人工智能可利用的數(shù)據(jù)有哪些?社交數(shù)據(jù)、棋譜、詩歌、病歷……和它們比起來,有一種數(shù)據(jù)會將人工智能的高度拉升至寰宇,那就是衛(wèi)星采集獲得的數(shù)據(jù)。
4月9日,央視發(fā)布消息,中國第一顆軟件定義衛(wèi)星“天智一號”預計于下半年在酒泉衛(wèi)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小型的云計算平臺。衛(wèi)星項目牽頭單位之一的中國科學院軟件研究所研究員、軟件定義衛(wèi)星技術聯(lián)盟秘書長趙軍鎖在日前召開的軟件定義衛(wèi)星高峰論壇上介紹,云計算平臺可將獲取數(shù)據(jù)在“天端”進行計算,“它還可以調用其他計算節(jié)點,根據(jù)任務需求合理配置計算節(jié)點,進行智能計算”。
“人工智能時代,對地觀測衛(wèi)星要長一個‘大腦’。”中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授李德仁說得更形象。他表示,如果建成了“天腦”,衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用將可能在手機上接收和操作,到時衛(wèi)星數(shù)據(jù)將成為大眾唾手可得的數(shù)據(jù)。
高性能計算,讓數(shù)據(jù)處理從地到天
“舉個例子,當我們的海軍在非洲巡邏遇到海盜時,衛(wèi)星拍到圖像,但它過境到中國上空要花幾個小時,再下載數(shù)據(jù)到地面站,等地面站處理數(shù)據(jù)發(fā)到海軍時,海盜的船已經(jīng)走了?!崩畹氯收J為,現(xiàn)在的衛(wèi)星系統(tǒng)存在系統(tǒng)孤立、信息分離、服務滯后的問題。
反應遲滯之外,效能不高也是當下衛(wèi)星系統(tǒng)的普遍情況。中國工程院院士、西安電子科技大學教授楊小牛說:“衛(wèi)星在天上飛來飛去,效能其實并不高,每天大約10分鐘時段內采集到的數(shù)據(jù)是地面需要的。此外,我國現(xiàn)有的通信、導航、遙感衛(wèi)星各成體系,每個衛(wèi)星只擔負一類功能?!?/p>
據(jù)介紹,衛(wèi)星目前的平均造價約為每公斤20萬元,隨著中國航天商業(yè)化市場的逐漸開放,航天領域開始走上市場化探索之路?!俺杀尽迸c“產(chǎn)出”這對市場的關鍵要素,開始調動起航天產(chǎn)業(yè)內各方力量,讓高居于寰宇的“人類之眼”發(fā)揮最大效能。
目前,衛(wèi)星的運行和數(shù)據(jù)的下載再分析都是耗費大量時間的環(huán)節(jié)。為解決這一問題,李德仁提出了從對地觀測衛(wèi)星到對地觀測腦的應對思路。
李德仁認為,目前的人工智能技術水平越來越高,與地球空間信息科學融合進而完成3件事,即“地球空間信息海量數(shù)據(jù)的獲取、智慧空間數(shù)據(jù)處理與挖掘、地球空間數(shù)據(jù)驅動應用”。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(shù)據(jù)的處理將從“地”轉移到“天”。“衛(wèi)星上的相機和智能處理系統(tǒng)就能將所有的影像快速處理、提取有用的信息并驅動相應的應用?!崩畹氯收f。
在這一系統(tǒng)的概念圖中,一個虛擬的“天腦”高懸于地球上方,被稱為“高性能計算單元”,它在接受地球的上傳指令的同時,通過綜合計算“眼”(遙感、導航衛(wèi)星等)、“耳”(通信衛(wèi)星等)捕獲的信息進行智能分析,將分析結果下傳到地球用戶。
“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來?!痹诶畹氯实臉嬒胫?,該系統(tǒng)能夠處理星地協(xié)同數(shù)據(jù),進行跨越天際的大數(shù)據(jù)挖掘、計算和判斷,而且能夠實現(xiàn)不超過分鐘級別延時的實時“智能”。
星上識別,比地面數(shù)據(jù)辨識更難
“我們此前負責過一個關于災害應急的科研項目,要求我們對無人機接收的圖像進行實時自動變化檢測,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(jù)。”李德仁說,該項目的應急響應時間從小時級縮短到了分鐘級,為災后“黃金救援”爭取到寶貴時間,這種自動檢測技術完全可以用在衛(wèi)星上。
