1.3 信息应用的发展历程

物质、能量、信息是构成客观世界的三大要素，自有人类以来，人们的生产生活都是围绕这三大要素展开的。在人类发展历史上，对物资和能量的获取利用是为了满足人们物质生活的需要，而对信息的获取利用则是为了满足人们物质生活和精神生活两方面的需求。一方面，获取和处理信息是为了支持人们对物质和能量的获取和利用，如获取天气信息用来指导农业生产；另一方面，获取和利用信息是为了满足人们在精神生活上的需求，如通过听故事满足人们娱乐的需要，通过听大师讲授课程满足人们对知识的渴望。

在人类发展历史上，伴随着印刷术、通信技术、计算机技术、网络技术和移动通信技术的发明和广泛应用，信息应用的范围越来越大，应用的程度也越来越深入。信息应用的不断深入深刻影响了人们的生产和生活方式，信息应用的目标也从最初满足物质生活水平的需要逐步向满足精神生活需要的方向发展。根据信息应用的发展历程，可以将信息应用划分成初级、通信、自动化、网络化（e时代）和智能化（i时代）五个发展阶段。

1.3.1 信息应用的前四个阶段

1．信息应用的初级阶段

在人类发展历史的长河中，信息成为人们关注的重点还是20世纪80年代以后的事情，在现代通信技术发明以前，信息的收集、记录、传递和应用水平都非常落后。古代的信息应用水平基本上处于比较原始的初级阶段，烽火报警和600里加急军情快递充分说明了对信息的重视。可是以下两个方面的因素制约了人们对信息的广泛获取和利用。第一个方面是受到信息记录媒介原始（主要是纸介质媒介，没有电子化的媒介）、传递手段落后（主要是口传、报纸和书信邮递，没有电视、广播、网络等大众传播媒介）、传递速度慢（主要是采用传统的交通工具传递，没有以光速传递的网络通信手段）的制约，导致信息很难在广大的范围内被快速传递和利用；第二个方面是由于物质相对匮乏，人们把主要精力和时间都花在对物质和能量的获取与利用上，以满足人们物质生活需要作为最重要的生产生活目标，这在很大程度上也降低了人们对信息的关注程度。

2．信息应用的通信阶段

1844年5月24日，电报发明者莫尔斯无比激动地用手指从华盛顿向70公里外的巴尔的摩发出了人类历史上第一份长途电报：“上帝创造了何等的奇迹！”，从而揭开了人类信息通信史上新的一页，人类终于可以以光速向远地传递文字信息了。亚历山大·格拉汉姆·贝尔于1876年发明了电话，使得人们可以以光速向远地传递声音信息，1892年纽约到芝加哥的电话线路开通，标志着人类进入了实时远程互动信息交流的阶段。

1902年美国人巴纳特·史特波斐德在肯塔基州穆雷市进行了第一次无线电广播，使得人类第一次可以通过广播媒介向大众传递信息，从而大大扩展了信息传递的范围。1884年俄裔德国科学家保尔·尼普可夫提出了机械转轮式电视机的原理，1900年，在巴黎举行的世界博览会上第一次使用了电视这个词，1906年德国制造出第一台电子电视图像接收机（图1-6）。1936年电视业获得了重大发展，这一年的11月2日，英国广播公司在伦敦郊外的亚历山大宫播出了一场颇具规模的歌舞节目。到了1939年，英国已经有大约2万个家庭拥有了电视机。因为图像信号包含了比声音信号更多的信息量，因此，电视机的出现不但扩大了信息传播的范围，而且也显著增加了传递的信息量。

电报、电话、广播和电视的发明和应用极大提升了人类传递和应用信息的水平，标志着信息应用进入了远程和广域通信的阶段，但是这些技术进步并没有把人类带进信息时代。除了当时人类物质生活需求尚未得到很好满足这个原因之外，电报、电话、广播和电视本身存在的局限性也是制约人类开展广泛深入的信息应用的重要因素。早期的电报和电话由于使用成本高，在相当长的一段时间内基本上属于奢侈品，仅有少数人能够利用它们进行信息交流，而且交流的时间和内容（信息量）都比较有限。例如，在1930年，从纽约打3分钟电话到伦敦，其费用高达300美元[4]。广播和电视主要是以新闻、气象和娱乐节目的方式向外发布信息，人们仅是被动地获取电台和电视台播发的信息，无法通过广播和电视主动获取对自己的生产生活有重要影响的信息。所以，人们主要把广播和电视看成一种娱乐方式和接收政治、经济、军事、气象、交通等信息的手段。电报、电话在信息交流上的高成本和广播、电视在信息传播方式上的单向性使人们无法通过这些渠道真正获得应用于企业的信息，因此信息也没有对企业的生产、经营和管理模式产生深刻影响，更没有成为影响人们社会生活的重要因素。

