以虚拟映像构建智能融合应用体系

2017-07-05谢耘

软件和集成电路 2017年6期

关键词：虚拟世界主体人工智能

谢耘

以主体虚拟映像为基础的全面服务于主体的智能应用形态、模式，是信息技术发展的一个必然结果，也是信息技术应用的一个新的阶段与高度。

计算机自上个世纪40年代诞生以来，其基本应用形态、模式发生了几次大的质变。现在大家谈论的大数据、人工智能等，还是应用层面解决具体问题的技术，而不是基本的应用形态或模式。

从基本应用形态与模式上来看，我们可以把计算机应用（IT应用）分为三个大的阶段。

计算机基本应用形态、模式的演变，从“点”、“线”到“面”（“体”）。

第一個阶段是计算机诞生后一段时间内计算机应用的初始阶段。当时计算机的基本应用形态是数值、工程计算。这也是人类设计计算机的初衷。

在这个阶段，计算机处理的都是比较简单的数值类数据，解决的问题就是一个个相对孤立的计算类问题。

我们可以说它们都是局部的“点”的问题。这就是计算机当时的基本应用形态、模式的特点。所以这个时候计算机应用的起点，就是被形式化了的那些计算类的问题。数据的管理，也是根据这些问题来进行的。

随着计算机技术的发展，到了20世纪60年前后，计算机在计算类问题之外，开辟了一个新的基本应用形态/模式，即（在线）事务处理。这类应用不再是做“点”的工程科学计算，而是实现“线”的业务流程。它所依赖的数据也不再是简单的数值数据，而是由多个有明确含义的字段组成的“结构化数据”。这种应用形态、模式的起点，是业务流程的形式化表达。数据是根据相应的流程来定义和管理的。

事务处理类的应用，到今天依然是计算机应用的中坚。由于应用是按照业务流程设计的，所以出现了今天广为诟病的信息孤岛问题。信息孤岛的形成，是这类应用自身特点决定的，而非是什么人为的罪过。

随着信息技术，特别是超大规模集成电路技术的突飞猛进，IT产业在2010年跨上了一个关键的台阶：计算处理能力在绝大多数的应用场合中不再是瓶颈。充沛的计算处理能力，不仅带来了计算设备的多样化，也使得设备的互联实现了宽带化与移动化。IT正在进入颠覆人类文明的新阶段。

在这个背景下，计算机应用正在进入一个崭新的阶段，必将出现新的核心应用形态/模式。而这个形态、模式，并不是解决具体问题的大数据或人工智能的技术能够概括的，也不是云计算这种特定的服务提供模式所能代表的，虽然新的形态、模式需要这些技术来做支撑。

在这个阶段，计算机所面对的数据/信息也发生了新变化。仅有简单的数值和稍微复杂一些的结构化数据，还出现了大量的非结构化数据、信息。新的应用形态、模式需要有效地容纳与利用这三种数据、信息类型。在一般的意义上，我们可以用非结构化数据、信息来代表所有信息，而将结构化数据、信息与数值数据看作是非结构化数据、信息的退化形态。

从技术的发展与人类的需求上看，继“点”的计算类与“线”的事物处理类应用形态、模式之后，计算机应用将发展出一类新的“面”乃至“体”的应用形态、模式，即全面地服务于人这个主体，包括由人这个主体组成的集体性（复合型）主体---企业等组织及社区与城市。

任何应用形态模式，乃至任何事物，都要有一个起点。这种全面服务于主体的应用形态模式的起点自然就应该是人，或由人组成的集体性主体。那么，这些主体如何才能成为应用形态模式的起点？这样一个起点，又将催生出具有什么特点的应用？

主体的形式化表达：主体虚拟映像

传统产业的基础是材料，信息产业的基础则是数据信息。在可以预见的未来，不论人工智能技术如何发展，我们还没有能力以智能机制为基础来构建一个有效的信息应用，使其可以像人脑那样从无到有地发展出全面的智能。

所以，对主体做形式化表达为全面服务于主体的应用形态、模式提供一个起点，就只能是用数据信息来对主体做一个描述。或者说，通过对主体进行系统建模，将与主体相关的数据信息整合在一起，从而形成一个主体在虚拟世界（空间）中的映像。进而以此为起点与基础，来构建全面服务于这个主体的应用与服务。这就是计算机新的基本应用形态与模式。这个虚拟映像，本质上是一个逻辑的映像，而不是具象意义上的，与虚拟现实技术并没有必然的关系。

