“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(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(yù)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(xué)院軟件研究所研究員、軟件定義衛(wèi)星技術(shù)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(diào)用其他計算節(jié)點，根據(jù)任務(wù)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(xué)院院士、中國工程院院士、武漢大學(xué)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(yīng)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(dāng)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。”李德仁認(rèn)為，現(xiàn)在的衛(wèi)星系統(tǒng)存在系統(tǒng)孤立、信息分離、服務(wù)滯后的問題。

反應(yīng)遲滯之外，效能不高也是當(dāng)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(xué)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(nèi)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(dǎo)航、遙感衛(wèi)星各成體系，每個衛(wèi)星只擔(dān)負(fù)一類功能。”

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(lǐng)域開始走上市場化探索之路。“成本”與“產(chǎn)出”這對市場的關(guān)鍵要素，開始調(diào)動起航天產(chǎn)業(yè)內(nèi)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(yīng)對思路。

李德仁認(rèn)為，目前的人工智能技術(shù)水平越來越高，與地球空間信息科學(xué)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(qū)動應(yīng)用”。這與人工智能獲取信息、深度挖掘和作出反應(yīng)的3大階段步調(diào)一致。

數(shù)據(jù)的處理將從“地”轉(zhuǎn)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(qū)動相應(yīng)的應(yīng)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(dǎo)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(jié)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(gòu)想中，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?qū)崿F(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(fù)責(zé)過一個關(guān)于災(zāi)害應(yīng)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(zāi)害發(fā)生后確定災(zāi)害中心、災(zāi)害強度、損毀情況等為救災(zāi)和災(zāi)后重建提供重要依據(jù)。”李德仁說，該項目的應(yīng)急響應(yīng)時間從小時級縮短到了分鐘級，為災(zāi)后“黃金救援”爭取到寶貴時間，這種自動檢測技術(shù)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(wù)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(xué)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(rèn)知相似的結(jié)論。在圖像、聲音辨識方面，當(dāng)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(shù)據(jù)辨識和分析。

為此，我國學(xué)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。“在技術(shù)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(guān)鍵問題。”李德仁說。

與地球上的AI一樣，星上AI同樣面臨數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的獲取問題，目前的星上數(shù)據(jù)無法共享共用，通信、導(dǎo)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(wù)的衛(wèi)星應(yīng)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(dǎo)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(fēng)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(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。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)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。“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(yīng)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(shè)有“航天應(yīng)用商店”，人們還可以通過手機訪問它，給它下任務(wù)，并在手機上查看執(zhí)行結(jié)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(dān)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(yán)酷環(huán)境中，云平臺需要智能調(diào)配計算節(jié)點，響應(yīng)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(yīng)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(shè)計大賽”，嘗試通過比賽引來創(chuàng)新應(yīng)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(yīng)用成本的應(yīng)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(biāo)識別軟件、3維重構(gòu)軟件等也將上星。軟件的應(yīng)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(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在軌實時執(zhí)行一些智能任務(wù)，例如智能目標(biāo)檢測識別、智能云判讀、基于強化學(xué)習(xí)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。