带着“大脑”上太空能干这些事-新华网

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　　人工(gong)(gong)智能可利用(yong)的(de)數據有(you)哪些？社交數據、棋譜、詩(shi)歌、病歷……和它們比起來，有(you)一種數據會將人工(gong)(gong)智能的(de)高度(du)拉升(sheng)至寰宇，那就是衛星采(cai)集獲得的(de)數據。

　　4月9日(ri)，央(yang)視發布消息，中(zhong)國(guo)第一顆軟件(jian)定義衛(wei)星“天(tian)智一號(hao)”預計于下半(ban)年(nian)在酒泉衛(wei)星發射(she)中(zhong)心搭(da)載發射(she)升空。

　　“天(tian)智”即(ji)天(tian)基智能，“天(tian)智一(yi)號”的與眾不同之處在于其(qi)搭載了一(yi)個(ge)小(xiao)型的云(yun)計算平(ping)臺。衛(wei)星(xing)(xing)項目牽(qian)頭(tou)單位之一(yi)的中(zhong)國科學院軟件研(yan)究所研(yan)究員(yuan)、軟件定義衛(wei)星(xing)(xing)技術聯盟秘書長趙(zhao)軍鎖在日前召開的軟件定義衛(wei)星(xing)(xing)高(gao)峰論壇上介紹，云(yun)計算平(ping)臺可將獲取(qu)數據(ju)在“天(tian)端”進行計算，“它還可以調用其(qi)他計算節(jie)點，根據(ju)任務需求合理配(pei)置計算節(jie)點，進行智能計算”。

　　“人工智能時代，對地觀測衛(wei)星(xing)要長一個‘大(da)腦(nao)(nao)’。”中(zhong)國(guo)科學院院士(shi)、中(zhong)國(guo)工程院院士(shi)、武漢大(da)學教授李德仁(ren)說得更形象。他表示，如果建(jian)成了“天腦(nao)(nao)”，衛(wei)星(xing)數(shu)(shu)據(ju)的應用將可能在手機上接收和操作(zuo)，到時衛(wei)星(xing)數(shu)(shu)據(ju)將成為大(da)眾唾手可得的數(shu)(shu)據(ju)。

　　高性能計算，讓數據處理從地到天

　　“舉個(ge)(ge)例子，當我們的(de)(de)海軍在非洲巡邏遇到海盜時(shi)，衛(wei)星拍(pai)到圖像，但它過境(jing)到中國上空要花(hua)幾個(ge)(ge)小時(shi)，再下載(zai)數據到地面(mian)站，等地面(mian)站處理數據發到海軍時(shi)，海盜的(de)(de)船已經走了。”李德仁認(ren)為，現在的(de)(de)衛(wei)星系統(tong)(tong)存在系統(tong)(tong)孤立、信息分離、服務滯后(hou)的(de)(de)問題。

　　反應遲滯之外，效能不(bu)高也是當下衛星(xing)系(xi)統的普(pu)遍(bian)情況(kuang)。中國工程(cheng)院院士、西安電(dian)子科(ke)技大(da)學教(jiao)授楊小牛說：“衛星(xing)在天(tian)上飛(fei)來飛(fei)去，效能其(qi)實并不(bu)高，每天(tian)大(da)約10分鐘時段(duan)內采集到的數據是地面需要的。此外，我國現有的通信(xin)、導(dao)航、遙感(gan)衛星(xing)各成體系(xi)，每個(ge)衛星(xing)只(zhi)擔(dan)負一類(lei)功(gong)能。”

　　據介紹(shao)，衛星目前的(de)(de)平均造價約(yue)為每(mei)公斤20萬(wan)元(yuan)，隨著中國航天(tian)商業(ye)化(hua)市場的(de)(de)逐漸(jian)開放，航天(tian)領域開始走上市場化(hua)探索(suo)之(zhi)路。“成本(ben)”與“產出”這(zhe)對市場的(de)(de)關(guan)鍵要素，開始調動起航天(tian)產業(ye)內各方(fang)力量，讓(rang)高(gao)居于寰(huan)宇的(de)(de)“人類之(zhi)眼(yan)”發揮最(zui)大效能。