3．信息应用的自动化阶段

1946年，冯·诺伊曼研制出了第一台被认为是现代计算机原型的通用电子计算机EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer）。这种基于二进制逻辑运算思想的电子计算机首次以数字化方式实现了信息的存储和传递，为高速信息处理和科学计算提供了有效的方法，为人类科技迅速发展和进入信息时代奠定了重要的基础。图1-7是冯·诺伊曼和第1台计算机EDVAC的照片。

EDVAC使用了大约6000个真空电子管和12000个二极管，占地45.5m2，重达7850kg，消耗电力56kW，使用时需要30名技术人员同时操作。由于EDVAC主要是以真空电子管作为计算单元，体积大，价格贵，速度很慢，每秒几千次。许多人认为计算机没有商业应用的前途。1943年，IBM公司创始人托马斯·沃森在接受记者采访时说：“我觉得全球市场大概只需要5台计算机”。

20世纪50年代后期到60年代，晶体管和集成电路开始代替电子管作为计算机的主要计算原件，大幅度提高了计算速度，而体积和成本则大幅度下降。英特尔（Intel）名誉董事长戈登·摩尔（Gordon Moore）于1965年4月19日的美国《电子学》杂志（Electronics Magazine）第114页发表文章《让集成电路填满更多的组件》，文中预言半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。1975年，摩尔在IEEE国际电子组件大会上提交了一篇论文《数字集成电路的进展》（Progress in Digital Integrated Electronics, IEDM Tech Digest,1975, pp.11-13），根据当时的实际情况对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。后来研究者根据集成电路集成度实际增长速度，把他的预测时间从24个月修改为18个月。现在关于摩尔定律的说法是“集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18个月就翻一番”。

研究者还观察到在集成电路集成集成度增加的同时，集成电路的价格在下降，其价格下降的速度也基本符合每18个月下降一半，因此，用一美元所能买到的电脑性能每隔18个月翻两番。

冯·诺伊曼计算机的出现并没有直接将人类带入信息时代，而是将人类带进了信息处理和应用的自动化阶段。在这个阶段产生了大量以计算机技术为核心的先进设备和系统，如程控电话系统、飞机自动导航系统、数控机床、柔性制造系统、自动电梯、计算机辅助设计系统、企业生产计划系统、电子数据交换系统等。这些自动化装备和管理信息系统的产生和应用，对国民经济的发展起到了巨大的促进作用，大大加快了工业化进程，显著提升了人类的物质生活水平和科技水平，也促进了企业生产和经营管理模式的变化，从过去的粗放式管理逐步向着精细化管理的模式转变。

4．信息应用的网络化阶段（e时代）

真正把人类带入信息时代的是20世纪80年代以后得到广泛应用的个人计算机和计算机网络系统，特别是20世纪90年代得到快速发展的互联网（Internet）。由于个人计算机成本的迅速降低，使得原本仅仅应用于科学和工业领域的计算机得以迅速普及，成为个人获取和处理信息的工具。而互联网的出现使得全球的计算机可以实现互联和信息共享。信息获取和发布的方便性、互联网上丰富的信息资源、信息获取成本的低廉和用于信息处理的个人计算机工具的低成本促进了人类对信息的获取和应用水平，人类从此进入了以网络化为标志的e时代（电子化时代）。

在信息应用促进传统物质生产和国民经济发展的同时，以信息化设备生产、信息系统开发应用、信息资源获取和利用、网络通信和信息服务为核心的信息产业在国民经济中的比重也日益增加，已经成为当前世界发达国家和正在迅速发展中的国家的国民经济的重要组成部分。

进入信息时代以来，互联网和个人计算机的普及应用一方面显著提高了人们的生产生活水平，另一方面，也深刻地影响着人们的生产和生活方式。电子邮件系统、网上购物、网络银行、网络电影、网络游戏的普及深刻地影响了人们的生活、交流和娱乐方式。电子商务、企业资源计划、供应链管理、产品全生命周期管理等系统的应用深刻地改变了企业的经营管理和运作模式，产生了敏捷制造、并行工程、大批量定制、网络化协同设计制造等先进的制造模式，以及业务流程再造、组织结构扁平化、学习型企业等先进的管理模式。

20世纪50年代到70年代末快速发展的自动化技术大大提升了物质生产水平，基本满足了人们对物质生活的需求，人们开始把更多的精力和时间投入到具有创造性、知识性和高附加值的信息产品生产领域，并且用更多的精力来生产满足人类精神生活需要的信息产品。由于信息处理和发布工具的广泛普及应用，特别是智能手机等移动设备的广泛应用，加上社交网络的迅速发展，今天，人人都成为信息发布者，人类产生和存储信息的增长速度明显加快。2002年中，全球由纸张、胶片以及磁、光存储介质所记录的信息生产总量达到5万亿兆字节，约等于1999年全球信息产量的两倍。也就是说，在1999年到2002年这4年间，世界范围内信息生产量以平均每年30%左右的速度递增。5万亿兆字节信息是什么概念呢？研究人员说，如果以馆藏1900万册书籍和其他印刷出版物的美国国会图书馆为标准，5万亿兆字节信息量足以填满50万座美国国会图书馆。2010年以后，信息产生的速度更快，每20个月全球存储的信息量就增加一倍。已经非常接近图灵奖获得者Jim Gray于1998年提出的存储界“新摩尔定律”：每18个月全球新增信息量等于有史以来全部信息量的总和。由于数据增长速度的加快，对数据的开发利用越来越引起广泛的重视，人类进入了大数据时代，大数据也成为世界各国下一个竞争力提高的前沿[5]。

