無(wú)人系統(tǒng)群體智能及其研究進(jìn)展

關(guān)鍵詞：無(wú)人系統(tǒng)；群體智能；理論方法；核心技術(shù)；系統(tǒng)構(gòu)建

群體智能研究起源于對(duì)蟻群、蜂群等簡(jiǎn)單社會(huì)性生物群體行為的觀察與模擬. 該概念自20世紀(jì)80年代一經(jīng)提出，便引起了各相關(guān)領(lǐng)域研究人員的高度關(guān)注。

近年來(lái)，人們?cè)谀M、延伸和擴(kuò)展簡(jiǎn)單社會(huì)性生物群體智能的同時(shí)，也有研究者從人類(lèi)社會(huì)的群體智能等其它視角探索著集體的偉大力量。經(jīng)過(guò)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓廣，使得群體智能有了更豐富的內(nèi)涵與外延.

鑒于生物和人類(lèi)群體智能所體現(xiàn)的集群優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景，2017年7月，在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出“群體智能”是人工智能領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向。

隨后，由科技部啟動(dòng)的《科技創(chuàng)新2030“新一代人工智能”重大項(xiàng)目指南》中，將“群體智能”列為人工智能領(lǐng)域的五大持續(xù)攻關(guān)方向之一。2020年1月，由中國(guó)科學(xué)院印發(fā)的《人工智能發(fā)展白皮書(shū)》中，又將“群體智能技術(shù)”列為人工智能領(lǐng)域的八大關(guān)鍵技術(shù)之一。

無(wú)人系統(tǒng)群體智能作為群體智能的一種重要形態(tài)，伴隨著無(wú)人系統(tǒng)集群化、智能化得以快速發(fā)展。

為持續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究，需要在總結(jié)已有無(wú)人系統(tǒng)群體智能相關(guān)研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理無(wú)人系統(tǒng)群體智能的理論方法、核心技術(shù)以及系統(tǒng)構(gòu)建問(wèn)題，以推進(jìn)我國(guó)此類(lèi)群體智能研究及其系統(tǒng)研發(fā)，服務(wù)我國(guó)新一代人工智能發(fā)展目標(biāo)。

2、群體智能的基本概念與分類(lèi)

群體智能(Swarm Intelligence)概念最早于1989年由Beni和Wang在研究細(xì)胞機(jī)器人的自組織現(xiàn)象提出，用以刻畫(huà)群居性生物通過(guò)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(lái)解決問(wèn)題或構(gòu)建人工集群系統(tǒng)的方法。

一般認(rèn)為，群體智能是指由一定規(guī)模的個(gè)體通過(guò)相互協(xié)作在整個(gè)群體系統(tǒng)宏觀層面表現(xiàn)出來(lái)的一種分散、去中心化的自組織行為. 盡管群體智能系統(tǒng)中個(gè)體的智能都極其有限，但卻能夠通過(guò)相互協(xié)作與分工，整體涌現(xiàn)出高度的集體智能，以完成復(fù)雜任務(wù)，并為各種復(fù)雜問(wèn)題的求解提供新的思路。

歷經(jīng)30余年研究與發(fā)展，群體智能研究由最初的蟻群優(yōu)化算法、粒子群優(yōu)化算法等群體優(yōu)化算法開(kāi)始發(fā)展到集群機(jī)器人、自重構(gòu)機(jī)器人、無(wú)人集群等分布式群體智能系統(tǒng)，再由基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能理論、系統(tǒng)與應(yīng)用發(fā)展到人機(jī)物融合的群體智能計(jì)算，概括而言，目前主要形成以下三種形態(tài).

(1)互聯(lián)網(wǎng)群體智能

互聯(lián)網(wǎng)群體智能，是指在廣泛深度交互的互聯(lián)網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)下，規(guī)?；巳簽榱颂囟繕?biāo)在線共同作用，從宏觀上產(chǎn)生超越個(gè)體智能局限性的智能狀態(tài)，使群體具有完成復(fù)雜任務(wù)的能力. 在互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)高速發(fā)展背景下，人工智能2.0中的“群體智能”則更多體現(xiàn)的是基于互聯(lián)網(wǎng)的群體智能涌現(xiàn)。

基于群體化編輯的維基百科、基于群體化開(kāi)發(fā)的開(kāi)源軟件、基于眾問(wèn)眾答的知識(shí)共享、基于眾智眾享的APP商店等為此類(lèi)群體智能的實(shí)例展現(xiàn). 互聯(lián)網(wǎng)群體智能理論與方法是人工智能2.0的核心研究領(lǐng)域之一，為人工智能在其他領(lǐng)域的研究起著基礎(chǔ)性和支撐性作用。

通過(guò)特定的組織結(jié)構(gòu)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能系統(tǒng)吸引、匯聚和管理大規(guī)模參與者，以競(jìng)爭(zhēng)和合作等多種自主協(xié)同方式共同應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)性任務(wù)，將會(huì)成為互聯(lián)網(wǎng)科技創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的智力內(nèi)核.

