智能感知技術(shù)是指將物理世界的信號(hào)通過攝像頭、麥克風(fēng)或者其他傳感器的硬件設(shè)備，借助語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別等前沿技術(shù)，映射到數(shù)字世界，再將這些數(shù)字信息進(jìn)一步提升至可認(rèn)知的層次......? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? 作者：吳玉厚、陳關(guān)龍、張珂、趙德宏、鞏亞東、劉春時(shí)。由清華大

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智能感知技術(shù)的定義

智能感知技術(shù)是指將物理世界的信號(hào)通過攝像頭、麥克風(fēng)或者其他傳感器的硬件設(shè)備，借助語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別等前沿技術(shù)，映射到數(shù)字世界，再將這些數(shù)字信息進(jìn)一步提升至可認(rèn)知的層次，如圖1，比如記憶、理解、規(guī)劃、決策等。

智能感知中的智能指的是事物在網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù)的支持下，所具有的智慧能動(dòng)地滿足人類各種需求的屬性。比如無(wú)人駕駛汽車，它將傳感器物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)融為一體，達(dá)到減輕或一定程度上取締人們手動(dòng)的操縱車輛的目的，從而能動(dòng)地滿足人的出行需求。而在媒體行業(yè)中，相對(duì)傳統(tǒng)媒體，智能化是建立在數(shù)據(jù)化的基礎(chǔ)上的媒體功能的全面升華。它意味著新媒體能通過智能技術(shù)的應(yīng)用，逐步具備類似于人類的感知能力、記憶和思維能力、學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力和行為決策能力，在各種場(chǎng)景中，以人類的需求為中心，能動(dòng)地感知外界事物，按照與人類思維模式相近的方式和給定的知識(shí)與規(guī)則，通過數(shù)據(jù)的處理和反饋，對(duì)隨機(jī)性的外部環(huán)境做出決策并付諸行動(dòng)。

智能感知由應(yīng)用層、感知層與信息層三個(gè)層次組成[2]，如圖2所示。

圖2人工智能與信息感知框架

其中，應(yīng)用層面向?qū)嶋H應(yīng)用對(duì)象，涵蓋了安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能制造、智慧城市等被測(cè)的物理環(huán)境對(duì)象；感知層基于傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)對(duì)應(yīng)用層的物理環(huán)境對(duì)象進(jìn)行信息的感知，信息感知涵蓋了數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)理論，采用了協(xié)作感知、自適應(yīng)融合、統(tǒng)計(jì)與估計(jì)、特征推理的理論和方法；信息層基于信息感知的數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、進(jìn)化計(jì)算、粒群智能、模糊邏輯、支持向量機(jī)等人工智能的理論和方法，實(shí)現(xiàn)了智能感知。

02

智能感知技術(shù)與人工智能的關(guān)系

人工智能主要分為三個(gè)階段[3]：第一階段為運(yùn)算智能，即計(jì)算機(jī)能夠快速運(yùn)算和記憶存儲(chǔ)的功能；第二階段為智能感知，即計(jì)算機(jī)具有通過各種傳感器來獲取物理世界的信息的能力；第三階段為認(rèn)知智能，即計(jì)算機(jī)具有了像人一樣理解、分析、推理等能力。當(dāng)前社會(huì)正處于智能感知快速發(fā)展的階段，并朝著認(rèn)知智能的終極目標(biāo)進(jìn)軍。

智能感知是人工智能與現(xiàn)實(shí)世界交互的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，是人工智能服務(wù)于工業(yè)社會(huì)的重要橋梁，它對(duì)于信息進(jìn)行智能化的感知及測(cè)量，將有助于人工智能對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別、判斷、預(yù)測(cè)和決策，對(duì)不確定信息進(jìn)行整理挖掘，實(shí)現(xiàn)高效的信息感知，使得物理系統(tǒng)更加智能，智能感知涉及諸多工程領(lǐng)域，如海洋船舶、航空航天、土木建筑、生物化學(xué)等，這些領(lǐng)域都離不開對(duì)于信息的智能感知和處理。

人工智能包括信息感知和計(jì)算智能兩個(gè)重要組成部分[4]。信息感知是實(shí)現(xiàn)人工智能的基礎(chǔ)，計(jì)算智能是實(shí)現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵。

信息感知利用傳感系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的變化進(jìn)行測(cè)量，是信息處理的首要環(huán)節(jié)，智能感知技術(shù)具有“感、知、聯(lián)”一體化的功能，涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與信息處理等過程，涵蓋信息采集、過濾、壓縮、融合等環(huán)節(jié)。其中，信息采集是獲取所需事物的測(cè)量信息，必須要確保信息的準(zhǔn)確性；信息過濾是對(duì)所采集的信息進(jìn)行有效的特征提?。恍畔嚎s是對(duì)冗余數(shù)據(jù)的去除；信息融合是指對(duì)傳感器感知的信息進(jìn)行融合處理、識(shí)別或判別。

