【走访·课题组】之七:社会计算与平行管理研究团队

2012-12-11

  说及平行,常常想到的是线性代数中描述的线与线或者面与面的平行,始终未曾想过“平行社会”、“平行宇宙”等概念。而研究所就有着一批这样的科研工作者,他们将平行的理念构建于虚拟和现实两个空间,为着“平行社会”、“平行计算”、“平行管理”、“平行控制”的梦想而孜孜以求,用智能联通两个世界。本期【走访·课题组】成员走进了社会计算与平行管理课题组,探寻他们的“平行世界”。

  “用智能联通虚拟和现实两个平行世界”

  按照预约时间,访谈组成员来到了课题组负责人王飞跃研究员的办公室。踏进门,目光不由被北立面整整一墙的书柜所吸引:书柜倚墙而立,从地板到天花板被书挤得满满当当。靠近窗户的一端,是课题组近年来获得的各类奖项,大大小小数十块。

  

  办公室的墙上挂着几幅书法作品,门旁一幅“十年树人,桃李满园”是学生纪念王飞跃老师归国执教十周年所写,上面是毕业学生的签名。整个办公室明亮大气,似乎能闻到扑鼻而来的阵阵墨香。快速扫视一圈之后,在靠窗的会议桌前坐下后开始了访谈。

  据介绍,课题组研究始于王飞跃研究员1999年被中科院引进到所。随着研究深入,课题组的研究内容从以智能控制为主要内容渗透到了社会管理领域,于2004年在国际上首次提出基于ACP(A指人工系统 Artificial System;C指计算实验 Computational experiments;P指虚实系统的平行执行 Parallel execution)方法的社会计算和平行系统理论,构建了一个虚拟的人工社会,以平行管理的方式连接起虚拟和现实两个世界。

  “简单说来,平行管理就是在对已有事实认识的基础上,利用先进计算手段,借助人工系统对复杂系统的行为进行‘实验’,进而对其行为进行分析,实虚互动,得出比‘现实’更优的运行系统”。

  课题组成员介绍说,人工社会就是平行宇宙在计算机中的虚拟实现,也是在网络空间之Cyber-Physical结构中的虚实呈现。它们与物质精神的自然社会同构并映,构成研究和处理复杂问题的平行系统。进一步,物理学家用他们聪明绝顶的人脑设计了各种各样的“思想实验”来研究验证平行宇宙和其他的量子力学解释,而计算机号称“电脑”,所以就可以利用“计算实验”来分析其所“培育”的人工社会和对应的平行系统,从而在另外的世界中克服对复杂系统问题,特别是涉及人的复杂问题无法进行实验的根本性困难。

  听课题组成员一番讲述后,笔者以“仿真”来理解他们所说的理论时,他们又花了较多的时间来解释这二者的关系。“平行管理系统可以说是计算机仿真研究和利用参考模型进行自适应控制的自然扩展与升级。”“首先,相当程度上,它要求仿真与模拟的正规和常态化。例如,仿真不再是桥坝高楼等结构建成之前仿一仿就可以了,而将是永远伴随着这些建筑,时时刻刻,永不间断,用于监控,用于管理。其次,它要求经验与知识的数字化、动态化和即时化,过去马马虎虎的习惯和深藏于文献或历史中的知识,都必须重新组织表述,从而使其至少80%可以自动地随需随取随用,剩下的20%,再向专家咨询。最后是游戏与动漫的工作化,相信未来它们将不只是娱乐的一部分,而是每个社会企业、每个政府机构之必不可少的一部分工作,就像今天各种设计、规划、检验、评估工程师的工作一样。只有这样,人工社会才能成为真正的另外一半的社会,虚实才能一体,计算实验才能成为真正的分析手段。”如今,该理论已经成为全球范围内的研究热点。

  在黄武陵博士的印象中,王飞跃老师是忙碌的。他介绍说,王飞跃老师于2005年就担任了国际IEEE ITS(智能交通)学会主席,成为IEEE自成立以来第一位来自中国大陆的华人学会主席。“在王老师眼中,主席这个位置只是做义务性劳动的工作,他更看重在学会中架起中国和国际的交流渠道,为促进中国和世界其他国家的智能交通做自己的努力。”

  课题组成员告诉笔者,王飞跃老师经常和他们提到,实验室的发展壮大是最让他感到欣慰的。从1999年他只身一人创立智能控制与系统工程中心,到2002年底智能控制与系统工程中心与自动化所的其他实验室整合,成为中科院复杂系统与智能科学重点实验室,工作人员和研究生已300多人。2011年10月,实验室经科技部批准正式成为国家重点实验室。