1.3.2 信息应用的智能化阶段（i时代）

当前，人类社会正在享受以网络化为标志的信息化应用成果，感受着信息时代给生产生活带来的冲击，但是人们今天使用的信息网络依然有很多令人头疼的问题。首先，在网络上查询信息，最令人头痛的问题是现在网络上看似信息很多，但是要找到真正有用的信息却非常困难，这些有用的信息被淹没在大量的广告和垃圾信息中，由于许多网络搜索工具受到经济利益的驱动，经常把付了广告费的网页放在搜索结果的最靠前位置。垃圾数量之多常使人无法在短时间内找到想要的信息，同样，垃圾邮件和短信也是令人十分头痛的问题。著名科幻小说家西奥多·斯特金经过20年的研究，提出了斯特金定律“90%的科幻小说根本就是浪费纸张”，这样的规律也适用于当今互联网。《众包》的作者杰夫·豪指出：“任何事情（特别是网络上用户创造的内容），90%都是垃圾”[6]。

第二个问题是网络速度太慢和网络基础设施发展不均衡，制约了网络应用的发展，由于缺乏高速可靠的移动访问方式，使得许多需要在移动环境下开展的业务无法进行。安全性和病毒问题是影响网络应用的第三个严重问题，特别是对于需要高度保密的商业和军事应用，这个问题尤为突出。第四个问题是虚假信息和信用问题，这个问题的存在导致人们对网上发布的信息和商家的不信任，使网上销售和网上购物的发展受到非常大的影响。信息质量不高是当前网络信息获取中第五个问题，由于信息质量的低劣导致人们在获取到相关信息后还需要花费很大的精力进行信息的过滤和人为再加工，导致信息应用成本和花费时间的增加。第六个问题是网络信息检索方式落后，由于人们解决问题主要依靠知识，从网上进行检索的目的主要也是希望找到有助于问题解决的相关知识，而目前在网络上采用的基于关键词的检索方式无法提供查询者希望得到的知识。上述问题的存在制约了网络应用的发展，也是当前迫切需要解决的问题。

信息技术的快速发展正在将人类带入信息应用的智能化阶段，即i时代，它可以解决上面所述的信息网络应用存在的问题，为人们提供无所不在的个性化信息服务，它将改变人类的生活方式和商业模式。与过去的信息应用阶段相比，i时代在技术上和商业模式上都有着显著的不同，i时代是一个“通过利用无所不在的感知、超高速的信息传递、高效的知识共享、智能化的分析和决策，形成人-机-物三元一体化的信息物理融合空间，按用户需求快速提供大批量个性化服务”的时代。下面对i时代的特点进行阐述。

1．无所不在的感知

近些年来，随着无线射频识别（radio frequency identification, RFID）和无线传感器网络技术的迅速发展，物联网的应用日益普及。所谓物联网即指把传感器设备安装到电网、铁路、桥梁、隧道、供水系统、油气管道等各种物体中，并且普遍连接形成网络，以为人类提供“全面的感知、可靠的传输、智能化处理”为特征，连接现实世界和虚拟世界，以安全优质、随时随地提供可运营、可管理的信息服务为目标的全球化网络。第12章将对物联网进行介绍。

2．超高速的信息传递

（1）第二代互联网

2004年12月25日，清华大学启动了中国下一代互联网CERNET2主干网。CERNET2是我国建成的目前世界上最大规模的超高速信息网络，采用70%国产网络设备，连接分布在全国20座城市的25所高校，传输速率达到10Gb/s。该超高速信息网络1秒钟传输的信息量相当于1万册25万字的图书，40分钟内就可以传完中国国家图书馆2200多万册藏书的全部信息。美国于1998年启动了建设每秒可传递2.5Gb的超高速基干网Abilene计划，该网络于2002年完成建设并开展了十项应用。2007年8月，由美国120多所大学、协会、公司和政府机构共同努力建设的网络Internet2（第二代互联网）推出，该网络由Level 3 Communications公司负责运营，它与目前的普通互联网并行运作，为各个大学、研究所提供每秒10Gb实时的信息交换服务，其最高网速可达100Gb/s。我国烽火通信科技股份有限公司2012年销售的某型号光交换机的交换速度已经达到3.4Tb/s，可供8000万人同时通话。

