前言

光陰荏苒、歲月如梭，筆者從2010年開展“群智感知計算”相關(guān)研究以來，如今已有十多個年頭。2010年，移動社交網(wǎng)絡(luò)、智能手機和泛在感知計算等開始興起并快速普及，在發(fā)現(xiàn)不同來源所獲取的海量群體貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)所潛藏的巨大價值基礎(chǔ)上，我們與法國巴黎國立電信學(xué)院張大慶教授合作，在西安召開的第七屆IEEE普適智能與計算國際（IEEE UIC 2010）會議上首次提出社群智能（Social and Community Intelligence）的概念，并進(jìn)一步整理和凝練后發(fā)表在2011年第七期的IEEE Computer雜志上。

2012年，清華大學(xué)的劉云浩教授首次在《中國計算機學(xué)會通訊》（第8卷，第10期）上提出“群智感知計算”的概念，即利用大量普通用戶使用的移動設(shè)備作為基本感知單元，通過物聯(lián)網(wǎng)/移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行協(xié)作，實現(xiàn)感知任務(wù)分發(fā)與感知數(shù)據(jù)收集利用，最終完成大規(guī)模、復(fù)雜的城市與社會感知任務(wù)。劉老師對群智感知計算概念的由來、定義、研究挑戰(zhàn)與機遇等做了系統(tǒng)性的闡述，探討了無意識感知、弱網(wǎng)絡(luò)連接、低質(zhì)低可信數(shù)據(jù)處理等挑戰(zhàn)性問題。在此之后，國內(nèi)群智感知研究得到廣泛的重視，逐步發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)與普適計算領(lǐng)域的研究熱點。2013年，國家自然科學(xué)基金重點項目群“群智感知網(wǎng)絡(luò)理論與關(guān)鍵技術(shù)”啟動，我們有幸參與了北京郵電大學(xué)馬華東教授負(fù)責(zé)的“移動社交中感知數(shù)據(jù)收集的機會路由與交互式內(nèi)容移交”這一重點基金課題，并就群智感知任務(wù)優(yōu)化分配與數(shù)據(jù)優(yōu)選匯聚開展了深入的探索和研究。2015年，由上海交通大學(xué)過敏意教授擔(dān)任首席科學(xué)家的973計劃項目“城市大數(shù)據(jù)三元空間協(xié)同計算理論與方法”啟動，我們承擔(dān)了其中的“面向城市大數(shù)據(jù)的三元空間協(xié)同感知方法”課題，并對群智感知能力的泛在發(fā)現(xiàn)、協(xié)作增強、關(guān)聯(lián)表達(dá)、優(yōu)質(zhì)萃取等關(guān)鍵問題開展系統(tǒng)性研究。同年，我們在ACM Computing Surveys（第48卷，第1期）上發(fā)表題為“Mobile Crowd Sensing and Computing: The review of an emerging human-powered sensing paradigm”（群智感知計算：一種以人為中心的新型感知模式）的群智感知綜述論文，對群智感知的概念體系、理論方法、挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)、典型應(yīng)用等進(jìn)行了詳細(xì)綜述，該論文迄今已被國內(nèi)外研究者引用近700次。2019年，我們研制和發(fā)布了CrowdOS（www.crowdos.cn）平臺，并面向智慧城市、公共安全、智能制造等國家重大需求開展領(lǐng)域應(yīng)用和技術(shù)推廣，得到了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。經(jīng)過在群智感知計算領(lǐng)域十余年的持續(xù)耕耘，我們在理論、模型、方法、技術(shù)等方面都積累了系統(tǒng)而豐富的經(jīng)驗。2020年，在微軟學(xué)術(shù)（Microsoft Academic）統(tǒng)計分析的關(guān)于群智感知（Crowd Sensing）研究的作者排名（Top Authors）中，我們團隊位列全球第一。

近年來，智能物聯(lián)網(wǎng)、群體智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)逐步興起，人（智能手機、可穿戴設(shè)備等）、機（云設(shè)備/邊緣設(shè)備）、物（具感知計算能力的物理實體）這三種基礎(chǔ)要素正在走向協(xié)作和融合，邁向“人機物融合群智計算”時代。2021年5月28日，習(xí)近平總書記在兩院院士大會上發(fā)表的重要講話中指出：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。人機物融合的三元計算是21世紀(jì)上半葉信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢，這一發(fā)展趨勢最早于2009年中國科學(xué)院《中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖》研究中首次明確提出。中國科學(xué)院的李國杰院士在《創(chuàng)新求索錄》一書中也指出：今天的信息世界已經(jīng)與一人一機組成的、分工明確的人機共生系統(tǒng)不同，而是一個多人、多機、多物組成的動態(tài)開放的網(wǎng)絡(luò)社會，即物理世界、信息世界、人類社會組成的三元世界。此外，Gartner于2020年也提出“人機物融合智慧空間”的概念，并將其列入當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，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。

