实时智能,人机交互以信息化手段打造智慧未来

庞贝 高玉梅

王宏安，博士，ACM/IEEE会员，中国科学院软件研究所研究员、博士生导师，主要研究方向为实时智能技术和实时信息可视化。现任中国科学院软件研究所人机交互技术与智能信息处理实验室主任。从1997年开始一直从事实时智能技术的研究，提出了一种基于分布式控制的负载均衡实时调度算法，解决了负载迁移导致的系统负载震荡问题。

2001年至今先后主持完成了国家“十五”863/CIMS重点招标课题“实时数据库及监控系统”及其滚动课题“实时数据库智能监控平台”，以及国家“十一五”863计划先进制造领域目标导向课题“面向全流程多尺度的流程企业综合自动化集成应用平台”，成功研发了国内第一套完全自主知识产权的大型分布式实时数据库系统Agilor。

2007年8月起兼任中国石化生产执行系统研发的总设计师，带领联合研发团队成功地设计开发了中石化生产执行系统SMESv3.0。

近年来荣获国家科技进步二等奖1项，中国科学院科技进步一等奖1项以及中国石化科技进步一等奖1项；拥有国家技术发明专利2项，在相关主流国际会议上发表高水平学术论文70余篇。

2008年，在美国纽约召开的外国关系理事会上，信息技术领域巨头IBM以《智慧地球：下一代领导人议程》为题，正式提出“智慧地球”的概念。应该说，IBM描绘的以“物联网”和“互联网”为主要运行载体的“智慧地球”，从某种程度上看，是对当前世界所面临的许多重大问题的一种积极的解决方案。

业内人士指出，“智慧地球”理念的提出，能为IT产业带来新的希望，能够使信息技术渗透到社会的各个角落。信息技术的广泛应用，也可带动人们生活和生产方式的改变。智慧城市、智慧企业、智慧电网、智慧医疗等，正在成为描绘未来世界的蓝本。

其实，我国科学家和世界各国的信息技术精英一样，早在“智慧地球”的概念提出之前，就已经在打造这一智慧未来。“智慧地球”理念所涵盖的传感器技术、网络技术、智能信息处理等技术，我国均已具备一定研发基础和产业化能力。

王宏安，中国科学院软件研究所人机交互技术与智能信息处理实验室主任，与他的团队一直致力于实时智能与人机交互的研究，通俗意义上来说，即如何智能化生产，如何智慧化生活。

实时智能：打造智能工厂

“智慧地球”通过新一代信息技术改变人们交互的方式，提高实时信息处理能力及感应或响应速度，增强业务弹性和连续性，促进社会各项事业的全面和谐发展。同时，随着智能技术快速发展和应用，智慧的概念逐渐延伸至各个领域，如智能电网、现代物流、智能交通、智慧安防、环境监测等。

智能技术是用机器来模拟人的外在认识及思想行为的技术总称，核心是用计算机来模拟人在各个过程中的智力活动（如分析、推理、判断、构思和决策），从而扩大、延伸和部分替代人类的脑力劳动，实现知识密集型生产和决策自动化。

实时要求与智能技术的结合导致了实时智能技术的出现，扩展了传统实时技术领域。其内涵包括：

以功能自动化和决策支持为目标；

更多关注实时信息的分析、知识或规律的发现以及快速的决策反应等；

实质是用实时智能技术取代传统的某些需要人工判别和决断的实时任务，达到最优化。

王宏安对此形象地描述：“在这一瞬间下雨了，你现在拿到伞，和你一个小时之后拿到伞的效果肯定截然不同。”“过去人们解决问题不考虑时间限制，但是有的事情和时间约束是密切相关的。实时智能，我们关注的是怎样把时间约束放到智能算法里面去。实时智能的核心问题是怎样在具有时间约束的情况下用人工智能方法解决复杂问题。”

从“九五”开始，王宏安及其团队就开始在实时信息处理上倾注心血。他们成功研发了国内第一套完全自主知识产权的大型分布式实时数据库系统Agilor。该系统不仅能够实时采集来自不同控制系统或传感器网络的实时数据，而且支持远程实时数据压缩与传输服务，具有海量实时、历史数据的压缩、存储与解压、查询等功能，同时具备实时事件报警、过程事故跟踪等功能，每秒能够处理20000个数据更新事务和完成5000条主动规则推理。在石化、电力、冶金、航天、电信等行业200多家大中型企业得到成功应用，受到了用户的一致好评，实现了与国外主流实时数据库系统产品同台竞争，打破了国外实时数据库系统产品在国内的垄断格局。

在这之后，他们开始了与中国石化等单位合力打造“石化智能工厂”的征程。

石化智能工厂是为满足我国石化企业从总部至下属企业及工厂智能化的发展需求，面向石化产品的全产业链环节，综合采用先进制造技术、智能信息技术和高效辅助决策机制为企业服务的新型生产运营模式，以实现复杂环境下石化生产运营的高效、节能和可持续发展，其主要特征包括泛在感知、高度集成、模型驱动、自治能力和人机协同。在中国石化的鼎力配合与支持下，他们将研发团队与业务部门进行捆绑，从企业生产的实际需求出发，针对应用进行技术架构设计，于“十五”和“十一五”期间，在科技部重点支持下，成功研发了面向大型流程企业并具有自主知识产权的工业软件SMES。

SMES研发团队汇集了中国石化、中科院软件所、浙江大学等单位，打破了国外技术垄断，取得了基于工厂模型的可配置体系结构、多层递阶物料平衡算法、事件驱动的操作过程管理与智能报警等多项创新成果。SMES现已成功应用于中国石化燕山、天津、茂名等多家特大型炼化一体化企业，并获中国石化科技进步一等奖（部级），列为中国石化“十一五”重点推广项目。

