吴奖人物丨攻关无线智能自组织网络关键技术难题——访清华大学电子工程系复杂工程系统实验室主任任勇

任勇，男，1963年5月出生，博士，教授，博士生导师，现担任清华大学电子工程系复杂工程系统实验室（CESL）主任，清华大学天津高端院海洋信息与智能装备研究所所长，中国人工智能学会智能系统工程专业委员会副理事长，中国人工智能学会智能产品与产业工作委员会副主任，IEEE高级会员。任勇教授主要从事复杂系统科学理论与网络化信息系统相关基础研究和工程应用，曾主持国家自然科学基金、大企业基金、863、973、军口、国际合作、企业合作等科研项目共计50余项，发表学术论文200余篇，其中SCI检索130余篇，累计引用2300余次，他引1800余次，出版专著3部，申请发明专利60余项。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项，清华大学优秀教学成果一等奖1项、二等奖1项，清华大学科技成果转化效益显著奖2项。2018年，凭借“无线智能自组织网络关键技术及应用”项目成果，获得第八届吴文俊人工智能技术发明奖一等奖。

1980年9月到1994年12月期间，任勇在哈尔滨工业大学通信专业、雷达专业学习，师从张乃通院士、刘永坦院士，1987年7月到1990年8月期间留校任教。1995年1月到1997年4月，清华大学电机系博士后，从事电力系统通信与控制研究及工程应用，合作导师韩英铎院士。1997年5月在清华大学电子系工作至今，2003年创建复杂工程系统实验室（CESL），担任主任至今。

任勇教授是复杂网络领域的知名学者，多年来一直从事复杂网络领域的研究工作，在复杂信息网络行为、机理与控制方法研究方面取得了突出成绩，其中部分实用化技术已申请专利。

目前，以蜂窝网为主体的公网在基础设施建设、信息服务等方面都趋于成熟，然而，针对城市特种行业和应用的专用网络发展欠缺，其业务又无法在公网LTE技术体制上承载，急需在技术和体制源头创新。任勇教授和他的研究团队一起，在长达9年的时间内，围绕无线智能自组织网络关键技术及难题展开研究，通过持续不断的探索攻关，取得了系列创新成果。在无线智能自组织网络拓扑控制、传输调度与信道分配、协作分集技术等方面取得创新成果，为提高自组织网络传输性能奠定了关键理论和技术基础；研制开发的智能自组织网络节点等硬件设备、小型城镇气象预报与自助信息服务系统等平台均达到或超过目前国际主流气象信息服务系统，并得到积极的社会推广和应用，创造了可观的经济效益和社会效益。

任勇：众所周知，以蜂窝网为主体的公网在基础设施、信息服务等方面都趋于成熟。5G网络、物联网的普及也指日可待。但是，类似无线自组网这样的专用网络，在军事应用、应急通信、局域群体智能组网、恶劣干扰环境或者基础设施缺失、遭破坏的区域，仍然具有不可替代的重要作用。构建无线智能自组织网络，以满足智慧城市建设以及多种特殊应用场景的需求，需要在体制和技术上进行源头创新。这一研究方向于国于民都有着非常重要的价值，也是未来不可或缺的技术。

任勇：我们主要解决了三个核心难题：

第一，节点移动、供能、储能方式不同，导致网络拓扑动态变化、甚至中断。所以第一个难题就是要解决因节点动态性，以及节点异常，导致的网络分割和无法联通的问题；

第二，无线自组织网络完全自主，没有核心节点进行统一资源分配。因此，需要解决碰撞冲突、节点互扰导致低效传输的问题；

第三，移动节点体积小、储能少、通信能力有限，难以对抗复杂强干扰环境。因此，需要解决节点能力受限、链路不稳定，以及多天线技术不适用的难题。

本项目研制的系统及设备已成功应用于智慧城市的多个领域：基于所提出的协作分集技术研制的网络传输设备已应用于一些部队和地方网络系统；自主研发的自组织网络监测节点设备在北京奥运主场馆“鸟巢”钢结构施工中首次实现大规模复杂建筑温度和应力全程监测，保障其顺利提前完工；自主研发的气象服务系统被芬兰国家气象部门、黑龙江环保部门应用于智慧城市传感网，使空气质量及区域气象预报准确率有较大提高；自主研发的汽车胎压监测网络应用于一汽汽车产品，带来可观经济效益。

