探索智能優(yōu)化技術(shù)研究的新路——記北京理工大學(xué)自動化學(xué)院辛斌教授

◎ 文/于海芳 傅雙橋

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人工智能時代已經(jīng)開啟。人工智能和多機(jī)器人二者相輔相成，并開始逐漸應(yīng)用于我們生活中的諸多場景。而人工智能和多機(jī)器人在計算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，也愈發(fā)受到廣泛重視。

在人工智能和多機(jī)器人領(lǐng)域，有一個人多年潛心研究、成績斐然，而引領(lǐng)他走上這條路的只因兒時一個夢想，這個人就是辛斌。人生要想充滿無限可能，先讓人生有一個夢想，再把想夢變成現(xiàn)實，而辛斌就是把夢想照進(jìn)現(xiàn)實的人。從小辛斌就喜歡機(jī)器人，只是那時還沒有領(lǐng)域的概念。機(jī)器人在年幼的辛斌看來，有點(diǎn)科幻，有點(diǎn)新奇、更充滿了神秘的色彩。對于每一個人來說，或許小時候的某一個人或事，或一件物品，對未來都可能會起到指引方向的作用。長大后，辛斌的潛意識里便逐漸向夢想的方向靠攏。

“我相信大部分選擇科研之路的人，如果不喜歡鉆研，沒有鉆研的勁兒，也是不可能走上科研之路的。無論你是做基礎(chǔ)性的理論研究，還是理論和技術(shù)相結(jié)合，或者是側(cè)重技術(shù)，從國家導(dǎo)向來看，都需要科研人員具備全方位的能力，這樣才更適合做一個科研人?！毙帘笳f。

開拓眼界，只為打開新世界的大門

人生只有走出來的美麗，沒有等出來的輝煌。辛斌本科學(xué)的是電子工程，到了研究生階段，他卻選擇了自動化專業(yè)。為此，當(dāng)時很多人都對他提出質(zhì)疑，為什么要跨專業(yè)選擇自動化領(lǐng)域。在辛斌看來，換一個專業(yè)，只是想拓展一下自己的視野。其實并沒有跨越多大，都還在信息領(lǐng)域里，只不過是從弱電變成強(qiáng)電。所以當(dāng)時他義無反顧的選擇了自動化領(lǐng)域，機(jī)緣巧合下，又遇到了陳杰教授。多年來，一直跟隨陳杰教授做科研，那時團(tuán)隊氛圍非常好，大家一起協(xié)同奮進(jìn)，攻克技術(shù)難關(guān)，隨著團(tuán)隊的日益壯大，辛斌也在磨煉中迅速成長。

辛斌主要研究方向是計算智能和多機(jī)器人系統(tǒng)。他說，雖然是兩個方向，但是二者緊密關(guān)聯(lián)，一個是內(nèi)核所在，一個是外在邏輯呈現(xiàn)，可以概括為一軟一硬。計算智能其核心就是以算法為主，體現(xiàn)人工智能應(yīng)用的領(lǐng)域，很多方法都是借鑒自然界規(guī)律，比如一些動物的社會性行為，建立創(chuàng)新性計算模式，去解決復(fù)雜問題。其中，涵蓋了信息處理，包括感知信號處理、規(guī)劃、決策以及協(xié)調(diào)控制。主要涉及能讓系統(tǒng)運(yùn)行起來的各個層面，就像人一樣，人的各個維度里都有計算模式。主體上是軟的東西，也就是智能信息處理范疇的事情。另一個研究方向偏硬，也就是多機(jī)器人系統(tǒng)，其實人類創(chuàng)造最厲害的就是屬于智能機(jī)器，這也是人工智能的終極目標(biāo)。要建立智能機(jī)器代替人類去執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，其中多機(jī)器人系統(tǒng)相對復(fù)雜程度較高。單個聚焦的智能單體能力的釋放，比如一個智能單體感知能力強(qiáng)，或者任務(wù)規(guī)劃能力強(qiáng)，我給它一個任務(wù)，它可以通過自主計算出工作先后順序，以及具體操作執(zhí)行。那么多體的話，就是一群機(jī)器人要協(xié)作，有時候也稱之為社會性機(jī)器人。需要它完成各種各樣的協(xié)同作業(yè)，任務(wù)范圍廣，比如生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，就是一群機(jī)器人通過協(xié)作來完成生產(chǎn)任務(wù)。

協(xié)同優(yōu)化，提升多機(jī)器人系統(tǒng)加工作業(yè)

