凝练科学问题案例：面向软件开发的群体智能调控机理

　　科研选题是科学技术工作第一步是要解决的问题。国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）格外的重视科学问题凝练工作，先后实施了明确资助导向、完善面向科学前沿和国家重大需求的科学问题凝练机制等一系列改革举措。为了通过总结和宣传我国科学家凝练科学问题的成功经验，从理念和方法上给科研人员以启迪和信心，引导科技界更加自觉地探索和运用科学方法不断的提高凝练科学问题的能力和水平，自然科学基金委组织并且开展凝练科学问题案例编写工作。

　　案例以科研人员发现问题、凝练方向、奋勇攀登的心路历程为主线，由自然科学基金委各科学部工作人员依据科研人员工作实践调研总结形成，并通过小同行审读、大同行评阅的方式，逐步提升科学性和可读性，形成了（本书编写组. 北京：科学出版社，2023.01），收入81个案例。以下是案例之一，供参考。

　　互联网为人类个体之间的交互和协作提供了一种全新的基础设施，促进了以开源软件、众包软件、应用程序商店为代表的新型社会化、群体化软件开发实践的出现与持续发展，给软件开发方法的创新发展带来了新的机遇。如何认识并有效利用成功的互联网软件开发实践背后蕴含的规律和机理，发展形成互联网环境下的新型软件开发方法，进一步提升软件开发活动的规模、质量及效率，成为一个具备极其重大价值的挑战性问题。能否有效利用互联网群体的智慧和能力进行软件的开发，也已成为互联网环境下国家科学技术实力和软实力的重要标志。

　　成功的互联网软件开发实践突破了传统软件开发的管理瓶颈，展现出良好的开发者群体规模可扩展性。通过对比传统软件开发与互联网软件开发，不难发现，两者之间的关键差别在于如何对开发者群体来管理或组织：传统软件开发主要是采用传统的层级式集中管理方式；互联网软件开发则采用基于互联网的去中心化程度更高的组织方式。

　　互联网在催生新的软件开发模式的同时，也催生了许多新的群体智能（collective intelligence）现象。互联网突破了物理空间对群体聚集的时空约束，为群体智能的涌现提供了跨时空的高扩展性互联网空间。这些针对不一样领域问题的互联网群体智能现象体现出鲜明的共性特点：基于互联网的开放的大规模人类群体，通过个体之间的直接或间接交互以及大量个体行为的汇聚融合，涌现出针对特定问题的有效解决方案。同时，能够正常的看到，成功的互联网软件开发实践也在某些特定的程度上呈现出上述特点。但由于软件开发是一种典型的社会-技术协同演化进程，具有高度复杂性，目前成功的互联网软件开发实践仍然处于群体智能的原始形态。

　　这些互联网群体智能现象，展现了面向人类群体、通过群体智能解决现实问题的可能性，并引发了一个更深层次的问题：群体智能现象背后是不是真的存在一般性的基础原理，使得人们能利用这种基础原理设计出更高效的人工群体智能（artificial collective intelligence）系统，从而为那些人类目前还无法求解或无法有效求解的问题找到新的求解途径。特别地，能否构造面向软件开发问题的人工群体智能系统，有效克服软件开发对个体开发者存在的本质性困难。其中蕴含的一个核心科学问题是“面向软件开发的群体智能调控机理”。

　　解决本科学问题面临三方面的困难。一是群体智能现象的复杂性。现有研究主要从自然科学的方面出发，关注对物理空间中的低等生物群体智能现象的观察与解释，还未能充分揭示群体智能的一般性规律和机理，更没办法实现人工群体智能系统的可控构造。二是软件及软件开发活动的复杂性。与物理制品的生产相比，软件开发具有复杂性、一致性、易变性和不可见性等四种本质性困难。软件工程等学科经过几十年的发展，仍旧没办法彻底克服软件开发的本质性困难。三是群体智能与软件开发相结合的复杂性。软件具有复杂的逻辑结构，采用群体智能方式对软件进行构造所面临的特殊性是什么，如何基于这种特殊性对群体智能的一般性原理进行定制和扩展？对这些问题，当前的研究和实践还缺乏系统深入的认识。

　　解决“面向软件开发的群体智能调控机理”这一问题的突破点在于如何理解群体智能这一基本概念。对于群体智能的研究和实践存在两个不同的路径：一是对物理空间群体智能现象的研究，主要从自然科学的方面出发，关注如何对已发生的群体智能现象进行解释与分析，探寻其中的规律和机理；二是对互联网空间群体智能系统的实践，主要从技术应用的方面出发，关注如何针对特定的问题求解，构造出能够汇聚众多个体智能的群体智能系统。如何将群体智能的解释性研究与构造性实践进行有机融合，是认识群体智能一般性原理的突破点。

