2個或多個機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，并不是簡單的功能疊加，而是會出現(xiàn)1+1>2的群體智能效應(yīng)，涌現(xiàn)出全新的協(xié)同行為模態(tài)，從而可以完成更加復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。

廖煜雷 項(xiàng)目群牽頭人、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教師

2個或多個機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，并不是簡單的功能疊加，而是會出現(xiàn)1+1>2的群體智能效應(yīng)，涌現(xiàn)出全新的協(xié)同行為模態(tài)，從而可以完成更加復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。

機(jī)器人組團(tuán)海上出征，你見過嗎?海面上，多個海洋機(jī)器人列隊(duì)行進(jìn)，它們通過組網(wǎng)通訊共享信息，隨著作業(yè)局勢的不斷改變，快速變換隊(duì)形，最終完成協(xié)同探測等任務(wù)。并且這些任務(wù)完全由機(jī)器人們自主作業(yè)，不需要人為干預(yù)。

記者3月初從哈爾濱工程大學(xué)獲悉，由哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭的海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)項(xiàng)目群成功展示了機(jī)器人組團(tuán)海上出征的場面，并順利通過了海試驗(yàn)收。

本次團(tuán)隊(duì)協(xié)作演示在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同架構(gòu)模式從集中式/混合式發(fā)展為分布式，系統(tǒng)協(xié)同智能化水平從半自主升級為全自主，適應(yīng)任務(wù)場景及環(huán)境從確定結(jié)構(gòu)化拓展為未知非結(jié)構(gòu)化，這標(biāo)志著我國海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性突破并達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

團(tuán)隊(duì)協(xié)同涌現(xiàn)群體智能效應(yīng)

海洋機(jī)器人是一類能夠遙控或自主操控完成特定功能的無人海上航行器。海洋機(jī)器人發(fā)展的歷史約有70年，經(jīng)歷了從載人到無人，從直接操控、遙控到自主、智能，從單機(jī)、多機(jī)到集群的主要發(fā)展階段。受計算機(jī)、人工智能、材料、通信、傳感器等技術(shù)的推動，近30年來，海洋機(jī)器人發(fā)展迅猛，如今人工智能技術(shù)正在推動海洋機(jī)器人進(jìn)入智能海洋機(jī)器人時代。

就像自然界中的魚群、狼群、蜂群一樣，“2個或多個機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，并不是簡單的功能疊加，而是會出現(xiàn)1+1>2的群體智能效應(yīng)，涌現(xiàn)出全新的協(xié)同行為模態(tài)，從而可以完成更加復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。”項(xiàng)目群牽頭人、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教師廖煜雷介紹。

俗話說眾人拾柴火焰高，群體智能是源于自然界群居生物系統(tǒng)中的一種涌現(xiàn)智能，以蜂群為例，每個蜜蜂的分工明確，其個體的能力和智力較低，但是蜂群匯聚后可以構(gòu)建龐大且復(fù)雜的蜂巢，在復(fù)雜自然環(huán)境中實(shí)現(xiàn)種群繁衍，體現(xiàn)出強(qiáng)大的生存能力和復(fù)雜的群體行為。

海洋機(jī)器人的集群智能協(xié)同也克服了單個機(jī)器人作業(yè)能力弱、工作范圍小和工作效率低等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)單個機(jī)器人不具備的功能，并顯著提升系統(tǒng)的作業(yè)效率或能力。機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)可將人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)作用下的機(jī)器人的通信、感知、認(rèn)知、決策、控制與行為有效融合，實(shí)現(xiàn)集群系統(tǒng)下個體的互聯(lián)互通、態(tài)勢共享、群策群力，在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，表現(xiàn)出與人類相當(dāng)或超越人類的能力。

海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)可應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、海洋科學(xué)調(diào)查、海底觀測，支撐構(gòu)建廣域立體化海洋觀測網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“數(shù)字海洋”;還可應(yīng)用于海底地形測繪、航道測量、油氣勘探等，實(shí)現(xiàn)快速大范圍海洋探測，支持海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展;有助于維護(hù)海洋權(quán)益、保障海洋安全等，對我國發(fā)展人工智能戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強(qiáng)國具有重要意義。

實(shí)現(xiàn)集群智能協(xié)同面臨三大挑戰(zhàn)

項(xiàng)目群責(zé)任專家、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教授李曄介紹，海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同是“人工智能+海洋無人系統(tǒng)”深度融合發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性技術(shù)，作為引領(lǐng)未來裝備發(fā)展、作業(yè)模式變革的一項(xiàng)前沿顛覆性技術(shù)而備受關(guān)注，也是“十三五”期間一項(xiàng)具有標(biāo)志性意義的科研項(xiàng)目。

此次海試的海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)項(xiàng)目群系統(tǒng)龐大、涉及關(guān)鍵技術(shù)眾多、復(fù)雜性高。廖煜雷介紹，海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)主要面臨三大技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，在海洋機(jī)器人編隊(duì)中，不同種類的機(jī)器人被賦予不同的使命;同時，它們的船型多樣、機(jī)動性差異大、載荷種類多，智能算法如何有效匹配不同類型的機(jī)器人并發(fā)揮集群效能是一大難點(diǎn)。

