實(shí)時(shí)智能,人機(jī)交互以信息化手段打造智慧未來

龐貝 高玉梅

王宏安，博士，ACM/IEEE會(huì)員，中國科學(xué)院軟件研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷?shí)時(shí)智能技術(shù)和實(shí)時(shí)信息可視化?，F(xiàn)任中國科學(xué)院軟件研究所人機(jī)交互技術(shù)與智能信息處理實(shí)驗(yàn)室主任。從1997年開始一直從事實(shí)時(shí)智能技術(shù)的研究，提出了一種基于分布式控制的負(fù)載均衡實(shí)時(shí)調(diào)度算法，解決了負(fù)載遷移導(dǎo)致的系統(tǒng)負(fù)載震蕩問題。

2001年至今先后主持完成了國家“十五”863/CIMS重點(diǎn)招標(biāo)課題“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫及監(jiān)控系統(tǒng)”及其滾動(dòng)課題“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫智能監(jiān)控平臺(tái)”，以及國家“十一五”863計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域目標(biāo)導(dǎo)向課題“面向全流程多尺度的流程企業(yè)綜合自動(dòng)化集成應(yīng)用平臺(tái)”，成功研發(fā)了國內(nèi)第一套完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Agilor。

2007年8月起兼任中國石化生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)研發(fā)的總設(shè)計(jì)師，帶領(lǐng)聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功地設(shè)計(jì)開發(fā)了中石化生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)SMESv3.0。

近年來榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國科學(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)以及中國石化科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；擁有國家技術(shù)發(fā)明專利2項(xiàng)，在相關(guān)主流國際會(huì)議上發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文70余篇。

2008年，在美國紐約召開的外國關(guān)系理事會(huì)上，信息技術(shù)領(lǐng)域巨頭IBM以《智慧地球：下一代領(lǐng)導(dǎo)人議程》為題，正式提出“智慧地球”的概念。應(yīng)該說，IBM描繪的以“物聯(lián)網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)”為主要運(yùn)行載體的“智慧地球”，從某種程度上看，是對(duì)當(dāng)前世界所面臨的許多重大問題的一種積極的解決方案。

業(yè)內(nèi)人士指出，“智慧地球”理念的提出，能為IT產(chǎn)業(yè)帶來新的希望，能夠使信息技術(shù)滲透到社會(huì)的各個(gè)角落。信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也可帶動(dòng)人們生活和生產(chǎn)方式的改變。智慧城市、智慧企業(yè)、智慧電網(wǎng)、智慧醫(yī)療等，正在成為描繪未來世界的藍(lán)本。

其實(shí)，我國科學(xué)家和世界各國的信息技術(shù)精英一樣，早在“智慧地球”的概念提出之前，就已經(jīng)在打造這一智慧未來?！爸腔鄣厍颉崩砟钏w的傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能信息處理等技術(shù)，我國均已具備一定研發(fā)基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)化能力。

王宏安，中國科學(xué)院軟件研究所人機(jī)交互技術(shù)與智能信息處理實(shí)驗(yàn)室主任，與他的團(tuán)隊(duì)一直致力于實(shí)時(shí)智能與人機(jī)交互的研究，通俗意義上來說，即如何智能化生產(chǎn)，如何智慧化生活。

實(shí)時(shí)智能：打造智能工廠

“智慧地球”通過新一代信息技術(shù)改變?nèi)藗兘换サ姆绞剑岣邔?shí)時(shí)信息處理能力及感應(yīng)或響應(yīng)速度，增強(qiáng)業(yè)務(wù)彈性和連續(xù)性，促進(jìn)社會(huì)各項(xiàng)事業(yè)的全面和諧發(fā)展。同時(shí)，隨著智能技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用，智慧的概念逐漸延伸至各個(gè)領(lǐng)域，如智能電網(wǎng)、現(xiàn)代物流、智能交通、智慧安防、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

