用人工智能支撑无人机有助于冲浪救生员在海滩上发现鲨鱼

澳大利亚冲浪救生员越来越多地使用无人机在海滩上发现鲨鱼，以免它们离游泳者太近。但它们到底有多可靠?辨别水中的黑色斑点是鲨鱼还是海藻并不总是那么简单，在合理的条件下，无人机飞行员通常只有60%的时间会做出正确的决定。虽然这对公共安全有影响，但也可能导致不必要的海滩关闭和公众警报。

工程师们正试图通过人工智能(AI)提高这些发现鲨鱼的无人机的准确性。虽然它们在实验室中显示出巨大的希望，但众所周知，人工智能系统在现实世界中很难正确使用，因此对于冲浪救生员来说仍然遥不可及。重要的是，对此类软件的过度自信会产生严重后果。

考虑到这些挑战，我们的团队着手构建最强大的鲨鱼探测器，并在现实条件下进行测试。通过使用大量数据，我们为冲浪救生员创建了一个高度可靠的移动应用程序，它不仅可以提高海滩安全性，还可以帮助监测澳大利亚海岸线的健康状况。

用无人机检测危险的鲨鱼

新南威尔士州政府在未来四年内投资了超过8500万澳元用于减少鲨鱼的措施。在所有提供的方法中，2020年的一项调查显示，基于无人机的鲨鱼监视是公众保护海滩游客的首选方法。

自2016年以来，州政府一直在试用无人机作为鲨鱼发现工具，并从2018年开始试用新南威尔士州冲浪救生队。训练有素的冲浪救生飞行员将无人机在60米高的海洋上空飞行，并在便携式屏幕上观看实时视频。鲨鱼在水面下游泳的形状。

通过仔细分析良好条件下的视频片段来识别鲨鱼似乎很容易。但是水的清澈度、海面的闪光(海面反射)、动物的深度、飞行员的经验和疲劳都会将实时检测的可靠性降低到预计的平均值60%。当条件混浊时，这种可靠性会进一步下降。

飞行员还需要自信地识别鲨鱼的种类，并区分危险和非危险动物，例如经常被错误识别的鳐鱼。

人工智能驱动的计算机视觉被吹捧为一种理想的工具，可以在无人机拍摄的视频片段中虚拟“标记”鲨鱼和其他动物，并帮助确定靠近海滩的物种是否值得关注。

人工智能来拯救?

先前AI增强型鲨鱼识别系统的早期结果表明该问题已得到解决，因为这些系统报告的检测准确率超过90%。

从空中识别鲨鱼种类。

但是扩展这些系统以在新南威尔士州的海滩上产生现实世界的差异一直具有挑战性。

人工智能系统经过训练，可以使用大量示例图像来定位和识别物种，并且在处理现实世界中熟悉的场景时表现非常出色。

但是，当他们遇到训练数据中没有很好地表示的条件时，问题很快就会出现。正如任何经常游泳的人都会告诉你的那样，每个海滩都是不同的——光照、天气和水的条件会随着日子和季节的变化而发生巨大变化。

动物也可以经常改变它们在水柱中的位置，这意味着它们的可见特征(例如它们的轮廓)也会发生变化。

所有这些变化都使得训练数据覆盖所有条件变得至关重要，或者人工智能系统必须足够灵活以跟踪随时间的变化。多年来，人们已经认识到这些挑战，从而催生了“机器学习操作”这一新学科。

从本质上讲，机器学习操作明确认识到人工智能驱动的软件需要定期更新以保持其有效性。

我们旨在通过新的鲨鱼探测器移动应用程序来克服这些挑战。我们收集了庞大的无人机镜头数据集，然后鲨鱼专家花了数周时间检查视频，在数小时的镜头中仔细跟踪和标记鲨鱼和其他海洋动物群。

使用这个新数据集，我们训练了一个机器学习模型来识别十种海洋生物，包括不同种类的危险鲨鱼，如大白鲨和捕鲸鲨。

然后我们将此模型嵌入到一个新的移动应用程序中，该应用程序可以突出显示实时无人机镜头中的鲨鱼并预测物种。我们与新南威尔士州政府和新南威尔士州冲浪救生协会密切合作，于2020年夏季在五个海滩上试用此应用程序。

我们的AI鲨鱼探测器做得很好。它在现实条件下以80%的时间逐帧识别危险鲨鱼。

我们故意让我们的测试变得困难，挑战人工智能在一年中不同时间或从不同外观的海滩获取的看不见的数据上运行。这些对“外部数据”的关键测试在人工智能研究中经常被忽略。

一架穿着冲浪救生衣新南威尔士州制服的无人机准备巡逻。作者提供。

更详细的分析发现了常识性的局限性：白鲨、捕鲸鲨和牛鲨很难区分，因为它们看起来很相似，而小动物(如海龟和鳐鱼)通常更难被发现。

虚假检测(例如将海藻误认为鲨鱼)是海滩管理者真正关心的问题，但我们发现AI可以通过向其显示每个海滩的空荡荡的海洋场景来轻松“调整”以消除这些。

鲨鱼发现人工智能的未来

在短期内，人工智能现在已经足够成熟，可以部署在澳大利亚海滩的基于无人机的鲨鱼发现行动中。但是，与常规软件不同，它需要经常监控和更新，以保持其检测危险鲨鱼的高可靠性。

另一个好处是，这种用于发现鲨鱼的机器学习系统还将不断收集有关我们海岸线和海洋动物群健康状况的宝贵生态数据。

从长远来看，让AI了解鲨鱼如何游泳并使用动态学习的新AI技术将使AI鲨鱼检测更加可靠和易于部署。

新南威尔士州政府将在即将到来的夏天进行新的无人机试验，测试可以覆盖更多海滩的高效远程飞行的实用性。

人工智能可以在使这些飞行更有效方面发挥关键作用，提高无人机监控的可靠性，并最终可能导致全自动鲨鱼发现操作和可信的自动警报。

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