这种应用形态、模式所解决的，不是“点”或“线”的问题，而是“面”或“体”的问题。所以，它不是以解决痛点问题，提供杀手级应用为主要目的，当然也不会形成传统的信息孤岛。

当我们用信息数据来给一个主体做“画像”的时候，我们使用的信息数据不再仅仅是简单的数值，也不仅是结构化数据，我们还必然要采用大量的非结构化数据信息。

对这些更为复杂的信息，我们首先要解决的是如何完整地表达一个信息数据。现在一个流行的观点，就是认为这无非是一个对复杂信息数据打标签的过程。事实上，如果我们详细地去分析复杂信息数据的使用过程就会发现，仅仅靠打标签并不能解决复杂信息数据被有效地使用的问题。

钟义信（1940—今，人工智能专家，北京邮电大学任职）在1990年前后提出了全信息的概念，即我们要对一个信息做全息的描述。从应用的角度来看，对一个复杂的信息数据做完整的全息描述，不仅需要描述信息数据的内容本身，而且要记录信息的生成与使用过程中重要的相关信息。

这些相关信息包括但不限于以下几个方面的内容：信息表征的对象的其它相关信息；提取信息的认识主体的其它相关信息；获取信息时，其表征的对象及认识主体所处的环境与条件；认识主体获取信息的手段与相关主观意图；信息的使用限制，比如文件的密级；信息的编码形式，如Office的Word文档，或PPT文档格式等；信息被使用的情况；对信息的标签注释；信息或其反映的对象、事件、活动等在认识主体的存在与活动空间中的定位；不同信息彼此之间的关联。

这种对信息的全息化描述，也将为由信息驱动应用奠定基础，让信息不再是一个被动的、被应用使用的基础材料，而成为整个系统中一个能动的要素。

信息数据的这个能力与熊璋（大数据专家，北京航空航天大学任职）等学者近年研究的“数据活化”有一些相关性。

在这个全信息的基础上，我们就可以对主体进行描述性建模。所谓的“描述性”，就是只讲“是什么”，不讲“为什么”。

与之相对的是“分析性”，讲的是因果关系与“为什么”的问题。之所以强调描述性，是因为对主体的形式化表达，首先要把主体描述清楚。在此基础上，再做因果与演化的分析乃至建模。描述性的主体虚拟映像，是主体形式化表达的基础，也将是计算机新型应用形态模式的起点。

对主体建立描述性模型是一个巨大的挑战。不同类型的主体建模手段与方法也会有所不同。从信息数据的角度来看，个人、组织与城市这三类主体的虚拟映像的建模，既有总体上相同的特点，也有具体的不同之处。

首先，这些在量级上有巨大差别的主体，模型都要能够容纳相应的主体所拥有的所有信息数据，而且要体现这个主体对其活动于其中的“真实”的世界感知认识。

它们之间的差别则主要体现在以下几个方面。

1.信息量的差异。很明显，个人拥有的信息量与一个城市拥有的信息量是有巨大差异的。这将导致建立虚拟映像时所采用的具体处理方式和手段有所不同。

2.主体所处的外部环境的不同。企业这种组织性主体的外部环境非常复杂，个人的外部环境要相对简单很多。而对体量最大的城市而言，如果把城市的自然与人文环境看作城市自身的组成部分的话，它的外部环境反倒显得比较简单。

3.主体自身状况的差别。个人的自身状况是最简单的，而且很多内容并不需要投影到虚拟映像之中。企业的自身状况则要复杂得多，包括了人财物等，而且很有必要投影到虚拟映像中，以便有效地支撑企业的活动。显而易见，城市的自身状况是最为复杂的。

所以，个人的虚拟映像更多的是存在与每个人大脑中的、关于主体对外部的感知认识，城市的虚拟映像则主要是对主体自身的感知，企业则两者兼具。

以上不同的特点，将导致不同类型的主体的虚拟映像具有不同的结构特征。而同一类主体的虚拟映像，具有相同的基本数学结构，可以构成基础性产品用来解决一大类问题，就像关系型数据库那样。

对于城市这样由大量各种类型的实体（包括物质的也包括非物质的）构成的主体，构造其虚拟映像，既有巨大的困难，也有容易之处。困难在于整个系统的高度错综复杂，容易则在于对于这些实体，我们已经有比较丰富完整的、可以利用借鉴的认识。

