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3秒预测城市风向!华人学者团队开发AI新技术,让无人机飞行更省电

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如果一架配送无人机要把包裹送到几条街外,绕开建筑后尽量直飞,似乎就是最经济的选择。但如果这条直线恰好要顶着风,穿过一条风格外大的街道,无人机是该照直穿过去,还是稍微绕开一点,或者换个高度?最短的路线,一定最省电吗?

近日,来自田纳西大学、康考迪亚大学、麦吉尔大学、加州理工学院等机构的研究人员发布论文,提出 GeoWind2Plan 框架,将城市三维风场预测与无人机节能路径规划连接起来。这项工作由秦少翔(肖老师组访问学者),赵禹程(肖老师组博士)等人完成,田纳西大学的肖熊烨老师、康考迪亚大学的王良柱老师和加州理工学院的 Anima Anandkumar 共同担任通讯作者。


(来源:肖熊烨(DUAL)的主页: https://dual.xiongyexiao.com/)

GeoWind2Plan 系统只需接收建筑物的三维几何信息、背景风向与风速,以及任务起终点,就能预测相关区域的平均风场,再联合优化无人机的飞行路线与速度。在论文测试条件下,局部风场预测仅约需 3 秒;利用预测风场规划的航线,在模拟风场中评估时,逆风平均可实现 12.7% 的节能。

如果只是避开迎面吹来的风,似乎并不难。但在真实的城市环境中,风的流动远比想象中复杂。密集的建筑不断改变气流的速度和方向:风可能在狭窄的街道间加速,在高楼背后减弱,也可能绕过建筑群,形成复杂的局部流动。

那么,如何提前知道无人机沿途会遇到怎样的风?面对建筑布局各异、风向风速不断变化的城市环境,能否在短时间内准确预测复杂的三维风场?而当这些风场信息变得可用,又该如何将其转化为真正节能的飞行路线?

把复杂的风,算得更快

要让无人机真正利用风场信息规划路线,首先需要解决一个更基础的问题:如何知道城市中不同位置的风究竟是怎么吹的?

少翔和肖老师在接受 DeepTech 采访时解释,无人机路径规划本身已经是一个相对成熟的研究领域,但过去很少有方法能够充分考虑复杂的高分辨率城市风场。原因在于,建筑物让城市中的风结构变得十分复杂,准确的风场信息在现实中往往难以获得。如果无法获知无人机沿途的风场情况,即使有了路径规划算法,也很难真正利用风来降低能耗。

传统的计算流体力学方法,也就是 CFD,会把空间划分成网格,通过数值求解流体运动方程,计算建筑物周围的气流。这类方法能够提供高保真的三维风场,但计算成本较高。而且,风向或风速变化后,通常还需要重新计算。在我们的实验中,一个 1.2 公里尺度米级分辨率的城市场景,CFD 模拟约需 8 小时。而一次城市无人机任务,可能只持续几分钟到几十分钟。任务无法等到风场算完再出发,也不可能提前把所有风向、风速下的情况全部计算一遍。

近年来,神经算子(Neural Operator)的发展为解决这一问题提供了新的可能。GeoWind2Plan 就采用了 3D 傅里叶神经算子(FNO)作为局部风场预测模型。它先从 CFD 数据中学习建筑几何与风场之间的映射,任务开始时,再根据建筑信息快速推断气流。


图|GeoWind2Plan 的架构(来源:论文图 1)

但直接把整座城市交给模型,并不容易。高分辨率三维风场包含海量网格,而高质量模拟数据的生成又十分昂贵。采访中,肖老师提到,如何利用二十多个城市样本,让模型适应新的建筑布局,是研究中的关键挑战。

团队的一个做法,是先在整座城市上,从每个位置向多个方向发出射线,记录每条射线在多远处碰到建筑。相比单纯知道离最近的建筑有多远,这些距离信息能更直接地呈现街道通道、建筑遮挡和周边开敞程度,帮助模型判断建筑如何影响当地气流。

背后的考虑是,一个地方的风主要由周围能直接“看到”的建筑决定,被挡在后面的建筑影响很小。这相当于事先替模型筛掉了不必学习的建筑,有限的数据只需用在真正起作用的部分。由于射线会延伸到碰到建筑为止,之后即使切成小块,每块也带着块外能影响它的建筑信息。

接下来还有一个问题:假设模型只学过风从某个固定方向吹来的情况,实际任务中风从另一个方向吹来,该怎么办?