　　目(mu)前，衛星的運(yun)行和數據的下載再分(fen)析都是(shi)耗(hao)費大(da)量(liang)時間(jian)的環節。為解(jie)決這一問(wen)題，李德仁(ren)提出了從對地(di)觀(guan)測衛星到對地(di)觀(guan)測腦的應對思(si)路。

　　李(li)德仁(ren)認為，目前(qian)的(de)人工智(zhi)能(neng)技術水平(ping)越來越高，與(yu)地球空間(jian)信(xin)息科學融合進而完(wan)成3件事，即(ji)“地球空間(jian)信(xin)息海(hai)量數(shu)(shu)據(ju)的(de)獲取、智(zhi)慧(hui)空間(jian)數(shu)(shu)據(ju)處理與(yu)挖掘、地球空間(jian)數(shu)(shu)據(ju)驅(qu)動應(ying)用(yong)”。這與(yu)人工智(zhi)能(neng)獲取信(xin)息、深度(du)挖掘和作出反應(ying)的(de)3大階(jie)段(duan)步調一致。

　　數(shu)據的(de)處理將(jiang)從“地”轉移到“天”。“衛星上的(de)相機和智(zhi)能處理系(xi)統(tong)就能將(jiang)所(suo)有的(de)影像快速處理、提取有用(yong)的(de)信(xin)息并驅動(dong)相應(ying)的(de)應(ying)用(yong)。”李德仁說。

　　在這一系統的(de)(de)(de)概念圖中(zhong)，一個虛擬的(de)(de)(de)“天腦(nao)”高懸于地球上(shang)方(fang)，被稱為“高性能計(ji)算單元”，它在接受(shou)地球的(de)(de)(de)上(shang)傳指令的(de)(de)(de)同(tong)時，通過綜(zong)合計(ji)算“眼”（遙感(gan)、導航衛星(xing)等(deng)）、“耳(er)”（通信衛星(xing)等(deng)）捕獲(huo)的(de)(de)(de)信息進行智能分(fen)析(xi)(xi)，將分(fen)析(xi)(xi)結果下傳到地球用戶。

　　“空中飛艇或飛機捕捉到(dao)的地球表面空間信息也可(ke)以加(jia)入(ru)進(jin)來(lai)。”在李德(de)仁的構(gou)想中，該系統能夠處理星地協同數據(ju)，進(jin)行跨越天際的大數據(ju)挖掘(jue)、計算(suan)和(he)判斷，而且能夠實現不超(chao)過(guo)分鐘級別延(yan)時(shi)的實時(shi)“智能”。

　　星上識別，比地面數據辨識更難

　　“我們此前負責過一個關于災害應急(ji)的(de)(de)科(ke)研(yan)項(xiang)目(mu)，要求(qiu)我們對無(wu)人機接收(shou)的(de)(de)圖像進行實時自動變化檢測，在災害發生后(hou)確定災害中(zhong)心、災害強(qiang)度(du)、損(sun)毀情況等(deng)為救災和災后(hou)重建提供重要依據。”李(li)德仁說，該項(xiang)目(mu)的(de)(de)應急(ji)響應時間從小時級縮短到了分鐘級，為災后(hou)“黃(huang)金救援”爭(zheng)取到寶(bao)貴(gui)時間，這(zhe)種自動檢測技(ji)術完全(quan)可以用在衛星上。

