硬核新青年：“玩得轉(zhuǎn)”無(wú)人機(jī)“省得了”新能源

范佳樂(lè)

2018年12月19日晚間，英國(guó)倫敦機(jī)場(chǎng)遭“史上最嚴(yán)重”無(wú)人機(jī)入侵，癱瘓18小時(shí)，12萬(wàn)乘客受影響，損失巨大。近年來(lái)，類似的無(wú)人機(jī)入侵機(jī)場(chǎng)事件日益引發(fā)關(guān)注。無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速提升以及全球擴(kuò)散加深了各國(guó)的安全憂慮，無(wú)人機(jī)攔截技術(shù)的發(fā)展已迫在眉睫。

如何才能有效、環(huán)保地?cái)r截捕獲侵入無(wú)人機(jī)？記者專訪了一位硬核新青年——北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能系統(tǒng)與控制工程系副教授、博士生導(dǎo)師諸兵。他主要從事旋翼無(wú)人機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)與控制、旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)制導(dǎo)與控制、模型預(yù)測(cè)控制及其在能源系統(tǒng)需求端管理中的應(yīng)用等方面的研究，在軌跡跟蹤控制、路徑跟蹤控制、自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制、智能電網(wǎng)需求端管理、旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)制導(dǎo)與控制、避障等方面取得一系列重要進(jìn)展?？梢哉f(shuō)，諸兵的科研歷程，也恰好契合了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展軌跡。

緣起北航的學(xué)術(shù)路

對(duì)于諸兵來(lái)說(shuō)，2003年是科研的緣起之年。他與所從事專業(yè)的結(jié)緣，和與北京航空航天大學(xué)的結(jié)緣，都始于2003年。

2003年9月，18歲的諸兵北上求學(xué)。作為北京航空航天大學(xué)自動(dòng)控制與信息技術(shù)自動(dòng)化專業(yè)的本科生，諸兵勤學(xué)篤實(shí)，為日后的科研工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(xué)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(xué)位。從2007年至2013年，諸兵在霍偉教授指導(dǎo)下一直從事非線性系統(tǒng)控制及其在小型無(wú)人直升機(jī)中應(yīng)用的研究，在非線性控制理論及應(yīng)用方面取得很多工作積累，并發(fā)表了相關(guān)結(jié)果。

這兩個(gè)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(jīng)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(zhì)量論文。其中，有關(guān)旋翼無(wú)人機(jī)非線性控制的一些理論結(jié)果，已被國(guó)際著名專家引為理論基礎(chǔ)做進(jìn)一步研究；有關(guān)模型預(yù)測(cè)控制的系列研究，是對(duì)現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)控制最新理論結(jié)果的進(jìn)一步創(chuàng)新性拓展。

回顧科研之路，諸兵充滿感激。他經(jīng)常說(shuō)，跟著導(dǎo)師霍偉教授這樣的老一輩頂尖科學(xué)家學(xué)習(xí)、工作，受益最深的就是其身上那種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和治學(xué)精神。而這種精神外化成為工作方法，對(duì)他日后的研究工作和教職工作都大有裨益。

“2012年到2013年全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境不是很好。我博士畢業(yè)的時(shí)候，博士生都在到處找工作、找博后或者是找教職。我當(dāng)時(shí)也是到處發(fā)郵件，南非的導(dǎo)師是最先回復(fù)我的。他本身也是北航畢業(yè)的，是我們領(lǐng)域里很頂尖的學(xué)者，我馬上就答應(yīng)了?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2020/10/30/qkimageskxzgkxzg202008kxzg20200816-1-l.jpg"/>

就這樣，從2013年到2015年，諸兵在南非比勒陀利亞大學(xué)電氣電子與計(jì)算機(jī)系從事博士后研究，他跟隨合作導(dǎo)師、IEEE Fellow夏小華教授進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制和能源系統(tǒng)方面的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并獲得了校長(zhǎng)獎(jiǎng)學(xué)金支持，發(fā)表了相關(guān)結(jié)果?！拔耶?dāng)時(shí)主要做模型預(yù)測(cè)控制方面研究，而我以前讀博士的時(shí)候是做非線性控制和無(wú)人機(jī)控制的，就想跟新的方向結(jié)合起來(lái)，和他們用的方法找一個(gè)結(jié)合點(diǎn)，最終做應(yīng)用產(chǎn)生效益?！?/p>

