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【智库专家】北航段海滨教授:让生物智能“上天”
爬上海岸的鱼 2017-06-28
导语

基于仿生智能的无人机自主飞行控制也可以通俗地理解为:一方面研究大脑,就是如何仿生,让大脑更聪明;另一方面是仿生感知,让眼睛更准确清晰。

编者按:本文由公众号科学家(ID:kexuejia2016)授权转载,作者:童璟(传播学硕士,某中央媒体科技记者),责编:宫奥博。

本期嘉宾

段海滨,1976年生,北京航空航天大学导航、制导与控制学科教授、博士生导师,飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室学术带头人,国家杰出青年科学基金获得者。曾入选 “万人计划”——中组部首批青年拔尖人才、科技部中青年创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星等,获中国青年科技奖、中国青年五四奖章、全 国优秀科技工作者、北京青年五四奖章、茅以升北京青年科技奖、吴文俊人工智能科学技术创新一等奖、中国航空学会青年科技奖、中国自动化学会首届青年科学家奖等。目前是IEEE高级会员、国际自控联(IFAC)智能自主运动体技术委员会(TC7.5)委员、中国自动化学会控制理论专业委员会委员、中国航空学会制导/导航与控制分会副主任委员兼青年工作委员会副主任委员,第十二届中华全国青年联合会常委兼科学技术界别副主任委员,第六届中国青年科技工作者协会理事。

主要从事基于仿生智能的无人机自主飞行控制研究。作为项目负责人主持国家自然科学基金重点项目、国家“863”计划、总装预研基金、空装预研、海装预研、陆航预研等课题。作为第一或通讯作者在IEEE、AIAA等国际期刊发表SCI论文60余篇。在Springer出版英文专著1部、在科学出版社出版中文2 部。授权发明专利21项、实用新型专利5项。作为第一完成人获省部级一、二等奖各2项,担任国际期刊Int J of Intelligent Computing and Cybernetics创刊主编。

在北京航空航天大学新主楼的一间狭小的办公室里,记者见到了段海滨。

这间办公室的面积不大,但小小空间显然经过了精心布局:一进门面对着明净的大窗户,窗户边是办公桌,办公桌的对面是一个两人座沙发,房间4个角摆放着4组高高耸立的铁皮柜子。在办公桌上方的天花板上悬挂着一只站在松枝上老鹰,它似乎因发现了猎物而目光炯炯,正伺机翱翔;书柜的顶上放着很多款无人机和战斗机模型,红色的雨水管道上巧立着美丽的蝴蝶、蜜蜂、七星瓢虫、蚂蚁等昆虫。

“房间里这些生物都是我们目前研究的对象。”段海滨告诉记者。

老鹰、昆虫、飞机,它们有怎样的联系?一名从事飞机自动化研究的教师为何要“不务正业”研究这些动物?它们又能给飞机自动化飞行带来哪些灵感呢?

▍执着刻苦追梦求学路

在段海滨办公室同门一侧的墙上,挂着一幅《铁骨寒梅》的国画,这是他非常喜欢的一幅画,画的主角是寒雪中怒放的朵朵梅花。 

“梅花香自苦寒来。”某种程度上,段海滨在特殊而艰辛的求学经历中所取得的进步和成绩,也离不开这几个字所言的规律。

他的求学故事颇为励志,曾有人将其概括为“从中专生逆袭成博导”。“那都是过去时了,人得一直往前看。”但在记者一再请求下说起“当年”,段海滨也承认自己“超级刻苦”。

20世纪90年代初,初中毕业的段海滨最终选择了“跳农门”,报考了西安航空工业技术专科学校机械工程系,当初填写志愿时以为当飞行员或者修理飞机。“当时我们山东只有5个人来这个学校。”段海滨回忆道,他的不少同学来自农村,大都遵从父母的安排来读中专。他很珍惜在西安航专的机会,“我觉得我能来已经很不错了,既来之,则安之。”当时学校的“分流”机制,可以让1/3的学生在两年之后有机会读大专。这让段海滨看到了继续深造的希望。

“我当时想,既然有这样的机会,我就应该要努力,更要‘笨鸟先飞’。”段海滨说。

他说那时的自己简直是“书呆子”,每天早晨四五点起床、洗漱、看书,然后跑步;到了晚上宿舍熄灯了,他又跑去楼道看书——看的不是消遣娱乐的书籍,而是专业课书籍和英语。

不惜力的付出终有回报。“我的成绩肯定不是专业第一,肯定不是学霸。”两年之后,凭着挑灯夜战的刻苦努力和优异的学习成绩,段海滨成为西安航专机械制造工艺与设备专业的大专生。

