作为新领域，本书采用了“人智交互导论”的书名，定义了其研究对象、目的、范围、方法、研究和应用重点等。将对在中国推动“以人为中心AI”和开展“人智交互”领域的研究和应用起到极大的推动作用。

我们有幸迎来了一个基于人工智能（AI）技术的智能时代。随着AI技术造福人类，人们也开始意识到不恰当地开发和使用AI会伤害人类和社会。我自20世纪80年代起从事人因科学（包括人因工程、工效学、工程心理学、人机交互、认知工程等）的研究，人因科学崇尚“以人为中心”的理念。40多年前，当人类刚进入计算机时代时，“以人为中心”理念的提倡促进了人因科学新领域（人机交互、用户体验等）从无到有的发展壮大和传统人因科学领域（人因工程、工程心理学等）的与时俱进。实践表明，倡导和实践“以人为中心”的理念在新技术的发展初期尤为重要，AI技术也不例外。相比核能和生化技术，AI技术的开发和使用是一种去中心化的全球现象，入门门槛相对较低，使得人类对AI技术的控制越加困难，其双刃剑效应对人类和社会表现得更为显著。因此，合理地开发和使用AI技术就显得尤为重要，“以人为中心人工智能”（humancentered AI，HCAI）理念也应运而生。HCAI强调在设计、开发和使用AI技术的过程中充分考虑人的需求、价值、智慧、能力、作用、隐私、公平等因素，通过有用的、可用的、负责任的、可扩展的、人类可控的AI技术，最大限度地发挥AI技术的潜能，提升人类的能力，造福人类和社会，避免伤害人类，更不能取代人类。

我自2018年开始考虑HCAI的相关问题。作为全球最早提出HCAI理念框架的学者之一，我在美国计算机学会（ACM）2019年的期刊上系统地提出了一个HCAI理念框架，该论文目前已是高被引文献。我与Ben Shneiderman教授（美国工程院院士）和Gabriel Salvendy教授（美国工程院院士）等的合作进一步加深了对HCAI的认识，我们与全球23位学者共同发表了《以人为中心人工智能的六大挑战》（Six HumanCentered AI Grand Challenges）一文（2022）。自2019年以来，我陆续提出了一些新的理论和框架，包括基于人智组队(humanAI teaming）合作的智能时代新型人机关系、人智协同认知系统(humanAI joint cognitive systems)、人智协同认知生态系统(humanAI joint cognitive ecosystems)、智能社会技术系统（intelligent sociotechnical systems）、HCAI方法论框架、智能时代的人因科学研究新范式等。

进入智能时代后，我们研究的对象已不再局限于基于传统非智能化计算技术的人机关系，AI技术带来了一系列新特征，包括智能自主化、学习和认知、机器行为演进、协同合作等特征，同时也带来了潜在的负面影响和风险的新挑战。此“机”非彼“机”，我们需要跳出固有的思维框架，采用新的思维方式和方法来充分利用AI技术新特征，从而应对AI技术带来的新挑战。基于多年的研究和思考, 我在2000年系统地提出了基于HCAI理念的“人智交互”（humanAI interaction）这一跨学科新领域。“人智交互”中的“智”是指基于AI技术的智能系统、产品、应用和服务等。在智能时代，人们在日常工作和生活中越来越多地与AI技术进行交互。2021年，相关论文也在中国人工智能学会会刊《智能系统学报》第4期发表，并引起积极反响, 我也凭借该论文获得该年度的优秀作者奖。人智交互是对现有“人机交互”（humancomputer interaction，HCI)学科领域的扩展。人智交互新领域的提出将促使人们注重AI技术的新特征和新挑战，推动HCAI理念在AI研究和应用中的贯彻实施；人智交互新领域也提供了一个跨学科合作的平台，通过优势互补，在传统思维和方法的基础上充分利用AI技术的潜能，采用创新思路和方法，共同研发以人为中心的AI技术。