2015年9月至2016年9月，諸兵來(lái)到新加坡南洋理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室從事研究工作?！拔以趯?shí)驗(yàn)室擔(dān)任Research Fellow，類似于博士后研究。其實(shí)，除了沒(méi)有住房以及工資低一點(diǎn)外，其他的各項(xiàng)權(quán)利跟正式教職工都是一樣的。”在此期間，諸兵在IEEE Fellow、IFAC Fellow謝立華教授的合作指導(dǎo)下，進(jìn)行分布式模型預(yù)測(cè)控制的研究，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，并發(fā)表了相關(guān)結(jié)果。

當(dāng)為時(shí)一年的研究工作結(jié)束時(shí)，諸兵“犯難”了。關(guān)于未來(lái)工作的去向，他面臨著好幾個(gè)選擇。

“新加坡的導(dǎo)師想讓我續(xù)約3年；與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些高校也和我聊過(guò)；而我在北航的導(dǎo)師也想把我引進(jìn)回來(lái)，而且北航推出‘卓越百人計(jì)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(guó)做些事。”諸兵說(shuō)。

2016年10月，諸兵回到北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院擔(dān)任副教授。從進(jìn)入北航學(xué)習(xí)到回到北航任教，諸兵跨越了13年。回國(guó)后，他主要從事模型預(yù)測(cè)控制與新能源系統(tǒng)相關(guān)研究工作，受北航“卓越百人”計(jì)劃支持，諸兵和團(tuán)隊(duì)已取得了一些結(jié)果，并發(fā)表在國(guó)際著名期刊上。與此同時(shí)，諸兵與南非比勒陀利亞大學(xué)和南洋理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定合作關(guān)系，在產(chǎn)學(xué)研用等方面的合作成果層出不窮。

攔截入侵無(wú)人機(jī)的“空中警察”

近年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，旋翼無(wú)人機(jī)已被廣泛用于各個(gè)軍用民用領(lǐng)域，例如搜救、偵查、勘探、電視轉(zhuǎn)播和監(jiān)控等。但是，旋翼無(wú)人機(jī)也常被用于許多負(fù)面用途。例如，越來(lái)越多無(wú)人機(jī)被發(fā)現(xiàn)飛入機(jī)場(chǎng)附近區(qū)域，嚴(yán)重?cái)_亂空中交通秩序；未知無(wú)人機(jī)飛入工業(yè)禁飛區(qū)或軍事禁飛區(qū)偵查情報(bào)；未經(jīng)許可的無(wú)人機(jī)在人口密集或交通繁忙區(qū)域飛行。這些負(fù)面用途的無(wú)人機(jī)給人身和信息安全造成極大威脅。針對(duì)這些被用于負(fù)面用途的無(wú)人機(jī)，迫切需要設(shè)計(jì)有效的攔截機(jī)制進(jìn)行攔截，從而避免潛在的嚴(yán)重?fù)p失。

基于這種需求，諸兵牽頭申請(qǐng)了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目——“旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)多目標(biāo)攔截的制導(dǎo)、控制與優(yōu)化”。

這一項(xiàng)目成果，就好比“空中警察”，可以攔截、捕獲入侵無(wú)人機(jī)。據(jù)悉，項(xiàng)目提出了新的針對(duì)旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)多目標(biāo)攔截的制導(dǎo)律、控制律、避障策略、最優(yōu)目標(biāo)分配策略，不僅能夠豐富旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的自主制導(dǎo)和控制理論，而且是對(duì)控制、優(yōu)化、制導(dǎo)、博弈、航空以及能源交叉學(xué)科的新探索，具有極大的科學(xué)意義。

