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大数据时代的无人化场景管理
来源:皮书说  作者:皮书说   发布时间:2022-03-30

  信号以“1”和“0”这种形式来传递就是数字化。而在数时代所有信息的存在方式都在越来越趋向于这种数字化。人类已经进入数时代。在数时代,数字信息技术得到广泛应用,并促使社会不断发展。它不但悄然改变着生产与生活的方式,也在改变着人类文化与行为模式。

  大数据、人工智能与无人化是在数时代被经常提及的3个概念。可以简单地认为大数据是一种初步的人工智能,而无人化是一种社会发展结果。现阶段人们重点研究的是大数据下的无人化,未来会重点研究人工智能下的无人化。本文将管中窥豹,探讨大数据时代的无人化场景管理。

  数业经济时代与无人化时代同步到来

  (一)数业经济催生了无人化

  人类并没有当“造物主”的执念,技术与社会经济的发展是水到渠成的。一方面,在数业经济时代,现有的条件已经基本成熟,人类可以以AI等技术创造出基础的载体;另一方面,在相当长的一段时期内,基础物理学并没有大的飞跃,人类社会已经开始一定程度的内卷。目前,无人化与机器人的应用是减轻人类劳动强度的可行方案。数业经济的发展催生了无人化的应用需求。

  (二)无人化拓展了数业经济

  现在关于数业经济的设想还是基于对社会经济当前状态形成的理解。但用历史的发展眼光来看,人类未来或许走的是一条“人类使用机器人—人类与机器人合作—人类与机器人一起达到能量形态”的道路。未来经济社会的发展方向将是未知的,人们只能一步步摸着石头过河。但从当前无人值守设备与无人机等在全社会的应用趋势来看,无人化确实能大大拓展现有数业经济的外延。

  这是一个数业经济与无人化同步到来的时代,全新的时代有新的挑战。很多人的社交网络也随之发生变化,之前他们只需要应对人类社会单一的圈子,现在还需要应对机器人的圈子。两个圈子会在科学、技术、社会、伦理的不同维度发生激烈的碰撞。目前,人们还无法预判这种碰撞产生的结果或影响,或许只能依靠科学幻想来窥探这种碰撞产生的结果或影响。

  幸运的是,人类与机器人协同工作才刚刚起步,人类正处于无人化变革的初级阶段,因此可以有更大的可能与空间尝试通过系统化管理规则来规范与约束无人化场景。只要做好合理的发展规划,制定相对科学的管理模式与方案,人类社会的无人化场景就会稳步前进与发展。

  无人化技术的兴起与基本应用

  (一)无人化技术的兴起

  具体来讲,什么是无人化技术呢?可以拿自然界演化生命的例子来比喻。自然界最早孕育出的是单细胞生物,单细胞生物再进化出几大分支,最重要的分支就是各种植物与动物。人类今天也在创造着科技生命体。最早的芯片就像人类创造的“单细胞生物”。随着时间的推移演化出两大分支:一支是各种无人值守设备,如各种智能门禁设备、工业机器人、无人仓库、无人武器站等,类似于植物;另外一支是各种自动化载具,如无人机、无人车、无人船、机器狗、人形机器人等,类似于动物。

  无人值守设备需要依靠计算机、人机界面(如触屏与摄像头)、通信等技术。在这些技术中,通信是最重要的底层技术,在无线网络通信技术得到应用后,无人值守设备才大规模发展起来。

  自动化载具需要依靠姿态控制、位置导航、运动机构、动力、通信等技术。其中,位置导航与姿态控制是最重要的核心技术,在自动驾驶仪、卫星导航等技术得到应用后,自动化载具才大规模发展起来。

