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人機協(xié)同

出版社：科學(xué)出版社出版時間：2022-03-01
開本： 16開 頁數(shù)： 177
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人機協(xié)同 版權(quán)信息

人機協(xié)同 本書特色

適讀人群 ：高等院校人工智能、計算機、機器人等相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生，人工智能等領(lǐng)域科學(xué)研究人員和工程技術(shù)人員（1）叢書以國家新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺的共性技術(shù)為驅(qū)動，以人機協(xié)同等當(dāng)前熱門且挑戰(zhàn)性很強的方向為切入點，介紹我國學(xué)術(shù)界和企業(yè)界近年來在人工智能平臺建設(shè)方面的創(chuàng)新成就，以及在這些前沿方向面臨的機遇和挑戰(zhàn)。 （2）本書內(nèi)容源自作者主持的國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目成果，提出了新穎而完整的理論和研究算法，解決了人機協(xié)同中的核心技術(shù)難題，并結(jié)合營銷智能國家新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺建設(shè)，通過實際案例，完整介紹了人機協(xié)同體系。

人機協(xié)同 內(nèi)容簡介

本書引入面向新型人工智能應(yīng)用的人機協(xié)同概念，系統(tǒng)介紹人機協(xié)同理念與機制，并通過智慧餐廳與服務(wù)機器人、交互式圖像分割等場景應(yīng)用及發(fā)展人機協(xié)同技術(shù)。在前沿技術(shù)方面，深入介紹互補人機協(xié)同、混合人機協(xié)同、多人多機協(xié)同、人機協(xié)同中的倫理與安全等人機協(xié)同的核心內(nèi)容。在應(yīng)用實踐方面，本書結(jié)合營銷智能國家新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺建設(shè)，按照人機交互、人在回路、機器服務(wù)、人機混合系統(tǒng)的路線，通過實際案例，完整介紹人機協(xié)同體系。 本書適合高等院校人工智能、計算機、機器人等相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生閱讀，也可供人工智能等領(lǐng)域科學(xué)研究人員和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

人機協(xié)同 目錄

目錄
“新一代人工智能創(chuàng)新平臺建設(shè)及其關(guān)鍵技術(shù)叢書”序
前言
**篇 基礎(chǔ)知識篇
第1章 人機協(xié)同的背景 3
第2章 人機協(xié)同理念 7
2.1 基本定義與機制 7
2.2 人機協(xié)同的發(fā)展與趨勢變革 8
2.2.1 人機協(xié)同與人工智能交替發(fā)展 8
2.2.2 人機協(xié)同與人工智能相互驅(qū)動發(fā)展 10
2.2.3 人機協(xié)同與人工智能深度協(xié)同發(fā)展 12
2.3 人機協(xié)同基礎(chǔ)知識支撐 13
2.3.1 機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ) 14
2.3.2 深度學(xué)習(xí) 22
2.3.3 強化學(xué)習(xí) 31
2.3.4 知識圖譜 35
2.3.5 計算機視覺 39
2.3.6 自然語言處理 47
2.4 本章小結(jié) 53
第二篇 前沿技術(shù)篇
第3章 互補人機協(xié)同 57
3.1 互補人機協(xié)同概念 57
3.2 互補人機協(xié)同場景 58
3.2.1 醫(yī)療機器人 58
3.2.2 智能制造 64
3.3 交互人機協(xié)同概念 68
3.4 交互人機協(xié)同場景 83
3.4.1 智慧城市 83
3.4.2 醫(yī)療輔助診斷 92
3.5 本章小結(jié) 99
第4章 混合人機協(xié)同 100
4.1 人類控制 100
4.1.1 人類監(jiān)督 100
4.1.2 混合系統(tǒng) 100
4.2 基于規(guī)則/技巧的協(xié)同 102
4.3 人在回路 103
4.3.1 人在回路的概念 103
4.3.2 人在回路的基礎(chǔ) 104
4.3.3 主動學(xué)習(xí)的引入 105
4.3.4 人在回路、機器學(xué)習(xí)與人機交互 108
4.3.5 機器學(xué)習(xí)輔助人工與人工輔助機器學(xué)習(xí) 110
4.4 人類知識 111
4.4.1 知識圖譜的概念 111
4.4.2 知識圖譜的構(gòu)建 112
4.4.3 知識抽取 117
4.5 混合人機協(xié)同場景 120
4.5.1 醫(yī)學(xué)圖像分割 120
4.5.2 知識圖譜微調(diào) 122
4.6 本章小結(jié) 124
第5章 多人多機協(xié)同 125
5.1 多智能體系統(tǒng)與多智能體決策 125
5.1.1 多智能體技術(shù) 125
5.1.2 協(xié)同多智能體系統(tǒng) 128
5.2 人類行為建模 131
5.2.1 馬爾可夫決策過程 131
5.2.2 模仿學(xué)習(xí) 134
5.3 高效通信與交互 135
5.3.1 目標(biāo)驅(qū)動的通信學(xué)習(xí) 135
5.3.2 類自然語言的通信學(xué)習(xí) 138
5.4 多人多機協(xié)同場景 140
5.4.1 HAO智能系統(tǒng) 140
5.4.2 城市大腦 144
5.4.3 智慧餐廳與服務(wù)機器人 153
5.4.4 智能家居與智慧養(yǎng)老 156
5.4.5 智能制造 159
5.5 本章小結(jié) 162
第6章 人機協(xié)同中的倫理與安全 163
6.1 人機協(xié)同系統(tǒng)中的倫理問題 163
6.1.1 人工智能時代的倫理問題 163
6.1.2 倫理風(fēng)險與挑戰(zhàn)的學(xué)理透視 164
6.1.3 建構(gòu)和諧共生的倫理關(guān)系 165
6.2 安全可信的人機協(xié)同系統(tǒng) 166
6.3 人機協(xié)同系統(tǒng)的公平性 169
6.4 本章小結(jié) 169
參考文獻 170
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人機協(xié)同 節(jié)選

