時政熱點：把握新一代信息技術的聚焦點
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作者：中國科學院院士、西安交通大學教授 徐宗本
內容提要：數(shù)字化、網絡化、智能化是新一輪科技革命的突出特征，也是新一代信息技術的核心。數(shù)字化為社會信息化奠定基礎，其發(fā)展趨勢是社會的全面數(shù)據(jù)化。數(shù)據(jù)化強調對數(shù)據(jù)的收集、聚合、分析與應用。網絡化為信息傳播提供物理載體，其發(fā)展趨勢是信息物理系統(tǒng)(CPS)的廣泛采用。信息物理系統(tǒng)不僅會催生出新的工業(yè)，甚至會重塑現(xiàn)有產業(yè)布局。智能化體現(xiàn)信息應用的層次與水平，其發(fā)展趨勢是新一代人工智能。目前，新一代人工智能的熱潮已經來臨。
習近平同志在2018年兩院院士大會上的重要講話指出：“世界正在進入以信息產業(yè)為主導的經濟發(fā)展時期。我們要把握數(shù)字化、網絡化、智能化融合發(fā)展的契機，以信息化、智能化為杠桿培育新動能。”這一重要論述是對當今世界信息技術的主導作用、發(fā)展態(tài)勢的準確把握，是對利用信息技術推動國家創(chuàng)新發(fā)展的重要部署。
人類社會、物理世界、信息空間構成了當今世界的三元。這三元世界之間的關聯(lián)與交互，決定了社會信息化的特征和程度。感知人類社會和物理世界的基本方式是數(shù)字化，聯(lián)結人類社會與物理世界(通過信息空間)的基本方式是網絡化，信息空間作用于物理世界與人類社會的方式是智能化。數(shù)字化、網絡化、智能化是新一輪科技革命的突出特征，也是新一代信息技術的聚焦點。數(shù)字化為社會信息化奠定基礎，其發(fā)展趨勢是社會的全面數(shù)據(jù)化;網絡化為信息傳播提供物理載體，其發(fā)展趨勢是信息物理系統(tǒng)(CPS)的廣泛采用;智能化體現(xiàn)信息應用的層次與水平，其發(fā)展趨勢是新一代人工智能。
數(shù)字化：從計算機化到數(shù)據(jù)化
數(shù)字化是指將信息載體(文字、圖片、圖像、信號等)以數(shù)字編碼形式(通常是二進制)進行儲存、傳輸、加工、處理和應用的技術途徑。數(shù)字化本身指的是信息表示方式與處理方式，但本質上強調的是信息應用的計算機化和自動化。數(shù)據(jù)化(數(shù)據(jù)是以編碼形式存在的信息載體，所有數(shù)據(jù)都是數(shù)字化的)除包括數(shù)字化外，更強調對數(shù)據(jù)的收集、聚合、分析與應用，強化數(shù)據(jù)的生產要素與生產力功能。數(shù)字化正從計算機化向數(shù)據(jù)化發(fā)展，這是當前社會信息化最重要的趨勢之一。
數(shù)據(jù)化的核心內涵是對信息技術革命與經濟社會活動交融生成的大數(shù)據(jù)的深刻認識與深層利用。大數(shù)據(jù)是社會經濟、現(xiàn)實世界、管理決策等的片段記錄，蘊含著碎片化信息。隨著分析技術與計算技術的突破，解讀這些碎片化信息成為可能，這使大數(shù)據(jù)成為一項新的高新技術、一類新的科研范式、一種新的決策方式。大數(shù)據(jù)深刻改變了人類的思維方式和生產生活方式，給管理創(chuàng)新、產業(yè)發(fā)展、科學發(fā)現(xiàn)等多個領域帶來前所未有的機遇。
大數(shù)據(jù)的價值生成有其內在規(guī)律(服從大數(shù)據(jù)原理)。只有深刻認識并掌握這些規(guī)律，才能提高自覺運用、科學運用大數(shù)據(jù)的意識與能力(大數(shù)據(jù)思維)。大數(shù)據(jù)的價值主要通過大數(shù)據(jù)技術來實現(xiàn)。大數(shù)據(jù)技術是統(tǒng)計學方法、計算機技術、人工智能技術的延伸與發(fā)展，是正在發(fā)展中的技術，當前的熱點方向包括：區(qū)塊鏈技術、互操作技術、存算一體化存儲與管理技術、大數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)編程語言與執(zhí)行環(huán)境、大數(shù)據(jù)基礎與核心算法、大數(shù)據(jù)機器學習技術、大數(shù)據(jù)智能技術、可視化與人機交互分析技術、真?zhèn)闻卸ㄅc安全技術等。大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展依賴一些重大基礎問題的解決，這些重大基礎問題包括：大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學基礎與計算理論基礎、大數(shù)據(jù)計算的軟硬件基礎與計算方法、大數(shù)據(jù)推斷的真?zhèn)涡耘卸ǖ取?/span>
實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略是推進數(shù)據(jù)化革命的重要途徑。自2015年我國提出實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略以來，我國大數(shù)據(jù)快速發(fā)展的格局已初步形成，但也存在一些亟待解決的問題：數(shù)據(jù)開放共享滯后，數(shù)據(jù)資源紅利仍未得到充分釋放;企業(yè)贏利模式不穩(wěn)定，產業(yè)鏈完整性不足;核心技術尚未取得重大突破，相關應用的技術水平不高;安全管理與隱私保護還存在漏洞，相關制度建設仍不夠完善;等等。當前，應采取有效舉措解決制約我國大數(shù)據(jù)發(fā)展的瓶頸問題。
網絡化：從互聯(lián)網到信息物理系統(tǒng)
作為信息化的公共基礎設施，互聯(lián)網已經成為人們獲取信息、交換信息、消費信息的主要方式。但是，互聯(lián)網關注的只是人與人之間的互聯(lián)互通以及由此帶來的服務與服務的互聯(lián)。