  (二)无人机的兴起

  在各种无人化技术中,最为人所熟知且应用最广泛的是无人机,它作为无人化世界的先锋已渗透到人类社会的方方面面。

  无人机、无人车、无人船等自动化载具,一方面要有灵活的“身体”,另一方面更要有好用的“大脑”。地上跑的无人车虽然车身简单,但它执行道路驾驶、停车、紧急避让等命令,因此需要复杂“智力”来实现中枢管控。综合来说,研制实用的陆上机器人最难,需要制造机器“大脑”。而无人机在实践中只需要完成点对点的飞行任务,功能相对简单,研发难度也小得多。因此在人工智能技术还没有取得关键性突破的今天,最先出现在人们生活中的必然是满天飞舞、大小不一的无人机。

  无人机的诞生可以追溯到1914年。第一次世界大战期间,英国的卡德尔和皮切尔两位将军向英国军事航空学会提出了一项建议:研制一种不用人驾驶,而用无线电操纵的小型飞机。到了20世纪30年代,英国政府终于决定研制这种无人机,用于校验战列舰上的火炮对目标的攻击效果。1933年1月,由“费雷尔”水上飞机改装成的“费雷尔·昆士”无人机最终试飞成功。二战中,德国人研制出了更加实用的“V-2”巡航导弹(功能上可以看作一种无人机)。那时,人类研制出用于姿态控制的机械陀螺,这意味着无人机真正诞生。

  20世纪60年代,前往苏联侦察导弹基地的美国“U-2”侦察飞机被击落且飞行员被俘,这使美国的处境艰难。

  美国军方在改用间谍卫星从事相关活动后仍无法获得有人侦察机的侦查效果,由此引发了采用无人机进行侦察的构想。美国军方研制了早期的“AQM-34火蜂”无人机和洛克希德“D-21”无人机,主要功能是照相侦察。越南战争期间,美国进一步改进了“BQM-34”无人机,增加了实时影像、电子情报、电子对抗、实时通信、散发传单、战场毁伤评估等功能。从这个时期开始,无人机逐渐成为一种重要实用军事装备。无人机能应用于军事领域的重要原因是科学家们为其打造了一个简单的“大脑”:惯性导航装置。

  随着航空技术的飞速发展,军用无人机逐渐步入鼎盛时期。时至今日,世界上研制生产的各类军用无人机已达数千种,并不时有新型号出现。各种性能不同、技术先进、用途广泛的新型无人机,如长航时无人机、无人攻击机、微型无人机等不断涌现。随着计算机技术、自动驾驶技术和遥控遥测技术的发展以及对无人机战术研究的深入,未来军用无人机不仅能用于战术和战略侦察,而且还可用于执行防空系统压制、夺取制空权等多种任务,并最终参与空中战斗。

  民用无人机的兴起比军用无人机要晚数十年。早期,军用无人机的“大脑”和“小脑”等设备太贵、太重,它们用于民用的性价比不高。真正的民用无人机是在2010年之后出现的,MEMS(微机电系统)技术与卫星导航技术的成熟与应用使民用无人机的生产获利成为可能。到2021年,十几年的快速发展让民用无人机占据了无人机领域的“大半江山”。从行业应用到个人娱乐,民用无人机应用于社会生活的各个方面。只要你有充分的想象力,在这个技术飞速进步的时代里,它的能力会一次次冲破人们的认知,直到机器人时代的全面到来。

  (三)民用无人机的基本应用

  无人机就其本身来讲只是一种智能载具,不同类别的载具搭载不同类别的任务载荷,就能执行不同类别的任务。人们对军用无人机执行的任务进行过简单的分类。所有装配摄像机、照相机用来拍敌方照片或视频的军用无人机执行的任务是态势感知任务。所有装载炸弹、导弹用来打击敌方目标的军用无人机执行的任务是载荷投送任务。民用无人机中用于航拍、测绘的无人机与执行态势感知任务的军用无人机类似,执行的也是信息探测类任务;民用无人机中用于快递、植保的无人机与执行载荷投送任务的军用无人机类似。各行各业都在积极探索并尝试无人机的场景应用。

