"人-機(jī)-物智能"的挑戰(zhàn)、思考及應(yīng)用實(shí)踐

1   智慧城市與人-機(jī)-物智能

隨著以信息技術(shù)、人工智能（AI）為代表的新興科技快速發(fā)展，我們正在進(jìn)入“人-機(jī)-物”三元融合的萬物智能互聯(lián)時(shí)代。為了實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-物的互聯(lián)互通，是否可以找到類似TCP/IP協(xié)議等計(jì)算機(jī)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)元素，并研究它們的共性，以服務(wù)智慧城市（智慧交通、智慧社區(qū)、智慧家庭等）應(yīng)用？

但是現(xiàn)在還沒有什么核心技術(shù)和關(guān)鍵理論（后面會(huì)有楊天若教授理念的簡單介紹）。為什么還沒有什么相關(guān)理論？因?yàn)槿臻g的差異很大。三元空間主要由三部分組成：信息空間、物理空間和社會(huì)空間。

●   信息空間：主要是計(jì)算、通信、控制，特點(diǎn)是離散的、邏輯的、數(shù)字化的。

●   物理空間：是自然的、人造的系統(tǒng)，受自然規(guī)律支配，具有時(shí)間連續(xù)性。

●   社會(huì)空間：是人在社會(huì)交往中形成的空間，為人類思考、行動(dòng)、感知、交互和協(xié)作提供平臺。

可見，在這三個(gè)空間中，每個(gè)空間有自己的學(xué)科，例如信息空間有電子、計(jì)算機(jī)等，物理空間有物理、材料、化學(xué)等，社會(huì)空間有社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等。但是沒有一個(gè)學(xué)科能夠把這三個(gè)空間融合。

當(dāng)然，我們非常希望出現(xiàn)愛因斯坦這樣的天才形成一套理論，但目前還沒有。不過，這三個(gè)空間的融合已勢在必行。目前已有兩個(gè)空間之間的融合，例如如果以信息空間為基礎(chǔ)，與社會(huì)空間相融合，有情境感知、基于用戶行為的主動(dòng)服務(wù)等，未來有元宇宙等；如果以信息空間為基礎(chǔ)，與物理空間進(jìn)行融合，就是物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等。

三個(gè)空間的融合可以更好地為我們提供前瞻性、個(gè)性化的服務(wù)。

圖：人-機(jī)-物智能的發(fā)展階段

2   人-機(jī)-物智能面臨的挑戰(zhàn)

人工智能當(dāng)前發(fā)展迅猛。楊天若教授認(rèn)為有幾個(gè)發(fā)展階段。

第一階段。傳統(tǒng)人工智能階段，是在信息層面和邏輯方面去做。

第二階段。但是后來人們發(fā)現(xiàn)有很多問題解決不了，因?yàn)樯窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)是從物理世界得到啟發(fā)而來的，后來受到了社會(huì)空間的影響，現(xiàn)在到了技術(shù)融合的智能階段。為什么？人工智能發(fā)展了這么多年，可解釋性和基本理論實(shí)際上沒有本質(zhì)上的提高。但為什么現(xiàn)在人工智能特別火？并不是因?yàn)閺?qiáng)人工智能的發(fā)展，而是因?yàn)槿跞斯ぶ悄埽慈?機(jī)-物智能的蓬勃發(fā)展。人-機(jī)-物智能不一定非要像人一樣能夠思考，但是能行使部分職能，因此目標(biāo)較小，較容易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在由于有強(qiáng)大的算力，豐富的應(yīng)用場景，無處不在的通訊，使人-機(jī)-物智能變得無處不在。

挑戰(zhàn)一：缺乏人-機(jī)-物智能的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)

物理空間、信息空間、社會(huì)空間的差異巨大，怎么進(jìn)行融合？盡管目前還沒有什么理論，但有一個(gè)方法可以嘗試，即從數(shù)據(jù)入手。數(shù)據(jù)是三個(gè)空間的一個(gè)共同點(diǎn)：每個(gè)空間都會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這是一條可行之路。因此，是否可以從這些空間中提取出一種系統(tǒng)化的方法？以下楊天若教授介紹了怎么去做仿真。

按照這個(gè)思路，如果想做一件事情不可能一蹴而就，是一個(gè)逐步迭代提高的過程。因此可以先設(shè)計(jì)一個(gè)人-機(jī)-物系統(tǒng)，可以借鑒EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）的方法?，F(xiàn)在EDA的方法是從上到下、從高層到低層（gate級，門級）。

是否可以設(shè)計(jì)一套像EDA的方法，把人-機(jī)-物系統(tǒng)做統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，使三個(gè)空間能夠互通融合？

楊天若教授的思路是：首先進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行系統(tǒng)分析，然后產(chǎn)生出智能決策，之后再快速做自動(dòng)化；再做一次；不斷地周而復(fù)始，以達(dá)到理想的人-機(jī)-物系統(tǒng)。

