硬核新青年：“玩得转”无人机 “省得了”新能源——记北京航空航天大学自动化学院智能系统与控制工程系副教授诸兵

范佳乐

2018年12月19日晚间，英国伦敦机场遭“史上最严重”无人机入侵，瘫痪18小时，12万乘客受影响，损失巨大。近年来，类似的无人机入侵机场事件日益引发关注。无人机技术的快速提升以及全球扩散加深了各国的安全忧虑，无人机拦截技术的发展已迫在眉睫。

如何才能有效、环保地拦截捕获侵入无人机？记者专访了一位硬核新青年——北京航空航天大学自动化学院智能系统与控制工程系副教授、博士生导师诸兵。他主要从事旋翼无人机非线性动力学与控制、旋翼多无人机系统制导与控制、模型预测控制及其在能源系统需求端管理中的应用等方面的研究，在轨迹跟踪控制、路径跟踪控制、自适应模型预测控制、智能电网需求端管理、旋翼多无人机系统制导与控制、避障等方面取得一系列重要进展。可以说，诸兵的科研历程，也恰好契合了相关领域的发展轨迹。

缘起北航的学术路

对于诸兵来说，2003年是科研的缘起之年。他与所从事专业的结缘，和与北京航空航天大学的结缘，都始于2003年。

2003年9月，18岁的诸兵北上求学。作为北京航空航天大学自动控制与信息技术自动化专业的本科生，诸兵勤学笃实，为日后的科研工作打下了坚实的基础。4年后，本科刚毕业的诸兵被免试推荐攻读北航第七研究室控制理论与控制工程专业硕士学位；2009年，他又被免试推荐提前攻读北航第七研究室控制理论与控制工程专业博士学位。从2007年至2013年，诸兵在霍伟教授指导下一直从事非线性系统控制及其在小型无人直升机中应用的研究，在非线性控制理论及应用方面取得很多工作积累，并发表了相关结果。

这两个研究方向，在诸兵的科研履历中就像两条主线，不断延伸、交叉。如今，围绕这两条主线不断深耕的诸兵，已经取得了众多成果，且在行业顶尖期刊发表了一系列高质量论文。其中，有关旋翼无人机非线性控制的一些理论结果，已被国际著名专家引为理论基础做进一步研究；有关模型预测控制的系列研究，是对现有模型预测控制最新理论结果的进一步创新性拓展。

回顾科研之路，诸兵充满感激。他经常说，跟着导师霍伟教授这样的老一辈顶尖科学家学习、工作，受益最深的就是其身上那种严谨的科研态度和治学精神。而这种精神外化成为工作方法，对他日后的研究工作和教职工作都大有裨益。

诸兵

“2012年到2013年全球经济环境不是很好。我博士毕业的时候，博士生都在到处找工作、找博后或者是找教职。我当时也是到处发邮件，南非的导师是最先回复我的。他本身也是北航毕业的，是我们领域里很顶尖的学者，我马上就答应了。”

就这样，从2013年到2015年，诸兵在南非比勒陀利亚大学电气电子与计算机系从事博士后研究，他跟随合作导师、IEEE Fellow夏小华教授进行模型预测控制和能源系统方面的研究，积累了丰富的经验，并获得了校长奖学金支持，发表了相关结果。“我当时主要做模型预测控制方面研究，而我以前读博士的时候是做非线性控制和无人机控制的，就想跟新的方向结合起来，和他们用的方法找一个结合点，最终做应用产生效益。”

2015年9月至2016年9月，诸兵来到新加坡南洋理工大学物联网实验室从事研究工作。“我在实验室担任Research Fellow，类似于博士后研究。其实，除了没有住房以及工资低一点外，其他的各项权利跟正式教职工都是一样的。”在此期间，诸兵在IEEE Fellow、IFAC Fellow谢立华教授的合作指导下，进行分布式模型预测控制的研究，积累了丰富经验，并发表了相关结果。

当为时一年的研究工作结束时，诸兵“犯难”了。关于未来工作的去向，他面临着好几个选择。

“新加坡的导师想让我续约3年；与此同时，国内一些高校也和我聊过；而我在北航的导师也想把我引进回来，而且北航推出‘卓越百人’计划，给年轻人的支持力度很大。所以我想了一下，还是决定回母校，为母校、为祖国做些事。”诸兵说。

2016年10月，诸兵回到北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院担任副教授。从进入北航学习到回到北航任教，诸兵跨越了13年。回国后，他主要从事模型预测控制与新能源系统相关研究工作，受北航“卓越百人”计划支持，诸兵和团队已取得了一些结果，并发表在国际著名期刊上。与此同时，诸兵与南非比勒陀利亚大学和南洋理工大学物联网实验室继续保持长期稳定合作关系，在产学研用等方面的合作成果层出不穷。

拦截入侵无人机的“空中警察”

近年来随着无人机技术的迅速发展，旋翼无人机已被广泛用于各个军用民用领域，例如搜救、侦查、勘探、电视转播和监控等。但是，旋翼无人机也常被用于许多负面用途。例如，越来越多无人机被发现飞入机场附近区域，严重扰乱空中交通秩序；未知无人机飞入工业禁飞区或军事禁飞区侦查情报；未经许可的无人机在人口密集或交通繁忙区域飞行。这些负面用途的无人机给人身和信息安全造成极大威胁。针对这些被用于负面用途的无人机，迫切需要设计有效的拦截机制进行拦截，从而避免潜在的严重损失。