“人機物融合智能”與國際上陸續(xù)流行的“萬物互聯(lián)”“泛在智能”“邊緣智能”“信息物理系統(tǒng)”等前沿研究殊途同歸，它們具有相似的愿景：通過萬物互聯(lián)，將智能融入萬物，實現(xiàn)工業(yè)化和信息化的無縫對接。而筆者驚喜地發(fā)現(xiàn)這一愿景與群智感知計算“異構(gòu)群體智能協(xié)作增強”的本質(zhì)內(nèi)涵不謀而合。在此靈感的推動下，筆者帶著十余年從事“群智感知計算”研究的思考，萌發(fā)并構(gòu)思本書的核心思想與主旨脈絡(luò)，以期系統(tǒng)化地闡明新一代“群智感知計算”的內(nèi)涵，并匠造出一把開啟“人機物融合群智計算”新世界大門的鑰匙樣本，為更多研究人員提供思維啟迪。此外，自2019年起，筆者開始承擔(dān)兩個國家重點研發(fā)計劃項目（課題），即“面向城市精準(zhǔn)管理的新型群智感知技術(shù)及應(yīng)用”和“多維群智融合的制造業(yè)智慧空間構(gòu)建理論”。它們分別從智慧城市和智能制造兩個領(lǐng)域的視角出發(fā)探索面向人機物融合群智計算的理論創(chuàng)新、核心方法、系統(tǒng)架構(gòu)以及應(yīng)用示范。這些項目的實施也促使我們從應(yīng)用需求牽引的角度出發(fā)去進(jìn)一步思考人機物融合群智計算的內(nèi)涵與關(guān)鍵技術(shù)。

哲學(xué)的本質(zhì)是描述世界，自然科學(xué)在此基礎(chǔ)上定義和計算物理世界，而計算機科學(xué)則旨在通過信息化手段管理物理世界的無序性。因此，為了在人（社會）機（信息）物（物理）三元空間的融合計算中使其蘊含的潛在智能實現(xiàn)無序到有序的管控，本書遵從“理論機理-關(guān)鍵技術(shù)-系統(tǒng)平臺”的研究脈絡(luò)?！白匀缓侠?、整體關(guān)聯(lián)、動態(tài)平衡”是我國古典哲學(xué)和宇宙觀著作《易經(jīng)》中首次提出的東方系統(tǒng)論?；耪窠瘢@一思想也成為筆者構(gòu)思“人機物融合群智計算”系統(tǒng)性特質(zhì)的根基。

·“自然合理”強調(diào)關(guān)注人機物異構(gòu)智能個體感知和計算資源能力的差異性，并充分利用個體差異性實現(xiàn)優(yōu)勢互補，這也是人機物弱智能體通過協(xié)作增強智能的根本動機。

·“整體關(guān)聯(lián)”則突出異構(gòu)群智能體之間的組織性和協(xié)作性，包括群智涌現(xiàn)機理（如群集動力學(xué)）、群智優(yōu)化算法、人機物協(xié)作群智感知、多源群智數(shù)據(jù)融合、群體分布式學(xué)習(xí)模型、人機物混合學(xué)習(xí)模型等。

·“動態(tài)平衡”則指出環(huán)境動態(tài)變化是一種必然的客觀屬性，因此人機物融合群智計算系統(tǒng)必須具有根據(jù)動態(tài)環(huán)境做出主動適應(yīng)性改變的能力，對應(yīng)了人機物融合群智計算的環(huán)境自適應(yīng)演化、自學(xué)習(xí)增強演化和群智知識遷移學(xué)習(xí)等。

在此思想的指引下，筆者2020年于《人民論壇·學(xué)術(shù)前沿》上發(fā)表的《論智能物聯(lián)與未來制造——擁抱人機物融合群智計算時代》分析了智能物聯(lián)網(wǎng)為制造業(yè)帶來的機遇，闡述了實現(xiàn)人機物融合的群智智能制造所面臨的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討了新一代人工智能技術(shù)如何推動制造業(yè)智慧空間構(gòu)建。筆者2021年于《中國計算機學(xué)會通訊》（第17卷，第2期）上提出“人機物融合群智計算”的概念并對其科學(xué)問題和未來挑戰(zhàn)進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述和展望。另外，結(jié)合所從事的國家重點研發(fā)項目研究，筆者與北京航空航天大學(xué)的張莉教授于《中國計算機學(xué)會通訊》（第17卷，第8期）上組織了“群智智能制造”專題，共邀請北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等相關(guān)研究團隊撰寫6篇文章，就“群智智能制造”這一新興方向的概念與愿景、研究挑戰(zhàn)、基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、典型應(yīng)用等進(jìn)行了系統(tǒng)性闡述。

