人机物融合群智计算

近年来，智能物联网、群体智能、工业互联网等新兴技术逐步兴起，人（智能手机、可穿戴设备等）、机（云设备、边缘设备）、物（具感知计算能力的物理实体）这三种基础要素正在走向协作和融合，迈向人机物融合群智计算时代，即通过人、机、物异构群智能体的有机融合，利用其感知能力的差异性、计算资源的互补性、节点间的协作性和竞争性，构建具有自组织、自学习、自适应、持续演化等能力的智能感知计算空间，实现智能体个体技能和群体认知能力的提升。

2020年，根据微软学术（Microsoft Academic）统计分析的关于群智感知（Crowd sensing）研究的作者排名（Top Authors）中，本书作者团队位列全球第一。本书作者带着十余年从事群智感知计算研究的思考，将传统的“以人为中心”的群智感知计算拓展深化为“人-机-物异构群智能体融合计算”（简称“人机物融合群智计算”），从单纯的群智感知数据收集提升为人机物群智融合的协作计算与增强学习，探索异构群智协同的基础理论创新和关键技术突破。

本书系统化地阐明新一代“群智感知计算”内涵，并匠造出一把开启“人机物融合群智计算”新世界大门的钥匙。本书既可以作为专著，为物联网、人工智能、工业互联网、智慧城市、智能制造等领域的科研人员和IT从业者提供创新的发展视角及相关理论、方法与技术支撑，也可以作为高年级本科生或研究生的参考教材。

郭斌，工学博士，西北工业大学计算机学院教授/博导，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”青年拔尖人才，智能感知与计算工信部重点实验室副主任，西北工业大学计算与艺术交叉研究中心主任，陕西省高校青年创新团队负责人。2009年在日本庆应大学获博士学位，2009~2011年在法国国立电信学院进行博士后研究。主要从事普适与泛在计算、移动群智感知、人机物融合群智计算等方面的研究。在IEEE/ACM汇刊等国内外重要期刊和会议上发表论文150余篇，曾获得教育部自然科学一等奖、陕西省自然科学一等奖以及IEEE UIC’17等国际会议“最佳论文奖”。担任IEEE Transactions on Human-Machine Systems、IEEE Communications Magazine、ACM IMWUT等国际权威期刊编委。CCF西安分部副主席，CCF杰出会员，IEEE高级会员。 2020年、2021年爱思唯尔中国高被引学者。

刘思聪，工学博士，西北工业大学计算机学院副教授。研究方向为普适计算、移动嵌入式智能、智能物联网。在ACM MobiSys、ACM Ubicomp、IEEE Transactions on Mobile Computing等高水平会议/期刊上发表论文20余篇，拥有授权专利4项。曾获ACM SIGBED中国优博、中国计算机学会推荐A类会议ACM UbiComp“杰出论文奖”、陕西高等学校科学技术一等奖等奖项。担任CCF普适计算专委会委员、ACM SIGBED China青年委员、ACM MobiSys 2021 会议程序委员，以及IEEE TMC、ACM IMWUT、CHI等国际顶级会议/期刊审稿人。

於志文，西北工业大学教授、计算机学院院长，教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家重点研发专项项目首席科学家。智能感知与计算工信部重点实验室主任，陕西省嵌入式系统技术重点实验室主任，陕西省重点科技创新团队负责人。主要从事移动互联网、普适计算、人机系统、社会感知等领域的研究工作。已在国际顶级学术期刊和会议上，如IEEE TMC、IEEE TKDE、INFOCOM、ACM UbiComp、KDD等发表论文150余篇。担任国际权威期刊IEEE THMS、ACM IMWUT等编委，担任ACM UbiComp、IEEE PerCom、IJCAI等国际会议程序委员或主席40余次。担任ACM西安分会主席、IEEE高级会员、中国计算机学会常务理事/杰出会员、普适计算专业委员会副主任委员、协同计算专业委员会副主任委员等。曾获中国计算机学会优秀博士学位论文奖、中国计算机学会青年科学家奖、国家教学成果二等奖、教育部自然科学一等奖和陕西省科学技术一等奖。

1. 全书逻辑主线：全书依照“理论机理—关键技术—系统平台”逻辑组织。

2. 纵向关键技术脉络：关键技术涵盖“感知-计算（学习）”两大主干脉络。

3. 横向问题牵引：各章内按照“问题导向-典型研究-研究实践-拓展思考”的逻辑思路展开。

光阴荏苒、岁月如梭，笔者从2010年开展“群智感知计算”相关研究以来，如今已有十多个年头。2010年，移动社交网络、智能手机和泛在感知计算等开始兴起并快速普及，在发现不同来源所获取的海量群体贡献数据所潜藏的巨大价值基础上，我们与法国巴黎国立电信学院张大庆教授合作，在西安召开的第七届IEEE普适智能与计算国际（IEEE UIC 2010）会议上首次提出社群智能（Social and Community Intelligence）的概念，并进一步整理和凝练后发表在2011年第七期的IEEE Computer杂志上。