在建立城市（或城市的一个区域）的虚拟映像的时候，主要包括以下几个主要内容：

1.相对于外部其它环境，确定映像所反映的主体是谁，确定主体明确的边界。这是主体相对外部而言的。

2.确定主体内部包括哪些类别的实体及实体的粒度，确定出最基本的不在此映像中做进一步分解的基本实体。基本实体可以构成高层复杂实体，但基本实体不被再分解。实体的最小粒度取决于映像以后可能需要支撑的应用类型。

3.建立实体的多维度描述，即一个实体的映像。包括高层实体分解为基本实体的结构，实体的属性特征，以及实体动态活动的记录等。

4.不同实体之间的关系。这种关系一类是站在一个实体的视角，来看到的映像的结构；另外一类是站在整体的角度通过对实体之间关系的描述，而反映主体整体的某些方面的特征。

5.对超越局部实体的那些主体的整体性特征的描述。

6.映像的整体结构应该是站在映像之外，或映像之上看到的结构。应该是多视角多维度的，这个是映像最关键的宏观整体结构。

这种方法与软件设计中的面向对象的方法有许多类似的地方，但是它们之间还是有本质差别的。面向对象的软件设计，是局限于某个应用范围内来做对象的抽象与描述，目的是支撑应用的实现，是微观层面的方法。建立主体映像，则是对一个完整独立的主体来做内部实体的抽象与描述，目的是完成对主体相对准确完整的描述，是独立于具体应用的。

从另外一个角度来看，主体虚拟映像可以看作是一个主体在虚拟世界中的一个投影，或者说是虚拟世界中主体的代表。

以虚拟映像为基础的新型应用形态、模式。在此，我们以智慧城市中城市管理系统为例，来看一下用城市虚拟映像构建应用、服务与传统方法会有什么本质的不同。

城市管理系统是由建立在物联网之上的各个不同的应用系统构成。传统的做法是不同的应用系统通过自己的物联网实现对与本应用相关的城市状况的实时感知。

在此基础上，由各个彼此独立的应用完成对城市運行的管理。一个典型的应用系统基本运作过程就是，属于本系统的物联网感知到的信息数据被实时采集后，计算机将自动对信息数据作处理分析。按照事先设置好的各种条件，一旦发现某个条件被满足，则系统触发后续处理程序。系统将作相应的反应，包括报警、启动预案等。

这样的系统、信息、数据与应用直接相连，信息、数据直接服务于应用。但是，如果我们仔细分析一下就不难看出，不同的城市管理系统所获取的信息、数据，并不是只对自己的应用系统有意义。

比如，交通路况信息、数据，不只可以用于交通管理，还可以用于追捕犯罪嫌疑人。如果把这些信息、数据整合在一起，就可以构成一个城市的（部分）虚拟映像。所以，城市管理系统可以按照一个新的思路来建设。即将各种物联网感知的信息/数据，首先通过城市建模而集中整合在一起，构成一个城市的（部分）虚拟映像。在这个映像之上，再构建各种城市管理的应用。

当我们以城市这个主体的虚拟映像为基础来构架城市管理系统的时候，信息、数据与应用之间成了松耦合关系，彼此相对独立。物联网获取的信息、数据，首先通过对城市建模被整合为一个城市的虚拟映像，来反映城市自身的实际状况；而各种应用，则建立在虚拟映像之上，从中获取自己需要的信息、数据加以利用。

信息、数据与应用之间被适当解耦，正体现了非结构化信息、数据应用的一个基本特征。将信息、数据与应用适当解耦既能保证虚拟映像的稳定性，又能保证虚拟映像对应用未来发展的适应性，使得虚拟映像与应用可以相对独立地不断发展完善，信息、数据的利用更加充分，应用的开发也更加灵活。

这种做法在具体的技术层面会带来的一些好处还有：信息、数据汇集在“城市虚拟映像”层次，减少了信息、数据的冗余，并能够有效降低信息、数据的不一致；彻底解除了孤岛式、烟囱式应用对于信息、数据的锁定，使每个应用能够获得更加完整的信息、数据支撑，避免因信息、数据集成的需求导致应用的频繁升级；每个应用的处理结果能够反映到“城市虚拟映像”中，简化了应用集成及应用间的交互。

更为重要的是，这个虚拟映像不仅可以更加有效地支撑传统的纵向应用，而且能够支撑新型的、跨行业领域的综合性信息、数据应用。比如对城市运行状态与发展趋势的综合分析，模拟及预测等宏观层面的信息、数据应用。

