中國網/中國成長門戶網訊 人工智能（AI）技巧的迅猛成長正催生出迷信發明的全新范式，極年夜地增進了對各類空間和時光標準下天然景象的懂得，從而推進了迷信的提高與立異。
跟著AI的不竭演進，新的迷信研討范式AI4S（AI for Science）的突起為迷信研交通究開辟了新的途徑。特殊是在AI4S范式下的空間迷信試驗範疇的研討，將無力增進空間迷信試驗範疇獲得嚴重迷信結果，推進AI與空間迷信穿插學科的繁華成長。
本文聚焦中國空間站空間迷信試驗（以下簡稱“空間迷信試驗”）範疇，在回想AI4S在空間迷信試驗範疇成長的基本上，深刻剖析了AI4S在微重力前提下空間迷信試驗多模態數據智能表征、復雜空間景象的形式辨認、範疇常識的智能提取及多起源、跨學科數據融會剖析等方面所面對的題目和挑釁。針對這些挑釁，本文繚繞數智驅動在空間迷信試驗數據形式發掘、範疇常識發明與推理、跨學科認知智能，以及年夜模子構建與利用等方面提出AI4S在空間迷信試驗範疇的成長與思慮。希冀經由過程加大力度範疇上風、樹立開放生態等舉動，配合推進空間迷信試驗範疇年夜數據發掘與智能認知的不竭成長。
我國空間站空間迷信試驗範疇研討概略
中國空間迷信與利用技巧蓬勃成長，已展開并將連續展開一系列空間迷信與利用義務和打算，發生的空間迷信數據一日千里，并呈迅猛增加態勢。在AI4S范式的佈景下，聯合微重力前提下空間迷信試驗的範疇數據特色，充足發掘空間迷信試驗數據包含的低價值信息，將無力增進迷信發明與認知成長。
多學科年夜範圍的進步前輩空間迷信試驗項目
作為空間迷信研討成長的主要陣地，中國空間站是我國將來10—15年範圍最年夜的空間綜合研討試驗平臺，將建成國際進步前輩程度的國度太空試驗室，高效展開系統化的空間迷信與利用研討和新技巧實驗，不竭產出嚴重科技結果，連續獲取綜合利用效益。作為我國航天史上範圍最年夜、持久有人照顧的空間試驗平臺（圖1），中國空間站在空間性命迷信與生物技巧、微重力流體物理與熄滅、空間資料迷信、空間基本物理等多個迷信範疇，支撐展開近千項進步前輩性和前瞻性研討項目，將獲取海量、多源、低價值的迷信數據，為展開AI賦能的跨學科智能認知供給基本。
空間試驗全周期多起源多模態年夜數據資本
中國空間站迷信試驗項目獲取的數據產物品種超2 000種，數據體量估計將達近百PB級。數據資本具有全周期多起源、多學科跨範疇、多模態多角度等特色。
全周期多起源海量空間迷信試驗數據。空間迷信試驗籠罩地基培養試驗、空中婚配試驗、在軌微重力周遭的狀況下空間試驗、六合同步比對試驗、空中前往試驗等全周期的空間迷信試驗經過歷程和階段，并采集、處置、剖析、存檔和共享響應階段和經過歷程的試驗數據，以及來自空中鏡像平臺試驗數據、數字孿生數據和微重力模仿試驗數據等起源普遍、長時光獲取的海量、豐盛數據（圖2）。
多學科跨範疇數據。空間迷信試驗數據涵蓋空間性命迷信與生物技巧、微重力流體物理與熄滅迷信、空間資料迷信、空間基本物理等多學科範疇的試驗數據，觸及籠罩面廣且多樣（圖2）。
多模態多角度數據。空間迷信試驗數據包括圖像、錄像、語音、文本、數值等。此中，圖像數據又包括可見光、熒光、紅外、X射線、顯微等涵蓋多種模態多樣情勢。如熄滅迷信試驗柜、流體迷信試驗柜等試驗柜，還設置了多角度的不雅測裝備對統一試驗經過歷程停止多個角度的同步不雅測。
數智驅動的空間迷信試驗研討
基于中國空間站的空間迷信試驗年夜數據作為信息的主要載體，包含了空間迷信試驗範疇內涵紀律、形式與常識。面向空間迷信試驗年夜數據展開數據發掘與智能認知的研討，將推進空間迷信試驗範疇新實際、新方式與新常識的高效產出。空間迷信試驗範疇內的跨學科一起配合，學科內常識的穿插融會，將加快範疇內普通性紀律的嚴重迷信發明，也將推進全部空間迷信試驗範疇朝著加倍開放、協同和智能化的標的目的邁進，對空間迷信試驗研討的新形式摸索與高東西的品質成長具有主要意義。
