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【寻新】“野蜂飞舞”的无人机群如何“群愚生智”？

2024-05-24 09:12

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

原创张悦上海科技

寻找新质生产力

随着民用无人机产业的发展，无人机已逐渐“飞”进千家万户，但在大众印象中的无人机，却并不能做到真正的“无人”，仍需人为进行遥控操作，面对真正需要无人作业的复杂应用场景，无法做到得心应手。

走进中国电子科技集团公司第三十二研究所（以下简称“中国电科32所”），上海科技记者看到了“倾巢而出”的无人机群——多达数十台无人机，无需人为遥控，便可作为一组机群，自主感知避障、互相协同配合，执行群体作业。

据中国电科重大任务总设计师、中国电科32所智能系统研究中心主任逄涛介绍，基于中国电科32所自主研发的“四网融合”基础能力平台，多台无人机能够自由搭配载荷，执行不同功能，如同自然界的蜂群，一起出动，个体之间彼此配合，共同完成复杂任务。

控制论还是智能论

无人机的两条技术路线

对于包括灾情预警、消防救援等在内的危险、复杂场景，往往需要无人设备的协助，但目前，大部分商用无人机仍需要人为远程操控。“一般，现在的无人机都需要通过遥控的方式，由人操作，但其在执行任务时面临许多限制：资源受限、任务能力受限、应用场景受限。”逄涛介绍道。

如何让无人机集群像自然界的蚁群、蜂群一样，在复杂的飞行环境中仍能保持队形、自主决策、协调有序地完成任务，一直是当下无人机集群技术领域的难点。

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“在无人机控制方面其实有两条路线，一条是单纯的控制学、控制论，而我们走的是智能路线，每一台无人机都有一定的判断和推理能力。”逄涛介绍道。

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团队在大自然中找到了设计的灵感——“大自然的蜂群、蚁群，可能在微观上我们看到它是一些简单、松散的行为，但是从宏观上我们可以看出它整体的行为体现出了一定的一致性。”逄涛介绍道，在设计无人机集群的时候，团队借鉴了这一思路，为无人机集群增添了群智、廉耗、散存的特征。

“通过在无人机群内部实现默契协同，就可以降低对平台本身能力的依赖。”逄涛介绍道，目前，一台无人机重量大概在500g，续航时间在15~20分钟左右，在平台受限的情况下，不可能像现在通用人工智能的大算力去做AI计算，因此分布式的共享计算可能更适合无人机群。

据悉，根据任务的难易程度，无人机集群可以支持不同规模的无人机数量，“简单的一个小范围的搜索任务可能5~10架就可以了，但是也可以支持这种大规模的，比如说10~15架或者30架这种的，主要取决于任务场景复杂度以及我们的通信带宽。”

逄涛介绍道，对于无人机单机，会提前定义好一些规则，从而使它可以通过环境自主识别训练去提升智能化水平，并通过深度强化学习等方式，来克隆和模仿相关人类专家的应对处置经验，“也正因此，执行任务穿越一些障碍时，它会有更顺滑的感觉，看上去像是人在操控，但实际上它是机器自行操控的。”

“群愚生智”

还是“群智生乱”？

仿生蜂群听起来容易，但做起来却困难重重，最大的问题是——“如何把控好智能的度，把不同的单机真正协调起来，从而达成整体的一致性？”逄涛总结道，这也就是“群愚生智”，与“群智生乱”的问题。

“这里面的技术挑战，是如何将感知、决策、通信、计算等方面统筹融合起来设计。”在所内相关专家的指导下，团队设计了“感、通、算、控”四网融合架构，从无人机搭载的芯片内部，到传感器、通信组件，再到真正进行决策的智能单元、计算单元，团队在设计架构时，将这些底层资源统一进行管理，并接入到整个无人机集群这个“大家庭”里来，在此之上再接入顶层的导航、感知、决策、控制等功能，“这样底层和顶层就打通了，在执行任务的时候，是以一个群的概念，大家能够协调一致地去完成一个统一的目标或任务，而不是说各做各的，也就能做到群愚生智，而不是群智生乱。”

逄涛用了一个形象的例子来形容四网融合架构支持下的无人机群，“其实就像搭积木，我们通过积木化的方式来搭建无人机所能执行的功能。在积木的底层是统一的资源封装接口，而上层则是组件化的功能，从而根据任务实际情况，去分散地调度资源。”

对于具体的任务执行，无人机群可以在任务执行前，接受任务指令，并完全自主地根据自己对环境的感知、对任务的理解、对资源的判断，去执行相应的任务。同时，单机之间将自行判断，协同编队去完成任务，“比如说，无人机A需要感知，但其自身的传感器数量不够、视角有限，那么它会自动地通过网络化的方式，调动起无人机B与C，并协同整合不同视角的画面，得到对于某个目标的综合判断。”

目前，在任务成功率等核心指标上，中国电科32所研制的无人机集群比国际竞品领先5-10%。在2023年“智在飞翔”2023 • 无人飞行器智能感知技术竞赛中，团队拿下了包括线上仿真赛、线下全国赛、优秀技术报告等多个第一，同时也是唯一一支全部完赛的队伍。

从“0”起步建团队

团队平均年龄不到30岁

事实上，早在2016年，无人机在民用领域刚刚兴起时，中国电科32所就已开始布局智能无人机群。逄涛谈道，时任中国电科32所所长、现任中国电科32所党委书记江波敏锐地察觉到包括无人机群在内的无人设备，将会是一个新的增长点。而曾为“两弹一星”做出突出贡献的华东计算技术研究所（中国电科32所），长期专注于智能无人系统所需要的智能计算核心技术、关键软硬件和基础理论的研究。

于是中国电科32所从“0”开始起步，迅速组建了无人机集群攻关团队，并于2021年，正式成立了面向智能无人系统核心策源攻关的的创新中心——智能系统研究中心。“我们中心的定位是培育先进的技术与相关理论成果，对关键技术快速迭代和优化，并在产品定型后，转移给专门负责研制和生产的部门进行成果转化，产出经济效益。”据逄涛介绍，该团队目前已有30余人，其平均年龄则不到30岁。

当前，新质生产力已成为社会热词，在逄涛看来，中国电科32所的无人机研制，正是该领域中发展新质生产力的一个缩影：新质生产力需要点状技术的革命性突破、面状技术的量化积累，更需要彼此交叉促成的跨学科体系融合与突破。无人机集群的研制，正是这一融合创新、工程创新的过程。

“其实无论是传感器，还是通信计算，这些技术都已经发展了很多年，也有许多革命性的突破，但之前做感知可能就是只是做感知，做控制就只是做控制。把这些技术融合到无人机上，相当于通过创新的方式做了资源要素和劳动要素的优化配置，从而产生出了新的力量，未来能够更大程度拓宽无人机的应用场景。”

面向未来，团队期待在应用方向上持续发力，根据现有反馈，尽快迭代优化，提供更多的载荷与功能，从而拓宽成果推广的广度与深度；同时，进一步做精、做小无人机芯片，实现集成化一体化设计，依托四网融合的架构，持续锻造集群仿生操作系统这一无人集群能力底座，向更多无人装备上进军。