人工智能技术在航空航天领域的应用

人工智能技术在航空航天领域的应用

2013年06 月 15 日

人工智能技术在航空航天领域的应用

摘要:随着人工智能技术的迅速发展逐渐成熟，已经成为许多高新科技产品中的核心技术。本文对人工智能技术在航空航天领域中的一些应用进行了简要介绍，并对人工智能技术在未来航空航天中的应用进行了展望。

关键词:航空航天；人工智能；自动化；专家系统

一、引言

“开发天疆”已成为美、俄、中、日及欧空局的科学家们最热门的话题，这些国家和地区先后制定了各自的空间开发计划，规模相当庞大，技术也非常复杂，多样，对可靠性的要求也越来越高。这就要求进一步提高机械化和自动化的水平，人工智能技术是达到这一目的的重要手段之一。它可以使一系列的复杂操作，管理和应用实现高可靠性，产生惊人的经济效益。人工智能在航天领域中得到了广泛的应用在美国，一些著名的公司及大学，如麦道公司、波音公司、麻省理工学院、卡内基梅隆大学及美国陆、海、空三军等均已开始研究人工智能在航天领域的应用。在欧洲，欧洲经济共同体的欧洲信息技术研究与发展战略计划与法国发起的尤里卡计划合作开发人工智能技术。英国皇家飞行研究院研究将人工智能用于航天器和其它航天活动，用于故障分析及卫星，空间平台和空间站的辅助工作系统。航空航天工业是最前沿技术领域，因此最有可能采用先进技术，对人工智能系统需求量最大。

下面分几个方面详细介绍人工智能在航空航天领域中的应用，以及在未来航空航天中应用的展望。

二、人工智能在无人飞行器上的应用

1、自动化和智能机器人

为使卫星顺利完成飞行任务，大幅度降低造价，人们在卫星上大量地采用了自动化和机器人技术。早在1967 年美国发射的勘测者 3 号飞行器上就装有机械臂，它在月球上完成了掘沟，地质调查和采集标本等工作，1 9 7 0 年苏联发射了“月球”16 号和 17 号两个飞行器，飞行器上装有月球车，月球车在地面遥控下完成月面行走和摄影任务，车上的掘岩机还完成了标本采集工作。1978 年美国海资号火星着陆飞船(一种先进的空间机器人) ，通过搭载计算机不仅成功地控制飞船安垒着陆，而且还在没有地面指令的情况下实现了长达 58 个火星日(每个火星日相当于 24 小时 37 分 26。4 秒)的探测， 19 7 7-1986 年，美国在旅行者探测器上采用了人工智能技术，完成了精密导航，科学观测任务，其上计算机收集和处理了木星和土星等各种不同数据。

2、专家系统

美国 NASA 喷气推进研究所为"旅行者"探测器设计了具备由 140 个规则组成的知识库，可生成对行星摄影所需应用程序的专家系统，大幅度地缩短了执行应用计划所需时间( 比手动操作速度大 10-50 倍)，减少了差错，降低了成本。美国还研制了一种能分析卫星故障并可显示出具体对策的专家系统。它由250个规则构成，可以单一和多窗口形式对话，将专门用于通信卫星电力系统。日本三菱电机公司也试制出了人造卫星试验用的专家系统，应用专家系统信息卡，通过数据处理机MELCOM MX/3000与逻辑推理机MELCOM-PSI的有机配台实现自动化、省力化、可缩短试验时间，做到高速联机数据处理同时软件开发，功能修改也非常方便，提高了可靠性。

三、人工智能在航天飞机上的应用

1、人—机接口

采用人工智能技术，在地面站与飞船，航天飞机与机械手之间(人与操作对象问)建立起完美的人--机接口，利用通信回路把由人直接控制的直接控制系统和采用遥控方式控制操作对象的遥控系统联接起来。

2、航天飞机上用的专家系统

在航天飞机的检测，发射和应用等过程中大量地采用了专家系统，包括加注液氧用的专家系统(LEX)，执行飞行任务和程序修订用的专家系统(Expert) 发射应用系(L—PS—2)，采用知识库的自动检测装置(K—ATE)，发射及着陆时的飞行控制 (NAVE—X)，推理决策用的信息管理系统等。

四、人工智能在空间站上的应用

人工智能在空间站计划等的应用 NASA 的先进技术咨询委员会认为空间站中有三个方面必须采用人工智能技术，才能实现高度自动化，确保可靠性。

(1)空间站分系统，空间站应用，利用空间站在空间进行各种实验时的监控，故障诊断，舱外活动，交会对接，飞行规划等的专家系统。

(2)空间结构物的组装，从航天飞机上卸下和移动补给物资手段的智能化。

(3)卫星服务和空间工厂设备维修用的远距离操纵器/机器人，空间工厂设备控制和操作等用的专家系统。该先进技术咨询委员会还确定了适用于空间站初始阶段和发展阶段的自动化和仿真机器人学的目标，事实上在初始阶段专家系统是作为支援系统，在发展阶段将作为一种综台性的信息和控制系统的控制部件用。

