前瞻观点｜西北工业大学周兴社院长发表先进计算人机物融合系统技术报告

1月12日，“全球领先智能化绿色化技术”交流峰会隆重举行，来自全球各地的专家学者、行业精英齐聚一堂，共同探讨智能化与绿色化技术的前沿发展与应用实践。西北工业大学计算机学院周兴社院长在峰会上发表了题为“人机物融合系统发展及其研究实践”的主题演讲，深入阐述了人机物融合系统在新时代的理论创新与实践成果，为与会者带来了深刻的洞见。

“人类正在进入一个‘人机物’三元融合的万物智能互联时代”，周兴社院长开宗明义，引用了习近平总书记在2021年两院院士大会上的讲话，彰显了智能化领域的时代意义。周院长指出：“人机物三元融合是人类信息机器层次、计算系统和物理实体三类异构主体联结共生构成的社会空间、信息空间和物理空间深度融合”。回顾其发展历程，自2008年CPS（信息物理融合系统）1.0阶段的理论构建，到2016年后以人的参与和智能化为核心的CPS 2.0阶段，再到生成式AI与大模型赋能下的新时代，从早期的信息物理融合系统逐步演变为强调智能化和人类参与的人机物融合系统，技术的演进推动着系统从单一领域扩展至千行百业。

新一代信息技术如智能物联、移动计算、云计算、大数据、人工智能和区块链等，为“人机物融合系统的发展提供了强大的技术支撑”。周院长举例说，云-边-端计算与CPS的结合，使得信息物理空间从二维扩展到三维，而生成式人工智能的快速发展，为人机物融合系统注入了新的活力，推动了领域大模型、具身AI及其集群的发展。

在人机物融合系统的内涵上，周院长区分了广义和狭义两种定义。广义的人机物融合系统是一种社会概念，“其目标是为人类提供更透明、更智能、更泛在、更绿色的一体化服务。”而狭义的人机物融合系统是工程概念上的，聚焦于诸如智能生产线、智能交通系统之类特定的工程应用，这些系统将成为网络化计算和控制系统的扩展和延伸。

技术层面上，周院长进一步阐述了人机物融合系统的6C特征，即连接（Connectivity）、计算（Computing）、控制（Control）、认知（Cognition）、协同（Coordination）和重构（Reconfiguration）。他也指出，这些特征不仅体现在技术层面，也体现在系统层面。“人机物融合系统是一个层次化的系统，人与 CPS 的共融性、系统重构的自主性、动态环境的适应性，还有 3C 融合的时空性等，都是所谓人机融合的系统特征。”

人机物融合系统的应用场景涵盖多个领域，“智能工业、智能农业、智能物流、智能城市、教育、医疗、体育、交通等等，包括智慧电网、智能监测系统都是典型的人机融合系统的应用场景。”周院长指出：“无论是哪一类系统，节能降耗、绿色发展是这个系统追求的共同价值。” 周院长总结了应用层面的“四化”特性：规模化、融合化、协同化和智能化。规模化指的是智能制造、智能交通等构成实体成千上万；融合化是从纵向来看，计算、连接、控制、认知需要融合；协同化是从横向来讲，所有的实体、人和信息系统和物理实体要进行协同感知、协同计算、协同控制、协同优化；智能化要求系统自适应变化、自预测行为、自优化性能、自维护机能。

以绿色智能制造系统为例，周院长指出：“绿色智能制造系统不仅提高了生产效率，还实现了节能降耗和绿色发展。”周院长还提到了绿色智慧城市的人机物融合系统，如智慧水务系统，以及智慧健康服务系统。“智慧城市是人类社会信息空间和物理世界的一个综合体，是典型的人机物应用模型。”随着生成式AI及其应用大模型的快速发展，“全国数据中心和计算中心的能耗巨大，绿色智能计算系统的发展成为当务之急。”绿色智能计算系统以算力、算距、数据、算法和算网为要素，以算力、运力、传数、存力和供电电力协同联动为支撑，旨在追求计算服务与绿色节能的双重目标。

周兴社院长还介绍了人机物融合系统理论研究的两个层次：“第一个层次连接、计算和控制，第二个层次是系统层面的认知、协同和重构。”在系统设计理论方面，提出了可构造性、可演化性、可协同性、可实现性和可验证性等研究问题。此外，智能化软件将成为人机物融合环境下的重要研究方向，其定义为程序员编写的确定性符号程序与机器学习生成的概率计算程序相结合，具有涌现行为的软件系统。智能化软件研究聚焦于“组成原理、运行机理和质量保障”三个科学问题，“未来要实现三个目标，就是新理论、新技术、新系统要弯道超车和世界同步，也可能会出现引领世界的成果。”

西工大的智能感知与控制重点实验室和人机物融合群智计算重点实验室承担了多项相关项目，包括基金委重点基金、973课题等。周院长介绍道：“西工大在人机物全域计算理论与方法、群智感知操作系统、资源能力模型及其认知方法等方面取得了显著成果。”西工大研究了群智计算理论方法，在人机物融合环境下，计算呈现出“全智”的特点，即群体智能的内涵。充分发挥人、机、物各自的优势，提升个体与群体的多维能力。西工大成功研制了可定制的群智感知操作系统CrowdOS。该操作系统在系统技术方面进行了创新，并研究了相关技术的集成，构建了完整的平台。平台研发完成后，西工大建立了开源生态，吸引了国内外众多的下载和应用。同时，西工大还参加了中国软件开源创新大赛，并组织了CrowdOS移动群智感知平台开发赛道。在西安、雄安等多城市的市政服务系统中得到应用，显著提升了复杂时政问题发现和处理的效率。

人机物融合资源能力模型的认识上，相异于传统的计算资源，人机物融合资源能力模型具有多元异质、同类多能、功能复合、时空约束、场景驱动等特征。在分析这些特征基础之上，周院长提出了人机物融合资源能力模型面临的关键问题与挑战：一是针对资源异构异质、资源功能复合的特典，如何构建统一资源模型？二是针对资源分散且数量巨大、资源状态随时空变化特征，如何及时认知资源动态变化？三是针对人机物资源需综合优化、场景改变引发资源失配等难点，如何高效利用资源？就主要研究的这三个问题。西工大研究团队提出了泛在人机物资源能力统一表示模型，提出更高语义抽象层次的异构异质资源“能力”统一抽象表示模型；解决如何支持不同粒度资源表示的可伸缩性以及资源状态受应用场景、时空环境及系统模式影响等表示问题。此外，在模型结构之上提出基于能力的人机物资源自适应管理模型，对于能力需求可用能力、资源能力的动态的感知，根据场景需求对能力进行智能化的管理。最后，针对HCPS资源时空约束、场景驱动等特点，考虑软件定义对资源柔性设计要求，开发了相应的原型软件系统，这些系统在工业场景和人机无人机集群运行场景中得到了应用和验证。

周兴社院长在演讲的最后强调，“未来智能时代人机物融合系统的内涵将更加丰富多彩，面临新的技术挑战，具有巨大的创新空间。”他表示，西工大团队愿意与国内外从事智能化、绿色化研究的机构和团队开展合作，共同推动我国绿色化和智能化的发展。

此次全球领先智能化绿色化技术交流峰会的成功举办，为全球智能化与绿色化技术的交流与合作搭建了重要平台，周兴社院长的精彩演讲为推动人机物融合系统的发展提供了宝贵的理论与实践指导，为全球智能化绿色化技术的未来发展注入了新的动力。