當給衛星裝上人工智能大腦 可自我分析學(xué)習

　　人工智能可利用的數據有哪些?

　　社交數據、棋譜、詩(shī)歌、病歷……

　　和它們比起來(lái)

　　有一種數據會(huì )將人工智能的高度拉升至寰宇

　　那就是衛星采集獲得的數據

　　4月9日，央視發(fā)布消息，中國第一顆軟件定義衛星“天智一號”預計于下半年在酒泉衛星發(fā)射中心搭載發(fā)射升空。

　　“天智”即天基智能，“天智一號”的與眾不同之處在于其搭載了一個(gè)小型的云計算平臺。衛星項目牽頭單位之一的中國科學(xué)院軟件研究所研究員、軟件定義衛星技術(shù)聯(lián)盟秘書(shū)長(cháng)趙軍鎖在日前召開(kāi)的軟件定義衛星高峰論壇上介紹，云計算平臺可將獲取數據在“天端”進(jìn)行計算，“它還可以調用其他計算節點(diǎn)，根據任務(wù)需求合理配置計算節點(diǎn)，進(jìn)行智能計算”。

　　“人工智能時(shí)代，對地觀(guān)測衛星要長(cháng)一個(gè)‘大腦’?！敝袊茖W(xué)院院士、中國工程院院士、武漢大學(xué)教授李德仁說(shuō)得更形象。他表示，如果建成了“天腦”，衛星數據的應用將可能在手機上接收和操作，到時(shí)衛星數據將成為大眾唾手可得的數據。

　　高性能計算，讓數據處理從地到天

　　“舉個(gè)例子，當我們的海軍在非洲巡邏遇到海盜時(shí)，衛星拍到圖像，但它過(guò)境到中國上空要花幾個(gè)小時(shí)，再下載數據到地面站，等地面站處理數據發(fā)到海軍時(shí)，海盜的船已經(jīng)走了?！崩畹氯收J為，現在的衛星系統存在系統孤立、信息分離、服務(wù)滯后的問(wèn)題。

　　反應遲滯之外，效能不高也是當下衛星系統的普遍情況。中國工程院院士、西安電子科技大學(xué)教授楊小牛說(shuō)：“衛星在天上飛來(lái)飛去，效能其實(shí)并不高，每天大約10分鐘時(shí)段內采集到的數據是地面需要的。此外，我國現有的通信、導航、遙感衛星各成體系，每個(gè)衛星只擔負一類(lèi)功能?！?/p>

　　據介紹，衛星目前的平均造價(jià)約為每公斤20萬(wàn)元，隨著(zhù)中國航天商業(yè)化市場(chǎng)的逐漸開(kāi)放，航天領(lǐng)域開(kāi)始走上市場(chǎng)化探索之路?！俺杀尽迸c“產(chǎn)出”這對市場(chǎng)的關(guān)鍵要素，開(kāi)始調動(dòng)起航天產(chǎn)業(yè)內各方力量，讓高居于寰宇的“人類(lèi)之眼”發(fā)揮最大效能。

　　目前，衛星的運行和數據的下載再分析都是耗費大量時(shí)間的環(huán)節。為解決這一問(wèn)題，李德仁提出了從對地觀(guān)測衛星到對地觀(guān)測腦的應對思路。

　　李德仁認為，目前的人工智能技術(shù)水平越來(lái)越高，與地球空間信息科學(xué)融合進(jìn)而完成3件事，即“地球空間信息海量數據的獲取、智慧空間數據處理與挖掘、地球空間數據驅動(dòng)應用”。這與人工智能獲取信息、深度挖掘和作出反應的3大階段步調一致。

　　數據的處理將從“地”轉移到“天”?！靶l星上的相機和智能處理系統就能將所有的影像快速處理、提取有用的信息并驅動(dòng)相應的應用?！崩畹氯收f(shuō)。

　　在這一系統的概念圖中，一個(gè)虛擬的“天腦”高懸于地球上方，被稱(chēng)為“高性能計算單元”，它在接受地球的上傳指令的同時(shí)，通過(guò)綜合計算“眼”(遙感、導航衛星等)、“耳”(通信衛星等)捕獲的信息進(jìn)行智能分析，將分析結果下傳到地球用戶(hù)。

　　“空中飛艇或飛機捕捉到的地球表面空間信息也可以加入進(jìn)來(lái)?！痹诶畹氯实臉嬒胫?，該系統能夠處理星地協(xié)同數據，進(jìn)行跨越天際的大數據挖掘、計算和判斷，而且能夠實(shí)現不超過(guò)分鐘級別延時(shí)的實(shí)時(shí)“智能”。

　　星上識別，比地面數據辨識更難

　　“我們此前負責過(guò)一個(gè)關(guān)于災害應急的科研項目，要求我們對無(wú)人機接收的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)變化檢測，在災害發(fā)生后確定災害中心、災害強度、損毀情況等為救災和災后重建提供重要依據?！崩畹氯收f(shuō)，該項目的應急響應時(shí)間從小時(shí)級縮短到了分鐘級，為災后“黃金救援”爭取到寶貴時(shí)間，這種自動(dòng)檢測技術(shù)完全可以用在衛星上。

