突破全息直覺理論 打造機器智能引擎
——記復(fù)旦大學(xué)智能機器人研究院副院長張立華

龐紅碩

張立華2018年在上?？萍脊?jié)新創(chuàng)發(fā)布會上作《智能視覺感知技術(shù)》報告

智能機器人的發(fā)展正如同人類的文明和進(jìn)化史一般，不斷向著更高級的形態(tài)發(fā)展。一個充滿挑戰(zhàn)的問題正擺在人類面前，未來的智能機器人是否會擁有像人一樣的智慧大腦和復(fù)雜意識？

“當(dāng)前以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)所能解決的問題往往需要具有大量可以借鑒學(xué)習(xí)的訓(xùn)練集，同時要求所獲取的信息是完備的，而在復(fù)雜的真實應(yīng)用環(huán)境中，采集到的數(shù)據(jù)往往包含大量噪聲與不確定性，且僅包含環(huán)境的局部信息，導(dǎo)致了基于深度學(xué)習(xí)的人工智能應(yīng)用的局限性。而在同樣環(huán)境下，人類卻往往可以依靠直覺做出較為迅速且適宜的判斷，這為我們發(fā)展新的人工智能理論來解決上述問題提供了靈感?！痹趶?fù)旦大學(xué)，智能機器人研究院常務(wù)副院長、智能機器人教育部工程研究中心副主任張立華正帶領(lǐng)一個科學(xué)家團(tuán)隊，與清華大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院合作，提出了機器直覺這一新的交叉學(xué)科研究方向，致力于讓機器實現(xiàn)類似甚至超過人類的直覺能力，賦予機器洞察力與創(chuàng)造性。

在融合了人類智能+人工智能+群體智能的全息群智理論與機器直覺理論研究的基礎(chǔ)上，他們力圖打造賦智于機器人的核心智能引擎，為智能機器人的發(fā)展提供較為系統(tǒng)、完整的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)支撐。

作為曾經(jīng)創(chuàng)業(yè)并在產(chǎn)業(yè)界卓有成就，如今回歸科研一線，向前沿進(jìn)發(fā)的優(yōu)秀學(xué)者，張立華用20年時間，一手搭建起從科研創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)落地的路徑，窺見了人工智能未來發(fā)展的壯麗圖景。

從創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)化

1994年，凱文·凱利寫下了后來被譽為成功預(yù)言了人類未來的《失控：機器、社會與經(jīng)濟(jì)的新生物學(xué)》一書。在書中，關(guān)于智能機器人、大眾智慧、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、共生、共同進(jìn)化等詞匯第一次走進(jìn)人類視野。如今，人工智能的時代已經(jīng)來臨，機器的深度學(xué)習(xí)已不再讓人類感到陌生，也成為了人工智能系統(tǒng)向前發(fā)展的重要能力。

同樣是1994年，從清華大學(xué)自動化系自動控制專業(yè)本科畢業(yè)的張立華不會想到，在未來的20多年時間里，自己將參與一個又一個推動人工智能相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的重大項目開發(fā)和理論研究。

選擇自動化專業(yè)對于張立華來說頗有“無心插柳”的味道。他在清華大學(xué)1989年招生簡章上看到自動化專業(yè)那一頁中，有幾張機器人的圖片，引起了他的好奇，于是便選擇了自動化系自動控制專業(yè)，從此與人工智能結(jié)下了不解之緣。

2000年，張立華拿到了清華大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)博士學(xué)位，并獲得了“清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文”獎，此后便開始了在國外的漫長研究生涯。

博士畢業(yè)后的張立華在美國輾轉(zhuǎn)從事科研工作多年，曾先后在多家芯片企業(yè)工作，并在全球視覺計算與人工智能行業(yè)領(lǐng)袖企業(yè)——美國英偉達(dá)公司等擔(dān)任高級技術(shù)與管理職務(wù)。

在美國多年，不僅讓張立華完成了在人工智能科研領(lǐng)域的不斷累積與進(jìn)步，也對他未來的科研工作產(chǎn)生了巨大影響。在他看來，在保持科技創(chuàng)新的激情和動力的同時，同樣要致力于實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

張立華供職過的其中一家企業(yè)，核心產(chǎn)品是三維物理仿真處理器芯片，該公司研發(fā)的物理仿真引擎也是當(dāng)時世界上最好的兩個物理仿真引擎之一。

