近日，中國人工智能學(xué)會(huì )公布2024年度吳文俊人工智能科學(xué)技術(shù)獎獲獎名單，由天津大學(xué)機器學(xué)習與數據挖掘團隊牽頭，一飛智控（天津）科技有限公司、天地偉業(yè)技術(shù)有限公司等單位參與的“低空智能感知關(guān)鍵技術(shù)與應用”項目榮獲科技進(jìn)步獎一等獎。這一成果標志著(zhù)我國在低空智能感知領(lǐng)域取得了重要突破，為低空經(jīng)濟的發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支撐。
應用面臨諸多挑戰
近年來(lái)，無(wú)人機在重大突發(fā)事件中展現出不可替代的價(jià)值。然而，無(wú)人機應用的核心技術(shù)――低空智能感知，卻面臨諸多挑戰。
“低空智能感知技術(shù)的突破，對于我國低空經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要?！碧旖虼髮W(xué)教授胡清華在接受采訪(fǎng)時(shí)表示，目前低空智能感知技術(shù)存在三大技術(shù)瓶頸：看不清、看不準、看不全。
胡清華解釋說(shuō)，雨雪霧霾等天氣顯著(zhù)降低環(huán)境能見(jiàn)度，導致無(wú)人機圖像識別精度急劇下降，“看不清”目標?，F有方法難以對復雜介質(zhì)的噪聲特性進(jìn)行精確建模，也缺乏跨模態(tài)動(dòng)態(tài)學(xué)習機制，無(wú)法有效恢復退化圖像中的關(guān)鍵特征信息。
此外，無(wú)人機高速飛行疊加地面動(dòng)態(tài)目標運動(dòng)會(huì )導致成像模糊?，F有方法受限于剛體運動(dòng)假設，難以準確消除高速成像與運動(dòng)偽影產(chǎn)生的模糊和錯位，這就導致無(wú)人機“看不準”。
與此同時(shí)，無(wú)人機還存在“看不全”的問(wèn)題。單機視角受限使得全局空間信息缺失，現有方法依賴(lài)投影幾何約束方法，導致三維空間信息不完整，在遮擋邊界處難以準確判定拓撲關(guān)系，無(wú)法有效處理復雜的遮擋場(chǎng)景。
“這些難題嚴重制約了無(wú)人機在巡檢安防、水情監測、應急搜救等國家重點(diǎn)領(lǐng)域的應用。突破這些挑戰可顯著(zhù)促進(jìn)我國低空感知技術(shù)進(jìn)步，支撐低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁向新臺階?！焙迦A認為，解決低空智能感知難題迫在眉睫。
核心技術(shù)“破冰”
針對低空智能感知的三大難題，天津大學(xué)團隊提出了三項核心技術(shù)創(chuàng )新：低空復雜環(huán)境全天候感知技術(shù)、低空感知基礎模型自主進(jìn)化技術(shù)和多機跨視角協(xié)同感知技術(shù)。
“在全天候感知技術(shù)方面，隨著(zhù)低空經(jīng)濟的發(fā)展，無(wú)人機在惡劣天氣和復雜光照條件下的感知短板越來(lái)越明顯。傳統感知模型通過(guò)靜態(tài)參數處理多模態(tài)信息，難以應對大霧、沙塵和低光照等復雜場(chǎng)景?！碧旖虼髮W(xué)教授朱鵬飛解釋道，“我們首創(chuàng )了‘退化―復原雙向耦合’理論框架，解決了多因素交織影響的理論難題；構建了‘感知―解算―決策’動(dòng)態(tài)閉環(huán)系統，讓感知系統能自適應環(huán)境變化；研發(fā)了場(chǎng)景驅動(dòng)的多源傳感動(dòng)態(tài)融合引擎，突破傳統權重分配的局限?！?
這些創(chuàng )新讓無(wú)人機在惡劣天氣下的目標追蹤精度提升了6.3個(gè)百分點(diǎn)，低光照場(chǎng)景的目標檢測性能提升了13.2%。
在低空感知基礎模型自主進(jìn)化技術(shù)上，朱鵬飛介紹：“數據是人工智能學(xué)習的基礎，但低空感知領(lǐng)域的原始數據標注精度低、清洗成本高，且無(wú)人機高速飛行疊加地面動(dòng)態(tài)目標運動(dòng)帶來(lái)的成像模糊問(wèn)題，進(jìn)一步加劇了數據的標注與清洗難度，導致傳統模型難以學(xué)習到有效信息?！?
