人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用探究

潘昱達(dá)

摘 要：人工智能作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在無(wú)人駕駛、飛行控制、人臉識(shí)別、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為近幾年的研究熱點(diǎn)。而在航天領(lǐng)域，人工智能也擁有巨大的應(yīng)用前景，航天測(cè)控、衛(wèi)星遙感、空間機(jī)器人等都離不開(kāi)人工智能技術(shù)的支持。本文總結(jié)了人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了人工智能在航天領(lǐng)域應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：人工智能；航空航天；機(jī)器人；問(wèn)題分析

中圖分類(lèi)號(hào)：V419 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0032-02

1 引言

人工智能，即研究如何使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人類(lèi)智能的技術(shù)、方法，其概念由來(lái)已久，早在上世紀(jì)中葉，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多方法就已經(jīng)被提出。2016年，圍棋世界冠軍李世石與谷歌公司圍棋軟件“阿爾法狗”的“人機(jī)大戰(zhàn)”再次使人工智能成為世界的焦點(diǎn)，掀起了一陣人工智能研究的熱潮。目前，得益于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的飛速發(fā)展，以深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)為代表的人工智能方法得以實(shí)現(xiàn)，在圍棋等人類(lèi)曾經(jīng)自以為傲的領(lǐng)域，人類(lèi)已經(jīng)完全不是人工智能的對(duì)手！而在無(wú)人駕駛、人臉識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、語(yǔ)音識(shí)別等領(lǐng)域，人工智能技術(shù)也得到了實(shí)際應(yīng)用。

航空航天，是集電子、通信、能源、材料、機(jī)械、力學(xué)等為一體的綜合性行業(yè)，為人工智能技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊平臺(tái)。在航天領(lǐng)域，隨著任務(wù)復(fù)雜程度的增加，以及對(duì)精確性、效率的要求提高，常規(guī)的技術(shù)和方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足任務(wù)需要，必須研究人工智能等新技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。目前，智能控制、機(jī)器視覺(jué)、智能機(jī)器人、專(zhuān)家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)和方法在航天領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注和研究，并取得了一定進(jìn)展，但真正實(shí)現(xiàn)航天領(lǐng)域的技術(shù)自動(dòng)化智能化還需解決一系列問(wèn)題。

2 人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 航天測(cè)控技術(shù)

航天測(cè)控，即通過(guò)對(duì)衛(wèi)星等航天器的位置、姿態(tài)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的控制，隨著航天器執(zhí)行的任務(wù)日益復(fù)雜，對(duì)航天器進(jìn)行精確控制就顯得非常重要。傳統(tǒng)的控制方法通過(guò)精確編程實(shí)現(xiàn)，當(dāng)面對(duì)復(fù)雜任務(wù)或未知任務(wù)時(shí)就無(wú)能為力。人工智能技術(shù)能自動(dòng)感知，并根據(jù)飛行任務(wù)制定控制方法，因而能顯著提高控制的時(shí)效性和精確性，同時(shí)減少了人為控制造成的失誤。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能將可能實(shí)現(xiàn)航天器自動(dòng)處理故障、自動(dòng)進(jìn)行飛行規(guī)劃和路線(xiàn)設(shè)計(jì)等，具有巨大的軍事和民用潛力。

2.2 衛(wèi)星遙感

傳統(tǒng)的對(duì)地遙感模式對(duì)目標(biāo)的針對(duì)性不強(qiáng)，對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)能力弱，且地面解釋和信息提取的時(shí)間較長(zhǎng)，信息時(shí)效性差，因此有必要研究智能化的衛(wèi)星遙感系統(tǒng)技術(shù)，這是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的最直接體現(xiàn)。通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)在軌決策處理，從而提高時(shí)效性，減少地面設(shè)備和人員的開(kāi)銷(xiāo)，并能保證精確度。目前，與此相關(guān)的圖像識(shí)別技術(shù)在精確性上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)。

國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)很早就對(duì)此開(kāi)展了研究，如NASA的“地球觀測(cè)一號(hào)”搭載了自主科學(xué)飛船試驗(yàn)系統(tǒng)，能使航天器自主開(kāi)展科學(xué)試驗(yàn)，美國(guó)的快速響應(yīng)“戰(zhàn)術(shù)星”TacSat-3能夠自動(dòng)搜集和處理圖像并向地面?zhèn)鬟f，而國(guó)內(nèi)對(duì)此的研究相對(duì)較少。

2.3 智能機(jī)器人

由于太空環(huán)境的特殊性，許多宇航員無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)必需由空間機(jī)器人替代或協(xié)助。相比于地面機(jī)器人，空間機(jī)器人的工作環(huán)境更惡劣，工作任務(wù)往往更復(fù)雜多變。按照用途的不同，空間機(jī)器人又可分為在軌服務(wù)機(jī)器人和星球探測(cè)機(jī)器人。其中在軌服務(wù)機(jī)器人是安裝在空間站或在空間站附近的機(jī)器人系統(tǒng)，可以協(xié)助宇航員完成復(fù)雜的任務(wù)。星球探測(cè)機(jī)器人是能對(duì)外星球表面進(jìn)行探測(cè)的智能無(wú)人系統(tǒng)，可以完成自主著陸、自主執(zhí)行科學(xué)探測(cè)、收集樣品等任務(wù)。

空間機(jī)器人將是未來(lái)太空探索的關(guān)鍵助力，而人工智能是其核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究較多，但大多處于技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，如中國(guó)的玉兔號(hào)月球車(chē)、美國(guó)的Robonaut2機(jī)器人，后者是第一個(gè)進(jìn)入太空的人形機(jī)器人。

