機(jī)器人組團(tuán)海上出征，你見(jiàn)過(guò)嗎？海面上，多個(gè)海洋機(jī)器人列隊(duì)行進(jìn)，它們通過(guò)組網(wǎng)通訊共享信息，隨著作業(yè)局勢(shì)的不斷改變，快速變換隊(duì)形，最終完成協(xié)同探測(cè)等任務(wù)。并且這些任務(wù)完全由機(jī)器人們自主作業(yè)，不需要人為干預(yù)。

據(jù)悉，日前由哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭的海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)項(xiàng)目群成功展示了機(jī)器人組團(tuán)海上出征的場(chǎng)面，并順利通過(guò)了海試驗(yàn)收。

本次團(tuán)隊(duì)協(xié)作演示在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同架構(gòu)模式從集中式/混合式發(fā)展為分布式，系統(tǒng)協(xié)同智能化水平從半自主升級(jí)為全自主，適應(yīng)任務(wù)場(chǎng)景及環(huán)境從確定結(jié)構(gòu)化拓展為未知非結(jié)構(gòu)化，這標(biāo)志著我國(guó)海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性突破并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

團(tuán)隊(duì)協(xié)同涌現(xiàn)群體智能效應(yīng)

海洋機(jī)器人是一類能夠遙控或自主操控完成特定功能的無(wú)人海上航行器。海洋機(jī)器人發(fā)展的歷史約有70年，經(jīng)歷了從載人到無(wú)人，從直接操控、遙控到自主、智能，從單機(jī)、多機(jī)到集群的主要發(fā)展階段。受計(jì)算機(jī)、人工智能、材料、通信、傳感器等技術(shù)的推動(dòng)，近30年來(lái)，海洋機(jī)器人發(fā)展迅猛，如今人工智能技術(shù)正在推動(dòng)海洋機(jī)器人進(jìn)入智能海洋機(jī)器人時(shí)代。

就像自然界中的魚群、狼群、蜂群一樣，“2個(gè)或多個(gè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，并不是簡(jiǎn)單的功能疊加，而是會(huì)出現(xiàn)1+1>2的群體智能效應(yīng)，涌現(xiàn)出全新的協(xié)同行為模態(tài)，從而可以完成更加復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)?！表?xiàng)目群牽頭人、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教師廖煜雷介紹。

俗話說(shuō)“眾人拾柴火焰高”，群體智能是源于自然界群居生物系統(tǒng)中的一種涌現(xiàn)智能。以蜂群為例，每個(gè)蜜蜂的分工明確，其個(gè)體的能力和智力較低，但是蜂群匯聚后可以構(gòu)建龐大且復(fù)雜的蜂巢，在復(fù)雜的自然環(huán)境中實(shí)現(xiàn)種群繁衍，體現(xiàn)出強(qiáng)大的生存能力和復(fù)雜的群體行為。

海洋機(jī)器人的集群智能協(xié)同也克服了單個(gè)機(jī)器人作業(yè)能力弱、工作范圍小和工作效率低等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)器人不具備的功能，并顯著提升系統(tǒng)的作業(yè)效率或能力。機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)可將人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)作用下的機(jī)器人的通信、感知、認(rèn)知、決策、控制與行為有效融合，實(shí)現(xiàn)集群系統(tǒng)下個(gè)體的互聯(lián)互通、態(tài)勢(shì)共享、群策群力，在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，表現(xiàn)出與人類相當(dāng)或超越人類的能力。

海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)可應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、海洋科學(xué)調(diào)查、海底觀測(cè)，支撐構(gòu)建廣域立體化海洋觀測(cè)網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字海洋”;還可應(yīng)用于海底地形測(cè)繪、航道測(cè)量、油氣勘探等，實(shí)現(xiàn)快速大范圍海洋探測(cè)，支持海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展;有助于維護(hù)海洋權(quán)益、保障海洋安全等，對(duì)我國(guó)發(fā)展人工智能戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)具有重要意義。

實(shí)現(xiàn)集群智能協(xié)同面臨三大挑戰(zhàn)

項(xiàng)目群責(zé)任專家、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教授李曄介紹，海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同是“人工智能+海洋無(wú)人系統(tǒng)”深度融合發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性技術(shù)，作為引領(lǐng)未來(lái)裝備發(fā)展、作業(yè)模式變革的一項(xiàng)前沿顛覆性技術(shù)而備受關(guān)注，也是“十三五”期間一項(xiàng)具有標(biāo)志性意義的科研項(xiàng)目。

此次海試的海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)項(xiàng)目群系統(tǒng)龐大、涉及關(guān)鍵技術(shù)眾多、復(fù)雜性高。廖煜雷介紹，海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)主要面臨三大技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，在海洋機(jī)器人編隊(duì)中，不同種類的機(jī)器人被賦予不同的使命;同時(shí)，它們的船型多樣、機(jī)動(dòng)性差異大、載荷種類多，智能算法如何有效匹配不同類型的機(jī)器人并發(fā)揮集群效能是一大難點(diǎn)。

