人工智能（AI）是一個(gè)快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，“它將使惰性物體充滿活力，就像一個(gè)多世紀(jì)前的電力一樣。通過人工智能，我們將對過去電氣化的產(chǎn)品重新認(rèn)知”。人工智能的進(jìn)步正在不斷推動機(jī)器的發(fā)展，使機(jī)器能夠做很多前沿的事情。近年來，商業(yè)投資者、國防戰(zhàn)略家和政策制定者對人工智能的研究及其發(fā)展和部署給予了越來越多的關(guān)注。2017年7月20日，中國政府發(fā)布了一項(xiàng)發(fā)展人工智能技術(shù)的戰(zhàn)略——《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出了政策選項(xiàng)，并劃定了到2030年使中國成為世界人工智能領(lǐng)導(dǎo)者的總體目標(biāo)。

現(xiàn)代人工智能的起源可以追溯到很久以前，古典哲學(xué)家試圖將人類的思維過程描述為一個(gè)符號系統(tǒng)。直到1956年夏天舉行的達(dá)特茅斯會議上，人工智能領(lǐng)域作為一門獨(dú)立的學(xué)科才初步成立，當(dāng)時(shí)約翰·麥卡錫創(chuàng)造了“人工智能”（Artificial Intelligence）一詞，以區(qū)別于傳統(tǒng)的控制論?？刂普摚–ybernetics）是諾伯特·維納創(chuàng)造的一個(gè)術(shù)語，指的是他對自主（無人）系統(tǒng)的設(shè)想。人工智能的目標(biāo)是建立能夠在做出決策時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和適應(yīng)的系統(tǒng)，也就是說，系統(tǒng)具有一定程度的自主性（即任務(wù)和運(yùn)動規(guī)劃的能力）以及智能性（即決策和推理的能力）。雖然人工智能的流行程度一直在變化，但最近對人工智能的興趣的爆發(fā)式增長始于2006年左右。它的出現(xiàn)是由于“天時(shí)、地利、人和”三個(gè)有利因素的融合：

①大量的、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)集可用于訓(xùn)練強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能模型；

②軟件和硬件的快速發(fā)展，如深度學(xué)習(xí)算法和圖形處理器（GPU）等計(jì)算平臺；

③云商業(yè)模式的出現(xiàn)。這種爆炸性增長極大地推動了弱人工智能的發(fā)展，弱人工智能指的是能夠解決特定類別問題的算法或計(jì)算機(jī)軟件，如文檔分類、物體檢測、游戲、疾病診斷和自主導(dǎo)航。然而，許多人認(rèn)為，目前所有的人工智能系統(tǒng)（技術(shù)）都屬于弱人工智能的范疇，因此與強(qiáng)人工智能仍有一定差距。

然而，人工智能還沒有公認(rèn)的定義。這主要是由于不同領(lǐng)域的專業(yè)人士對人工智能研究采取了不同的方法。現(xiàn)有的人工智能定義可以粗略地歸納為四組（表1）。這四個(gè)定義規(guī)定了人工通用智能（AGI）類別中可能追求的四個(gè)目標(biāo)，人工通用智能指能夠在各種任務(wù)中實(shí)現(xiàn)人類水平的自主性和智能的系統(tǒng)。

表1　歷史上人工智能定義的分類法 

無人系統(tǒng)被定義為一種能夠在無人操作的情況下發(fā)揮其力量執(zhí)行指定任務(wù)的機(jī)電系統(tǒng)。當(dāng)代的系統(tǒng)，如多機(jī)器人系統(tǒng)，無人駕駛的空中、地面和海上交通工具（UAV、UGV和UMV），移動、邊緣和云計(jì)算系統(tǒng)，以及金融、制造和電力系統(tǒng)，越來越具有分散性、泛在性和互連性的特點(diǎn)，也就是說，它們是由自主實(shí)體組成的系統(tǒng)。由于其物理組件、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和社會環(huán)境的無縫集成和動態(tài)性質(zhì)，這種工程系統(tǒng)必須以越來越高的自主性和智能水平運(yùn)行，以做出決策并在特定環(huán)境中運(yùn)行。

