無人系統(tǒng)群體智能及其研究進展

無人系統(tǒng)群體智能及其研究進展

關(guān)鍵詞：無人系統(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蟻群、蜂群等簡單社會性生物群體行為的觀察與模擬. 該概念自20世紀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，人們在模擬、延伸和擴展簡單社會性生物群體智能的同時，也有研究者從人類社會的群體智能等其它視角探索著集體的偉大力量。經(jīng)過在不同應(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.

鑒于生物和人類群體智能所體現(xiàn)的集群優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，2017年7月，在國務(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)域的一個新的研究方向。

隨后，由科技部啟動的《科技創(chuàng)新2030“新一代人工智能”重大項目指南》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)，伴隨著無人系統(tǒng)集群化、智能化得以快速發(fā)展。

為持續(xù)開展相關(guān)研究，需要在總結(jié)已有無人系統(tǒng)群體智能相關(guān)研究基礎(chǔ)上，進一步梳理無人系統(tǒng)群體智能的理論方法、核心技術(shù)以及系統(tǒng)構(gòu)建問題，以推進我國此類群體智能研究及其系統(tǒng)研發(fā)，服務(wù)我國新一代人工智能發(fā)展目標。

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在研究細胞機器人的自組織現(xiàn)象提出，用以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。

一般認為，群體智能是指由一定規(guī)模的個體通過相互協(xié)作在整個群體系統(tǒng)宏觀層面表現(xiàn)出來的一種分散、去中心化的自組織行為. 盡管群體智能系統(tǒng)中個體的智能都極其有限，但卻能夠通過相互協(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)化算法開始發(fā)展到集群機器人、自重構(gòu)機器人、無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)展到人機物融合的群體智能計算，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繕嗽诰€共同作用，從宏觀上產(chǎn)生超越個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、基于群體化開發(fā)的開源軟件、基于眾問眾答的知識共享、基于眾智眾享的APP商店等為此類群體智能的實例展現(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。

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

(2)無人系統(tǒng)群體智能

無人系統(tǒng)群體智能是指由眾多相對自主、人工研發(fā)的無人自主運動體通過相互協(xié)作與分工涌現(xiàn)出復(fù)雜智能行為的特性. 無人機集群、無人艇集群、無人坦克集群和工業(yè)智能機器人集群等是其目前階段的典型實例，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)無人集群進一步呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的無人系統(tǒng)群體智能形態(tài)。

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

(3)人機物融合群體智能

人機物融合群體智能是通過人、機、物異構(gòu)群智能體的有機融合，利用其感知能力的差異性、計算資源的互補性、節(jié)點間的協(xié)作性和競爭性，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算空間，實現(xiàn)智能體個體技能和群體認知能力的提升。

其中“人”主要體現(xiàn)為社會空間廣大普通用戶及其所攜帶的移動或可穿戴設(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、計算、通信、決策和移動等能力的物理實體。

在萬物智聯(lián)驅(qū)動下、人機物融合已是21世紀上半葉信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，使得人機物融合群體智能成為面向未來的新型智能形態(tài). 處于發(fā)展之中的智慧城市、智能制造、智能戰(zhàn)場是人機物融合群體智能的典型實例.

本文從關(guān)鍵要素、實現(xiàn)方式和典型應(yīng)用三方面對三種群體智能形態(tài)進行了綜合比較，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，即通過多個個體間的相互通信與協(xié)作具備單個個體無法完成的任務(wù)能力.

表1 三種形態(tài)的群體智能比較

3、無人系統(tǒng)群體智能的主要特征體現(xiàn)

本文重點關(guān)注的是無人系統(tǒng)群體智能，此類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. 無人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來的自組織是指其內(nèi)部眾多無人單體基于實時狀態(tài)與動態(tài)環(huán)境交互及認知，形成時空、邏輯等群體自主協(xié)作，完成復(fù)雜任務(wù)的特性，體現(xiàn)的是群體從無序到有序的演化過程，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)。

自組織意味著無人群體智能系統(tǒng)中沒有一個中心控制模塊，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其自組織來解決問題，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人群體智能系統(tǒng)自組織。

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

(2)自適應(yīng). 無人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來的自適應(yīng)是指其不僅能夠動態(tài)適應(yīng)外界環(huán)境動態(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)境變化以及單個個體異常狀態(tài)均不會對整個群體執(zhí)行任務(wù)成效產(chǎn)生較大影響。

因此，無人系統(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)境動態(tài)變化，搜索或跟蹤、運輸或救援等不同任務(wù)更新，而對其群體構(gòu)型(如編隊)自主變更的能力；而自恢復(fù)是指群體能夠自動發(fā)現(xiàn)群體內(nèi)個體故障、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任務(wù)的能力.

(3)自學(xué)習(xí). 無人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來的自學(xué)習(xí)是指在整體群體層面根據(jù)來自任務(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)是無人系統(tǒng)群體智能重要的特征之一，同時又有其獨特之處. 通過自學(xué)習(xí)，群體將不再局限于預(yù)定行為，從而能夠適應(yīng)動態(tài)變化的環(huán)境和新的任務(wù)要求。

強化學(xué)習(xí)、合作式學(xué)習(xí)和進化學(xué)習(xí)普遍存在于生物群體系統(tǒng)中，是實現(xiàn)無人群體智能系統(tǒng)自學(xué)習(xí)的可借鑒方式. 其中，進化學(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，然后隨著環(huán)境變化，淘汰不能適應(yīng)的個體，在這一過程中，每一個體并沒有發(fā)生任何學(xué)習(xí)行為，但其群體具有更強的適應(yīng)能力。

通過自主且持續(xù)學(xué)習(xí)，使得無人群體智能系統(tǒng)具備了成長性，不僅能夠適應(yīng)環(huán)境的動態(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)出個體不具有的新屬性，而這種新屬性正是個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。

無人系統(tǒng)群體智能體現(xiàn)出來的自涌現(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，其是基于主體實現(xiàn)的涌現(xiàn)，群體中的個體結(jié)構(gòu)和功能相對簡單，通過在群體活動過程的交互與協(xié)調(diào)，適應(yīng)環(huán)境并學(xué)習(xí)進化，涌現(xiàn)出一些新的整體行為和系統(tǒng)能力，實現(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)微觀個體之間相互作用多是復(fù)雜非線性動態(tài)過程的迭代，并呈現(xiàn)出難以預(yù)測和行為有效的涌現(xiàn)特性. 例如，蟻群覓食、大雁遷徙、羊群效應(yīng)的群智涌現(xiàn)對無人系統(tǒng)群體智能優(yōu)化設(shè)計均有參考價值.

審核編輯 黃昊宇