計(jì)算智能由貝茲德克于1922年提出的，他認(rèn)為計(jì)算智能取決于制造者提供的數(shù)值數(shù)據(jù)，不依賴于知識(shí)。要實(shí)現(xiàn)智能感知，就必須完成信息的感知與數(shù)據(jù)的融合。由此可知，智能感知是面向感知信息，并基于先驗(yàn)知識(shí)模型進(jìn)行融合處理的過程。傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息通過感知處理，得到測(cè)量對(duì)象的狀態(tài)信息。感知系統(tǒng)綜合來源于各類傳感系統(tǒng)和計(jì)算云等的數(shù)據(jù)，分析、提取、感知數(shù)據(jù)源的有效信息。采用感知測(cè)量網(wǎng)絡(luò)協(xié)作獲取的多傳感器系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)通過計(jì)算智能的方法，提取有效的特征信息，從而提高系統(tǒng)的感知能力。

智能感知與人工智能已成為當(dāng)今世界高度關(guān)注的熱門領(lǐng)域，如何將兩者進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[5]。

03

智能感知技術(shù)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

1）智能感知技術(shù)特點(diǎn)

（1）要能夠更加準(zhǔn)確地獲得被測(cè)對(duì)象或環(huán)境的信息，而且比任何單一傳感器所獲得信息具有更高的精度與準(zhǔn)確性。

（2）能通過各個(gè)傳感器性能的互補(bǔ)，獲得單一傳感器所不能獲得的獨(dú)立的特征信息。

（3）和傳統(tǒng)的單一的傳感器系統(tǒng)相比，能夠以更少的時(shí)間、更小的代價(jià)獲得同樣的信息。

（4）能根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，通過對(duì)多傳感器信息的融合處理，完成分類、判決、決策等任務(wù)。

2）智能感知關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能感知器。感知傳感器是智能感知技術(shù)的核心之一，根據(jù)所完成任務(wù)的不同，一般可分為內(nèi)部感知器和外部感知器。在應(yīng)用中都應(yīng)該具有以下性質(zhì)：

①測(cè)量范圍。傳感器應(yīng)能對(duì)所測(cè)信息的輸入信號(hào)的最大值最小值都有顯像。

②靈敏度。一般來說，在任何應(yīng)用中的傳感器應(yīng)該具有足夠的靈敏度，這樣才可以在輸入信號(hào)作用下有正確的信息輸出。靈敏度就是輸入和輸出之間的關(guān)系，它表示輸出相對(duì)于非測(cè)量參數(shù)輸入（比如環(huán)境參數(shù)的變化）所發(fā)生的變化。當(dāng)環(huán)境參數(shù)變化時(shí)，理想的情況是傳感器的靈敏度變化為零或者很小，這樣環(huán)境變化就很容易忽略。如果環(huán)境參數(shù)的影響比較大，是不能忽略不計(jì)的，需進(jìn)一步采用補(bǔ)償?shù)姆椒ǜ倪M(jìn)。

③精確度。用來衡量傳感器的實(shí)際輸出與理想輸出的接近程度。它說明測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤程度。任何可能的錯(cuò)誤都會(huì)發(fā)生，這也取決于調(diào)校的方法。精確度可以用絕對(duì)值表示或者輸出滿量程的百分比表示。

④穩(wěn)定性。通常情況下，應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域的傳感器往往需要使用較長(zhǎng)時(shí)間。因此傳感器要有足夠的穩(wěn)定性。即傳感器能在一定時(shí)間內(nèi)，在相同的輸入時(shí)能夠有穩(wěn)定的輸出。對(duì)于穩(wěn)定性而言，常用術(shù)語(yǔ)“漂移”來描述輸出是隨著時(shí)間而變化的，它可用輸出滿量程的百分比來表示。

⑤重復(fù)性。重復(fù)性對(duì)于任何傳感器都非常重要，特別是用于關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)合的傳感器。它是指?jìng)鞲衅髟谥貜?fù)應(yīng)用中有相同量輸入的情況下，有著相同數(shù)量的輸出，它也被稱為“可重復(fù)性”。

⑥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)為某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域選擇傳感器時(shí)，傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性都要考慮到，如上升時(shí)間、時(shí)間參數(shù)和響應(yīng)建立時(shí)間。例如利用壓力傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)氣流速度變化的風(fēng)洞應(yīng)用中，傳感器的信號(hào)輸出必須隨著風(fēng)速變化，此時(shí)就需要快速的響應(yīng)時(shí)間，否則達(dá)不到監(jiān)測(cè)要求。但是響應(yīng)時(shí)間也不是越快越好，過快的傳感器響應(yīng)會(huì)引入未過濾和不需要的系統(tǒng)噪聲或者湍流壓力波動(dòng)等，造成對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的干擾。因此，在設(shè)計(jì)中理解傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性需求是十分重要的。

⑦能量收集。傳感器已廣泛用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）中，為保證網(wǎng)絡(luò)傳感器能量持續(xù)供應(yīng)，可采用能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器部件長(zhǎng)效供電。能量收集是利用環(huán)境中的能量進(jìn)行收集并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。目前能量收集可利用機(jī)械振動(dòng)、光能、溫度變化、電磁場(chǎng)、風(fēng)能、熱能、化學(xué)能等。其中以機(jī)械振動(dòng)和光能的應(yīng)用最為廣泛。

