DARPA人工智能技術(shù)研究的四個(gè)階段和五大領(lǐng)域

DARPA人工智能技術(shù)研究的四個(gè)階段和五大領(lǐng)域本文由藍(lán)海星智庫(kù)（ID：SICC_LHX）授權(quán)轉(zhuǎn)載，作者：朱鵬飛

概述二戰(zhàn)后電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)取得飛速進(jìn)步，為用機(jī)器代替人執(zhí)行任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代初，DARPA（當(dāng)時(shí)為ARPA）開(kāi)始介入自主技術(shù)研究，并很快成為該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)。DARPA意識(shí)到，人工智能可以滿足大量的國(guó)家安全需要。在人工智能項(xiàng)目的設(shè)置上，通過(guò)整合計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、概率學(xué)、統(tǒng)計(jì)數(shù)字、認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的成果，推動(dòng)與智力有關(guān)的能力自動(dòng)化，并且研究范圍逐漸從語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)言翻譯等進(jìn)入到大數(shù)據(jù)分析、情報(bào)分析、基因組及醫(yī)藥、視覺(jué)與機(jī)器人學(xué)、無(wú)人駕駛與導(dǎo)航等各種領(lǐng)域。DARPA雖然研制自主技術(shù)的時(shí)間較長(zhǎng)，但長(zhǎng)期以來(lái)，其研究的與自主相關(guān)的項(xiàng)目并非在一個(gè)固定的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行，而是分散到多個(gè)不同的領(lǐng)域。直到2014年，才正式在國(guó)防科學(xué)辦公室下劃分出自主技術(shù)領(lǐng)域。由于自主技術(shù)涵蓋較為廣泛，涉及通信、指揮控制、數(shù)據(jù)處理等多個(gè)不同領(lǐng)域。為匯聚重點(diǎn)，本文根據(jù)DARPA新設(shè)自主技術(shù)領(lǐng)域所研究的項(xiàng)目，結(jié)合《DARPA技術(shù)成就》（1990年）、《戰(zhàn)略計(jì)算》（2002年）等報(bào)告/書(shū)籍內(nèi)對(duì)DARPA技術(shù)的歸類(lèi)，將自主技術(shù)的研究范圍限定在和陸、海、空機(jī)器人相關(guān)的自主技術(shù)以及和智能助手相關(guān)的自主技術(shù)。按時(shí)間節(jié)點(diǎn)看，DARPA對(duì)自主技術(shù)的研究大體上可以分為四個(gè)階段。1、人工智能（AI）研究階段美國(guó)人工智能的發(fā)展很大程度上歸功于DARPA的支持。20世紀(jì)60年代初期，DARPA在MAC計(jì)劃中研制電腦分時(shí)操作技術(shù)，開(kāi)始最初的人工智能技術(shù)研究。但是，直到60年代末，人工智能才作為一個(gè)單獨(dú)的研究項(xiàng)目列入DARPA的預(yù)算。到了20世紀(jì)70年代中期，DARPA已經(jīng)成為美國(guó)人工智能研究的主要支持者，并推動(dòng)了人工智能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，如自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別和圖像理解。20世紀(jì)70年代末，人工智能得到更廣泛的應(yīng)用，并在一些軍事系統(tǒng)上得到應(yīng)用。1983年，人工智能技術(shù)成為DARPA戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目的關(guān)鍵組成部分。在人工智能的研究上，DARPA不僅支持基礎(chǔ)研究，如知識(shí)表達(dá)、問(wèn)題解決以及自然語(yǔ)言結(jié)構(gòu)等技術(shù)，也支持應(yīng)用研究，如在專(zhuān)家系統(tǒng)、自動(dòng)編程、機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。2、戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目階段20世紀(jì)80年代，國(guó)際上（特別是日本）加大了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究，DARPA感到在計(jì)算領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位受到威脅。于是在1983年，DARPA成立戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目，以此提高所有計(jì)算和信息處理領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。