团队采用了旋转坐标系的方法。系统先把城市建筑转到一个与背景风对齐的参考坐标系中,使实际风向对应模型训练时的参考风向,再进行预测。预测完成后,风场的位置和速度向量一起转回原来的城市坐标系。这样,风向变化就被转化为模型所看到的建筑布局变化,减少了为不同来流角度分别准备训练数据的需求。

除了风向,风速也会发生变化。对此,研究团队同样利用了已有的物理规律:在一定条件下,如果建筑布局和风向不变,只是背景风速增大,那么城市各处的平均风速通常也会近似按比例增加,而整体的气流分布格局不会发生太大变化。因此,系统不必针对不同风速重新预测整个风场,只需要根据实际风速与训练时参考风速的比例,对预测结果进行调整。

通过这些已有物理关系处理,模型可以把更多学习能力放在建筑几何布局如何改变气流上。

只算局部,怎么预测整个城市?

对于一架执行具体任务的无人机来说,它通常只会经过城市中的一小部分区域,并不需要知道每条街道、每栋建筑周围的风速。因此,GeoWind2Plan 进一步缩小了预测范围,只计算与飞行任务相关的局部区域。

这一思路不仅体现在实际预测中,也贯穿了模型的训练过程。训练时,研究团队将完整的城市风场划分为许多局部空间块,让模型分别学习建筑结构与气流之间的关系;执行任务时,系统则根据无人机的起点和终点,确定需要预测的区域,而不必计算整座城市。

少翔解释,这样的设计不仅能够减少计算量,也有助于解决训练数据不足的问题。由于不同区域的气流遵循相同的基本物理规律,研究人员可以从一个完整的城市风场中提取大量局部样本,让模型学习具有共性的流动特征。与此同时,将模型的注意力集中在与局部气流相关的信息上,也有助于提高它在不同城市环境中的泛化能力。

多方向距离特征在切块前就已基于整座城市算好,因此每个小块仍能反映块外建筑的影响。完成预测后,系统再将各个空间块拼接起来,并对重叠区域进行平滑处理,最终形成可供路径规划使用的三维风场。

论文中的实验显示,当预测区域的总宽度设为起终点水平距离的 20% 时,风场预测时间从完整区域的约 15 秒缩短至约 3 秒,而规划航线的能耗几乎没有变化。


(来源:论文图 2)

但当这一比例进一步降至 10% 时,如果有高度超过无人机飞行上限的建筑物横跨预测区域,无人机就可能无法在有限的空间内找到绕行路线,导致路径规划失败。因此,预测范围既不能太大,以免带来不必要的计算,也不能太小,否则无人机没有足够空间避开障碍、调整航线。

让无人机自己寻找更省电的路线

有了城市风场的预测结果,接下来的问题是:如何让无人机利用这些信息,找到真正省电的飞行路线?

首先需要弄清楚,无人机的能耗究竟由什么决定。除了飞行距离,风向、风速以及无人机自身的飞行速度都会影响耗电量。例如,同样以一定速度向前飞行,顺风时可以借助风力前进,逆风时则需要克服更大的空气阻力,消耗更多能量。

但这并不意味着飞得越慢就越省电。多旋翼无人机即使只是悬停在空中,也需要持续消耗能量。飞得慢,虽然可能减少空气阻力,却会延长飞行时间;飞得快,又可能增加瞬时能耗。因此,真正需要考虑的是,怎样选择飞行路线和速度,才能让整段旅程的总能耗最低。