任勇：人工智能研究起源于1956年美国达特茅斯夏季学术研讨会，至今已60余年，期间经历过乐观兴奋期，也跌入过悲观低谷期，其中的科学发现和技术发明在更替迭代中得到演进和发展。最近几年，在美国学术界和产业界的引领下，国内也不断跟进，在诸如语音、图形图像等应用技术领域，以及数据科学与技术、云服务等下游信息系统中，智能化应用越来越多。很多技术顶着人工智能的帽子走出实验室、走进人类生产生活。人工智能进入一个前所未有的创新驱动发展阶段。

科学支撑技术，技术催生新模式应用，应用的普及形成产业，其中新兴产业占比将不断提高。几十年前，我们说信息化支撑现代化，今天我们可以说，信息化+智能化将带来众多领域新一轮产业革命。然而，我们应该明白，人工智能并非万能，机器可以不断地改变人类的生产、生活和生态，但机器主宰人类社会、甚至取代人的时代永远不会到来，而机器智能将毁灭人类生存空间之类耸人听闻的臆想，也终将是一场天方夜谭。

同时，我们也不得不承认，人类对客观世界（包括自身）的认识和利用程度不足十分之一；人工智能究竟能带来多少提升尚不得而知，还需要科技工作者继续努力探索。

任勇：我们是复杂工程系统实验室（CESL, Complex Engineered Systems Lab），实验室成立于2003年，第二个词体现了应用驱动，研究对象是网络——自然（无人）、社会（有人）、人造系统，目前主要是网络化复杂信息系统及其群体智能，研究其行为、机理、控制、评价中的科学、技术与工程问题，对应于信息的获取（感知）、传输、融合、推理、决策、反馈。

团队的骨干成员有姜春晓、王剑、杜军、王景璟等。姜春晓是中国科协青年人才托举工程入选者，王剑曾获吴文俊科学技术奖一等奖，杜军曾获得清华大学优秀博士论文一等奖（每届每系仅1人），王景璟曾获博士生国家奖学金、IEEE绿色通信与计算技术委员会最佳期刊论文奖。

任勇：人材成为人才，在于营造环境，其实很简单——目标+自由，所以我基本上同意“人才不是培养出来的”这种说法。我这样说正是遵循了复杂系统的基本原理——世界是物质的，物质是运动的，运动的物质之间通过非线性作用产生“涌现”，这是自然规律。一个科研团队本身可以看作是一个开放系统，团队的负责人应该做的就是营造环境，让每个成员、博士硕士研究生乃至大三就进入实验室的本科学生，都不断地“进化”，达到不用扬鞭自奋蹄的境界。当然，有统一的大环境、大目标，也要根据不同成员的能力、特长设立相应的小环境、小目标。在导师看来，学生做了“好事”、做了“错事”，都是系统演化过程中的常规范式。同时，我也鼓励团队成员要具有健全人格、创新思维和全球视野；要肩负使命、追求卓越、回报社会。希望他们每个人能够自己摸索，并在实践中不断感悟、升华。我个人认为这才是可持续发展的主流途径。

高校和科研院所需要多模式共存、发散思维、不拘一格的人材培养环境，不应该人为制造杰出人才和一般人材的划分标准，百花齐放才是春天。在这一方面，我相信中国社会正在往好的方向走！路漫漫其修远兮，大家共同来探索。