AI成為戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目的一個(gè)基本組成部分。由于在進(jìn)入戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目之前，AI的研究項(xiàng)目有的取得顯著進(jìn)展，有的則面臨較大技術(shù)問(wèn)題難以為續(xù)。因此，戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目在AI項(xiàng)目投資上，雖仍對(duì)所有技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行投資，但更側(cè)重于能夠繼續(xù)獲得進(jìn)步的技術(shù)。受到關(guān)注的4個(gè)項(xiàng)目為（1）語(yǔ)音識(shí)別項(xiàng)目，該項(xiàng)目可支撐導(dǎo)航輔助和作戰(zhàn)管理；（2）自然語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，該技術(shù)為作戰(zhàn)管理的基礎(chǔ)；（3）視覺(jué)技術(shù)，該技術(shù)是自主無(wú)人車(chē)的基礎(chǔ)；（4）可用于所有應(yīng)用的專(zhuān)家系統(tǒng)。3、1994年到2014年發(fā)展階段在戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目之后，先進(jìn)技術(shù)辦公室（ATO）及后來(lái)的信息技術(shù)辦公室（IPTO）繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)自主技術(shù)的研究，在二十年的時(shí)間內(nèi)先后進(jìn)行了數(shù)十項(xiàng)技術(shù)的研究。包括ATO的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)機(jī)器人（TMR）項(xiàng)目（主要用的是遙控技術(shù)）、ITO的機(jī)動(dòng)自主機(jī)器人軟件（MARS）項(xiàng)目和分布式機(jī)器人軟件（SDR）項(xiàng)目、MTO的分布式機(jī)器人項(xiàng)目等。4、自主領(lǐng)域成立階段（2014年至今）2014年第2季度，DARPA的國(guó)防科學(xué)辦公室建立新的研究領(lǐng)域：自主化（半自主化）。主要研究硬件和計(jì)算工具，使系統(tǒng)能夠在缺少（甚至沒(méi)有）基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中，僅通過(guò)斷斷續(xù)續(xù)的聯(lián)系便能正常工作。目前該領(lǐng)域的研究項(xiàng)目包括：自主機(jī)器人操縱（ARM）、FLA項(xiàng)目、MICA項(xiàng)目。其中，F(xiàn)LA項(xiàng)目為新設(shè)項(xiàng)目，其余為延續(xù)項(xiàng)目。開(kāi)展的主要研究工作在50余年的研究中，DARPA安排有數(shù)十個(gè)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目按照技術(shù)相關(guān)性可分為語(yǔ)音識(shí)別、環(huán)境感知、人工智能技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)、群組協(xié)同等五個(gè)主要領(lǐng)域。1、語(yǔ)音識(shí)別最初的項(xiàng)目為20世紀(jì)70年代初啟動(dòng)的語(yǔ)音識(shí)別研究計(jì)劃（SUR）。在該計(jì)劃中，DARPA支持多個(gè)研究機(jī)構(gòu)采用不同的方法進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別研究，取得較好成績(jī)的是CMU的Hearsay-Ⅱ技術(shù)以及BBN的HWIM（HearWhatIMean）技術(shù)。其中Hearsay-II提出了采用并行異步過(guò)程，將人講話內(nèi)容進(jìn)行零碎化處理的前瞻性觀念；而B(niǎo)BN的HWIM通過(guò)龐大的詞匯解碼處理復(fù)雜的語(yǔ)音邏輯規(guī)則來(lái)提高詞匯識(shí)別的準(zhǔn)確率。進(jìn)入80年代，DARPA開(kāi)始采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)了Sphinx、BYBLOS、DECIPHER等一系列語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，已經(jīng)能夠整句連續(xù)的語(yǔ)音識(shí)別。2000年之后，DARPA開(kāi)始研制通過(guò)對(duì)話實(shí)施人機(jī)交互的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還能在與不同人的對(duì)話中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，提供個(gè)性化的服務(wù)。