實(shí)現(xiàn)完全自主的無(wú)人駕駛還有多遠(yuǎn)

現(xiàn)如今，人工智能已經(jīng)在下圍棋方面勝出，可在駕駛汽車時(shí)，卻似乎比人類顯得笨拙。今年美國(guó)的一輛無(wú)人駕駛汽車在城市道路上做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將一位橫穿馬路的行人撞倒。這起事故，也讓這一備受熱捧的新技術(shù)受到一些爭(zhēng)議。無(wú)人駕駛下一步該從哪些技術(shù)角度進(jìn)行完善，我國(guó)的無(wú)人駕駛技術(shù)近來(lái)有哪些進(jìn)展？日前，在由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)主辦、西安交通大學(xué)承辦的2018中國(guó)自動(dòng)化大會(huì)上，中國(guó)工程院院士鄭南寧對(duì)此進(jìn)行了解讀。

中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授/人工智能與機(jī)器人研究所所長(zhǎng)、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)理事長(zhǎng) 鄭南寧

下圍棋屬于邏輯推理腦力勞動(dòng)，而駕駛汽車卻是感知、運(yùn)動(dòng)等結(jié)合的腦力勞動(dòng)。人類經(jīng)過(guò)駕校訓(xùn)練，相對(duì)容易就可以掌握這個(gè)技能，但是用機(jī)器實(shí)現(xiàn)它卻遇到了艱難挑戰(zhàn)。人工智能追求的長(zhǎng)期目標(biāo)是使機(jī)器能像人類一樣感知世界和解決問(wèn)題。對(duì)當(dāng)前人工智能而言，解決某些對(duì)人類來(lái)說(shuō)屬于智力挑戰(zhàn)的問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單，但解決那些與真實(shí)物理世界發(fā)生交互的問(wèn)題依然很困難，而無(wú)人駕駛恰恰屬于這類問(wèn)題。

人類擅長(zhǎng)感知預(yù)測(cè) 計(jì)算機(jī)擅長(zhǎng)邏輯推理

這種情況在人工智能領(lǐng)域被稱為莫拉維克悖論?！八馕吨祟愑X(jué)得簡(jiǎn)單的事情，計(jì)算機(jī)卻難做到，人類覺(jué)得難度大的事情，計(jì)算機(jī)卻完成得很輕松。”鄭南寧說(shuō)，早在20世紀(jì)80年代，人工智能研究者就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)挑戰(zhàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)而言實(shí)現(xiàn)邏輯推理等人類高級(jí)智慧只需要相對(duì)很少的計(jì)算能力，而實(shí)現(xiàn)感知、運(yùn)動(dòng)等智慧行為卻需要巨大的計(jì)算能力。

這種情況是由二者的基本特性決定的。如果把人腦和計(jì)算機(jī)做一個(gè)比較，計(jì)算機(jī)顯然是在邏輯性、可重復(fù)性和規(guī)范性方面超過(guò)了人類，但是人類的大腦具有動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性，還具有創(chuàng)造性和想象力?！叭祟愃季S是在記憶經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)、模式分類以及學(xué)習(xí)的。特別要注意這個(gè)預(yù)測(cè)能力，每個(gè)人的大腦中都有預(yù)測(cè)的模型，所以說(shuō)從本質(zhì)上來(lái)講，大腦就是一個(gè)預(yù)測(cè)的機(jī)器，而對(duì)于駕駛行為而言，預(yù)測(cè)能力非常重要。”鄭南寧說(shuō)：“但計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)這種預(yù)測(cè)則非常困難?！?/p>

傳統(tǒng)人工智能的局限性

鄭院士提到，人類面臨的許多問(wèn)題具有不確定性、脆弱性和開放性。當(dāng)下，人工智能的理論框架，是建立在演繹邏輯和語(yǔ)義描述的基礎(chǔ)方法之上，但我們不可能對(duì)人類社會(huì)的所有問(wèn)題建模，因?yàn)檫@中間存在著條件問(wèn)題，我們不可能把一個(gè)行為的所有條件都模擬出來(lái)，這是傳統(tǒng)人工智能的局限性。

