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| 本文作者： 陳彩嫻 | 2021-11-11 16:38 |
隔多年，再看圖靈在1948年撰寫(xiě)的報(bào)告——《Intelligent Machinery》，我們?nèi)匀粫?huì)為這位數(shù)學(xué)天才對(duì)智能機(jī)器的想象與癡迷所折服。
在這份報(bào)告中，圖靈將嬰兒的大腦皮層比喻為一臺(tái)「無(wú)組織機(jī)器」（an unorganized machine），如同嬰兒在后天的教育（或「干預(yù)」訓(xùn)練）中能逐漸成為一個(gè)「有組織的」成年人，行為規(guī)劃符合社會(huì)人類(lèi)共識(shí)，無(wú)組織機(jī)器也能通過(guò)外界的信息交流干預(yù)（「paper interference」），成為一臺(tái)具有人類(lèi)特征的、甚至?xí)伎嫉摹赣薪M織機(jī)器」。
在第16頁(yè)，圖靈拋出一個(gè)觀點(diǎn)：
從進(jìn)化與遺傳學(xué)的角度來(lái)看，將大腦皮層看作「無(wú)組織機(jī)器」的設(shè)想是非常令人滿(mǎn)意的。
圖靈將機(jī)器看作一個(gè)生命。如同物種在大自然中經(jīng)歷「優(yōu)勝劣汰」的選擇般，圖靈設(shè)想了一種「智能搜索」（intellectual searches），在解決包含多類(lèi)型問(wèn)題的大類(lèi)問(wèn)題 n 時(shí)，通過(guò)淘汰的方式選出適合的方案：
……按順序取整數(shù)并測(cè)試每個(gè)整數(shù)是否具有所需的屬性，直到找到具有某屬性的整數(shù)... 在各個(gè)階段，下一步的選擇可能都不止一個(gè)。不過(guò)，我們可能會(huì)將所有可能的選擇按順序排列，直到機(jī)器證明一個(gè)定理，并能按自己的方式驗(yàn)證該定理以給出問(wèn)題的解決方案。
在這份僅有20頁(yè)的報(bào)告中，圖靈的許多觀點(diǎn)成為現(xiàn)代人工智能的基礎(chǔ)。比如，無(wú)組織機(jī)器的進(jìn)化思想，便奠定了后來(lái)「演化計(jì)算」（Evolutionary Computation）的學(xué)科基礎(chǔ)。演化編程、遺傳算法、演化硬件等等不可思議的概念，均沿襲于此。
不過(guò)，在90年代以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的連接主義興起后，演化計(jì)算逐漸成為計(jì)算機(jī)科學(xué)、甚至人工智能領(lǐng)域的一個(gè)小眾分支。從2003年創(chuàng)辦至今的CNCC，也是在今年才首次開(kāi)設(shè)了以演化計(jì)算為主題的分論壇。
該論壇名為「下一代演化計(jì)算發(fā)展趨勢(shì)」，由南方科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系的系主任、IEEE Fellow姚新出任主席，并請(qǐng)到了徐宗本院士、焦李成院士、丁進(jìn)良、唐珂與羅文堅(jiān)等學(xué)者作演講。
圖注：姚新
姚新的本科就讀于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班，師從陳國(guó)良院士與李國(guó)杰院士，從上世紀(jì)90年代博士期間開(kāi)始研究演化計(jì)算，至今已有三十多年，是我國(guó)少數(shù)研究演化計(jì)算的國(guó)際知名學(xué)者之一，也是歷史上首位獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最高獎(jiǎng)「IEEE Frank Rosenblatt Award」的華人學(xué)者。
AI科技評(píng)論有幸邀請(qǐng)到姚新教授作為「Fellow來(lái)了」系列的第 02 期人物，與我們分享演化計(jì)算的研究特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀與研究意義，尤其是演化計(jì)算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。
1、什么是演化計(jì)算？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，演化計(jì)算是一種基于自然選擇和遺傳變異等生物進(jìn)化機(jī)制的全局性概率搜索算法，能夠在不要求函數(shù)連續(xù)、可微與單峰的情況下，找到問(wèn)題的近似全局最優(yōu)解。