⑧溫度變化以及其他環(huán)境參數(shù)變化的補(bǔ)償。由于環(huán)境溫度、濕度和其他環(huán)境參數(shù)的變化，傳感器的響應(yīng)也會(huì)受到影響。為了減少外部因素而造成的影響，傳感器的信號(hào)調(diào)整部分必須要有合適的補(bǔ)償機(jī)制。

（2）多傳感器數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合是20世紀(jì)80年代誕生的信息處理技術(shù)[6]，主要解決多傳感器信息處理問題，多傳感器數(shù)據(jù)融合研究如何充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類型傳感器所提供的局部、不完整的觀察信息加以綜合，利用其互補(bǔ)性、冗余性，克服單個(gè)傳感器的不確定性和局限性，提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的有效性能，以形成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境相對(duì)完整一致的感知描述，提高測(cè)量信息的精度和可靠性，從而提高智能識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別、判斷、決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也降低其決策風(fēng)險(xiǎn)（如圖3所示）。

圖3 數(shù)據(jù)融合的過程

智能感知需要多種人工智能方法的綜合集成應(yīng)用。人工智能方法主要涵蓋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、模糊計(jì)算和進(jìn)化計(jì)算等方面，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的智能應(yīng)用。

04

智能感知技術(shù)應(yīng)用

智能感知技術(shù)要求因應(yīng)用領(lǐng)域不同，各有側(cè)重[7]。

1）在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用

在軍用領(lǐng)域，要求智能感知以及導(dǎo)航系統(tǒng)具有更強(qiáng)的自主性和可靠性。例如：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)憑借其全球性、連續(xù)性、高精度，是目前應(yīng)用最廣的導(dǎo)航系統(tǒng)，比如美國(guó)的GPS，我國(guó)的北斗。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于無(wú)線電導(dǎo)航方式，通過太空中的衛(wèi)星對(duì)地發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，載體通過接收信號(hào)并對(duì)自身進(jìn)行定位，這種導(dǎo)航方式易受到外界干擾。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)這種弱點(diǎn)容易被利用，造成嚴(yán)重后果。例如在2011年與2017年，伊朗通過干擾與模擬衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，誘捕了美國(guó)兩架無(wú)人機(jī)。所以隨著戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)抗性的增強(qiáng)，就要求智能導(dǎo)航系統(tǒng)具有更強(qiáng)的自主性與可靠性。

近年來DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）制定了多項(xiàng)衛(wèi)星導(dǎo)航阻止環(huán)境下的導(dǎo)航發(fā)展計(jì)劃（指的是由于自然或人為因素，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法使用的環(huán)境）。2014年DARPA啟動(dòng)了輕質(zhì)小型自動(dòng)化（fast lightweight autonomy，F(xiàn)LA）計(jì)劃，Udine提高了小型無(wú)人機(jī)在GPS阻止環(huán)境中執(zhí)行自主飛行任務(wù)的能力。2016年麻省理工學(xué)院完成了FLA項(xiàng)目首飛，其研發(fā)的小型旋翼飛行器達(dá)到了20m/s的飛行速度。2017年，F(xiàn)LA項(xiàng)目進(jìn)行了避障飛行測(cè)試。試驗(yàn)飛行器中搭載了慣性傳感器、激光雷達(dá)、視覺傳感器等多類傳感器，實(shí)現(xiàn)了自主避障飛行。2018年，F(xiàn)LA項(xiàng)目進(jìn)行了室內(nèi)自主感知、路徑規(guī)劃飛行測(cè)試。

2）在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

在民用領(lǐng)域[8]，隨著現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展，各類行業(yè)對(duì)智能感知也提出了許多方面的需求。特別是在環(huán)境感知方面應(yīng)用較為廣泛，又可進(jìn)一步分為：

（1）室外環(huán)境感知。室外環(huán)境感知應(yīng)用最多的兩方面是無(wú)人駕駛車輛和無(wú)人機(jī)。無(wú)人車的技術(shù)結(jié)構(gòu)主要分為環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制四個(gè)方面[9-10]。（圖4）

（2）室內(nèi)環(huán)境感知。在智能制造領(lǐng)域室內(nèi)環(huán)境感知的應(yīng)用在特種工作機(jī)器人上得到了充分體現(xiàn)。機(jī)器人環(huán)境感知技術(shù)伴隨著機(jī)器人的出現(xiàn)而產(chǎn)生。機(jī)器人的環(huán)境一般是指機(jī)器人所處的空間環(huán)境，機(jī)器人通過對(duì)環(huán)境的認(rèn)知來定位、避障和導(dǎo)航。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人環(huán)境的概念也在拓寬，除了它的運(yùn)動(dòng)空間環(huán)境，還包括其它一些自然環(huán)境因素，例如氣體環(huán)境、氣候參數(shù)等。在煤礦、化工場(chǎng)等場(chǎng)所，人類已經(jīng)在利用機(jī)器人動(dòng)態(tài)感知危險(xiǎn)氣體的濃度，或者通過氣味搜索危險(xiǎn)源。（圖5）

編輯：黃飛