探索智能優化技術研究的新路——記北京理工大學自動化學院辛斌教授

◎ 文/于海芳 傅雙橋

隨著社會經濟的發展，人工智能時代已經開啟。人工智能和多機器人二者相輔相成，并開始逐漸應用于我們生活中的諸多場景。而人工智能和多機器人在計算機領域內，也愈發受到廣泛重視。

在人工智能和多機器人領域，有一個人多年潛心研究、成績斐然，而引領他走上這條路的只因兒時一個夢想，這個人就是辛斌。人生要想充滿無限可能，先讓人生有一個夢想，再把想夢變成現實，而辛斌就是把夢想照進現實的人。從小辛斌就喜歡機器人，只是那時還沒有領域的概念。機器人在年幼的辛斌看來，有點科幻，有點新奇、更充滿了神秘的色彩。對于每一個人來說，或許小時候的某一個人或事，或一件物品，對未來都可能會起到指引方向的作用。長大后，辛斌的潛意識里便逐漸向夢想的方向靠攏。

“我相信大部分選擇科研之路的人，如果不喜歡鉆研，沒有鉆研的勁兒，也是不可能走上科研之路的。無論你是做基礎性的理論研究，還是理論和技術相結合，或者是側重技術，從國家導向來看，都需要科研人員具備全方位的能力，這樣才更適合做一個科研人?！毙帘笳f。

開拓眼界，只為打開新世界的大門

人生只有走出來的美麗，沒有等出來的輝煌。辛斌本科學的是電子工程，到了研究生階段，他卻選擇了自動化專業。為此，當時很多人都對他提出質疑，為什么要跨專業選擇自動化領域。在辛斌看來，換一個專業，只是想拓展一下自己的視野。其實并沒有跨越多大，都還在信息領域里，只不過是從弱電變成強電。所以當時他義無反顧的選擇了自動化領域，機緣巧合下，又遇到了陳杰教授。多年來，一直跟隨陳杰教授做科研，那時團隊氛圍非常好，大家一起協同奮進，攻克技術難關，隨著團隊的日益壯大，辛斌也在磨煉中迅速成長。

辛斌主要研究方向是計算智能和多機器人系統。他說，雖然是兩個方向，但是二者緊密關聯，一個是內核所在，一個是外在邏輯呈現，可以概括為一軟一硬。計算智能其核心就是以算法為主，體現人工智能應用的領域，很多方法都是借鑒自然界規律，比如一些動物的社會性行為，建立創新性計算模式，去解決復雜問題。其中，涵蓋了信息處理，包括感知信號處理、規劃、決策以及協調控制。主要涉及能讓系統運行起來的各個層面，就像人一樣，人的各個維度里都有計算模式。主體上是軟的東西，也就是智能信息處理范疇的事情。另一個研究方向偏硬，也就是多機器人系統，其實人類創造最厲害的就是屬于智能機器，這也是人工智能的終極目標。要建立智能機器代替人類去執行各種各樣的任務，其中多機器人系統相對復雜程度較高。單個聚焦的智能單體能力的釋放，比如一個智能單體感知能力強，或者任務規劃能力強，我給它一個任務，它可以通過自主計算出工作先后順序，以及具體操作執行。那么多體的話，就是一群機器人要協作，有時候也稱之為社會性機器人。需要它完成各種各樣的協同作業，任務范圍廣，比如生產制造環節，就是一群機器人通過協作來完成生產任務。

協同優化，提升多機器人系統加工作業

目前，辛斌參與并正在進行的科技部重點項目,關于五金制造行業的示范應用類課題，就是把多機器人協作技術應用到生產制造環節中。該課題主要是針對五金產品工藝流程的多樣化需求，以實現柔性化智能制造為總體目標，通過多機器人的柔性調度和分布式自組織協作，形成對多樣化五金產品的高效協作加工能力、對生產任務變化與系統內部故障的柔性應變能力?；谏鲜隹偰繕?，該課題針對五金工藝的多樣化需求，設計適用于多機器人自組織協作的信息網絡架構和適用于分布式任務分配流程的數據傳輸協議，以支持機器人間的通信和高效協作。研究多機器人自組織協作機制和協調方法，通過多機器人的分布式協同優化決策實現動態作業任務分配，通過搬運機器人的協同任務規劃實現五金制造不同工藝、工位之間的動態可調鏈接。研究多機器人系統的柔性可持續作業調度技術，在監控管理端充分利用全局信息輔助操作員快速制定高質量的調度方案，實現對各類固定工位作業機器人和搬運機器人的任務管理和作業調度。有機結合“自下而上”的分布式自組織協作和“自上而下”的集中式智能調度方法，提升多機器人系統的協作水平和作業效率，形成高效并行加工及柔性應變能力。