物理仿真引擎需要對剛體、流體、軟體等進(jìn)行模擬，相關(guān)算法非常復(fù)雜，需要很大的算力。張立華加入之后，參與研發(fā)以異構(gòu)眾核架構(gòu)計算技術(shù)為核心的三維物理仿真引擎處理器芯片，這需要掌握剛剛初現(xiàn)端倪的異構(gòu)并行計算技術(shù)，這意味著他需要重新進(jìn)行大量學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。

那段研究經(jīng)歷，讓他至今印象深刻。彼時，在三維游戲或工程設(shè)計中，物理仿真的技術(shù)應(yīng)用很廣。比如，一個游戲中的女孩子穿著裙子跳舞時的動態(tài)效果如何才能做得更逼真，就是張立華和同事需要攻克的難題之一。圍繞一個個難題一一攻克，張立華和同事進(jìn)行了物理仿真算法上的極致探索。

技術(shù)的攻關(guān)沒有止境，更大的問題在于如何實現(xiàn)芯片的產(chǎn)業(yè)化。即使算法做出來了，但若過于復(fù)雜，在當(dāng)時的成本下，同樣無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

“我們還要進(jìn)行優(yōu)化，如果優(yōu)化不了，就要對算法重新分析、重新設(shè)計?！睆埩⑷A說，芯片做出來后，他們還要進(jìn)行一一調(diào)試，讓各方面的性能達(dá)到最佳。為了實現(xiàn)這款芯片的產(chǎn)業(yè)化，他們專門設(shè)計了一款針對異構(gòu)架構(gòu)處理器的性能分析軟件，這個分析軟件最終成為一款全球最早的異構(gòu)系統(tǒng)性能分析的通用軟件之一。

而作為當(dāng)時的主要參與者，張立華從首席工程師、研發(fā)經(jīng)理，一步步升任為公司的技術(shù)總監(jiān)，負(fù)責(zé)管理公司60%以上的研發(fā)工程師。后來，在英偉達(dá)公司工作后，正是由他帶領(lǐng)團(tuán)隊，將三維物理仿真引擎從原來的處理器移植到英偉達(dá)的通用GPU（圖形處理器）上。

“我當(dāng)時意識到，異構(gòu)技術(shù)肯定是能夠影響未來的新技術(shù)?！睆埩⑷A說，曾經(jīng)世界排名第一的中國“天河一號”超級計算機，用的就是異構(gòu)計算技術(shù)。現(xiàn)在我們知道，正是以GPU為代表的異構(gòu)并行計算技術(shù)的發(fā)展，才促進(jìn)了今天深度學(xué)習(xí)的爆發(fā)式發(fā)展和應(yīng)用。

和丘成桐院士（左二）的合影

異構(gòu)計算技術(shù)上的突破和三維物理仿真引擎芯片的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)歷，讓張立華體驗到將一個新的科技創(chuàng)新實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，才是科研人最終的歸宿。

“后來，當(dāng)我有了新的技術(shù)或新的想法，我就會想如何將它產(chǎn)業(yè)化，變成一個生產(chǎn)生活中真正可以創(chuàng)造價值的東西。如果只是在學(xué)校純粹做理論研究，就無法產(chǎn)生這樣的激情?！睆埩⑷A說，只有真正了解社會的需求和產(chǎn)業(yè)的需求，并實現(xiàn)科研的成果轉(zhuǎn)化甚至是產(chǎn)業(yè)化，才是真正“將論文寫在大地上”。

也正是因為這份產(chǎn)業(yè)夢想，張立華回國之初創(chuàng)立了長春博立電子科技有限公司，成立了國內(nèi)最早、規(guī)模最大的異構(gòu)并行計算技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊，并于2015年入選國務(wù)院僑務(wù)辦公室“重點華僑華人創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊”。異構(gòu)計算、人工智能與計算機視覺技術(shù)是張立華的強項，也是企業(yè)技術(shù)研發(fā)的主攻方向。以人工智能核心算法和異構(gòu)計算技術(shù)為基礎(chǔ)，博立電子進(jìn)軍智能汽車、智能機器人、智能制造、智能醫(yī)療以及智慧城市五大行業(yè)領(lǐng)域，讓張立華多年的產(chǎn)業(yè)夢想得以開花結(jié)果，讓他在學(xué)術(shù)研究上的積累有了落地的土壤。

