殷惠莉 王衛(wèi)星 薛秀云 孫道宗

摘要：本文針對電子信息工程學科近年來隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、深度學習等新興技術(shù)的迅速興起發(fā)展變化更大、涉及的領(lǐng)域更多的特點，選擇了該學科中的計算機視覺、信息物理融合系統(tǒng)和無人機三個關(guān)注度比較高的方面，論述了計算機視覺、信息物理融合系統(tǒng)和無人機的研究現(xiàn)狀、主要成果和未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電子信息；計算機視覺；信息物理融合系統(tǒng)；無人機

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）15-0266-03

20世紀中后期以來人類社會逐步進入了信息時代。近些年隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、深度學習、云計算等新興技術(shù)迅速興起，人類更是已經(jīng)進入到智能時代。信息和智能時代的科學和技術(shù)的基礎就是電子信息學科。因此，電子信息學科具有兩個顯著的特點，一是發(fā)展變化大，派生新學科或分支、融合產(chǎn)生新學科的速度快；二是與產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，研究方向大量來自產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際需要，研究成果工程特色鮮明。

電子信息產(chǎn)業(yè)是公認的戰(zhàn)略性新興高科技產(chǎn)業(yè)，集成電路、光纖通信、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信等都是對國計民生至關(guān)重要的產(chǎn)業(yè)。由于電子信息技術(shù)的滲透性和融合性，使得許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)借助電子信息技術(shù)得以再次煥發(fā)青春。正是因為電子信息學科涵蓋面太廣，本文主要涉及近年來發(fā)展較快、關(guān)注度比較高的三個方面。

一、計算機視覺

計算機視覺目前是學術(shù)界和工業(yè)界公認的前瞻性研究領(lǐng)域，其研究目的是使計算機具備人類的視覺能力，能看懂圖像內(nèi)容、理解動態(tài)場景，更高層次的是期望計算機能自動提取圖像、視頻等視覺數(shù)據(jù)中蘊含的層次化語義概念及多語義概念間的時空關(guān)聯(lián)等。

（一）計算機視覺研究現(xiàn)狀及成果

計算機視覺中的底層視覺計算模型的研究目標是對圖像數(shù)據(jù)進行處理，形成視覺皮層局部特征。其中，邊緣檢測傳統(tǒng)方法是采用Sobel、Candy濾波器等，但這些算法一般不能很好地處理復雜的場景，近年來研究者們在考慮是否可以利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡來解決。文獻[1]將場景的多層級、多尺度信息融合在一起，解決了復雜場景圖像的邊緣提取問題。文獻[2]利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的匹配方式，將視覺相似度和像素差異性融入一個系統(tǒng)，提高了匹配的準確性。利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡能找到底層視覺線索的潛在規(guī)律，得到的特征表征能力和魯棒性更強，但算法的復雜度卻成為瓶頸。

中層視覺計算在底層特征上引入幾何結(jié)構(gòu)、時域?qū)刃畔ⅲ堑讓右曈X和高層視覺間的橋梁。在顯著性檢測方面，近年來結(jié)合局部全局視覺線索，構(gòu)造多層次、多上下文的模型等方法有效地提升了中層視覺模型的性能。在目標分割方面，近期的研究較多地還是以傳統(tǒng)思路將目標分割視為能量優(yōu)化問題，比如建立稠密連接的條件隨機場，提取深度神經(jīng)網(wǎng)絡特征構(gòu)建能量函數(shù)等。

高層視覺計算問題目的是獲取能夠直接被接受并被理解的語義知識，近年來的研究方法以深度學習為主，針對物體識別、場景分類和人臉識別的算法性能得到提升。人臉識別性能的提升主要來自更大的神經(jīng)網(wǎng)絡和海量的訓練數(shù)據(jù)。但是，目前的方法性能極大地依賴對訓練數(shù)據(jù)的人工標注質(zhì)量，如何利用當前海量的無監(jiān)督數(shù)據(jù)來突破耗時耗力的標注過程的依賴，正逐步成為高層視覺計算方法的研究熱點。

（二）計算機視覺發(fā)展趨勢

計算機視覺技術(shù)的發(fā)展涉及多個學科，不但包括數(shù)學、物理學、計算機學科、自動化學科，還包括生物學、心理學、腦科學等。未來計算機視覺會呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢。

多傳感信息融合。感知環(huán)境信息是計算機視覺發(fā)展的基礎，近年來不再主要依靠可見光相機獲取環(huán)境信息，多傳感信息融合已經(jīng)成為環(huán)境感知的主要手段。如光譜相機、深度相機、激光、雷達、毫米波、GPS等。在多傳感協(xié)同干之下，可以獲得更準確的場景感知。

多視覺任務有機結(jié)合。計算機視覺技術(shù)的發(fā)展是要將多種任務融合在統(tǒng)一的智能載體來聯(lián)合完成，比如在無人駕駛汽車中檢測、跟蹤、識別等任務需要同時進行，從而獲得相對較好的場景評估。

