无人智群及其社会融合.docx

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1、一、引言我们的社会因科学技术的进步而不断发展，并发生了深刻的改变。然而，在环境可持续性、城市基础设施、健康医疗等方面仍然存在着巨大的工程挑战。如今，高度发展的无人系统的能力已经变得越来越强大，而且成本低廉。此类系统进一步与云计算和边缘计算、5G、物联网（IOT）和大数据相融合，可以使网联的无人系统作为一个“团队协作运行，以应对我们社会的巨大挑战。正如我们在日常生活中所看到的，无人系统作为人工智能（AD的具象体现，正在逐步普及。例如，多种无人机系统在国家空域飞行，网联的自动驾驶汽车在道路上行驶，外科机器人在医院里手术，服务机器人走进家庭为老人和有特殊需要的儿童提供健康护理。然而，尽管网联无人系统

2、取得了显著的成就，但它们现有的能力与应对重大挑战所需的能力之间存在差距。我们认为，潜在的原因主要有两个方面。首先，目前的网联无人系统主要是被设计成适用于范围狭窄的特定领域任务。这阻止了无人系统在更大范围内的群智涌现，以应对任务和环境的复杂性。其次，“无人化的趋势越来越明显，使得人性的部分没有得到继承，这使人们在关键任务上很难信任、接受和使用无人系统。事实上，人类对无人系统的态度以及无人系统对人类行为的影响研究相对较少，这将最终损害我们使用无人系统的预期社会和经济效益。事实上，来自智慧社会的需求牵引无人系统离开其典型的结构化和受控环境,与人类一起工作。换言之，无人系统应该达到全面的人类水平的智能

3、，以便在复杂环境中与人类一起执行不同的任务。为了实现人类与无人系统之间愉悦和谐的共存，以便使人类更好地生活和工作，出现了以下问题：如何共同凝聚各种无人系统的力量，为人类提供服务，以应对苛刻的需求以及动态和不确定环境中的未知事件？这些能力强大的系统如何能与人类协作，被积极正向地感知和评价，并在社会中被广泛接受？将无人系统融入社会并非易事，因为我们的福祉甚至生命在一定程度上依赖这些无人系统（如自主驾驶汽车的应用）。无人系统社会化运行是一个迫切的需求，这将使得多无人系统能够在未知环境中识别、理解和建立彼此及与人类或物体（可能先前未知）之间的关系。为了满足这一需求并更好地服务社会，本研究提出的无人智群

4、（UnlC）是由具有社会意识的无人系统组成。无人智群的核心原则是提高无人系统的认知能力，并将人类的需求作为一个不可缺少的部分，从而实现人造的无人系统在交互过程中具有人性化的思维，并在感知、决策和行动上符合人类的偏好。UnlC的Un代表了网联无人系统的凝聚力，更具体地说，它代表了来自大范围无人系统的能力联合。从广义上讲，关于无人智群中无人系统的范围，我们没有明确区分在多域运行（空、海、陆和太空）的机器人/机器和自主无人驾驶车辆，原因如下：第一，它们的共同特点包括移动的、自我维持的、自我引导的，并且资源丰富；第二，尽管多域运行，但其在安全关键性或任务关键性的特征是相同的；第三，它们在合作、认知和社

5、会性方面面临着高度的挑战。与智能虚拟智能体不同，Unle中的无人系统有作为Al的具象化的实体，并在多个领域内可以移动。仅举几例，UnIC中的无人系统包括航天器、飞艇、无人驾驶飞行器(UAV)、无人地面车辆(UGV)无人水面车辆(USV)、无人水下车辆(UUV)、仿人、仿人机器人。智能是UnIC的核心，它主要是指协作、交互和社会智能。这种智能的来源可以是生物启发、类脑启发和社会启发。与现有的无人系统相比，Unle的智能的内涵和来源是不同的。当与其他无人系统、人类、物体和环境交互时，最先进的无人系统已经展现出解决“什么什么时候和哪里的问题的能力，但把谁为什么如何和如果等基本问题留给人类。由于这些不