有关HCAI和人智交互的研究在国际上方兴未艾，我国在这方面的研究和应用仍有待深入开展。为进一步倡导HCAI理念和人智交互在我国的研究和应用，我在2022年萌发了编写一本这方面的图书的想法。鉴于该领域的跨学科特征，由我一个人来承担这本书的编写显然是不现实的，因此由我主编并与跨学科作者合作便是最佳选择。2022年年末，我与清华大学出版社共同发布了图书征稿函，并得到了各学科专业人员的积极响应。限于篇幅，我们最终决定总共不超过37章。尽管如此，本书的页数还是远超出了一般图书的篇幅。来自28个单位的96位作者参与了本书的撰写，包括多位海外学者，他们来自人工智能/计算机、心理学、人机交互、人因工程、设计、自动控制、机械工程、制造、医学、法律等专业领域。这些作者既有从事理论和方法研究的，也有从事专项问题研究以及跨行业应用的。本书内容涉及的应用领域包括航空、航天、医疗、康复、教育、制造、自动驾驶、教育等。这样一个作者群本身就已经充分表明了HCAI和人智交互为智能时代的跨学科融合创新提供了协同合作的平台。

本书以HCAI理念为主线，从以下四部分来全面反映围绕HCAI、人智交互研究和应用的最新成果。

〖1〗〖1〗第一篇概论。本篇由我撰写。本篇阐述HCAI的框架，其中包括HCAI理念、设计目标、设计原则、实施路径、方法论；阐述提出HCAI理念的意义、实施HCAI理念的策略和行动。本篇也阐述人智交互新领域的框架，其中包括研究对象、范围、意义、方法、流程以及研究范式取向。基于这些内容，本书从以下三方面系统介绍最新的研究和应用成果。

第二篇理论与方法。基于HCAI理念，本篇收集了人智交互研究的基本理论和方法，这些基本理论和方法融合了AI/计算机、心理学、人因工程、人机交互、设计、伦理与法律等领域的研究，为开展人智交互研究和应用提供了理论及方法论基础。

第三篇专题研究。作为一个新领域，人智交互必然需要对一些重要问题展开深入研究，为全面开展人智交互研究提供参考。本篇收集了围绕HCAI理念和人智交互领域的一系列专题研究成果。

第四篇行业应用。人智交互研究必须展示其社会应用价值,从而进一步推动HCAI理念的实施和人智交互领域的研究。本篇收集了来自航空、航天、交通、医疗、康复、教育、制造等行业的应用成果，体现了实施HCAI理念、开展人智交互研究和应用的社会价值。

本书具有以下特点:

 创新性。作为第一部学术专著详细阐述了HCAI新理念和方法，并提出了人智交互的跨学科新领域，所提出的一系列理论和方法具有原创性，有助于指导今后进一步开展这方面的研究和应用。

 系统性。融合跨学科理论和方法，全面呈现了从中心理念到基本理论与方法、专题研究以及行业应用的成果，提供了一个系统化的领域体系架构，有助于全面了解HCAI和人智交互的理念、方法、技术和应用。

 应用性。基于理论与方法、专题研究、行业应用三篇的内容，本书为读者呈现了HCAI和人智交互的一些初步应用成果，有助于指导HCAI理念的实施和开展人智交互应用研究，从而展示其社会价值。

 时效性。AI技术的研究和应用目前如火如荼,同时潜在的负面影响也引起人们越来越多的关注。本书的出版有助于为优化AI技术研究和应用提供新的思路和方法，有助于为开展这方面的工作提供指导。

作为主编，我在图书征稿函中首先提出了本书的主题、架构、章节题目；在章节提纲编写阶段初审、复审了作者提出的章节提纲；在内容编写阶段初审、复审了章节初稿。另外，每章均经过了至少两位同行的评审，最终的统稿工作由我负责审定。此过程虽然费时费力，有些章节还几易其稿，但这是一个主编与各章作者通过观念碰撞、互相学习最终达成共识的跨学科协同合作过程，从而保证了各章内容紧扣主题及其学术质量。

本书的出版离不开大家的帮助和支持。我首先要感谢所有作者，没有他们的努力，就没有本书。感谢中国科学院院士、浙江大学心理科学研究中心主任麻生明教授、浙江大学葛列众教授和高在峰教授对本书写作的鼓励和支持。感谢以下专家在选题、组稿或撰写等方面的支持: 青海大学校长、清华大学史元春教授；中国科学院软件研究所原总工程师戴国忠研究员；中国科学院心理研究所原所长傅小兰研究员；中国科学院心理研究所党委书记孙向红研究员；中国工程院院士、浙江大学杨华勇教授；中国航天员中心航天员系统副总设计师王春慧研究员；哈尔滨工程大学副校长於志文教授；欧洲人文和自然科学院外籍院士、哈尔滨工业大学刘洪海教授；中国科学院自动化研究所原副所长王飞跃研究员；日本工程院院士、日本高知工科大学任向实教授等。感谢史元春教授为本书撰写的推荐序。感谢以下专家的推荐语: 美国国家工程院院士、Purdue大学Gavriel Salvendy教授；傅小兰教授；任向实教授；中国人类工效学会理事长、东北大学郭伏教授。