為了推動人機物融合生態(tài)和開放平臺的發(fā)展，在中國科學(xué)院王懷民院士和西北工業(yè)大學(xué)周興社教授的親切關(guān)懷和指導(dǎo)下，作者團隊于2021年在“中國軟件開源創(chuàng)新大賽”中發(fā)起“群智感知開源創(chuàng)新賽”，吸引了來自海內(nèi)外40余所高校的50余支隊伍參加。同年8月，研發(fā)完成人機物融合群智計算（CrowdHMT）系統(tǒng)的通用系統(tǒng)框架，推出了包含其核心系統(tǒng)模塊的開源共享平臺（www.crowdhmt.com），并提出“太易”人機物鏈中間件的設(shè)計構(gòu)想，旨在實現(xiàn)人機物異構(gòu)群智能體之間的分布式資源共享、通信連接、協(xié)作感知、協(xié)同計算、分布式學(xué)習(xí)和隱私保護(hù)等。

2020年疫情期間，筆者開始本書的撰寫，歷時一年有余。本書的基本主旨是將傳統(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)，探索異構(gòu)群智協(xié)同的基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)突破。本書特色主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）全書邏輯主線：全書依照“理論機理-關(guān)鍵技術(shù)-系統(tǒng)平臺”邏輯組織。其中，第3章和第4章介紹理論機理，第5～11章介紹關(guān)鍵技術(shù)，第12章介紹系統(tǒng)平臺。首先，在理論機理層面，第3章追本溯源，從人類社會、生物和細(xì)胞集群、群落生態(tài)學(xué)等自然科學(xué)和社會科學(xué)等領(lǐng)域探尋群智協(xié)同涌現(xiàn)的機理；第4章窮理盡妙，綜合運用生物、人工集群以及演化博弈等動力學(xué)理論分析建模群智涌現(xiàn)機制背后的影響因素。其次，在關(guān)鍵技術(shù)層面，第5～11章介紹人機物協(xié)作群智感知、數(shù)據(jù)融合、自適應(yīng)演化、分布式學(xué)習(xí)、協(xié)同計算、知識遷移、隱私信任與社會因素等多種維度的關(guān)鍵技術(shù)。最后，第12章介紹與本書同名（人機物融合群智計算，CrowdHMT）的開放系統(tǒng)、典型應(yīng)用及“太易”人機物鏈中間件構(gòu)想。

2）縱向關(guān)鍵技術(shù)脈絡(luò)：關(guān)鍵技術(shù)涵蓋“感知-計算（學(xué)習(xí)）”兩大主干脈絡(luò)。在感知層面，第5章介紹人機物異構(gòu)群智能體如何協(xié)作感知，第6章介紹如何多維度融合和理解多源群智能體的感知數(shù)據(jù)；在計算（學(xué)習(xí)）層面，第7章介紹深度計算模型如何適應(yīng)環(huán)境變化和數(shù)據(jù)偏移實現(xiàn)自學(xué)習(xí)增強與自適應(yīng)演化，第8章介紹如何協(xié)同利用群智能體分布式計算資源和數(shù)據(jù)進(jìn)行計算/學(xué)習(xí)，從而完成大規(guī)模復(fù)雜任務(wù)，第9章介紹人機混合學(xué)習(xí)思想下的樣本標(biāo)注、示范模仿學(xué)習(xí)以及人類指導(dǎo)強化學(xué)習(xí)方法，第10章介紹群智能體間如何遷移學(xué)習(xí)知識、領(lǐng)域、技能和策略以提升系統(tǒng)解決新任務(wù)的能力。為了保障人機物融合群智計算系統(tǒng)隱私安全，提升用戶參與度和系統(tǒng)可信度，第11章介紹人機物異構(gòu)群智能體的數(shù)據(jù)、模型和系統(tǒng)隱私保護(hù)機制，以及激勵、信任和社會因素。

3）橫向問題牽引：各章內(nèi)按照“問題導(dǎo)向-典型研究-研究實踐-拓展思考”的邏輯思路展開。以第7章為例，從智能物聯(lián)網(wǎng)背景引出在人-機-物終端執(zhí)行深度學(xué)習(xí)模型實現(xiàn)智能體推斷逐漸成為一種趨勢，指出人機物融合群智計算應(yīng)用情境復(fù)雜多變、數(shù)據(jù)分布差異、數(shù)據(jù)和學(xué)習(xí)任務(wù)不斷增加與演化以及終端平臺資源（計算、存儲和電量）受限等問題，急需一種具有穩(wěn)定的動態(tài)環(huán)境自適應(yīng)能力和持續(xù)自學(xué)習(xí)增強能力的深度學(xué)習(xí)模型演化范式。深入介紹深度學(xué)習(xí)模型的自主演化范式中所包括的深度學(xué)習(xí)模型的自適應(yīng)演化（7.2節(jié)）和自學(xué)習(xí)增強演化（7.3節(jié)）。更深入地說，7.2節(jié)涉及深度計算模型性能指標(biāo)量化、模型自適應(yīng)壓縮、模型運行時自適應(yīng)、多平臺自適應(yīng)分割、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搜索等技術(shù)分支內(nèi)的國際前沿典型研究和作者的前期研究實踐。最后在展望中提出人機混合自學(xué)習(xí)演化、自適應(yīng)壓縮與分割協(xié)同、軟硬協(xié)同優(yōu)化三個新穎的未來研究方向。