挑戰(zhàn)二：怎樣進(jìn)行融合？

如果這個(gè)理論/方法論可行，就有幾個(gè)相關(guān)的問題需要考慮。

第一，怎么去做自動(dòng)化設(shè)計(jì)？做嵌入式的人都知道，設(shè)計(jì)電子電路用EDA工具，同樣，我們能不能做類似EDA的人-機(jī)-物系統(tǒng)？答案是肯定的。楊天若教授團(tuán)隊(duì)做了“Petri網(wǎng)的超空間流”模型。

第二，怎么進(jìn)行融合？現(xiàn)在大部分人做的還是大數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大就行了，把原來的方法拿過來套用，但是缺乏一個(gè)整體的方法論。有沒有一個(gè)整體系統(tǒng)的方法能夠更好地把它們進(jìn)行融合？

挑戰(zhàn)三：怎樣反饋、自適應(yīng)、迭代學(xué)習(xí)？

第三，怎么能夠反饋、自適應(yīng)、迭代學(xué)習(xí)？即做出基于高階Petri網(wǎng)的張量反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)人-機(jī)-物智能系統(tǒng)的自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

主要是以上三個(gè)方法。楊天若教授主要介紹前兩點(diǎn)。第一，準(zhǔn)備做一個(gè)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法，第二，對多模態(tài)進(jìn)行分析。

3   人-機(jī)-物智能的關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)一：系統(tǒng)級設(shè)計(jì)方法

人們熟悉的EDA軟件是怎么做的：從上到下，一開始寫Verilog HDL（硬件描述語言），或者用一些最簡單的Python或C語言，它會(huì)自動(dòng)地編譯生成出中層語言，然后到高層語言、到gate，最后逐步自動(dòng)化生成。

那么，是不是可以做成“人-機(jī)-物系統(tǒng)”這種自動(dòng)化系統(tǒng)？于是楊天若教授團(tuán)隊(duì)就往這個(gè)方向來做。首先把想要的部分用高層、C語言/簡單的語言來進(jìn)行簡單的描述，然后自動(dòng)化生成一個(gè)中間模型，之后經(jīng)過映射，最后再優(yōu)化，并逐步迭代，生成一個(gè)系統(tǒng)。

做完之后，再做數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析里有一個(gè)挑戰(zhàn)：怎么具體進(jìn)行設(shè)計(jì)自動(dòng)化？楊天若教授團(tuán)隊(duì)已做了一套整體系統(tǒng)，像EDA一樣從上到下，已經(jīng)做出了初步原型，現(xiàn)在正在逐步把它商業(yè)化。

關(guān)鍵技術(shù)二：多模態(tài)數(shù)據(jù)分析方法研究

這也是一個(gè)有意思的點(diǎn)，即怎樣做數(shù)據(jù)分析？現(xiàn)在人們做數(shù)據(jù)分析，無非視頻歸視頻，圖像歸圖像，輸入文本歸文本，最后再合起來，因?yàn)楝F(xiàn)有的方法都是各自獨(dú)立的。那么，有沒有一種理論或方法能夠把這幾個(gè)部分合在一起？

楊天若教授團(tuán)隊(duì)采用了張量模型。很多人在大學(xué)時(shí)學(xué)過向量、矩陣、張量。張量是一種高階高維的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，優(yōu)勢如下。

①可表示。不管是什么樣的異構(gòu)數(shù)據(jù)：結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，可以想辦法把它們都納入到一個(gè)框架之下。也許它們的階數(shù)不同（3階、4階或5階），因?yàn)閿?shù)據(jù)的特征不一樣，但是它們是可以歸納在一個(gè)框架下的。

②可操作。有很多矩陣?yán)碚?，例如矩陣分解、矩陣加減乘除取余，張量也同樣如此，只不過是更高階的，有很多數(shù)學(xué)理論可用。

③可計(jì)算/存儲(chǔ)?，F(xiàn)在有很多硬件來支持，例如張量核、TPU等。

④可以做分析。實(shí)現(xiàn)推薦、預(yù)測、聚類和分類等。

這樣可以做到張量的融合。盡管數(shù)據(jù)、知識、智慧、服務(wù)等每一層都可做，但每層之間是割裂的，有沒有一個(gè)理論能夠把這幾層打通？因?yàn)橛行┲R可以反饋到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以反饋給知識，知識可以反饋給服務(wù)，但是有沒有一種方法論能把它們統(tǒng)一起來，使它們之間可以互操作？它的表述還是傳統(tǒng)的方法。