（2）移动通信与家庭网络建设

在移动通信技术方面，第四代移动通信技术（简称4G技术）正在全面开始普及应用，它是3G技术之后的延伸。从技术标准的角度看，按照国际电信联盟（ITU）的定义，静态传输速率达到1Gb/s，用户在高速移动状态下可以达到100Mb/s，就可以称为4G技术。目前3G的平均速度在200Mb/s，因此4G比3G快50倍。4G技术的应用标志着人类社会真正进入了移动互联时代。智能手机和各种移动智能终端正在迅速吞噬传统的个人计算机终端市场，成为连接商家与顾客的重要渠道，它们正在颠覆传统的营销和业务运作模式，改变着企业的组织架构和流程，并将重塑整个商业世界。据CNET科技资讯网2014年1月10日报道（http://www.cnetnews.com.cn/2014/0110/3008422.shtml），Gartner公司研究数据显示，截止到2013年第四季度，全球个人计算机出货量连续7个季度下滑，2013年全球PC出货量为3.159亿台，比2012年减少10%。

在家庭网络建设中，韩国政府的计划是在1998—2002年，建设基于622Mb/s的光纤同步数字系列网络，提供音响、视频和数据服务。在2003—2015年，建成1Gb/s的超高速信息网，为全国家庭服务。荷兰阿姆斯特丹市的智慧小区建设中已经实现“三网融合”，即一个1Gb/s的光纤连接到每个家庭，提供计算机、电视、电话和智能家居所需要的上网服务。

（3）卫星导航系统

在卫星导航系统方面，我国已成功发射4颗北斗导航试验卫星和16颗北斗导航卫星，北斗卫星导航区域组网已顺利实现，北斗导航系统在亚太地区的精度和级别不亚于美国GPS全球定位系统。北斗系统最大的特点就是把导航与通信紧密结合起来，增加了短报文功能，使用户之间能用类似手机短信的方式相互交流，每条信息可容纳120个汉字，这是其他导航系统所不具备的。2008年汶川地震期间，重灾区通信中断。救援部队持北斗终端设备进入，利用其短报文功能突破通信盲点，与外界取得了联系。北斗系统的位置报告服务，能支持用户将自己的位置发到信息中心，再发给经过授权的其他用户，互相同时解决“我在哪”和“你在哪”的问题。管理中心则通过位置报告功能，随时掌握着每一个终端所处的位置。

（4）免费无线网络服务

免费无线上网是广大用户都希望能够得到的服务，就像国家的高速公路免费一样，未来的信息高速公路也是国家重要的基础设施，对提高整个国家的生产力水平至关重要，而高额的上网费用阻碍了生产力水平和国家竞争力水平的提高，作者认为提供免费上网服务是国家经济发展和竞争力水平提高的必然要求。作者2010年7月在芬兰参加欧盟第7框架项目的工作会议期间，发现几乎在芬兰任何地方（包括非常小的岛上），打开笔记本电脑后就自动连通了无线网络，非常方便，速度也很快，没有遇到要收费的问题。从2010年7月1号起，芬兰把宽带接入权确认为公民基本权利之一。根据新规，自2010年7月1号起，芬兰所有网络服务商有义务为用户提供1兆比特的宽带上网服务，无论用户身处何地。芬兰政府计划在2015年前使所有民众享用高速互联网。根据芬兰电信局的说法，届时全国超过99%居民距离任何一个100兆比特的高速互联网络将“不到两公里”。

据国外媒体报道，美国的一家媒体发展投资基金公司（MDIF）预计在2015年6月前向近地轨道发射150颗迷你卫星，这些卫星面向地球持续释放WiFi信号，覆盖世界每个角落，使用任何电子终端都能免费连接上无线网。它是一项雄心勃勃的计划——“OUTERNET”（外联网），试图改变全球40%的地区无法上网的局面。（http://www.edu.cn/IT_kuai_xun_1127/20140228/t20140228_1079876.shtml）

2013年6月，Google公司推出了最具雄心的项目之一——Project Loon。该项目计划搭建一个用热气球组成的无线网络，为普通的有线和无线技术难以覆盖的地区提供高速稳定的互联网连接。这些热气球有12m高、15m宽，表面积500m2左右，白天采用太阳能供电，晚上则靠电池续航，这些氦气球的生命周期为100天或绕地球飞行三圈，正常情况下，每个气球可以给直径40km范围的区域提供相当于3Gb/s速度的互联网接入。Google公司2013年6月在新西兰推出的试点共有30个热气球，这些气球搭载了发射装置，机身附有一块篮球板大小的太阳能电池，装置里面包含了计算机、GPS等设备。气球将这个装置带到2万米的高空，悬停在该高度。利用当地预留的空白电视频段，将信号发到地面的接收器，接收器再将信号转到终端设备上。Google公司Proj ect Loon的终极目标是让足够多的热气球布满平流层，从而提供普遍的互联网接入服务，为更多的偏远地区带去互联网链接。

flightrader24.com是一个实时查看实时飞机位置的网站，只不过现在可追踪对象不止飞机了，通过输入不同的气球编号，人们可以实时追踪到这些气球的运行轨迹。据flightrader24于2014年3月3日发布的消息，共有7个气球已经在新西兰海岸附近被目击。现在，这些气球正在离地约250m的高度以6km/h的速度移动着，根据路线图所显示的记录，它们最高曾达到了13000m。图1-8是flightrader24发布的编号为LOON160号气球的观测图，图1-9是编号为I-74号气球的运行轨迹图（http://www.ifanr.com/405379）。