目前，辛斌參與并正在進(jìn)行的科技部重點(diǎn)項目,關(guān)于五金制造行業(yè)的示范應(yīng)用類課題，就是把多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中。該課題主要是針對五金產(chǎn)品工藝流程的多樣化需求，以實現(xiàn)柔性化智能制造為總體目標(biāo)，通過多機(jī)器人的柔性調(diào)度和分布式自組織協(xié)作，形成對多樣化五金產(chǎn)品的高效協(xié)作加工能力、對生產(chǎn)任務(wù)變化與系統(tǒng)內(nèi)部故障的柔性應(yīng)變能力?；谏鲜隹偰繕?biāo)，該課題針對五金工藝的多樣化需求，設(shè)計適用于多機(jī)器人自組織協(xié)作的信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和適用于分布式任務(wù)分配流程的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，以支持機(jī)器人間的通信和高效協(xié)作。研究多機(jī)器人自組織協(xié)作機(jī)制和協(xié)調(diào)方法，通過多機(jī)器人的分布式協(xié)同優(yōu)化決策實現(xiàn)動態(tài)作業(yè)任務(wù)分配，通過搬運(yùn)機(jī)器人的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃實現(xiàn)五金制造不同工藝、工位之間的動態(tài)可調(diào)鏈接。研究多機(jī)器人系統(tǒng)的柔性可持續(xù)作業(yè)調(diào)度技術(shù)，在監(jiān)控管理端充分利用全局信息輔助操作員快速制定高質(zhì)量的調(diào)度方案，實現(xiàn)對各類固定工位作業(yè)機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人的任務(wù)管理和作業(yè)調(diào)度。有機(jī)結(jié)合“自下而上”的分布式自組織協(xié)作和“自上而下”的集中式智能調(diào)度方法，提升多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作水平和作業(yè)效率，形成高效并行加工及柔性應(yīng)變能力。

“通過不同機(jī)器人分別執(zhí)行各自任務(wù)，以自主或者半自主的模式，去把整個生產(chǎn)線中不同的工藝環(huán)節(jié)組合在一起，提高作業(yè)效率，這也是我國智能制造戰(zhàn)略的重點(diǎn)方向。如今，應(yīng)用比較常見就是物流行業(yè)，像國內(nèi)的京東、菜鳥他們都有大的倉儲箱，雙十一期間大量訂單，物流環(huán)節(jié)非常緊張，就會引用這種多機(jī)器人系統(tǒng)，AGV可以自動地幫助這個物流系統(tǒng)提高應(yīng)對效率，目前這也是多機(jī)器人系統(tǒng)的典型應(yīng)用。如今，我國制造業(yè)并不弱，也有一些“卡脖子”的地方，但是從總體綜合來看，我們有我們的優(yōu)點(diǎn)。在多機(jī)器人領(lǐng)域，目前在世界范圍內(nèi)，應(yīng)用比較多的就是汽車制造行業(yè)，其他制造行業(yè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到一個多機(jī)器人協(xié)作目的。通過智能技術(shù)突破來支撐多機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)到高效協(xié)同作業(yè)，有效支撐制造系統(tǒng)，還任重道遠(yuǎn)?！毙帘蠼榻B道。

應(yīng)對變量，在攻克難關(guān)上下功夫

每個領(lǐng)域都有它需要攻克的難關(guān)。辛斌坦言，計算智能難點(diǎn)在于理論上并不是特別完備和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念I(lǐng)域，有很大程度是一種啟發(fā)式的。在該領(lǐng)域最需要突破、也最難突破的，實際上是它的理論架構(gòu)，畢竟是用于解決復(fù)雜問題的，這其中問題有很多，難度也各不相同。那怎么應(yīng)用，用了之后在理論上能否形成健全的方法，是否真正達(dá)到系統(tǒng)完備、邏輯嚴(yán)謹(jǐn)。雖然智能制造環(huán)境可以配置，我們可以為了實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)、提高效率，搭建便利協(xié)作的配套資源，比如說攝像頭、通信裝置，但是這些都不簡單，需要融入很多設(shè)計要素，還要面臨一些重要挑戰(zhàn)，而且確實在世界范圍內(nèi)都是難題。大部分人在做的時候，還是要面向于一些具體問題求解，才能達(dá)到在領(lǐng)域內(nèi)相對比較好的性能。比如計算智能研究比較多的就是優(yōu)化問題，解決這類問題大概有這么兩類方法，一個是在問題上做轉(zhuǎn)換，或者把它表達(dá)成一個容易處理的問題?？赡鼙举|(zhì)上還是非常復(fù)雜的一種非線性問題，以及各種各樣的不確定性，總之就是用傳統(tǒng)方法不好解。還有就是我們計算科學(xué)里比較復(fù)雜的，就是問題具有一定規(guī)模之后，在理論上尤其從當(dāng)前計算能力看，確實解決不了，更不可能突破。那么在優(yōu)化時，就需要我們做多指標(biāo)優(yōu)化，要考慮多個指標(biāo)，做決策時還要考慮各種不確定性，來自主觀、客觀、環(huán)境以及任務(wù)需求等，所以大部分研究都是針對一些比較復(fù)雜的問題。