  抢险救灾

  中国地域辽阔,各地地质呈现差异化特征。地震、泥石流、山体塌方等地质灾害存在。地质灾害应急管理机制正在尝试借助现代智能技术来实现科学化的精准治理。在灾前预警、灾时监测、灾后重建阶段,人们通过对受灾区域采取遥感动态监测、配备高清拍摄装置的无人机航拍目标区域,可及时获得一手影像资料,并且可以获取制定应急方案的数据。其中,反应迅速、起飞至降落仅数分钟的小型无人机在争分夺秒的灾后救援中发挥了巨大的作用。

  无人机具有高时效、低成本等优势。无人机的机载视觉系统可以迅速、有效、全方位地搜寻自然灾害及突发事故中的受难人员。独特的敏捷响应机制也让无人机成为空难、海难、城市灾害等紧急事件救援及预测的首选技术工具。

  农林植保

  人们利用民用无人机对大面积的农田、土地进行航拍,参照航拍的图片、视频等数据资料,可以全方位地了解农作物的生长周期及态势,确定农作物成熟收获的最佳采摘期。民用无人机对农田信息的全面监测是科技成果在农村转化的有效实践,促进了现代农业和农村数字化的发展,进一步推动了中国特色新农村建设及数字农业的大力发展。

  线路巡检

  无人机可在空中高效完成对高压输电线路电网、石油与天然气管道、高速公路与铁路线路的巡检工作,也可以用于输电线路架线工作。传统的电力巡线多采用人工方式,工作条件艰苦,效率有限且危险系数高。装配高清数码摄像机和照相机以及GPS定位系统的无人机,可沿线路进行自主巡航普查,对塔架、绝缘子等可悬停详查,实时传送拍摄影像,监控人员可在电脑上同步收看无人机传送的资料与操控无人机。无人机技术的应用开启了电力线路巡检的电子化、信息化、智能化,在提高工作效率的同时,也提升了应急抢险水平和供电可靠率。在山洪、地震等突发自然灾害的紧急抢险过程中,无人机可以最大限度地排除路面状况的影响,对线路的潜在危险,诸如塔基陷落等问题进行勘测与紧急排查,既免去人们攀爬杆塔的危险,又能勘测到人眼无法企及的视觉死角,对快速恢复供电贡献巨大。

  影视航拍

  在节目拍摄过程中,无人机配备高清摄像机,在遥控操纵下从空中拍摄目标,可实现5公里范围内的高清、10公里范围内的标清等不同制式的实时传输。无人机具有灵活多样的飞行路径,可完成追车、升起和拉低、左右旋转等拍摄特技,大幅缩减拍摄成本。目前的电视、电影等多媒体中,超过半数的空中镜头均由无人机拍摄。

  快递物流

  无人化物流时代即将到来。当前有一部分特殊尺寸的货物配送是由无人机完成的,公司只需将收件人的GPS地址录入系统,无人机即可起飞前往目的地。美国的亚马逊公司、中国的顺丰速运都已开始测试这项业务。亚马逊公司在2013年底推出了Prime Air无人机物流计划,这款八旋翼无人机,能够运输一件5磅重的快件,以50Km/h的速度飞行,而这种快件重量基本覆盖了亚马逊公司86%的产品。亚马逊公司目前已经正式向FAA(美国联邦航空管理局)申请更大范围的室外飞行测试。此外,谷歌公司、UPS等也在2012~2013年开始测试无人机送货业务。无人机送货每单的成本不到0.5元,明显低于目前的人工物流成本,因此从经济成本来看,无人机送货的效益更高。