**篇 基礎(chǔ)知識篇 第1章 人機協(xié)同的背景 18世紀(jì)以來，人類已經(jīng)經(jīng)歷了三次工業(yè)革命。**次“蒸汽時代”，蒸汽機的誕生引領(lǐng)了農(nóng)耕文明走向工業(yè)文明。第二次“電氣時代”，電力和發(fā)電機驅(qū)動了鋼鐵、鐵路和石油化學(xué)等重工業(yè)的興起。第二次世界大戰(zhàn)之后開始的第三次“信息時代”，電子計算機的發(fā)明啟動了信息共享和資源交流的全球化進程。每一次工業(yè)革命都顛覆性地改變了人類文明發(fā)展的進程，從民眾生活到國際關(guān)系都得以重新塑造。歷史的車輪還在滾滾向前，人工智能(artificial intelligence)正在以迅雷不及掩耳之勢席卷全球，開啟了“人工智能時代”的第四次工業(yè)革命，而人機協(xié)同實現(xiàn)復(fù)雜問題求解將成為人工智能時代的一個主要標(biāo)志。人機協(xié)同技術(shù)旨在集成人類智能和人工智能，由人類和機器人一起組成團隊，自主交互，協(xié)作共贏。 人工智能研究和開發(fā)具有“智能”的計算機，旨在模擬和延伸人類智能，機器人是人工智能的一個應(yīng)用領(lǐng)域。隨著人工智能能力的不斷提升，機器可以進行一些傳統(tǒng)的人力勞動工作；與此同時，機器人技術(shù)的進步，也擴大了人工智能與現(xiàn)實世界交互的深度與廣度。人工智能技術(shù)可能會給個人和社會帶來新的機會，但是它同時也給現(xiàn)階段靠勞動力生存的人們帶來威脅。人工智能驅(qū)動下的自動化正在顛覆勞動力市場，勞動力市場也在隨之做出調(diào)整。整個20世紀(jì)末期，技術(shù)變革不斷通過各種不同方式產(chǎn)生作用。計算機和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)增加了相對生產(chǎn)力，這被稱為技能偏向型技術(shù)進步。 未來，我們很難預(yù)測人工智能會對哪些職業(yè)產(chǎn)生沖擊。因為人工智能不只是一種特定的技術(shù)，它是應(yīng)用于不同任務(wù)的技術(shù)集合。基于當(dāng)前人工智能發(fā)展的軌跡，可以進行一些具體的預(yù)測。以前，機器人大部分進行一些重復(fù)的機械性工作，如組裝、削面等，但*近機器人還學(xué)到了更多技能，如做菜、看護患者、賣東西等。德國一個名為PR2的機器人，跟著指南網(wǎng)站W(wǎng)ikiHow學(xué)會了煎薄餅和做比薩。軟銀、阿里巴巴、富士康開發(fā)的情感機器人Pepper在日本推出了企業(yè)版，據(jù)介紹，企業(yè)版的Pepper會預(yù)設(shè)一系列程序，讓Pepper帶有一身工作技能去上班，例如跟附近的人打招呼、做調(diào)查問卷或策劃書、展示商品或者圖像、接待客人、給來訪者登記等。因此，受教育程度較低的工人比受過高等教育的工人更可能被自動化取代，換句話說，越機械、越單純用體力、越不動腦的工作越容易被代替。 當(dāng)人們試圖與機器人共事時，許多沖突都來自雙方對彼此的不了解，如果機器人能夠理解它可能對人類情緒造成的影響，就有望與人類和諧地共同生活。MIT TR35(《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創(chuàng)新35人”)得主、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校助理教授Anca Dragan認(rèn)為，機器人與人工智能的正確觀點應(yīng)該是機器人試圖優(yōu)化人的目標(biāo)函數(shù)。