他没有因实现了“小目标”而有丝毫松懈。读大专一年级时,他顺利通过了大学英语四级考试,这使他备受鼓舞。“有人就半开玩笑跟我说,你应该去读本科,都达到本科生毕业的英语水平要求了。”之后,他一鼓作气,成为当时学校里第一个通过大学英语六级的毕业生。又有人“敲边鼓”,“你的英语水平可以研究生毕业了。”

或许在那时,读研梦想的种子就埋在了段海滨的心中。大专毕业,他从古都西安来到风光旖旎的江南名城——江苏无锡,进入中国航空动力控制系统研究所工作。对于许多人来说,研究所的工作可谓“理想”, 但是在段海滨这里,一份好工作依然扼不住心愿种子的萌发,“或许是我‘一根筋’吧,我也犹豫了许久,一开始也边工作边参加机电一体化本科的自学考试,但是读研的‘初心’一直没有放弃,最终决定考研。”

图:2011年段海滨在韩国水原大学访问

2011 年,段海滨在韩国水原大学访问。俗话说,隔行如隔山,从纯机械类跨到纯电类专业,对于没有经历系统高中教育和本科教育的他而言更是谈何容易。为了专心准备 考试,段海滨选择了破釜沉舟,从无锡来到南京,成为“南漂”一族,在南京航天航空大学“蹭课”备考。段海滨坦言,其实那段时间他有极大的精神压力,一方面,他的高中数学是“空白”,全靠自学;中专起点还从机械专业换到自动化专业,一切都是从头开始;另一方面,家里对他破釜沉舟的人生选择也很不解。

“有志者事竟成,破釜沉舟,百二秦关终属楚; 苦心人天不负,卧薪尝胆,三千越甲可吞吴。”那时,段海滨在每一个笔记本上都写下了这句话,也正是这样的信念支撑他扛过了最艰难的时刻。顶着巨大的压力, 在没日没夜的备考中踯躅前行。事实也证明,努力不会被辜负。在工作4年之后的秋天,段海滨成为南航的一名研究生,之后他又在南航继续攻读博士学位。

找准研究方向——交叉学科

读博期间,段海滨的专业方向是控制理论与控制工程,博士生导师王道波教授是南航一名理论和工程结合的很好的教授,在导师的悉心指导下,他将蚁群算法和飞行仿真转台控制相结合来做研究。这意味着在本专业之外,他还得研究“蚂蚁”。

蚂蚁是一种很特别的动物,在运动中,它们会通过感知同伴在路径中留下的信息素及其浓度,进而寻找到最佳路径。算法旨在“优化”,“比如到某个地方有很多路径,但是最短的路径可能会堵车,为了快一点,你可以走略长的道路,但是又不能走太长,这就是考虑时间和距离的优化。”段海滨打比方说道。

这样的创新研究离不开导师王道波的鼎力支持。“我的导师给我提供了很好的平台,而且言传身教,鼓励我们参加学术会议。”段海滨说,参加不同的会议也的确让他大开眼界。“当时我的感觉是,从会上学到的东西和获得的灵感超过平时3个星期。”正所谓“问渠那得清如许,为有源头活水来”。

2005年,段海滨博士毕业来到北航工作。初来北航的一两年,他在博士论文研究方向上继续深耕——继续研究蚁群优化算法,并获得了国家自然科学基金青年基金支持,这是他学术上的第一桶金。

“说起来,当时的我很‘不务正业’呀!”段海滨说道。从最初的蚁群优化算法,再到粒子群优化算法、人工蜂群优化算法,后来又自创了鸽群优化算法,这位自动化专业研究者的研究却始终没有脱离“生物”,有的本科生背后戏称他为“蚂蚁老师”。

虽“不务正业”,但段海滨却乐此不疲。他的想法是,“如果死死抱着自己的方向不放,坚持走老路,很难做出新的东西。所以,我的定位就是‘交叉学科’。

在北航任教几年之后,段海滨面向国家重大需求和国际学术前沿,在交叉方向上不断演化并不断聚焦:一是仿生视觉中的仿鹰眼的强视觉感知,二是生物群体智能,并将两者融合应用于无人机自主飞行控制。

图:2007年段海滨(右)在夏威夷IEEE SSCI会议期间与粒子群优化创始人Russell Eberhart(中)和James Kennedy(左)合影

段海滨还记得,在产生了对鹰眼视觉进行研究的想法后不久,恰好有一个申请省部级课题的机会。于是,他就写成了申请书。“其实写申请书时我就感觉到,这次90%的概率是中不了,后来果然没有中。”他说,但是他依然提交了申请书。