据实验室成员刘伟博士介绍，目前这一软件已经成功应用于中国石化近七成炼油厂，并在“十二五”期间获得进一步推广。

人机交互：如何智慧生活

Iphone是当下备受推崇的数码新宠，在谈到人机交互时，中国科学院软件研究所研究员田丰，首先就提到了它。

在田丰看来，iphone的热销，除了硬件系统过硬之外，更在于它人机交互方面的成功：“iphone等设备中的多指触控不单单是交互中运用手指数量的增加，更多的是将交互行为从离散的点击交互提升为连续的手势交互，而这些手势，如利用手指的滑动和轻弹来移动和浏览对象，或利用两指的捏紧或撑开来进行对象缩放等，都是来自于我们日常生活经验中的操作方式。”

如果你认为人机交互只限于手机或者电脑显示屏，那你就大错特错了。

王宏安说，人机交互不光体现在移动终端方面，也应用在虚拟现实、增强现实这一领域，有着面向国内重大需求的应用。

在这一点上，北京、河南等多所全日制小学和打工子弟小学的孩子们似乎比我们的理解更为深刻和直观。

作为“面向发展中国家的移动和渲染式识字研究”的国内合作者，人机交互技术与智能信息处理实验室与美国的卡耐基梅隆大学、加州大学伯克利分校合作，利用手机等交互设备，对上百名儿童进行用户研究和可用性分析。发现相关研究成果不仅可以增强儿童的创造性、学习和协作能力，还可以帮助孩子们获得同课堂学习一样的效果。

田丰团队采用沉浸式自然交互的思路，利用中国的传统文化—皮影戏的形式，将手机和其他计算设备融入其中。使孩子们可以根据提供的模板发挥想象，创造皮影形象。他们把像护腕一样的传感器戴到手腕上，就可以和同伴一起创造和享受在屏幕上用数字技术表演的皮影剧情。

这种方法利用儿童在日常活动中已经形成的经验和知识，大大提高了交互的自然性，减轻了认知负担，并且通过传统文化的形式可以提高孩子们的学习和活动兴趣。更为重要的是，将信息技术引入到传统的学习和文化活动中，带来了传统教学方式和活动方式在角色、活动规则、协作方式等方面的深刻变化。孩子们由被动学习变为主动学习，通过争论、判断和自我纠正的迭代过程来学习知识，这是很难通过传统的课堂教学方式实现的。

除此之外，王宏安还为我们介绍了实验室与协和医院合作研究的最新成果Early Warning。而这一成果，则应该属于智慧医疗范畴。

对于心脑血管疾病患者和高风险人群来讲，治疗时间窗口很重要。如何实现这类潜在患者的极早发现、极早治疗，是医务工作者十分关注的问题。通过人机交互传感器，医院可以实时监护患者的行为，如发现异常，便有意识地引导他做一些辅助治疗，并根据症状区别告诉潜在患者如何对症治疗。人机交互和实时监测技术，成功实现了心脑血管疾病的早期监测。

目前世界各国都将人机交互作为研究重点，我国中长期科技发展规划已将人机交互列为前沿技术和基础研究的重要内容。然而，我们目前人机交互在国内还处于起步阶段，所产生的国际水平的研究成果很少。人机交互技术与智能信息处理实验室在这一领域做出了开拓性的学术贡献：通过近几年来的努力，整个团队在ACM SIGCHI年会、ACM IUI、ACM Trans.、IEEE CVPR、RTSS、RTAS等重要期刊或学术会议上发表论文200余篇；其中，大陆研究机构发表在人机交互顶级会议ACM SIGCHI年会的11篇文章中，有5篇出自该实验室，在海内外产生重要影响；发表在实时领域顶级会议IEEE RTSS06的一篇论文，实现了20多年来零的突破；他们还首次提出“以人为中心的信息物理融合系统”。

王宏安曾经非常醉心于数学研究，却走进了计算机的这道门。现在，他已深深喜欢上了计算机。他说，“未来人们将总是利用一些信息系统跟环境打交道，我们希望能够通过我们的努力，使人机交互的信息系统更符合人的认知特点，使人们能够利用它改造自然、研究自然、享受自然，实现更好的生活，这是一个愿景。”

这样的愿景不仅是王宏安和他的团队钟情的梦想，在IBM的“智慧地球”的梦想中，也为中国量身打造了六大领域的智慧解决方案。

如果IBM的计划得以实施，“智慧地球”对我国国家安全和信息安全可能带来负面影响。目前，在互联网领域，我国能够掌控的核心技术还十分有限，如果再加上传感器和射频标签的普遍应用，由此带来的安全风险也就更加难以估量。

只有我们自己真正掌握了与“智慧地球”相关的核心技术，我们才能从容地应对“智慧地球”可能给我国带来的各种影响，才能真正实现我们心中“智慧世界”的蓝图。

中国科学院软件研究所人机交互技术与智能信息处理实验室，成立于1999年1月11日，致力于自然人机交互技术的创新性研发，在国内最早开展人机交互技术研究。目前，实验室有职工28人，其中博士学位以上人员占60%以上，高级职称以上人员9人，博士后2人，博士、硕士研究生共59人。实验室出色地完成了多项国家级课题，其中国家自然科学基金项目17项(重大、重点项目4项)、国家973计划课题3项、国家863计划课题25项；研制开发了笔式操作平台PBOP和分布式实时数据库系统Agilor(安捷http://agilor.iscas.ac.cn)；获国家科技进步二等奖1项，中国科学院科技进步一等奖1项，中国石化科技进步一等奖1项；已授权或受理的国家发明专利9项；在国内外学术刊物上发表论文200余篇。