(精品論文)人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用 論文

人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用摘要：本文對(duì)人工智能技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的一些應(yīng)用進(jìn)行了簡要介紹，并對(duì)人工智能技術(shù)在未來航空航天中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：航空航天；人工智能；自動(dòng)化；專家系統(tǒng)一、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(jì)劃，規(guī)模相當(dāng)龐大，技術(shù)也非常復(fù)雜、多樣，對(duì)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(dòng)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(shí)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(jì)劃與法國發(fā)起的尤里卡計(jì)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(dòng)，用于故障分析及衛(wèi)星、空間平臺(tái)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(duì)人工智能系統(tǒng)需求量最大 。下面分幾個(gè)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。二、人工智能在無人飛行器上的應(yīng)用 1.自動(dòng)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(jià)，人們?cè)谛l(wèi)星上大 量地采用了自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)。早在1967年美國發(fā)射的勘測者3號(hào)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(hào)和17號(hào)兩個(gè)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(hào)火星著陸飛船（一種先進(jìn)的空間機(jī)器人），通過搭載計(jì)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(shí)現(xiàn)了長達(dá)58個(gè)火星日（每個(gè)火星日相當(dāng)于24小時(shí)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(jì)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(jì)了具備由140個(gè)規(guī)則組成的知識(shí)庫、可生成對(duì)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(jì)劃所需時(shí)間( 比手動(dòng)操作速度大10-50倍)，減少了差錯(cuò)，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(duì)策的專家系統(tǒng)。它由250個(gè)規(guī)則構(gòu)成， 可以單一和多窗口形式對(duì)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(yàn)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(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、省力化，可縮短試驗(yàn)時(shí)間，做到高速聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)處理同時(shí)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(duì)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(duì)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)(LPS2)，采用知識(shí)庫的自動(dòng)檢測裝置(KATE)；發(fā)射及著陸時(shí)的飛行控制(NAVEX)；推理決策用的信息管理系統(tǒng)等。四、人工智能在空間站計(jì)劃等的應(yīng)用 NASA的先進(jìn)技術(shù)咨詢委員會(huì)認(rèn)為空間站中有三個(gè)方面必須采用人工智能技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，確?？煽啃浴?(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(shí)驗(yàn)時(shí)的監(jiān)控、故障診斷、艙外活動(dòng)、交會(huì)對(duì)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(dòng)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(huì)還確定了適用于空間站初始階段和發(fā)展階段的自動(dòng)化和仿真機(jī)器人學(xué)的目標(biāo)，事實(shí)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(tái)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(jì)算機(jī)上，與這一系統(tǒng)有關(guān)的知識(shí)庫和診斷規(guī)則，以及與程序有關(guān)的知識(shí)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(píng)價(jià)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(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jí)專家系統(tǒng)組成，遙控機(jī)器人則是一個(gè)能協(xié)調(diào)動(dòng)作的復(fù)臺(tái)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(dòng)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)。五、其他一些航空和航天應(yīng)用 簡單地?cái)⑹鲆幌聨追N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(duì)各種嵌套式計(jì)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(gè)數(shù)的約束。當(dāng)作業(yè)是搜索問題時(shí)，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(dòng)分配時(shí)間的計(jì)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(gè)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(shí)候安排下一次任務(wù)A？任務(wù)B具有什么樣的優(yōu)先級(jí)而不得不保證安排在最近的7天之內(nèi)?時(shí)間分配計(jì)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(duì)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(duì)交替配置進(jìn)行試驗(yàn)，并且還能評(píng)價(jià)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(tái)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。六、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(huì)出現(xiàn)具有管理功能的AI子系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)對(duì)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(gè)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(hào)和遙測信號(hào)。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(gè)嶄新的局面，還必然會(huì)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。七、總言 總之，伴隨航天事業(yè)的飛速發(fā)展和對(duì)高度機(jī)械化、自動(dòng)化的要求越來越追切，人