空間迷信試驗範疇AI4S研討的題目與挑釁
空間迷信試驗範疇AI4S的研討旨在聚焦摸索AI與空間迷信試驗範疇的深度融會，應用AI技巧進修、模仿、猜測和優化空間迷信試驗範疇各類景象和紀律以處理各類迷信題目，構建以AI支持基本和前沿的空間迷信試驗數據研討的新形式，加快空間迷信試驗範疇科研范式變更和才能晉陞，從而推進範疇迷信新發明和立異。空間迷信試驗範疇AI4S研討面對的題目與挑釁如下。
空間迷信試驗多模態數據信息提取的復雜與艱苦，使得數據表征、特征融會更具挑釁。空間迷信試驗展開經過歷程中，針對特定研討範疇的試驗對象發生的試驗數據，往往以分歧的模態情勢存在，如物理量參數、圖像、錄像等數據，這些數據都隱含了研討對象在空間特別周遭的狀況和試驗前提下的迷信紀律。多模態表征經由過程應用多模態數據之間的互補性，剔除模態間的冗余性，從而進修并提取分歧模態數據的特征表現。空間迷信試驗發生的多模態試驗數據的復雜處置方法、六合差別、異質性等原因，使得構建周全正確的表征極具挑釁性（圖3）。多模態語義對齊辨認多模態信息之間的跨模態銜接和彼此感化。例如，剖析空間迷信試驗的物理參量和圖像錄像數據時，需求將特定的物理參量與圖像或錄像對齊。模態之間的對齊在技巧上存在良多艱苦，由於分歧模態之間能夠存在隱含聯繫關係與長間隔的依靠關系，觸及含混的朋分，并且能夠是一對多、多對多的聯繫關係性，需求處置分歧模態之間的歧義，以精準婚配跨模態信息，并最年夜水平下降信息損耗。多模態信息融會抽取自空間迷信試驗分歧模態的信息，整分解多模態特征信息，應用多個起源分歧模態的互補信息履行剖析與猜測。分歧模態的信息能夠具有分歧的猜測才能和噪聲拓撲，一方面分歧模態之間的聯繫關係信息有互補感化，另一方面模態本身的特異性又有很強的標識效能。同時，依據待融會模態信息的特色可以分為異質多模態融會（如文本與圖像）和同質多模態融會（如深度圖與灰度圖）等多種情形，獲取分歧模態試驗數據間的個性和模態內的特徵信息，具有極年夜的盤算復雜度。
多束縛前提下的空間迷信試驗數據多樣化與復雜聯繫關係，使得形式辨認與剖析變得更為艱苦。在空間迷信試驗範疇，停止迷信試驗時遭到多種共享會議室束縛前提的影響，包含宇宙高溫、強輻射、微重力等多重原因。這些束縛前提招致獲取的試驗數據浮現出極年夜的多樣性和復雜性，使得數據的形式辨認和剖析變得艱苦。一方面，需求應對數據中的噪聲、不斷定性及多模態數據之間的復雜聯繫關係。在處置這些多重束縛下的數據時，迷信家們面對著挑釁，需求開闢出具有魯棒性的算法，以確保正確性和周全性，推進對復雜空間試驗景象的深刻懂得和迷信試驗數據的有用剖析。別的一方面，持久微重力前提下迷信試驗數據的剖析發掘不只需求從復雜數據中發明形式與聯繫關係，更需求聯合分歧的周遭的狀況變量及試驗變量、先驗常識幫助支撐有興趣義、有價值的形式發掘與迷信發明。是以，若何將這些把持變量、先驗常識停止有用編碼，融進深度神經收集，支撐多元數據的形式發掘與聯繫關係建模面對挑釁。
多起源、跨學科常識聯繫關係復雜，使得跨範疇常識穿插融會剖析極具挑釁。在空間迷信試驗研討範疇，多學科穿插的佈景使得AI4S無機會打破學科間的壁壘，推進分歧範疇間的深度融會與協同立異。例如，流膂力學中常用的粒子圖像測速方式。可在空間生物試驗頂用于追蹤細胞的活動，也可在微重力物理試驗頂用于追蹤流化床內顆粒的活動跳舞場地。但是，分歧學科及起源的數據和常識既具有各自奇特的構造系統，又有錯綜復雜的關系，這使得借助AI技巧完成數據的有用聯繫關係和常識的深度融會成為一項至關主要的挑釁。
