無(wú)人機(jī)有了“火眼金睛”

近日，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)公布2024年度吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單，由天津大學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘團(tuán)隊(duì)牽頭，一飛智控（天津）科技有限公司、天地偉業(yè)技術(shù)有限公司等單位參與的“低空智能感知關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。這一成果標(biāo)志著我國(guó)在低空智能感知領(lǐng)域取得了重要突破，為低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在重大突發(fā)事件中展現(xiàn)出不可替代的價(jià)值。然而，無(wú)人機(jī)應(yīng)用的核心技術(shù)——低空智能感知，卻面臨諸多挑戰(zhàn)。

“低空智能感知技術(shù)的突破，對(duì)于我國(guó)低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要?！碧旖虼髮W(xué)教授胡清華在接受采訪時(shí)表示，目前低空智能感知技術(shù)存在三大技術(shù)瓶頸：看不清、看不準(zhǔn)、看不全。

胡清華解釋說(shuō)，雨雪霧霾等天氣顯著降低環(huán)境能見(jiàn)度，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)圖像識(shí)別精度急劇下降，“看不清”目標(biāo)。現(xiàn)有方法難以對(duì)復(fù)雜介質(zhì)的噪聲特性進(jìn)行精確建模，也缺乏跨模態(tài)動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)機(jī)制，無(wú)法有效恢復(fù)退化圖像中的關(guān)鍵特征信息。

此外，無(wú)人機(jī)高速飛行疊加地面動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致成像模糊?，F(xiàn)有方法受限于剛體運(yùn)動(dòng)假設(shè)，難以準(zhǔn)確消除高速成像與運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生的模糊和錯(cuò)位，這就導(dǎo)致無(wú)人機(jī)“看不準(zhǔn)”。

與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)還存在“看不全”的問(wèn)題。單機(jī)視角受限使得全局空間信息缺失，現(xiàn)有方法依賴(lài)投影幾何約束方法，導(dǎo)致三維空間信息不完整，在遮擋邊界處難以準(zhǔn)確判定拓?fù)潢P(guān)系，無(wú)法有效處理復(fù)雜的遮擋場(chǎng)景。

“這些難題嚴(yán)重制約了無(wú)人機(jī)在巡檢安防、水情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急搜救等國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。突破這些挑戰(zhàn)可顯著促進(jìn)我國(guó)低空感知技術(shù)進(jìn)步，支撐低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁向新臺(tái)階。”胡清華認(rèn)為，解決低空智能感知難題迫在眉睫。

核心技術(shù)“破冰”

針對(duì)低空智能感知的三大難題，天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了三項(xiàng)核心技術(shù)創(chuàng)新：低空復(fù)雜環(huán)境全天候感知技術(shù)、低空感知基礎(chǔ)模型自主進(jìn)化技術(shù)和多機(jī)跨視角協(xié)同感知技術(shù)。

“在全天候感知技術(shù)方面，隨著低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)在惡劣天氣和復(fù)雜光照條件下的感知短板越來(lái)越明顯。傳統(tǒng)感知模型通過(guò)靜態(tài)參數(shù)處理多模態(tài)信息，難以應(yīng)對(duì)大霧、沙塵和低光照等復(fù)雜場(chǎng)景?！碧旖虼髮W(xué)教授朱鵬飛解釋道，“我們首創(chuàng)了‘退化—復(fù)原雙向耦合’理論框架，解決了多因素交織影響的理論難題；構(gòu)建了‘感知—解算—決策’動(dòng)態(tài)閉環(huán)系統(tǒng)，讓感知系統(tǒng)能自適應(yīng)環(huán)境變化；研發(fā)了場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的多源傳感動(dòng)態(tài)融合引擎，突破傳統(tǒng)權(quán)重分配的局限?！?/p>

這些創(chuàng)新讓無(wú)人機(jī)在惡劣天氣下的目標(biāo)追蹤精度提升了6.3個(gè)百分點(diǎn)，低光照?qǐng)鼍暗哪繕?biāo)檢測(cè)性能提升了13.2%。

在低空感知基礎(chǔ)模型自主進(jìn)化技術(shù)上，朱鵬飛介紹：“數(shù)據(jù)是人工智能學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，但低空感知領(lǐng)域的原始數(shù)據(jù)標(biāo)注精度低、清洗成本高，且無(wú)人機(jī)高速飛行疊加地面動(dòng)態(tài)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的成像模糊問(wèn)題，進(jìn)一步加劇了數(shù)據(jù)的標(biāo)注與清洗難度，導(dǎo)致傳統(tǒng)模型難以學(xué)習(xí)到有效信息。

