硬核新青年：“玩得轉”無人機 “省得了”新能源
——記北京航空航天大學自動化學院智能系統與控制工程系副教授諸兵

范佳樂

2018年12月19日晚間，英國倫敦機場遭“史上最嚴重”無人機入侵，癱瘓18小時，12萬乘客受影響，損失巨大。近年來，類似的無人機入侵機場事件日益引發(fā)關注。無人機技術的快速提升以及全球擴散加深了各國的安全憂慮，無人機攔截技術的發(fā)展已迫在眉睫。

如何才能有效、環(huán)保地攔截捕獲侵入無人機？記者專訪了一位硬核新青年——北京航空航天大學自動化學院智能系統與控制工程系副教授、博士生導師諸兵。他主要從事旋翼無人機非線性動力學與控制、旋翼多無人機系統制導與控制、模型預測控制及其在能源系統需求端管理中的應用等方面的研究，在軌跡跟蹤控制、路徑跟蹤控制、自適應模型預測控制、智能電網需求端管理、旋翼多無人機系統制導與控制、避障等方面取得一系列重要進展。可以說，諸兵的科研歷程，也恰好契合了相關領域的發(fā)展軌跡。

緣起北航的學術路

對于諸兵來說，2003年是科研的緣起之年。他與所從事專業(yè)的結緣，和與北京航空航天大學的結緣，都始于2003年。

2003年9月，18歲的諸兵北上求學。作為北京航空航天大學自動控制與信息技術自動化專業(yè)的本科生，諸兵勤學篤實，為日后的科研工作打下了堅實的基礎。4年后，本科剛畢業(yè)的諸兵被免試推薦攻讀北航第七研究室控制理論與控制工程專業(yè)碩士學位；2009年，他又被免試推薦提前攻讀北航第七研究室控制理論與控制工程專業(yè)博士學位。從2007年至2013年，諸兵在霍偉教授指導下一直從事非線性系統控制及其在小型無人直升機中應用的研究，在非線性控制理論及應用方面取得很多工作積累，并發(fā)表了相關結果。

這兩個研究方向，在諸兵的科研履歷中就像兩條主線，不斷延伸、交叉。如今，圍繞這兩條主線不斷深耕的諸兵，已經取得了眾多成果，且在行業(yè)頂尖期刊發(fā)表了一系列高質量論文。其中，有關旋翼無人機非線性控制的一些理論結果，已被國際著名專家引為理論基礎做進一步研究；有關模型預測控制的系列研究，是對現有模型預測控制最新理論結果的進一步創(chuàng)新性拓展。

回顧科研之路，諸兵充滿感激。他經常說，跟著導師霍偉教授這樣的老一輩頂尖科學家學習、工作，受益最深的就是其身上那種嚴謹的科研態(tài)度和治學精神。而這種精神外化成為工作方法，對他日后的研究工作和教職工作都大有裨益。

諸兵

“2012年到2013年全球經濟環(huán)境不是很好。我博士畢業(yè)的時候，博士生都在到處找工作、找博后或者是找教職。我當時也是到處發(fā)郵件，南非的導師是最先回復我的。他本身也是北航畢業(yè)的，是我們領域里很頂尖的學者，我馬上就答應了。”

就這樣，從2013年到2015年，諸兵在南非比勒陀利亞大學電氣電子與計算機系從事博士后研究，他跟隨合作導師、IEEE Fellow夏小華教授進行模型預測控制和能源系統方面的研究，積累了豐富的經驗，并獲得了校長獎學金支持，發(fā)表了相關結果?！拔耶敃r主要做模型預測控制方面研究，而我以前讀博士的時候是做非線性控制和無人機控制的，就想跟新的方向結合起來，和他們用的方法找一個結合點，最終做應用產生效益?！?/p>

2015年9月至2016年9月，諸兵來到新加坡南洋理工大學物聯網實驗室從事研究工作?！拔以趯嶒炇覔蜶esearch Fellow，類似于博士后研究。其實，除了沒有住房以及工資低一點外，其他的各項權利跟正式教職工都是一樣的?！痹诖似陂g，諸兵在IEEE Fellow、IFAC Fellow謝立華教授的合作指導下，進行分布式模型預測控制的研究，積累了豐富經驗，并發(fā)表了相關結果。