基于這些優(yōu)點(diǎn)，演化計(jì)算被廣泛用于NP與NPC難題求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題求解與其他眾多領(lǐng)域。
圖注：演化計(jì)算示例，通過(guò)程序迭代模擬，將要解決的問(wèn)題看作一個(gè)環(huán)境，在一些可能的解組成的種群中，通過(guò)自然演化尋求最優(yōu)解。
追溯歷史，演化計(jì)算與人工智能的發(fā)展歷程很相似。
1958年的達(dá)特茅斯會(huì)議被稱(chēng)為「人工智能」的起點(diǎn)，而演化計(jì)算方向的許多奠基性工作也是在上世紀(jì)60年代末、70年代初出現(xiàn)。繼圖靈討論「無(wú)組織機(jī)器」如何成長(zhǎng)后，1966年，Lawrence J. Fogel 在其著作《Artificial Intelligence through Simulated Evolution》中提出「演化編程」，基于有限狀態(tài)機(jī)，用演化計(jì)算的方法設(shè)計(jì)一臺(tái)學(xué)習(xí)機(jī)，預(yù)測(cè)1、3、5、7、11……中的下一個(gè)整數(shù)是不是素?cái)?shù)。
「這（預(yù)測(cè)素?cái)?shù)）在數(shù)學(xué)界都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但 Fogel 在66年就已經(jīng)想出用機(jī)器來(lái)預(yù)測(cè)，而不是靠人來(lái)算。」姚新感嘆。
圖注：Lawrence J. Fogel
1964年，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)的兩位學(xué)生 Ingo Rechenberg 與 Hans-Paul Schwefel 提出進(jìn)化策略（Evolution strategies）；1975年，美國(guó)密歇根大學(xué)的 John Henry Holland 借鑒了達(dá)爾文的生物進(jìn)化論與孟德?tīng)柕倪z傳定律思想，提出「遺傳算法」（Genetic algorithms）。兩者后來(lái)均成為演化計(jì)算的重要分支。
尤其是遺傳算法。在《Adaptation in Natural and Artificial Systems》一書(shū)中，John Holland 十分強(qiáng)調(diào)「適應(yīng)性」（adaptation），以及如何用遺傳算法來(lái)研究計(jì)算程序的自適應(yīng)與自動(dòng)搜索。基于達(dá)爾文物種選擇理論的問(wèn)題分析方法，遺傳算法開(kāi)始于一定數(shù)量的初始點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有隨機(jī)生成的特征，成功生成的節(jié)點(diǎn)會(huì)被合并、生成新的「智能體」，該「智能體」具有雙親的特征。
遺傳算法的高明之處，一是提供了研究進(jìn)化論的空間與研究自然現(xiàn)象的獨(dú)特方法，二是利用進(jìn)化論的思想進(jìn)行計(jì)算機(jī)函數(shù)優(yōu)化，讓計(jì)算機(jī)開(kāi)始具有通過(guò)「繁衍」來(lái)適應(yīng)與學(xué)習(xí)的機(jī)制。
圖注：John Henry Holland
不過(guò)，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的容量小、運(yùn)算速度慢、符號(hào)AI研究火熱等因素，演化計(jì)算的這些早期理論并沒(méi)有引起太多人的注意。
直到80年代，傳統(tǒng)人工智能的解題局限性開(kāi)始凸顯；與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)的速度得到顯著提高，演化計(jì)算開(kāi)始被用于解決實(shí)際問(wèn)題，在機(jī)器學(xué)習(xí)、工程優(yōu)化與過(guò)程控制等領(lǐng)域取得了極大成功，重新吸引了研究者的目光，在許多國(guó)家掀起了演化計(jì)算的研究熱潮。
2006年，NASA的ST-5航天器便使用了演化算法來(lái)設(shè)計(jì)空間、自動(dòng)尋找更高效的X-band天線設(shè)計(jì)方案。由兩種進(jìn)化算法（實(shí)值參數(shù)向量與樹(shù)結(jié)構(gòu)生成表示）「繁衍」出的性能最優(yōu)的天線經(jīng)過(guò)構(gòu)造與測(cè)試，均優(yōu)于手工設(shè)計(jì)的天線。而且，只需要調(diào)整適應(yīng)函數(shù)，他們就可以在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)快速進(jìn)化出一套新的天線（如下圖）：