顛覆性的理論探索

在創(chuàng)業(yè)過程中，張立華深感產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開技術(shù)創(chuàng)新，而前沿技術(shù)創(chuàng)新迫切需要理論上的進(jìn)一步突破，2017年9月，他回歸科研一線，加入復(fù)旦大學(xué)，擔(dān)任復(fù)旦大學(xué)智能機器人研究院副院長、機器人智能硬件與操作系統(tǒng)研發(fā)平臺負(fù)責(zé)人、智能感知與無人系統(tǒng)實驗室主任，負(fù)責(zé)推進(jìn)人工智能與機器人科研平臺建設(shè)，并參與策劃上海市市級重大科技專項等。

張立華認(rèn)為，近年來以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能的發(fā)展方興未艾，尤其是在圖像分類、語音識別等特定領(lǐng)域研究，取得了很大的突破，但這些突破仍不具備通用性?，F(xiàn)有的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)僅是對生物神經(jīng)系統(tǒng)的初級模擬，功能大多局限于感知與理解層面，還難以在復(fù)雜時變、不確定性高的真實環(huán)境中應(yīng)用。而未來的泛在智能機器人能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境，自主地去完成各類復(fù)雜任務(wù)。

目前業(yè)界普遍有一種觀點認(rèn)為，深度學(xué)習(xí)的發(fā)展已處于瓶頸期，人工智能想要進(jìn)一步取得突破，就需要從新的方向和領(lǐng)域中去入手。三元空間群體智能理論，就是復(fù)旦大學(xué)以甘中學(xué)、張立華等為代表的人工智能團(tuán)隊認(rèn)準(zhǔn)的可以實現(xiàn)顛覆式變革的機器智能發(fā)展理論。在他們看來，未來世界不僅包含人類社會空間，也有基于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成的虛擬信息空間，此外還有物理空間。物理空間中就包含了未來的智能機器人與各類機智智能終端，面對這一三元空間，應(yīng)如何根據(jù)新人類社會發(fā)展的新特點去發(fā)展人工智能的理論，正成為人工智能學(xué)者要攻克的難題之一?！拔覀兿Ｍ斯ぶ悄茏罱K能夠達(dá)到人類智能的水平?，F(xiàn)在的所謂智能機器人的智能水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒法跟人去相比，三元群體智能是我們實現(xiàn)終極目標(biāo)的可能途徑之一?！?/p>

“也許個體的智能水平不一定很高，但把人和智能機器人通過智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接在一起后，機器可以從人這里學(xué)習(xí)新的智能，人也同樣可以從機器里學(xué)習(xí)到新的東西。這不是簡單的相互學(xué)習(xí)，當(dāng)三種類型的智能體在一起不斷交互學(xué)習(xí)的時候，群體智能就會涌現(xiàn)和升級，產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出他們本來的智能。”

現(xiàn)如今，“三元空間群智智能基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)前瞻性研究”已被列入上海市人工智能科技重大專項先導(dǎo)項目。復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊將針對物理空間、人類社會和信息空間，提出人類直覺+機器感知+加速網(wǎng)絡(luò)的三元空間群智智能新范式，通過揭示三元群智進(jìn)化涌現(xiàn)科學(xué)規(guī)律，探索群智智能激勵機制與涌現(xiàn)機理。

張立華說，當(dāng)“三元空間群體智能理論”的探索足夠成熟，就可以在社會生活的不同領(lǐng)域中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，如智能交通中的車路協(xié)同問題等。

此外，張立華課題組與清華大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院合作，共同開展直覺智能研究，并提出了機器直覺這一新的交叉學(xué)科研究方向，致力于讓機器實現(xiàn)類似甚至超過人類的直覺能力，賦予機器以創(chuàng)造性的快速預(yù)測、判斷、決策、規(guī)劃能力，以期在真實復(fù)雜動態(tài)時變場景，如自然災(zāi)害、公共衛(wèi)生等突發(fā)事件預(yù)判以及創(chuàng)造性科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

可以預(yù)見， 隨著這些新的人工智能理論與方法研究的不斷深入， 人工智能將有望突破現(xiàn)階段理論及應(yīng)用瓶頸， 朝著通用人工智能的目標(biāo)更進(jìn)一步。