海洋機(jī)器人處于復(fù)雜、惡劣的作業(yè)環(huán)境，在這種典型的強(qiáng)干擾、弱通信和弱觀測環(huán)境里，機(jī)器人的智能系統(tǒng)會受到顯著影響，運(yùn)動擾動大、感知不準(zhǔn)確、信息交互難。因此，在這樣的情況下，如何讓機(jī)器人具備良好的生存能力和作業(yè)性能是科研攻關(guān)面臨的第二個挑戰(zhàn)。

骯臟、枯燥、危險，3個關(guān)鍵詞詮釋了海洋機(jī)器人的任務(wù)場景。要讓機(jī)器人搭載多樣的功能載荷、掌握復(fù)雜的作業(yè)技能以滿足不同的任務(wù)需求，并適應(yīng)復(fù)雜的、不確定的甚至對抗性的使用場景，這對智能算法的適應(yīng)性、穩(wěn)定性、學(xué)習(xí)能力提出了苛刻的要求，也是集群智能協(xié)同技術(shù)面臨的第三個挑戰(zhàn)。

要解決上述難題，科研人員要在海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)的信息共享、協(xié)同感知、協(xié)同編隊(duì)、協(xié)同決策、人機(jī)協(xié)同、作業(yè)策略等基礎(chǔ)理論算法方面展開系統(tǒng)、深入的研究。

分布式架構(gòu)讓機(jī)器人隨時加入或退出

近年來，我國多個科研機(jī)構(gòu)在機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)領(lǐng)域展開研究，取得了一定的成果，而本項(xiàng)目群在此前研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多個技術(shù)突破，如從多機(jī)自主協(xié)調(diào)向集群智能協(xié)同的突破;從特定任務(wù)導(dǎo)向的集群協(xié)同向場景適應(yīng)多任務(wù)集群協(xié)同的突破;適應(yīng)場景及環(huán)境從確定條件向非確定條件的突破;從編隊(duì)控制到集群智能涌現(xiàn)的突破。其中最重要的突破就是集群協(xié)同架構(gòu)從集中式/混合式向分布式跨越，以及智能水平從半自主向全自主的跨越。

項(xiàng)目群決策項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)計算機(jī)學(xué)院教師史長亭介紹，集中式從名稱上可以看得出，集群體系架構(gòu)中存在一個中心(主節(jié)點(diǎn))，這種架構(gòu)的系統(tǒng)部署快捷、實(shí)現(xiàn)簡單、適用于中小規(guī)模的集群或特定簡單任務(wù)，但因其系統(tǒng)架構(gòu)固定，不能隨任務(wù)改變、靈活性較差，一旦主節(jié)點(diǎn)被破壞，容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。同時，其支持的機(jī)器人數(shù)量有限、擴(kuò)展性差，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集群系統(tǒng)。因此，集中式集群系統(tǒng)一般適應(yīng)特定的簡單任務(wù)。

而分布式體系架構(gòu)更接近于自然界的魚群、狼群、蜂群等群體智能系統(tǒng)形態(tài)，更易實(shí)現(xiàn)更高層次、更高智能水平的集群智能。“分布式是多點(diǎn)對多點(diǎn)的無中心集群體系架構(gòu)，可隨時增減機(jī)器人，系統(tǒng)彈性易擴(kuò)展且支持大規(guī)模集群系統(tǒng)。同時，這樣的架構(gòu)抗壓性強(qiáng)，若干機(jī)器人加入或損壞，不影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分布式架構(gòu)可根據(jù)環(huán)境或任務(wù)的改變，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)，更適用于不確定的環(huán)境或復(fù)雜瞬變的任務(wù)。而集群能力的提升，意味著可以提高對復(fù)雜真實(shí)海洋環(huán)境的適應(yīng)性，或支持完成更加復(fù)雜的協(xié)同任務(wù)。”項(xiàng)目群感知項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教師王博表示。

集群協(xié)同架構(gòu)從集中式到分布式的跨越，對機(jī)器人在線的感知、決策、作業(yè)等能力和系統(tǒng)智能化水平提出了更高要求。廖煜雷表示，經(jīng)過近兩年的攻堅(jiān)克難，科研團(tuán)隊(duì)突破了信息共享、協(xié)同感知、敏捷編隊(duì)、協(xié)同決策、人機(jī)協(xié)同、作業(yè)策略、系統(tǒng)集成等核心關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出具備多協(xié)同任務(wù)模式、多智能模態(tài)、彈性可重構(gòu)的海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)演示系統(tǒng)，有力推動了海洋機(jī)器人集群智能協(xié)同領(lǐng)域的理論創(chuàng)新及技術(shù)發(fā)展。

“通過綜合考量體系架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能需求、智能算法適應(yīng)性、平臺作業(yè)能力和通信帶寬等多種因素，我們的集群智能協(xié)同技術(shù)目前能支持不少于50個海洋機(jī)器人共同作業(yè)，機(jī)器人可以隨時加入或退出集群，集群系統(tǒng)可自主快速重構(gòu)并重新分配任務(wù)，從而改變作業(yè)規(guī)?；蛐?同時，機(jī)器人集群智能協(xié)同技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全自主操作，也可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)人機(jī)相互協(xié)作。”項(xiàng)目群人機(jī)協(xié)同項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)計算機(jī)學(xué)院教師劉海波說。(李麗云)