此外，2008年北京鳥(niǎo)巢體育館的鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中也使用了演化計(jì)算，通過(guò)遺傳算法迭代而成，整體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)固：
「而演化計(jì)算的最近一次大發(fā)展，是在2015年以后。」姚新指出。深度學(xué)習(xí)崛起后，演化計(jì)算與人工智能的其他分支結(jié)合，形成新的研究方向，比如「演化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」、「演化機(jī)器人」。
姚新指出，學(xué)習(xí)與進(jìn)化是生物適應(yīng)的兩大基本形式，兩者理應(yīng)相互增益。他解釋?zhuān)?/p>
「大多數(shù)深度學(xué)習(xí)模型首先是設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，然后訓(xùn)練權(quán)值，但實(shí)際上，沒(méi)有一個(gè)生物的大腦在學(xué)習(xí)的過(guò)程中是結(jié)構(gòu)固定、權(quán)值變化的。所有生物的大腦學(xué)習(xí)都是結(jié)構(gòu)上的學(xué)習(xí)，而不是調(diào)調(diào)參數(shù)。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，研究演化算法的人就強(qiáng)調(diào)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)應(yīng)該是結(jié)構(gòu)與參數(shù)的同時(shí)學(xué)習(xí)，而不是先設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)、然后再去做參數(shù)的優(yōu)化。」
演化計(jì)算至少有4個(gè)主要分支：遺傳算法、演化編程、進(jìn)化策略與遺傳編程。此外，演化計(jì)算中還有一些「小而美」的分支，比如共生演化、差分演化、蟻群算法和粒子群算法等等。姚新指出，AlphaGo與對(duì)抗學(xué)習(xí)的許多思想，與80年代末、90年代初演化計(jì)算研究者所提出的對(duì)抗性思想完全是同源而生，只是實(shí)現(xiàn)的手段不一樣。
除了對(duì)抗性思想，演化計(jì)算在多目標(biāo)優(yōu)化與決策問(wèn)題上也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如，將一個(gè)大規(guī)模的深度學(xué)習(xí)模型安裝在手機(jī)上，目標(biāo)1：高性能；目標(biāo)2：模型安裝要控制在手機(jī)耗電量可承受的范圍內(nèi)；目標(biāo)3：安全…這種場(chǎng)景與運(yùn)籌學(xué)中常遇到的優(yōu)化問(wèn)題相似，但是，多目標(biāo)演化算法可以在一次運(yùn)行中找到整個(gè)Pareto front的近似解集，而不僅僅是一個(gè)解。這樣可以為決策者提供不同的折衷方案并方便決策者比較各種方案。傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)之一就是每次算法運(yùn)行只能找到一個(gè)解。
此外，演化計(jì)算還擅長(zhǎng)處理不確定環(huán)境中的學(xué)習(xí)與優(yōu)化問(wèn)題（又稱(chēng)為「動(dòng)態(tài)優(yōu)化」問(wèn)題）。比如，在機(jī)器人/自動(dòng)駕駛車(chē)輛的研究中，目標(biāo)方向是往正北走，但由于傳感器或機(jī)械臂的操控緣故，機(jī)器人的行走方向可能出現(xiàn)偏離，那么，機(jī)器便要進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，適度調(diào)整，如將可能偏離45度的方向盤(pán)調(diào)整為0.0001度。在算法層面上，這樣的調(diào)整并不是一件容易的事，而演化計(jì)算可以通過(guò)迭代模擬，找出近似最優(yōu)的方案。
2、第一屆中科大少年班學(xué)生