“通過不同機器人分別執行各自任務，以自主或者半自主的模式，去把整個生產線中不同的工藝環節組合在一起，提高作業效率，這也是我國智能制造戰略的重點方向。如今，應用比較常見就是物流行業，像國內的京東、菜鳥他們都有大的倉儲箱，雙十一期間大量訂單，物流環節非常緊張，就會引用這種多機器人系統，AGV可以自動地幫助這個物流系統提高應對效率，目前這也是多機器人系統的典型應用。如今，我國制造業并不弱，也有一些“卡脖子”的地方，但是從總體綜合來看，我們有我們的優點。在多機器人領域，目前在世界范圍內，應用比較多的就是汽車制造行業，其他制造行業還遠遠沒有達到一個多機器人協作目的。通過智能技術突破來支撐多機器人系統達到高效協同作業，有效支撐制造系統，還任重道遠?！毙帘蠼榻B道。

應對變量，在攻克難關上下功夫

每個領域都有它需要攻克的難關。辛斌坦言，計算智能難點在于理論上并不是特別完備和嚴謹的領域，有很大程度是一種啟發式的。在該領域最需要突破、也最難突破的，實際上是它的理論架構，畢竟是用于解決復雜問題的，這其中問題有很多，難度也各不相同。那怎么應用，用了之后在理論上能否形成健全的方法，是否真正達到系統完備、邏輯嚴謹。雖然智能制造環境可以配置，我們可以為了實現生產作業、提高效率，搭建便利協作的配套資源，比如說攝像頭、通信裝置，但是這些都不簡單，需要融入很多設計要素，還要面臨一些重要挑戰，而且確實在世界范圍內都是難題。大部分人在做的時候，還是要面向于一些具體問題求解，才能達到在領域內相對比較好的性能。比如計算智能研究比較多的就是優化問題，解決這類問題大概有這么兩類方法，一個是在問題上做轉換，或者把它表達成一個容易處理的問題?？赡鼙举|上還是非常復雜的一種非線性問題，以及各種各樣的不確定性，總之就是用傳統方法不好解。還有就是我們計算科學里比較復雜的，就是問題具有一定規模之后，在理論上尤其從當前計算能力看，確實解決不了，更不可能突破。那么在優化時，就需要我們做多指標優化，要考慮多個指標，做決策時還要考慮各種不確定性，來自主觀、客觀、環境以及任務需求等，所以大部分研究都是針對一些比較復雜的問題。

那么多機器人領域的難點在于，動態的不確定因素。以生產制造為背景，比如多機器人在排產過程中，圍繞你的生產任務，需要生產各種不同類型的產品，那么就要進行調度、排產，訂單有生產時間要求，機器狀態有參數設定，多長時間能加工一個什么樣的工序，同時我們還要考慮如何創新。當引入AGV之后，還要包括路徑規劃，在車間生態環境中，它類似于交通系統一樣，從a點到b點怎么走，負責哪一個成品或者半成品的運轉，都是該體系下要涉及到的大量決策，其中變量很多。一旦系統中出現問題，就需要具備能力去處理，這就是該領域非常典型的難點，因為要真正讓它有效的運行起來，這都是實際上要去重點突破的。

安全保障，就要卡在安全的籠子里

2021年，我國在“十四五”規劃中重點提到安全問題。我國在人工智能安全方面發展迅猛，在人工智能時代，尤其有了機器人產物，它已經滲入到我們日常生活中的方方面面?，F在醫療、教育、交通等領域都在與人工智能技術深度融合，給我們生活帶來便捷的同時，隱私、安全問題也逐漸凸顯出來，這也是人工智能技術發展的必然趨勢。

辛斌介紹，當人工智能加上網絡技術，生活中最為常見的，就是機器學習，通過人工智能技術去進行信號處理、圖片識別、語音識別、人臉識別等一些商品化的東西，應用廣泛且效果非常成功。我們在享受著人工智能讓生活變美好的同時，也要面對它帶來的社會性安全問題，比如家裝監控、攝像頭等，都存在著隱私泄露的隱患。從國家戰略層面看的話，高端技術引領更多應用。人工智能如果應用于軍事上，那么軍用技術引領將會改變戰爭模式。比如美軍正在大量開拓人工智能技術，包括他們的無人化裝備。人工智能加無人系統就是代表人工智能賦能產生的最具典型性產物。

“不論是國家安全、軍事安全還是社會安全，該如何去把控人工智能技術在可控的范疇之內，不要突破人類的邊界。需要在技術層面上設立約束性，把它卡在安全的籠子里。毋庸置疑，人工智能技術發展前景廣闊，但其安全性，毫無疑問不容忽視。”辛斌強調。

