基于物聯(lián)網(wǎng)中“智能物件”的智能化及其機(jī)制分析

許金葉 袁樹民

【摘要】 客觀世界中物是不具備智能的，那么，物聯(lián)網(wǎng)要“隨時(shí)隨地，何人何物”地“互聯(lián)互通”，甚至實(shí)現(xiàn)社會(huì)生活與物質(zhì)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程智能控制，其基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中植入實(shí)物中“智能物件”的智能化。基于此背景，文章主要分析物聯(lián)網(wǎng)中“智能物件”的智能化內(nèi)涵、智能生成共性核心機(jī)制及其需要解決的問題，從而為物聯(lián)網(wǎng)的“互聯(lián)互通”和遠(yuǎn)程智能控制提供理論支持。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng)；智能化；智能生成共性核心機(jī)制

雖然傳說中有寶玉通靈、鎢盆說話的故事；古代有關(guān)于模擬鐘馗捉鬼的捕鼠機(jī)關(guān)人、①指南車上的“機(jī)關(guān)人”②的記載，但是，客觀世界中物是不具有智能的。物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)“隨時(shí)隨地，何人何物”的“互聯(lián)互通”，特別是實(shí)現(xiàn)社會(huì)生活與物質(zhì)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程智能控制。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的基礎(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)中物的智能化。而物理世界中的實(shí)體不具備智能條件，這就必須嵌入一個(gè)能夠“智能化”的小物件，如：洗衣機(jī)中的定時(shí)器、心臟患者具有遙測(cè)功能的起搏器等。這類小物件一般稱為“智能物件”（smart object）。這類“智能物件”的智能化正是物聯(lián)網(wǎng)的核心。因此，本文主要分析物聯(lián)網(wǎng)中“智能物件”智能化（intelligentize） 的內(nèi)涵、智能生成共性核心機(jī)制及其需要解決的問題，從而為物聯(lián)網(wǎng)的“互聯(lián)互通”和遠(yuǎn)程智能控制提供理論支持。

一、物聯(lián)網(wǎng)中“智能物件”的智能化由來、內(nèi)涵構(gòu)成及其主要功能

（一）“智能物件”的由來

雖然“智能物件”（smart object）出現(xiàn)有很長(zhǎng)的歷史，如：我國(guó)古代的指南車上 “機(jī)關(guān)人”的發(fā)明等，但是，“智能物件”發(fā)展主要與計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)前人們經(jīng)常提到的嵌入式系統(tǒng)、普適計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、移動(dòng)通信、遙測(cè)技術(shù)（telemetry）、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)技術(shù)、電話技術(shù)、無(wú)線電話等技術(shù)成就與“智能物件”密切相關(guān)。

“智能物件”引人注意和快速發(fā)展——21世紀(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字革命。20世紀(jì)經(jīng)歷了兩次數(shù)字革命：第一次是人們發(fā)明了計(jì)算機(jī)并把它用于辦公和家庭；第二次是人們發(fā)明了因特網(wǎng)，并從根本上改變了人們同數(shù)字世界交互的方式。21世紀(jì)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字革命將物理世界和數(shù)字世界連接起來。物理世界的實(shí)體在嵌入了必要的芯片和軟件等“智能物件”后，具備了一定的感知能力、計(jì)算能力和執(zhí)行能力，成為“智能物體”。工業(yè)界預(yù)言：在未來十年里，基于物聯(lián)網(wǎng) “智能物件”的數(shù)量將以10億為單位計(jì)數(shù)。因此，“智能物件”（smart object）的認(rèn)識(shí)與了解是一個(gè)重要的問題。

（二）“智能物件”的內(nèi)涵與構(gòu)成

一般來說，智能物件可定義為：智能物件是裝備了傳感器或制動(dòng)器、未處理器、通信裝置和電源等硬件與智能軟件的設(shè)備，如圖1。

智能物件的硬件主要包括傳感器或制動(dòng)器、微處理器、通信裝置和電源等4個(gè)部分。

傳感器或制動(dòng)器（感應(yīng)器）：它們賦予智能物件與物理世界交互的能力。

通信設(shè)備：通常是一個(gè)帶有天線的無(wú)線收發(fā)器或有線接口，使得智能物件能夠?qū)⑵鋫鞲衅髯x取的數(shù)據(jù)傳輸給外界，并接收來自其他智能物件的數(shù)據(jù)，主要為智能物件提供通信能力。