詳細而言，空間迷信試驗研討的跨範疇信息融會面對3個難點：異構數據尺度化。分歧範疇的空間迷信試驗數據具有懸殊的構造和內在。為增進數據共享，需求樹立同一的數據尺度，并努力完成高效的異構數據尺度化。多源數據聯繫關係。空間迷信試驗剖析觸及多起源的數據：傳感器丈量值、錄像圖像、文獻冊本等。多源數據之間的關系（如熄滅試驗中錄像像素值與溫度值的對應關系）復雜、隱晦而多變，難以被通用算法所猜測。需求聯合迷信試驗數據的物理模子與AI的進修才能，完成正確高效的數據聯繫關係剖析。跨範疇常識聯繫關係。一方面，需求構建範疇常識圖譜，描繪學科自己的常識系統；另一方面，需求消解多學科之間的專門研究隔膜，提醒跨範疇常識的內涵聯絡接觸與類似性。例如，空間流化床試驗的迷信家盼望完成對大批顆粒的群體追蹤，需求AI模子供給其他範疇內相干的常識和方式。而年夜說話模子經由過程將海量數據信息映射至配合的語義空間，有才能經由過程語義類似性、挖掘分歧學科常識之間的聯絡接觸。
空間迷信試驗範疇成長與思慮
空間迷信試驗數據形式發掘與剖析
針對空間迷信試驗範疇的數據形式發掘與剖析，重點包含時序數據形式發掘和迷信試驗圖像/錄像智能剖析兩方面。
在時序數據形式發掘方面。空間迷信試驗載荷發生海量構造化遠測時序數據，經由過程整合分歧起源的數據停止發掘，應用基于深度進修的數據猜測模子，聯合在線進修方法及時調劑模子，可以深刻剖析試驗載荷體系的要害參數和主要的特征表征因子，提醒復雜形式、趨向和聯繫關係，進步試驗載荷毛病風險猜測的才能。同時，融會範疇常識圖譜停止因果關系發掘，進步模子成果的可托度和可說明性，為毛病根因定位和復雜景象懂得供給主要技巧支撐。
在空間迷信試驗圖像/錄像智能剖析方面。經由過程研討試驗目的檢測、實例朋分、試驗目的追蹤、試驗目的行動和形式剖析及試驗目的三維重建等浩繁要害技巧，可以完成對空間生物、植物、植物試驗圖像的高效剖析和懂得。這些技巧支撐了定量剖析和可視交互剖析，為迷信家供給了豐盛的數據基本和更平面的察看視角。聯合範疇常識的加強，可以完成更高條理的推理與試驗目的行動、發展等形式發掘，進而推進空間迷信試驗範疇的深刻研討和立異發明。
經由過程整應時序數據形式發掘和迷信試驗圖像/錄像智能剖析，聯合範疇常識加強方式，可以完成對範疇新常識的挖掘，推進空間迷信試驗研討和立異的成長。
空間迷信試驗範疇常識的發明與推理
空間迷信試驗海量數據中包含了豐盛的、狼藉的、待發掘的範疇常識。空間迷信試驗範疇常識的發明與推理旨在整合多源數據，融會剖析多源數據中的要害信息并智能提取範疇常識，樹立範疇常識系統，以增進更周全的空間試驗景象懂得和提醒深條理紀律。
針對範疇數據多源異構特徵，基于同一表征進修方式，將在軌試驗、空中培養與同步試驗、空中鏡像等發生的多源數據停止表征信息提取，將分歧的特征映射到同一的常識表現空間中。聯合實體辨認、關系抽取等範疇常識抽取方式，提取空間迷信試驗範疇常識，并基于常識表現、常識融會、常識推理方式，完成分歧起源常識的消歧和對齊，將對齊的多源數據和獲取的範疇常識從概念層和實例層對齊后再次融會到全局視圖的常識圖譜中，構建空間試驗範疇常識圖譜，樹立範疇常識概念和系統。同時，基于已有常識基本，應用常識推理技巧方式推導出新的未知的常識，提醒未知範疇的潛伏常識與聯繫關係信息，增進空間迷信試驗範疇新的迷信發明。
空間迷信試驗多起源、跨學科數據智能融會與協同立異