2001年DARPA研制的供單兵使用的翻譯裝置“9.11”之后，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)獲得進(jìn)一步的重視。能夠進(jìn)行單向翻譯的名為“Phraselator”的翻譯裝置問(wèn)世。2005年，DARPA發(fā)起全球自動(dòng)化語(yǔ)言情報(bào)利用（GALE）項(xiàng)目。該項(xiàng)目尋找能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)阿拉伯語(yǔ)和漢語(yǔ)的印刷品、網(wǎng)頁(yè)、新聞及電視廣播進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯的技術(shù)。計(jì)劃在2010年，使95%的文本文檔翻譯和90%的語(yǔ)音文件翻譯均能達(dá)到95%的正確率。當(dāng)前，DARPA正在研制一種技術(shù)工具，通過(guò)該工具能夠在100天內(nèi)開(kāi)發(fā)出針對(duì)新語(yǔ)言的翻譯系統(tǒng)。2、環(huán)境感知技術(shù)環(huán)境感知技術(shù)主要涉及各類(lèi)傳感器信息的識(shí)別和應(yīng)用。DARPA最初的構(gòu)想是研制出一種能夠自動(dòng)或半自動(dòng)分析軍事照片和相關(guān)圖片的技術(shù)，隨著研究的深入，特別是研制無(wú)人系統(tǒng)（主要是無(wú)人車(chē)）對(duì)信息輸入的苛刻要求，DARPA的項(xiàng)目從對(duì)靜態(tài)信息的識(shí)別逐漸向動(dòng)態(tài)信息的感應(yīng)和識(shí)別方向發(fā)展。1976年，DARPA開(kāi)始圖像識(shí)別（IU）項(xiàng)目。最初的目標(biāo)是用5年的時(shí)間開(kāi)發(fā)出能夠自動(dòng)或半自動(dòng)分析軍事照片和相關(guān)圖片的技術(shù)。項(xiàng)目參與單位包括麻省理工學(xué)院，斯坦福大學(xué)，羅切斯特大學(xué)，SRI和霍尼韋爾公司等。1979年，項(xiàng)目的目標(biāo)擴(kuò)展，增加了圖形繪制技術(shù)。到了1981年，預(yù)計(jì)5年內(nèi)完成的項(xiàng)目并沒(méi)有終止，而是持續(xù)到2001年。2001財(cái)年，DARPA為解決環(huán)境感知問(wèn)題，啟動(dòng)了PerceptOR項(xiàng)目，其目的是開(kāi)發(fā)新型無(wú)人車(chē)用感知系統(tǒng)，要求系統(tǒng)足夠靈巧，能夠保證無(wú)人車(chē)在越野環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，并且能在各種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和天氣條件下使用。2005年該項(xiàng)目完成階段性研究，后轉(zhuǎn)移到“未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)地面無(wú)人車(chē)集成產(chǎn)品”項(xiàng)目，進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與測(cè)試。PerceptOR項(xiàng)目環(huán)境識(shí)別、建模、路徑規(guī)劃流程2010年，DARPA啟動(dòng)“心眼”項(xiàng)目。項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)一種智能視覺(jué)系統(tǒng)，僅通過(guò)視覺(jué)輸入，便能夠?qū)W習(xí)一般的應(yīng)用并通過(guò)行動(dòng)再現(xiàn)出來(lái)。3、人工智能技術(shù)DARPA在20世紀(jì)70年代開(kāi)始人工智能技術(shù)的研究，當(dāng)時(shí)的信息處理技術(shù)辦公室（IPTO）支持斯坦福和麻省理工進(jìn)行研究（如后來(lái)的機(jī)器輔助認(rèn)知項(xiàng)目），但此時(shí)的人工智能（包括機(jī)器人）并非DARPA的重點(diǎn)。到了80年代初，DARPA加強(qiáng)了自主空中、地面和海上運(yùn)載器的研究（后稱(chēng)為殺手機(jī)器人）。但該研究并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。相關(guān)研究成果為后來(lái)戰(zhàn)略計(jì)算項(xiàng)目提供了基礎(chǔ)。1985年，DARPA人工智能的研究（包括殺手機(jī)器人）成為戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室（TTO）聰明武器項(xiàng)目（SWP）的一部分。1999年，在計(jì)算機(jī)和通信項(xiàng)目下，設(shè)置了智能系統(tǒng)和軟件技術(shù)的研制，旨在研制一種能夠主動(dòng)、自主的為戰(zhàn)士提供各類(lèi)輔助信息的人工智能系統(tǒng)。