我还要感谢近80位审稿专家，他们的审稿意见保证了本书内容的学术质量。我要特别感谢本书的责任编辑郭赛，一年多前，当我提出本书的构想时，立刻获得了郭编辑的积极响应，没有他的努力，本书不可能出版。还要感谢清华大学出版社的编辑团队，是他们的辛勤工作保证了本书的质量。感谢我的科研助理朱田牧在同行评审、封面图案设计、校对等方面的工作。

在这里，我还要感谢我的导师——浙江大学教授、中国人因科学早期开拓者朱祖祥先生。40年前，朱先生有意招收工科本科生作为他的工程心理学研究生，我有幸成为他的第一批研究生，从此，朱先生为我打开了一辈子要去追求的大门。感谢我的博士生导师——美国人因与工效学会（HFES）前主席、美国迈阿密大学Marvin Dainoff教授，他为我打开了另一扇大门。

我也想在这里感谢我的家人，感谢他们几十年来对我一如既往的爱和支持。

最后，HCAI和人智交互研究及应用尚处于起步阶段，本书提出的一些理论、技术、方法等还不成熟，对于一些关键研究题目，本书仅仅提出了问题，仍有待于今后的研究。AI技术的发展日新月异，本书大部分章节均在大半年以前完成，因此内容可能没有涉及一些新出现的问题，希望读者提出宝贵意见。作为一个新的理念和方法，HCAI和人智交互本身也需要不断提升。我希望本书能够起到抛砖引玉的作用，推动我国这方面工作的开展。进入智能时代后，只要我们持之以恒的努力，“以人为中心人工智能”理念在全社会深入人心的那一天同样也会到来。

许为

2024年4月

第一篇概论

第1章“以人为中心人工智能”新理念3

1.1引言3

1.2AI的双刃剑效应4

1.3“以人为中心人工智能”理念5

1.3.1AI发展的“人的因素”

新特征5

1.3.2“以人为中心人工智能”的框架:

理念、目标和实施路径7

1.3.3“以人为中心人工智能”的设计

原则14

1.3.4“以人为中心人工智能”的方

法论16

1.4“以人为中心人工智能”理念

的意义17

1.5“以人为中心人工智能”理念

的实施21

1.5.1分层式HCAI实施策略22

1.5.2跨层面的实施策略23

1.5.3跨行业的实施行动25

1.6本书的贡献和架构27

参考文献28第2章“人智交互”跨学科新领域31

2.1引言31

2.2人智能系统交互的新特征31

2.2.1人智能系统交互与传统

人机交互的对比31

2.2.2AI带来的新型人机关系

——人智组队33

2.2.3跨学科协同合作的必然性34

2.3人智交互新领域36

2.3.1“人智交互”新领域的

提出36

2.3.2人智交互领域框架: 理念、

关键问题、范围及方法37

2.3.3提出“人智交互”新领域

的意义38

2.4人智交互领域框架详述39

2.4.1基本理论与关键问题39

2.4.2跨学科方法42

2.4.3跨AI全生命周期的流程43

2.4.4跨学科团队47

2.5人智交互研究的范式取向48

2.5.1人智协同认知系统的

研究范式取向49

2.5.2人智协同认知生态系统的

研究范式取向51

2.5.3智能社会技术系统的

研究范式取向52

2.5.4人智交互研究范式取向

的意义54

2.6总结与展望57

参考文献57

第二篇理论与方法

第3章人类认知和行为的计算建模63

3.1引言63

3.2认知和行为计算建模的两种

思路64

3.3认知和行为计算建模流程和

模型选择65

3.4基础认知与行为过程的计算

建模69

3.4.1视知觉中的计算建模69

3.4.2规则表征和推理72

3.4.3语言和概念表征73

3.4.4记忆和学习机制73

3.5社会认知与行为过程的计算

建模74

3.6总结79

参考文献80第4章人机融合智能83

4.1人机融合智能研究83

4.1.1人机融合智能概述83

4.1.2人机融合智能的关键

——人87

4.1.3人机融合智能中机的

自主性91

4.2人机融合智能的应用92

4.2.1基于人机融合的智控

辅助决策92

4.2.2ChatGPT: 人机融合智

能的初级产品95

4.3人机融合智能展望97

4.3.1人机环境系统97

4.3.2人机融合智能趋势预测98

参考文献100第5章数据与知识双驱动式人工智能102

5.1引言102

5.2数据驱动的人工智能103

5.2.1关键技术103

5.2.2数据驱动的人工智能应用

现状与挑战109

5.3知识驱动的人工智能110

5.3.1关键技术111

5.3.2知识驱动的人工智能应用

现状与挑战114

5.4数据知识双驱动的人工智能116

5.4.1纯数据驱动的人工智能系统

的局限性和挑战116

5.4.2数据和知识双驱动的人工智

能技术优势及典型应用117

5.4.3数据驱动和知识驱动的人工智能

的融合方法及发展趋势119

5.5总结123

参考文献123第6章以人为中心的感知计算128

6.1引言128

6.2以人为中心的感知模型129

6.3传统智能感知计算130

6.4群智感知计算132

6.5人机协作感知计算134

6.6关键技术136

6.7总结及展望140

参考文献141第7章多通道人机协同感知与决策147

7.1引言147

7.2多通道信息融合的人机协同

感知148

7.3面向人机协同的交互学习154

7.3.1小样本信息处理与融合155

7.3.2模仿学习（imitation

learning）156

7.3.3发展趋势和挑战158

7.4面向任务的人机协同决策与

验证159

7.4.1面向人机协同的智能体

决策与规划159

7.4.2虚实融合的人机协同

决策与验证161

7.5总结和展望162

参考文献163第8章以人为中心的可解释人工智能168

8.1人工智能可解释性168

8.2AI解释方法170

8.3AI生命周期和可解释AI172

8.4以人为中心的可解释模型框架174

8.5应用案例175

8.6讨论180

8.7总结181

参考文献181第9章以人为中心的社会计算186

9.1以人为中心的社会计算概述186

9.2以人为中心社会计算的基本

方法187

9.2.1以人为中心的平行系统187

9.2.2虚拟人口合成189

9.2.3用户个体的认知决策建模192

9.2.4基于因果推断的用户

行为计算实验195

9.2.5社会计算的加速技术198

9.3社会计算的应用案例199

9.3.1以人为中心的城市交通

出行诱导199

9.3.2以人为中心的社会情境

安全202

9.4总结与展望203

参考文献204第10章人智交互的工程心理学问题

及其方法论208

10.1引言208

10.2智能时代的工程心理学研究

对象209

10.2.1智能作为隐藏在幕后的

服务提供者209

10.2.2人在明确智能体身份的情况

下与其进行低卷入的互动210

10.2.3人与智能体组队211

10.2.4人接受智能体的管理212

10.3经典工程心理学方法在智能

时代的新应用213

10.4新涌现的研究方法216

10.5新的设计思路218

10.6总结与展望221

参考文献222第11章人智组队式协同合作的研究

范式取向228

11.1人智组队的由来与含义228

11.2人智组队的研究方法232

11.3人智组队的研究内容234

11.3.1行为层234

11.3.2认知层236

11.3.3社会认知层238

11.4应用分析: 以自动驾驶为例240

11.5总结与展望241

参考文献242第12章人智交互中的人类状态识别247

12.1引言247

12.2生理计算250

12.3情感计算255

12.4交互意图理解263

12.5总结与展望267

参考文献268第13章人智交互的心理模型与设计

范式274

13.1引言274

13.2传统人机交互模型275

13.3智能时代的人智交互模型280

13.4传统人机交互设计范式287

13.5人智交互的新范式与新思路292

13.6展望298

13.7总结300

参考文献300第14章人智交互的神经人因学方法304

14.1引言304

14.2内源性智能系统305

14.3面向认知的智能系统308

14.4智能可穿戴、可移动技术311

14.5外源性智能系统314

14.6总结与展望317

参考文献318第15章人智交互中的机器行为设计

与管理322

15.1引言322

15.2从人的行为到AI系统机器

行为323

15.2.1行为科学与机器行为323

15.2.2人的智能与机器智能325

15.2.3设计、工程与智能机器

行为研究327

15.3智能机器行为模型330

15.4机器行为的发展332

15.5人智交互行为337

15.5.1人智融合——人与AI

系统的相互作用337

15.5.2人机协作339

15.5.3主动交互340

15.6指导原则与设计指南: 如何有效

管理机器行为343

15.6.1智能机器进化对人类的影响:

不可预知的行为结果343

15.6.2指导原则与设计指南343

15.7总结与展望347

参考文献348第16章人智交互语境下的设计新模态350