(2)無(wú)人系統(tǒng)群體智能

無(wú)人系統(tǒng)群體智能是指由眾多相對(duì)自主、人工研發(fā)的無(wú)人自主運(yùn)動(dòng)體通過(guò)相互協(xié)作與分工涌現(xiàn)出復(fù)雜智能行為的特性. 無(wú)人機(jī)集群、無(wú)人艇集群、無(wú)人坦克集群和工業(yè)智能機(jī)器人集群等是其目前階段的典型實(shí)例，多顆不同能力的衛(wèi)星也可組成衛(wèi)星集群的群體智能，跨域異構(gòu)無(wú)人集群進(jìn)一步呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的無(wú)人系統(tǒng)群體智能形態(tài)。

這些無(wú)人集群以低成本、分散化形式滿足復(fù)雜任務(wù)功能需求，并針對(duì)復(fù)雜環(huán)境自主協(xié)同規(guī)劃、多域協(xié)同合作以及動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，可涌現(xiàn)出單個(gè)無(wú)人自主運(yùn)動(dòng)體難以實(shí)現(xiàn)的智能水平. 無(wú)人系統(tǒng)群體智能不僅在協(xié)同偵察、聯(lián)合作戰(zhàn)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等軍事領(lǐng)域，而且在區(qū)域物流、城市安防、搶險(xiǎn)救援等民用領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景.

(3)人機(jī)物融合群體智能

人機(jī)物融合群體智能是通過(guò)人、機(jī)、物異構(gòu)群智能體的有機(jī)融合，利用其感知能力的差異性、計(jì)算資源的互補(bǔ)性、節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作性和競(jìng)爭(zhēng)性，構(gòu)建具有自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、持續(xù)演化等能力的智能感知計(jì)算空間，實(shí)現(xiàn)智能體個(gè)體技能和群體認(rèn)知能力的提升。

其中“人”主要體現(xiàn)為社會(huì)空間廣大普通用戶及其所攜帶的移動(dòng)或可穿戴設(shè)備，“物”主要體現(xiàn)為信息空間豐富的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及云端和邊緣服務(wù)，“物”則主要體現(xiàn)為具有感知、計(jì)算、通信、決策和移動(dòng)等能力的物理實(shí)體。

在萬(wàn)物智聯(lián)驅(qū)動(dòng)下、人機(jī)物融合已是21世紀(jì)上半葉信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，使得人機(jī)物融合群體智能成為面向未來(lái)的新型智能形態(tài). 處于發(fā)展之中的智慧城市、智能制造、智能戰(zhàn)場(chǎng)是人機(jī)物融合群體智能的典型實(shí)例.

本文從關(guān)鍵要素、實(shí)現(xiàn)方式和典型應(yīng)用三方面對(duì)三種群體智能形態(tài)進(jìn)行了綜合比較，具體如表1所示. 盡管三類(lèi)群體智能形態(tài)不同，在關(guān)鍵要素的組成、實(shí)現(xiàn)方式和應(yīng)用方面均存在一些明顯差異，但其本質(zhì)內(nèi)涵一致，即通過(guò)多個(gè)個(gè)體間的相互通信與協(xié)作具備單個(gè)個(gè)體無(wú)法完成的任務(wù)能力.

表1 三種形態(tài)的群體智能比較

3、無(wú)人系統(tǒng)群體智能的主要特征體現(xiàn)

本文重點(diǎn)關(guān)注的是無(wú)人系統(tǒng)群體智能，此類(lèi)群體智能在具有明顯的自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自涌現(xiàn)等特征體現(xiàn).

(1)自組織. 無(wú)人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來(lái)的自組織是指其內(nèi)部眾多無(wú)人單體基于實(shí)時(shí)狀態(tài)與動(dòng)態(tài)環(huán)境交互及認(rèn)知，形成時(shí)空、邏輯等群體自主協(xié)作，完成復(fù)雜任務(wù)的特性，體現(xiàn)的是群體從無(wú)序到有序的演化過(guò)程，是群體自身固有而并非外部影響施加給群體的一種性質(zhì)。

自組織意味著無(wú)人群體智能系統(tǒng)中沒(méi)有一個(gè)中心控制模塊，也不存在一部分控制另一部分的情況. 自然界的生物群體均是通過(guò)其自組織來(lái)解決問(wèn)題，理解了大自然如何使生物系統(tǒng)自組織，就可以模仿這種策略使人工的無(wú)人群體智能系統(tǒng)自組織。

自組織是無(wú)人系統(tǒng)群體智能的重要特征體現(xiàn)，該特性可極大地提高無(wú)人群體智能系統(tǒng)在完成任務(wù)過(guò)程中的適應(yīng)性與健壯性.