  地理测绘

  尽管多年之前,地理测绘领域一直是有人机独当一面,但随着无人机飞控的成熟以及飞行平台性能的提升,在中小范围的测绘作业中,无人机大有取代有人机之势。

  利用无人机超低空飞行方式对地面拍摄影像,再利用摄影测量学的原理及立体测图仪,配合相关测绘软件,可为测绘人员提供可靠的高精度数据来源。通过无人机航拍所获取的竖直摄影影像、交向摄影影像、倾斜影像以及复杂航线多基线摄影影像,自动构建空中三角测量网,配合低空遥感的高分辨率影像,可实现高精度航测定位以及自动化生产数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)等产品。

  测绘无人机起降方便,操作简单,运输便利,响应快,空域申请相对便利,对起降场地几乎没有要求。它可迅速到达作业区附近设站,人们每天可获取数十至数百平方公里的航测结果。

  水利事业

  洪涝灾害、干旱缺水、水环境污染三大水资源问题已经严重制约国民经济和社会发展。在行使流域规划、水利项目、水资源管理、水污染控制、防汛抗旱调度、流域治理及开发、水土保持生态建设等管理职能时,人们既需要卫星和有人机遥感手段进行大面积宏观监测,又需要无人机作为快速小范围高精度监测手段。在水利资源调查、水域覆盖面积调查、水利巡查成图、水库蓄水水位监测、上下游河流的水文情况监测、水利资源工程动态监测、非法排污、水面清洁监测、重要水利设备设施安全监测、水库坝区的周边环境监测等工作上,无人机监测可为流域水土保持、水调度指挥、水质评价、防洪监测等提供决策支持。

  野生动物保护

  在野生动物监测领域,无论是昼间还是夜间,无论高山还是峭壁,无人机都能翻山越岭,在不惊扰野生动物的情况下轻松实现高密度拍摄,具有突出优势。除了可以获取从空中俯视地面或山崖的各个角度的画面外,无人机还可以利用机载红外热成像摄像仪进行监测,将动物体温热点显示在地面站的数字地图上,对观测原始森林内的野生动物(如大熊猫、熊、虎等)非常适用。我国保护区动物面对的威胁主要有盗伐、挖药、放牧、盗猎、开矿,新出现的干扰有旅游、垃圾、探测油气等。针对这些威胁和干扰,无人机在取证调查、预警震慑、协同跟踪等方面都能收到很好的效果。

  国土资源的普查和监控

  全国土地资源信息是制定国民经济发展规划和宏观决策的重要依据,也是国家可持续发展的需要。在开展国土资源调查与土地利用的监测中,无人机可及时反映各种国土资源的具体情况,增强资源开发、环境保护的预见性。

  无人机广泛应用于建筑密度分布规律研究、在建工地调查、中心城市简房漏棚调查、施工占路情况、露天停车场调查、垃圾堆场空间分布、改造工程论证、建厂规划等,还可应用于土地利用现状巡查、土地变更调查、土地类型划分、土地执法、交通旅游资源调查、绘制城市绿化分布图、烟尘污染分布图、城市公共安全监测等。

  地质勘查

  无人机搭载探地雷达、合成孔径雷达后可用于探矿、埋藏物体定位、路基检测、断裂带研究、河及湖底形态、土壤和聚集物成像、地下水研究、地下管线测量等,也可以用于观测矿产资源开发引发的灾害情况,包括地面沉陷范围、地裂缝长度、塌陷坑位置、山体陷裂范围、崩塌位置、滑坡位置、泥石流位置、河道淤塞长度及煤田自燃范围等。无人机低空遥感配合地面管理软件亦可为矿产资源开发整体状况提供决策支持。无人机的高清成像设备在空中对地面进行多角度、多时段的拍摄;根据地质、地貌、植被、霜雪等地表特征信息,无人机还可用于推测地面或地下遗址的特性。

  科学研究

  无人机在实际应用场景中具有鲜明的多学科技术融合的特点,未来可作为一个优秀的交叉学科科研实验对象,为AI技术、自动控制技术、先进传感技术等诸多领域的融合研究提供便利,也为多无人机集群战术、多机多目标任务分配等算法研究提供验证对象。