姚新從上世紀(jì)80年代末開(kāi)始研究演化計(jì)算，一直堅(jiān)持到今天。
1978年，在諾貝爾物理獎(jiǎng)華人獲得者李政道的倡導(dǎo)與鄧小平、方毅等國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的支持下，一個(gè)特殊的教育班級(jí)在中國(guó)成立。
如李政道設(shè)想，它參考招收與培訓(xùn)芭蕾舞蹈演員的方法，從全國(guó)選拔極少數(shù)年齡在13歲左右的優(yōu)秀少年到大學(xué)接受教育，目的是培養(yǎng)一支「少而精的基礎(chǔ)科學(xué)工作隊(duì)伍」。這個(gè)班級(jí)，就是后來(lái)大名鼎鼎的「中科大少年班」，而姚新是當(dāng)年（1978年春）全國(guó)選拔的21位智商過(guò)人的少年之一。
圖注：部分中科大少年班首屆學(xué)生留影
本科畢業(yè)后，姚新聽(tīng)從趙振西老師的建議，先是去了北京華北計(jì)算技術(shù)研究所（即「電子部15所」）攻讀碩士、以積累工程經(jīng)驗(yàn)，「因?yàn)橹锌拼笃碚摚w老師認(rèn)為，做研究缺乏工程知識(shí)總是不好的。」在15所，姚新研究了三年微程序設(shè)計(jì)。
1985年碩士畢業(yè)，姚新讀博，又回到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，師從陳國(guó)良院士。陳國(guó)良是我國(guó)并行算法與高計(jì)算計(jì)算專(zhuān)家、中國(guó)科學(xué)院院士，在1995年創(chuàng)建了中國(guó)第一個(gè)國(guó)家高性能計(jì)算中心——國(guó)家高性能計(jì)算中心（合肥）。
讀博期間，姚新跟著陳國(guó)良學(xué)習(xí)，中間也花了許多時(shí)間到中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所跟著李國(guó)杰院士做研究，是李國(guó)杰回國(guó)后帶的第一個(gè)學(xué)生。姚新回憶：
「兩位老師對(duì)我的幫助都非常大。在中科大，要上基礎(chǔ)課，還有討論班。我從博士論文開(kāi)始研究模擬退火和演化計(jì)算，后來(lái)，陳國(guó)良老師還專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了《遺傳算法及其應(yīng)用》（1996年）一書(shū)。
到了計(jì)算所跟著李國(guó)杰老師后，李老師的博士論文與博士后階段都是做組合搜索，是現(xiàn)在人工智能中很火的領(lǐng)域。那我想，李老師做組合搜索，我肯定比不過(guò)他，那我研究演化計(jì)算或模擬退火也挺好，李老師當(dāng)初也同意，所以我的博士論文是關(guān)于模擬退火遺傳算法。」
圖注：用模擬退火算法解決旅行商推銷(xiāo)問(wèn)題（TSP）
1990年，姚新到澳大利亞國(guó)立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Computer Sciences Laboratory）擔(dān)任博士后，繼續(xù)從事模擬退火與演化計(jì)算的工作。也是從那時(shí)候開(kāi)始，姚新開(kāi)始研究遺傳算法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，相關(guān)工作發(fā)表在1991年澳大利亞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的年會(huì)上，引起了許多參會(huì)者的注意。
「不久后，昆士蘭又有一個(gè)小型的論壇，叫『AI and Creativity』。里面有個(gè)做人工智能的、偏哲學(xué)的英國(guó)教授叫Margaret Boden，跟我聊了很多，真的是堅(jiān)定了我將演化計(jì)算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)的研究方向。一些生物的知識(shí)書(shū)也是她推薦我去讀的，我也是看了這些書(shū)才知道，哦，原來(lái)生物大腦中的學(xué)習(xí)不是調(diào)參數(shù)，而是講突出的連接在那里變來(lái)變?nèi)ァ！?/p>