2.4 空間站管理

考慮到宇航員的人數(shù)有限和空間站管理的復(fù)雜性，使用人工智能技術(shù)進(jìn)行空間站等復(fù)雜系統(tǒng)的管理是很有必要的。智能化的空間站管理系統(tǒng)對(duì)整個(gè)空間站狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)能源、電力等自動(dòng)調(diào)度，并且具備預(yù)警和處理突發(fā)事故的能力。宇航員通過(guò)與人工智能管理系統(tǒng)的語(yǔ)音交流控制整個(gè)空間站，而無(wú)需關(guān)注技術(shù)細(xì)節(jié)，因此壓力大大減小，并減少了突發(fā)情況人為誤操作的概率。

除此之外，人工智能在發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷、航天產(chǎn)品智能裝配等方面的應(yīng)用也得到了研究。

3 問(wèn)題分析

人工智能技術(shù)能極大改善航天任務(wù)完成的質(zhì)量和效率，節(jié)省大量人力和物力，在航天領(lǐng)域中擁有廣闊的應(yīng)用前景，但在現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)必須解決一系列問(wèn)題。

3.1 應(yīng)用環(huán)境不夠完善

現(xiàn)階段，人工智能技術(shù)最主要的研究方法是統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法，其依托于對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，尤其近年取得較大進(jìn)展的深度學(xué)習(xí)方法，需要對(duì)極大量的已標(biāo)注的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)才能得到適用的模型。目前，航天領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)的整理不夠完備，尤其國(guó)內(nèi)各家研究單位的數(shù)據(jù)相對(duì)分散，未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，阻礙了人工智能技術(shù)的進(jìn)一步研究。

另外，對(duì)人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍定位不夠清晰。由于人工智能熱潮，人工智能的研究和應(yīng)用難免存在跟風(fēng)和炒作的現(xiàn)象。未來(lái)，人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用需要更多對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的深入理解，如何在復(fù)雜系統(tǒng)中引入人工智能方法，如何界定人和人工智能在系統(tǒng)控制中的分工，以及人工智能在不同系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，都需要更多的鉆研和探索。

3.2 相關(guān)技術(shù)不夠成熟

一方面，人工智能的相關(guān)理論還需進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)前已發(fā)揮巨大作用的深度學(xué)習(xí)方法，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)還是一個(gè)“黑匣子”，無(wú)法合理解釋內(nèi)部學(xué)習(xí)的機(jī)理，也無(wú)法證明最終解就是最優(yōu)解，對(duì)于復(fù)雜任務(wù)尤其如此。而且，現(xiàn)階段的人工智能?chē)?yán)格意義上說(shuō)屬于“弱人工智能”，距離擁有和人一樣的情感思維活動(dòng)還很遠(yuǎn)。在航天領(lǐng)域，人工智能方法的應(yīng)用還不夠成熟，大部分航天系統(tǒng)的控制方式仍為遙感型，缺乏自主性，且無(wú)法執(zhí)行較復(fù)雜的任務(wù)，能自主決策、規(guī)劃、完成任務(wù)的智能機(jī)器人也還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，相關(guān)理論和方法的成熟，將對(duì)人工智能技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生巨大的推動(dòng)力。

另一方面，光電技術(shù)、材料技術(shù)、能源技術(shù)、信息技術(shù)等可能成為人工智能技術(shù)在航天領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。由于材料特性不足，當(dāng)前空間機(jī)器人對(duì)低重力、高輻射、超低溫的太空環(huán)境適應(yīng)能力較差，制約了其在太空中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。而無(wú)論是在軌服務(wù)，或是星際探測(cè)，都需要能源動(dòng)力技術(shù)與高效信息傳遞技術(shù)的支持。

3.3 其他安全隱患

最后，人工智能技術(shù)的大規(guī)模運(yùn)用可能帶來(lái)一些人類(lèi)從未經(jīng)歷過(guò)的困難和問(wèn)題。第一，由于種種缺陷，再完善的人工智能技術(shù)也有出錯(cuò)的可能性，在將系統(tǒng)控制權(quán)交給人工智能后，如何設(shè)計(jì)緊急應(yīng)對(duì)方案以防人工智能的誤操作，這是應(yīng)用人工智能技術(shù)必須考慮的問(wèn)題；第二，未來(lái)人工智能系統(tǒng)可能面臨黑客或者計(jì)算機(jī)病毒的入侵，導(dǎo)致核心機(jī)密的丟失或智能系統(tǒng)的失效，進(jìn)而造成更嚴(yán)重的損失，研究人工智能技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)有必要加強(qiáng)信息安全系統(tǒng)的建設(shè)；第三，隨著科技的進(jìn)步，“強(qiáng)人工智能”的時(shí)代可能會(huì)來(lái)臨，如何定義人和機(jī)器的區(qū)別，如何處理人和機(jī)器的關(guān)系，可能是未來(lái)人類(lèi)面臨的最大苦惱。

4 結(jié)語(yǔ)

人工智能作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了廣泛的研究和關(guān)注，尤其在航天測(cè)控技術(shù)、衛(wèi)星遙感、空間機(jī)器人、空間站管理等方面人工智能技術(shù)能發(fā)揮巨大作用。但目前航天技術(shù)距離真正的智能化還有很長(zhǎng)的一段路要走：一是支撐人工智能技術(shù)發(fā)展的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備可能不足；二是人工智能的相關(guān)理論、材料技術(shù)、能源技術(shù)、信息技術(shù)等不夠成熟；三是人工智能技術(shù)的應(yīng)用可能帶來(lái)更多安全隱患，因此必須建立相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案和防護(hù)措施。

人工智能將是人類(lèi)飛向太空的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將為人類(lèi)探索太空、接觸其他生命體提供更多可能性。隨著相關(guān)技術(shù)的突破，航空航天領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)根本性的變革，由此將給人類(lèi)世界帶來(lái)巨大影響。

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