“天智一號”下半年將升空 帶著“大腦”上太空

“天智一號”下半年將升空

帶著“大腦”上太空能干這些事

本報記者 張佳星

人工智能可利用的數據有哪些？社交數據、棋譜、詩歌、病歷……和它們比起來，有一種數據會將人工智能的高度拉升至寰宇，那就是衛(wèi)星采集獲得的數據。

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據在“天端”進行計算，“它還可以調用其他計算節(jié)點，根據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)星數據的應用將可能在手機上接收和操作，到時衛(wèi)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，再下載數據到地面站，等地面站處理數據發(fā)到海軍時，海盜的船已經走了。”李德仁認為，現在的衛(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據是地面需要的。此外，我國現有的通信、導航、遙感衛(wèi)星各成體系，每個衛(wèi)星只擔負一類功能。”

據介紹，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。“成本”與“產出”這對市場的關鍵要素，開始調動起航天產業(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)星的運行和數據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據的獲取、智慧空間數據處理與挖掘、地球空間數據驅動應用”。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。

數據的處理將從“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。”李德仁說。

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。”在李德仁的構想中，該系統(tǒng)能夠處理星地協(xié)同數據，進行跨越天際的大數據挖掘、計算和判斷，而且能夠實現不超過分鐘級別延時的實時“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。”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”等字樣可以實現實時定位與成像。“在技術上，這涉及星上高精度實時幾何定位方法、星上數據的智能壓縮方法、變化檢測及建模等關鍵問題。”李德仁說。

與地球上的AI一樣，星上AI同樣面臨數據基礎的獲取問題，目前的星上數據無法共享共用，通信、導航、遙感衛(wèi)星各成體系。“部門協(xié)同可能是最難解決的問題。”總參通訊部原副部長楊千里說得直接，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。現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。”中國科學院院士、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。“我們建立了一個開放平臺，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據進行計算分析，并傳輸到地面的測控站點或應用端。

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。”獲獎代表廖翔表示。

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網絡模型，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。”趙軍鎖說，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。