1991年，姚新加入澳大利亞最大的國(guó)家級(jí)科研機(jī)構(gòu) CSIRO 擔(dān)任博士后研究員；1992年開(kāi)始，分別在澳大利亞國(guó)防軍學(xué)院與新南威爾士大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院擔(dān)任高級(jí)講師、副教授；1999年，他又去了英國(guó)伯明翰大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院擔(dān)任講席教授，直到2016年，在南方科技大學(xué)的邀請(qǐng)下回國(guó)、參與創(chuàng)立南科大計(jì)算機(jī)系并擔(dān)任系主任。
姚新在澳大利亞所結(jié)識(shí)的另一位人工智能華人先驅(qū)張成奇教授在南科大的辦公室，便與他在同一棟樓。
在研究上，姚新喜歡聚焦于具體的問(wèn)題，以實(shí)際問(wèn)題來(lái)驅(qū)動(dòng)學(xué)術(shù)研究。
1999年，姚新提出了具有開(kāi)創(chuàng)性的快速進(jìn)化編程（fast evolutionary programming，“FEP”）方法。
進(jìn)化編程（EP）方法原先用于人工智能的問(wèn)題研究，后被用于解決數(shù)字與組合優(yōu)化問(wèn)題。在解決多模態(tài)優(yōu)化問(wèn)題上，EP方法的優(yōu)勢(shì)之一是可以通過(guò)緩慢的收斂得到一個(gè)出色的近似優(yōu)解。與經(jīng)典的EP方法相比，姚新所提出的FEP方法擅長(zhǎng)在一個(gè)大的領(lǐng)域進(jìn)行搜索，對(duì)黑箱優(yōu)化有優(yōu)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，后來(lái)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)、最優(yōu)路徑規(guī)劃、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)以及新材料的設(shè)計(jì)，單篇谷歌學(xué)術(shù)引用次數(shù)接近4000。
論文地址：http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.45.1830&rep=rep1&type=pdf
2000年，基于對(duì)約束條件處理的考慮，姚新與合作者又開(kāi)發(fā)了一個(gè)隨機(jī)排序方法，將傳統(tǒng)的、看似復(fù)雜的懲罰函數(shù)與拉格朗日方程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的排序，在犧牲些許數(shù)學(xué)收斂性的情況下取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果，是姚新在研究生涯中的一個(gè)階段性成果。雷鋒網(wǎng)
論文地址：https://www.cs.bham.ac.uk/~xin/papers/published_tec_sep00_constraint.pdf
憑借在演化計(jì)算上的一系列開(kāi)辟性成果，姚新在2003年當(dāng)選 IEEE Fellow。
除了早期的兩大重要成果，姚新還提到他在2006年將演化計(jì)算應(yīng)用于撒鹽車(chē)調(diào)度的項(xiàng)目。撒鹽車(chē)的調(diào)度涉及到車(chē)輛數(shù)量、每輛車(chē)的噸位、調(diào)度范圍等等，原屬于運(yùn)籌學(xué)的研究范圍，但在實(shí)際的運(yùn)行中，假設(shè)車(chē)隊(duì)有11輛車(chē)，載重范圍為2.5噸到9噸，重量不固定，那么傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法便無(wú)法假設(shè)一個(gè)數(shù)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，也難以設(shè)計(jì)算法。雷鋒網(wǎng)
「現(xiàn)實(shí)生活中的調(diào)度問(wèn)題與書(shū)本上的非常不一樣。首先路況是隨時(shí)間變的，車(chē)輛行駛速度也不固定，車(chē)有可能拋錨壞了，等等。」姚新解釋?zhuān)笇?duì)于這類(lèi)充滿(mǎn)不確定性的優(yōu)化問(wèn)題，相對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)或運(yùn)籌學(xué)方法，演化計(jì)算是有優(yōu)越性的。它能在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中找到近似最優(yōu)解。」