物聯(lián)網是互聯(lián)網的自然延伸和拓展，它通過信息技術將各種物體與網絡相連，幫助人們獲取所需物體的相關信息。物聯(lián)網通過使用射頻識別、傳感器、紅外感應器、視頻監(jiān)控、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息采集設備，通過無線傳感網絡、無線通信網絡把物體與互聯(lián)網連接起來，實現(xiàn)物與物、人與物之間實時的信息交換和通信，以達到智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的目的�；ヂ�(lián)網實現(xiàn)了人與人、服務與服務之間的互聯(lián)，而物聯(lián)網實現(xiàn)了人、物、服務之間的交叉互聯(lián)。物聯(lián)網的核心技術包括：傳感器技術、無線傳輸技術、海量數(shù)據(jù)分析處理技術、上層業(yè)務解決方案、安全技術等。物聯(lián)網的發(fā)展將經歷相對漫長的時期，但可能會在特定領域的應用中率先取得突破，車聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網、無人系統(tǒng)、智能家居等都是當前物聯(lián)網大顯身手的領域。
物聯(lián)網主要解決人對物理世界的感知問題，而要解決對物理對象的操控問題則必須進一步發(fā)展信息物理系統(tǒng)(CPS)。信息物理系統(tǒng)是一個綜合計算、網絡和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，它通過3C(Computer、Communication、Control)技術的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)對大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務。通過人機交互接口，信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)計算進程與物理進程的交互，利用網絡化空間以遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作的方式操控一個物理實體。從本質上說，信息物理系統(tǒng)是一個具有控制屬性的網絡。
不同于提供信息交互與應用的公用基礎設施，信息物理系統(tǒng)發(fā)展的聚焦點在于研發(fā)深度融合感知、計算、通信和控制能力的網絡化物理設備系統(tǒng)。從產業(yè)角度看，信息物理系統(tǒng)的涵蓋范圍小到智能家庭網絡、大到工業(yè)控制系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)等國家級甚至世界級的應用。更為重要的是，這種涵蓋并不僅僅是將現(xiàn)有的設備簡單地連在一起，而是會催生出眾多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的設備，下一代工業(yè)將建立在信息物理系統(tǒng)之上。隨著信息物理系統(tǒng)技術的發(fā)展和普及，使用計算機和網絡實現(xiàn)功能擴展的物理設備將無處不在，并推動工業(yè)產品和技術的升級換代，極大地提高汽車、航空航天、國防、工業(yè)自動化、健康醫(yī)療設備、重大基礎設施等主要工業(yè)領域的競爭力。信息物理系統(tǒng)不僅會催生出新的工業(yè)，甚至會重塑現(xiàn)有產業(yè)布局。
智能化：從專家系統(tǒng)到元學習
智能化反映信息產品的質量屬性。我們說一個信息產品是智能的，通常是指這個產品能完成有智慧的人才能完成的事情，或者已經達到人類才能達到的水平。智能一般包括感知能力、記憶與思維能力、學習與自適應能力、行為決策能力等。所以，智能化通常也可定義為：使對象具備靈敏準確的感知功能、正確的思維與判斷功能、自適應的學習功能、行之有效的執(zhí)行功能等。
智能化是信息技術發(fā)展的永恒追求，實現(xiàn)這一追求的主要途徑是發(fā)展人工智能技術。人工智能技術誕生60多年來，雖歷經三起兩落，但還是取得了巨大成就。1959—1976年是基于人工表示知識和符號處理的階段，產生了在一些領域具有重要應用價值的專家系統(tǒng);1976—2007年是基于統(tǒng)計學習和知識自表示的階段，產生了各種各樣的神經網絡系統(tǒng);近幾年開始的基于環(huán)境自適應、自博弈、自進化、自學習的研究，正在形成一個人工智能發(fā)展的新階段——元學習或方法論學習階段，這構成新一代人工智能。新一代人工智能主要包括大數(shù)據(jù)智能、群體智能、跨媒體智能、人機混合增強智能和類腦智能等。
深度學習是新一代人工智能技術的卓越代表。由于在人臉識別、機器翻譯、棋類競賽等眾多領域超越人類的表現(xiàn)，深度學習在今天幾乎已成為人工智能的代名詞。然而，深度學習拓撲設計難、效果預期難、機理解釋難是重大挑戰(zhàn)，還沒有一套堅實的數(shù)學理論來支撐解決這三大難題。解決這些難題是深度學習未來研究的主要關注點。此外，深度學習是典型的大數(shù)據(jù)智能，它的可應用性是以存在大量訓練樣本為基礎的。小樣本學習將是深度學習的發(fā)展趨勢。
元學習有望成為人工智能發(fā)展的下一個突破口。學會學習、學會教學、學會優(yōu)化、學會搜索、學會推理等新近發(fā)展的元學習方法以及“AlphaGo Zero”在圍棋方面的出色表現(xiàn)，展現(xiàn)了這類新技術的誘人前景。然而，元學習研究還僅僅是開始，其發(fā)展還面臨一系列挑戰(zhàn)。
新一代人工智能的熱潮已經來臨，可以預見的發(fā)展趨勢是以大數(shù)據(jù)為基礎、以模型與算法創(chuàng)新為核心、以強大的計算能力為支撐。新一代人工智能技術的突破依賴其他各類信息技術的綜合發(fā)展，也依賴腦科學與認知科學的實質性進步與發(fā)展。
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