  在收获一项项研究成果的同时,王飞跃研究员先后获国家自然科学二等奖(2007年)、IEEE智能交通系统杰出应用奖(2009年)、IEEE智能交通系统杰出研究奖(2011年)和IEEE Fellow、INCOSE Fellow、IFAC Fellow、AAAS Fellow、ASME Fellow等多个荣誉。课题组也荣获2010年IEEE智能交通系统团队领先奖。

  “智能可以更好地解决交通拥堵”

  访谈过程中,为了让笔者更加清晰了解他们的研究内容,课题组成员介绍了几个专业术语。“智能交通就是利用新的信息、自动化和智能技术来提高传统和新型交通系统的安全、效率和舒适水平,并确保交通系统本身及相应的生态与社会环境之可持续发展。”对于课题组来说,就是将ACP方法平行交通系统控制与管理理念,以实现城市交通控制与管理方法的重大突破,打造一个“智慧”的交通。

  

  平行交通系统

  针对交通等复杂对象的控制和管理难题,课题组依据平行系统理论,在传统对工程性对象进行“小闭环控制”基础上,增加管理、人、环境等社会性要素,形成一个“大闭环控制”的实际系统。针对大闭环控制对象的复杂多变特点,引入了人工系统,与实际系统共同形成双闭环的平行系统。

  “城市交通控制与管理工作面临的最大难题是由于操作对象过于复杂,导致研究无法开展实验,你不可能真的让多少人或多少辆车同时通过某个路口,此前关于交通的研究都是基于以往数据的分析,而我们的系统则能计算出某个特定时间段、特定天气状况下,某条道路上行驶多少车辆才不会造成拥堵。”熊刚说。

  据介绍,平行交通系统的作用主要体现在三个方面:一是项目施工前,可对系统效果进行预测与评价,降低施工的风险。二是项目实施与运行过程中,可生成优化控制方案,大大缩短实施时间。三是系统运行过程中,对未来发展的预测与规划。

  

  平行交通系统在2008 IEEE ITSC现场展示

  朱凤华介绍说,平行交通控制与管理系统于2009年在江苏太仓太浏公路的改造工程中得到了实施,取得了明显的应用效果,通过一年多的调查数据显示,主路通行能力提高了26%,主路排队长度减少了8%—19%,明显改善了周边区域的交通环境,这个项目也被江苏省公路局列为示范推广项目。目前,这一系统在苏州、无锡等地的产业化已进入实质性阶段。之后,课题组又在广州市亚运公共交通管理上,成功实施了“平行交通系统”,开创了城市道路交通和城市公共交通管控的先例。

  “我们的城市越来越大,高速路上的汽车越来越多,但是一个城市到底容纳多少人最合适,交通应该怎样设计才是最优化的?我们不可能到最后一刻才去修修补补,需要提前进行顶层设计,而且必须考虑人的行为和社会因素,将来解决这些问题的途径肯定只能是社会计算和平行管理。”

  在智能交通组员们看来,目前国家所采取的系列治堵政策其实已经取得了一定的效果,但目前对行政干预手段的依赖性较大,还并没有很大程度通过技术手段进行有效引导和优化,这为课题组的继续研究提出了迫切需要,也正是大家着力研究的重点内容。

  

  2009年CCTV报道平行交通系统

  “新一代物联网技术,将使得交通的动态感知能力大大提高,为平行系统的大范围实施提供的信息基础;云平台技术的发展,将极大底提高城市交通的建模、计算、分析、预案生成与仿真评估、管理与控制、决策支持能力,为平行系统的大范围实施提供的计算基础;随着新一代信息技术和平行系统的逐步成熟,在更大范围(如全城)内推行这一系统在中国的城市环境和交通条件下,是可行的,在平安城市、智慧城市的建设中也有用武之地。”如同课题组所预见的,在更大范围内推广“平行交通系统”,应该是今后的一个趋势。

  “期待我们的研究可以更广泛服务于社会管理”

  在课题组成员眼里,基于ACP的系统理论在更加广泛的领域都具有应用价值。“小到大型桥梁、水坝和高层建筑的监控和管理,中到农业与经济作物的种植制造化,森林生态系统的管理与火灾防控,大到乙烯生产过程、城市交通、社会态势的分析与预警、国家战略分析与社会突发事件应急管理,等等,PMS都有用武之地。”除智能交通以外,课题组理论成果还成功应用在了乙烯、农业生产、公共安全等领域。