從這個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始，姚新一直致力于將演化計(jì)算用于在不確定性的環(huán)境中做動(dòng)態(tài)優(yōu)化。除此之外，他與團(tuán)隊(duì)著重于研究演化計(jì)算如何應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化決策。
姚新設(shè)想，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)可以長(zhǎng)期演化的系統(tǒng)：「我可以做初始化的設(shè)計(jì)，等初始化設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)與環(huán)境交互，這個(gè)系統(tǒng)的軟件與硬件應(yīng)該會(huì)一直進(jìn)化下去，（就像生物一樣），在不同的環(huán)境中就會(huì)進(jìn)化成不同的系統(tǒng)。」雷鋒網(wǎng)
能夠進(jìn)化的系統(tǒng)，聽(tīng)起來(lái)天方夜譚，但在許多場(chǎng)景中是剛需。比如外太空設(shè)備。從地面發(fā)射信號(hào)到外太空，需要好幾分鐘，但在地面的遙控者無(wú)法預(yù)測(cè)這幾分鐘里所發(fā)生的事情。這時(shí)候，如果系統(tǒng)具備自適應(yīng)、自演化的功能，就能處理未知的、不確定的環(huán)境。再比如無(wú)人區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)，如果設(shè)備具有自適應(yīng)功能，能夠自動(dòng)更新與重組，那么就可以免去人工檢測(cè)的成本與風(fēng)險(xiǎn)。
問(wèn)及系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)化的前景，姚新頗有自信地答道：「我覺(jué)得在不久的將來(lái)就可以部分實(shí)現(xiàn)，尤其是在軟件層面。現(xiàn)在很多東西都是『軟件可定義』，這實(shí)際上對(duì)演化計(jì)算是一個(gè)利好消息，就給我們一個(gè)發(fā)揮能力的基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)修改軟件就能修改硬件的配置。」
3、CNCC分論壇：演化計(jì)算的下一代發(fā)展趨勢(shì)
不可否認(rèn)，目前演化計(jì)算在國(guó)內(nèi)仍是一個(gè)小眾方向。
從本質(zhì)上看，一個(gè)研究方向的規(guī)模大小與其在商業(yè)上的成功有著莫大關(guān)聯(lián)。比方說(shuō)，深度學(xué)習(xí)興起的最大推手就是企業(yè)，深度學(xué)習(xí)之所以能成功，是因?yàn)槠湓诋a(chǎn)業(yè)中孵化出許多應(yīng)用，能給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，而演化計(jì)算對(duì)產(chǎn)業(yè)的影響力有限，「即使用演化計(jì)算設(shè)計(jì)天線，也只是設(shè)計(jì)直徑為1cm的天線，而不是所有天線。」
而第二個(gè)原因，是了解演化計(jì)算的人不多。姚新感嘆：「演化計(jì)算在許多場(chǎng)景中適用，但大家一般是先嘗試了許多其他方式、發(fā)現(xiàn)行不通了，才會(huì)想到演化計(jì)算。」
為此，作為演化計(jì)算的忠實(shí)研究者，科研之余，姚新也將一部分的精力放在了演化計(jì)算的「布道」上，讓更多人了解到研究演化計(jì)算的重要性：
在圖靈發(fā)表于1948年的報(bào)告中，他就專(zhuān)門(mén)花了2頁(yè)的篇幅探討演化計(jì)算的思想，這也說(shuō)明從很早開(kāi)始，演化計(jì)算就已經(jīng)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能中不可分割的一部分。一直到2015年，Nature推出人工智能專(zhuān)刊時(shí)，收錄了6篇長(zhǎng)文，其中1篇（如下）就是專(zhuān)門(mén)講演化計(jì)算。
論文鏈接：https://research.vu.nl/en/publications/from-evolutionary-computation-to-the-evolution-of-things