微處理器：保證智能物件即使是在有限的速度和復(fù)雜度上，也能夠?qū)鞲衅鞑东@的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，運(yùn)行智能物件軟件的微處理器，實(shí)現(xiàn)智能物件的智能功能。

電源：電源與各個(gè)部件相連，為智能物件的電路供電。最常用的電源就是電池，還有壓電式電源，通過將壓力轉(zhuǎn)換成電能供電，或者小型的太陽(yáng)能電池，利用光能來供電。

智能物件的軟件是由微控制器上運(yùn)行的軟件所決定的，運(yùn)行的軟件與通用計(jì)算機(jī)運(yùn)行的軟件類似，都使用操作系統(tǒng)。程序由編程語(yǔ)言通過編譯器將代碼編譯成微控制器可以運(yùn)行的機(jī)器語(yǔ)言。當(dāng)智能物件開啟時(shí)，微控制器運(yùn)行軟件。由于功耗和成本的限制，與一般計(jì)算機(jī)相比，智能物件的內(nèi)存明顯更小。智能物件的軟件有如下特點(diǎn)：一是操作系統(tǒng)程序?。罕容^計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)來說，智能物件操作系統(tǒng)更小，占用資源更少，大型的操作系統(tǒng)無(wú)法在智能物件上使用。二是操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，由于這些操作系統(tǒng)用途更專一，它們的復(fù)雜度也明顯更小。三是不同環(huán)境下智能物件的軟件功能不一樣：對(duì)于通用計(jì)算機(jī)和智能物件，由于需求和限制不同，所以操作系統(tǒng)是不同的。

（三）“智能物件”的功能

雖然“智能物件”在不同環(huán)境下，應(yīng)用到物理世界的不同物體上，它們所發(fā)揮的功能各異，比如：模仿鴿眼的電子眼與模仿水母的超聲電子耳的功能不同；監(jiān)視集裝箱溫度的智能物件與監(jiān)視停車位的智能物件在功用上是有所差異的。但是，“智能物件”都有三個(gè)基本功能：與現(xiàn)實(shí)世界的交互能力、通信能力和智能處理信息能力。

傳感器和制動(dòng)器與外部物理世界進(jìn)行交互?！爸悄芪锛蓖ㄟ^傳感器從物理世界獲取信息，利用制動(dòng)器（感應(yīng)器）作用于物理世界，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)世界的交互。傳感器感應(yīng)外界變化，如：溫度傳感器、攝像頭設(shè)備等；制動(dòng)器進(jìn)行響應(yīng)，如LED指示燈、用于高壓電源開關(guān)切換的繼電器等。

通信是智能物件發(fā)揮功效的基本要素。對(duì)于“智能物件”來說，“智能物件”的通信能力意義重大。在智能家庭中，當(dāng)車庫(kù)門打開時(shí)意味著主人到家，控制車庫(kù)門的智能物件通過物聯(lián)網(wǎng)“告知”家庭其他智能物件“主人到家”的信息，而被告知的其他智能物件則可以打開家庭里的燈、暖氣等設(shè)備。智能物件的通信模式分為三種：一對(duì)一（one-to-one）、一對(duì)多（one-to-many）以及多對(duì)一（many-to-one）。每種通信模式適用于不同的情況，許多應(yīng)用會(huì)將幾個(gè)模式組合起來使用。

智能處理信息能力是“智能物件”智能水平的集中表現(xiàn)。如何在體積小、功效低的基礎(chǔ)上發(fā)揮微處理器的信息智能處理分析能力是當(dāng)前智能物件要解決的核心問題。普適計(jì)算（ubiquitous computing）、移動(dòng)計(jì)算（mobile computing）、分布計(jì)算（distributing computing）都逐漸應(yīng)用到微處理器中實(shí)現(xiàn)“智能物件”智能處理信息的能力。

二、“智能物件”的智能生成共性核心機(jī)制

探索人類智能的神奇，揭示人類思維奧妙，把人類的智慧能力移植（哪怕只是部分的移植）給機(jī)器，制造出能夠善解人意并能與人和諧合作的智能機(jī)器，是人類夢(mèng)寐以求的事情。因此，研究探索“智能物件”的智能生成共性核心機(jī)制不僅是“讓物聯(lián)網(wǎng)飛起來”的核心問題，更是人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。

