一碍逐、引言

"開發(fā)天疆"已成為美,俄,中,日,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(jìn)一步提高機(jī)械化和自動化的水平, 人工智能技術(shù)是達(dá)到這一目的 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(jì) 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(jì)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(jìn)技術(shù),對人工智能系統(tǒng)需求量最大 . 下面分幾個方面詳細(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)用的展望浴蝉。

二,人工智能在無人飛行器上的應(yīng)用 

1.自動化和智能機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)的空間機(jī)器人) ,通過搭載計算機(jī)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(dá) 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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī) MELCOM MX/3000 與邏輯推理機(jī) MELCOM-PSI 的有機(jī)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(jī)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(jī)上的應(yīng)用 

1.人—機(jī)接口.  采用人工智能技術(shù),在地面站與飛船,航天飛機(jī)與機(jī)械手之間(人與操 作對象問)建立起完美的人--機(jī)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 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(jī)上用的專家系統(tǒng).   在航天飛機(jī)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)用系統(tǒng)(L—PS—2), 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,人工智能在空間站計劃等的應(yīng)用 NASA 的先進(jìn)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,確焙ソ洌可靠性.  

(1)空間站分系統(tǒng),空間站應(yīng)用,利用空間站在空間進(jìn)行各種實驗時的監(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(jī)上卸下和移動補(bǔ)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī),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(jìn)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(jìn)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(tuán)在開發(fā)空 間站天線系統(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(jī)器人學(xué).NASA 噴氣推進(jìn)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(jī)器人.該機(jī)器人分系統(tǒng)由高級專家系統(tǒng)組成,遙控機(jī) 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(jī)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(jī)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(jī)器人的專家系統(tǒng). 日本宇宙開 發(fā)事業(yè)團(tuán)在研制空間站主從遙控機(jī)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(jī)器人語言.ESA 也著手研究機(jī)械手的故障診斷用的專家系統(tǒng).

四,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(jī)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(dá)定位——這種應(yīng)用同上述兩種應(yīng)用一樣是確保達(dá)到規(guī)定探測要求的雷 達(dá)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(dá)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(jìn)行模擬以確定吞吐量, 利用效率瓶頸和緊急情 況.此系統(tǒng)是一種工作站,它能使用戶對交替配置進(jìn)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.

五,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)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(jī)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(yùn)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(jìn)化, 最終發(fā)展為以航天員為核心的智能性很強(qiáng)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(jìn)地面人工智能理論和技術(shù)以及人類智能研究的發(fā)展.

六,總言 總之,伴隨航天事業(yè)的飛速發(fā)展和對高度機(jī)械化,自動化的要求越來越追切,人工智 能技術(shù)將是解決這些問題的關(guān)鍵, 因此迅速研究人工智能并使其廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域已是刻 不容緩

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