2014年3月4日，外国媒体报道称，Facebook公司目前正在与无人机公司Aerospace洽谈收购事宜，希望未来能提供基于太阳能无人机的网络服务。据悉Aerospace旗下的产品一次最久能在天空中呆上五年，而Facebook公司收购成功后的初步计划，是在非洲上空布置11000架无人机用于数据传输。Aerospace方面已经证实确与Facebook公司进行过讨论，如果顺利的话，那无疑会对Facebook公司的Internet.org计划（用来在发展中国家普及网络）产生很大的推进作用。图1-10是Facebook公司的无人机免费无线网络概念图（http://cn.engadget.com/2014/03/04/facebook-drone-company-internet/）。

3．高效的知识共享

大量的垃圾信息是今天的信息网络存在的主要问题之一，有效地过滤垃圾信息，为用户提供知识和解决方案服务是下一代网络发展的主要方向之一。在未来的信息网络上，人们不仅可以获得信息服务，还可以方便地获得知识和解决方案服务。相对于信息服务而言，知识和解决方案服务具有更高价值，因为在许多领域，人们通常缺乏的和最希望得到的是知识和解决方案，而不仅仅是信息，知识和解决方案通常能够直接解决用户面临的问题。同时，面向知识和解决方案的服务也可以在最大程度上实现全社会的知识共享，提升个体、企业和整个社会的创新能力。支持网络环境下知识共享和服务的主要热点技术是语义网服务（semantic Web service）技术。知识本体是语义网服务中的基础和核心技术。万维网联盟（World Wide Web Consortium, W3C）定义了一种建立网络本体的语言——网络本体语言（Web Ontology Language, OWL），用来支持对信息内容的处理（而不是像传统的信息服务那样仅把信息发送给用户，因为这样发送给用户的信息中可能没有用户需要的知识，也不能有效帮助用户解决所关心的问题）。目前，在OWL基础上发展起来的基于OWL的网络服务本体（OWL-based Web service ontology, OWL-S）为Web服务提供了一种定义其服务能力和特性的标识语言，为网络环境下基于语义的知识查询、知识服务和知识共享奠定了坚实的技术基础。有了语义网服务技术的支持，在网络上可以按照人们习惯的问询方式进行智能化知识查询，如可以支持查询“具有国家认证资质的房地产资产评估机构”、“具有软件专业博士学位、从事过3年以上软件开发的架构设计师”、“重量小于300千克的1.8升发动机的减震方案”等。

4．智能化的分析和决策

超级计算机、云计算和大数据的发展应用，极大地提高了企业智能化的分析和决策水平，正在将人类带入智能化为主要特征的信息应用时代。第13章和第14章将分别介绍云计算和大数据。这里主要介绍超级计算机的智能应用情况。

2013年11月，在国际超级计算机500强评比中，我国3.8千万亿次超级计算机系统“天河二号”成为最快超级计算机。2011年2月14日到2月16日，在美国智力问答节目《危险边缘》连续三天的比赛中，IBM公司研制的超级计算机“沃森”以超出第二名两倍多分数的绝对优势，击败两名前大赛的冠军，夺得了100万美元的奖金。

《危险边缘》是一个涵盖时事、历史、文学、艺术、流行文化、科学、体育、地理、文字游戏多方面知识的智力问答电视秀节目。在该节目的独特问答形式中，选手必须根据以回答形式给出的线索提示找出答案，并且以提问的方式回答。举个例子，当节目主持给出提示信息：“这是一种冷血的无足的冬眠动物”，选手应该回答“什么是蛇？”而不是简单的回答“蛇”。《危险边缘》对于计算系统是一个巨大的挑战，因为它涉及广泛的学科和主题，选手们要在很短时间内提供正确答案。

超级计算机“沃森”由90台IBM服务器、360个计算机芯片驱动组成，是一个有10台普通冰箱那么大的计算机系统。它拥有15TB内存、2880个处理器、每秒可进行80万亿次运算。IBM公司内部将其称为认知计算（cognitive computing），这代表着真正的人工智能时代的到来，IBM公司在介绍“沃森”时说：“它是一个集高级自然语言处理、信息检索、知识表示、自动推理、机器学习等开放式问答技术的应用”，并且“基于为假设认知和大规模的证据搜集、分析、评价而开发的深度问答技术”。在比赛过程中，“沃森”不连接互联网，依赖从书本学习到的知识和从大量自然语言文本中收集到的知识来回答问题。

在人机智力大战中，超级计算机“沃森”表现出以下的智能特征：

（1）感知能力：“沃森”能听得懂人的自然语言，能够看懂显示屏幕上的题目，并且用自然语言选择题目和回答问题。

（2）学习能力：“沃森”使用了机器学习的技术，已经具有一定的学习能力，“沃森”既可以通过阅读资料获得知识，也可以通过问答的方式来不断完善自己的知识。不过这个学习还是有指导的，完全的自学习能力还有待进一步研究和开发。