那么多機(jī)器人領(lǐng)域的難點(diǎn)在于，動態(tài)的不確定因素。以生產(chǎn)制造為背景，比如多機(jī)器人在排產(chǎn)過程中，圍繞你的生產(chǎn)任務(wù)，需要生產(chǎn)各種不同類型的產(chǎn)品，那么就要進(jìn)行調(diào)度、排產(chǎn)，訂單有生產(chǎn)時間要求，機(jī)器狀態(tài)有參數(shù)設(shè)定，多長時間能加工一個什么樣的工序，同時我們還要考慮如何創(chuàng)新。當(dāng)引入AGV之后，還要包括路徑規(guī)劃，在車間生態(tài)環(huán)境中，它類似于交通系統(tǒng)一樣，從a點(diǎn)到b點(diǎn)怎么走，負(fù)責(zé)哪一個成品或者半成品的運(yùn)轉(zhuǎn)，都是該體系下要涉及到的大量決策，其中變量很多。一旦系統(tǒng)中出現(xiàn)問題，就需要具備能力去處理，這就是該領(lǐng)域非常典型的難點(diǎn)，因為要真正讓它有效的運(yùn)行起來，這都是實際上要去重點(diǎn)突破的。

安全保障，就要卡在安全的籠子里

2021年，我國在“十四五”規(guī)劃中重點(diǎn)提到安全問題。我國在人工智能安全方面發(fā)展迅猛，在人工智能時代，尤其有了機(jī)器人產(chǎn)物，它已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妗，F(xiàn)在醫(yī)療、教育、交通等領(lǐng)域都在與人工智能技術(shù)深度融合，給我們生活帶來便捷的同時，隱私、安全問題也逐漸凸顯出來，這也是人工智能技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

辛斌介紹，當(dāng)人工智能加上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，生活中最為常見的，就是機(jī)器學(xué)習(xí)，通過人工智能技術(shù)去進(jìn)行信號處理、圖片識別、語音識別、人臉識別等一些商品化的東西，應(yīng)用廣泛且效果非常成功。我們在享受著人工智能讓生活變美好的同時，也要面對它帶來的社會性安全問題，比如家裝監(jiān)控、攝像頭等，都存在著隱私泄露的隱患。從國家戰(zhàn)略層面看的話，高端技術(shù)引領(lǐng)更多應(yīng)用。人工智能如果應(yīng)用于軍事上，那么軍用技術(shù)引領(lǐng)將會改變戰(zhàn)爭模式。比如美軍正在大量開拓人工智能技術(shù)，包括他們的無人化裝備。人工智能加無人系統(tǒng)就是代表人工智能賦能產(chǎn)生的最具典型性產(chǎn)物。

“不論是國家安全、軍事安全還是社會安全，該如何去把控人工智能技術(shù)在可控的范疇之內(nèi)，不要突破人類的邊界。需要在技術(shù)層面上設(shè)立約束性，把它卡在安全的籠子里。毋庸置疑，人工智能技術(shù)發(fā)展前景廣闊，但其安全性，毫無疑問不容忽視?！毙帘髲?qiáng)調(diào)。

創(chuàng)新意識，是科研人的必備條件

2012年，辛斌榮獲了“關(guān)肇直獎”，成為該獎項設(shè)立18年以來的第23位獲獎人（包括2位國際獲獎人），這也是北京理工大學(xué)歷史以來第一位“關(guān)肇直獎”的獲得者?！瓣P(guān)肇直獎”含金量極高，每年只評定一次，且每次獲獎名額不多于兩篇?！瓣P(guān)肇直獎”以其嚴(yán)格的評審、高水平的獲獎?wù)撐募矮@獎?wù)叱錾暮罄m(xù)工作而在控制界享有很高的聲譽(yù)，系目前我國控制理論界最高水平的青年學(xué)術(shù)獎項。

談到獲獎心情時，辛斌說當(dāng)時還是非常興奮和激動，因為榮譽(yù)背后的付出，只有自己最清楚。任何一個榮譽(yù)或獎項，只要你覺得它值得你去努力，就要為之付出百分之百的努力，做好充分準(zhǔn)備，把自己調(diào)整到最佳狀態(tài)，因為這對自己也是一個挑戰(zhàn)?！澳菚r只是想看看同行及前輩們對自己是否認(rèn)可，反觀也看看自己有哪些不足。評獎只是一個過程，通過評獎可以更好的總結(jié)自己。它是一個手段，而不應(yīng)該作為一個目標(biāo)，獲獎的同時也更加堅定了自己之后的科研之路?！毙帘筇寡缘?。

