近日，中國人工智能學(xué)會公布2024年度吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎獲獎名單，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”項目榮獲科技進(jìn)步獎一等獎。這一成果標(biāo)志著我國在低空智能感知領(lǐng)域取得了重要突破，為低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。

應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)

近年來，無人機(jī)在重大突發(fā)事件中展現(xiàn)出不可替代的價值。然而，無人機(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，對于我國低空經(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，雨雪霧霾等天氣顯著降低環(huán)境能見度，導(dǎo)致無人機(jī)圖像識別精度急劇下降，“看不清”目標(biāo)?，F(xiàn)有方法難以對復(fù)雜介質(zhì)的噪聲特性進(jìn)行精確建模，也缺乏跨模態(tài)動態(tài)學(xué)習(xí)機(jī)制，無法有效恢復(fù)退化圖像中的關(guān)鍵特征信息。

此外，無人機(jī)高速飛行疊加地面動態(tài)目標(biāo)運動會導(dǎo)致成像模糊?，F(xiàn)有方法受限于剛體運動假設(shè)，難以準(zhǔn)確消除高速成像與運動偽影產(chǎn)生的模糊和錯位，這就導(dǎo)致無人機(jī)“看不準(zhǔn)”。

與此同時，無人機(jī)還存在“看不全”的問題。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，無法有效處理復(fù)雜的遮擋場景。

“這些難題嚴(yán)重制約了無人機(jī)在巡檢安防、水情監(jiān)測、應(yīng)急搜救等國家重點領(lǐng)域的應(yīng)用。突破這些挑戰(zhàn)可顯著促進(jìn)我國低空感知技術(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”

針對低空智能感知的三大難題，天津大學(xué)團(tuán)隊提出了三項核心技術(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，無人機(jī)在惡劣天氣和復(fù)雜光照條件下的感知短板越來越明顯。傳統(tǒng)感知模型通過靜態(tài)參數(shù)處理多模態(tài)信息，難以應(yīng)對大霧、沙塵和低光照等復(fù)雜場景?！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)了場景驅(qū)動的多源傳感動態(tài)融合引擎，突破傳統(tǒng)權(quán)重分配的局限?！?/p>

這些創(chuàng)新讓無人機(jī)在惡劣天氣下的目標(biāo)追蹤精度提升了6.3個百分點，低光照場景的目標(biāo)檢測性能提升了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，且無人機(jī)高速飛行疊加地面動態(tài)目標(biāo)運動帶來的成像模糊問題，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)隊構(gòu)建了全球最大的低空視覺感知開放數(shù)據(jù)平臺——VisDrone，并以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，依托天津市人工智能計算中心強大的昇騰算力底座打造了低空感知基礎(chǔ)模型。通過引入不確定性感知建模，系統(tǒng)能自主評估數(shù)據(jù)質(zhì)量，并不斷優(yōu)化模型的感知能力。團(tuán)隊還建立了“人在回路”的反饋機(jī)制，推動數(shù)據(jù)標(biāo)注和模型進(jìn)化的閉環(huán)聯(lián)動，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：“這項技術(shù)的難點在于無人機(jī)集群在復(fù)雜三維空間作業(yè)時，單機(jī)視角有限，容易產(chǎn)生視野盲區(qū)，多源數(shù)據(jù)在跨視角匹配時也容易出現(xiàn)錯位和偏差。”

科研團(tuán)隊通過創(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，通過動態(tài)交互匹配模板和智能搜索區(qū)域生成機(jī)制，實現(xiàn)了多機(jī)單目標(biāo)的協(xié)同跟蹤。同時，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)場景下，30架無人機(jī)成功對3臺高速機(jī)動車輛實現(xiàn)精準(zhǔn)捕捉。

已在多個領(lǐng)域投用

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

“這項技術(shù)的突破，為多個行業(yè)帶來革命性變革。”一飛智控（天津）科技有限公司總經(jīng)理張云例數(shù)了技術(shù)創(chuàng)新帶來的應(yīng)用升級，“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、邊境巡查等場景的響應(yīng)能力。如森林火災(zāi)中，無人機(jī)群能穿透煙霧實時定位火源，并通過自主進(jìn)化模型動態(tài)調(diào)整監(jiān)測策略，有望大幅縮短應(yīng)急響應(yīng)時間。在城市管理中，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)識別違規(guī)建筑、交通事故等異常情況，助力提升城市治理效率。”

張云介紹：“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。”

“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)場數(shù)據(jù)?！碧斓貍I(yè)技術(shù)有限公司研究院院長于宏志分享該技術(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、智能化提升，能更好地識別和分析防汛現(xiàn)場狀況。多機(jī)跨視角協(xié)同感知技術(shù)實現(xiàn)全方位監(jiān)測與數(shù)據(jù)融合，提高監(jiān)測精度和效率，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，累計銷售33.4萬臺套，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)測等領(lǐng)域開拓更廣闊應(yīng)用空間，為社會安全與民生保障提供堅實技術(shù)支撐。