為此，科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全球最大的低空視覺(jué)感知開(kāi)放數(shù)據(jù)平臺(tái)——VisDrone，并以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，依托天津市人工智能計(jì)算中心強(qiáng)大的昇騰算力底座打造了低空感知基礎(chǔ)模型。通過(guò)引入不確定性感知建模，系統(tǒng)能自主評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量，并不斷優(yōu)化模型的感知能力。團(tuán)隊(duì)還建立了“人在回路”的反饋機(jī)制，推動(dòng)數(shù)據(jù)標(biāo)注和模型進(jìn)化的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)，極大提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性和精準(zhǔn)度。

談到多機(jī)跨視角協(xié)同感知技術(shù)，朱鵬飛說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于無(wú)人機(jī)集群在復(fù)雜三維空間作業(yè)時(shí)，單機(jī)視角有限，容易產(chǎn)生視野盲區(qū)，多源數(shù)據(jù)在跨視角匹配時(shí)也容易出現(xiàn)錯(cuò)位和偏差。”

科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新研發(fā)了基于跨視角信息自適應(yīng)交互匹配的協(xié)同感知框架，通過(guò)動(dòng)態(tài)交互匹配模板和智能搜索區(qū)域生成機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)單目標(biāo)的協(xié)同跟蹤。同時(shí)，采用局部—全局的多粒度匹配策略，提升了多機(jī)多目標(biāo)的感知能力。在單目標(biāo)跟蹤中，多機(jī)協(xié)同將成功率提升了15.6%。在多目標(biāo)場(chǎng)景下，30架無(wú)人機(jī)成功對(duì)3臺(tái)高速機(jī)動(dòng)車(chē)輛實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)捕捉。

已在多個(gè)領(lǐng)域投用

天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)的低空智能感知關(guān)鍵技術(shù)，已在諸多領(lǐng)域結(jié)出累累碩果。

“這項(xiàng)技術(shù)的突破，為多個(gè)行業(yè)帶來(lái)革命性變革?！币伙w智控（天津）科技有限公司總經(jīng)理張?jiān)评龜?shù)了技術(shù)創(chuàng)新帶來(lái)的應(yīng)用升級(jí)，“在公共安全領(lǐng)域，全天候感知技術(shù)與多機(jī)協(xié)同技術(shù)結(jié)合，可顯著提升災(zāi)害救援、邊境巡查等場(chǎng)景的響應(yīng)能力。如森林火災(zāi)中，無(wú)人機(jī)群能穿透煙霧實(shí)時(shí)定位火源，并通過(guò)自主進(jìn)化模型動(dòng)態(tài)調(diào)整監(jiān)測(cè)策略，有望大幅縮短應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間。在城市管理中，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)識(shí)別違規(guī)建筑、交通事故等異常情況，助力提升城市治理效率?！?/p>

張?jiān)平榻B：“在工業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)體系重塑了傳統(tǒng)作業(yè)模式。風(fēng)電運(yùn)維借助全天候感知技術(shù)，可有效提升風(fēng)機(jī)故障預(yù)判準(zhǔn)確率。在農(nóng)業(yè)植保中，該技術(shù)能進(jìn)一步提升植被施藥精準(zhǔn)度，助力綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展?！?/p>

“在應(yīng)急防汛中，即便是惡劣天氣下，應(yīng)用了全天候感知技術(shù)的無(wú)人機(jī)也能穩(wěn)定作業(yè)，迅速抵達(dá)指定區(qū)域，為防汛工作提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)?！碧斓貍I(yè)技術(shù)有限公司研究院院長(zhǎng)于宏志分享該技術(shù)在應(yīng)急防汛方面的重要作用，“自主進(jìn)化技術(shù)使系統(tǒng)適應(yīng)性增強(qiáng)、智能化提升，能更好地識(shí)別和分析防汛現(xiàn)場(chǎng)狀況。多機(jī)跨視角協(xié)同感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)融合，提高監(jiān)測(cè)精度和效率，保障人員安全?！?/p>

從經(jīng)濟(jì)效益看，該技術(shù)已形成單機(jī)智能與集群協(xié)同兩大產(chǎn)品群，累計(jì)銷(xiāo)售33.4萬(wàn)臺(tái)套，近3年新增收入約28.2637億元。隨著人工智能、5G通信等技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，低空智能感知技術(shù)有望在智慧城市、環(huán)境保護(hù)、交通管理、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域開(kāi)拓更廣闊應(yīng)用空間，為社會(huì)安全與民生保障提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐。