周文熙

【摘要】? ? 航天工業(yè)作為一個國家工業(yè)實力的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，對我國的重要性不言而喻。本文分析了當(dāng)前航天工業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)，介紹了國內(nèi)外人工智能的應(yīng)用情況，并舉出了人工智能可以發(fā)揮顯著作用的四個場景，大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、專家系統(tǒng)、智能管理系統(tǒng)和高級人工智能。

【關(guān)鍵詞】? ? 航天? ? 人工智能? ? 研究現(xiàn)狀? ? 應(yīng)用場景

引言

航天工業(yè)被譽(yù)為是工業(yè)的“明珠”，不僅是國家綜合實力的體現(xiàn)，更是對人類未來的生存與發(fā)展的探索與開拓，航天工業(yè)的發(fā)展對信息技術(shù)、國防安全、資源開發(fā)等都有著深遠(yuǎn)的意義。同時，航天工業(yè)是一個多專業(yè)高度集合的產(chǎn)業(yè)，一個國家在發(fā)展航天工業(yè)的過程中，在客觀上也會促進(jìn)諸如材料學(xué)、動力學(xué)、控制論等學(xué)科的發(fā)展。因此，航天工業(yè)的發(fā)展是必需的，是我國立足于世界民族之林的重要保障。

近些年來，人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的成果，例如無人駕駛、阿爾法狗等。人工智能的目的在于賦予計算機(jī)“智能”，使其能夠更好地完成人類的工作，因此人們提出將人工智能技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域或許能夠幫助人類克服當(dāng)前存在的難題，幫助人類獲得更好更快的發(fā)展。

一、航天工業(yè)當(dāng)前存在的問題

航天工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了相對成熟的階段，以中美俄為首的航天大國也在積極探索航天工業(yè)的新形式、新思路。目前來看，當(dāng)前的航天工業(yè)有四個比較突出的問題亟待解決[1]：

長距離下的通信問題。眾所周知，在當(dāng)前的科學(xué)語境中人們賴以通信的電磁波的速度是有限的，為300000000米/秒。短距離的太空旅行、探索任務(wù)（例如登月）中電磁波傳播所帶來的時延效果基本可以忽略不計，但隨著人們的腳步不斷向太空延伸，信息傳播所需要的時間將以秒、分、小時甚至年來計算，在這種情況下依靠人來進(jìn)行控制和指令的下達(dá)往往是不及時的甚至?xí)斐扇蝿?wù)的失敗，這就要求未來的深空探測器具備一定的決策能力，能夠在復(fù)雜的空間環(huán)境中代替人類進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。

數(shù)據(jù)爆炸。隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步，人們對周圍世界的認(rèn)知越來越數(shù)據(jù)化、精細(xì)化。我們希望計算機(jī)代替人類來進(jìn)行目標(biāo)識別、任務(wù)規(guī)劃、執(zhí)行任務(wù)，因此就需要將盡可能多的、全面的、詳細(xì)的數(shù)據(jù)傳遞給計算機(jī)。這就造成很多情況下使用傳統(tǒng)算法的計算機(jī)算力的提升速度無法跟上數(shù)據(jù)規(guī)模的膨脹速度。因此，我們需要計算機(jī)智能地判斷數(shù)據(jù)處理的優(yōu)先級，合理地分配計算資源，以此來最高效率地完成計算，保證任務(wù)的時效性。

語義層面的智能識別能力的欠缺。一般認(rèn)為現(xiàn)代智能系統(tǒng)有三個層次：感知、決策與控制[2]。如果將傳感器收集到的數(shù)據(jù)不加處理地傳遞給決策模塊進(jìn)行判斷，除去前文所說的數(shù)據(jù)爆炸問題，在數(shù)學(xué)表達(dá)方面也存在建模的困難。當(dāng)前的航天器收集到的數(shù)據(jù)往往需要交給工作人員進(jìn)行處理和識別，這就對相關(guān)工作人員的能力提出了非常高的要求。如果用計算機(jī)代替人類來對空間中的物體進(jìn)行識別和判斷，除去效率的提高，也會一定程度上減少錯誤率。

傳統(tǒng)的控制方法遭遇瓶頸，亟需控制理論方面的創(chuàng)新。傳統(tǒng)的控制理論在數(shù)學(xué)上的解釋性很強(qiáng)，但在實際應(yīng)用中一旦出現(xiàn)突發(fā)情況使得系統(tǒng)偏離原定任務(wù)執(zhí)行路線的情況，工程人員預(yù)先設(shè)置好的數(shù)學(xué)模型便不再適用。因此，需要智能的、自適應(yīng)的控制模型來替代傳統(tǒng)的控制方法，使得發(fā)生故障時航天器能夠自我診斷、及時調(diào)整甚至是自主排障。