（3）超级分析和推理能力：根据屏幕上给出的问题，“沃森”使用问答技术分析问题的措辞结构，并且在几秒内给出一个具有最高“可信度”的答案。“沃森”可以回答“自然语言”类的问题，包含双关语、俚语、术语和缩写词，而“沃森”在返回可信答案时必须对这些进行评估。

（4）超快的回忆速度：“沃森”具有超快的回忆速度，它可以在1秒钟内回忆600万页书记录的内容。

IBM公司目前正在尝试“沃森”在医疗领域的应用。从2012年4月开始，“沃森”在进行医学实习，通过利用IBM公司设计的一个应用的模拟来学习怎样为癌症患者诊断配药。接下来，这台超级计算机将会开始接触真正的病人，“沃森”将会从病人的谈话抓取数据，按照一定的规律原则提出一些治疗方案。例如，“沃森”可能会建议进行两个化疗疗程，但是同时也会指出只有90%的把握性，但是其他方法只有75%的把握性。然后，真正的医生会做出最终的决定。

IBM公司研究人员曾教导“沃森”理解人类语言，尤其是口语。“沃森”的学习能力虽然很强，但是却无法区分灌输给它的词语中哪些是礼貌用语，哪些是脏话。在测试中，它甚至会用“bullshit”（胡说，废话）来回答研究人员的提问。研究人员不得已要对它进行洗脑。日前，IBM公司宣布送“沃森”到伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）深造，IBM公司为“沃森”“缴纳”了学习费用，让它在那里接受三年教育，学习数学和语言交流，从而提高其认知能力。伦斯勒理工大学的研究人员将帮助“沃森”提高数学能力，迅速理解新词或合成词的意思，提高它的文明用语水平。

5．人-机-物三元一体化的信息物理融合空间

人类过去生活在三元世界中，这三元世界分别是由物质和能量构成的物理世界、由计算机互联互通构成的虚拟世界、由人的思维和行为互动构成的精神世界，这三个世界各有自己的运行模型和管控机制，各自独立运作，通过有限的方式实现信息交换和控制指令发布，我们称之为物、机、人三元分离的世界。今天，无线射频识别（RFID）和无线传感器网络技术的迅速发展，实现了物理世界和虚拟世界的互联互通，人机接口技术（特别是脑机接口技术）的发展实现了人和虚拟世界的互联互通，人类开始进入了一个三元互通的世界，即形成了一个人-机-物三元一体化的信息物理融合空间。

（1）人机接口技术的发展状况

人机接口技术的发展历程经历了最初的键盘输入技术阶段，20世纪80年代后期广泛使用的Windows界面接口技术阶段，20世纪90年代开始使用的语音识别技术和指纹识别技术阶段，今天已经开始进入思维控制技术（脑机接口）阶段。据新华网华盛顿2003年10月13日电（记者毛磊）：两只脑中植入微型电极的猴子，经过训练后仅仅通过思维就能控制机械手的运动。负责这项实验的杜克大学尼科莱利斯博士等人在创刊号的网络科学刊物《公共科学图书馆生物学》上介绍说，电极分别植入这两只雌性恒河猴大脑额叶和顶叶部位,每个电极不到人的一根头发丝粗细。它们发出的微弱电信号通过导线进入一套独特的计算机系统。该系统能识别与动物手臂特定运动相关的大脑信号模式，信号经翻译后用来对机械手运动进行控制。实验中，科学家们首先训练猴子使用操纵杆来玩一种电子游戏，控制电视屏幕上的光标移向靶子。猴子如果成绩好，将会获得一杯果汁的奖励。然后在实验中引入机械手，屏幕上光标运动会因机械手的动力和惯性等产生相应变化，但猴子们经过熟悉后很快就玩得灵活自如。接下来，操纵杆被撤走。猴子起初不太适应，爪子继续在那挥舞着,试图控制屏幕上的光标，机械手也随之相应运动。尼科莱利斯博士介绍说，这种情况持续短短几天后，“最令人惊异的结果就出现了，猴子突然意识到实际上根本就没有必要移动自己的手臂”。在意识到这点后，猴子臂部肌肉完全停止运动，仅用大脑信号和视觉反馈来控制机械手。对猴子大脑信号的分析显示，它们似乎把机械手当成自己的一部分了。图1-11是美国杜克大学科学家米格尔博士在展示操纵杆。科学家们说，借助类似技术，瘫痪的人将来也许可以用思维控制机器或工具，或者重新获得对手脚运动的控制能力。这种技术甚至还有可能用于开发出微型机器人，它们会直接被人脑信号操纵（http://tech.sina.com.cn/other/2003-10-15/0725243967.shtml）。

