2個或多個機器人協(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)。

機器人組團海上出征，你見過嗎?海面上，多個海洋機器人列隊行進，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)水下機器人技術(shù)國家級重點實驗室牽頭的海洋機器人集群智能協(xié)同技術(shù)項目群成功展示了機器人組團海上出征的場面，并順利通過了海試驗收。

本次團隊協(xié)作演示在國內(nèi)首次實現(xiàn)了海洋機器人集群智能協(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)志著我國海洋機器人集群智能協(xié)同技術(shù)取得了實質(zhì)性突破并達(dá)到了國際先進水平。

團隊協(xié)同涌現(xiàn)群體智能效應(yīng)

海洋機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、多機到集群的主要發(fā)展階段。受計算機、人工智能、材料、通信、傳感器等技術(shù)的推動，近30年來，海洋機器人發(fā)展迅猛，如今人工智能技術(shù)正在推動海洋機器人進入智能海洋機器人時代。

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)境中實現(xiàn)種群繁衍，體現(xiàn)出強大的生存能力和復(fù)雜的群體行為。

海洋機器人的集群智能協(xié)同也克服了單個機器人作業(yè)能力弱、工作范圍小和工作效率低等缺點，可實現(xiàn)單個機器人不具備的功能，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)作用下的機器人的通信、感知、認(rèn)知、決策、控制與行為有效融合，實現(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)，進而實現(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，實現(xiàn)快速大范圍海洋探測，支持海洋經(jīng)濟發(fā)展;有助于維護海洋權(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)海洋強國具有重要意義。

實現(xiàn)集群智能協(xié)同面臨三大挑戰(zhàn)

項目群責(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)模式變革的一項前沿顛覆性技術(shù)而備受關(guān)注，也是“十三五”期間一項具有標(biāo)志性意義的科研項目。

此次海試的海洋機器人集群智能協(xié)同技術(shù)項目群系統(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，在海洋機器人編隊中，不同種類的機器人被賦予不同的使命;同時，它們的船型多樣、機動性差異大、載荷種類多，智能算法如何有效匹配不同類型的機器人并發(fā)揮集群效能是一大難點。

海洋機器人處于復(fù)雜、惡劣的作業(yè)環(huán)境，在這種典型的強干擾、弱通信和弱觀測環(huán)境里，機器人的智能系統(tǒng)會受到顯著影響，運動擾動大、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)鍵詞詮釋了海洋機器人的任務(wù)場景。要讓機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、協(xié)同決策、人機協(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)讓機器人隨時加入或退出

近年來，我國多個科研機構(gòu)在機器人集群智能協(xié)同技術(shù)領(lǐng)域展開研究，取得了一定的成果，而本項目群在此前研究的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了多個技術(shù)突破，如從多機自主協(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。

項目群決策項目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)計算機學(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)，這種架構(gòu)的系統(tǒng)部署快捷、實現(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)點被破壞，容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。同時，其支持的機器人數(shù)量有限、擴展性差，難以實現(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)，更易實現(xiàn)更高層次、更高智能水平的集群智能。“分布式是多點對多點的無中心集群體系架構(gòu)，可隨時增減機器人，系統(tǒng)彈性易擴展且支持大規(guī)模集群系統(tǒng)。同時，這樣的架構(gòu)抗壓性強，若干機器人加入或損壞，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)。”項目群感知項目負(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)過近兩年的攻堅克難，科研團隊突破了信息共享、協(xié)同感知、敏捷編隊、協(xié)同決策、人機協(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個海洋機器人共同作業(yè)，機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)模或效率;同時，機器人集群智能協(xié)同技術(shù)可實現(xiàn)機器人全自主操作，也可根據(jù)需求實現(xiàn)人機相互協(xié)作。”項目群人機協(xié)同項目負(fù)責(zé)人、哈爾濱工程大學(xué)計算機學(xué)院教師劉海波說。(李麗云)