  我国空间技术的发展稳步推进,从最早的东方红一号卫星非常简单的遥测遥控管理,到二十一世纪初实现自动控制,最近几年开始向自主控制方向发展,我国卫星的智能化程度稳步提高。

人工智能在空间系统的应用

神舟飞船与天宫二号交会对接。光明图片/视觉中国

  如果从最简单的手工操作一直到最高等级的能自主思考的类人航天器,空间飞行器的智能程度划分为六个等级,目前我国空间技术所处的阶段基本上在第二到第四阶段。比如,我国个别的在轨卫星已经具备了自主任务的规划能力,给卫星发一个操作信息,剩下的指令完全可以由卫星在轨道上自动生成,这样大大简化了卫星的控制和管理。

  空间系统对于人工智能的需求,从问题导向来看主要有这么几个方面:需要通过智能化的手段来提高管理能力;任务复杂、环境恶劣的时候,需要卫星具有一定的主动适应性;还有,人工辅助响应迟缓时,特别是对于一些遥远的探测任务,比如说火星探测任务,一个信号来回就需要十分钟的时间,如果仅通过地面控制的话不太及时,所以航天器需要本身有自主的能力,比如自主判断、自主决策、自主规划、自主执行。对卫星群体的智能协同,也有对人工智能技术的需求。

  空间人工智能,简单来说,就是指空间飞行器自主实现智能感知、决策、协同并且具备学习的能力,包括深度学习等,增强对未来的不确定环境下复杂任务的主动适应能力,来提高它的性能和构建。可以看到,空间系统的人工智能需求很迫切,同时技术难度也非常高。

  在国际上,人工智能的空间应用已经开始。比如像美国在2000年发射的“地球观测一号”,它在轨已经具备了对灾害进行初步判断,并且再次回到灾害点的时候主动进行拍摄的能力。

  自主分类方面,美国航空航天局在2017年发现的第二个太阳系就采用了人工智能技术,对它获取的图片进行了识别和分类。

  现在空间机器人的应用也已经初步呈现了“弱智能”。比如德国已经利用宇航员在地面的实验,可以对太空中损坏的太阳能电池板进行修复。还有美国航空航天局支持的在轨进行大尺度航天设施的建设和组装。如果这个技术能实现的话,大型天文望远镜就可以在太空中构建。

  我国的空间智能已经开发了大量相关应用,比如像图片识别、交会对接、导航定位、任务规划、故障诊断等。我国的全自主快速交会对接处于世界先进水平。嫦娥三号月球软着陆,这个过程时间很短,来不及进行人工干预,所有的降落过程中对月表的比如大石头、小的石块这样的识别完全是通过机器的感知来实现的。最后选择了一个小石头大石头都很少的安全区域实现了嫦娥三号的安全着陆,这就是全自主、快速的机器视觉与识别。另外我国也具备一定水平的自主识别类方面的能力,主要体现在遥感的一些数据处理这方面。

  我国最近研制的智能遥感卫星现在也具备了非常强的数据获取能力,比如敏捷成像。航天领域也正在进行智能制造方面的工作,包括人才流、资源流、信息流和推广流,实现中国航天工业的升级。

  我国未来空间系统的发展,对人工智能技术提出了迫切的需求,无论是在轨服务于深空探测,还是载人登月和空间基地、火星计划,都需要人工智能技术的应用和支撑。

  围绕空间技术、科学和应用三个领域以及相应的制造、探索和服务,笔者认为,人工智能在空间技术方面有五个最为核心的技术,包括星载高性能计算、空间大数据、机器学习、网络平台以及应用平台。其中高性能计算是所有这些智能应用的一个前提,因为智能实现的一个基础条件就是要高速的计算系统,这个计算系统比较特别的一点就是适应空间的高辐射、超低温、低功耗这样一些特殊需求,另外就是大数据方面围绕着卫星的设计、制造、实验、在轨运行这些大数据,也包括遥感这种大数据构建各类的数据中心。面向空间任务的机器学习,这方面包括了五类细分的关键技术,一个是智能感知,一个是自主决策与任务规划。

  智能操作和控制,包括对空间垃圾的抓捕和清理,空间机器人这方面的一些应用。未来一些任务的自主运行和管理,不依赖于人的参与或者是人机协同的管理能力。

  随着大规模卫星群的出现,围绕这些卫星群体将来的工作和协同,我国正在研究类似于像仿生、对生命群体的观察以及它们的一些规律,来构建一些机器人集成,协调集体控制模型算法和一些仿真的工作。未来构造的卫星群,有可能像鱼群、蜂群一样,也具有群智能这样的能力。

  发展人工智能,是我国的一项重大战略,空间技术的人工智能技术创新,不仅仅是航天系统的工作,也需要所有参与人工智能研究的企业、高校、科研院所共同努力,一起推进空间技术人工智能方面的发展,为我国航天强国的建设贡献力量。

  《光明日报》( 2018年06月14日 13版)

[责任编辑:徐皓]

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