  (一)企业运用

  2009年6月30日,课题组与中石化茂名分公司合作研发的平行管理系统在茂名石化乙烯裂解车间上线。据课题组成员介绍,这一项目启动于2005年,核心是如何把关于人和社会的行为以可计算可操作的方式嵌入到实际的管理过程之中。

  从理论到实践之路并不是一蹴而就的,在乙烯项目启动后的两年里,课题组成员多次去中石化总部及茂名石化沟通交流,带回来厚厚的几大本管理资料和调查报告。程长建老师告诉笔者:“在整个过程中,团队成员不断朝着平行管理的目标逼近,直到2007年最终成功将ACP理论应用于乙烯生产线,对操作和管理人员的行为和心理进行量化评估,并利用实际与人工生产系统的平行互动,实现对生产过程的优化、控制和管理。”

  2010年,平行管理系统被成功推广到齐鲁石化胜利炼油厂;2011年,系统又成功推广到齐鲁石化烯烃厂的裂解车间;2012年,齐鲁石化烯烃厂的近30个车间部室得到推广应用。橡胶厂、第二化肥厂、氯碱厂等也率队去烯烃厂考察调研,对平行管理系统的良好应用效果表现出极大兴趣。最近,项目组又成功申请了2013年的自然科学基金委的重大项目。所有这些,都在不断证明平行管理的广阔应用前景,鼓舞着年轻人的追梦脚步不断前行。

  (二)农业生产

  课题组还有一个重要的研究内容,就是把ACP理论应用于农业系统,通过对农业生产这个典型的复杂系统的建模、模拟和控制,实现农业生产过程的精准管理与节能高产。

  据康孟珍老师介绍,课题组在该方向已经进行了较长时间的积累,所构建的数学模型从生长和发育两个基本过程对植物进行描述,以植物的三维形态进行科学计算可视化。所模拟虚拟植物不仅具有在实际植物上可测的属性,例如生物量、大小等,而且能够对环境和管理做出反应。“希望能在‘生长’于计算机内的‘人工植物’上试验不同的浇溉和施肥方案等,然后再应用在植物上,以提高农产品质量和品质,使农业真正实现制造化、精细化、智能化。”

  目前,平行农业管理已被应用于国内一家苗圃生产企业,对于大规模的苗木生产,平行管理系统可以帮助经营者回答树木“有多少,在哪里,何时卖”这样的问题。在最近新闻联播所报道的受控生保系统实验中,展示了课题组的另一个应用——植物工厂以及温室生产,课题组参与了部分的实验设计和数据采集,目的为受控生保环境下种植批次、温、光、气等条件的配置提供依据。课题组研发出动态的虚拟植物,可用于景观设计、游戏、教育、电影等。

  

  相邻树木的竞争模拟

  (三)公共安全

  随着网络的迅猛发展,其双刃剑的效应愈发显现。在为社会发展提供广阔空间的同时,随之而来的网络安全也愈发突出,迫切需要提出有效应对网络安全的策略和思路。曾大军研究员于2006年回国加入到课题组从事社会计算、情报与安全信息学(ISI)方面研究,并致力于将ACP理论应用于公共安全。

  在和曾大军研究员访谈中得知,社会计算就是针对当代信息社会条件下社会问题日益呈现出动态性、快速性、开放性、交互性和数据海量化等特点,进行社会数据搜集、深度信息挖掘,为有效进行社会预警、科学决策提供有力方法和手段。

  社会计算作为一门社会科学、管理科学与计算科学等的新兴交叉学科,近年来得到了迅速发展,在ISI研究和系统开发中有重要应用。王飞跃、曾大军老师和亚利桑那大学的陈昕鈞教授2003年在美国组织ISI第一次国际学术会议,到现在已经有上千人在从事专门的研究工作,在全球范围内每年组织3个国际会议,国际著名学术出版社Springer也创立了该领域独立的期刊。

  团队工程骨干王磊介绍,经过十年发展,基于ISI和社会计算的科研成果已经在北京奥运会、上海世博会、“两会”等多个重大活动的安保工作中得到应用,生物反恐、重大疫情方面的工作获得北京市等5个省部级奖项,课题成果也在国家相关部门社会安全、国家安全领域实践中得到应用。

  面对当前的形势,曾大军研究员带领团队成员已经与相关部门展开合作,着力于下一代社会安全和计算实验平台开发,希望通过把实体组织、社会的复杂关系映射到人工社会,进行政策评估、态势分析、行为预测,将ISI和社会计算更好地服务于现实社会的有效管理。

(综合处 刘勇进)

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