人眼捕捉圖像,人腦辨識變化,這個任務完成迅速,但讓人工智能了解人類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)常被專家學者比喻成一個孩子,人類手把手教它成千上萬次,直到它們能得出與人類認知相似的結論。在圖像、聲音辨識方面,當下的AI技術發(fā)展迅速,尤其在圖像辨識方面,特定的識別領域已經(jīng)做到了低于1%的誤識率。
但星上識別要遠難于地面的數(shù)據(jù)辨識和分析。
為此,我國學者進行了大量的有益嘗試,例如通過高分衛(wèi)星獲得圖像,直接輸入“立交橋”等字樣可以實現(xiàn)實時定位與成像?!霸诩夹g上,這涉及星上高精度實時幾何定位方法、星上數(shù)據(jù)的智能壓縮方法、變化檢測及建模等關鍵問題?!崩畹氯收f。
與地球上的AI一樣,星上AI同樣面臨數(shù)據(jù)基礎的獲取問題,目前的星上數(shù)據(jù)無法共享共用,通信、導航、遙感衛(wèi)星各成體系?!安块T協(xié)同可能是最難解決的問題?!笨倕⑼ㄓ嵅吭辈块L楊千里說得直接,衛(wèi)星的單一功能,更多地是因為部門條塊之間分割很明顯。此外還由于不同任務的衛(wèi)星應用著不同的硬件。楊小牛介紹,不同頻段的天線用于不同功能的衛(wèi)星上,例如導航和電子偵察對抗的衛(wèi)星使用的天線并不相同。此外,空天環(huán)境的高輻射、離子風暴、溫度劇烈變化等外在環(huán)境也對系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了高難度的挑戰(zhàn)。
“天腦”雛形,邁出智能衛(wèi)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(xiàn)在手機上的相機鏡頭很小,但也能拍攝寬幅的畫面。因為軟件的進步彌補了硬件的不足?!敝袊茖W院院士、中國科學院軟件研究所研究員林惠民說,軟件定義衛(wèi)星就是通過軟件“最大化”,實現(xiàn)硬件“最小化”,既能夠降低衛(wèi)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(wèi)星?!拔覀兘⒘艘粋€開放平臺,鼓勵各個企業(yè)、單位為它研制適配的應用。”趙軍鎖介紹,這是一顆可以不斷更新軟件的衛(wèi)星,與其他衛(wèi)星不同,這顆衛(wèi)星真的設有“航天應用商店”,人們還可以通過手機訪問它,給它下任務,并在手機上查看執(zhí)行結果。
“天智一號”由中科院軟件所牽頭、中科院微小衛(wèi)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(jié)點,響應地面的需求,對相機和手機采集到的數(shù)據(jù)進行計算分析,并傳輸?shù)降孛娴臏y控站點或應用端。
為了豐富充實這顆衛(wèi)星,中科院軟件所2017年主辦了“軟件定義衛(wèi)星軟件創(chuàng)新設計大賽”,嘗試通過比賽引來創(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。一款簡化衛(wèi)星運維系統(tǒng),降低衛(wèi)星應用成本的應用勝出。“在太空中,冗余和繁瑣的程度非常有限,這款軟件能夠提升衛(wèi)星自動化運控能力?!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(wèi)星的物理載荷,并使得“天智一號”有望成為一顆智能衛(wèi)星。“通過軟件或是在地面訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型,在軌實時執(zhí)行一些智能任務,例如智能目標檢測識別、智能云判讀、基于強化學習的智能姿態(tài)控制等?!壁w軍鎖說,這是全新的嘗試,雖然距離成熟的“天腦”還差得遠,但它是通過商業(yè)化的模式,推動傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星演化邁出第一步。
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