①符號(hào)化人工智能的局限性：對(duì)于一個(gè)可解的問(wèn)題，通常的解決方法是抽象出一個(gè)精確的數(shù)學(xué)意義上的解析式數(shù)學(xué)模型（抽象不出，即歸納為不可解問(wèn)題）。然后對(duì)已建立的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出確定的算法，但確定的算法往往在面對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界中，具有測(cè)不準(zhǔn)和不完備等缺陷。圖靈意義下可計(jì)算問(wèn)題都是可遞歸的（“可遞歸的”都是有序的）,而實(shí)際中存在大量的開放性、動(dòng)態(tài)性和脆弱性問(wèn)題。

②深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局限性：CNN算法在實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)過(guò)度依靠訓(xùn)練數(shù)據(jù)，缺乏推理和對(duì)因果關(guān)系的表達(dá)能力，而大量的人工智能問(wèn)題需要給出處理對(duì)象間的關(guān)聯(lián)、因果以及控制關(guān)系。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依靠于指令驅(qū)動(dòng)或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，其存儲(chǔ)架構(gòu)無(wú)法進(jìn)行高效的圖數(shù)據(jù)索引和存儲(chǔ)，而在一些應(yīng)用中需要基于事件驅(qū)動(dòng)的計(jì)算。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也無(wú)法在計(jì)算過(guò)程中實(shí)現(xiàn)有效的注意機(jī)制（計(jì)算負(fù)載與資源分配），而選擇性注意機(jī)制是構(gòu)成高級(jí)AI的基本核心。

讓機(jī)器像人一樣對(duì)物理世界直觀理解

人腦對(duì)于非認(rèn)知因素的理解更多地來(lái)自于直覺(jué)，并受到經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)期知識(shí)積累的影響，這些因素在人對(duì)物理環(huán)境理解與行為交互、非完整信息處理等問(wèn)題中有著極其重要的作用。而且人類的學(xué)習(xí)是一種與事物互動(dòng)的過(guò)程，人類認(rèn)知過(guò)程中的特征概念形成往往是建立在語(yǔ)義解釋的基礎(chǔ)上；人類依賴對(duì)事物的觀察（或顯著性特征的注意）在大腦中建立不同的內(nèi)部分析模型，并利用這些模型來(lái)推測(cè)事物的變化，或是從過(guò)去的事件預(yù)測(cè)未來(lái)。

而機(jī)器學(xué)習(xí)中的特征提取及預(yù)測(cè)模型與人類認(rèn)知過(guò)程中的特征概念形成及其內(nèi)部分析模型是完全不同的，為使機(jī)器學(xué)習(xí)模型產(chǎn)生人類的認(rèn)知結(jié)果，需要其所學(xué)特征在一定程度上符合神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)要使特征具有數(shù)學(xué)和語(yǔ)義的解釋性。此外，大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可塑性，以及人腦在非認(rèn)知因素和認(rèn)知功能之間的相互作用，它們是形式化方法難以、甚至不能描述的。因此，鄭南寧院士提出：“我們需要從腦認(rèn)知機(jī)理和神經(jīng)科學(xué)獲得靈感和啟發(fā)，發(fā)展新的AI計(jì)算模型與架構(gòu)，讓機(jī)器具備對(duì)物理世界最基本的感知與反應(yīng)，即使機(jī)器具有“常識(shí)”推理的能力，從而實(shí)現(xiàn)更加健壯的人工智能系統(tǒng)。”

需要建造一種更加健壯的人工智能，需要腦認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)的啟發(fā)。計(jì)算機(jī)和人類大腦是對(duì)問(wèn)題求解的物質(zhì)基礎(chǔ)。在智力和計(jì)算能力方面，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類，但是人類面對(duì)的大部分問(wèn)題都是開放的、動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的，大腦在處理這種問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出的想象和創(chuàng)造，還有對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的分析和描述，是傳統(tǒng)人工智能的方法所不能企及的，我們只能夠從人類大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去獲得構(gòu)造新的人工智能的因素。

