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          中國科學院院士梅宏:如何構(gòu)造人工群體智能

          共 4405字,需瀏覽 9分鐘

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          2022-04-29 15:08

          本文內(nèi)容由數(shù)據(jù)派THU 整理自梅宏士在清華軟件論壇上所做的專題報告

          一、群體智能研究現(xiàn)狀

          群體智能是科學家長期關(guān)注和研究的一種自然現(xiàn)象。在很多低等社會性生物群體中可以觀察到,群體中的單一個體不具有智能,或僅有非常有限的智能,由這些個體構(gòu)成的群體卻展現(xiàn)出遠超個體能力的智能行為。這種在低等社會性生物群體層面上展現(xiàn)出的智能,通常被稱為群體智能(Swarm Intelligence)。
           


          1.1 人類社會中的群體智能現(xiàn)象

          • 草地上的小路:即使沒有人進行全局的規(guī)劃或指揮,草坪上也會自發(fā)地涌現(xiàn)一條或幾條條彎彎曲曲的小路。

          • 《烏合之眾》(古斯塔夫·勒龐):這本書也是一種群體現(xiàn)象,如果受到有效的激勵和鼓動,群體會展現(xiàn)出驚人的破壞力,因為這種激發(fā),個體在里面失去了很多東西。

          • 三個臭皮匠頂個諸葛亮:幾個智力平平的人團結(jié)在一起也有可能做出很高質(zhì)量的決策。

          • 市場經(jīng)濟:好像存在一只“看不見的手”,對大規(guī)模市場資源進行有效配置。


          人類社會的不斷發(fā)展和演化也可以被認為是一種群體智能現(xiàn)象,絕大多數(shù)文明成果都是人類個體在長期群體化、社會化的生產(chǎn)和生活中逐漸演化形成的產(chǎn)物。


          1.2 人類群體智能受到越來越多的關(guān)注

          Science 2010年的一篇學術(shù)論文用定量的方式觀察到物理空間中2~4人小群體在協(xié)同求解問題時群體智能現(xiàn)象的存在,題目中的“Collective Intelligence”指的就是高等生物。
           


          對個體智能的定義和系統(tǒng)性度量問題,心理學家已經(jīng)給出了有效的統(tǒng)計方法。論文將個體智能的統(tǒng)計度量方法應(yīng)用于群體智能的度量,得到了類似于個體智能的一種度量指標“c factor”。在物理空間2~4人的群體任務(wù)求解中,觀察到如下現(xiàn)象:群體智能弱相關(guān)于個體平均/最高智能,但強相關(guān)于個體平均社會。

          敏感度、個體對話平等度、以及群體中女性比例等三個因素。在一定程度上印證了“三個臭皮匠,頂過一個諸葛亮”。
           


          Science在2005年發(fā)布了125個科學開放問題,其中第16題是關(guān)于人類合作行為如何發(fā)展演化。

          在2021年,Science和上海交通大學合作,再次提出125個問題,其中明確提出了群體智能如何涌現(xiàn)形成?

          1.3 群體智能研究現(xiàn)狀小結(jié)
           


          為什么利用現(xiàn)象規(guī)律構(gòu)造人類群體智能系統(tǒng)的實踐很少?

          • 原因一:對群體智能的形成機理缺乏充分理解。對群體智能的理解和應(yīng)用仍然處于必然王國的階段;無法確保求解特定問題時群體智能的可控重復(fù)發(fā)生。

          • 原因二:物理空間阻礙了人類群體智能的形成。在物理空間中聚集一個大規(guī)模的人類群體成本太高;人類群體無法在局部物理空間長時間同步高效工作。


          二、網(wǎng)絡(luò)空間人類群體智能

          2.1 互聯(lián)網(wǎng)帶來了新的可能性

          互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為人類群體的跨時空大規(guī)模協(xié)同提供了可能,網(wǎng)絡(luò)空間中的人群不再受到地域和時間的限制,更大規(guī)模的人類群體可以在網(wǎng)絡(luò)空間中進行更加方便靈活的顯式或隱式交互?;ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,促進了網(wǎng)絡(luò)空間人類群體智能系統(tǒng)的探索和成功實踐。

          2.2 網(wǎng)絡(luò)空間人類群體智能 典型案例
           

           
          2.3 網(wǎng)絡(luò)空間人類群體智能 現(xiàn)狀小結(jié)

          • 現(xiàn)有實踐本質(zhì)上是對互聯(lián)網(wǎng)跨時空匯聚能力的利用:針對特定問題精心設(shè)計的群體力量利用方案;對于群智規(guī)律和機理的認識與探討較為缺乏。

          • 形成的網(wǎng)絡(luò)空間群智現(xiàn)象仍然處于相對初級的階段:距離理想形態(tài)的群智現(xiàn)象差距較大;無法確保群智現(xiàn)象的可控重復(fù)發(fā)生。

          • 與物理空間群智機理探索的研究工作缺少結(jié)合:網(wǎng)絡(luò)空間關(guān)注利用“群智”“群力”的實踐;物理空間關(guān)注低等生物群智現(xiàn)象的觀察解釋;鮮有結(jié)合二者的努力。


          三、北京大學團隊的研究與實踐進展

          3.1 研究問題

          • 群體智能的形成機理是什么?