突破智能芯片技術(shù)

人工智能在某些領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出比人類更加強大的能力，在一些醫(yī)療診治過程中，利用醫(yī)療影像進(jìn)行診療的時候，人工智能甚至?xí)仍S多有經(jīng)驗的醫(yī)生診斷的結(jié)果更準(zhǔn)確。然而，當(dāng)智能機器面對其他新的問題時，是否也可以很快地學(xué)習(xí)并掌握處理的技能？

答案是：當(dāng)然可以。

如今，張立華和他的團(tuán)隊，正在計算機視覺領(lǐng)域圍繞多模態(tài)智能感知方面在進(jìn)行研究，為包括無人機、智能駕駛汽車在內(nèi)的智能機器提供多模態(tài)智能感知的技術(shù)，讓它們學(xué)會去感知和理解周圍的環(huán)境，最終懂得做出最優(yōu)的判斷和決策。

智能感知的算法非常復(fù)雜，不僅要做到實時反應(yīng)，還要盡量滿足各類真實場景低功耗的需求，這對智能芯片提出了更高的要求。在開發(fā)多模態(tài)智能感知技術(shù)的同時，張立華和團(tuán)隊也在對嵌入式智能感知芯片進(jìn)行探索。

張立華說，多模態(tài)的智能感知不僅僅要基于可見光視覺，也要結(jié)合激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等傳感器技術(shù)，把它們獲取的信息融合在一起，進(jìn)一步提高智能感知芯片的精度和可靠性。

未來，智能芯片就相當(dāng)于智能機器人的核心大腦，有強大算力，還有足夠的智能化水平。不僅要具備強大的感知能力，還要有足夠智能的控制決策能力，他把它稱為智能計算與控制芯片，這將是一款完全面向機器人和一些智能無人系統(tǒng)的全新的芯片?！皣鴥?nèi)的芯片技術(shù)還相對落后于美國等國家，我們正在努力探索，希望實現(xiàn)技術(shù)的突破和創(chuàng)新，開發(fā)出屬于中國自己的嵌入式智能芯片技術(shù)。”

行為識別研究是張立華和團(tuán)隊正在攻克的另一領(lǐng)域。作為國家信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會生物特征識別分委會行為識別工作組的組長，張立華說，行為識別技術(shù)有著更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，在安防中，可以識別檢查對象是否可能做出危險的行為或動作。

在行為識別領(lǐng)域，步態(tài)識別是一個熱門的研究方向?！澳呐驴床灰娺@個人的臉，但如果能找到走路的一段視頻，通過分析他的步態(tài)特征，就可以大概率地識別出一個人的身份?！比缃?，張立華和團(tuán)隊正在將行為識別應(yīng)用于體育運動中，如在花樣滑冰或者速度滑冰運動中，運動員的動作、姿態(tài)是否標(biāo)準(zhǔn)，就可以通過行為識別技術(shù)甄別，從而進(jìn)行智能化的訓(xùn)練分析。

在人工智能領(lǐng)域，腦機交互技術(shù)被譽為一項改變未來的技術(shù)，在“三元空間群體智能理論”研究中，腦機交互技術(shù)的突破將起到?jīng)Q定性的作用?！澳X機接口就是通過解析人的腦電波信號，可以識別出人的意圖，包括在腦子里思考的語言。比如，我可能想了一段話，但我并沒有說出來，通過腦機交互卻可以將這些信息提取出來?！?/p>

課題組學(xué)術(shù)討論

張立華說，未來的腦機交互技術(shù)將真正顛覆現(xiàn)有的人機交互方式，人類和機器人可以通過腦機解碼實現(xiàn)思維的聯(lián)通與交互。“人類和機器人之間，不再需要鍵盤，通過腦機交互，人類的想法就可以自動傳輸給機器人?！?/p>