　　人眼捕捉圖像，人腦辨識變化，這個(gè)任務(wù)完成迅速，但讓人工智能了解人類(lèi)的知識和判斷非常困難，尤其在弱人工智能階段。地球上的AI，經(jīng)常被專(zhuān)家學(xué)者比喻成一個(gè)孩子，人類(lèi)手把手教它成千上萬(wàn)次，直到它們能得出與人類(lèi)認知相似的結論。在圖像、聲音辨識方面，當下的AI技術(shù)發(fā)展迅速，尤其在圖像辨識方面，特定的識別領(lǐng)域已經(jīng)做到了低于1%的誤識率。

　　但星上識別要遠難于地面的數據辨識和分析。

　　為此，我國學(xué)者進(jìn)行了大量的有益嘗試，例如通過(guò)高分衛星獲得圖像，直接輸入“立交橋”等字樣可以實(shí)現實(shí)時(shí)定位與成像?！霸诩夹g(shù)上，這涉及星上高精度實(shí)時(shí)幾何定位方法、星上數據的智能壓縮方法、變化檢測及建模等關(guān)鍵問(wèn)題?！崩畹氯收f(shuō)。

　　與地球上的AI一樣，星上AI同樣面臨數據基礎的獲取問(wèn)題，目前的星上數據無(wú)法共享共用，通信、導航、遙感衛星各成體系?！安块T(mén)協(xié)同可能是最難解決的問(wèn)題?！笨倕⑼ㄓ嵅吭辈块L(cháng)楊千里說(shuō)得直接，衛星的單一功能，更多地是因為部門(mén)條塊之間分割很明顯。此外還由于不同任務(wù)的衛星應用著(zhù)不同的硬件。楊小牛介紹，不同頻段的天線(xiàn)用于不同功能的衛星上，例如導航和電子偵察對抗的衛星使用的天線(xiàn)并不相同。此外，空天環(huán)境的高輻射、離子風(fēng)暴、溫度劇烈變化等外在環(huán)境也對系統的穩定性提出了高難度的挑戰。

　　“天腦”雛形，邁出智能衛星演化第一步

　　“以前的相機，為了防止邊緣曲面變形，鏡頭越大越好?，F在手機上的相機鏡頭很小，但也能拍攝寬幅的畫(huà)面。因為軟件的進(jìn)步彌補了硬件的不足?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院軟件研究所研究員林惠民說(shuō)，軟件定義衛星就是通過(guò)軟件“最大化”，實(shí)現硬件“最小化”，既能夠降低衛星的研發(fā)成本、也能縮短研發(fā)周期。

　　將于今年下半年發(fā)射的“天智一號”就是一顆這樣的衛星?！拔覀兘⒘艘粋€(gè)開(kāi)放平臺，鼓勵各個(gè)企業(yè)、單位為它研制適配的應用?！壁w軍鎖介紹，這是一顆可以不斷更新軟件的衛星，與其他衛星不同，這顆衛星真的設有“航天應用商店”，人們還可以通過(guò)手機訪(fǎng)問(wèn)它，給它下任務(wù)，并在手機上查看執行結果。

　　“天智一號”由中科院軟件所牽頭、中科院微小衛星創(chuàng )新研究院承擔研制和測試工作，主要載荷包括能耗低、計算能力強的小型云計算平臺，一臺超分相機和4部國產(chǎn)智能手機。太空中的嚴酷環(huán)境中，云平臺需要智能調配計算節點(diǎn)，響應地面的需求，對相機和手機采集到的數據進(jìn)行計算分析，并傳輸到地面的測控站點(diǎn)或應用端。

　　為了豐富充實(shí)這顆衛星，中科院軟件所2017年主辦了“軟件定義衛星軟件創(chuàng )新設計大賽”，嘗試通過(guò)比賽引來(lái)創(chuàng )新應用，勝出的軟件將登上“天智一號”，在真正的太空獲得檢驗。一款簡(jiǎn)化衛星運維系統，降低衛星應用成本的應用勝出?！霸谔罩?，冗余和繁瑣的程度非常有限，這款軟件能夠提升衛星自動(dòng)化運控能力?！鲍@獎代表廖翔表示。

　　此外，漂浮物等目標識別軟件、3維重構軟件等也將上星。軟件的應用有效降低了衛星的物理載荷，并使得“天智一號”有望成為一顆智能衛星?！巴ㄟ^(guò)軟件或是在地面訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，在軌實(shí)時(shí)執行一些智能任務(wù)，例如智能目標檢測識別、智能云判讀、基于強化學(xué)習的智能姿態(tài)控制等?！壁w軍鎖說(shuō)，這是全新的嘗試，雖然距離成熟的“天腦”還差得遠，但它是通過(guò)商業(yè)化的模式，推動(dòng)傳統衛星向智能衛星演化邁出第一步。