人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用版本

1、人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用2013年 06 月 15 日人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 摘要 :隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展逐漸成熟，已經(jīng)成為許多高新科技產(chǎn)品中的核心 技術(shù)。本文對人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的一些應(yīng)用進行了簡要介紹， 并對人工智能 技術(shù)在未來航空航天中的應(yīng)用進行了展望。關(guān)鍵詞 : 航空航天；人工智能；自動化；專家系統(tǒng)一、引言“開發(fā)天疆”已成為美、俄、中、日及歐空局的科學(xué)家們最熱門的話題，這些國家和地 區(qū)先后制定了各自的空間開發(fā)計劃， 規(guī)模相當(dāng)龐大，技術(shù)也非常復(fù)雜， 多樣， 對可靠性的要 求也越來越高。 這就要求進一步提高機械化和自動化的水平， 人工智能技術(shù)是達到這一目

2、的 的重要手段之一。它可以使一系列的復(fù)雜操作，管理和應(yīng)用實現(xiàn)高可靠性，產(chǎn)生驚人的 經(jīng)濟 效益。 人工智能在航天領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用在美國， 一些著名的公司及大學(xué)， 如 麥道公司、波音公司、麻省理工學(xué)院、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)及美國陸、海、空三軍等均已開始研 究人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。 在歐洲， 歐洲經(jīng)濟共同體的歐洲信息技術(shù)研究與發(fā)展戰(zhàn)略計 劃與 法國發(fā)起的尤里卡計劃合作開發(fā)人工智能技術(shù)。 英國皇家飛行研究院研究將人工智能 用于航天器和其它航天活動， 用于故障分析及衛(wèi)星， 空間平臺和空間站的輔助工作系統(tǒng)。 航 空航天工業(yè)是最前沿技術(shù)領(lǐng)域，因此最有可能采用先進技術(shù)，對人工智能系統(tǒng)需求量最大。下面分幾個

3、方面詳細(xì)介紹人工智能在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，以及在未來航空航天中 應(yīng)用的展望。二、人工智能在無人飛行器上的應(yīng)用1、自動化和智能機器人為使衛(wèi)星順利完成飛行任務(wù)， 大幅度降低造價， 人們在衛(wèi)星上大量地采用了自動化和機 器人技術(shù)。早在 1967 年美國發(fā)射的勘測者 3 號飛行器上就裝有 機械臂，它在月球上完成 了掘溝，地質(zhì)調(diào)查和采集標(biāo)本等工作， 1 9 7 0 年蘇聯(lián)發(fā)射了“月 球” 16 號和 17 號兩個 飛行器，飛行器上裝有月球車，月球車在地面遙控下完成月面行走和攝影任務(wù)，車上的掘巖機還完成了標(biāo)本采集工作。 1978 年美國海資號火星著陸飛船 （ 一 種先進的空間機器人 ） ， 通過搭載計算機

4、不僅成功地控制飛船安壘著陸，而且還在沒有地面指令的情況下實現(xiàn)了長 達 58 個火星日 （ 每個火星日相當(dāng)于 24 小時 37 分 26 。4 秒） 的探測， 19 7 7-1986 年， 美國在旅行者探測器上采用了人工智能技術(shù)，完成了精密導(dǎo)航，科學(xué)觀測 任務(wù)，其上計算 機收集和處理了木星和土星等各種不同數(shù)據(jù)。2、專家系統(tǒng)美國 NASA 噴氣推進研究所為 "旅行者 " 探測器設(shè)計了具備由 140 個規(guī)則 組成的知識 庫， 可生成對行星攝影所需應(yīng)用程序的專家系統(tǒng)， 大幅度地縮短了執(zhí)行應(yīng)用計劃 所需時間 ( 比手動操作速度大 10-50 倍) ，減少了差錯， 降低了成本。 美國還

5、研制了一種能分析衛(wèi)星 故障并可顯示出具體對策的專家系統(tǒng)。它由 250 個規(guī)則構(gòu)成，可以單一和多窗口形式對話， 將專門用于通信衛(wèi)星電力系統(tǒng)。 日本三菱電機公司也試制出了人造衛(wèi)星試驗用的專家系統(tǒng)， 應(yīng)用專家系統(tǒng)信息卡，通過數(shù)據(jù)處理機MELCOMX/3000與邏輯推理機MELCOM-PS的有機配 臺實現(xiàn)自動化、 省力化、 可縮短試驗時間，做到高速聯(lián)機數(shù)據(jù)處理同時軟件開發(fā)，功能修改也非常方便，提高了可靠性。三、人工智能在航天飛機上的應(yīng)用1、人機接口采用人工智能技術(shù)，在地面站與飛船，航天飛機與機械手之間 (人與操 作對象問 ) 建立 起完美的人 - 機接口，利用通信回路把由人直接控制的直接控制系統(tǒng)和采用