智能技術(shù)是用機(jī)器來模擬人的外在認(rèn)識(shí)及思想行為的技術(shù)總稱，核心是用計(jì)算機(jī)來模擬人在各個(gè)過程中的智力活動(dòng)（如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策），從而擴(kuò)大、延伸和部分替代人類的腦力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)密集型生產(chǎn)和決策自動(dòng)化。

實(shí)時(shí)要求與智能技術(shù)的結(jié)合導(dǎo)致了實(shí)時(shí)智能技術(shù)的出現(xiàn)，擴(kuò)展了傳統(tǒng)實(shí)時(shí)技術(shù)領(lǐng)域。其內(nèi)涵包括：

以功能自動(dòng)化和決策支持為目標(biāo)；

更多關(guān)注實(shí)時(shí)信息的分析、知識(shí)或規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及快速的決策反應(yīng)等；

實(shí)質(zhì)是用實(shí)時(shí)智能技術(shù)取代傳統(tǒng)的某些需要人工判別和決斷的實(shí)時(shí)任務(wù)，達(dá)到最優(yōu)化。

王宏安對(duì)此形象地描述：“在這一瞬間下雨了，你現(xiàn)在拿到傘，和你一個(gè)小時(shí)之后拿到傘的效果肯定截然不同?！薄斑^去人們解決問題不考慮時(shí)間限制，但是有的事情和時(shí)間約束是密切相關(guān)的。實(shí)時(shí)智能，我們關(guān)注的是怎樣把時(shí)間約束放到智能算法里面去。實(shí)時(shí)智能的核心問題是怎樣在具有時(shí)間約束的情況下用人工智能方法解決復(fù)雜問題?！?/p>

從“九五”開始，王宏安及其團(tuán)隊(duì)就開始在實(shí)時(shí)信息處理上傾注心血。他們成功研發(fā)了國內(nèi)第一套完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Agilor。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)采集來自不同控制系統(tǒng)或傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮與傳輸服務(wù)，具有海量實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)的壓縮、存儲(chǔ)與解壓、查詢等功能，同時(shí)具備實(shí)時(shí)事件報(bào)警、過程事故跟蹤等功能，每秒能夠處理20000個(gè)數(shù)據(jù)更新事務(wù)和完成5000條主動(dòng)規(guī)則推理。在石化、電力、冶金、航天、電信等行業(yè)200多家大中型企業(yè)得到成功應(yīng)用，受到了用戶的一致好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了與國外主流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)品同臺(tái)競爭，打破了國外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)品在國內(nèi)的壟斷格局。

在這之后，他們開始了與中國石化等單位合力打造“石化智能工廠”的征程。

石化智能工廠是為滿足我國石化企業(yè)從總部至下屬企業(yè)及工廠智能化的發(fā)展需求，面向石化產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，綜合采用先進(jìn)制造技術(shù)、智能信息技術(shù)和高效輔助決策機(jī)制為企業(yè)服務(wù)的新型生產(chǎn)運(yùn)營模式，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下石化生產(chǎn)運(yùn)營的高效、節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展，其主要特征包括泛在感知、高度集成、模型驅(qū)動(dòng)、自治能力和人機(jī)協(xié)同。在中國石化的鼎力配合與支持下，他們將研發(fā)團(tuán)隊(duì)與業(yè)務(wù)部門進(jìn)行捆綁，從企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，于“十五”和“十一五”期間，在科技部重點(diǎn)支持下，成功研發(fā)了面向大型流程企業(yè)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)軟件SMES。

SMES研發(fā)團(tuán)隊(duì)匯集了中國石化、中科院軟件所、浙江大學(xué)等單位，打破了國外技術(shù)壟斷，取得了基于工廠模型的可配置體系結(jié)構(gòu)、多層遞階物料平衡算法、事件驅(qū)動(dòng)的操作過程管理與智能報(bào)警等多項(xiàng)創(chuàng)新成果。SMES現(xiàn)已成功應(yīng)用于中國石化燕山、天津、茂名等多家特大型煉化一體化企業(yè)，并獲中國石化科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（部級(jí)），列為中國石化“十一五”重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。