  无人化设备现阶段的技术程度

  1. 无人值守设备的技术程度

  无人值守设备在机器人生态圈中类似“植物”,此类设备具有人机界面,其终端机箱内部的计算机板卡几乎不具备智能功能,智能化主要依赖终端联网的服务器的数据分析与判断。目前,各种无人值守设备只有靠着和服务器的连接才能实现初步的智能。

  2. 自动化载具的技术程度

  自动化载具类似于机器人生态圈里的“动物”,此类设备具有智能化的控制系统,具备姿态稳定、基本导航、控制能量供应与信号稳定等自适应协调功能。但现有的自动化载具,特别是实用的智能载具,依然没达到自主操控的智能化程度。

  拿无人机来讲,无人机发展了几十年,到目前为止,多数的无人机还没有组网连接到一个统一的服务器里。每个无人机还需要一名到数名驾驶员,由这些驾驶员通过点对点链路进行实际操作。多数无人机还是一个个行走的躯壳,智力基本靠驾驶员提供。

  可喜的是,近年来的无人机发展越来越有网络化的趋势。政策方面,标准化、统筹与监管的需求催生了网络化的需求;技术方面,5G网络、自组网链路、无人机集群技术为无人机的网络化提供了软、硬件保障。不久的将来,智能载具的智能可能出现一次小的飞跃。

  虽然从理论上来说人们可以为单个智能载具提供足够的智能,但考虑到智能核心硬件的制造成本,以及实用性、效费比等因素,具有初级智力的基础机器更适应人类当今社会的需要。

  无人化场景管理的探索与已有案例

  作为在数业时代发展最快的国家,我国已经开始从多层面探索无人化场景管理,并且在民用航空、地理信息、能源电力等领域取得了一定成效。下面以民用无人机管理为案例,介绍这类实践。

  政策法规层面

  筹建组织

  从2013年开始,相关部委尝试采用类似有人机的方式对无人机的飞行器及驾驶人员进行引导与管理,目前我国已成立以民航总局为核心单位的管理机构。

  明确类型

  把无人机分为固定翼、直升机、多旋翼、飞艇、垂直起降固定翼5种;对无人机进行级别划分:以1.5、7、25、150、5700公斤为界限,把无人机分为9个级别;暂不对无人机进行型别划分。

  制定国内标准与法规

  从2008年我国开始逐步摸索制定国内无人机相应标准与规范。从2015年开始逐步制定民用无人机相应法律和法规。相关法律、法规包括中国民用航空规章第91部运行规范(CCAR-91部)、民用无人机空中交通管理办法2016 R1(MD-TM-2016-004)、民用无人机驾驶员管理规定2016 R1(AC-61-FS-2016-20R1)、轻小无人机运行规定2015(AC-91-FS-2015-31)、民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定2017(AP-45-AA-2017-03)等。

  积极参与国际法规工作

  作为最大的民用无人机生产及使用国,我国近年来积极参与相关国际组织制定相关的行业标准和规范。如参与国际民航组织的为无人机及其相关系统制定标准和建议措施(SARPs)、空中航行服务程序(PANS)和指导材料等一系列国际化标准的制定工作。

  信息流层面

  我国以“从监管逐步向服务发展,从服务飞行逐步向服务全产业链发展”为理念,已经初步构建了从服务器端到节点端的信息流生态。

  民航部门

  我国民航部门已经能够基本监督低空飞行器的整体飞行情况;已制定监视的系统数据交换标准;已制定并推广监管规范及流程。

  平台管理单位

  我国平台管理单位已经能够提供飞行在线备案、综合态势监视服务;初步实现云存储管理、监视数据服务、应用云服务;初步积累基础数据,并完成基础设施建设;初步实现平台运营管理并盈利。