从上面这个例子可以看出，以主体虚拟映像为基础构建应用，与传统的做法有了根本的不同。这种不同，体现在了从系统架构到用户体验的方方面面。首先我们看一下系统架构。图三是以主体虚拟映像为基础与起点的系统架构示意。

在这个系统中，右边红色的“主体虚拟映像”用主体描述性模型聚集了对主体做完整描述的信息、数据。这些信息、数据只表征主体是什么，是整个系统的基础与起点。

信息、数据智能分析技术，一方面支撑虚拟映像的构建与发展完善，如建立不同信息、数据之间的动态关联；同时，它会按照不同主题维度，将虚拟映像中的信息、数据投影到特定的维度之上，形成左边的“主题信息、数据”；其次，它通过对虚拟映像中信息、数据的分析做知识的抽取，不断丰富左边的“领域知识”；最后，它通过对虚拟映像在应用过程中的变化，理解形成左边“主体行为机制”，它是关于本系统所服务的这个“主体”的知识。由于主体的特殊地位，所以这部分知识被从“领域知识”中独立出来了。

“主题信息、数据”、“领域知识”与“主体行为机理”不仅会有效地支持各种应用服务，而且们也会从应用与服务中获取新的信息、数据，反馈到虚拟映像之中，反过来促进主体虚拟映像的自我发展。

当然，应用与服务并不是只能从上述三个地方获取自己需要的信息、数据，它也可以直接访问主体虚拟映像。

在这个系统的上层，是“全面服务于主体的智能融合应用与服务”。

在这个架构下，不同应用、服务的彼此融合，不仅通过共享底层的信息、数据，而且通过业务逻辑的相互调用，以及交互界面层的整合得以综合、全面地实现。其中基于主体虚拟映像的底层信息、数据的共享、为应用服务从信息、数据基础层面开始向上逐层的有机融合，奠定了坚实的基础。以基于个人虚拟映像的个人智能信息管理与应用系统为例，在其中的一个“会议纪要”的编辑操作窗口中，就有效地融合了信息的编辑，信息之间的关联，信息通过邮件、U盘等手段的共享，会议后续待办事项的生成，以及这个待办事项的发送，并且让时间管理引用同步获得这个待办事项的信息等涉及不同应用的操作。这些融合，包括了信息、数据层共享，应用逻辑层交叉调用以及界面层操作的整合。

新型应用形态、模式与人的意识结构的同构

前面，我们提出了新的基于主体虚拟映像的应用形态、模式，分析了它的特点及实现方式。下面我们来分析一下这样的系统与其对应的主体之间的关系。

我们抛开人脑中尚未被认知的部分，只考虑我们能够比较清晰地感知到的大脑与信息管理及應用相关的意识结构，我们会发现以主体虚拟映像为基础的新型应用形态、模式与大脑有着比较好的同构关系。

首先，在大脑中、信息、数据并不是与应用简单直接对应的。人脑对信息、数据是有着统一管理的机制的。

这些信息、数据可以被灵活地用于不同的场景。这个与新型系统中的主体虚拟映像是一致的；其次，人脑的各种与信息相关的智能活动，既有自己独立的特征，又可以灵活地相互交叉融合，互相促进。

这也与新型应用形态模式中的应用服务在不同层面实现的有机融合相一致；再次，虚拟映像的建模本身就包含了人与信息管理相关的思维习惯，所以虚拟映像本身的内部结构也是与人脑意识在对信息管理的具体结构与方式上具有一致性。

这种与人的意识的“同构”关系，使得采用新型应用形态模式构建的应用系统，在系统宏观整体层面具有了一种独特的、不同于微观的深度学习等人工智能方法所代表的“智能”的特性。它使得新型应用形态模式有着传统模式所无法企及的潜力。

这种潜力，将让我们能够不断地使得这样构建出的系统在信息数据，应用逻辑与人机交互等各个层面，实现与对应主体的紧密结合，趋向人机的无缝衔接。

这种人机一体化的实现，将远远超过当前业界所强调的“用户体验”，也不同于特定应用目标的人工智能系统，而是在全面服务于主体的意义上、一个有着持续提升潜力的智能化系统。当然，要实现这个目标，人工智能的技术必不可少。

“弥散化”存在的人工智能技术

人工智能这个词（Artificial Intelligence）在1956年被创造出来的时候，人们对人工智能的预期与今天我们的做法还是有很大的差异的。当年专家学者们信心满满地认为，通过十年二十年的努力，就可以创造出与人具有同等智能的机器，而不是具有一定智能的、作为人的工具的信息应用系统。