姚新介紹，演化計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)系，就相當(dāng)于自適應(yīng)的兩個(gè)基礎(chǔ)模式。機(jī)器學(xué)習(xí)是個(gè)體學(xué)習(xí)，研究如何在最短的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)一個(gè)訓(xùn)練集，時(shí)間粒度比較短，而演化計(jì)算是群體學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)解空間采樣、做比較與淘汰，時(shí)間粒度比較長(zhǎng)，兩者互補(bǔ)，對(duì)人工智能缺一不可。
「在研究演化計(jì)算時(shí)，你是避不開(kāi)機(jī)器學(xué)習(xí)的，因?yàn)閺囊婚_(kāi)始，演化計(jì)算就包含在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。早期的演化計(jì)算論文也是發(fā)表在與機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)的會(huì)議與期刊。」姚新回憶，「我與張成奇認(rèn)識(shí)，就是因?yàn)閰⒓恿怂?993年在澳大利亞舉辦的全澳人工智能會(huì)議。」
姚新認(rèn)為，在未來(lái)的人工智能發(fā)展中，當(dāng)個(gè)體的快速學(xué)習(xí)已經(jīng)研究得差不多時(shí)，人們遲早會(huì)意識(shí)到，個(gè)體的學(xué)習(xí)距離通用人工智能是有一定距離的。這時(shí)，人們一定會(huì)考慮其他的途徑，演化計(jì)算便是其中的一個(gè)選擇。
比方說(shuō)，南京大學(xué)的周志華團(tuán)隊(duì)雖然一直研究機(jī)器學(xué)習(xí)，但近年來(lái)也在演化計(jì)算上有所造詣。2019年，周志華便與他的兩個(gè)學(xué)生（錢(qián)超、俞揚(yáng)）出版了《演化學(xué)習(xí)：理論和算法的進(jìn)展》英文版一書(shū)。
除了周志華團(tuán)隊(duì)，中國(guó)研究演化計(jì)算的學(xué)者還有西安電子科技大學(xué)焦李成的研究團(tuán)隊(duì)、徐宗本院士團(tuán)隊(duì)、原先武漢大學(xué)康立三教授的部分學(xué)生，以及中國(guó)科技大學(xué)陳國(guó)良院士與王旭法教授所帶領(lǐng)的學(xué)生。
在即將召開(kāi)的CNCC分論壇「演化計(jì)算的下一代發(fā)展趨勢(shì)」中，姚新便邀請(qǐng)了數(shù)位能到現(xiàn)場(chǎng)作演講的嘉賓，包括徐宗本、焦李成、唐珂、丁慶良等學(xué)者。
據(jù)姚新介紹，此次論壇的演講內(nèi)容頗符合李國(guó)杰院士所提出的「頂天立地」的口號(hào)。徐宗本院士主要從基礎(chǔ)理論出發(fā)，解析演化計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)系；丁慶良介紹如何將演化算法應(yīng)用到工業(yè)控制中，解決實(shí)際問(wèn)題；唐珂探討如何用演化計(jì)算自動(dòng)設(shè)計(jì)算法，而焦李成則從理論到實(shí)踐系統(tǒng)地研究演化計(jì)算及其應(yīng)用。
論壇的時(shí)長(zhǎng)只有3個(gè)小時(shí)，姚新明白，一次「布道」并不能將問(wèn)題真正吃透。所以，他更希望這個(gè)論壇是一次「播種」，將「演化計(jì)算」的種子播撒在參會(huì)者的心里。
就姚新個(gè)人而言，國(guó)內(nèi)演化計(jì)算研究發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)有兩個(gè)：
一是做有影響力的應(yīng)用，解決實(shí)際問(wèn)題。與此同時(shí)，也要找到適合演化算法解決的問(wèn)題，「比如2006年NASA的研究員想到用演化計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)直徑1cm的小型衛(wèi)星天線就很巧妙。當(dāng)一個(gè)問(wèn)題無(wú)法用數(shù)學(xué)方程描述、只能通過(guò)采樣的方法做模擬優(yōu)化時(shí)，演化算法的優(yōu)越性便顯示出來(lái)了。」
「我經(jīng)常講一個(gè)可能不是很恰當(dāng)?shù)谋扔鳎鹤钸m合用演化計(jì)算的實(shí)際問(wèn)題，是一些特別難的問(wèn)題，難到其他方法都覺(jué)得毫無(wú)頭緒，這時(shí)，演化計(jì)算的相對(duì)優(yōu)越性就出來(lái)了。不是說(shuō)演化計(jì)算更好，而是有相對(duì)的優(yōu)越性。」姚新談道。