  企业及个人

  企业和个人已经能够下载相应客户端软件及应用程序,实现飞行器及驾驶员注册、飞行备案,已经能够经授权使用飞行器态势监视等初级数据应用。

  人的层面

  授权行业组织

  2013年起,中国民用航空总局授权中国航空器拥有者及驾驶员协会(简称中国AOPA)无人机管理办公室负责民用无人机培训机构的审定及驾驶员考核等工作。

  训练机构

  根据《民用无人机驾驶员训练机构合格审定规则》,截至2020年12月,共511家无人机驾驶员训练机构经中国AOPA审定合格取得过培训资质。

  考试中心

  目前全国共有33个无人机驾驶员考试中心,考试中心免费为临近的训练机构学员提供理论与实践考试场地。

  无人机驾驶员

  截至2020年12月,民用无人机驾驶员证照总数为88944。持证人主要分布在各民用无人机生产研发企业、相关应用单位以及院校等。

  大数据统计

  在民用无人机训练机构中,无人机相关企业占比76%,生产制造商占7%,其他企业占7%,院校占6%,科研单位占比4%。

  88%的训练机构开展了无人机应用作业,75%的训练机构开展了无人机解决方案业务,63%的训练机构有无人机代理销售业务,54%的训练机构开展了青少年无人机科普教育,46%的训练机构负责无人机设计或制造,部分训练机构开展通用航空、无人机云系统服务、校企合作等业务。

  大部分民用无人机训练机构学员的毕业去向:15%的学员就业于航空拍摄领域;14%的学员进入电力巡线行业;12%的学员就业于地理信息测绘行业;12%的学员在农林植保行业使用无人机;7%的学员从事消防工作;7%的学员从事警用装备相关工作;7%的学员从事无人机培训工作;5%的学员从事应急救援工作;1%的学员从事物流相关工作;5%的学员就业于其他领域。

  无人化场景管理的中国模式与愿景

  人类世界与机器人世界已经开始积极、激烈地融合与碰撞,如何在这个数时代跟上并引领世界潮流,是值得深入探讨的问题。当前,我国正处于中华民族伟大复兴与百年未有之大变局这两个时间点上,推进数字信息技术发展,做大、做强数字产业,培育壮大数字经济,关系到“十四五”时期以及未来经济社会的发展全局。

  这是一个全新的时代,我国在人工智能与无人化领域的发展以步入“无人区”,没有现存的成熟模式可以借鉴与参考。通向幸福的道路不尽相同,我国要为未来的无人化发展规划与探索出一种中国的模式。

  大数据时代无人化场景管理的中国模式应该有以下四个特点。

  以人为本

  要做到人与器具在生产力、就业等领域的协调发展。资本主义讲自由,社会主义讲平等。要把握好无人化的进度与节奏,不只让它与生产力水平协调发展,还要使其与人民的生活水平协调发展。不要一味追求速度,要发扬中国人一步一个脚印踏踏实实的作风,道阻且长,行则将至。

  创新与规模并重

  创新是发展的根本,规模是发展的保障。要发挥万众创新的精神,创新才是增长点。同时要发挥全产业链的优势,调动广大企业、科技人员参与无人化产业的发展,形成拳头产品,规模化降低成本,使无人化设备真正能为大众服务。

  和而不同

  要鼓励全社会的合作以及与国际的合作,在紧抓核心技术、核心数据的前提下,兼容并包,在开放包容中共同发展。开放创造机遇、包容成就多元,力求实现共赢、多赢。

  可持续性发展

  要注重技术与社会应用的深度契合,不搞面子工程,研发真正好用的无人化技术;要注重技术与资源环境的和谐,把无人化技术发展放到“碳达峰”和“碳中和”的大计划框架中;要注重长远目标而非眼前利益,在更广的时空维度中思考民族复兴和人类进步的深刻命题。

  本文摘自《管理蓝皮书:中国管理发展报告(2021)》——《大数据时代的无人化场景管理》作者:向锦武 孙毅。有删选。

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