“比如說(shuō)有一些人在機(jī)場(chǎng)亂飛無(wú)人機(jī)，導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)沒(méi)法運(yùn)行，我們需要把它‘抓下來(lái)或者趕走。這個(gè)意義很明確，一方面，無(wú)人機(jī)侵入可能會(huì)導(dǎo)致一些飛機(jī)停飛，造成經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，如果用導(dǎo)彈、激光武器等進(jìn)行攔截，這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生爆炸，對(duì)環(huán)境和人身安全有不利影響?！ハ聛?lái)就可以避免這些問(wèn)題，同時(shí)還能對(duì)攔截下來(lái)的無(wú)人機(jī)做進(jìn)一步分析?！敝T兵介紹，目前，已有的執(zhí)行攔截任務(wù)的旋翼無(wú)人機(jī)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(nèi)。人工遙控多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)難度非常大；而且當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，飛行手難以處理避撞問(wèn)題。因此，針對(duì)多入侵無(wú)人機(jī)的攔截問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)多個(gè)旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)自主攔截相關(guān)的制導(dǎo)、控制和優(yōu)化策略，使得旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能夠自主高效的完成對(duì)多入侵目標(biāo)的攔截任務(wù)。

其實(shí)，這些年諸兵的研究工作一直沒(méi)離開(kāi)這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域。攻讀博士學(xué)位期間，在霍偉教授指導(dǎo)下，他一直從事小型無(wú)人直升機(jī)動(dòng)力學(xué)、軌跡跟蹤控制、路徑跟蹤控制方面的研究，在旋翼無(wú)人機(jī)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(xué)電氣電子與計(jì)算機(jī)系從事博士后研究期間，他進(jìn)行的是模型預(yù)測(cè)控制和新能源系統(tǒng)需求端管理方面的研究；在新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究期間，他與實(shí)驗(yàn)室多位博士生展開(kāi)合作，使用先進(jìn)無(wú)人機(jī)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作的經(jīng)驗(yàn)……可以說(shuō)，在旋翼無(wú)人機(jī)軟硬件方面，諸兵都有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)以及很好的研究積累。

“對(duì)于一個(gè)青年基金來(lái)講，這個(gè)題目有點(diǎn)大，當(dāng)時(shí)寫的時(shí)候有一點(diǎn)‘自不量力。目前，理論工作基本上都完成了，實(shí)現(xiàn)上面我們都已經(jīng)有了半實(shí)物的仿真體，接下來(lái)慢慢往前推進(jìn)?！敝T兵謙遜地笑道。與此同時(shí)，他對(duì)成果有著良好的預(yù)期，“旋翼多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以被有效用于多入侵無(wú)人機(jī)的攔截任務(wù)，從而避免由于未知無(wú)人機(jī)入侵造成的損失。這一目標(biāo)非常符合當(dāng)前工業(yè)和軍事需求，具有很大的實(shí)踐意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”

解答模型預(yù)測(cè)控制與節(jié)能的“方程式”

隨著全球?qū)?jié)能問(wèn)題的關(guān)注，分布式智能電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)化樓宇節(jié)能系統(tǒng)等新能源系統(tǒng)的能耗優(yōu)化與評(píng)估正成為研究熱點(diǎn)。研究結(jié)果表明，合理的需求端管理與優(yōu)化能夠產(chǎn)生很大的節(jié)能效果?！胺植际侥Ｐ皖A(yù)測(cè)控制及其在新能源系統(tǒng)需求端管理中的應(yīng)用”項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目以新能源系統(tǒng)的需求端管理為研究對(duì)象，試圖提出新的分布式模型預(yù)測(cè)控制方法和穩(wěn)定性證明。

諸兵介紹，模型預(yù)測(cè)控制是一種特殊控制方法，它將優(yōu)化算法與控制理論結(jié)合，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，優(yōu)化預(yù)設(shè)的性能指標(biāo)?！敖陙?lái)，由于其良好的性能，模型預(yù)測(cè)控制常常用于能源系統(tǒng)需求端管理。新能源系統(tǒng)通常由多個(gè)分系統(tǒng)組成，例如分布式智能電網(wǎng)或者網(wǎng)絡(luò)化樓宇系統(tǒng)。這個(gè)項(xiàng)目的研究目標(biāo)之一，就是為進(jìn)一步放寬分布式模型預(yù)測(cè)控制的假設(shè)和前提條件，從而改善其可行性?！?/p>