不僅人類智能是一個(gè)奧密，人類關(guān)于智能的認(rèn)識(shí)也是眾說紛紜③。無(wú)意于概念的爭(zhēng)論，這里引用鐘義信的一種相對(duì)公認(rèn)的概念：智能，就是在給定問題、問題的環(huán)境約束和求解問題的目標(biāo)前提下，有效地獲得相關(guān)信息、把信息提煉成為相應(yīng)的知識(shí)和解決問題的策略、利用策略來解決問題，從而在滿足約束條件下成功地達(dá)到目的的能力。

智能不是神秘的東西，它是一種特殊物質(zhì)的功能，是可以被逐漸認(rèn)識(shí)的。機(jī)器（這里特指“智能物件”）本身不會(huì)自發(fā)產(chǎn)生智能，但它可以被賦予智能。正如人的智能有高有低，“智能物件”被賦予智能也有不同等級(jí)。但是所有“智能物件”一般具有智能生成共性核心機(jī)制。正如上述智能概念所述，智能是一種利用知識(shí)和信息來解決問題和達(dá)到目的的能力。這里以人的智能作為自然智能生成范例，智能生成過程可以圖2來描述。本文就是要利用機(jī)器人理論與人工智能理論來研究探索物的智能化以及物聯(lián)網(wǎng)下物的智能生成共性核心機(jī)制。

根據(jù)鐘義信的研究成果，智能的共性生成機(jī)制表現(xiàn)為“由信息到知識(shí)和由知識(shí)到智能的轉(zhuǎn)換機(jī)制”，它包括認(rèn)知機(jī)制與行為機(jī)制兩個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)制，每個(gè)轉(zhuǎn)換機(jī)制又有兩個(gè)重要轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

（一）智能生成的認(rèn)識(shí)機(jī)制

智能生成的認(rèn)識(shí)機(jī)制是指“智能物件”的信息——知識(shí)的轉(zhuǎn)換機(jī)制，它包括“智能物件”信息獲取過程環(huán)節(jié)的由本體論信息到認(rèn)識(shí)論信息轉(zhuǎn)換和認(rèn)知環(huán)節(jié)的由認(rèn)識(shí)論到知識(shí)的轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換一：由本體論信息到認(rèn)識(shí)論信息

“智能物件”信息獲取過程主要解決“在給定條件下獲得相關(guān)信息”的問題，也就是本體論信息轉(zhuǎn)換為認(rèn)識(shí)論信息的問題。本體論信息是指事物對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化方式的自述；事物的認(rèn)識(shí)論信息則是認(rèn)識(shí)主體關(guān)于該事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化方式的表述，它包括語(yǔ)法信息、語(yǔ)義信息和語(yǔ)用信息。從本體論信息到認(rèn)識(shí)論信息的信息轉(zhuǎn)換就是“智能物件”的信息獲取過程。

轉(zhuǎn)換二：由認(rèn)識(shí)論到知識(shí)的轉(zhuǎn)換

“智能物件”認(rèn)知環(huán)節(jié)主要解決如何從信息提煉知識(shí)的問題。事物的認(rèn)識(shí)是認(rèn)識(shí)主體關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化規(guī)律的表述。信息經(jīng)過規(guī)律化提煉才能夠成為知識(shí)。從信息提煉知識(shí)的過程，就是“從具體現(xiàn)象到抽象規(guī)律”的去偽存真的歸納過程，即從同類事物的大量具體“狀態(tài)變化方式”經(jīng)過歸納處理，抽象出反映其中“狀態(tài)變化規(guī)律”的過程。“智能物件”認(rèn)知環(huán)節(jié)獲取的知識(shí)有形式化知識(shí)、內(nèi)容性知識(shí)和價(jià)值性知識(shí)。

（二）智能生成的行為機(jī)制

智能生成的行為機(jī)制是指“智能物件”的信息——行為的轉(zhuǎn)換機(jī)制，它包括“智能物件”決策環(huán)節(jié)由知識(shí)到策略的轉(zhuǎn)換和執(zhí)行環(huán)節(jié)由策略到智能行為的轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換一：由知識(shí)到策略的轉(zhuǎn)換