機器人不應(yīng)該將任何客觀的功能視為理所當(dāng)然，而應(yīng)該與人類一起去發(fā)現(xiàn)他們真正想要的是什么。人在進行復(fù)雜運算和精確操作時，需要機器的協(xié)同處理，由人類負(fù)責(zé)對柔性、觸覺、靈活性等要求比較高的工序，機器人則利用其快速、準(zhǔn)確的特點來負(fù)責(zé)重復(fù)性的工作。計算機運算復(fù)雜性數(shù)據(jù)的效率遠遠高于人腦的效率，而且運算量也是人腦遠遠不能比擬的。計算機運行處理數(shù)據(jù)很快，但是不會隨機應(yīng)變，缺乏人類的常識；人腦有思維能力、推理能力，但是，數(shù)據(jù)處理和運算能力并不突出。計算機和人腦互相結(jié)合，會在處理事物的路上向前更進一步。 站在機器和人類兩者之間，如何形成人機交互的良好協(xié)同，機器需要做更多的算法優(yōu)化，人要找到更適應(yīng)機器的工作場景模型。狹義層面的人機融合，是指人類將自己的神經(jīng)系統(tǒng)與計算機等機器相連接，以達到彌補人類感官、運動缺陷的效果，甚至還可能實現(xiàn)將人類意識與計算機人工智能融合的結(jié)果。人工智能與機器人的高度結(jié)合，有望發(fā)展出能夠改變生命本身的技術(shù)，使人類與機器進一步融合，進而加強人類(特別是殘疾人和老人)的機能，提升人類的生活質(zhì)量，提高學(xué)習(xí)者的效率和增強學(xué)習(xí)動機，實現(xiàn)人機跨載體的協(xié)作學(xué)習(xí)。 不過，廣義的人機融合還包含人機協(xié)作，人與機器之間不再是主仆關(guān)系或替代關(guān)系，而是伙伴關(guān)系。人同時操控多個機器人協(xié)同工作，可以提高效率，增加靈活性；人與機器人協(xié)調(diào)互動，不僅會提高機器人的加工精度和加工速度，還能增強機器人的自我學(xué)習(xí)功能。機器人發(fā)展的下一個階段中，人機共融的模式將成為主流。德國菲尼克斯電氣(中國)有限公司副總裁杜品圣表示，“未來的自動化制造，不是機器換人、工廠無人、機器造人，而是機器助人、工廠要人、智能學(xué)人。” 未來的人工智能技術(shù)將基于多模態(tài)交互，能夠認(rèn)知整合包括文本、圖像、聲音等在內(nèi)的各種信息，從而使人機交互變得更自然、更精確、更穩(wěn)定。要實現(xiàn)人工智能的多模態(tài)交互，需要進行跨模態(tài)研究，包括機器記憶、預(yù)測與數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、知識抽取、推理、歸納、表達和自主學(xué)習(xí)等。 隨著人口老齡化，勞動力成本不斷增加，智能機器人逐漸成為各大國家政策扶持的對象，智能機器人開始走下人工智能理論的云端，越來越“接地氣”。智能機器人的適用范圍已經(jīng)大量覆蓋了醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、金融、軍工、物流、家政、教育等領(lǐng)域。 信息技術(shù)的高速發(fā)展使人類的生產(chǎn)生活發(fā)生了翻天覆地的變化。在智能時代的背景下，計算機技術(shù)廣泛地融入人類生活的方方面面：移動互聯(lián)網(wǎng)的普及使人們可以時刻在線上交流；觸屏交互技術(shù)極大地便利了人類對工具的無障礙使用；3D電影、虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)、增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)眼鏡等產(chǎn)品技術(shù)興起，使人們能足不出戶地體驗到媲美現(xiàn)實的數(shù)字世界。