直覺(jué)推理、認(rèn)知推理和因果模型是構(gòu)建健壯的人工智能必須考慮的基本因素。那么如何來(lái)構(gòu)造一個(gè)具體的系統(tǒng)？鄭南寧院士認(rèn)為，構(gòu)造機(jī)器人需要三個(gè)基本要素：1．對(duì)環(huán)境中的所有對(duì)象進(jìn)行特征識(shí)別，并且進(jìn)行長(zhǎng)期記憶；2．理出對(duì)象間的關(guān)系，并對(duì)它們相互間的作用進(jìn)行描述；3．基于想象力的行為模型，人在進(jìn)行具體行動(dòng)之前，會(huì)想象其帶來(lái)的后果，但機(jī)器就需要分析物體之間的各種關(guān)系。

這三種要素是讓機(jī)器像人一樣理解物理世界的基礎(chǔ)。具有想象力的人工智能，就需要首先構(gòu)造一個(gè)內(nèi)部預(yù)測(cè)的模型，在行動(dòng)之前預(yù)想到的結(jié)果，其次給出環(huán)境模型，提取有用信息，然后規(guī)劃想象行為，最大化任務(wù)效率（具有想象力的AI）。

用認(rèn)知解決無(wú)人駕駛

現(xiàn)在絕大多數(shù)自動(dòng)駕駛采取了場(chǎng)景感知與定位，決策規(guī)劃與控制，這是一種簡(jiǎn)單的 ADAS 形式，但我們要如何通過(guò)新的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題？鄭南寧院士認(rèn)為，第一，要讓自動(dòng)駕駛汽車像人一樣理解和記憶，就要具有記憶推理和經(jīng)驗(yàn)分析的技術(shù)；第二就，要構(gòu)建進(jìn)化發(fā)展的自動(dòng)駕駛，其學(xué)習(xí)過(guò)程要像人類一樣熟能生巧。

人對(duì)變化是非常敏感的，可以提取交通場(chǎng)景中的顯著性變化。比如你在開車時(shí)，如果右前方突然來(lái)了一個(gè)騎自行車的人，你的注意力會(huì)轉(zhuǎn)移到騎車人的身上。在自動(dòng)駕駛汽車上，鄭院士認(rèn)為要構(gòu)造一個(gè)選擇性的注意機(jī)制網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)種圖像進(jìn)行理解，并根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)的表示，忽略不相關(guān)的對(duì)象，選擇下一步要采取的動(dòng)作。把場(chǎng)景感知和情境計(jì)算融合在一起。構(gòu)建一個(gè)模型，融合先進(jìn)知識(shí)概念，實(shí)現(xiàn)記憶學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭录?qū)動(dòng)，得出可行駛數(shù)據(jù)和不可行駛數(shù)據(jù)大的劃分。

無(wú)人駕駛沒(méi)那么快進(jìn)入生活

從對(duì)錯(cuò)誤的容忍度來(lái)說(shuō)，人工智能系統(tǒng)可以分成兩大類：一類犯了錯(cuò)誤可以重來(lái)，另一類在統(tǒng)計(jì)意義上不能夠犯錯(cuò)誤，無(wú)人駕駛屬于后者。

從這一現(xiàn)實(shí)來(lái)看，鄭南寧認(rèn)為當(dāng)前的無(wú)人駕駛技術(shù)主要面臨對(duì)環(huán)境的可靠感知、預(yù)行為理解、應(yīng)對(duì)意外等方面的難題。

“對(duì)環(huán)境的可靠感知，也就是說(shuō)無(wú)論在任何路況和天氣狀況下，無(wú)人駕駛汽車都能準(zhǔn)確而周密地感知周圍環(huán)境?！编嵞蠈幷f(shuō)，而預(yù)行為理解即對(duì)對(duì)方可能產(chǎn)生的行為進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估和判斷，另外還有就是對(duì)意外遭遇的處理，包括如何對(duì)交警的手勢(shì)作出反應(yīng)，如何應(yīng)對(duì)突然從路邊闖進(jìn)一個(gè)小孩等意外情況?！斑@樣的突發(fā)異常情況是無(wú)人駕駛必須要解決的，但目前還無(wú)法事先為這類場(chǎng)景編碼，也無(wú)法用簡(jiǎn)單的基于規(guī)則的模型來(lái)應(yīng)對(duì)。”