6、遙控方式控制操作對象的遙控系統(tǒng)聯(lián)接起來。2、航天飛機上用的專家系統(tǒng)在航天飛機的檢測， 發(fā)射和應(yīng)用等過程中大量地采用了專家系統(tǒng)，包括加注液氧用的專家系統(tǒng) (LEX)， 執(zhí)行飛行任務(wù)和程序修訂用的專家系統(tǒng) (Expert) 發(fā)射應(yīng)用系 (L PS2)， 采用知識庫的自動檢測裝置 (K ATE)，發(fā)射及著陸時的飛行控制 (NAVE X)，推理決策用 的信息管理系統(tǒng)等。四、人工智能在空間站上的應(yīng)用人工智能在空間站計劃等的應(yīng)用 NASA 的先進技術(shù)咨詢委員會認(rèn)為空間站中有三個方 面必須采用人工智能技術(shù)，才能實現(xiàn)高度自動化，確?？煽啃?。(1) 空間站分系統(tǒng)， 空間站應(yīng)用， 利用空間站在空間進行各種實驗時的

7、監(jiān)控， 故障診斷， 艙外活動，交會對接，飛行規(guī)劃等的專家系統(tǒng)。(2) 空間結(jié)構(gòu)物的組裝，從航天飛機上卸下和移動補給物資手段的智能化。(3) 衛(wèi)星服務(wù)和空間工廠設(shè)備維修用的遠(yuǎn)距離操縱器 /機器人， 空間工廠設(shè)備控制和操 作 等用的專家系統(tǒng)。 該先進技術(shù)咨詢委員會還確定了適用于空間站初始階段和發(fā)展階段的自動 化和仿真機器人學(xué)的目標(biāo)， 事實上在初始階段專家系統(tǒng)是作為支援系統(tǒng) ，在發(fā)展階段 將作 為一種綜臺性的信息和控制系統(tǒng)的控制部件用。當(dāng)前，正在積極地開發(fā)以下系統(tǒng)用于美國國際空間站上。1、監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)這一研究以環(huán)境控制 / 生保分系統(tǒng)和電力分系統(tǒng)為中心 NASA 約 翰遜空間中心開發(fā)了一種用電

8、化學(xué)方式清除飛船內(nèi)二氧化碳?xì)怏w的增加可靠性故障診斷用 的專家系統(tǒng)。 構(gòu)筑在 LISP 計算機上， 與這一系統(tǒng)有關(guān)的知識庫和診斷規(guī)則， 以及與程序有 關(guān)的知識庫均用框架形式表現(xiàn)。 采用這系統(tǒng)后故障減少了一半以上 (樣機評價結(jié)果 ) 。 美國 波 音公司研制出空間環(huán)境控制用的專家系統(tǒng)樣機， 用它可對環(huán)境控制 /生保分系統(tǒng)從地影區(qū) 向 日照區(qū)過渡的整個過程進行模式控制和分系統(tǒng)監(jiān)視。 日本航空宇宙技術(shù)研究所還研制了 一種 支援艙內(nèi)科學(xué)家進行空間實驗用的專家系統(tǒng)。 另外馬丁 瑪麗埃塔公司正用自己公司 的規(guī)則 庫開發(fā)飛船電力分系統(tǒng)故障診斷和負(fù)荷調(diào)整用的專家系統(tǒng)。 B 本宇宙開發(fā)事業(yè)團在 開發(fā)空 間站天線系

9、統(tǒng)故障診斷，日本實驗艙飛行調(diào)度系統(tǒng)，電力分系統(tǒng)用的專家系統(tǒng)。2、遠(yuǎn)距離操縱器 / 仿真機器人學(xué)。 NASA 噴氣推進研究所正研制在空間站周圍完成組裝， 服務(wù)， 檢查和維修等各種作業(yè)的遙控機器人。 該機器人分系統(tǒng)由高級專家系統(tǒng)組成， 遙控機 器人則是一個能協(xié)調(diào)動作的復(fù)臺式專家系統(tǒng)，它將逐漸發(fā)展成一種高智能的自主機器人。 NAS A 埃姆斯研究所和蘭利研究中心還分別研制由分布式黑板模型構(gòu)筑空間站用機器人所 必須 的多種協(xié)調(diào)式專家系統(tǒng)和由地面操作人員支援空間飛行器用機器人的專家系統(tǒng)。 日本 宇宙開發(fā)事業(yè)團在研制空間站主從遙控機械手用的動作示教最佳化， 故障診斷， 環(huán)境模型用 專家系統(tǒng)和研究機器人語言