　　基于上述认识，首先做出同构性假设，即物理空间与互联网空间中的群体智能现象之间有同构性；然后，通过对两种空间中典型群体智能现象进行解构分析，识别其共性特点；进而考察某一空间中的共性特点在另一空间中的存在形式；以此来实现“物理空间群体智能现象的解释性理论”与“互联网空间群体智能系统的构造性实践”间的相互启发和有机融合，为探索面向软件开发的群体智能调控机理构建清晰的概念框架。

　　本科学问题及其研究过程的创新性体现在三个方面。第一，创新视角。从群体智能的视角观察软件开发活动，为理解互联网环境下的新型软件开发实践提供了重要理论基础，进而定位到“面向软件开发的群体智能调控机理”这一关键科学问题。第二，创新思路。从同构性假设出发，尝试为物理空间中的自然群体智能现象与互联网空间中的人造群体智能系统建立统一的框架模型，进而在群体智能的解释性理论与构造性实践之间建立相互连通与反馈的桥梁。第三，创新实践。以一种统一的群体智能框架模型为指导，针对软件开发、知识图谱构造、群体形状控制等问题开展了构造人工群体智能系统的探索性实践。

　　一是探索应对软件开发本质性困难的创新方案。1987年，软件工程领域著名学者Frederick Brooks指出软件开发面临的四种本质性困难（复杂性、一致性、易变性和不可见性），进而断言在未来10年内，不会出现一种单一的技术或管理方法，能够使软件的生产效率、可靠性或易理解性得到数量级的提升。目前看来，软件开发的本质性困难仍将长期存在。面向软件开发的群体智能调控机理的研究是对“在互联网环境下解决软件开发面临的本质性困难，提供创新性解决方案”的一种有益尝试，也是极具潜力的可行途径。

　　二是为构造求解其他复杂问题的人工群体智能系统提供参考。明确群体智能的内涵及调控机理，对如何构造求解特定问题的人工群体智能系统提供了可供借鉴的理论与技术框架。

　　三是探索互联网环境下人类群体的新型组织方式。2005年，Science列出了125个科学问题，其中，第16个问题是“合作行为如何演化”（How did cooperative behavior evolve）。2021年，Science联合上海交通大学发布了新版125个科学问题，其中“群体智能如何涌现”（How does group intelligence emerge）被列为AI领域8个重大科学问题之一。群体智能调控机理研究的直接目的是确保群体智能的可控涌现，从而使得人工群体智能系统具有基本的可构造性，为支撑人类在互联网空间中的群体合作创新活动提供一种可行途径。

　　人类社会的本质是一个巨大的复杂自适应系统，大量具有自适应能力的个体，通过相互交流和微观决策，使得整个宏观系统快速地非线性演化，进而具备了一种系统层面上的智能，即群体智能。在软件开发行业，当下，GitHub慢慢的变成了全球7300万开发者的协作利器，Python和R语言的成功更是源于活跃的社区用户参与。如何激励网络上广大开发者群体参与到软件开发过程中，逐步提升软件开发的规模、质量和效率，是一个关键的科学问题，对提升国家科学技术实力和软实力有重要意义。该案例在探索科学问题的过程中，敏锐地发现了当前互联网时代软件开发的去中心化群体协作趋势和群体智能涌现的现象，并指出软件开发实践仍处于群体智能的原始状态，从中凝练出对未来行业发展有指导意义的研究问题，即“面向软件开发的群体智能调控机理”。案例提出的研究思路视角新颖，对于新兴的互联网软件开发群体行为，从同构性假设出发观察物理空间的自然群体智能现象和互联网空间的人造群体智能系统，尝试建立起关联二者的统一理论模型，不但可以为软件开发的群体行为提供可解释性，且能为未来更广泛的去中心化软件开发提供指导，支撑人类在互联网空间上的群体合作活动，以实现群体智能的可控涌现。

　　本文来源“国家自然科学基金委员会”微信公众号，内容节选自《凝练科学问题案例》（本书编写组. 北京：科学出版社，2023.01）一书。

　　为引导科研人员围绕“四个面向”凝练科学问题，提升科研选题质量，国家自然科学基金委员会组织编写了本书。全书以科学基金资助创新实践为基础，以“鼓励探索，突出原创；聚焦前沿，独辟蹊径；需求牵引，突破瓶颈；共性导向，交叉融通”四类科学问题属性为框架，以科研人员发现问题、凝练方向、勇于探索的心路历程为主线，以学术同行的点评和管理人员的观察为视角，汇集科技界各方智慧，形成了凝练科学问题案例共81个，为科研人员凝练科学问题提供参考。