2006年，DARPA開(kāi)始綜合學(xué)習(xí)項(xiàng)目（IntegratedLearningProgram），該項(xiàng)目的目標(biāo)是將專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)和常識(shí)綜合創(chuàng)造出一個(gè)推理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能像人一樣學(xué)習(xí)并可用于多種復(fù)雜任務(wù)。這樣一種系統(tǒng)將顯著擴(kuò)展計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的任務(wù)類(lèi)型，為研制執(zhí)行復(fù)雜性任務(wù)的自動(dòng)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。2010年，DARPA開(kāi)始資助深度學(xué)習(xí)項(xiàng)目（DL），目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)通用的機(jī)器學(xué)習(xí)引擎。深度學(xué)習(xí)可以完成需要高度抽象特征的人工智能任務(wù)，如語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別和檢索、自然語(yǔ)言理解等。深層模型是包含多個(gè)隱藏層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，多層非線性結(jié)構(gòu)使其具備強(qiáng)大的特征表達(dá)能力和對(duì)復(fù)雜任務(wù)建模能力。深度學(xué)習(xí)是目前最接近人腦的智能學(xué)習(xí)方法，將人工智能帶上了一個(gè)新的臺(tái)階，將對(duì)一大批產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。深度學(xué)習(xí)源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，深度學(xué)習(xí)采用的模型為深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DeepNeuralNetworks，DNN）模型，即包含多個(gè)隱藏層（HiddenLayer，也稱(chēng)隱含層）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NeuralNetworks，NN）。深度學(xué)習(xí)利用模型中的隱藏層，通過(guò)特征組合的方式，逐層將原始輸入轉(zhuǎn)化為淺層特征，中層特征，高層特征直至最終的任務(wù)目標(biāo)。4、機(jī)器人自主控制技術(shù)軍用機(jī)器人（含無(wú)人車(chē)）控制技術(shù)的研究最早可以追溯到20世紀(jì)30年代，當(dāng)時(shí)主要為輪式/履帶式車(chē)輛的遙控技術(shù)。后來(lái)，控制技術(shù)逐漸從遙控發(fā)展到半自主、自主控制，從對(duì)輪式/履帶式車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的控制發(fā)展到對(duì)雙足式、多足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制，同時(shí)還增加了能夠完成復(fù)雜作業(yè)的功能性部件（如機(jī)械臂）的控制技術(shù)。20世紀(jì)80年代，DARPA在地面無(wú)人車(chē)的研制中投資研究輪式車(chē)輛的控制技術(shù)，并在90年代后，同國(guó)防部聯(lián)合機(jī)器人計(jì)劃（JRP）一起資助相關(guān)車(chē)輛控制技術(shù)的研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，DARPA連續(xù)啟動(dòng)無(wú)人車(chē)挑戰(zhàn)賽，在更大范圍內(nèi)引發(fā)對(duì)車(chē)輛控制技術(shù)的研究。DARPA20世紀(jì)80年代研制的地面無(wú)人車(chē)2001年，DARPA在未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)支持（FCS）項(xiàng)目下，開(kāi)展小型地面機(jī)器人（車(chē)輛）的研制。該項(xiàng)目研制的機(jī)器人采用步行或匍匐前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式，形成了新的控制方案。DARPA資助研究的“大狗”2008年，DARPA提出學(xué)習(xí)機(jī)動(dòng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是開(kāi)發(fā)新一代的學(xué)習(xí)算法，使無(wú)人控制的機(jī)器人成功穿越大型的、不規(guī)則障礙物，更為重要的是，通過(guò)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，這些算法將能讓機(jī)器人自主學(xué)會(huì)克服那些比人為編碼設(shè)定的更加復(fù)雜的實(shí)際地形。