其次，演化計(jì)算要在理論上有所突破。如周志華團(tuán)隊(duì)所做的努力，從理論上分析演化計(jì)算的優(yōu)越性與不足之處，從而對(duì)整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用起到指導(dǎo)性的作用。姚新自己也與合作者在演化算法計(jì)算復(fù)雜性分析方面耕耘多年，仍在繼續(xù)努力。
4、結(jié)語(yǔ)
國(guó)內(nèi)演化計(jì)算的圈子本來(lái)就狹小。
問(wèn)及當(dāng)年決定回國(guó)的原因，姚新談道：
「做學(xué)術(shù)的人總想做點(diǎn)更有影響力的工作。南方科技大學(xué)地處深圳，IT企業(yè)眾多，學(xué)校希望建設(shè)一個(gè)有特色的計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系。一張白紙總是畫(huà)起來(lái)更方便。
南科大老師說(shuō)：你的余生有兩個(gè)比較大的方向，一是繼續(xù)留在伯明翰，發(fā)論文、培養(yǎng)博士生，二是去創(chuàng)建一個(gè)新的計(jì)算機(jī)系，把你的理念傳給本科生，按你的想法做一些你在伯明翰沒(méi)那么容易做的事情。這一點(diǎn)很吸引我。
做沒(méi)有做過(guò)的事情、從本科階段就開(kāi)始培養(yǎng)學(xué)生做研究，這對(duì)姚新來(lái)說(shuō)都是前所未有的挑戰(zhàn)，而按照他的說(shuō)法，「喜歡科研的人都喜歡面對(duì)挑戰(zhàn)。」
所以，2016年，姚新選擇回國(guó)。當(dāng)年年，南科大就設(shè)立了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系，開(kāi)始招生，如今已培養(yǎng)出數(shù)批計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的本科畢業(yè)生。他一邊授課，一邊帶領(lǐng)學(xué)生從事演化計(jì)算與可信AI的科研，在演化計(jì)算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合上繼續(xù)研究。雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))
作為國(guó)內(nèi)研究演化計(jì)算的先行者之一，姚新在科研上嚴(yán)格遵循李國(guó)杰院士的四字信條——「頂天立地」。另一方面，他也十分推崇博士后導(dǎo)師Richard Brent的獨(dú)立科研精神，鼓勵(lì)年輕學(xué)者做自己感興趣的研究，獨(dú)辟蹊徑。雷鋒網(wǎng)
從上世紀(jì)90年代末起，姚新便開(kāi)始從事演化計(jì)算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合研究，遠(yuǎn)早于深度學(xué)習(xí)的興起之時(shí)，曾因此工作獲得2001年的 IEEE Donald G. Fink Prize Paper Award。那么，在深度學(xué)習(xí)如此火熱的當(dāng)下，演化計(jì)算是否還能給人工智能帶來(lái)新的啟發(fā)？亦或者，在人工智能領(lǐng)域，演化計(jì)算如何找到自己在新時(shí)代的位置？雷峰網(wǎng)
靜待2021年12月17日CNCC分論壇「演化計(jì)算的下一代發(fā)展趨勢(shì)」。
參考鏈接：
1、https://weightagnostic.github.io/papers/turing1948.pdf
2、https://wenku.baidu.com/view/13713b7ba26925c52cc5bfd0.html
3、https://www.alanzucconi.com/2016/04/06/evolutionary-coputation-1/
4、https://ti.arc.nasa.gov/m/pub-archive/1417h/1417%20(Hornby).pdf
5、https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.493.6049&rep=rep1&type=pdf
6、https://www.cnblogs.com/tsingke/p/11252203.html
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