高科技成果不僅為人們帶來了便捷和快樂，而且極大地促進了人機交互技術(shù)的發(fā)展。與此同時，人工智能的發(fā)展進入井噴期：深度學(xué)習(xí)在圖像識別、語音識別等領(lǐng)域取得了矚目成績，基于強化學(xué)習(xí)的圍棋應(yīng)用AlphaGo連續(xù)擊敗了國際**的圍棋職業(yè)選手，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。 作為這個時代*具變革性的力量之一，人工智能的突破使機器能更好地理解人的意圖，滿足人的需求。人工智能改變?nèi)伺c機器的協(xié)同方式，影響人們的生活，重新定義人與機器的關(guān)系，而傳統(tǒng)人機協(xié)同技術(shù)并未因為人工智能所取得的成就得到同步發(fā)展，智能時代下各種新型交互協(xié)同方式的出現(xiàn)使得以多媒體為媒介的傳統(tǒng)人機協(xié)同產(chǎn)品無法很好地適應(yīng)新的需求，傳統(tǒng)人機協(xié)同基礎(chǔ)理論已無法支撐人機交互應(yīng)用場景的變化帶來的新問題，人工智能的發(fā)展為人機協(xié)同的發(fā)展提出如下新挑戰(zhàn)。 (1) 主動協(xié)同。機器的主動協(xié)同是指在對用戶心理、行為狀態(tài)及所處場景等綜合識別的基礎(chǔ)上，主動地應(yīng)對用戶需求。長久以來，人機協(xié)同一直延續(xù)著人類“輸入”、機器“反饋”的循環(huán)模式，人類始終是主動的，機器始終是被動的。隨著語義理解、圖像理解等人工智能認(rèn)知技術(shù)的提升，機器應(yīng)逐步建立起對用戶和場景的全方位識別網(wǎng)絡(luò)，不斷對用戶畫像進行學(xué)習(xí)，從而準(zhǔn)確地把握用戶需求，基于此提供貼心化的服務(wù)，從而有效地提升用戶的生活效率和生活品質(zhì)。 (2) 情感協(xié)同。在人機協(xié)同過程中，機器基于表情、文本等方式的情感識別能力已有很大的提升。目前市面上出現(xiàn)的如情感陪護機器人、智能音箱、智能汽車等已經(jīng)初步具備一些情感識別能力，可以根據(jù)不同的場景、對象，進行適當(dāng)?shù)那楦薪换f(xié)同。但是人的情感狀態(tài)往往是通過語言、表情、動作等方式綜合傳遞的，機器應(yīng)實現(xiàn)多維度的情感識別融合機制，從而具備更加完善的人類思維理解、情景理解能力，情感交互能力也應(yīng)更智能、更體貼。 (3) 多場景銜接協(xié)同。人工智能技術(shù)的進一步成熟和落地，以及人工智能與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的有機結(jié)合使得人工智能將從單品智能、獨立場景轉(zhuǎn)向互聯(lián)智能、場景融合進階。未來，機器應(yīng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，更進一步融合場景實現(xiàn)多場景銜接。VR/AR等人機交互技術(shù)應(yīng)促進線上和線下、虛擬和現(xiàn)實的連接，加速擴展到更多產(chǎn)業(yè)和實體，AR中現(xiàn)實與虛擬將從簡單疊加到有機融合，實現(xiàn)用戶可以源自自然意識進行人機協(xié)同。 由此可見，人與機器迫切地需要被定義一種新的關(guān)系模式，走向更為緊密的深度融合，實現(xiàn)人機協(xié)同。