第1章
緒論

1.1　背景與趨勢

“泛在的智能感知計算”是計算機科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，大量具有豐富感知能力的智能設(shè)備（如智能手機、可穿戴設(shè)備）得以普及。“群智感知計算”作為一種新的感知模式迅速發(fā)展起來[1-2]。它利用大眾的廣泛分布性、靈活移動性及其蘊含的豐富群體智能完成大規(guī)模、復(fù)雜的感知計算任務(wù)。與傳統(tǒng)感知網(wǎng)絡(luò)相比，群智感知計算面臨一系列新的科學(xué)挑戰(zhàn)和問題，目前已經(jīng)在參與者感知能力評估、感知資源優(yōu)化組合、感知數(shù)據(jù)優(yōu)選匯聚、參與者激勵機制等方面取得了很多研究進(jìn)展。最近，一些新興技術(shù)的發(fā)展正在推動新一代群智感知計算的形成和演化。

首先，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展與加速融合，智能物聯(lián)網(wǎng)（Artificial Intelligence of Things, AIoT）[3]正成長為一個具有廣泛發(fā)展前景的新興前沿領(lǐng)域。AIoT首先通過各種傳感器聯(lián)網(wǎng)實時采集各類數(shù)據(jù)（環(huán)境數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等），進(jìn)而在終端設(shè)備、邊緣設(shè)備或云端通過數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行智能化處理和理解，如智能感知、目標(biāo)識別、預(yù)測預(yù)警、智能決策等。近年來，智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)逐步融入國家重大需求和民生的各個領(lǐng)域，例如智慧城市、智能制造、社會治理等。一個典型的例子是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[4]技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，它通過人、機、物的全面互聯(lián)推動全新的工業(yè)生產(chǎn)制造和服務(wù)體系構(gòu)建，是智能物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域變革中起到引領(lǐng)作用的具體體現(xiàn)。

其次，人機物三元世界的融合是信息技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。習(xí)近平總書記2021年在兩院院士大會上的講話指出“科技創(chuàng)新速度顯著加快，以信息技術(shù)、人工智能為代表的新興科技快速發(fā)展，大大拓展了時間、空間和人們認(rèn)知范圍，人類正在進(jìn)入一個‘人機物’三元融合的萬物智能互聯(lián)時代”[1]。李國杰院士在《創(chuàng)新求索錄》中提到“過去幾十年信息領(lǐng)域主要致力于將物理世界和人類社會轉(zhuǎn)換到信息空間，即信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System, CPS），在此基礎(chǔ)上未來將進(jìn)一步發(fā)展人機物三元融合系統(tǒng)（Human-Cyber-Physical System, HCPS）”[5]。CPS的概念由美國國家基金會科學(xué)家Helen Gill于2006年首次提出[6]，本質(zhì)上是構(gòu)建一個具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)和實體空間框架下實現(xiàn)人與人、人與物、物與物、人與服務(wù)/物體交互連接的體系，目的是更好地感知和控制物理世界。當(dāng)前，CPS的研究方興未艾；而與此同時，在“互聯(lián)網(wǎng)+”“工業(yè)4.0”等的推動下，HCPS則更多地關(guān)注如何將虛擬的信息世界實體化，將智能融入物理世界，即通過真實部署的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)、人類攜帶的移動設(shè)備等實體方式從線上走向線下，徹底改變實體經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)和無縫智能，這與群智感知計算通過異構(gòu)的人類便攜終端（如手機、可穿戴設(shè)備）、物聯(lián)網(wǎng)嵌入式實體（如攝像頭、智能小車）、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如邊緣、云服務(wù)器）等群體智能的協(xié)作增強感知計算系統(tǒng)智能化程度的本質(zhì)內(nèi)涵不謀而合。

再次，國務(wù)院于2017年發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（即人工智能2.0），其目標(biāo)為搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇，構(gòu)筑我國人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢，加快建設(shè)創(chuàng)新型國家和世界科技強國。其中“群體智能”成為新一代人工智能基礎(chǔ)理論體系的重要組成部分之一，是一種通過聚集群體的智慧解決問題的新模式。“群體智能”概念起源于科學(xué)家對群居性生物的觀察與研究，早在1989年，Beni和Wang便提出“Swarm Intelligence”的概念[7]，刻畫群居性生物通過協(xié)作而涌現(xiàn)出的集體智能行為，以及受自然界中群體協(xié)作行為啟發(fā)來解決問題或構(gòu)建人工集群系統(tǒng)的方法。在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，人工智能2.0中的“群體智能”則更多體現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能涌現(xiàn)，包括基于群體編輯的維基百科、基于群體開發(fā)的開源軟件、基于眾問眾答的知識共享等方面[8]。其研究內(nèi)涵體現(xiàn)在通過互聯(lián)網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)匯聚大規(guī)模參與者，以競爭/合作等方式來共同應(yīng)對復(fù)雜任務(wù)。智能物聯(lián)網(wǎng)是海量人、機、物融合的主體，在未來智能物聯(lián)網(wǎng)研究中如何發(fā)揮人機物異構(gòu)智能體的協(xié)同增強以實現(xiàn)其群智感知計算系統(tǒng)的進(jìn)一步提升成為一個重要的科學(xué)問題。

近年來，在國際學(xué)術(shù)前沿針對人、機、物智能融合問題已有一些探索性研究。2016年，美國康奈爾大學(xué)的米歇爾博士等在《科學(xué)》雜志中提出“人智計算”（Human Computation）的概念[9]，強調(diào)群體與機器智能結(jié)合可用于解決復(fù)雜問題。2019年，美國MIT媒體實驗室的拉曼教授等在《自然》雜志中提出“機器行為學(xué)”（Machine Behavior）的概念[10]，強調(diào)跨空間的人機行為協(xié)同共生理論。同年，MIT人工智能實驗室的研究人員在《自然》雜志中闡述了一種能模擬生物細(xì)胞集體遷移的集群機器人系統(tǒng)[11]，該系統(tǒng)可以模擬自組裝、修復(fù)和搬運等典型的生物群體協(xié)作行為，體現(xiàn)了群體智能的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。與此同時，Gartner提出了“智慧空間”概念并將其列入2020年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢[2]，指出人工智能與物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算和數(shù)字孿生等技術(shù)的快速發(fā)展及深度融合，可為智慧城市、智慧社區(qū)、智能制造等領(lǐng)域提供高度集成的智慧空間環(huán)境，人、機、物等要素在其中彼此交互與激發(fā)，將構(gòu)建更加組織靈活、行為自適、自主演化的空間。

綜上，無論在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界，人機物的協(xié)同融合均成為新的發(fā)展趨勢，也將推動新一代群智感知計算的產(chǎn)生。鑒于此，本書將傳統(tǒng)的“以人為中心”的群智感知計算拓展深化為“人-機-物異構(gòu)群智能體融合計算”（簡稱為人機物融合群智計算），從單純的群智感知數(shù)據(jù)收集提升為人機物群智融合的協(xié)作計算與增強學(xué)習(xí)。人機物融合群智計算面向物聯(lián)網(wǎng)和普適計算領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)前沿，探索異構(gòu)群智協(xié)同的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新，通過關(guān)鍵技術(shù)突破推動人、機、物要素的有機連接、協(xié)作與增強，構(gòu)建具有自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、持續(xù)演化等能力的智慧空間，對促進(jìn)智慧城市、智能制造、軍事國防等國家重大需求領(lǐng)域新模式/新業(yè)態(tài)形成，提高我國生產(chǎn)力和競爭力，推動新一代智能物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展變革等具有重要意義。