在空間迷信試驗研討中，信息的尺度化共享、數據的聯繫關係剖析與常識的融會推理配合組成了跨範疇協同立異的基本。多源異構數據尺度化與管理。為確保數據的尺度化共享，需求構建空間迷信試驗範疇同一的數據尺度和規范，明白各類數據的格局、構造、存取方法等。在此基本上，聯合AI算法與模子，完成多源異構數據的主動尺度化與高效管理。基于AI的多源數據剖析。聯合人類認知與AI技巧，經由過程圖像、可視化等手腕展現數據，并供給AI算法的演算成果，提醒多源數據中復雜的關系，領導迷信家深刻摸索試驗紀律。跨學科常識融會與推理。應用AI模子從科技文獻中提取常識實體與關系，構建學科常識圖譜，經由過程算法婚配分歧圖譜中的類似實體與關系，提醒各範疇迷信道理與思緒方式的類似性，以增進跨範疇的結果共享與協同立異。
空間迷信試驗範疇年夜模子的利用
範疇年夜模子可以或許晉陞範疇數據特征表現的才能。經由過程構建同一的、跨場景、多義務的多模態空間迷信試驗範疇基本年夜模子，樹立空間迷信試驗物理量、文本、圖像、錄像等多模態數據間的語義聯繫關係，發掘潛伏聯繫關係關系，摸索多模態迷信試驗數據剖析與懂得的技巧前沿，為迷信試驗年夜數據發掘、常識圖譜構建、圖像/錄像智能剖析與懂得、智能幫助決議計劃等供給可盤算的關于多模態數據的構造化表現，為面向空間迷信試驗範疇多模態數據的智能化剖析與利用供給有用的技巧支持。構建強盛的空間迷信試驗剖析年夜模子基座，繚繞空間迷信試驗範疇年夜模子可以構建“平臺協作式”的AI4S科研形式，順應不竭變更的數據和試驗場景，年夜幅進步迷信研討效力，有用晉陞試驗數據處置、常識庫構建、復雜形式發掘、可視化與可視剖析等才能，增進多學科常識深度穿插融會和嚴重迷信發明。
基于年夜模子的圖像智能剖析。中國空間站將在空間性命迷信與生物技巧、微重力流體物理與熄滅迷信、空間資料迷信、微重力基本物理等範疇睜開上千項研討項目。年夜模子在圖像智能剖析利用中具有主要感化，助力“作坊式”特性化的研發形式向“平臺協作式”轉型。年夜模子經由過程在海量圖像/錄像數據長進行預練習，完成通用特征提取收集，為特定試驗專門研究需求的子義務供給智能幫助剖析支撐，完成下流多義務的機動自順應，下降單一義務的數據標注本錢和算法研發周期。例如，基于年夜模子的空間性命試驗對象實例朋分算法，依靠海量範疇數據的預練習，無望完成零樣本或少樣本的新試驗數據剖析的利用。
基于年夜模子的範疇常識圖譜。年夜模子可以加強空間迷信試驗範疇常識圖譜的構建與利用才能。應用年夜模子的自監視表征進修空間迷信試驗有關的多模態數據，完成多源數據的整合、信息互補和語義周全表達，并停止實體、關系、事務等範疇常識提取，構建空間迷信試驗範疇內的常識圖譜；常識圖譜智能問答、常識聯繫關係剖析等利用將進步常識圖譜智能化利用的機能和後果，為處理範疇專門研究性強、復雜度高的常識發明與利用題目奠基堅實基本。
基于年夜模子的信息聯繫關係與跨模態檢索。空間迷信範疇試驗包括文本、圖像、錄像、語音等多模態數據，使得迷信家難以高效搜刮感愛好的信息。年夜模子，尤其是基于對照進修的模子如CLIP（contrastive language-image pretraining）等，經由過程自監視進修方法構建，可以或許同一表征空間迷信範疇試驗多模態數據語義信息，進步數據跨模態檢索機能，這有助于迷信家從海量數據中疾速、正確地找到有價值的信息，有用進步數據應用效力。
基于年夜模子的空間迷信試驗載荷在軌運轉毛病猜測。基于具有空間迷信試驗載荷毛病風險預警與根因定位才能的基本年夜模子，應用其強盛的數據表征、整合和剖析才能，深刻發掘試驗載荷多源工程遠測數據之間的關系，辨認異常形式和變更趨向。經由過程年夜模子在語義懂得、數據整合方面的技巧上風，進步迷信試驗載荷的運轉毛病猜測精度與效力，保證各空間迷信試驗載荷的平安、穩固在軌運轉。