這個(gè)項(xiàng)目有六個(gè)研究團(tuán)隊(duì)相互合作和競(jìng)爭(zhēng)展開(kāi)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)提供了相同的由波士頓動(dòng)態(tài)研究所制造的小型四足機(jī)器人（LittleDog）。為了減少導(dǎo)航問(wèn)題中遙感技術(shù)的復(fù)雜性，每個(gè)團(tuán)隊(duì)也提供了一個(gè)由Vicon設(shè)計(jì)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)。這樣在相同的硬件條件下，研究團(tuán)隊(duì)可以專(zhuān)注于尋找解決問(wèn)題的最優(yōu)算法，去判斷崎嶇的地形變化。小型四足機(jī)器人（LittleDog）2010年2月，DARPA設(shè)置新的機(jī)器人自主技術(shù)ARM。項(xiàng)目的目標(biāo)是研制具有高度自主能力、能夠適合多個(gè)軍種任務(wù)使用的控制器，讓機(jī)器人能夠迅速并以最小的代價(jià)執(zhí)行人類(lèi)級(jí)別的任務(wù)ARM在沒(méi)有人控制情況下，通過(guò)充分使用自己的視覺(jué)、力量、和觸覺(jué)傳感器，靈活掌握和完成18種不同的任務(wù)，組成ARM機(jī)器人的包括手臂，脖子，頭傳感器等商業(yè)組件。當(dāng)前的機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠保護(hù)生命減少傷亡，但是在多種任務(wù)環(huán)境中能力有限，需要較多的人為干涉并且完成任務(wù)所需的時(shí)間也較長(zhǎng)。5、自主編組協(xié)調(diào)技術(shù)DARPA主持的自主協(xié)商編隊(duì)（ANTS）工程研究了基于自主協(xié)商的多UCAV協(xié)同控制在壓制敵方防空（SEAD）任務(wù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)UCAV在計(jì)劃和不同任務(wù)層次上的協(xié)同。90年代以前發(fā)展的是單功能化的組合式結(jié)構(gòu)，信息流通結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)單一。1991-1996，隨著一些新興技術(shù)的發(fā)展，如分級(jí)的鏈接狀態(tài)路由協(xié)議ISIS、操作系統(tǒng)內(nèi)核Mach、以及被廣泛應(yīng)用在工作站、PC、服務(wù)器、刀片服務(wù)器或單板計(jì)算機(jī)等互聯(lián)集群的分包通信和交換技術(shù)Myrinet。DARPA建立了分布式布局：由一固定的控制中心連接許多相同終端，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體組織單元的分化。1997-2001，為了解決終端數(shù)量和種類(lèi)的增加引發(fā)的問(wèn)題，協(xié)調(diào)各個(gè)部分之間資源的動(dòng)態(tài)分配，有效快速準(zhǔn)確提供更多服務(wù)，實(shí)現(xiàn)各部門(mén)之間實(shí)時(shí)溝通、動(dòng)態(tài)規(guī)劃的反饋機(jī)制。DARPAR設(shè)計(jì)出關(guān)系連接更加復(fù)雜的集成計(jì)算裝置，例如DARPA/SC-21Concept（2010），通過(guò)在計(jì)劃和不同任務(wù)層面上的協(xié)同，滿足了飛機(jī)戰(zhàn)斗編隊(duì)，艦艇作戰(zhàn)編隊(duì)等應(yīng)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)爭(zhēng)任務(wù)的合作要求。小結(jié)通過(guò)對(duì)DARPA自主技術(shù)的系統(tǒng)梳理，發(fā)現(xiàn)的一些事實(shí)顛覆了以前的認(rèn)識(shí)。首先是只有失敗的項(xiàng)目，沒(méi)有失敗的研究。自主技術(shù)研究是一種高風(fēng)險(xiǎn)的研究，由于認(rèn)識(shí)、研究條件及其他因素的制約，多個(gè)自主技術(shù)項(xiàng)目以失敗而告終。但是，這個(gè)失敗僅是沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并非研究本身一無(wú)是處。多個(gè)事例表明，那些被定義為失敗的項(xiàng)目，其研究中的成果，或從事相關(guān)研究的人員，仍然在后期相關(guān)的研究中發(fā)揮了巨大的作用。第二是DARPA在自主領(lǐng)域不僅關(guān)注基礎(chǔ)研究，同樣關(guān)注應(yīng)用技術(shù)研究。DARPA在最初研究人工智能技術(shù)的時(shí)候，項(xiàng)目均為基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。但很快，當(dāng)時(shí)DARPA的主管發(fā)現(xiàn)，純粹的基礎(chǔ)研究無(wú)法進(jìn)行衡量，甚至研究的目的都很模糊——特別是對(duì)人工智能這種高深的、能夠理解的人特別少的技術(shù)。于是，DARP