          • 群體智能能否成為求解問題的基本方法之一?

          • 如何構(gòu)造求解特定問題的人類群體智能系統(tǒng)?

          • 群體智能的能力邊界在哪里?


          3.2 對群體智能的定位與理解

          3.2.1 基本認識


          理想形態(tài)的群體智能展現(xiàn)出兩種基本性質(zhì):

            • 智能放大效應(yīng):對個體智能進行有效放大;

            • 規(guī)??蓴U展性:數(shù)量龐大的個體參與其中;


          在本質(zhì)上,群體智能來源于自主個體之間的大規(guī)模有效協(xié)同:


            • 學視角:量變產(chǎn)生質(zhì)變;

            • 復(fù)雜系統(tǒng)視角:涌現(xiàn)、自組織。


          3.2.2 如何定位和理解群體智能?


          群體智能是什么?我們的理解是利用群體的力量來求解復(fù)雜問題的方式,而這個復(fù)雜問題僅依靠單一個體無法求解。

          群體智能兩個特征:1+1>2;群體協(xié)同規(guī)模的可擴展性。

          3.2.3 微觀群體智能兩種基本原理

           


          微觀群體智能兩種基本原理:

          情況在問題可分解的情況下,不同個體之間進行分工合作。把一個問題分成P1、P2,張三李四求解能力不同,解決P1、P2的時間不同,如果張三求解P1表示擅長,1t時間完成,求解P2表示不擅長,10t時間完成,總共加起來11t。同理李四,如果分工合作,總耗時僅為2t ,這就是一種可分解的局面。

          情況二具有關(guān)聯(lián)性的不同信息片段融合后自然形成的信息增加。以拼圖為例,張三李四的片段合起來形成一個更大的片段,它帶來的含量信息含量是1+1>2的結(jié)果。

          3.2.4 宏觀群體智能

          從宏觀層面來看,群體智能是由大量持續(xù)出現(xiàn)的微觀層次的群體智能現(xiàn)象復(fù)合形成的現(xiàn)象。如凱文·凱利在《失控:全人類的最終命運和結(jié)局》中提到:“一種由無數(shù)默默無聞的零件,通過永不停歇的工作,而形成的緩慢而寬廣的創(chuàng)造力”,這是群體智能涌現(xiàn)的過程。

          3.2.5 宏觀群體智能基本原理

          把群體智能進行分解,實際上包含三件事情:

            • 第一是探索,群體中的每一個體自主地對當前問題進行探索得到該問題的信息。

            • 第二是融合,所有個體探索到的信息通過某種方式被融合。

            • 第三是反饋,融合活動產(chǎn)生的群體信息通過某種方式反饋給個體刺激個體進行持續(xù)地探索。


          3.2.6 物理空間利用群體智能的可行性?

          目前,利用群智機理讓人類群體在物理空間中求解工程問題還不具有一般意義上的可行性。

          表面原因:

            • 第一,過程和結(jié)果不可控;

            • 第二,時間跨度大。


          深層原因:

            • 第一,找不到足夠多的參與者:在物理空間中召集一個群體的成本太高;長時間將一群人限定在一個物理空間中,工作效率會越來越低。

            • 第二,信息傳播的速度太慢:物理空間中的信息傳播存在限制。

            • 第三,信息融合依賴于重要人物:這樣的重要人物很少。

            • 第四,被動式的信息反饋:信息不會主動反饋回來;需要主動去獲取信息。


          當網(wǎng)絡(luò)空間出現(xiàn)之前,除人類文明這種宏觀層次的人類群體智能現(xiàn)象,很難觀察到其他宏觀層次的人類群體智能現(xiàn)象。

          3.2.7 互聯(lián)網(wǎng)帶來的可行性

          互聯(lián)網(wǎng)直接消除了四條深層原因中的前兩條,足夠多的參與者沒有時空的約束,傳播速度極快,在網(wǎng)絡(luò)空間,各種人類群體智能現(xiàn)象持續(xù)涌現(xiàn)。

          3.2.8 進一步還能做什么?