2012年，清华大学的刘云浩教授首次在《中国计算机学会通讯》（第8卷，第10期）上提出“群智感知计算”的概念，即利用大量普通用户使用的移动设备作为基本感知单元，通过物联网/移动互联网进行协作，实现感知任务分发与感知数据收集利用，最终完成大规模、复杂的城市与社会感知任务。刘老师对群智感知计算概念的由来、定义、研究挑战与机遇等做了系统性的阐述，探讨了无意识感知、弱网络连接、低质低可信数据处理等挑战性问题。在此之后，国内群智感知研究得到广泛的重视，逐步发展成为物联网与普适计算领域的研究热点。2013年，国家自然科学基金重点项目群“群智感知网络理论与关键技术”启动，我们有幸参与了北京邮电大学马华东教授负责的“移动社交中感知数据收集的机会路由与交互式内容移交”这一重点基金课题，并就群智感知任务优化分配与数据优选汇聚开展了深入的探索和研究。2015年，由上海交通大学过敏意教授担任首席科学家的973计划项目“城市大数据三元空间协同计算理论与方法”启动，我们承担了其中的“面向城市大数据的三元空间协同感知方法”课题，并对群智感知能力的泛在发现、协作增强、关联表达、优质萃取等关键问题开展系统性研究。同年，我们在ACM Computing Surveys（第48卷，第1期）上发表题为“Mobile Crowd Sensing and Computing: The review of an emerging human-powered sensing paradigm”（群智感知计算：一种以人为中心的新型感知模式）的群智感知综述论文，对群智感知的概念体系、理论方法、挑战与关键技术、典型应用等进行了详细综述，该论文迄今已被国内外研究者引用近700次。2019年，我们研制和发布了CrowdOS（www.crowdos.cn）平台，并面向智慧城市、公共安全、智能制造等国家重大需求开展领域应用和技术推广，得到了国内外同行的广泛关注。经过在群智感知计算领域十余年的持续耕耘，我们在理论、模型、方法、技术等方面都积累了系统而丰富的经验。2020年，在微软学术（Microsoft Academic）统计分析的关于群智感知（Crowd Sensing）研究的作者排名（Top Authors）中，我们团队位列全球第一。

近年来，智能物联网、群体智能、工业互联网等技术逐步兴起，人（智能手机、可穿戴设备等）、机（云设备/边缘设备）、物（具感知计算能力的物理实体）这三种基础要素正在走向协作和融合，迈向“人机物融合群智计算”时代。2021年5月28日，习近平总书记在两院院士大会上发表的重要讲话中指出：人类正在进入一个“人机物”三元融合的万物智能互联时代。人机物融合的三元计算是21世纪上半叶信息技术发展的大趋势，这一发展趋势最早于2009年中国科学院《中国至2050年信息科技发展路线图》研究中首次明确提出。中国科学院的李国杰院士在《创新求索录》一书中也指出：今天的信息世界已经与一人一机组成的、分工明确的人机共生系统不同，而是一个多人、多机、多物组成的动态开放的网络社会，即物理世界、信息世界、人类社会组成的三元世界。此外，Gartner于2020年也提出“人机物融合智慧空间”的概念，并将其列入当年十大战略科技发展趋势，指出人工智能与物联网、边缘计算和数字孪生等技术的快速发展及深度融合，可为智慧城市、智慧社区、智能制造等领域提供高度集成的智慧空间环境，人、机、物等要素在其中彼此交互与激发，将构建更加组织灵活、行为自适、自主演化的空间。

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2021年8月于西安

目　　录

丛书序言

推荐序一

推荐序二

前言

第1章　绪论1

1.1　背景与趋势1

1.2　人机物融合群智计算概述3

1.3　研究挑战与进展4

1.3.1　人机物群智协同机理4

1.3.2　自组织与自适应能力5

1.3.3　群智能体分布式学习6

1.4　典型应用6

1.4.1　城市计算6

1.4.2　智能制造7

1.5　本书整体结构8

习题11

参考文献11

第2章　迈向人机物融合群智计算时代14

2.1　背景和趋势14

2.1.1　智能物联14

2.1.2　边缘智能16

2.1.3　新一代人工智能17

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