海洋機(jī)器人處于復(fù)雜、惡劣的作業(yè)環(huán)境，在這種典型的強(qiáng)干擾、弱通信和弱觀測(cè)環(huán)境里，機(jī)器人的智能系統(tǒng)會(huì)受到顯著影響，運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)大、感知不準(zhǔn)確、信息交互難。因此，在這樣的情況下，如何讓機(jī)器人具備良好的生存能力和作業(yè)性能是科研攻關(guān)面臨的第二個(gè)挑戰(zhàn)。

骯臟、枯燥、危險(xiǎn)，3個(gè)關(guān)鍵詞詮釋了海洋機(jī)器人的任務(wù)場(chǎng)景。要讓機(jī)器人搭載多樣的功能載荷、掌握復(fù)雜的作業(yè)技能以滿足不同的任務(wù)需求，并適應(yīng)復(fù)雜的、不確定的甚至對(duì)抗性的使用場(chǎng)景，這對(duì)智能算法的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、學(xué)習(xí)能力提出了苛刻的要求，也是集群智能協(xié)同技術(shù)面臨的第三個(gè)挑戰(zhàn)。

要解決上述難題，科研人員要在海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)的信息共享、協(xié)同感知、協(xié)同編隊(duì)、協(xié)同決策、人機(jī)協(xié)同、作業(yè)策略等基礎(chǔ)理論算法方面展開系統(tǒng)、深入的研究。

分布式架構(gòu)讓機(jī)器人隨時(shí)加入或退出

近年來(lái)，我國(guó)多個(gè)科研機(jī)構(gòu)在機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)領(lǐng)域展開研究，取得了一定的成果，而本項(xiàng)目群在此前研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多個(gè)技術(shù)突破，如從多機(jī)自主協(xié)調(diào)向集群智能協(xié)同的突破;從特定任務(wù)導(dǎo)向的集群協(xié)同向場(chǎng)景適應(yīng)多任務(wù)集群協(xié)同的突破;適應(yīng)場(chǎng)景及環(huán)境從確定條件向非確定條件的突破;從編隊(duì)控制到集群智能涌現(xiàn)的突破。其中最重要的突破就是集群協(xié)同架構(gòu)從集中式/混合式向分布式跨越，以及智能水平從半自主向全自主的跨越。

項(xiàng)目群決策項(xiàng)目負(fù)責(zé)人史長(zhǎng)亭介紹，集中式從名稱上可以看得出，集群體系架構(gòu)中存在一個(gè)中心（主節(jié)點(diǎn)），這種架構(gòu)的系統(tǒng)部署快捷、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、適用于中小規(guī)模的集群或特定簡(jiǎn)單任務(wù)，但因其系統(tǒng)架構(gòu)固定，不能隨任務(wù)改變、靈活性較差，一旦主節(jié)點(diǎn)被破壞，容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。同時(shí)，其支持的機(jī)器人數(shù)量有限、擴(kuò)展性差，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集群系統(tǒng)。因此，集中式集群系統(tǒng)一般適應(yīng)特定的簡(jiǎn)單任務(wù)。

而分布式體系架構(gòu)更接近于自然界的魚群、狼群、蜂群等群體智能系統(tǒng)形態(tài)，更易實(shí)現(xiàn)更高層次、更高智能水平的集群智能。“分布式是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)中心集群體系架構(gòu)，可隨時(shí)增減機(jī)器人，系統(tǒng)彈性易擴(kuò)展且支持大規(guī)模集群系統(tǒng)。同時(shí)，這樣的架構(gòu)抗壓性強(qiáng)，若干機(jī)器人加入或損壞，不影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分布式架構(gòu)可根據(jù)環(huán)境或任務(wù)的改變，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)，更適用于不確定的環(huán)境或復(fù)雜瞬變的任務(wù)。而集群能力的提升，意味著可以提高對(duì)復(fù)雜真實(shí)海洋環(huán)境的適應(yīng)性，或支持完成更加復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。”項(xiàng)目群感知項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教師王博表示。

集群協(xié)同架構(gòu)從集中式到分布式的跨越，對(duì)機(jī)器人在線的感知、決策、作業(yè)等能力和系統(tǒng)智能化水平提出了更高要求。廖煜雷表示，經(jīng)過(guò)近兩年的攻堅(jiān)克難，科研團(tuán)隊(duì)突破了信息共享、協(xié)同感知、敏捷編隊(duì)、協(xié)同決策、人機(jī)協(xié)同、作業(yè)策略、系統(tǒng)集成等核心關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出具備多協(xié)同任務(wù)模式、多智能模態(tài)、彈性可重構(gòu)的海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)演示系統(tǒng)，有力推動(dòng)了海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同領(lǐng)域的理論創(chuàng)新及技術(shù)發(fā)展。

“通過(guò)綜合考量體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能需求、智能算法適應(yīng)性、平臺(tái)作業(yè)能力和通信帶寬等多種因素，我們的集群智能協(xié)同技術(shù)目前能支持不少于50個(gè)海洋機(jī)器人共同作業(yè)，機(jī)器人可以隨時(shí)加入或退出集群，集群系統(tǒng)可自主快速重構(gòu)并重新分配任務(wù)，從而改變作業(yè)規(guī)模或效率;同時(shí)，機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全自主操作，也可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)人機(jī)相互協(xié)作?！表?xiàng)目群人機(jī)協(xié)同項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教師劉海波說(shuō)。