　　人(ren)(ren)眼(yan)捕捉圖(tu)(tu)像(xiang)，人(ren)(ren)腦辨(bian)識(shi)變(bian)化，這個任務(wu)完成迅速(su)，但(dan)讓人(ren)(ren)工智能了解人(ren)(ren)類(lei)的(de)知(zhi)識(shi)和判斷非常(chang)困難，尤(you)其在弱人(ren)(ren)工智能階段。地球上(shang)的(de)AI，經常(chang)被專家(jia)學者比(bi)喻成一個孩子，人(ren)(ren)類(lei)手把手教它(ta)成千上(shang)萬次，直(zhi)到它(ta)們能得出與人(ren)(ren)類(lei)認知(zhi)相(xiang)似的(de)結論。在圖(tu)(tu)像(xiang)、聲音辨(bian)識(shi)方(fang)面，當下(xia)的(de)AI技(ji)術發展迅速(su)，尤(you)其在圖(tu)(tu)像(xiang)辨(bian)識(shi)方(fang)面，特(te)定的(de)識(shi)別領域已(yi)經做到了低于1%的(de)誤識(shi)率。

　　但星上識別要遠難于地(di)面的數(shu)據辨識和分析。

　　為(wei)此，我國學者進(jin)行了大量的(de)有益嘗試，例如通過高分衛星獲(huo)得圖像(xiang)，直(zhi)接輸入“立交橋”等(deng)字樣可以實現實時定位與成像(xiang)。“在(zai)技術上(shang)(shang)，這涉及星上(shang)(shang)高精度實時幾何定位方(fang)法、星上(shang)(shang)數據的(de)智能壓縮(suo)方(fang)法、變化檢(jian)測及建模等(deng)關鍵(jian)問題。”李(li)德(de)仁(ren)說。

　　與地球(qiu)上的(de)(de)(de)AI一樣，星(xing)上AI同(tong)(tong)樣面臨數據基礎的(de)(de)(de)獲取問(wen)題(ti)，目前(qian)的(de)(de)(de)星(xing)上數據無法(fa)共享共用，通信、導(dao)(dao)航、遙感衛星(xing)各成(cheng)體(ti)系(xi)。“部(bu)門協同(tong)(tong)可能是最難解(jie)決的(de)(de)(de)問(wen)題(ti)。”總(zong)參(can)通訊部(bu)原副部(bu)長楊千里說得直接(jie)，衛星(xing)的(de)(de)(de)單一功能，更多地是因(yin)為(wei)部(bu)門條(tiao)塊之(zhi)間分割很明顯。此外還由(you)于不(bu)同(tong)(tong)任務(wu)的(de)(de)(de)衛星(xing)應用著不(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)硬件(jian)。楊小牛介紹，不(bu)同(tong)(tong)頻(pin)段的(de)(de)(de)天(tian)線用于不(bu)同(tong)(tong)功能的(de)(de)(de)衛星(xing)上，例(li)如(ru)導(dao)(dao)航和電子(zi)偵(zhen)察對抗的(de)(de)(de)衛星(xing)使用的(de)(de)(de)天(tian)線并不(bu)相同(tong)(tong)。此外，空天(tian)環境(jing)的(de)(de)(de)高輻射、離子(zi)風暴、溫度(du)劇烈變化等外在環境(jing)也對系(xi)統的(de)(de)(de)穩定性提出了高難度(du)的(de)(de)(de)挑戰(zhan)。

　　“天腦”雛形，邁出智能衛星演化第一步

　　“以前的(de)相機(ji)，為了防止邊緣曲面變形(xing)，鏡(jing)頭(tou)越(yue)大越(yue)好。現(xian)在手機(ji)上的(de)相機(ji)鏡(jing)頭(tou)很小(xiao)，但(dan)也(ye)能拍(pai)攝寬幅(fu)的(de)畫(hua)面。因為軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)的(de)進步彌補(bu)了硬件(jian)(jian)(jian)的(de)不足。”中國科學院(yuan)院(yuan)士、中國科學院(yuan)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)研究(jiu)(jiu)所(suo)研究(jiu)(jiu)員林惠民說(shuo)，軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)定義衛(wei)星(xing)就是通過軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)“最大化”，實(shi)現(xian)硬件(jian)(jian)(jian)“最小(xiao)化”，既能夠降低(di)衛(wei)星(xing)的(de)研發成本、也(ye)能縮短研發周期。