6、足的存在，人类偶尔认为机器行为是笨拙、奇怪甚至危险的也就不足为奇。事实上，解决这些深层次的问题要求无人系统拥有强大的匹配人类水平认知能力，如推断和推理，以及匹配人类水平的社交能力，如关系理解和建立。为了达到这一目标，UniC预计将拥有先进的并且互补的协作、交互和社会智能。“集群是应对复杂性的一种基本形式。UnlC中的集群是指一种新的合作模式，可直观地理解为是无人系统网联后产生的团队、功能和服务。这里我们主要强调集群的两个方面：成员和结构。关于成员资格，智群的集群模式是开放和动态的，这意味着集群中的成员可以调整他们的策略，并在物理、信息和社会空间中产生新集群。因此，一个无人系统可能参与到多个集群

7、中，并扮演不同的角色。关于结构，集群可以是分层和嵌套的小组形式，也可以是由各种质量、规模和组分形成的无人系统的团队。值得注意的是，这些特征也不同于卫星集群/星座、服务机器人、无人机编队或蜂群、网联自主汽车和无人机舰队中的传统集群。对于传统的集群，无人系统通常为特定的任务而固化设计，并且机器之间或人与机器之间的社会交互规则往往是逐个任务设计的。这种封闭系统的缺点是无法与大规模网联无人系统中的正确参与者建立关系，因此无法在新情境下为不同的任务抽象出相应的能力。UnlC通过大规模的社会连接和协作来区别于封闭的系统，这些连接和协作通过以下方式来实现：具有灵活多变的群体成员的可扩展性，具有安全访问的互操

8、作性，功能和服务的虚拟化，以及按需重构的灵活性。无人系统在传统上被用于替人执行所谓危险、枯燥和肮脏（3D）的任务。然而，在一个更加数字化的现代世界中，它们有望作为认知的、协作的和陪伴的（30伙伴，以有组织和网络化的方式与人类共存。预计UnIC将适应这种角色的转变和随之而来的新挑战。网联无人系统是全球范围的研究热点。中国在2016年启动了一项为期8年、耗资两亿美元的国家研究计划，名为共存-合作-认知（Tri-CO）机器人，目的是探索人-机器和机器-机器的合作。其提出的共存将使机器人无处不在地与人类一起安全地工作，而合作将使机器人与其他智能体（人或机器人）有效地协调。在欧洲，H2020项目启动了“

9、基于陆地、空中和水面的多域未来互联网实验，重点是协调多个跨领域的无人系统；同样，自主水下航行器的合作认知控制（C03auV）项目也己启动。另一个名为RoboticUBIquitousCognitiveNetwork的欧洲项目研究了机器人生态学概念，目的是使用协作无人系统来提供日常生活中的普适性服务。在美国，泛在协作机器人计划（NRl-3.0）和全球许多机器人项目都是为了实现类似的目标。在工业界，SPaCeX公司的StaHink系统一直通过大量的合作式低轨道卫星提供互联网服务。综上，上述研究工作都为UnlC的实施打下了坚实的基础。本文的组织结构如下：第2节讨论了相关的工作和概念；在第3节中，我们

10、概述了无人智群的基本概念，强调了人类和社会交互的作用；第4节介绍了支持UnlC的关键使能技术；在第5节中，我们简要介绍了一些关于机器的社会融合的研究；第6节列出了尚未解决的关键开放问题；最后，第7节得出了结论。二、相关工作和概念现有的与协作无人系统相关的研究非常丰富，其中泛在机器人和蜂群是代表性的主题。这两个主题和UnIC都强调了多个无人系统的协作和网联。此外，泛在机器人技术与UnIC的共同点是，都提出将无人系统嵌入日常生活和环境中。然而，UnlC在集群的形成和组成上与它们有所区别。与泛在机器人技术相比，UnlC可以形成具有不同规模和成员资格的动态集群。至于蜂群，它通常指的是由一群同质化的成员

11、组成，用于执行狭窄范围的任务。在很多情况下，其成员个体的能力、智能和成本都比较低。与蜂群相比，UnIC允许无人系统在自主水平或社会身份等多个方面实现异质性。此外，无论是蜂群还是泛在机器人，似乎都没有积极考虑人类在系统设计中的作用，而UnlC概念强调的是一种开放、可交互操作、可重构，特别是对人类有主动意识感知的协作集群结构。近年来，将人引入工程系统是值得注意的新趋势。相关的工作包括人与系统之系统和以人为本的多智能体系统（MAS）。在下文中，我们简要介绍了两个代表：信息-物理-人系统（CPHS）和人在环物联网（IoT）,强调了与所提出的UnlC概念相比的相似性和差异。（一）信息-物理-人系统信息物