最后從航天任務(wù)中人和人工智能的特點(diǎn)來說。人的優(yōu)點(diǎn)在于可以完成不確定性、隨機(jī)性強(qiáng)的任務(wù)，但同時也容易疲勞，不能很好地勝任重復(fù)性的工作。而人工智能則能和人形成完美的互補(bǔ)，相輔相成。因此，人工智能的引入將進(jìn)一步簡化航天工作者的任務(wù)，將他們從重復(fù)性的勞動中解放出來。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2017年7月，我國頒布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)給新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》，提出了發(fā)展人工智能的必要性與緊迫性。雖然我國的航天工業(yè)實力已經(jīng)是世界一線水準(zhǔn)，但就智能航天這一領(lǐng)域而言，我國還處于為人工智能航天打造技術(shù)基礎(chǔ)的“基建”階段。2013年的嫦娥三號探測器上就應(yīng)用了先進(jìn)的通信技術(shù)，與地面實現(xiàn)了低延遲、高清晰的圖像傳輸與控制[3]。

在遙感領(lǐng)域，航天星圖科技有限公司將大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)相融合，創(chuàng)建了GEOVIS5空天大數(shù)據(jù)承載與智能服務(wù)平臺，大大提升了遙感數(shù)據(jù)處理能力的智能性。在軌控制方面，中國空間技術(shù)研究院聯(lián)合哈工大等高校于2016年完成了全球首次人機(jī)協(xié)同的在軌任務(wù)，任務(wù)包含了插拔電連接器等精密動作。

集群領(lǐng)域方面，我國開展了七星集群的自主規(guī)劃研究并且取得了一定成果。同時，在對于運(yùn)輸故障的診斷中，我國的運(yùn)載火箭已經(jīng)實現(xiàn)了基于閥值的故障診斷，并在長征二號F運(yùn)載火箭上進(jìn)行了應(yīng)用。而在任務(wù)重規(guī)劃領(lǐng)域中，我國雖還沒有正式的應(yīng)用，但是對其的研究也頗多，相信未來也會得到充分的實驗和應(yīng)用

2.2 國外研究現(xiàn)狀

在航天領(lǐng)域，美國長期處于世界領(lǐng)先位置，而其對航天智能化的重視也由來已久。早在1988年，美國的“深空一號”便成為了第一個使用人工智能技術(shù)進(jìn)行無人監(jiān)控的探測器，而火星車“好奇號”則更進(jìn)一步，利用軟件可以實現(xiàn)自主規(guī)避障礙物和控制行動。運(yùn)載技術(shù)方面，NASA從上世紀(jì)60年代起便實現(xiàn)了航天器對特定部位的簡單的自主檢測，最近則實現(xiàn)了真正意義上的智能的運(yùn)載火箭軌跡規(guī)劃技術(shù)：SpaceX發(fā)明的SLS發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用牽制釋放技術(shù)，實時監(jiān)測火箭狀況，如果有特殊情況，可以立即停止發(fā)射。出現(xiàn)故障的話，系統(tǒng)會智能規(guī)劃飛行軌道，最大程度上適應(yīng)當(dāng)前狀況來完成飛行任務(wù)。

三、人工智能在航天中的應(yīng)用

人工智能因為其可靠性高，抗疲勞等特點(diǎn)，在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用可以和人進(jìn)行一個良好的互補(bǔ)。具體表現(xiàn)在四個方面：

3.1大規(guī)模數(shù)據(jù)處理

不論是發(fā)射、在軌運(yùn)行還是星球探測，航天器都需要實時收集大量信息，這時就需要航天器具備一定的數(shù)據(jù)處理能力：如果采取將信息傳輸回地面完成處理后再傳回航天器的方案，就容易出現(xiàn)延遲過高、無法及時處理突發(fā)狀況的問題。當(dāng)前階段的人工智能技術(shù)本身就是包含于大數(shù)據(jù)之中，善于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)的一種技術(shù)手段，可以在航天領(lǐng)域中發(fā)揮其積極作用。

尤其是當(dāng)航天器進(jìn)入深空后，與地球的距離將會達(dá)到幾光年甚至幾十光年，這時需要航天器自主適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境，自行對飛行任務(wù)作出決策。這需要深度的學(xué)習(xí)和自主識別能力，感知復(fù)雜的太空環(huán)境，自主決策，以解決低效率的問題。

3.2專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)這一概念由Stanford大學(xué)Feigenbaum教授于20世紀(jì)60年代提出，意為可以像人一樣思考、推理的人工智能系統(tǒng)。在今天，專家系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域，幫助人們做出判斷。

