人工智能在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用分析

劉暢

摘 要 本文討論了無人機(jī)和人工智能的概念內(nèi)涵，闡述了無人機(jī)與人工智能技術(shù)的關(guān)系及兩種技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢。從軍用和民用兩個(gè)方面分析了人工智能無人機(jī)系統(tǒng)的典型應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用發(fā)展趨勢。對(duì)未來無人機(jī)的應(yīng)用從民用和軍用兩方面進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 人工智能；無人機(jī)；智能蜂群；應(yīng)用分析

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）212-0150-03

無人機(jī)是指利用無線電遠(yuǎn)程控制設(shè)備和自主程序控制裝置操縱的不載人飛行器。由于其具有操縱智能靈活、造價(jià)低廉、不懼傷亡、起降簡單等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代軍用和民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。美國國防部和聯(lián)邦航空管理局（FAA）早在《美軍無人機(jī)路線圖2005～2030》中采用Unmanned？Aircraft？ System（UAS）規(guī)定了無人機(jī)的3個(gè)基本內(nèi)涵：

1）飛行器上無駕駛員。

2）能完成一定的使命任務(wù)。

3）能重復(fù)使用。

目前遙控航空模型飛機(jī)是否屬于無人機(jī)仍有爭議，主要原因在于現(xiàn)代航空模型飛機(jī)也采用了先進(jìn)的飛行控制技術(shù)，其功用與傳統(tǒng)意義的無人機(jī)相比界線模糊。但仍有學(xué)者認(rèn)為“若只是在視距內(nèi)飛行，遙控航空模型飛機(jī)不屬于嚴(yán)格意義的無人機(jī)”[ 1 ]。

盡管無人機(jī)隨著科技的進(jìn)步在不斷發(fā)生改變，但永遠(yuǎn)不變的是：無人機(jī)由人使用，無人機(jī)任何工作的權(quán)限都是由人設(shè)置的。但同時(shí)由于人自身的生理能力、精力以及精確控制能力的局限性，不可能隨時(shí)管控?zé)o人機(jī)，因此，無人機(jī)需要有獨(dú)立自主工作的能力。

自主飛行的能力和水平，反映了無人機(jī)智能的高低。從一般意義上講，自主與智能是兩個(gè)不同范疇的概念，自主表達(dá)的是行為方式；智能則是完成行為過程的能力[2]。自主未必智能，但自主希望有智能；智能依賴自主，智能的等級(jí)取決于自主權(quán)限的高低[3]。

隨著神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)和集成芯片技術(shù)等飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)迎來了新的發(fā)展熱潮，使無人機(jī)的自主飛行和智能控制成為了可能。當(dāng)代人工智能技術(shù)所取得的進(jìn)步，與深度學(xué)習(xí)算法、增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法等密切相關(guān)。人工智能技術(shù)是提升無人機(jī)應(yīng)用能力的革命性技術(shù)，其對(duì)無人機(jī)發(fā)展的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：單機(jī)智能飛行、多機(jī)智能協(xié)同、任務(wù)自主智能[4]。

本文針對(duì)“人工智能+無人機(jī)”的典型應(yīng)用領(lǐng)域，從軍用和民用兩個(gè)方面進(jìn)行概括性總結(jié)。

1 軍用領(lǐng)域

軍用領(lǐng)域的需求往往是高新技術(shù)發(fā)展的直接驅(qū)動(dòng)力，人工智能技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)作為當(dāng)代兩大高新技術(shù)，在軍事應(yīng)用方面有著廣闊的潛力，同時(shí)又被驅(qū)動(dòng)融合式發(fā)展。

1.1 智能無人機(jī)蜂群

智能無人機(jī)蜂群是將大量無人機(jī)基于開放式體系架構(gòu)進(jìn)行綜合集成，以系統(tǒng)群智涌現(xiàn)能力為核心，以通信網(wǎng)絡(luò)信息為中心，以平臺(tái)間的協(xié)同交互能力為基礎(chǔ)，以單平臺(tái)節(jié)點(diǎn)能力為支撐，構(gòu)建具有抗毀性、低成本、功能分布化等優(yōu)勢的智能體系[5]。

在軍事應(yīng)用方面，智能無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)以多元化投送方式快速投送到目標(biāo)區(qū)域遂行多樣化軍事任務(wù)，包括與其他武器平臺(tái)協(xié)同攻擊空中、海上、地面目標(biāo)及情報(bào)偵察監(jiān)視等，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)役對(duì)抗、戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)。由于具有惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，協(xié)同作戰(zhàn)能力強(qiáng)等優(yōu)勢，該領(lǐng)域備受世界各軍事大國的重視，目前正處于飛速發(fā)展階段。

美國空軍發(fā)布的《小型無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2016-2036》報(bào)告首頁，將無人機(jī)及其蜂群系統(tǒng)稱為“填補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略之間空白”的技術(shù)，凸顯了小型無人機(jī)系統(tǒng)及其蜂群的重要意義。美軍在研的幾種典型智能無人機(jī)蜂群如表1所示。圖1為美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）發(fā)布的2030年空軍智能無人機(jī)蜂群項(xiàng)目。

歐洲各國聯(lián)合研發(fā)的“神經(jīng)元”無人機(jī)也是智能無人機(jī)蜂群應(yīng)用的典型機(jī)型。其綜合運(yùn)用了自動(dòng)容錯(cuò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)，具有自動(dòng)捕獲和自主識(shí)別目標(biāo)的能力，也可通過組網(wǎng)由指揮機(jī)控制飛行或作戰(zhàn)，并能夠在不接受任何指令的情況下獨(dú)立完成飛行，并在復(fù)雜飛行環(huán)境中自我校正。

我國在2016年珠海航展上，中國電科聯(lián)合清華大學(xué)和泊松科技公司展示了國內(nèi)首個(gè)固定翼無人機(jī)蜂群試驗(yàn)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了67架規(guī)模的蜂群原理驗(yàn)證，打破之前由美國海軍保持的50架固定翼無人機(jī)蜂群的世界紀(jì)錄。

智能無人機(jī)蜂群的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：總體架構(gòu)、戰(zhàn)術(shù)與作戰(zhàn)使用、蜂群控制與群體智能、蜂群感知與信息融合、任務(wù)規(guī)劃和航跡規(guī)劃等[5]。而這些關(guān)鍵技術(shù)的突破正是依托于人工智能技術(shù)。

1.2 人工智能無人機(jī)-有人機(jī)系統(tǒng)

人工智能無人機(jī)-有人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用包括：無人機(jī)-有人機(jī)合作系統(tǒng)和無人機(jī)-有人機(jī)對(duì)抗系統(tǒng)。

無人機(jī)-有人機(jī)合作系統(tǒng)典型的實(shí)例是美國空軍在研的“忠誠僚機(jī)”項(xiàng)目，其旨在將第四代戰(zhàn)機(jī)F-16改造成無人機(jī)，通過人工智能自主運(yùn)算數(shù)據(jù)庫，協(xié)同第五代隱身戰(zhàn)機(jī)F-35、F-22的駕駛員作戰(zhàn)?！爸艺\僚機(jī)”在不需要地面控制的情況下，依靠強(qiáng)大的人工智能技術(shù)，不僅能自主飛行，還能在沒有長機(jī)的指令下，自主完成作戰(zhàn)任務(wù)。圖2為美國空軍規(guī)劃的未來無人機(jī)-有人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)編隊(duì)。

無人機(jī)-有人機(jī)對(duì)抗系統(tǒng)典型案例是2016年美國辛辛那提大學(xué)博士生開發(fā)的ALPHA人工智能無人機(jī)在模擬空戰(zhàn)中擊敗了飛行數(shù)千小時(shí)的退役空軍上校，凸顯了人工智能無人機(jī)的作戰(zhàn)潛力，該系統(tǒng)既可滿足飛行員模擬對(duì)抗的需求，也可以作為有人機(jī)的僚機(jī)隨行作戰(zhàn)任務(wù)。

1.3 無人機(jī)人工智能情報(bào)分析

Google公司通過使用軍用無人機(jī)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能分析，幫助美國國防部開展情報(bào)分析工作，該計(jì)劃被稱為為“專家項(xiàng)目”（Project Maven），是美國國防部2017年4月啟動(dòng)的“算法戰(zhàn)”項(xiàng)目的一部分。盡管美國國防部已經(jīng)投入了大量資金研發(fā)先進(jìn)的傳感器用于無人機(jī)的情報(bào)收集，但在創(chuàng)建分析工具以梳理數(shù)據(jù)方面明顯滯后。Maven的任務(wù)是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來識(shí)別無人機(jī)鏡頭中的車輛和其他物體，從而減輕情報(bào)分析人員的負(fù)擔(dān)，Google公司將為美國國防部提供TensorFlow？API來協(xié)助機(jī)器學(xué)習(xí)算法識(shí)別出特殊對(duì)象，其目標(biāo)是為軍方提供先進(jìn)算法，自動(dòng)檢測和識(shí)別無人機(jī)全動(dòng)態(tài)攝像機(jī)捕獲的多達(dá)38種物體。美軍高層將Maven比作“火花”，稱其“將在整個(gè)國防部點(diǎn)燃人工智能的火苗”?？梢?，美軍對(duì)人工智能技術(shù)融合無人機(jī)領(lǐng)域的高度重視。