創新意識，是科研人的必備條件

2012年，辛斌榮獲了“關肇直獎”，成為該獎項設立18年以來的第23位獲獎人（包括2位國際獲獎人），這也是北京理工大學歷史以來第一位“關肇直獎”的獲得者?！瓣P肇直獎”含金量極高，每年只評定一次，且每次獲獎名額不多于兩篇?！瓣P肇直獎”以其嚴格的評審、高水平的獲獎論文及獲獎者出色的后續工作而在控制界享有很高的聲譽，系目前我國控制理論界最高水平的青年學術獎項。

談到獲獎心情時，辛斌說當時還是非常興奮和激動，因為榮譽背后的付出，只有自己最清楚。任何一個榮譽或獎項，只要你覺得它值得你去努力，就要為之付出百分之百的努力，做好充分準備，把自己調整到最佳狀態，因為這對自己也是一個挑戰。“那時只是想看看同行及前輩們對自己是否認可，反觀也看看自己有哪些不足。評獎只是一個過程，通過評獎可以更好的總結自己。它是一個手段，而不應該作為一個目標，獲獎的同時也更加堅定了自己之后的科研之路?！毙帘筇寡缘?。

辛斌除了是一名科研人員，還是一名高校教師。教育是我國國之大計，對高校教師的要求也越來越高，不僅職責廣、維度高，而且還擔負著更重要使命，就是人才培養。關于人才培養，辛斌最為看重的是創新。他說要想成為一名合格的科研人員必須要具備創新意識，因為不管是理論研究還是技術研究，如果沒有創新意識，什么也做不出來。其次還要有毅力和敢拼搏的精神。最后一點，還要熱愛科研工作，為了它能心甘情愿的投入更多時間去鉆研。對于學生，辛斌經常問的一個問題就是，你來讀研目的是什么？如果只為了一張紙，那就不要讀了。無論是做項目研究，還是自主研究，如果不具備這些品質，很難堅持下來。因為科研工作其實很枯燥，所以需要科研人員能耐得住寂寞，沉下心去研究，就算遇到挫折，也能勇于面對失敗，不斷接受挑戰。除此之外，學生的思考問題和表達能力的培養，也是辛斌格外看重的。多年的學術研究，也讓辛斌從中感悟到很多道理，他認為“忍、拼、衡”三個字，為了科研能忍、為了工作敢拼、為了目標平衡，是他對自己品行的概括，也是他做人做事的原則。

如今，身兼數職的辛斌，絕大多數的時間都用在了工作上，除了科研項目外，還要給本科生授課，每天都非常忙碌?！皩W生們因為關心我，給我買的啞鈴，我只能抽空舉舉啞鈴，做做俯臥撐就算是放松了。以前還能跟團隊的老師們一塊兒打打球，后來結婚有了孩子，還要盡可能的兼顧家庭。”辛斌說。對于家庭，辛斌經常忙完工作回家后，孩子們已經睡了。身為父親，還要盡量抽出時間陪孩子，陪完孩子再工作，一直到凌晨。面對壓力大時，辛斌笑笑說：“只能是自己內心調控，修煉內功，盡量釋放出負能量。既然改變不了這樣的生活節奏，那就只能適應它，調節好自己心態，百分之百地去投入，盡可能產出科研成果?！?/p>

談到未來的工作重點，辛斌表示，大目標就是結合我們的專業方向，如何做出一個具體能呈現出來的載體。對于高校教師的發展或者團隊建設，有很多維度，其中一個維度就是平臺。同時，把我們研究的技術、理論、方法，能夠更多的往實際系統上去轉化，可以更直觀的看到成果。在民用方向也會適當拓展，立足于我們原來的大背景下，去做集群機器人，可以異構空中地面戰役平臺里，涉及跟我們密切相關的任務規劃、決策，把軟件系統和硬件載體，模塊化、標準化。

辛斌說，目前，在做這方面研究的人，都是這個思路，所以我們可以抓住共性的研究層面去突破，然后從各種應用為導向的平臺上進行遷移。我們自己的驗證平臺已經搭建了一些，可以自己獨立去驗證一些東西，再結合項目，逐漸向一些應用上拓展。所以還是會以各種各樣的無人平臺或者無人系統為主要對象，去研究突破跟任務規劃、人工智能技術為手段的任務系統。這種相關軟件能力的開發，系統搭建，把人工智能真正賦能到平臺上去執行各種任務。希望我們研究的內容，能為我國在智能技術領域帶來競爭力，同時也為我們特殊背景行業能夠形成戰斗力，去塑造一種能力，使我國在國際競爭中具有一定優勢。