無人機(jī)最初是在1917年被美國軍方使用的。當(dāng)時(shí)美國海軍委托設(shè)計(jì)了用于對抗德國潛艇的偵察機(jī)，該機(jī)在1918年3月6日實(shí)現(xiàn)首次成功飛行之前經(jīng)歷了多次失敗，這也是無人機(jī)的首次飛行。從那時(shí)起，無人系統(tǒng)迅速發(fā)展，大致可分為三個(gè)階段：從基于編程的無人系統(tǒng)到自動無人系統(tǒng)，智能無人系統(tǒng)，以及自主智能無人系統(tǒng)。第一階段其能力是有限的，即系統(tǒng)只能按照先驗(yàn)的程序工作，不能適應(yīng)環(huán)境的任何變化。第二階段處于高級水平，系統(tǒng)具有一定的感知、決策和控制能力，可以根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)整。在最后階段，無人系統(tǒng)具有高度的自主性和智能性，在許多任務(wù)上趕上甚至超過人類。

自主智能無人系統(tǒng)（AIS）是一個(gè)新興的跨學(xué)科領(lǐng)域，它是依靠大數(shù)據(jù)和人工智能（以及其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步）來創(chuàng)造具有集成任務(wù)和運(yùn)動規(guī)劃以及決策和推理能力的無人系統(tǒng)。

自主智能無人系統(tǒng)可以在沒有或有限的人工參與的情況下完成通用任務(wù)，數(shù)字設(shè)計(jì)（人工智能、大數(shù)據(jù)、控制等）、機(jī)器人技術(shù)以及構(gòu)造環(huán)境的融合使其成為可能。典型自主智能無人系統(tǒng)包括自動駕駛汽車、智能制造機(jī)器人以及用于陪伴或安慰的機(jī)器人。相對于普通的無人平臺（可能是基于規(guī)則的，或由人類或其他機(jī)器遠(yuǎn)程控制），它具有獨(dú)特的特征：（越來越高的）自主性、智能性和協(xié)作性。

首先，自主智能無人系統(tǒng)由自主組件組裝而成，這些組件的行為可能是復(fù)雜和不穩(wěn)定的，也就是說，這些組件可能突然變得不可用，完全崩潰，或者改變其行為。

其次，自主智能無人系統(tǒng)也有足夠的智能性，也就是說，能夠?qū)Υ罅康闹R和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，以檢測出所述的錯誤行為，能夠適應(yīng)各種場景，并通過做明智的決定來恢復(fù)其原始功能。此外，當(dāng)從事復(fù)雜和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)時(shí)，它可以尋求密切協(xié)調(diào)和相互合作的方法，以發(fā)展高水平的集體行為。因此，自主智能無人系統(tǒng)是人工智能研究的最終目標(biāo)，自主智能無人系統(tǒng)研究提供了一條通往人工通用智能的有前景的道路。

自主智能無人系統(tǒng)正迅速在許多不同的領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，從商業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療部門到物理安全、國防以及太空探索。2016年，作為谷歌DeepMind的一部分，計(jì)算機(jī)程序AlphaGo首次在圍棋比賽中擊敗了人類職業(yè)棋手，這引發(fā)了一系列具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)和工程領(lǐng)域的重大突破。下文中列舉了一些有代表性的當(dāng)代自主智能無人系統(tǒng)的例子。

（一）自動駕駛

自動駕駛是一個(gè)非常受歡迎的研究領(lǐng)域，它探索的是自動駕駛車輛的自主性和智能性的根源。在2016—2021年的五年中，僅電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）就發(fā)表了43 000多篇關(guān)于自動駕駛主題的會議論文和8000多篇期刊（包括雜志）論文。自動駕駛汽車目前在操作上并不完美，2018年在美國亞利桑那州坦佩市發(fā)生的自動駕駛汽車事故就證明了這一點(diǎn)，一名行人被一輛由自主算法控制的運(yùn)動型多功能車撞死，而司機(jī)卻無法阻止這場車禍。另外，自主車輛系統(tǒng)在性能上與人類或動物的視覺系統(tǒng)相比仍有很大差距。目前仍然需要創(chuàng)新的解決方案，如生物啟發(fā)的視覺傳感、多智能體協(xié)作感知和模仿生物系統(tǒng)工作原理的控制能力。據(jù)預(yù)測，到2030年，在實(shí)現(xiàn)更高水平的機(jī)器人自主性和車輛智能之后，自動駕駛將變得足夠可靠和安全，可以取代大部分人類駕駛。