辛斌除了是一名科研人員，還是一名高校教師。教育是我國國之大計，對高校教師的要求也越來越高，不僅職責(zé)廣、維度高，而且還擔(dān)負(fù)著更重要使命，就是人才培養(yǎng)。關(guān)于人才培養(yǎng)，辛斌最為看重的是創(chuàng)新。他說要想成為一名合格的科研人員必須要具備創(chuàng)新意識，因為不管是理論研究還是技術(shù)研究，如果沒有創(chuàng)新意識，什么也做不出來。其次還要有毅力和敢拼搏的精神。最后一點(diǎn)，還要熱愛科研工作，為了它能心甘情愿的投入更多時間去鉆研。對于學(xué)生，辛斌經(jīng)常問的一個問題就是，你來讀研目的是什么？如果只為了一張紙，那就不要讀了。無論是做項目研究，還是自主研究，如果不具備這些品質(zhì)，很難堅持下來。因為科研工作其實很枯燥，所以需要科研人員能耐得住寂寞，沉下心去研究，就算遇到挫折，也能勇于面對失敗，不斷接受挑戰(zhàn)。除此之外，學(xué)生的思考問題和表達(dá)能力的培養(yǎng)，也是辛斌格外看重的。多年的學(xué)術(shù)研究，也讓辛斌從中感悟到很多道理，他認(rèn)為“忍、拼、衡”三個字，為了科研能忍、為了工作敢拼、為了目標(biāo)平衡，是他對自己品行的概括，也是他做人做事的原則。

如今，身兼數(shù)職的辛斌，絕大多數(shù)的時間都用在了工作上，除了科研項目外，還要給本科生授課，每天都非常忙碌?！皩W(xué)生們因為關(guān)心我，給我買的啞鈴，我只能抽空舉舉啞鈴，做做俯臥撐就算是放松了。以前還能跟團(tuán)隊的老師們一塊兒打打球，后來結(jié)婚有了孩子，還要盡可能的兼顧家庭?！毙帘笳f。對于家庭，辛斌經(jīng)常忙完工作回家后，孩子們已經(jīng)睡了。身為父親，還要盡量抽出時間陪孩子，陪完孩子再工作，一直到凌晨。面對壓力大時，辛斌笑笑說：“只能是自己內(nèi)心調(diào)控，修煉內(nèi)功，盡量釋放出負(fù)能量。既然改變不了這樣的生活節(jié)奏，那就只能適應(yīng)它，調(diào)節(jié)好自己心態(tài)，百分之百地去投入，盡可能產(chǎn)出科研成果。”

談到未來的工作重點(diǎn)，辛斌表示，大目標(biāo)就是結(jié)合我們的專業(yè)方向，如何做出一個具體能呈現(xiàn)出來的載體。對于高校教師的發(fā)展或者團(tuán)隊建設(shè)，有很多維度，其中一個維度就是平臺。同時，把我們研究的技術(shù)、理論、方法，能夠更多的往實際系統(tǒng)上去轉(zhuǎn)化，可以更直觀的看到成果。在民用方向也會適當(dāng)拓展，立足于我們原來的大背景下，去做集群機(jī)器人，可以異構(gòu)空中地面戰(zhàn)役平臺里，涉及跟我們密切相關(guān)的任務(wù)規(guī)劃、決策，把軟件系統(tǒng)和硬件載體，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。

辛斌說，目前，在做這方面研究的人，都是這個思路，所以我們可以抓住共性的研究層面去突破，然后從各種應(yīng)用為導(dǎo)向的平臺上進(jìn)行遷移。我們自己的驗證平臺已經(jīng)搭建了一些，可以自己獨(dú)立去驗證一些東西，再結(jié)合項目，逐漸向一些應(yīng)用上拓展。所以還是會以各種各樣的無人平臺或者無人系統(tǒng)為主要對象，去研究突破跟任務(wù)規(guī)劃、人工智能技術(shù)為手段的任務(wù)系統(tǒng)。這種相關(guān)軟件能力的開發(fā)，系統(tǒng)搭建，把人工智能真正賦能到平臺上去執(zhí)行各種任務(wù)。希望我們研究的內(nèi)容，能為我國在智能技術(shù)領(lǐng)域帶來競爭力，同時也為我們特殊背景行業(yè)能夠形成戰(zhàn)斗力，去塑造一種能力，使我國在國際競爭中具有一定優(yōu)勢。