“使用分布式控制方法制定分布式智能電網(wǎng)的智能定價(jià)策略，從而達(dá)到智能電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能減排的目的，這是項(xiàng)目的研究目標(biāo)之一?！敝T兵介紹，作為一種典型的新能源系統(tǒng)，與普通電網(wǎng)相比，分布式智能電網(wǎng)范圍更大，可以由多個(gè)能自主決策的小電網(wǎng)組成。小電網(wǎng)之間可以在一定范圍內(nèi)相互通信，從而根據(jù)更多的用戶信息做更加優(yōu)化的價(jià)格決策，誘導(dǎo)更大范圍內(nèi)的用戶行為，從而達(dá)到需求端優(yōu)化的目的。

另一個(gè)目標(biāo)，是通過(guò)研究對(duì)實(shí)際的樓宇系統(tǒng)節(jié)能提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

樓宇系統(tǒng)的能耗已占到全球總能耗的很大部分，樓宇系統(tǒng)的節(jié)能具有重大意義。數(shù)據(jù)表明，全球32%的能量是使用在樓宇系統(tǒng)中。因此，樓宇能源系統(tǒng)近年來(lái)正成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。許多政府機(jī)構(gòu)和國(guó)際組織正通過(guò)研究從而改進(jìn)樓宇系統(tǒng)的維護(hù)和翻新策略，已達(dá)到優(yōu)化能耗效率的目的。在樓宇維護(hù)與翻新策略的研究中，核心問(wèn)題是，在環(huán)境、財(cái)政以及社會(huì)因素的約束下，設(shè)計(jì)最優(yōu)策略優(yōu)化性能指標(biāo)。當(dāng)前，新的建筑規(guī)模較以往已不可同日而語(yǔ)；樓宇中耗能的設(shè)備也日趨龐大和多樣；在設(shè)計(jì)維護(hù)與翻新策略時(shí)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)化的問(wèn)題。諸兵介紹，“我們這個(gè)項(xiàng)目擬采用分布式模型預(yù)測(cè)控制方法研究樓宇能量系統(tǒng)的需求端管理問(wèn)題，不同于現(xiàn)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(tǒng)需求端管理，并基于此提出優(yōu)化策略，可以對(duì)實(shí)際的樓宇系統(tǒng)節(jié)能提出指導(dǎo)意見(jiàn)。特別是對(duì)于樓宇較多的發(fā)達(dá)城市，項(xiàng)目的研究結(jié)果具有更重大的工程實(shí)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(yīng)用前景”。

可以說(shuō)，這個(gè)模型預(yù)測(cè)控制與節(jié)能的“方程式”解答出來(lái)后，其成果不僅能夠豐富模型預(yù)測(cè)控制相關(guān)理論，對(duì)控制理論和能源系統(tǒng)交叉學(xué)科的新探索，具有很大科學(xué)意義，而且還能為供電系統(tǒng)的定價(jià)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(jià)值。

“玩得轉(zhuǎn)”無(wú)人機(jī)，“省得了”新能源，諸兵是當(dāng)之無(wú)愧的硬核新青年。相信在一系列科研成果投入應(yīng)用后，在其工程價(jià)值不斷凸顯的時(shí)候，相關(guān)領(lǐng)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(lái)新的驚喜！

專家簡(jiǎn)介

諸兵，2007年7月獲北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位；同年，免試推薦北航第七研究室控制理論與控制工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位；2009年免試推薦北航第七研究室控制理論與控制工程專業(yè)攻讀博士學(xué)位（提前攻博），并于2013年6月獲工學(xué)博士學(xué)位；2013年9月至2015年9月在南非比勒陀利大學(xué)電氣電子與計(jì)算機(jī)系從事博士后研究，并獲校長(zhǎng)博士后基金（Vice-Chancellor PostdoctoralFellowship）支持；2015年9月至2016年9月在新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子學(xué)院擔(dān)任Research Fellow；自2016年10月起擔(dān)任北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能系統(tǒng)與控制工程系副教授，2017年9月被聘為博士生導(dǎo)師，2017年12月入選中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程（自動(dòng)化學(xué)會(huì)）。

目前，諸兵的研究方向包括旋翼無(wú)人機(jī)非線性控制、模型預(yù)測(cè)控制及其在能源系統(tǒng)中應(yīng)用、多智能體制導(dǎo)與控制等。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，包括SCI期刊論文20余篇，累計(jì)被引用1000余次，H因子17（Google Scholar數(shù)據(jù)）。已獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)，主持中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（青年）1項(xiàng)。