10、。 ESA 也著手研究機械手的故障診斷用的專家系統(tǒng)。五、人工智能在其他一些航空和航天應(yīng)用簡單地敘述一下幾種其他的應(yīng)用 : 嵌套式系統(tǒng)的軟件配置這種應(yīng)用考慮如何對各 種嵌套式計算機系統(tǒng)配置所包含的程 序和數(shù)據(jù)。 它可將作業(yè)和數(shù)據(jù)分配給程序段， 并受數(shù) 據(jù)和段的長度以及作業(yè)中可用的寄存器 個數(shù)的約束。當(dāng)作業(yè)是搜索問題時，其組合形式要 求利用啟發(fā)方式來削減搜索途徑。 并減少重復(fù)。 利用圖形顯示來觀察操作中的各種算法和策 略， 這樣可以引起開發(fā)者得到啟發(fā)的直覺感受。 發(fā)射安排這種應(yīng)用是由幫助安排發(fā)射操作的工作站和為發(fā)射活動分配時間的計劃人員組成的。 工作站在一種帶日歷圖形的顯示器 上顯示出當(dāng)前的或假定

11、的分配方案， 使調(diào)度人員了解整個情況。 由系統(tǒng)回答的典型問題 ( 即 由系統(tǒng)推算出的建議)是，什么時候安排下一次任務(wù) A?任務(wù)B具有什么樣的優(yōu)先級而不得 不保證安排在最近的 7 天之內(nèi) ?時間分配計算可以是一種簡單的樹形搜索，也可以帶有專家 啟發(fā)，取決于分配條件的復(fù)雜性。 防衛(wèi)探測區(qū)的雷達定位這種應(yīng)用同上述兩種應(yīng)用一樣 是確保達到規(guī)定探測要求的雷達最佳定位的搜索問題。 只要具體的可選位置在地形上是固定 的，配置適當(dāng)數(shù)量的雷達使用窮盡搜索法是可行的。用于吞吐量分析的嵌套式系統(tǒng)的模擬 這種應(yīng)用與工廠地面模擬是一樣的。 在這種情況下， 對嵌套式系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)字信息通 信進行模擬以確定吞吐量， 利用效

12、率瓶頸和緊急情況。 此系統(tǒng)是一種工作站， 它能使用戶對 交替配置進行試驗， 并且還能評價系統(tǒng)在各種負(fù)荷情況下的性能。 船舶跟蹤和監(jiān)測的模糊解 答這種應(yīng)用是用來監(jiān)測和跟蹤船舶和其他使用來自多源和有多種解釋數(shù)據(jù)的臺站。系統(tǒng)可以保持有多種矛盾解釋的傳感器數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)得到了解答為止。此系統(tǒng)主要是專家系統(tǒng)而不是工作站，這是由于傳感器的解釋要求有啟發(fā)勸能。六、未來人工智能在航空航天上應(yīng)用未來航空航天中人工智能系統(tǒng)的發(fā)展在初期， 航空航天中人工智能 (AI) 系統(tǒng)可采用兩層 次結(jié)構(gòu)，航天員位于指揮，管理層， 各種人工智能子系統(tǒng)則位于執(zhí)行層次。 相互作用主要發(fā) 生在航天員與 AI 之間，不同的 AI 子系統(tǒng)

13、之間沒有或只有少量的信息交換。顯然，這樣的 系統(tǒng)較為松散。隨著 AI 技術(shù)和功能的發(fā)展， 就會出現(xiàn)具有管理功能的 AI 子系統(tǒng)，它負(fù)責(zé) 對各種 AI 單元或子系統(tǒng)的監(jiān)控和 協(xié)調(diào)，航天員也應(yīng)當(dāng)有明確的分工，于是形成多層次的 結(jié)構(gòu)。在這種系統(tǒng)中，位于頂層的指令長，是整個系統(tǒng)的核心，既負(fù)責(zé)航天員的協(xié)調(diào)管理， 也密切關(guān)注擔(dān)負(fù)管理職能的 AI子系統(tǒng)。人與AI的各種信息接口是航天中 AI系統(tǒng)能夠有效 工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。信息接口包括聽覺、視覺、 觸覺信號和遙測信號。語言交流是最有效的一 種信息交換方式， 所以無論是智能管理系統(tǒng)還是航天機器人， 都應(yīng)當(dāng)具有人類語言的理解能 力。當(dāng)然航空航天中人工智能系統(tǒng)不僅要考慮其功能的完善性， 更要注重其運行可靠性， 所 以，發(fā)展的策略應(yīng)當(dāng)是在可靠的基礎(chǔ)上由簡單到復(fù)雜地逐步進化， 最終發(fā)展為以航天員為核 心的智能性很強的， 能完成各種航天任務(wù)的人工智能系統(tǒng)。 這種技術(shù)的發(fā)展不僅使載人航天 出現(xiàn)一個嶄新的局面，還必然會促進地面人工智能理論和技術(shù)以及人類智能研究的發(fā)展。總而言之， 伴隨航天事業(yè)的飛速發(fā)展和對高度機械化， 自動化的