几十年的发展，这个目标依然遥不可及，虽然不断有人借助想象力，而不是基于科学技术的逻辑，时常发出耸人听闻的“预言”。

人工智能的几十年发展，没有能够构建出一套在科学意义上相对完备、可以赖以设计与人在一般意义上具有同等智能的系统的智能理论。

当人们意识到智能问题不可能用一些普适的基本规则或机制就能解决之后，人工智能的研究便深入到了各种具体微观的问题之中。针对不同类型的问题，发展出了花样繁多的具体解决方法，也取得了很大的进展。

人工智能发展出来的这些方法所针对的问题包括问题求解、搜索、规划、机器学习、知识表示、各种类型的模式识别、自然语言处理、机器感知、数据挖掘等众多性质各异的主题。这些进展使得今天我们看到大量的计算机应用的智能化程度都今非昔比了。

也正因为如此，人工智能，包括现在流行的“深度学习”等技术，更多地是被当成了一些具体的应用工具方法，融入到了不同类型的应用之中发挥着自己的作用。这些年关于人工智能的一本经典的教科书的名字是“人工智能—一种现代方法”（《Artificial Intelligence---A Modern Approach》，Stuart Russell & Peter Norvig著，Prentice-Hall出版，2003第二版），它的副标题“A Modern Approach”就是指试图采用“智能体”（Agent）的概念将人工智能在各个不同领域中的方法整合到一个统一的框架之中。只是这种整合，并不代表我们已经构造出了一套完整的、可以用于设计实现与人的智力相当的人工系统的人工智能的理论技术体系。

它更多的是一种对已有的人工智能技术做系统性逻辑化描述的努力。人工智能名下的这些微观具体的工具与方法还远不能够承担起作为一个完整的智能系统的基础与起点的重任。

正是在这个大背景下，以主体虚拟映像为基础与起点的系统构建模式，它超越了传统计算机应用的局限，为各种人工智能方法与技术，也包括其它的不被归入人工智能范畴的方法与技术，提供了一个前所未有的充分发挥自己价值的环境。

在整体上具有某种“人工智能”意义的环境。或者说，它为各种人工智能技术有效发挥自己的价值提供了一个基础一种依附。而它本身就具有宏观意义上的智能特征。

在这样的具有宏观“人工智能”特征的系统中，人工智能技术“弥散化”地存在于系统的信息/数据、应用逻辑、人机交互等不同层面的不同部位，在微观层面发挥着自己的价值，去解决自己最擅长解决的问题。宏观结构上的智能特征与微观的智能技术相结合，便在整体上让系统表现出了与传统智能化系统不同的“智慧能力”。这将代表人工智能应用发展的一个非常重要的，又是现实可行的方向。

虚拟世界的未来

以上的讨论，或许给人的感觉还是太“传统”，因为没有涉及“互联网”。下面，我们就把这样的系统放到网络世界中去考察一番。

信息技术的发展，经过了将物质世界数字化、信息化的阶段后，正在进入一个全新的阶段，创造出一个前所未有的虚拟世界，它让人的生存空间发生了质的飞跃。

这个基于信息技术的、用网络编织起来的虚拟世界具有如下基本特征：

1.它以人这个主体为基础前提，并且也以人这个主体为目的，服务于人这个主体；

2.物质世界中的存在，將以自己的、由信息来勾画的虚拟映像的方式存在于这个虚拟世界中；

3.物质世界的存在与虚拟世界发生相互作用的一个重要的方式，就是通过自己的虚拟映像与虚拟世界中的存在彼此发生关系；

4.虚拟世界中有大量人类创造出来的、独立于物质世界的虚拟存在；

5.物质世界与虚拟世界彼此既相互独立又渗透交融，双方的边界将越来越模糊；

6.在虚拟世界中，人类在很大程度上摆脱了客观规律的制约，成为了“万能”的创造者与主宰者。

从上述分析可以看出，我们在前面引入的基于主体虚拟映像来的新型应用形态、模式，将成为未来虚拟世界中的一种核心的基本结构，网络将把它们连接在一起。

由于虚拟映像对主体的全面反映，以及在此基础上智能化应用与主体的全面紧密衔接，不同主体将能够借助它们实现各个层面上深度而全方位的互动，而不是像现在社交网络那样只是实现凌乱、随机、表层的交流。