据新华社伦敦2014年2月18日电（记者刘石磊）：科幻电影《阿凡达》中，人通过脑电波控制可以掌控克隆外星人“阿凡达”的躯体。美国科研人员2014年2月18日报告说，他们首次在猴子身上实现了这种异体操控，这一成果有助于未来帮助瘫痪者重新控制自己的身体。脊髓损伤会阻碍大脑指令信息向躯体的传递，导致运动能力受损甚至瘫痪。目前许多科学家都在研究通过模拟脑电波信号对受伤脊髓进行电刺激，使伤者的躯体能重新接收运动指令。美国哈佛大学医学院等机构研究人员在新一期英国《自然-通信》杂志上报告说,他们在实验中使用了两只猴子，一只作为发出指令的“主体”，另一只则是接收指令、完成动作的“阿凡达”。研究人员先在“主体”猴子的大脑中植入一个芯片，对多达100个神经元的电活动进行监控，记录它支配每个身体动作时的大脑神经元电活动，而猴子“阿凡达”脊髓中则植入了36个电极，并尝试刺激不同的电极组合以研究对肢体运动有何影响。在实验中，研究人员通过仪器将这两只猴子身上的装置相连接，并给“阿凡达”服用了镇静剂，使它的身体动作可完全由“主体”的脑活动所控制。它俩的任务是协作使得电脑屏幕上的光标上下移动，操纵杆掌握在“阿凡达”手中。结果“主体”控制“阿凡达”完成这一任务的成功率高达98%（http://www.stdaily.com/shouye/guoji/201402/t20140220_649155.shtml）。

研究人员第一次把人脑控制机械臂的实验从猴子转移到人身上发生在2011年。美国布朗大学的神经科学教授约翰·多诺霍（John Donoghue）让一名瘫痪了15年的女子能够用意念控制机械臂，拿起一杯饮料送到自己的嘴边来喝。这个研究发表在当年的美国《自然》杂志上，成为历史上第一个人类意念控制机械臂的临床试验。2011年，匹兹堡大学的安德鲁·施瓦茨，在让猴子控制机械臂来进食之后，也成功把这项技术应用在了人身上。一名四肢瘫痪的男子能够用大脑控制电脑屏幕上的物体进行移动，还可以让机械臂伸出去触碰他的女朋友。2012年，一位名叫简·舒尔曼（Jan Scheuermann）的女性找到施瓦茨。她患有一种发病机理不明的疾病，大脑与肌肉之间的神经连接会逐渐退化。最初是腿脚不灵，最终发展成四肢瘫痪，连耸一下肩膀都困难。她希望能够在施瓦茨这里得到帮助。在施瓦茨的实验室，舒尔曼的大脑被植入了一块16mm2的芯片，芯片位于她大脑的左运动皮质上。芯片与一只机械臂相连接，这只机械臂非常精密，在许多结构上与人手相近。舒尔曼于是学习用意念去控制这只机械臂。仅仅是在训练开始的第二天，她就能做到用意念让它运动了，而一星期后已经可以控制它上下左右运动。她一共训练了13周，最后她已经能够用机械臂拿起不同的物体，再放到想要放的位置。

（2）信息物理融合系统

信息物理融合系统（cyber physical systems, CPS）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过计算（computation）、通信（communication）、控制（control）技术（简称3C技术）的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

近年来，CPS已成为国际学术界和科技界研究开发的重要方向。2006年2月发布的《美国竞争力计划》将信息物理融合系统CPS列为重要的研究项目。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）在题为《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了8大关键的信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件、数据、数据存储与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面。欧盟计划从2007年到2013年在嵌入智能与系统的先进研究与技术（ARTMEIS）上投入54亿欧元（超过400亿元人民币），以期使欧盟在2016年成为智能电子系统的世界领袖。

CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。CPS本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS对网络内部设备的远程协调能力、自治能力、控制对象的种类和数量，特别是网络规模上远远超过现有的工控网络。美国国家科学基金会（NSF）认为，CPS将让整个世界互联起来。如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。

物联网不是CPS，物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。从这个角度来说物联网可以看作CPS的一种简约应用，或者说，物联网未来发展的高级阶段是CPS。在人类社会对物理世界实现“感、知、控”的三个环节中，物联网主要实现的是第一个环节的功能，而要实现“知、控”这后两个环节就需要云计算、大数据和智能控制技术。

目前，对于CPS的研究还处于起步阶段，在科学问题和关键技术上还面临许多挑战。第一方面的挑战来自控制领域与计算领域对建模方法上的差异。通常，控制领域是通过微分方程和连续的边界条件来建立对象模型，而计算则采用离散数学的方法来建立对象模型；控制问题对时间和空间都十分敏感，而计算则主要关心功能的实现。通俗地说，研究控制的人和研究计算机的人没有一种建立对象模型的“共同语言”。这种差异将给计算机科学和应用带来基础性的变革，需要开发新的科学和工程原理、方法、算法和模型，融合连续和离散数学的方法，实现对复杂CPS连续和离散特性的综合描述和分析，将信息和物理世界集成在统一的基础原理之上。