基于年夜模子的空間迷信試驗數據可視化與可視剖析利用。年夜模子聯合天然說話懂得與天生才能，使迷信家可以或許經由過程對話方法驅動高效的數據檢索與處置。聯合可視剖析，小樹屋經由過程天然說話描寫天生可視化成果，構成可視剖析體系。應用“CUI+GUI”的形式施展年夜模子在迷信家意圖懂得和數據智能剖析方面的才能，充足應用可視剖析在數據直不雅展現和聯繫關係剖析方面的奇特上風，是一種立異且高效的空間迷信試驗數據剖析形式如在微重力空間迷信試驗範疇將施展主要感化。
以上有關利用示例展現了年夜模子在空間迷信試驗範疇的多個方面的潛伏感化，為迷信研討、試驗數據剖析和試驗載荷在軌運轉決議計劃等供給了新的能夠性和技巧支撐。
總結與瞻望
中國空間站是我國最年夜的空間綜合研討試驗平臺，將展開近千項進步前輩性和前瞻性研討項目，并獲取海量、多源、低價值的迷信數據，為展開AI賦能的跨學科智能認知供給基本。本文聚焦中國空間站空間迷信試驗範疇，總結了範疇的多學科上風以及年夜數據特色，剖析了範疇所面對的題目和挑釁，提出了成長與思慮。最后，希冀經由過程加大力度範疇上風、樹立開放生態等舉動，配合推進空間迷信試驗範疇年夜數據發掘與智能認知的不竭成長。
空間迷信試驗範疇研討已成為AI4S範疇的主要前沿陣地。空間迷信試驗作為AI4S迷信的主要範疇，擁有年夜範圍試驗數據，尤其跟著中國空間站建成國度太空試驗室，將持久在軌展開各個學科範疇的空間迷信試驗，包含著浩繁的機會，在科技前沿方面具有明顯的上風。空間迷信試驗範疇是AI4S的主要實驗陣地。空間迷信試驗範疇橫跨多個學科，包含空間性命迷信與生物技巧、微重力流體物理與熄滅迷信、空間資料迷信、微重力基本物理等，為AI4S范式的研討供給了豐盛的實驗場；空間迷信試驗範疇數據生態將為AI4S的研討供給主要支撐。該範疇的數據經由過程同一生態平臺下載和分發，浮現較好的同一性、規范性。絕對于空中各迷信範疇數據共享水平缺乏的題目，空間迷信更不難構建同一的面向AI停當（Ready4AI）的數據中間，為新型AI范式的摸索供給無力支撐；空間迷信試驗的跨學科協同將無力推進AI4S的成長。空間迷信試驗範疇屬于體系工程，需求載荷專家、技巧專家和迷信家配合協作，團隊具有跨學科的協同上風，更有利于推進新型科研范式的摸索。是以，以AI驅動的空間迷信試驗研討在AI4S中擔負著前鋒腳色，為推進迷信研討和利用範疇的立異成長進獻著奇特的氣力。
數據驅動的空間迷信試驗研討需求空間迷信試驗和AI範疇的穿插人才。空間迷信試驗範疇迷信家與AI專家的專門研究佈景、學科差別年夜，彼此懂得水平低，彼此相互增進的妨礙依然較年夜。可是，AI4S屬于穿插學科，需求專門研究範疇迷信家提出迷信題目，AI專家施展技巧才能，同時還需求摸索已有常識若何融進智能模子，抽象出AI善於的迷信剖析場景，彼此協作，才有能夠在迷信範疇增進認知智能的涌現。
構建AI4S的空間迷信試驗範疇開放共享生態的需要性。近年來，AI範疇的技巧成長之所以這般之快，很年夜水平得益于其開放的年夜範圍公然數據集，以及開源的算法研發形式。可是，AI在迷信智能範疇存在必定瓶頸，這與迷信數據加倍專門研究、準進門檻更高、通用性更低有必定關系。為了增進AI4S範疇的成長，構建開放共享數據生態非常需要，這有助于範疇迷信家、AI專家更便捷獲取數據，更多的團隊介入出去，配合增進、加速範疇的成長非常無益。此外，AI算法的研發需求更多的數據、更年夜的算力支撐，單一的迷信試驗室較難知足數據與資本的需求。經由過程構建基于云盤算的年夜算力基座、海量豐盛場景數據、開源共享協同算法的空間迷信試驗研討生態和支撐平臺，增進傳統“作坊式”的科研形式向新一代AI4S范式改變。
（作者：李盛陽、劉康、劉云飛，中國迷信院空間利用工程與技巧中間 中國迷信院太空利用重點試驗室 中國迷信院年夜學航空宇航學院；賴楚凡，中國迷信院空間利用工程與技巧中間 中國迷信院太空利用重點試驗室。《中國迷信院院刊》供稿）