據(jù)實(shí)驗(yàn)室成員劉偉博士介紹，目前這一軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于中國石化近七成煉油廠，并在“十二五”期間獲得進(jìn)一步推廣。

人機(jī)交互：如何智慧生活

Iphone是當(dāng)下備受推崇的數(shù)碼新寵，在談到人機(jī)交互時(shí)，中國科學(xué)院軟件研究所研究員田豐，首先就提到了它。

在田豐看來，iphone的熱銷，除了硬件系統(tǒng)過硬之外，更在于它人機(jī)交互方面的成功：“iphone等設(shè)備中的多指觸控不單單是交互中運(yùn)用手指數(shù)量的增加，更多的是將交互行為從離散的點(diǎn)擊交互提升為連續(xù)的手勢(shì)交互，而這些手勢(shì)，如利用手指的滑動(dòng)和輕彈來移動(dòng)和瀏覽對(duì)象，或利用兩指的捏緊或撐開來進(jìn)行對(duì)象縮放等，都是來自于我們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)中的操作方式?！?/p>

如果你認(rèn)為人機(jī)交互只限于手機(jī)或者電腦顯示屏，那你就大錯(cuò)特錯(cuò)了。

王宏安說，人機(jī)交互不光體現(xiàn)在移動(dòng)終端方面，也應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這一領(lǐng)域，有著面向國內(nèi)重大需求的應(yīng)用。

在這一點(diǎn)上，北京、河南等多所全日制小學(xué)和打工子弟小學(xué)的孩子們似乎比我們的理解更為深刻和直觀。

作為“面向發(fā)展中國家的移動(dòng)和渲染式識(shí)字研究”的國內(nèi)合作者，人機(jī)交互技術(shù)與智能信息處理實(shí)驗(yàn)室與美國的卡耐基梅隆大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校合作，利用手機(jī)等交互設(shè)備，對(duì)上百名兒童進(jìn)行用戶研究和可用性分析。發(fā)現(xiàn)相關(guān)研究成果不僅可以增強(qiáng)兒童的創(chuàng)造性、學(xué)習(xí)和協(xié)作能力，還可以幫助孩子們獲得同課堂學(xué)習(xí)一樣的效果。

田豐團(tuán)隊(duì)采用沉浸式自然交互的思路，利用中國的傳統(tǒng)文化—皮影戲的形式，將手機(jī)和其他計(jì)算設(shè)備融入其中。使孩子們可以根據(jù)提供的模板發(fā)揮想象，創(chuàng)造皮影形象。他們把像護(hù)腕一樣的傳感器戴到手腕上，就可以和同伴一起創(chuàng)造和享受在屏幕上用數(shù)字技術(shù)表演的皮影劇情。

這種方法利用兒童在日常活動(dòng)中已經(jīng)形成的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，大大提高了交互的自然性，減輕了認(rèn)知負(fù)擔(dān)，并且通過傳統(tǒng)文化的形式可以提高孩子們的學(xué)習(xí)和活動(dòng)興趣。更為重要的是，將信息技術(shù)引入到傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)和文化活動(dòng)中，帶來了傳統(tǒng)教學(xué)方式和活動(dòng)方式在角色、活動(dòng)規(guī)則、協(xié)作方式等方面的深刻變化。孩子們由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，通過爭論、判斷和自我糾正的迭代過程來學(xué)習(xí)知識(shí)，這是很難通過傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的。

除此之外，王宏安還為我們介紹了實(shí)驗(yàn)室與協(xié)和醫(yī)院合作研究的最新成果Early Warning。而這一成果，則應(yīng)該屬于智慧醫(yī)療范疇。

對(duì)于心腦血管疾病患者和高風(fēng)險(xiǎn)人群來講，治療時(shí)間窗口很重要。如何實(shí)現(xiàn)這類潛在患者的極早發(fā)現(xiàn)、極早治療，是醫(yī)務(wù)工作者十分關(guān)注的問題。通過人機(jī)交互傳感器，醫(yī)院可以實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)患者的行為，如發(fā)現(xiàn)異常，便有意識(shí)地引導(dǎo)他做一些輔助治療，并根據(jù)癥狀區(qū)別告訴潛在患者如何對(duì)癥治療。人機(jī)交互和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了心腦血管疾病的早期監(jiān)測(cè)。