“你不能因为可能失败,就不去尝试,就算会失败,也要去努力,只能有所总结,提炼经验,失败都是暂时的。”他也经常跟学生们说,“第一,要超级刻苦努力;第二,要有充分信心;第三,不能等到完全具备条件时再去努力。”

功夫不负有心人,第二年他再次以鹰眼视觉的研究申请国家级项目,在上一年申请书基础上,他加以提炼和修改,最终顺利申请到了项目。这也让他对自己的研究方向更有信心,“可以看出,国家对这样的交叉研究极为重视、非常鼓励。”他说。

建构跨学科的桥梁

在进行科普讲座时,段海滨总是用简单的语言来解释自己的专业——自动控制器是运动体的大脑。“比如飞机,它的飞行控制器就是飞机的大脑,而雷达等传感器等好比人的眼睛。”

他相信“眼脑不分离”“明亮的眼睛和聪明的大脑是不分离的,有很强的关联性,换言之,智能感知和自主控制是密不可分的。”

所以,基于仿生智能的无人机自主飞行控制也可以通俗地理解为:一方面研究大脑,就是如何仿生,让大脑更聪明;另一方面是仿生感知,让眼睛更准确清晰。“我研究的鹰眼视觉主要用在无人机上,”他说,实际中存在速度和精度的矛盾——算的速度很快,精度会下降,精度提高,速度又会降低。“我想通过仿生技术来克服这一对矛盾。”

同时,他还对生物群体智能极有兴趣,而说起这些“有意思”的动物他更是如数家珍。

比如他一直感兴趣的蚂蚁,根据分工,蚂蚁可以分为蚁后、雄蚁、工蚁、兵蚁四种,其群体行为的一个显著特征是分工明确。同时,蚂蚁还有两个胃,其中一个为自己所用;一个是嗉囊,也被称为“社会胃”,用来储藏多余的食物,喂养分享给同伴。

另一种昆虫蜜蜂却和蚂蚁有区别,虽然蜜蜂也分为蜂后、雄蜂和工蜂,但是工蜂在短暂的一生中勤奋劳作随日龄的增长变换分工。比如,幼年蜂主要在蜂巢内工作;青年蜂则承担饲喂、酿蜜、守卫等工作;壮年蜜蜂则主要负责采蜜;老年蜂则从事寻找蜜源的工作。

再比如大雁,它们总是成群结队形成“雁阵”,长途迁徙时有整齐的“编队”,排成“人”或“一”字形,并在飞行中不断更换头雁的位置。狼也是一种经常群体行动的典型动物,并且狼群捕猎时,内部分工明确,各司其职,配合默契。

段海滨告诉记者,无人机飞行时,以群体智能的优势来实现个体所不具备的功能异常关键,这也是他关注生物群体智能的原因。“这就好比虽然一个人力气很大,但是几个孩子上来,也会将他绊倒。”

在他看来,诸如此类的动物群体行为和分工、变化机制,都值得在无人机上运用。

“比方说,工蜂在不同阶段扮演不同角色,其实无人机也可以‘一专多能’,完成多项任务。比如,大雁的编队行为是为了省力,那么无人机怎么编队才能省油飞得远?如何变化队形?再比如,无人机进行分工时可否模拟狼群的群体行为?”这些都是段海滨脑中思考的问题。

图:2013年段海滨在第十五届北京国际航展留影

2013年,段海滨在第十五届北京国际航展留影。他的老本行还是自动化专业,“自动化专业是我的根,也是多年的老本行”,他要做的,是用新的方法和思路,给出老本行里问题的新答案。

“我要做的是,在不同学科间建立一座桥梁。”他向记者解释道,狼的分工机制很优异,那么怎么把这种机制用到无人机上?这就是他的工作——从动物行为中找出若干能为无人机所用的功能,提炼出机制,建立模型,进行关键技术攻关。

脚踏实地,仰望星空

在不同学科和研究之间建立一座桥梁并非易事。最终研究成果提交之后,还要进行样机开发、飞行验证等。

“国家在这方面有重大需求,我们就应该‘把论文写在祖国的大地上’,国家需要什么,我们就做什么。”段海滨说。

不过,段海滨也坦言:“交叉学科挖东西,本身就比较难。”但是他并不畏惧科学道路远征之难,他认为如果做本专业,自然轻松,但是很难出成果;交叉学科研究虽道阻且长,但是很有意义。“这好比走羊肠小道还是大道。”他说,“走大道当然快,但是走得人多,总有人比你更快;羊肠小道走得人少,短期内走的慢,但往往具有开创性,即使到半山腰走不动了,可能也比呼呼跑上山顶有价值。”