（二）醫(yī)學(xué)和保健

新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的暴發(fā)已經(jīng)成為一種全球大流行病。在撰寫本報(bào)告時(shí)，全球COVID-19的確診病例總數(shù)已超過1.13億。不幸的是，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，這一數(shù)字仍在以每天約40萬例的速度增長，對抗COVID-19需要全球的努力。自主智能無人系統(tǒng)可以成為解決方案的一部分，它顯示出巨大的潛力，可用于消毒、診斷、監(jiān)測、協(xié)助大規(guī)模篩查和手術(shù)、運(yùn)送藥物和重要物資，以及為老齡化社會進(jìn)行老年人康復(fù)訓(xùn)練。機(jī)器人系統(tǒng)可以在大規(guī)模的篩查和手術(shù)中發(fā)揮重要作用。機(jī)器人系統(tǒng)至少可以在四個(gè)領(lǐng)域支持醫(yī)療系統(tǒng)和捍衛(wèi)公共健康：臨床護(hù)理（如遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程醫(yī)療和凈化）、后勤（如醫(yī)療廢物的處理、儲存和運(yùn)輸）、偵察（如監(jiān)測和管理自愿隔離的遵守情況）和維護(hù)（如加強(qiáng)隔離期間工作和社會經(jīng)濟(jì)功能的連續(xù)性）。人們還注意到，中國已經(jīng)在積極探索其中的許多用途，盡管目前僅限于有限的地區(qū)，而且其中大部分的應(yīng)用只是作為概念的證明。這些機(jī)器人技術(shù)的每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都需要更多的研究。未來的機(jī)會在于開發(fā)能夠?qū)颊哌M(jìn)行分類、評估、監(jiān)測、治療以及在安全距離內(nèi)為患者提供陪伴和安慰的醫(yī)療自主智能無人系統(tǒng)。

（三）國家安全和國防

除了廣泛的民事應(yīng)用外，自主智能無人系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到軍事行動中。早在2003年，美國陸軍與國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）聯(lián)合啟動了未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)計(jì)劃，這是美國陸軍歷史上最大的計(jì)劃收購項(xiàng)目。其目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)完整的旅，裝備有數(shù)百輛載人和無人駕駛車輛，這些車輛與一個(gè)超高速和靈活的戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)相連，從而能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的互操作性和戰(zhàn)術(shù)協(xié)調(diào)。2004年，加拿大國防研究與發(fā)展部啟動了自主智能無人系統(tǒng)計(jì)劃，公布了其戰(zhàn)略計(jì)劃，以提高軍用車輛和系統(tǒng)的自主性和智能化。所針對的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括自主智能無人系統(tǒng)通過對其非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的理解來執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力，并在自主實(shí)體之間學(xué)習(xí)、適應(yīng)和交換信息的能力，以及實(shí)現(xiàn)集體智能和增強(qiáng)系統(tǒng)有效性。最近，DARPA的“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）計(jì)劃也試圖通過提高自主性以及平臺間的協(xié)作來擴(kuò)大無人機(jī)的任務(wù)能力。美國軍方已經(jīng)通過Project Maven計(jì)劃將自主智能無人系統(tǒng)整合到戰(zhàn)斗中，該計(jì)劃利用（并展示了）人工智能算法來識別伊拉克和敘利亞的相關(guān)目標(biāo)。

（四）深空探索

作為中國月球探測計(jì)劃的一部分，中國的嫦娥五號在2020年12月17日成功完成了將月球樣本帶回地球的任務(wù)，這是近50年來首次收集此類樣本。此次任務(wù)共采集了兩個(gè)樣本：一個(gè)來自月球表面；另一個(gè)來自地下約2 m。兩者都被裝入月球上升器，然后起飛，與任務(wù)的軌道器（即地球返回器）連接起來。這次聯(lián)合被認(rèn)為是兩個(gè)機(jī)器人航天器首次在地球軌道之外完成了完全自主的對接。同樣，美國國家航空航天局（NASA）的毅力號探測器，被贊譽(yù)為有史以來技術(shù)最先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)“地質(zhì)學(xué)家”，于2021年2月18日在火星上安全無誤地著陸，這是由于其先進(jìn)的著陸系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確和自主地理解當(dāng)?shù)丨h(huán)境，并在進(jìn)入、下降和著陸（EDL）階段（又稱“恐怖七分鐘”）調(diào)整其軌跡。對太陽系甚至更遠(yuǎn)地方的“空間探索”的愿景，需要對協(xié)作自主性和航天器智能化提出更高的要求，以使未來的深空探索者具備檢測和應(yīng)對意外條件的能力，識別和描述未預(yù)見的感興趣的特征，以及解釋數(shù)據(jù)內(nèi)容及重寫和修改觀測計(jì)劃。