教會機器友好向善

人工智能的全球競爭已經(jīng)拉開了帷幕。在中國，人工智能已經(jīng)有了良好的發(fā)展基礎(chǔ)，但涉及芯片等核心部件，仍受制于人。

在張立華看來，復(fù)旦大學(xué)成立智能機器人研究院，就是希望打破這一局面。圍繞突破國際智能機器人領(lǐng)域的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、前沿性等相關(guān)重大科學(xué)問題，以智能計算、智能芯片、智能機器人及應(yīng)用工程的交叉為突破點，以產(chǎn)業(yè)需求和包括機器人國家重點研發(fā)計劃等重大任務(wù)為牽引，研究智能機器人信息處理與控制、核心器部件、系統(tǒng)集成與應(yīng)用等理論與技術(shù)，并應(yīng)用于智能醫(yī)療機器人、智能工業(yè)機器人、智能服務(wù)機器人的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，最終致力于形成全自主知識產(chǎn)權(quán)的系列智能終端和以機器人為智能終端的新產(chǎn)業(yè)研發(fā)經(jīng)濟(jì)模式。

團(tuán)隊成員之一的董志巖博士畢業(yè)于吉林大學(xué)，在研究生階段曾長期跟隨已故著名科學(xué)家黃大年進(jìn)行無人機控制方面的研發(fā)工作。彼時，張立華也正在與黃大年團(tuán)隊密切合作，負(fù)責(zé)研發(fā)一個以VR虛擬現(xiàn)實來輔助分析地質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的技術(shù)。正因為這一交集，2018年，董志巖加入了張立華的團(tuán)隊，并在其中負(fù)責(zé)智能感知與控制以及集群控制等方向的研究；負(fù)責(zé)腦機交互的團(tuán)隊成員康曉洋博士畢業(yè)于上海交通大學(xué)，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后的經(jīng)歷使他認(rèn)為，神經(jīng)與腦機接口器件在智能機器人領(lǐng)域大有可為；陳遲曉博士則畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，主要負(fù)責(zé)人工智能芯片研發(fā)的他認(rèn)為，芯片的開發(fā)是中國的戰(zhàn)略需求，無數(shù)的中國智能科學(xué)家都在激發(fā)著自己的創(chuàng)新能力。

張立華說，依托國家的強大力量之上，他和團(tuán)隊將著眼于未來世界的發(fā)展，將智能尖端技術(shù)在中國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。他們未來的規(guī)劃是，在全息群智與機器直覺基礎(chǔ)理論與一系列關(guān)鍵技術(shù)前瞻性研究的基礎(chǔ)上，致力于推動新一代人工智能和智能機器人的發(fā)展，同時希望能夠繼續(xù)在人工智能行為識別等領(lǐng)域繼續(xù)突破，在算法上有進(jìn)一步的發(fā)展。

讓張立華期待的是，一旦真正能夠在人工智能理論與算法上有所突破，也就意味著中國的智能芯片也將實現(xiàn)功能與設(shè)計上的創(chuàng)新。

環(huán)境感知能力、自主控制決策能力、智能芯片技術(shù)……不止張立華的團(tuán)隊，全球的智能機器人科學(xué)家，都在致力于提高機器人的智能水平。

《失控：機器、社會與經(jīng)濟(jì)的新生物學(xué)》一書中，講述了未來的世界將是一個生物與機器聯(lián)姻的時代。在全新的時代，我們?nèi)祟愒撊绾卫斫鈾C器？又如何認(rèn)識我們自己？盡管智能機器人距離真正能夠?qū)崿F(xiàn)自主決策，仍有很大的距離，但人類對于未來是否會被機器替代或殺死的恐慌，在社會上也被廣泛討論。

人工智能學(xué)界和業(yè)界的普遍觀點認(rèn)為，人工智能要想發(fā)展到能夠達(dá)到甚至超過人類智能的水平仍需要一個長期的過程。“在還沒到這個階段前，很難去判斷人工智能會產(chǎn)生怎樣的影響，但現(xiàn)階段我們可以把人工智能用好?！睆埩⑷A說。他認(rèn)為，人工智能是通過與環(huán)境的交互而不斷學(xué)習(xí)的，這其中也會包括人的道德觀念。人類在設(shè)計智能系統(tǒng)的架構(gòu)時，就可以讓智能機器人學(xué)會向善，讓其先天具有從善的傾向或是意圖。在張立華的世界中，人工智能的未來是充滿智慧與美好的，作為站在產(chǎn)業(yè)與科學(xué)前沿的學(xué)者，他要做的就是讓全人類盡快和他一樣，一起感受與創(chuàng)造這個美好的未來。