12、理系统（CPS）不仅是一个与Unlc密切相关的领域，也是UnIC的主要先驱之一。CPS刻画了信息系统要素（如通信和计算）与物理系统要素之间的交互作用，范围广泛，从飞机上的航空电子设备到用网联自主驾驶车辆。在CPS的基础上，CPHS进一步认识到人是社会人并且具有社会关系。在这种情况下，人在社会联系中移动，增强的信息要素可以叠加在人类活动和行为上。人参与的重要性在工业CPS、工厂CPS和住宅CPS中也得到认可。这些概念在更大范围内的延伸即信息-物理-社会系统（CPSS）O与CPHS或CPSS相比，UnIC更专注于多种无人系统。它具有高度的异质性和移动性，并在传感和执行方面具有突出的能力。此外，Un

13、lC可以通过实时分担人的物理或认知工作负担来响应人类的社会需求。换言之，在UnlC中，人类在连接物理世界和信息世界方面起着更核心的作用。（二）人在环物联网UnlC和人在环IoT拥有共同的愿景，即认为人类需求和社会网络是与IoT研究相结合的重要因素。在IEEEIOT委员会中，2018年成立的一个工作组明确考虑了人类在IoT发展中的作用，特别关注技术的日益广泛使用如何影响人类。UnIC与人在环IOT的基本理念一致，即我们周围的物应该了解人类的意愿、需求和兴趣，以便它们能够提供可靠和值得信赖的解决方案。这种人和I。T集成的优势在于促进服务发现、资源可见性、系统声誉评估和众包。值得注意的是，机器人也可

14、以被看作是一个特殊的“物的类别，在这种情况下，研窕者提出机器人物联网（IoRT）的概念，以进一步融合传感、执行、网络和服务。与探索一般性的物的人在环IoT相比，UnlC特别关注人类与智能、移动的实体的交互。尽管人在环I。T可以通过提供上下文信息与人类交互，但所需的信息可能很容易超出感知范围、传感维度和传感器网络的精度。然而，这个问题对于UnlC可能不存在，因为它通过移动性追求信息的丰富性和更广泛的上下文信息。此外，UnlC可以通过社会连接邀请新的无人系统来形成开放和动态的集群，这些系统的加入能对任务做出一定贡献。三、UnlC的概念本节详细介绍了UnIC的概念和智能驱动的特征。此外，本节还阐述了

15、UnlC产生的物理、信息和社会空间。（一）UEC概述UnIC指的是以人为本，通过智能的、社会化协作实现的网联的自主无人系统。这种人机融合体通过知识共享和社会意识，优化人-机-物-环之间的协调，通过增加相互理解和信任不断提高个人和人机团队的能力。其目的是为人类提供一套个性化、多样化、社会可接受的功能和服务。这些服务围绕人类的需求，聚集必要的虚拟和物理资源。当需要时，可以根据人类的意图进行集群以及集群方式的重构，从而适应动态的、未知的环境。以下是UnIC运行的基本特征： 无人系统形成的集群具有足够的可扩展性来实现对突发事件的响应； 集群既可以形成，也可以被解散，这取决于任务和人类的需求； 人类的偏

16、好和社会的接受程度起着至关重要的作用； UnIC既是服务提供者，又是服务消费者； UnlC可以作为自己和其他系统的移动基础设施。UnIC的自主移动性使其具有实现“接近人类的能力的可能性,这不仅是在感知和认知方面,而且是在行动和行为方面。突出的智能特征包括自感知、自决策、自行动、自学习、自修复、自成长和自治理。UnIC利用无人系统平台提供4个基本的协作功能模块，即感知(UnIC-P)通信网络(UnIC-N)计算(UnIC-C)和服务(UnICS)o图1解释了UnIC的概念。我们将简要地介绍这4个功能模块。UnIC-P与Ie)T等现有系统兼容，但又能为I。T增加价值。UnIC中的集群可以连接到IoT网络，对物体、环境和人类进行合作感知。另外，获取并提炼的知识是在人-机器和机器-机器两个层面上共享的。UnIC-N可以提供无处不在的通信网络，这使得Unl-C可以以分