“智能物件”在決策環(huán)節(jié)主要解決知識(shí)如何轉(zhuǎn)換成策略的問題。知識(shí)僅是關(guān)于事物的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，而策略則是根據(jù)在目標(biāo)的引導(dǎo)下把知識(shí)激活為求解問題的對(duì)策。

轉(zhuǎn)換二：由策略到智能行為的轉(zhuǎn)換

“智能物件”在執(zhí)行環(huán)節(jié)主要解決如何把策略轉(zhuǎn)換為執(zhí)行的問題，因?yàn)橹悄懿粌H是智能的生成過程，更重要的是智能應(yīng)用的過程，只有把智能策略轉(zhuǎn)換成智能行為，才能使實(shí)際問題得到真正的解決。

三、物聯(lián)網(wǎng)中“智能物件”的智能化需要關(guān)注的問題

任何新生事物的發(fā)展都不是一帆風(fēng)順的，都會(huì)碰到各種各樣的問題，物聯(lián)網(wǎng)“智能物件”的智能化過程同樣有技術(shù)性與非技術(shù)性的挑戰(zhàn)。這里只是簡(jiǎn)單提出，以引起關(guān)注，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的發(fā)展。

（一）“智能物件”的能耗、體積大小、成本問題

“智能物件”一般是嵌入式系統(tǒng)，都被希望如吹風(fēng)機(jī)、汽車窗戶中隱藏的電動(dòng)機(jī)一樣隱藏在所嵌入的實(shí)體中，都要求是體積小的物件。但是，“智能物件”的維持智能化過程的電源一般都希望能夠持續(xù)、穩(wěn)定，有的甚至?xí)r間長(zhǎng)度是年、十年等生命周期，它又要求“智能物件”的體積大。當(dāng)然，成本問題是越低越好。因此，對(duì)“智能物件”的材料、能耗、體積大小、成本是在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中需要認(rèn)真解決的實(shí)際問題。

（二）“智能物件”通信暢通中的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化問題

物聯(lián)網(wǎng)中通信暢通是“智能物件”智能生成的關(guān)鍵保障?！爸悄芪锛北倦y于相互聯(lián)系，它們必須通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互溝通。因此，“智能物件”的網(wǎng)絡(luò)化便是個(gè)首要問題。同時(shí)，由于“智能物件”數(shù)量眾多，是個(gè)海量級(jí)的數(shù)量，同時(shí)，因?yàn)樗幁h(huán)境與應(yīng)用性質(zhì)不同，“智能物件”呈現(xiàn)差異性狀態(tài)。“智能物件”通信暢通存在網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的問題。

“智能物件”的通信主要是解決如何加入網(wǎng)絡(luò)，特別是因特網(wǎng)?！爸悄芪锛眱?nèi)部構(gòu)件與數(shù)量、“智能物件”形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與機(jī)制、“智能物件”網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模與穩(wěn)定性，特別是“智能物件”網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)聯(lián)接中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（internet protocol， IP）如何由傳統(tǒng)的IPv4過渡到IPv6等都是“智能物件”網(wǎng)絡(luò)化需要考慮與解決的問題。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)中感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層所涉及的大量數(shù)據(jù)必須通過相應(yīng)的接口按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行連接，這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)和信息的管理標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)都是“智能物件”通信暢通中的難點(diǎn)之一。

（三）“智能物件”智能化過程中交互與協(xié)同的智能控制問題

“智能物件”智能化是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基點(diǎn)與核心。但是，基于感應(yīng)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層“智能物件”智能化過程并不是一個(gè)自發(fā)完成的過程，它存在著許許多多“人—機(jī)—物”三要素之間的交互作用過程，這就需要進(jìn)行協(xié)同的控制。而且，這個(gè)協(xié)同的控制必須是一個(gè)由人或“智能物件”或計(jì)算機(jī)共同協(xié)同的智能控制過程。因此，必須對(duì)“人—機(jī)—物”控制模式、“人—機(jī)—人” 控制模式、“物—機(jī)—物”控制模式、“物—機(jī)—人”控制模式等進(jìn)行智能化，同時(shí)，探索它們之間的協(xié)同智能控制。這些都是當(dāng)前面臨的主要問題。

【參考文獻(xiàn)】

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