為此，科研團隊構建了全球最大的低空視覺(jué)感知開(kāi)放數據平臺――VisDrone，并以此為數據基礎，依托天津市人工智能計算中心強大的�N騰算力底座打造了低空感知基礎模型。通過(guò)引入不確定性感知建模，系統能自主評估數據質(zhì)量，并不斷優(yōu)化模型的感知能力。團隊還建立了“人在回路”的反饋機制，推動(dòng)數據標注和模型進(jìn)化的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)，極大提升了系統的適應性和精準度。
談到多機跨視角協(xié)同感知技術(shù)，朱鵬飛說(shuō)：“這項技術(shù)的難點(diǎn)在于無(wú)人機集群在復雜三維空間作業(yè)時(shí)，單機視角有限，容易產(chǎn)生視野盲區，多源數據在跨視角匹配時(shí)也容易出現錯位和偏差?！?
科研團隊通過(guò)創(chuàng )新研發(fā)了基于跨視角信息自適應交互匹配的協(xié)同感知框架，通過(guò)動(dòng)態(tài)交互匹配模板和智能搜索區域生成機制，實(shí)現了多機單目標的協(xié)同跟蹤。同時(shí)，采用局部―全局的多粒度匹配策略，提升了多機多目標的感知能力。在單目標跟蹤中，多機協(xié)同將成功率提升了15.6%。在多目標場(chǎng)景下，30架無(wú)人機成功對3臺高速機動(dòng)車(chē)輛實(shí)現精準捕捉。
已在多個(gè)領(lǐng)域投用
天津大學(xué)團隊的低空智能感知關(guān)鍵技術(shù)，已在諸多領(lǐng)域結出累累碩果。
“這項技術(shù)的突破，為多個(gè)行業(yè)帶來(lái)革命性變革?！币伙w智控（天津）科技有限公司總經(jīng)理張云例數了技術(shù)創(chuàng )新帶來(lái)的應用升級，“在公共安全領(lǐng)域，全天候感知技術(shù)與多機協(xié)同技術(shù)結合，可顯著(zhù)提升災害救援、邊境巡查等場(chǎng)景的響應能力。如森林火災中，無(wú)人機群能穿透煙霧實(shí)時(shí)定位火源，并通過(guò)自主進(jìn)化模型動(dòng)態(tài)調整監測策略，有望大幅縮短應急響應時(shí)間。在城市管理中，該系統能精準識別違規建筑、交通事故等異常情況，助力提升城市治理效率?！?
張云介紹：“在工業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)體系重塑了傳統作業(yè)模式。風(fēng)電運維借助全天候感知技術(shù)，可有效提升風(fēng)機故障預判準確率。在農業(yè)植保中，該技術(shù)能進(jìn)一步提升植被施藥精準度，助力綠色農業(yè)發(fā)展?！?
“在應急防汛中，即便是惡劣天氣下，應用了全天候感知技術(shù)的無(wú)人機也能穩定作業(yè)，迅速抵達指定區域，為防汛工作提供現場(chǎng)數據?！碧斓貍I(yè)技術(shù)有限公司研究院院長(cháng)于宏志分享該技術(shù)在應急防汛方面的重要作用，“自主進(jìn)化技術(shù)使系統適應性增強、智能化提升，能更好地識別和分析防汛現場(chǎng)狀況。多機跨視角協(xié)同感知技術(shù)實(shí)現全方位監測與數據融合，提高監測精度和效率，保障人員安全?！?
從經(jīng)濟效益看，該技術(shù)已形成單機智能與集群協(xié)同兩大產(chǎn)品群，累計銷(xiāo)售33.4萬(wàn)臺套，近三年新增收入約28.2637億元。隨著(zhù)人工智能、5G通信等技術(shù)持續進(jìn)步，低空智能感知技術(shù)有望在智慧城市、環(huán)境保護、交通管理、農業(yè)監測等領(lǐng)域開(kāi)拓更廣闊應用空間，為社會(huì )安全與民生保障提供堅實(shí)技術(shù)支撐。