CPS面临的第二个挑战是目前信号处理和计算机控制方法是基于如下的基本假设，即样本时间是等距的、确定性的、不变的和同步的。但是，当系统组件之间的互联是基于互联网时，由于信息传送延迟、性能不稳定、信息包丢失等问题时，上述假设都不再成立。CPS需要发展基于互联网的“网络化控制系统”，系统下一个状态的更新时间只是一个可能的概率分布，这就需要一个全新的系统理论，来处理时标不统一问题[7]。

CPS应用实施中面临的第三个挑战是需要面对复杂网络环境下的海量资源的管理、控制与优化。复杂网络控制是实现CPS系统海量资源管理和控制的重要方法之一。复杂网络在经历了十几年的发展之后，目前正在形成许多有价值的理论和方法，并且揭示了复杂网络现象背后的许多基本规律，如度分布规律、幂律分布规律、小世界现象、长尾效应、马太效应（富者更富现象）等。CPS的出现给复杂网络领域的研究者带来了新的挑战和机遇。CPS最大的特点就在于它是由很多具有通信、计算和决策控制功能的设备组成的智能网络，这些设备可以通过相互作用使得整个系统处于最佳状态。例如，在机器人足球比赛中，当某个机器人准备传球时，它会收集每个同伴的信息，然后通过计算得出一个最佳的传球方案，并且将该方案传给所有队员，让队员们配合这个传球过程，通过这种方式可以提高整个球队的水平。该思想同样可以应用于很多其他系统，如交通系统中车辆之间通过通信和计算得出最佳行车路线，并避免各种交通事故；电力系统中各个站点通过信息传递从而动态调整负荷，避免大规模级联故障等。这些系统的运行其实就是复杂网络的动力学过程，只不过这些过程集合了复杂网络中的信息传播、同步、博弈等多种动力学过程，因此研究的内容更加丰富和复杂，具体的研究内容有很多，如研究制定系统规则（或协议）使系统在最短时间内达到最佳状态，此外还可以研究各种外界因素如何影响系统的运行等[8]。

CPS面临的第四个挑战是对于复杂网络环境下的CPS性能分析和优化。由于很难建立CPS精确的数学模型和有效的解析方法。采用仿真技术可以有效地实现复杂CPS的分析。目前，CPS的一个重要挑战是开发强有力的仿真和设计工具来处理信息和物理世界的分布和多变性。建模和仿真是处理物理世界问题的常用方法。对于CPS，不单要满足连续系统仿真，同时也要对网络环境下的大量离散事件进行处理。信息和物理世界的混合使我们需要一种协同仿真和设计工具。这些工具将对CPS的建模、分析、处理和优化起到关键作用。该方向的预期目标是建立一个可以预测、建模、验证、确认和理解CPS的工具集[7a]。

除此以外，CPS需要解决的问题还包括：海量数据快速处理、复杂系统的资源调度与优化、资源虚拟化以及虚拟资源管理技术等。

CPS和脑机接口技术的发展和应用基本实现了人-机-物三元世界的一体化，形成了全新的信息物理融合空间，并最终实现了“所想即所得”的服务，即人想得到什么，如想喝杯冰镇啤酒，计算机就理解了人的需求，并且指示机器人端上一杯冰镇啤酒。

6．按用户需求快速提供大批量个性化服务

大批量个性化服务的含义是指用大批量生产的成本为用户提供定制化服务。与今天人们在网络上通过信息搜索工具查询信息的方法不同，在信息应用的智能化阶段，人们享受的是随时随地的个性化信息和业务服务，得到信息和业务服务就如同今天用电和自来水一样方便。具体含义是：①服务的时间没有间断，夜以继日；②服务的地点没有限制，无论你走到那里，都可以得到所需要的服务；③服务的载体多种多样，你可以用不同的方式获得服务，你穿的衣服、戴的眼镜、开的汽车都可以成为获取信息和业务服务的工具；④服务具有平等性，只要你进入了服务系统，针对你的服务总是有效的；⑤服务具有高可靠性和连续性，无论网络系统或者服务器是否出现故障，你享受的服务是不受影响的，你感觉不到服务器切换这些操作细节问题；⑥服务具有个性化特点，你得到的是专门为你定制的服务，你需要的服务都会及时提供给你。要做到按用户需求快速提供大批量个性化服务，需要引入务联网（Internet of Service, IoS）和面向服务的企业（Service Oriented Enterprise, SOE）的概念和平台，第5章将介绍务联网和面向服务的企业。

作为本节内容的小结，表1-1对信息应用五个发展阶段的一些特性进行了对比。

从上述对信息应用发展历程的五个阶段的简单介绍可以看出，信息应用的智能化阶段是信息应用发展的高级阶段，它将显著改变人们的生产与生活方式，智能化的信息网络将成为人们学习、交流、企业业务运作和大众娱乐等不可或缺的基本环境。在高度发达的智能化信息网络环境下，信息和知识将成为国民经济中最重要的生产力要素，围绕信息和知识的获取、存储、处理、共享和利用，将涌现出大量的新型产业（如基于信息技术的新型服务业、创意产业、虚拟网络平台），制造出大量的信息和知识产品，促进经济的增长并极大地丰富人类的精神生活。