他常常鼓励学生说,“做交叉学科就是挖金矿,挖金矿就是大浪淘沙。一是要花工夫去做,二是要有学术视野的敏锐度。”

他说,花工夫去做,就是要脚踏实地,埋头苦干;想要有学术敏锐度,那就要不时抬起头,仰望星空——多看、多想、多交流。

对于段海滨,勤奋和刻苦似乎已经内化为他的性格和基因。“做科研一定要能吃苦。”这是他自学生时代以来的习惯,也源自在导师身边的耳濡目染。“王道波老师就非常能吃苦,常年在高原做飞行试验,甚至大年初一也不休息,也会到实验室,这一直在影响和鞭策着我。”

在大学成了教授,并入选了国家杰出青年科学基金获得者、科技部中青年科技创新领军人才、万人计划——中组部首批青年拔尖人才,段海滨依然很“拼”,节假日几乎没有过休息,平日里工作到深夜是常态,现在刚过不惑之年,“感觉体力明显下降”,这一年“偶尔偷懒会在1点钟之前睡觉。”

长期持续工作加上熬夜,他的身体也曾发出过警告。有一次,他正在给学生上课,突然就觉得身体难受,感觉一说话就要晕倒,尽管再三忍耐,但是仍难以坚持。后来医生告诫他的药方是:少熬夜,多运动。

“你看我现在体态较胖,其实去年我比现在还胖。”采访时,段海滨“自爆”,“以前我开车上下班,运动量几乎是零,去年底在学校内租了个房子,走到办公室10多分钟。”于是,他就利用这十几分钟的时间走路、爬楼梯,当做运动,“实在没有别的时间。”

然而有学术会议等学习交流的机会,他一般都会挤时间参加,也支持和鼓励研究生去参加,并鼓励研究生要主动跟领域“大牛”们交流。在他看来,参加学术会议的确能打开思路,拓展学术视野,还能结识国内外同行和良师益友,“做前沿的研究一定要多看、多想、多交流。”

上好课,带好学生,做好科研

2009年,还是副教授的段海滨成为博导,这让他感到有了更多的责任。“学校给了我很好的平台,有了自己的团队之后,可以做更多的事情,个人也可更快速地成长。”

目前,段海滨指导10个博士,10多个硕士。他对学生的严要求,从一周两次不同类别的例会就可以看出——周四1次,周六1次。

图:段海滨仿生自主飞行系统研究组部分人员合影

周四的例会他会与每一个学生面对面交流,进展如何?有没有遇到什么困难?虽然平均给每个学生的时间只有大约5分钟,但是却能给予学生督促和帮助,因而周四的例会是每个研究生逐一跟导师汇报进展和科研上存在的问题,雷打不动,如果因为出差不能跟学生见面,他也会重新安排时间跟学生逐一交流。周六的例会是课题组全体成员研讨,由博士生轮流主持,两个研究生主讲,其他研究生做简短讲解和讨论交流,一讲自己的科研进展,二讲本领域国内外最新前沿成果。

段海滨也承认自己对学生要求“确实很严格”“其实在研究生阶段做的具体内容,毕业之后80%不用再做了。更多的时候,是做研究的过程、态度以及其间形成的修养、能力、价值观支撑你继续走下去。”段海滨很赞成耶鲁大学校长Richard Charles Levin教授的观点,“大学教育的本质是,不是老师教会学生了什么,而是等学生毕业之后,把所学的专业知识全部忘掉,他还会什么。”

因而在选拔学生时,他十分看重的是学生刻苦与否,以及格局的大小。“假设一个学生很聪明,做科研很厉害,但是格局太小,我想他也不会走得太远。”严师出高徒,段海滨所在的仿生自主飞行系统研究组的绝大多数博士研究生都获得了国家奖学金,并且每年都有研究生在国际期刊发表多篇较高水平的学术论文。在科研之外,肩负着五门课的教学任务,“本学期三门课,下学期两门课。”

科研和教学重任在肩的段海滨确实很忙碌。采访的前一天晚上,他半夜两点半才睡;在采访中,有学生来办公室找他、有学生打电话找他;采访结束之后,还有研究组例会等着他。

“人的精力是有限的,我要继在繁杂的琐事上继续做减法,专注教学和科研。”段海滨说,“聚焦做好目前最重要的三件事:上好课,带好学生,做好科研。”是的,这也正是一名大学教授的使命和职责。

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作者 爬上海岸的鱼

高级软件工程师

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活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科

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