2 民用領(lǐng)域

近年來無人機(jī)在民用市場已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林植保、測繪、電力巡線、物流運(yùn)輸、應(yīng)急救援等領(lǐng)域。在2016年5月由我國國家發(fā)改委牽頭制定的《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》中，明確提出了推動(dòng)人工智能技術(shù)在無人系統(tǒng)領(lǐng)域的融合應(yīng)用，提出了發(fā)展無人飛行器等無人智能設(shè)備。無人機(jī)能為收集大數(shù)據(jù)提供便捷的平臺(tái)，而人工智能又具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和規(guī)劃決策能力，兩者結(jié)合在一起相互驅(qū)動(dòng)發(fā)展。

2.1 信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)的智能無人機(jī)應(yīng)用

通過借助無人機(jī)的平臺(tái)優(yōu)勢，信息技術(shù)尤其是大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)正在與無人機(jī)相互融合，使無人機(jī)朝著人工智能方向發(fā)展[4]。

1）在大數(shù)據(jù)方面。作為空中移動(dòng)載體，無人機(jī)在測繪、物流運(yùn)輸、交通監(jiān)管、工業(yè)生產(chǎn)、個(gè)人消費(fèi)等領(lǐng)域能夠通過傳感器搜集海量數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，可以為人工智能應(yīng)用提供可靠決策支撐，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)也有助于無人機(jī)本身的發(fā)展。由于有大量的數(shù)據(jù)為無人機(jī)提供助力，無人機(jī)將能進(jìn)一步提升智能飛行的能力。

2）在云計(jì)算方面。由于無人機(jī)機(jī)載容量和機(jī)載處理器運(yùn)算能力的限制，要提升無人機(jī)的智能計(jì)算水平，需要讓無人機(jī)機(jī)載處理器得到解放。機(jī)上的計(jì)算、機(jī)上的存儲(chǔ)、機(jī)上的智能能力拓展，都可以采用云端處理解決。

2.2 能源巡視

無人機(jī)能源巡視主要是指無人機(jī)代替人進(jìn)行長距離、復(fù)雜環(huán)境的巡檢工作，例如對(duì)輸電線路的巡檢、輸油線路的巡檢、移動(dòng)鐵塔的巡檢和光伏的巡檢方面。無人機(jī)巡檢是替代人巡檢的一個(gè)有效的手段，尤其是在山區(qū)、跨河流等人難以到達(dá)的地方。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在山區(qū)人巡檢的效率基本上是每天3-4級(jí)鐵塔，而每級(jí)鐵塔之間距離僅為500米到1？000米左右，人巡檢的效率非常低且巡檢的效果也無法保證，所以迫切需要一種智能化、自動(dòng)化的設(shè)備來完成巡檢的工作，人工智能無人機(jī)系統(tǒng)不僅能自主規(guī)劃飛行路徑并對(duì)巡檢目標(biāo)進(jìn)行智能檢測，而且還能利用人工智能技術(shù)對(duì)巡檢目標(biāo)進(jìn)行分析。

2.3 智能無人機(jī)編隊(duì)燈光秀

2018年在平昌冬奧會(huì)開幕式燈光秀上，美國英特爾公司放飛了由1218架“流星”四旋翼無人機(jī)組成的編隊(duì)，可以幻化成運(yùn)動(dòng)員和奧運(yùn)五環(huán)標(biāo)志，刷新了智能無人機(jī)編隊(duì)的紀(jì)錄，如圖3所示。

3 結(jié)論

提高無人機(jī)系統(tǒng)的人工智能水平是無人機(jī)發(fā)展的永恒追求目標(biāo)，人工智能與無人機(jī)的結(jié)合具有廣闊的應(yīng)用拓展前景。隨著我國民用無人機(jī)政策的規(guī)范和低空空域改革的深化，我國民用無人機(jī)行業(yè)發(fā)展前景樂觀，高智能無人機(jī)系統(tǒng)將蘊(yùn)含著更加深厚的市場潛力。同時(shí)，隨著軍用領(lǐng)域無人機(jī)人工智能的深入應(yīng)用，無人機(jī)系統(tǒng)在未來復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境將具有更高的思維能力和自主決策能力，必然會(huì)成為各軍事大國爭奪的新的制高點(diǎn)。

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