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作者西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 陜西 西安 710129 周興社 男，(1955-)，博士生導(dǎo)師，教授. 研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算與信息物理融合系統(tǒng)武文亮 男，(1989-)，博士研究生. 研究方向?yàn)橹悄軣o(wú)人集群及其評(píng)估技術(shù).

摘要：群體智能是人工智能的重要發(fā)展方向之一。無(wú)人系統(tǒng)群體智能作為人工群體智能的主要形態(tài)之一，在許多軍用和民用領(lǐng)域都具有廣闊且重要的應(yīng)用前景，同時(shí)在基礎(chǔ)理論方法、核心技術(shù)與系統(tǒng)構(gòu)建等方面也面臨諸多研究挑戰(zhàn)。本文在在闡述群體智能的基本概念并對(duì)其進(jìn)行合理分類基礎(chǔ)上，分析無(wú)人群體智能的自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自涌現(xiàn)特征，從仿生群體智能機(jī)理和典型無(wú)人群體智能系統(tǒng)實(shí)例兩方面論述當(dāng)前無(wú)人系統(tǒng)群體智能研究現(xiàn)狀，并從仿生機(jī)理、驅(qū)動(dòng)模式、研發(fā)方式和系統(tǒng)實(shí)踐四方面全面地總結(jié)無(wú)人系統(tǒng)群體智能研究特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，從理論方法、核心技術(shù)與系統(tǒng)構(gòu)建三方面循序漸進(jìn)、系統(tǒng)地梳理和凝練無(wú)人系統(tǒng)群體智能及其系統(tǒng)需要持續(xù)深化的主要研究方向，期望對(duì)相關(guān)研究者有所借鑒.

1 引言

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[1]. 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[2].鑒于生物和人類群體智能所體現(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》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

群體智能(Swarm Intelligence)概念最早于1989年由Beni和Wang[3]在研究細(xì)胞機(jī)器人的自組織現(xiàn)象提出，用以刻畫群居性生物通過(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)模化人群為了特定目標(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[4]. 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商店等為此類群體智能的實(shí)例展現(xiàn)[5]. 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[6].(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[7]。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