專家系統(tǒng)在航天中的主要的應(yīng)用領(lǐng)域是設(shè)計和檢測。設(shè)計在某種程度上來說是一種知識含量極高的重復(fù)勞動，需要設(shè)計人員按部就班地按照規(guī)則進(jìn)行排列和組合，如果將人工智能應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域，就可以代替人類進(jìn)行一些相對簡單而重復(fù)的設(shè)計，有效節(jié)省人力資源。

在檢測方面，人工檢測由于人的局限性往往難以面面俱到，而智能檢測就可以根據(jù)整個系統(tǒng)的信息（例如某個寄存器的數(shù)值、某個電路的電流等）來對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，找到人工檢測難以發(fā)現(xiàn)的故障等。

3.3智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)實質(zhì)上是一種更加高級別的專家系統(tǒng)，它統(tǒng)領(lǐng)航天不同細(xì)分領(lǐng)域上的具體的專家系統(tǒng)，能將各個專家系統(tǒng)的信息進(jìn)行統(tǒng)籌處理并解決。除非有無法解決的問題需要上報航天員和地面的控制人員，否則智能管理系統(tǒng)將會解決大部分的問題。例如在制造方面，智能專家系統(tǒng)能在全國進(jìn)行信息同步，進(jìn)行更加高效的資源調(diào)度配置，同時，它會將火箭、衛(wèi)星、航天器等收集到的信息納入系統(tǒng)，同時掌握這些航天器的情況與狀態(tài)，形成信息網(wǎng)。在作戰(zhàn)領(lǐng)域，智能管理系統(tǒng)能更早地感知敵軍動向，用多重手段實現(xiàn)偵查、監(jiān)測和轉(zhuǎn)移，并且對導(dǎo)彈等武器進(jìn)行規(guī)劃與發(fā)射，增加傷害性能。

3.4高級人工智能

高級人工智能則是能夠代替人類的真正意義上的強(qiáng)人工智能：它們可以隨機(jī)應(yīng)變，并且對復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行智能的判斷與決策，在將來，高級人工智能將是各個領(lǐng)域上的重要生產(chǎn)力量。

在任務(wù)規(guī)劃上，高級人工智能有著無可替代的優(yōu)勢。首先是高容錯飛行[4]。相較以前的發(fā)射任務(wù)，如果出現(xiàn)突發(fā)狀況，因為航天器飛行速度快、處理時間短等因素，人是很難進(jìn)行及時有效的干預(yù)的。但是使用高級人工智能以后，如果出現(xiàn)突發(fā)狀況，人工智能將會自主進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，得出最優(yōu)解，讓損失降到最小。其次是深空機(jī)器人。機(jī)器人是人工智能理論知識和自動化技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)合體。早在2011年，美國就已經(jīng)將一臺機(jī)器人“R2”發(fā)射到太空空間站中執(zhí)行任務(wù)。它擁有多個關(guān)節(jié)，自由度很高，同時具備一定程度的高級人工智能，能自行處理一些日常事務(wù)。美國在2013年啟動了火星機(jī)器人“女武神”計劃，將為高級人工智能在深空的應(yīng)用進(jìn)行更深遠(yuǎn)的拓展[5]。在集群作戰(zhàn)領(lǐng)域，航天器能通過系統(tǒng)完成單個航天器無法完成的任務(wù)。運(yùn)用高級人工智能，自主實現(xiàn)規(guī)劃、決策、作戰(zhàn)的程序，有助于戰(zhàn)場上的智能作戰(zhàn)。

四、結(jié)語

本文首先介紹了航天工業(yè)所存在的問題與發(fā)展進(jìn)程。隨后列舉并對比了國內(nèi)外對于人工智能在航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀并且進(jìn)行了一定的總結(jié)。最后再對人工智能未來航天工業(yè)的使用與發(fā)展做出了展望。

在筆者看來，人工智能在航天中的應(yīng)用是大勢所趨。人工智能和航天工業(yè)都必將是人類未來產(chǎn)業(yè)的主旋律。人類必將會邁向更廣闊的宇宙，也必然會進(jìn)一步解放生產(chǎn)力。因此，邁向深空的航天工業(yè)與邁向未來的人工智能的有機(jī)結(jié)合將會讓未來的發(fā)展更加清晰簡單。但是這條道路必然是困難重重：如何保證人工智能對于航天器發(fā)出正確的指令、如何發(fā)展到“強(qiáng)人工智能”，無需人工干預(yù)，這一切還需要科學(xué)工作者們的努力和實踐的檢驗。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳萱， 李云. 世界航天科技發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 中國航天， 2009， 000（011）：28-30.

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[4]吳宏鑫， 胡軍， 解永春. 航天器智能自主控制研究的回顧與展望[J]. 空間控制技術(shù)與應(yīng)用， 2016， 042（001）：1-6.

[5]劉付成. 人工智能在航天器控制中的應(yīng)用[J]. 飛控與探測， 2018， 1（01）：30-39.