盡管取得了這些令人振奮的進(jìn)展和成功的應(yīng)用，但自主智能無人系統(tǒng)研究仍然面臨許多基本挑戰(zhàn)，其中最主要的是完全自主和機(jī)器人通用智能的挑戰(zhàn)。到目前為止，自主智能無人系統(tǒng)研究和努力主要集中在單個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)（即單一智能體），而對機(jī)器人群的研究和理解較少，對機(jī)器人群（如異質(zhì)代理群或多層系統(tǒng)）的研究更少；如圖1所示，在這些基礎(chǔ)上，未來的發(fā)展和機(jī)會在于探索三個(gè)層次的自主性和智能化的根源。我們在下文中概述了努力實(shí)現(xiàn)自主智能無人系統(tǒng)愿景的過程中最突出的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，特別是那些可能在未來十年中導(dǎo)致重大科學(xué)進(jìn)步的挑戰(zhàn)。

圖1. 自主智能無人系統(tǒng)的未來研究趨勢。

對于智能體（如人工體現(xiàn)系統(tǒng)或機(jī)器人大腦）來說，需要研究的基本課題包括了解在智能體使用其傳感器和效應(yīng)器時(shí)，在與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)行自主重復(fù)互動期間，什么樣的內(nèi)在發(fā)展程序支配著智能體的認(rèn)知能力（如視覺、聽覺、牽引力、語言、規(guī)劃、決策和運(yùn)動執(zhí)行）的發(fā)展，以及這一過程是如何運(yùn)作的？一個(gè)在技術(shù)上更有意義、更實(shí)用的問題是，如何創(chuàng)造一個(gè)能夠發(fā)展成人大腦的復(fù)雜、多面和高度集成能力的自主智能無人系統(tǒng)？認(rèn)知（或精神）發(fā)展的想法長期以來一直被心理學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家所探討，然而它在人工智能和機(jī)器人界并沒有獲得太多的關(guān)注。對自主心智發(fā)展的計(jì)算和數(shù)據(jù)驅(qū)動（即機(jī)器學(xué)習(xí)）研究可能是理解自然智能和構(gòu)建智能機(jī)器的一個(gè)有希望的解決方案。

自20世紀(jì)90年代以來，人工蜂群智能的幾個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，包括了解個(gè)體之間的變異性和這些個(gè)體特征的適應(yīng)性對集群集體行為的影響。在建立可控性、可觀察性的基本理論以及在結(jié)構(gòu)化和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中評估同質(zhì)智能體的同步算法的穩(wěn)定性方面也進(jìn)行了研究。然而，有一個(gè)基本的需求是理解同步集群如何以及何時(shí)在非結(jié)構(gòu)化和動態(tài)的現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中出現(xiàn)、合并和持續(xù)存在。此外，表征集群（即蜂群）中的個(gè)體如何獲得特定的集體行為，同時(shí)平衡個(gè)人主義行為的發(fā)展，是另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。此外，復(fù)雜機(jī)器人群的控制原理是什么？這些控制原則是理解集體行為、同步原則以及復(fù)雜和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的失敗機(jī)制的關(guān)鍵。

最終，自主智能無人系統(tǒng)的大部分功能可以被提煉為管理有限的、可改變的和可共享的公共資源，如運(yùn)輸和存儲能力、能源和服務(wù)，以完成具有挑戰(zhàn)性的（超級）人類水平的任務(wù)。根據(jù)“公地悲劇”哲學(xué)，個(gè)人的自私利益和群體的利益之間的錯位會導(dǎo)致公共資源（或整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)）的過度開發(fā)和潛在崩潰，而集群中的個(gè)人之間以及更大的系統(tǒng)（群體）中的群組之間的合作關(guān)系可以增加這些公共資源。因此，出現(xiàn)了一種新的需求，即破譯集群集體行為之間錯綜復(fù)雜的相互作用，為異質(zhì)異構(gòu)自主智能無人系統(tǒng)群體建立一套基本控制理論（包括可控性、可觀察性和控制原則），以及探索群組之間隨機(jī)博弈中的進(jìn)化機(jī)制，以優(yōu)化和可持續(xù)地利用公共資源。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Jie Chen, Jian Sun, Gang Wang.From Unmanned Systems to Autonomous Intelligent Systems[J].Engineering,2022,12(5):16-19.