任勇：获奖内容涉及到几乎被遗忘的无线智能自组网领域，这在陆地移动互联网和物联网的普及所面临的万物互联网络架构变革时代，显得更有意义。未来以信息为主线的网络会呈现什么样的模态，需要不断地研究、探索和实验，并在一定规模的应用中加以验证，反复迭代、优化和提升。获奖仅仅是对我们研究成果阶段性肯定，同时也把我们推上了探索未来网络新架构、新技术的新的征程。毫无疑问，我们更有信心，在未来的科研、教学和项目应用中，继续保持务实求真的作风、扎实严谨的学风，研究和解决未来网络中的科学问题和技术难题，争取能够发现认知网络内生机理的本质规律，争取能够发明提升网络整体和随需局域效能的关键技术，并进一步探索科研体制机制影响经济社会发展的学研产用新模式。

任勇：获奖是对我们团队十几年来在智能自组网方面研究工作的肯定，同时也感谢学校和院系领导给老师和学生创造的良好环境，感谢同仁们的支持和帮助。我们将继续努力，畅游智能网联系统领域的蓝海，在未来全域网络领域继续开拓、耕耘，取得更大成绩。

以蜂窝网为主体的公网在基础设施、信息服务等方面都趋于成熟。然而，针对城市特种行业和应用的专用网络（如气象环境网、建筑监测网、车联网等）发展欠缺，其业务又无法在公网LTE技术体制上承载，急需在技术和体制上源头创新。与公网以固定基站形成固定蜂窝形态的组网方式不同，专网以无固定中心节点、无固定拓扑的自组织方式组网，构建无线智能自组织网络满足智慧城市发展的重大需求，目前尚属空白。

发展无线智能自组织网络技术面临不规则组网核心难题：①节点运动且能量差异大，拓扑难以维持；②网络无中心节点统一分配传输资源，干扰严重；③节点通信能力受限，难以对抗复杂恶劣通信环境。本项目依托国家自然基金、科技部国际合作项目等支持，开展了无线网络拓扑控制、传输调度、协作分集等关键技术研究，创建了无线智能自组织网络技术体制，成功研制了自组织网络节点设备、移动网关、协议栈及软件开发套件SDK等，开发了小型城镇气象预报与自助信息服务系统（简称气象服务系统）、城市建筑监测系统及汽车胎压监测网络等，成体系实现突破。主要技术发明点如下：

1．针对无线自组织网络拓扑难以维持的难题，发明了基于区域容错性的中心式和完全局部式拓扑控制方法，解决了节点失效导致网络分割、无法正常通信的难题，使相同容错能力条件下网络平均传输半径降低30%，拓扑鲁棒性大幅提升。

2．针对无线自组织网络无中心式管理、干扰严重问题，发明了基于空间分割的传输调度方法，建立了多干扰源的干扰模型及完全物理干扰模型，使用地图染色思想，实现无冲突传输的信道分配，网络吞吐量比传统方法提高40%。

3．针对网络节点通信能力弱难以部署复杂多天线对抗衰落的难题，发明了自组织网络选择协作方法和多跳分集方法，设计了兼顾公平性及最优性能的中继节点选择协作机制，使多跳场景下网络平均能耗比基于能量等传统协作方法降低50%。

本项目提出的无线智能自组织网络拓扑控制、资源调度、协作分集新方法与传统技术相比，使网络传输性能显著提升；研发的气象服务系统实现小范围区域短时临近天气预报及决策信息在部署区域的实时覆盖，信息刷新周期分钟级（中国气象局与芬兰气象研究所预报网络为小时级），时效性满足服务需求。

本项目研制的系统及设备已用于多领域智慧城市应用：提出的协作分集技术已应用于部队和地方网络系统使用的网络传输设备；自主研发的自组织网络节点设备在北京奥运主场馆“鸟巢”钢结构施工中首次实现大规模复杂建筑温度和应力全程监测，保障其顺利完工；自主研发的气象服务系统被黑龙江环境科学院应用于智慧城市城域传感运营网建设，使空气质量及区域气象预报准确率分别提高15%和10%；自主研发的汽车胎压监测网络应用于一汽大众主流汽车产品，稳定可靠，带来可观经济效益，推广应用前景广阔。

任勇：人工智能重点在智，体现在能；希望在人机协作的数据科学指引下，深入认知生物智能的机理机制，在本世纪末之前进入仿生智能的高级阶段。