　　將于今年下(xia)半(ban)年發射的“天智一號”就是一顆這樣的衛星(xing)。“我們(men)建立了一個(ge)開放平臺，鼓勵各個(ge)企業、單位為它研制(zhi)適配的應用。”趙軍鎖介紹，這是一顆可以(yi)不斷(duan)更(geng)新軟件(jian)的衛星(xing)，與(yu)其他衛星(xing)不同(tong)，這顆衛星(xing)真的設有“航天應用商店”，人(ren)們(men)還(huan)可以(yi)通過手(shou)機訪問它，給它下(xia)任務，并(bing)在手(shou)機上查看執(zhi)行結果。

　　“天智一號”由中(zhong)科院(yuan)(yuan)軟件所(suo)牽頭、中(zhong)科院(yuan)(yuan)微(wei)小衛星創新研(yan)究(jiu)院(yuan)(yuan)承擔研(yan)制和測試工作，主要載荷包括能(neng)(neng)耗低、計(ji)算(suan)能(neng)(neng)力強的(de)(de)小型云(yun)計(ji)算(suan)平臺(tai)，一臺(tai)超分相(xiang)(xiang)機(ji)和4部國產智能(neng)(neng)手機(ji)。太(tai)空(kong)中(zhong)的(de)(de)嚴(yan)酷(ku)環境中(zhong)，云(yun)平臺(tai)需要智能(neng)(neng)調配計(ji)算(suan)節點，響應地面的(de)(de)需求，對(dui)相(xiang)(xiang)機(ji)和手機(ji)采集到的(de)(de)數據進行計(ji)算(suan)分析(xi)，并傳輸到地面的(de)(de)測控站點或應用端。

　　為了(le)豐富(fu)充實這顆衛(wei)(wei)(wei)星，中科院軟(ruan)件(jian)(jian)所2017年主辦了(le)“軟(ruan)件(jian)(jian)定(ding)義衛(wei)(wei)(wei)星軟(ruan)件(jian)(jian)創新(xin)設計大賽”，嘗試通(tong)過(guo)比賽引來創新(xin)應(ying)用，勝出(chu)的(de)軟(ruan)件(jian)(jian)將(jiang)登(deng)上“天智一號”，在真正的(de)太空(kong)獲(huo)得檢(jian)驗。一款簡化(hua)衛(wei)(wei)(wei)星運(yun)維系統，降低衛(wei)(wei)(wei)星應(ying)用成本的(de)應(ying)用勝出(chu)。“在太空(kong)中，冗余和繁瑣(suo)的(de)程度非(fei)常有限，這款軟(ruan)件(jian)(jian)能夠(gou)提(ti)升(sheng)衛(wei)(wei)(wei)星自(zi)動化(hua)運(yun)控能力。”獲(huo)獎代表廖翔表示。

　　此外(wai)，漂浮物等(deng)目(mu)(mu)標(biao)(biao)識(shi)別軟件(jian)、3維重構軟件(jian)等(deng)也將上(shang)星(xing)。軟件(jian)的應用有效降(jiang)低(di)了衛(wei)(wei)星(xing)的物理(li)載(zai)荷，并使得“天智(zhi)一(yi)號”有望成為一(yi)顆智(zhi)能(neng)(neng)衛(wei)(wei)星(xing)。“通過(guo)軟件(jian)或是(shi)在(zai)地(di)面訓(xun)練好的神經(jing)網絡模(mo)型，在(zai)軌實時執(zhi)行一(yi)些智(zhi)能(neng)(neng)任務，例如智(zhi)能(neng)(neng)目(mu)(mu)標(biao)(biao)檢測識(shi)別、智(zhi)能(neng)(neng)云(yun)判讀、基(ji)于強化(hua)學習的智(zhi)能(neng)(neng)姿態控制等(deng)。”趙(zhao)軍(jun)鎖說，這是(shi)全新的嘗試，雖然距離成熟的“天腦”還差得遠，但它(ta)是(shi)通過(guo)商業(ye)化(hua)的模(mo)式，推動(dong)傳統衛(wei)(wei)星(xing)向智(zhi)能(neng)(neng)衛(wei)(wei)星(xing)演化(hua)邁(mai)出第一(yi)步。