基于这种需求，诸兵牵头申请了中国国家自然科学基金青年基金项目——“旋翼多无人机系统多目标拦截的制导、控制与优化”。

这一项目成果，就好比“空中警察”，可以拦截、捕获入侵无人机。据悉，项目提出了新的针对旋翼多无人机系统多目标拦截的制导律、控制律、避障策略、最优目标分配策略，不仅能够丰富旋翼多无人机系统的自主制导和控制理论，而且是对控制、优化、制导、博弈、航空以及能源交叉学科的新探索，具有极大的科学意义。

“比如说有一些人在机场乱飞无人机，导致机场没法运行，我们需要把它‘抓’下来或者赶走。这个意义很明确，一方面，无人机侵入可能会导致一些飞机停飞，造成经济损失；另一方面，如果用导弹、激光武器等进行拦截，这个过程中会产生爆炸，对环境和人身安全有不利影响。‘抓’下来就可以避免这些问题，同时还能对拦截下来的无人机做进一步分析。”诸兵介绍，目前，已有的执行拦截任务的旋翼无人机大多是依靠人工遥控。但是，人工遥控一般需要在飞行手视线范围之内。人工遥控多无人机系统难度非常大；而且当距离较远时，飞行手难以处理避撞问题。因此，针对多入侵无人机的拦截问题，有必要设计多个旋翼无人机系统自主拦截相关的制导、控制和优化策略，使得旋翼多无人机系统能够自主高效的完成对多入侵目标的拦截任务。

其实，这些年诸兵的研究工作一直没离开这个细分领域。攻读博士学位期间，在霍伟教授指导下，他一直从事小型无人直升机动力学、轨迹跟踪控制、路径跟踪控制方面的研究，在旋翼无人机非线性控制理论方面取得很多工作积累；在南非比勒陀利亚大学电气电子与计算机系从事博士后研究期间，他进行的是模型预测控制和新能源系统需求端管理方面的研究；在新加坡南洋理工大学电机与电子学院物联网实验室从事博士后研究期间，他与实验室多位博士生展开合作，使用先进无人机设备进行相关的实验工作的经验……可以说，在旋翼无人机软硬件方面，诸兵都有着非常丰富的经验以及很好的研究积累。

“对于一个青年基金来讲，这个题目有点大，当时写的时候有一点‘自不量力’。目前，理论工作基本上都完成了，实现上面我们都已经有了半实物的仿真体，接下来慢慢往前推进。”诸兵谦逊地笑道。与此同时，他对成果有着良好的预期，“旋翼多无人机系统可以被有效用于多入侵无人机的拦截任务，从而避免由于未知无人机入侵造成的损失。这一目标非常符合当前工业和军事需求，具有很大的实践意义和经济价值。”

解答模型预测控制与节能的“方程式”

随着全球对节能问题的关注，分布式智能电网、网络化楼宇节能系统等新能源系统的能耗优化与评估正成为研究热点。研究结果表明，合理的需求端管理与优化能够产生很大的节能效果。“分布式模型预测控制及其在新能源系统需求端管理中的应用”项目应运而生。该项目以新能源系统的需求端管理为研究对象，试图提出新的分布式模型预测控制方法和稳定性证明。

诸兵介绍，模型预测控制是一种特殊控制方法，它将优化算法与控制理论结合，使得闭环系统稳定的同时，优化预设的性能指标。“近年来，由于其良好的性能，模型预测控制常常用于能源系统需求端管理。新能源系统通常由多个分系统组成，例如分布式智能电网或者网络化楼宇系统。这个项目的研究目标之一，就是为进一步放宽分布式模型预测控制的假设和前提条件，从而改善其可行性。”

“使用分布式控制方法制定分布式智能电网的智能定价策略，从而达到智能电网系统节能减排的目的，这是项目的研究目标之一。”诸兵介绍，作为一种典型的新能源系统，与普通电网相比，分布式智能电网范围更大，可以由多个能自主决策的小电网组成。小电网之间可以在一定范围内相互通信，从而根据更多的用户信息做更加优化的价格决策，诱导更大范围内的用户行为，从而达到需求端优化的目的。

另一个目标，是通过研究对实际的楼宇系统节能提出指导意见。

楼宇系统的能耗已占到全球总能耗的很大部分，楼宇系统的节能具有重大意义。数据表明，全球32%的能量是使用在楼宇系统中。因此，楼宇能源系统近年来正成为能源领域的研究热点。许多政府机构和国际组织正通过研究从而改进楼宇系统的维护和翻新策略，已达到优化能耗效率的目的。在楼宇维护与翻新策略的研究中，核心问题是，在环境、财政以及社会因素的约束下，设计最优策略优化性能指标。当前，新的建筑规模较以往已不可同日而语；楼宇中耗能的设备也日趋庞大和多样；在设计维护与翻新策略时，需要考虑网络化的问题。诸兵介绍，“我们这个项目拟采用分布式模型预测控制方法研究楼宇能量系统的需求端管理问题，不同于现有研究中通常采用的优化算法。采用控制方法研究楼宇能量系统需求端管理，并基于此提出优化策略，可以对实际的楼宇系统节能提出指导意见。特别是对于楼宇较多的发达城市，项目的研究结果具有更重大的工程实践意义，这符合首都节能减排以及可持续发展的需求，具有较大的应用前景”。

可以说，这个模型预测控制与节能的“方程式”解答出来后，其成果不仅能够丰富模型预测控制相关理论，对控制理论和能源系统交叉学科的新探索，具有很大科学意义，而且还能为供电系统的定价策略和楼宇节能提供积极的建议和策略，具有很大的工程价值。

“玩得转”无人机，“省得了”新能源，诸兵是当之无愧的硬核新青年。相信在一系列科研成果投入应用后，在其工程价值不断凸显的时候，相关领域的固有难题必将接连得到解答；而诸兵的“硬核”研究，也必将不断带来新的惊喜！