具體來說，機器在學(xué)習(xí)過程中的主體性作用應(yīng)逐漸增強，智能設(shè)備應(yīng)該能夠分擔(dān)認(rèn)知活動，應(yīng)從學(xué)習(xí)系統(tǒng)的工具、中介性角色演變?yōu)榧{入學(xué)習(xí)系統(tǒng)本身的主體性角色。與此同時，人的認(rèn)知不僅依賴自身，也依賴機器。人機協(xié)同智能設(shè)備應(yīng)改變傳統(tǒng)人機交互中信息加工完全取決于人類記憶系統(tǒng)和其中知識表征和儲存的方式，分擔(dān)原本全部由學(xué)習(xí)者大腦完成的信息存儲、信息感知、信息識別、規(guī)律認(rèn)知等認(rèn)知活動，通過底層的信號采集、信號解析、信息互通、信息融合及智能決策等關(guān)鍵技術(shù)，使人腦和機器真正地成為一個完整的系統(tǒng)。人機協(xié)同智能設(shè)備將通過使用人類智慧形成的數(shù)據(jù)訓(xùn)練機器智能模型，并與人類智慧集成來實現(xiàn)人機融合智能，進而達到人機協(xié)同的目標(biāo)，人機協(xié)同能改善、彌補學(xué)習(xí)者原有認(rèn)知能力的不足，突破個體認(rèn)知極限。 本書對人機協(xié)同這一領(lǐng)域的相關(guān)知識、技術(shù)及應(yīng)用場景進行了全面系統(tǒng)的闡述與介紹。在后續(xù)章節(jié)中，第2章引出人機協(xié)同的核心理念，從宏觀層面總結(jié)人機協(xié)同的基本定義與機制，展望人機協(xié)同領(lǐng)域的發(fā)展與變革趨勢，并以人機協(xié)同基礎(chǔ)知識為支撐，為展開后續(xù)相關(guān)人機協(xié)同技術(shù)做鋪墊。第3～5章循序漸進地系統(tǒng)論述人機協(xié)同的概念、目標(biāo)、技術(shù)和應(yīng)用場景。第3章從初級的互補人機協(xié)同入手，著重描述互補人機協(xié)同和交互人機協(xié)同的概念與應(yīng)用場景。第4章更深層次地探討混合人機協(xié)同中的人機交互技術(shù)，展開討論人類與機器的混合系統(tǒng)，包括人類控制、基于規(guī)則/技巧的協(xié)同、人在回路、人類知識等，并通過多個混合人機協(xié)同場景進行應(yīng)用示例。第5章介紹人機協(xié)同的真正目標(biāo)——多人多機協(xié)同，以多個多人多機協(xié)同場景為出發(fā)點，從多智能體系統(tǒng)與多智能體決策、人類行為建模以及高效通信與交互三個方面進行深入討論。*后，人機協(xié)同中的倫理與安全是人機協(xié)同系統(tǒng)中不可或缺的一部分，同樣也是近年來人工智能關(guān)注的熱點。倫理問題、安全可信的人機協(xié)同以及人章性等問題，是第6章的重點討論內(nèi)容。

人機協(xié)同 作者簡介

吳信東，教授，合肥工業(yè)大學(xué)大知識科學(xué)研究院院長，明略科技集團首席科學(xué)家、明略科學(xué)院院長，國家特聘專家、長江學(xué)者、海外杰青、IEEE Fellow、AAAS Fellow，營銷智能國家新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺負(fù)責(zé)人，國家重點研發(fā)計劃“大數(shù)據(jù)知識工程基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究”首席科學(xué)家，教育部“大數(shù)據(jù)知識工程”重點實驗室（合肥工業(yè)大學(xué)）主任。

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