为此,GeoWind2Plan 引入了一个考虑三维风场的无人机能耗模型,将飞行速度、当地风速、空气阻力、加速度等因素纳入计算,以此评估不同飞行方案的能耗。在具体规划时,系统首先利用快速探索随机树(RRT)算法,在建筑物之间生成多条能够避开障碍的候选路线,再结合预测的风场,对这些路线进行优化。

少翔在采访中解释,团队希望无人机能够在连续的三维空间中规划路线,而不是只能沿着预先划分的网格移动。这意味着,无人机可以根据风场变化,灵活调整飞行方向、高度和速度,例如稍微偏离原有路线,避开强逆风区域,或者利用建筑物形成的有利气流,从而降低能耗。

研究团队在多个未参与训练的城市街区中进行了测试。结果显示,与完全不考虑风场的路径规划相比,GeoWind2Plan 在顺风、逆风和侧风任务中的平均能耗分别降低了 6.9%、12.7% 和 4.5%。其中,逆风条件下的节能效果最为明显。


图|不同风向条件下无人机优化后的飞行轨迹。(来源:论文图 3)

更重要的是,尽管 GeoWind2Plan 使用的是 AI 预测的风场,而非高精度 CFD 风场,其规划结果仍然实现了 CFD 参考方案大部分的节能收益。这说明,对于无人机路径规划而言,AI 并不一定需要精确还原城市里的每一处气流变化,只要预测结果能够捕捉影响飞行决策的关键风场特征,就有可能帮助无人机找到更节能的路线。

复杂世界,不一定需要复杂模型

相比一味追求风场预测的精确程度,GeoWind2Plan 更关注预测结果能否真正帮助无人机作出决策。这背后也体现了两位研究者在采访中反复强调的一种思路:面对复杂的物理世界和有限的训练数据,首先需要弄清楚,哪些信息是模型必须学习的,哪些问题可以利用已有的物理知识来简化。

这一思路也体现在团队的另一项研究 ScaleSplit-NO 中。ScaleSplit-NO 试图解决的是另一个问题:如何根据当前的湍流状态,预测下一时刻的流动变化。湍流包含不同尺度的复杂运动,如果让一个模型同时学习整个空间中的全部细节,不仅需要大量训练数据,也会占用巨大的计算资源。


(来源:arXiv)

研究团队利用了湍流的一项基本物理特征:大尺度运动影响范围广,但不需要很高的分辨率就能描述整体结构;小尺度运动则主要受到局部环境的影响。因此,他们设计了两个相互配合的模型,一个负责预测全局的大尺度流动,另一个结合前者的结果,进一步预测局部的精细变化。

这样一来,模型既不需要一次处理整个高分辨率流场,也能利用有限的数据学习复杂的湍流变化。在分辨率达 256 立方的湍流数据测试中,ScaleSplit-NO 的单步预测误差比现有表现最好的方法降低了 53%,训练显存占用则比最节省显存的对比方法减少了 79%。

尽管两项研究面向不同的问题,但它们有着相似的出发点:利用对物理世界的已有认识,将复杂问题拆解成更容易求解的部分,在有限数据和计算资源下实现更高效的预测。不过,从高效预测到真正应用于现实世界,仍然存在不小的距离。


(来源:论文图 3)

肖老师指出,目前 GeoWind2Plan 主要预测的是城市平均风场,尚未充分考虑瞬时湍流的影响。而对于实际飞行中的无人机来说,复杂的湍流不仅影响能耗,也可能威胁飞行安全。

如果未来能够进一步提高对湍流的预测能力,系统就有望提前识别潜在的危险区域,帮助无人机避开不利的飞行环境。此外,真实城市的风场也远比模拟环境复杂。研究团队正在探索利用少量现场观测数据,对模型进行进一步校准,以缩小模拟与现实之间的差距。

运营/排版:何晨龙

注:封面/首图由 AI 辅助生成

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