          自發(fā)涌現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)空間群體智能現(xiàn)象大多僅消除了深層原因1和2,基本沒有觸及深層原因3和4。以消除深層原因3和4為目標可以設(shè)想出一種理想形態(tài)的群體智能。
           


          當前形態(tài)是什么呢?探索在某種意義上有些功利性,融合是手工,反饋是被動的。如果我們自由探索,把融合變成自動的,然后根據(jù)個體能力和特性,進行有針對性的反饋,這樣一來效率就更高。

          3.3 群體智能的構(gòu)造性模型

          環(huán)境激發(fā)效應(yīng)對群體智能現(xiàn)象的形成提供了一種事后解釋性模型,在這一概念的基礎(chǔ)上,我們主要關(guān)注如何構(gòu)造求解特定問題群體智能系統(tǒng)。


          群體智能的構(gòu)造性模型EIFL,由三個環(huán)進行信息激發(fā)、融合和反饋。個體探索之后形成片段,融合之后反饋回來,通過多輪迭代形成一個解決方案。

          3.3.1 群體智能系統(tǒng)的分類維度
           
          由分類框架得到群體構(gòu)成的三種分類維度:


          • 第一個分類維度:由自然生命體構(gòu)成的群體(蟻群、人群);

          • 第二個分類維度:由人造智能體構(gòu)成的群體(機器人群體);

          • 第三個分類維度:混合群體(人-機混合、低等生物-機混合)。


          實踐一:利用EIFL模型觀察已經(jīng)存在的群體智能系統(tǒng)



          關(guān)于群體智能的構(gòu)造模型,我們在國家科學評論,發(fā)表了相關(guān)觀點性的文章。構(gòu)造模型的核心,就是我們要加快融合法和提高反饋法。

          實踐二:基于群體智能的自組裝(self-assembly)

          群體自組裝問題

          動漫電影《超能陸戰(zhàn)隊》中設(shè)想有一種磁力機器人能夠大規(guī)模地聚集在一起,組成各種形狀。而我們的研究目標是:能否采用“探索-融合-反饋”基本原理實現(xiàn)大規(guī)模群體在非中心控制情況下的自我成型。
           


          • 融合:形成紅光場;根據(jù)所有未被占據(jù)目標網(wǎng)絡(luò)的位置,融合形成藍光光場。

          • 反饋:每一個體獲得其周圍的局部光場信息。

          • 探索:每一個體根據(jù)其周圍的局部光場信息確定其下一步的行動決策。



          實踐三:基于群體智能的拼圖
           


          拼圖問題是一類復(fù)雜問題的典型代表:無法通過自上而下、集中控制方式進行有效求解。
           


          • 探索:單一個體自主進行拼圖,拼圖結(jié)果被表示為由圖塊以及圖塊之間的鄰接關(guān)系形成的圖。

          • 融合:所有個體當前時刻的拼圖結(jié)果被融合在一起,形成當前時刻的群體觀點圖。

          • 反饋:根據(jù)個體當前時刻的拼圖動作,將當前時刻群體觀點圖中相關(guān)的具有較高可信度的鄰接關(guān)系反饋給當前個體。



          實踐四:基于群體智能的知識圖譜構(gòu)建

          在目前階段,專業(yè)領(lǐng)域的知識圖譜不可能完全通過自動化算法進行構(gòu)建;人類參與必不可少。對于一個大規(guī)模的專業(yè)知識圖譜,僅依靠少量專家進行構(gòu)建,也不具有現(xiàn)實的可行性。
           


          • 探索:每個參與者在探索活動中持續(xù)構(gòu)建各自的個體知識圖譜;個體知識圖譜被表示為一種節(jié)點和邊帶標簽的有向圖。

          • 融合:所有參與者構(gòu)建的個體知識圖譜,通過熵最小化原則進行對齊,進而融合形成群體知識圖譜。

          • 反饋:根據(jù)參與者的知識圖譜構(gòu)建行為,將群體知識圖譜中相關(guān)且具有較高可信度的知識圖譜片段反饋給參與者。



          實踐五:基于群體智能的軟件開發(fā)

          軟件是一種具有復(fù)雜邏輯結(jié)構(gòu)的人造知識制品,規(guī)模和復(fù)雜性持續(xù)增長,開發(fā)困難性不斷增加能否將群體智能用于軟件的生產(chǎn)與持續(xù)演化?



          新一代人工智能把群體智能當成人工智能,而我們需要提出新的認識,群體智能本身是自然智能??茖W家認識群體智能機理,我們還希望能夠把這種規(guī)律或者機理利用起來。

          通過群體智能構(gòu)造性模型,在求解特定問題的時,個體探索之后,用機器匯聚效率高,還需要確保正確性。目前,我們在軟件工程領(lǐng)域開展了初步的探索,取得了一定效果。希望未來,對開源社區(qū)的平臺機制提供一些幫助,實現(xiàn)自動匯聚。以百科平臺為例,是由人來管理,我們有沒有更好的辦法合作?類似這樣的系統(tǒng)有沒有更好的辦法引入機器的能力?現(xiàn)在,實際上是想把AI用到群體智能系統(tǒng)的構(gòu)建,用AI去加強融合和反饋,替代人的工作。我們最關(guān)心的是在軟件開發(fā)中,能不能更多的人去參與,AI在軟件開發(fā)中的應(yīng)用,以及AI在群體化軟件開發(fā)中應(yīng)用。謝謝大家。


          審核:劉璘
          校對:林亦霖
          編輯:黃繼彥


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