圖：基于張量模型的人-機(jī)-物大數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表示

現(xiàn)在就用這種張量的表述方法來表示原始數(shù)據(jù)，也可以把知識來進(jìn)行更高階的知識表示與認(rèn)知和推理。不一定是知識圖譜，傳統(tǒng)的、高科技的都可以，然后可以用數(shù)學(xué)方法對它進(jìn)行一些操作、融合，還有很多的理論可以使用。

根據(jù)此理論，楊天若教授發(fā)展了一整套根據(jù)張量的表達(dá)方式，做表征、分解、特征提取，包括張量和深度計(jì)算。

例如做深度學(xué)習(xí)時(shí)有這種現(xiàn)象：輸入時(shí)是一個(gè)向量，無論怎樣的特征數(shù)據(jù)，都要把它割裂成向量，然后輸出來進(jìn)行學(xué)習(xí)。

可以想象一下原來的數(shù)據(jù)，如果是更高階的表示/張量的形式，那么直接進(jìn)行學(xué)習(xí)，效果是否會(huì)更好？確實(shí)這樣更好。從張量的深度學(xué)習(xí)到知識圖譜，都可以用一整套的張量理論來進(jìn)行學(xué)習(xí)，而得出來的效果也確實(shí)比較好。

但是還有一個(gè)問題：張量計(jì)算的特點(diǎn)是計(jì)算量特別大（因?yàn)槭歉唠A的），TPU能夠很好地去彌補(bǔ)這種缺陷。這里重點(diǎn)提一下TPU。TPU是谷歌最近推廣的一種處理器，T就是Tensor（張量）的意思，TPU即張量處理單元?？梢园押芏鄰埩窟\(yùn)算放到TPU里去做，有些不適合的放在GPU里去做，或者放在CPU里去做，以此使異構(gòu)計(jì)算能夠更好地幫助進(jìn)行計(jì)算。

4 應(yīng)用案例

楊天若教授團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做了一些項(xiàng)目，例如在湖北和江蘇的智慧交通場景得到了實(shí)際應(yīng)用，并在為海南自貿(mào)港項(xiàng)目做研發(fā)。

●   智慧交通

與常州市公交以及湖北交投合作，其“人-機(jī)-路/車”是一個(gè)典型的人-機(jī)-物的系統(tǒng)。第一步，怎么去做系統(tǒng)設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)完后怎么去做數(shù)據(jù)分析？然后進(jìn)行反饋。

例如在人-車-路的大數(shù)據(jù)中，有天氣、路線、公共汽車上的視頻等都是非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)怎么融合？通過張量分析模型，最終可以做到線路分布、客流分析和預(yù)測等。楊天若教授領(lǐng)銜的項(xiàng)目從2016年開始就已經(jīng)用到了江蘇省常州市公交的200多條線路上，公交車2000余輛，每年累計(jì)服務(wù)量近億次。

第二個(gè)案例是湖北交投的智慧交通，高速路的綜合監(jiān)管平臺和智慧服務(wù)區(qū)也是以數(shù)據(jù)為中心的。

●   智慧自貿(mào)港

海南自貿(mào)港計(jì)劃在2025年封關(guān)，封關(guān)以后有很多智慧應(yīng)用，涉及如何使各種應(yīng)用互聯(lián)互通。

設(shè)想遠(yuǎn)程仍然采用上述這種模式：第一，先做總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)分析，再進(jìn)行決策，回來之后進(jìn)行迭代的提高，最終使設(shè)計(jì)出來的應(yīng)用能夠真正地達(dá)到互聯(lián)互通的目的。

海南大學(xué)成立了協(xié)同創(chuàng)新中心，由多個(gè)學(xué)院、近100支團(tuán)隊(duì)組成。這些團(tuán)隊(duì)根據(jù)整體思路分成了不同的方向。有的做基礎(chǔ)產(chǎn)品，例如材料與器件、通信芯片、傳感芯片、網(wǎng)絡(luò)等。楊天若教授團(tuán)隊(duì)主要做系統(tǒng)設(shè)計(jì)，把人-機(jī)-物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行有效的集成，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這是以張量人工智能為主要特色的分析、預(yù)測、決策。當(dāng)然也不排除別的方法，其他團(tuán)隊(duì)從另外的角度來做，最終都會(huì)提供這種決策。安全也非常重要，有三支團(tuán)隊(duì)分別去做密碼安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全。

這些工作最終是為了服務(wù)自貿(mào)港應(yīng)用。自貿(mào)港的應(yīng)用是由一些典型的應(yīng)用組成的，例如智慧導(dǎo)航、熱帶農(nóng)業(yè)、深海探測、水下網(wǎng)絡(luò)、智慧養(yǎng)老、離岸金融等，這些都是海南的主要特色。

5 結(jié)束語

希望這些整體的思路和應(yīng)用能夠應(yīng)用起來，真正達(dá)到人們所期望的智慧應(yīng)用、互聯(lián)互通的目的。