鄭南寧表示，針對(duì)這些難題所開展的嘗試，需要把深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶、選擇性注意機(jī)制以及提取知覺(jué)物體等技術(shù)，整合在基于認(rèn)知計(jì)算引擎的自主駕駛系統(tǒng)中，這是無(wú)人駕駛研究領(lǐng)域值得研究的方向。

他總結(jié)出了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜路況中無(wú)人駕駛的四個(gè)核心技術(shù)：

1．如何在環(huán)境感知數(shù)據(jù)獲取與融合過(guò)程給出知覺(jué)物體的基本判斷，形成選擇注意的基本單元；

2．如何在注意的基礎(chǔ)上，將非完整的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為用于決策規(guī)劃的空間結(jié)構(gòu)信息；知覺(jué)編組能用最少的領(lǐng)域只是形成目標(biāo)假設(shè)；

3．如何在學(xué)習(xí)和知識(shí)集成的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)處理行駛過(guò)程中的突發(fā)事件，即具有自學(xué)習(xí)功能

4．如何在環(huán)境交互和行為決策的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無(wú)人駕駛的控制系統(tǒng)

在11月份由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織的2018中國(guó)智能車未來(lái)挑戰(zhàn)賽上，西安交通大學(xué)研制的“先鋒號(hào)”智能汽車進(jìn)入高架道路后，平穩(wěn)匯入多輛有人駕駛車輛的自然車流。這輛無(wú)人駕駛實(shí)驗(yàn)車還在沒(méi)有GPS信號(hào)的情況下，在高架橋下的地面道路，由計(jì)算機(jī)自主駕駛通過(guò)了S形的彎道和各種路障。

盡管取得了這些進(jìn)展，但鄭南寧認(rèn)為對(duì)無(wú)人駕駛?cè)匀粦?yīng)該保持冷靜，并沒(méi)有那么快就進(jìn)入生活?！罢鎸?shí)的交通環(huán)境復(fù)雜多變，實(shí)現(xiàn)完全自主的無(wú)人駕駛是一個(gè)令人興奮卻又望而生畏的艱難挑戰(zhàn)?！?/p>

發(fā)現(xiàn)人工智能的突破點(diǎn)還需更多時(shí)間

那么，最終有沒(méi)有可能找到一種終極算法，能使某種智能不僅能完成單一的任務(wù)，還能具有非常強(qiáng)大的普遍適應(yīng)性能力，來(lái)解決無(wú)人駕駛等任務(wù)呢？

鄭南寧表示，未來(lái)需要從腦認(rèn)知和神經(jīng)科學(xué)研究中得到啟發(fā)，發(fā)展一種新的學(xué)習(xí)機(jī)器。

“將神經(jīng)科學(xué)和腦認(rèn)知作為新的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和架構(gòu)的靈感來(lái)源，使用這些知識(shí)來(lái)幫助我們思考在人工智能系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)同樣的功能，是未來(lái)人工智能發(fā)展重要的研究方向之一?！编嵞蠈幷f(shuō)，“我們需要更多時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)受腦認(rèn)知和神經(jīng)學(xué)科啟發(fā)的人工智能突破點(diǎn)在哪里，也需要多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家和理論科學(xué)家的合作?！?/p>

他同時(shí)提醒，面對(duì)近年來(lái)人工智能的熱潮，更應(yīng)該將基礎(chǔ)研究建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚?、模型建造、?shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析的基礎(chǔ)上。

“如果讓社會(huì)的期望值過(guò)高，又沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，它就有可能給學(xué)科發(fā)展帶來(lái)低潮，甚至是災(zāi)難性影響，使最初期望的目標(biāo)成為‘皇帝的新衣’?！编嵞蠈幷f(shuō)：“面對(duì)人工智能的研究與其在無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用熱潮，我們需要保持冷靜的思考，踏踏實(shí)實(shí)推進(jìn)基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！?/p>