構(gòu)建超大規(guī)模精準標注數(shù)據(jù)庫。計算機視覺的算法和模型性能的提升依賴于標注精準的訓練數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)規(guī)模越大代表知識越多，這樣就能更好地模擬人腦的學習機理。

二、信息物理融合系統(tǒng)

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）是計算、控制、通信和網(wǎng)絡技術(shù)的飛速發(fā)展，極大延伸了信息時空演變的尺度和層次，拓展了萬物互聯(lián)的方式和規(guī)模，促進各類物理系統(tǒng)靈活組織、有機協(xié)調(diào)與協(xié)同進化而來的嶄新的技術(shù)。CPS技術(shù)通過信息空間中信息的傳輸、交換、計算和控制來實現(xiàn)對物理空間的多維度、多尺度、多層次的全面感知、高效組織、有機調(diào)控和協(xié)同進化，以達到信息空間與物理空間無縫融合的目的。

（一）CPS研究現(xiàn)狀

美國早在2006年2月發(fā)布的《美國競爭力計劃》中就將CPS列為未來極為重要的研究項目之一。目前，美國、德國、日本、中國和歐盟等國家和地區(qū)都陸續(xù)對CPS展開全方位研究。我國2010年在上海舉辦的信息物理系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略論壇上，國家“863”計劃信息技術(shù)專家組一致對CPS給予了高度關(guān)注和肯定。2012年，浙江大學、清華大學、上海交通大學三所高校聯(lián)合成立了賽博（Cyber）協(xié)同創(chuàng)新中心，首先提出了工業(yè)信息物理融合系統(tǒng)（iCPS），并開展了理論和技術(shù)研究。同時，國家工業(yè)和信息化部出臺了一系列政策和指導意見，提到CPS作為最關(guān)鍵的基礎技術(shù)之一，其發(fā)展推動了整個智能制造業(yè)的發(fā)展。

（二）CPS的主要成果

CPS技術(shù)能夠通過分布式網(wǎng)絡化的方式將傳統(tǒng)的集中式控制模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际娇刂颇Ｊ?。新一代的智能工廠包括智能的生產(chǎn)、管理、控制和智能化的生產(chǎn)設施，并且這些設施將在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)下被智能化管理。

CPS技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應用，使得電網(wǎng)設備和能源的利用率進一步提高，電網(wǎng)的運行更安全穩(wěn)定。在混成自動機的建模和驗證方法上，Susuki等研究了單發(fā)電機送電的瞬時可靠性。在電網(wǎng)的分布式能源研究中，Ilic等結(jié)合支持向量機、馬爾科夫狀態(tài)控制等方法，實現(xiàn)了分布式電能存儲與調(diào)度的最優(yōu)策略，使得在風能等新能源并網(wǎng)的情形下，電網(wǎng)的穩(wěn)定性也能得到提升。

CPS技術(shù)應用于智能交通領(lǐng)域，可以解決或緩解交通擁堵、交通事故和道路運輸效率低等問題。Cartwright等將現(xiàn)代交通運輸系統(tǒng)建模成CPS系統(tǒng)進行全面研究。Madden等利用CPS技術(shù)對車輛進行交通信息實時通知，從而實現(xiàn)整個交通系統(tǒng)對車輛進行實時、有效控制。Li等在CPS視角下，根據(jù)交通系統(tǒng)提出了交通優(yōu)化的啟發(fā)算法，該算法充分考慮了CPS背景下的人機特點。

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的CPS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對醫(yī)療技術(shù)、醫(yī)療器械的靈活應用，通過各醫(yī)療單元之間的實時通信與控制，輔助醫(yī)務人員決策與操作，實施精準醫(yī)療。Li等著重研究關(guān)于激光氣管切開術(shù)中的CPS建模。Lee等根據(jù)閉環(huán)醫(yī)學設備，提出了驗證安全性的全新方法。

（三）CPS發(fā)展趨勢

自2006年美國國家科學基金會組織召開第一個信息物理系統(tǒng)相關(guān)研討會，信息物理融合系統(tǒng)的各項技術(shù)及應用得到長足發(fā)展。未來CPS技術(shù)發(fā)展趨勢如下。

構(gòu)建對信息物理系統(tǒng)有效且便捷的設計方法。因為CPS系統(tǒng)網(wǎng)絡的異構(gòu)性、軟件和硬件實體的復雜性以及高度跨學科的特點，造成其設計難度大大增加。設計方法不但要注重系統(tǒng)設計效率，還要具備跨層級訪問能力，能夠直接對系統(tǒng)中各個節(jié)點參數(shù)、布局等變量進行調(diào)整，來滿足最優(yōu)設計。