1945年，美國麻省理工學(xué)院的范內(nèi)瓦·布什教授（著名的“曼哈頓計劃”領(lǐng)導(dǎo)者）提交給羅斯?？偨y(tǒng)一份戰(zhàn)略報告——《科學(xué)：無盡的前沿》，該報告奠定了美國科學(xué)政策的基礎(chǔ)架構(gòu)，提出政府的公共資金要大力支持基礎(chǔ)研究，并由此確保了美國在科學(xué)創(chuàng)新和研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位。當(dāng)前，我們正面臨“世界百年未有之大變局”，基礎(chǔ)研究和“從0到1”原始創(chuàng)新已成為引領(lǐng)我國未來發(fā)展和科學(xué)研究變革的必由之路。本書中所探討的人機物融合群智計算、群體智能等新興方向方興未艾，我們期待與廣大讀者共同探索人機物異構(gòu)群智能體的協(xié)作增強機理與分布式學(xué)習(xí)機制等基礎(chǔ)性問題，在該領(lǐng)域催生更多的創(chuàng)新性成果。

在本書前期醞釀和寫作過程中，筆者不斷向不同領(lǐng)域的專家和學(xué)者請教或?qū)W習(xí)，在中國計算機大會發(fā)起“群智感知計算”“群體感知與群智協(xié)同”等論壇，在普適計算專委會的指導(dǎo)下發(fā)起“智能感知與城市計算”系列論壇，在國際會議和期刊舉辦“群智感知”相關(guān)特刊或研討會，并在與諸位專家的討論和交流過程中受到很多的啟發(fā)。因此，本書的內(nèi)容凝聚和汲取了眾多學(xué)術(shù)前輩和同行的心血與智慧，是在前人研究基礎(chǔ)上進(jìn)行的整理、凝練和進(jìn)一步升華。

在本書編寫過程中，西北工業(yè)大學(xué)智能感知與計算工信部重點實驗室的研究生做出了很大的貢獻(xiàn)，包括王虹力、丁亞三、馬可、吳磊、李諾、劉琰、任思源、歐陽逸、任浩陽、仵允港、郝靜怡、張江山、王家瑤、李新宇、張玉琪、徐若楠、張周陽子、景瑤、王倩茹、張藝璇、李智敏、成家慧、馮煦陽、古航、李夢媛、沈豪宸等。第一稿出來之后，作者和王虹力、丁亞三、馬可、吳磊、張江山、張玉琪等又進(jìn)行了反復(fù)的修訂和統(tǒng)稿，在此對他們的辛勤付出表示深深的感謝！感謝實驗室學(xué)術(shù)帶頭人周興社教授和學(xué)術(shù)顧問張大慶教授多年來的悉心培養(yǎng)、指導(dǎo)以及在本書編寫和審校過程中給予的寶貴意見。西北工業(yè)大學(xué)的王柱副教授、王亮副教授和劉佳琪副教授等青年教師也對本書的編寫提供了大力協(xié)助與支持，在此一并表示感謝。此外，還要特別感謝機械工業(yè)出版社華章分社的溫莉芳常務(wù)副社長和李永泉編輯在本書準(zhǔn)備過程中給予的全力支持與專業(yè)指導(dǎo)。

人機物融合群智計算涉及群體智能、物聯(lián)網(wǎng)、普適計算、機器學(xué)習(xí)、生物學(xué)等多個研究領(lǐng)域的交叉，在成書過程中，雖然懷著敬畏之心盡可能學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域知識，但仍常常感嘆科學(xué)世界之浩瀚、學(xué)科叢林之廣袤與交織，以及個人學(xué)識與能力之局限，因此本書還存在很多不足留待后續(xù)不斷完善。此外，本書涉及新興研究領(lǐng)域和對未來技術(shù)前景的展望，編寫時可以參考的內(nèi)容有限，有些觀點和內(nèi)容難免有失偏頗或存在錯誤，還望讀者諒解并給予批評指正。

本書既可以為物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能制造等領(lǐng)域的科研人員和IT從業(yè)者提供創(chuàng)新的發(fā)展視角及相關(guān)理論、方法與技術(shù)支撐，也可以作為高年級本科生或研究生的參考教材。

2021年8月于西安