當為時一年的研究工作結束時，諸兵“犯難”了。關于未來工作的去向，他面臨著好幾個選擇。

“新加坡的導師想讓我續(xù)約3年；與此同時，國內一些高校也和我聊過；而我在北航的導師也想把我引進回來，而且北航推出‘卓越百人’計劃，給年輕人的支持力度很大。所以我想了一下，還是決定回母校，為母校、為祖國做些事?！敝T兵說。

2016年10月，諸兵回到北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院擔任副教授。從進入北航學習到回到北航任教，諸兵跨越了13年。回國后，他主要從事模型預測控制與新能源系統相關研究工作，受北航“卓越百人”計劃支持，諸兵和團隊已取得了一些結果，并發(fā)表在國際著名期刊上。與此同時，諸兵與南非比勒陀利亞大學和南洋理工大學物聯網實驗室繼續(xù)保持長期穩(wěn)定合作關系，在產學研用等方面的合作成果層出不窮。

攔截入侵無人機的“空中警察”

近年來隨著無人機技術的迅速發(fā)展，旋翼無人機已被廣泛用于各個軍用民用領域，例如搜救、偵查、勘探、電視轉播和監(jiān)控等。但是，旋翼無人機也常被用于許多負面用途。例如，越來越多無人機被發(fā)現飛入機場附近區(qū)域，嚴重擾亂空中交通秩序；未知無人機飛入工業(yè)禁飛區(qū)或軍事禁飛區(qū)偵查情報；未經許可的無人機在人口密集或交通繁忙區(qū)域飛行。這些負面用途的無人機給人身和信息安全造成極大威脅。針對這些被用于負面用途的無人機，迫切需要設計有效的攔截機制進行攔截，從而避免潛在的嚴重損失。

基于這種需求，諸兵牽頭申請了中國國家自然科學基金青年基金項目——“旋翼多無人機系統多目標攔截的制導、控制與優(yōu)化”。

這一項目成果，就好比“空中警察”，可以攔截、捕獲入侵無人機。據悉，項目提出了新的針對旋翼多無人機系統多目標攔截的制導律、控制律、避障策略、最優(yōu)目標分配策略，不僅能夠豐富旋翼多無人機系統的自主制導和控制理論，而且是對控制、優(yōu)化、制導、博弈、航空以及能源交叉學科的新探索，具有極大的科學意義。

“比如說有一些人在機場亂飛無人機，導致機場沒法運行，我們需要把它‘抓’下來或者趕走。這個意義很明確，一方面，無人機侵入可能會導致一些飛機停飛，造成經濟損失；另一方面，如果用導彈、激光武器等進行攔截，這個過程中會產生爆炸，對環(huán)境和人身安全有不利影響?！ァ聛砭涂梢员苊膺@些問題，同時還能對攔截下來的無人機做進一步分析?！敝T兵介紹，目前，已有的執(zhí)行攔截任務的旋翼無人機大多是依靠人工遙控。但是，人工遙控一般需要在飛行手視線范圍之內。人工遙控多無人機系統難度非常大；而且當距離較遠時，飛行手難以處理避撞問題。因此，針對多入侵無人機的攔截問題，有必要設計多個旋翼無人機系統自主攔截相關的制導、控制和優(yōu)化策略，使得旋翼多無人機系統能夠自主高效的完成對多入侵目標的攔截任務。

其實，這些年諸兵的研究工作一直沒離開這個細分領域。攻讀博士學位期間，在霍偉教授指導下，他一直從事小型無人直升機動力學、軌跡跟蹤控制、路徑跟蹤控制方面的研究，在旋翼無人機非線性控制理論方面取得很多工作積累；在南非比勒陀利亞大學電氣電子與計算機系從事博士后研究期間，他進行的是模型預測控制和新能源系統需求端管理方面的研究；在新加坡南洋理工大學電機與電子學院物聯網實驗室從事博士后研究期間，他與實驗室多位博士生展開合作，使用先進無人機設備進行相關的實驗工作的經驗……可以說，在旋翼無人機軟硬件方面，諸兵都有著非常豐富的經驗以及很好的研究積累。