目前世界各國都將人機(jī)交互作為研究重點(diǎn)，我國中長期科技發(fā)展規(guī)劃已將人機(jī)交互列為前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。然而，我們目前人機(jī)交互在國內(nèi)還處于起步階段，所產(chǎn)生的國際水平的研究成果很少。人機(jī)交互技術(shù)與智能信息處理實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域做出了開拓性的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：通過近幾年來的努力，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在ACM SIGCHI年會(huì)、ACM IUI、ACM Trans.、IEEE CVPR、RTSS、RTAS等重要期刊或?qū)W術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文200余篇；其中，大陸研究機(jī)構(gòu)發(fā)表在人機(jī)交互頂級(jí)會(huì)議ACM SIGCHI年會(huì)的11篇文章中，有5篇出自該實(shí)驗(yàn)室，在海內(nèi)外產(chǎn)生重要影響；發(fā)表在實(shí)時(shí)領(lǐng)域頂級(jí)會(huì)議IEEE RTSS06的一篇論文，實(shí)現(xiàn)了20多年來零的突破；他們還首次提出“以人為中心的信息物理融合系統(tǒng)”。

王宏安曾經(jīng)非常醉心于數(shù)學(xué)研究，卻走進(jìn)了計(jì)算機(jī)的這道門?，F(xiàn)在，他已深深喜歡上了計(jì)算機(jī)。他說，“未來人們將總是利用一些信息系統(tǒng)跟環(huán)境打交道，我們希望能夠通過我們的努力，使人機(jī)交互的信息系統(tǒng)更符合人的認(rèn)知特點(diǎn)，使人們能夠利用它改造自然、研究自然、享受自然，實(shí)現(xiàn)更好的生活，這是一個(gè)愿景?！?/p>

這樣的愿景不僅是王宏安和他的團(tuán)隊(duì)鐘情的夢(mèng)想，在IBM的“智慧地球”的夢(mèng)想中，也為中國量身打造了六大領(lǐng)域的智慧解決方案。

如果IBM的計(jì)劃得以實(shí)施，“智慧地球”對(duì)我國國家安全和信息安全可能帶來負(fù)面影響。目前，在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，我國能夠掌控的核心技術(shù)還十分有限，如果再加上傳感器和射頻標(biāo)簽的普遍應(yīng)用，由此帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)也就更加難以估量。

只有我們自己真正掌握了與“智慧地球”相關(guān)的核心技術(shù)，我們才能從容地應(yīng)對(duì)“智慧地球”可能給我國帶來的各種影響，才能真正實(shí)現(xiàn)我們心中“智慧世界”的藍(lán)圖。

中國科學(xué)院軟件研究所人機(jī)交互技術(shù)與智能信息處理實(shí)驗(yàn)室，成立于1999年1月11日，致力于自然人機(jī)交互技術(shù)的創(chuàng)新性研發(fā)，在國內(nèi)最早開展人機(jī)交互技術(shù)研究。目前，實(shí)驗(yàn)室有職工28人，其中博士學(xué)位以上人員占60%以上，高級(jí)職稱以上人員9人，博士后2人，博士、碩士研究生共59人。實(shí)驗(yàn)室出色地完成了多項(xiàng)國家級(jí)課題，其中國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目17項(xiàng)(重大、重點(diǎn)項(xiàng)目4項(xiàng))、國家973計(jì)劃課題3項(xiàng)、國家863計(jì)劃課題25項(xiàng)；研制開發(fā)了筆式操作平臺(tái)PBOP和分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Agilor(安捷http://agilor.iscas.ac.cn)；獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國科學(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國石化科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；已授權(quán)或受理的國家發(fā)明專利9項(xiàng)；在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文200余篇。