(2)自適應(yīng). 無(wú)人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來(lái)的自適應(yīng)是指其不僅能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)外界環(huán)境動(dòng)態(tài)變化與使命任務(wù)人為更新，而且能夠從群體內(nèi)部狀態(tài)與行為突變(如局部個(gè)體故障)中盡快恢復(fù)原有行為的特性，即外界環(huán)境變化以及單個(gè)個(gè)體異常狀態(tài)均不會(huì)對(duì)整個(gè)群體執(zhí)行任務(wù)成效產(chǎn)生較大影響。

因此，無(wú)人系統(tǒng)群體智能所體現(xiàn)的自適應(yīng)特征更具體體現(xiàn)在群體自重構(gòu)和群體自恢復(fù)上. 自重構(gòu)是指群體為了適應(yīng)諸如陰雨或晴天、城市或山區(qū)等環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，搜索或跟蹤、運(yùn)輸或救援等不同任務(wù)更新，而對(duì)其群體構(gòu)型(如編隊(duì))自主變更的能力；而自恢復(fù)是指群體能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)群體內(nèi)個(gè)體故障、局部異常等，并據(jù)之自主調(diào)整群體行為，而不影響群體完成目標(biāo)任務(wù)的能力.

(3)自學(xué)習(xí). 無(wú)人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來(lái)的自學(xué)習(xí)是指在整體群體層面根據(jù)來(lái)自任務(wù)環(huán)境的性能反饋而修正并歸納其自身行為的特性. 學(xué)習(xí)的目的在于適應(yīng)與優(yōu)化，適應(yīng)是為了生存，而優(yōu)化是為了更好地發(fā)展. 自學(xué)習(xí)是無(wú)人系統(tǒng)群體智能重要的特征之一，同時(shí)又有其獨(dú)特之處. 通過(guò)自學(xué)習(xí)，群體將不再局限于預(yù)定行為，從而能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境和新的任務(wù)要求。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)、合作式學(xué)習(xí)和進(jìn)化學(xué)習(xí)普遍存在于生物群體系統(tǒng)中，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人群體智能系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的可借鑒方式. 其中，進(jìn)化學(xué)習(xí)是群體智能一種特別的學(xué)習(xí)方法，它先以其數(shù)量占據(jù)優(yōu)勢(shì)，然后隨著環(huán)境變化，淘汰不能適應(yīng)的個(gè)體，在這一過(guò)程中，每一個(gè)體并沒(méi)有發(fā)生任何學(xué)習(xí)行為，但其群體具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

通過(guò)自主且持續(xù)學(xué)習(xí)，使得無(wú)人群體智能系統(tǒng)具備了成長(zhǎng)性，不僅能夠適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化以及任務(wù)的需求變更，而且群體行為能夠自主演化，功能與性能得以持續(xù)提升.

(4)自涌現(xiàn). 自涌現(xiàn)是群體智能的本質(zhì)特征，其是自下而上自主出現(xiàn)的群智涌現(xiàn)，意為群體可以涌現(xiàn)出個(gè)體不具有的新屬性，而這種新屬性正是個(gè)體之間綜合作用的結(jié)果，形成群體宏觀有序的系統(tǒng)智能行為的特性。

無(wú)人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來(lái)的自涌現(xiàn)也是如此. 群體智能中的涌現(xiàn)現(xiàn)象與系統(tǒng)論和復(fù)雜系統(tǒng)中闡述的涌現(xiàn)本質(zhì)上是相同的，其是基于主體實(shí)現(xiàn)的涌現(xiàn)，群體中的個(gè)體結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)在群體活動(dòng)過(guò)程的交互與協(xié)調(diào)，適應(yīng)環(huán)境并學(xué)習(xí)進(jìn)化，涌現(xiàn)出一些新的整體行為和系統(tǒng)能力，實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的境界。

人們從自然界群體行為研究中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)微觀個(gè)體之間相互作用多是復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)過(guò)程的迭代，并呈現(xiàn)出難以預(yù)測(cè)和行為有效的涌現(xiàn)特性. 例如，蟻群覓食、大雁遷徙、羊群效應(yīng)的群智涌現(xiàn)對(duì)無(wú)人系統(tǒng)群體智能優(yōu)化設(shè)計(jì)均有參考價(jià)值.

審核編輯 黃昊宇