保證信息物理系統(tǒng)的高實時性。CPS需要實現(xiàn)計算過程和物理過程的統(tǒng)一與交互，其應用要求高實時性。但一方面實際物理過程中，每一次通信、計算和控制都會耗費時間，而另一方面，在實際通信過程中擁塞和信道質(zhì)量差也時有發(fā)生，造成數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)延遲和丟包等不可測因素。這些不穩(wěn)定因素會嚴重影響系統(tǒng)的性能，因此實時性問題是一大挑戰(zhàn)。

建立和完善信息物理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的云系統(tǒng)不同，由于結(jié)合了物理層和網(wǎng)絡層，信息物理系統(tǒng)所面對的威脅同時來自物理層和云層，攻擊者可以通過侵入物理傳感器基礎設施制造虛假數(shù)據(jù)影響系統(tǒng)運行，也可以攻擊云層直接破壞整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。因此需要完善端到端的安全機制，確保在經(jīng)受攻擊時維持系統(tǒng)中通信交流的完整性，來維護系統(tǒng)穩(wěn)定，同時還要建立完善的入侵檢測機制。

三、無人機

無人機是一種不需要駕駛員進行任何駕駛操作，完全在電子設備的監(jiān)控下可以自動完成全部飛行過程的飛行器。目前主要的無人機種類包括固定翼無人機、旋翼無人機和撲翼無人機。無人機的研究涉及諸多學科，這里針對電子信息學科在無人機中的應用。

（一）無人機研究現(xiàn)狀和成果

導航系統(tǒng)是無人機的核心裝置，涉及信息融合和路徑規(guī)劃技術(shù)。

對于信息融合的數(shù)據(jù)問題，目前國內(nèi)的研究主要包括基于光流相機、機器視覺、SLAM等傳感方法獲取無人機狀態(tài)與環(huán)境信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理、誤差補償處理信息融合配準完成信息融合的準備工作。在融合方法研究中，除了綜合運用如加權(quán)平均、卡爾曼濾波、模糊推理、機器學習等經(jīng)典方法外，還有學者圍繞現(xiàn)有方法做出針對性改進，如使用改進的Sage-Husa自適應卡爾曼濾波算法提高水平位置、速度和垂直信息的估計精度，提出基于時間序列分析的自適應聯(lián)邦濾波算法并設計冗余導航系統(tǒng)多模型自適應估計融合算法等。

路徑規(guī)劃的研究中，引入了蟻群算法、遺傳算法、量子粒子群算法和狼群算法等智能算法。針對復雜的環(huán)境，文獻[3]將無人機全局路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為三維空間含約束的優(yōu)化問題，并采用改進的差分進化算法進行求解。文獻[4]針對復雜環(huán)境下移動目標的路徑跟蹤，采用滾動時域優(yōu)化結(jié)合人工勢場法，獲取無人機的前進方向，實時給出針對移動目標的最優(yōu)軌跡。

多無人機的組網(wǎng)技術(shù)和多機協(xié)同飛行控制也是無人機研究的一個熱點問題。目前國內(nèi)對無人機組網(wǎng)技術(shù)的主要研究思路是根據(jù)無人機網(wǎng)絡通信特點在經(jīng)典方法的基礎上改進。針對MAC協(xié)議的研究主要包括改進TDMA協(xié)議，針對路由協(xié)議的研究包括改進OLSR協(xié)議、改進DSR協(xié)議、改進GPSR協(xié)議等。多機協(xié)同目前研究較多的是協(xié)同編隊控制，主要涉及無人機群隊形設計與變換、隊形控制與保持、路徑規(guī)劃與避障等運動協(xié)調(diào)問題。

（二）無人機發(fā)展趨勢

無人機以生存能力較強、靈活性高、機動性好、使用便捷等特點，在軍事、民用和商業(yè)領(lǐng)域都具有非常廣闊的應用前景。未來無人機的發(fā)展將包括以下方面。

實現(xiàn)無人機的高精度導航。導航系統(tǒng)對于無人機至關(guān)重要，如何準確地將無人機從一個地方引導到目的地，決定無人機能否順利完成后續(xù)任務。一方面要通過改進融合算法進一步提高狀態(tài)估計的容錯率與穩(wěn)定性；另一方面需要在多約束條件下復雜的三維空間中快速規(guī)劃出一條最優(yōu)路徑。

在無人機編隊飛行控制方面，需要突破多機多傳感器協(xié)同感知能力不足、欠缺對實體的仿真實現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)的不足，實現(xiàn)復雜約束和復雜通信環(huán)境下的多無人機協(xié)同編隊飛行。

四、結(jié)束語

電子信息學科一直處于持續(xù)不斷的快速發(fā)展之中，學科領(lǐng)域顯得“龐雜”和“邊界模糊”。電子信息技術(shù)影響人類思考方式、社會交往方式、生產(chǎn)和生活的方式?！靶畔ⅰ苯柚半娮印钡妮d體，走進幾乎每個人的生活。未來隨著電子信息技術(shù)與其他學科的進一步結(jié)合和共同進步，將深深地改變一代又一代人類的行為方式。

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