“對于一個青年基金來講，這個題目有點大，當時寫的時候有一點‘自不量力’。目前，理論工作基本上都完成了，實現上面我們都已經有了半實物的仿真體，接下來慢慢往前推進?！敝T兵謙遜地笑道。與此同時，他對成果有著良好的預期，“旋翼多無人機系統可以被有效用于多入侵無人機的攔截任務，從而避免由于未知無人機入侵造成的損失。這一目標非常符合當前工業(yè)和軍事需求，具有很大的實踐意義和經濟價值?！?/p>

解答模型預測控制與節(jié)能的“方程式”

隨著全球對節(jié)能問題的關注，分布式智能電網、網絡化樓宇節(jié)能系統等新能源系統的能耗優(yōu)化與評估正成為研究熱點。研究結果表明，合理的需求端管理與優(yōu)化能夠產生很大的節(jié)能效果?！胺植际侥Ｐ皖A測控制及其在新能源系統需求端管理中的應用”項目應運而生。該項目以新能源系統的需求端管理為研究對象，試圖提出新的分布式模型預測控制方法和穩(wěn)定性證明。

諸兵介紹，模型預測控制是一種特殊控制方法，它將優(yōu)化算法與控制理論結合，使得閉環(huán)系統穩(wěn)定的同時，優(yōu)化預設的性能指標?！敖陙恚捎谄淞己玫男阅?，模型預測控制常常用于能源系統需求端管理。新能源系統通常由多個分系統組成，例如分布式智能電網或者網絡化樓宇系統。這個項目的研究目標之一，就是為進一步放寬分布式模型預測控制的假設和前提條件，從而改善其可行性。”

“使用分布式控制方法制定分布式智能電網的智能定價策略，從而達到智能電網系統節(jié)能減排的目的，這是項目的研究目標之一?！敝T兵介紹，作為一種典型的新能源系統，與普通電網相比，分布式智能電網范圍更大，可以由多個能自主決策的小電網組成。小電網之間可以在一定范圍內相互通信，從而根據更多的用戶信息做更加優(yōu)化的價格決策，誘導更大范圍內的用戶行為，從而達到需求端優(yōu)化的目的。

另一個目標，是通過研究對實際的樓宇系統節(jié)能提出指導意見。

樓宇系統的能耗已占到全球總能耗的很大部分，樓宇系統的節(jié)能具有重大意義。數據表明，全球32%的能量是使用在樓宇系統中。因此，樓宇能源系統近年來正成為能源領域的研究熱點。許多政府機構和國際組織正通過研究從而改進樓宇系統的維護和翻新策略，已達到優(yōu)化能耗效率的目的。在樓宇維護與翻新策略的研究中，核心問題是，在環(huán)境、財政以及社會因素的約束下，設計最優(yōu)策略優(yōu)化性能指標。當前，新的建筑規(guī)模較以往已不可同日而語；樓宇中耗能的設備也日趨龐大和多樣；在設計維護與翻新策略時，需要考慮網絡化的問題。諸兵介紹，“我們這個項目擬采用分布式模型預測控制方法研究樓宇能量系統的需求端管理問題，不同于現有研究中通常采用的優(yōu)化算法。采用控制方法研究樓宇能量系統需求端管理，并基于此提出優(yōu)化策略，可以對實際的樓宇系統節(jié)能提出指導意見。特別是對于樓宇較多的發(fā)達城市，項目的研究結果具有更重大的工程實踐意義，這符合首都節(jié)能減排以及可持續(xù)發(fā)展的需求，具有較大的應用前景”。

可以說，這個模型預測控制與節(jié)能的“方程式”解答出來后，其成果不僅能夠豐富模型預測控制相關理論，對控制理論和能源系統交叉學科的新探索，具有很大科學意義，而且還能為供電系統的定價策略和樓宇節(jié)能提供積極的建議和策略，具有很大的工程價值。

“玩得轉”無人機，“省得了”新能源，諸兵是當之無愧的硬核新青年。相信在一系列科研成果投入應用后，在其工程價值不斷凸顯的時候，相關領域的固有難題必將接連得到解答；而諸兵的“硬核”研究，也必將不斷帶來新的驚喜！