当前，正在积极地开发以下系统用于美国国际空间站上。

1、监视和故障诊断系统这一研究以环境控制/生保分系统和电力分系统为中心 NASA 约翰逊空间中心开发了一种用电化学方式清除飞船内二氧化碳气体的增加可靠性故障诊断用的专家系统。构筑在 LISP 计算机上，与这一系统有关的知识库和诊断规则，以及与程序有关的知识库均用框架形式表现。采用这系统后故障减少了一半以上(样机评价结果)。美国波音公司研制出空间环境控制用的专家系统样机，用它可对环境控制/生保分系统从地影区向日照区过渡的整个过程进行模式控制和分系统监视。日本航空宇宙技术研究所还研制了一种支援舱内科学家进行空间实验用的专家系统。另外马丁玛丽埃塔公司正用自己公司

的规则库开发飞船电力分系统故障诊断和负荷调整用的专家系统。B 本宇宙开发事业团在开发空间站天线系统故障诊断，日本实验舱飞行调度系统，电力分系统用的专家系统。

2、远距离操纵器/仿真机器人学。NASA 喷气推进研究所正研制在空间站周围完成组装，服务，检查和维修等各种作业的遥控机器人。该机器人分系统由高级专家系统组成，遥控机器人则是一个能协调动作的复台式专家系统，它将逐渐发展成一种高智能的自主机器人。NAS A 埃姆斯研究所和兰利研究中心还分别研制由分布式黑板模型构筑空间站用机器人所必须的多种协调式专家系统和由地面操作人员支援空间飞行器用机器人的专家系统。日本宇宙开发事业团在研制空间站主从遥控机械手用的动作示教最佳化，故障诊断，环境模型用专家系统和研究机器人语言。ESA 也着手研究机械手的故障诊断用的专家系统。

五、人工智能在其他一些航空和航天应用

简单地叙述一下几种其他的应用: 嵌套式系统的软件配置——这种应用考虑如何对各种嵌套式计算机系统配置所包含的程序和数据。它可将作业和数据分配给程序段，并受数据和段的长度以及作业中可用的寄存器个数的约束。当作业是搜索问题时，其组合形式要求利用启发方式来削减搜索途径。并减少重复。利用图形显示来观察操作中的各种算法和策略，这样可以引起开发者得到启发的直觉感受。发射安排——这种应用是由帮助安排发射操作的工作站和为发射活动分配时间的计划人员组成的。工作站在一种带日历图形的显示器上显示出当前的或假定的分配方案，使调度人员了解整个情况。由系统回答的典型问题 ( 即由系统推算出的建议)是，什么时候安排下一次任务A？任务B具有什么样的优先级而不得不保证安排在最近的7天之内?时间分配计算可以是一种简单的树形搜索，也可以带有专家启发，取决于分配条件的复杂性。防卫探测区的雷达定位——这种应用同上述两种应用一样是确保达到规定探测要求的雷达最佳定位的搜索问题。只要具体的可选位置在地形上是固定的，配置适当数量的雷达使用穷尽搜索法是可行的。用于吞吐量分析的嵌套式系统的模拟——这种应用与工厂地面模拟是一样的。在这种情况下，对嵌套式系统和相应的数字信息通信进行模拟以确定吞吐量，利用效率瓶颈和紧急情况。此系统是一种工作站，它能使用户对交替配置进行试验，并且还能评价系统在各种负荷情况下的性能。船舶跟踪和监测的模糊解答——这种应用是用来监测和跟踪船舶和其他使用来自多源和有多种解释数据的台站。系统可以保持有多种矛盾解释的传感器数据，直到数据得到了解答为止。此系统主要是专家系统而不是工作站，这是由于传感器的解释要求有启发劝能。

六、未来人工智能在航空航天上应用

未来航空航天中人工智能系统的发展在初期，航空航天中人工智能(AI)系统可采用两层次结构，航天员位于指挥，管理层，各种人工智能子系统则位于执行层次。相互作用主要发生在航天员与 AI之间，不同的AI子系统之间没有或只有少量的信息交换。显然，这样的系统较为松散。随着AI 技术和功能的发展，就会出现具有管理功能的AI子系统，它负责对各种 AI 单元或子系统的监控和协调，航天员也应当有明确的分工，于是形成多层次的结构。在这种系统中，位于顶层的指令长，是整个系统的核心，既负责航天员的协调管理，也密切关注担负管理职能的 AI子系统。人与AI的各种信息接口是航天中AI系统能够有效工作的关键环节。信息接口包括听觉、视觉、触觉信号和遥测信号。语言交流是最有效的一