信息技术的明天

杨海波

今天我给大家讲的是现代信息技术的两大研究方向，一个是网络方向，另一个是智能处理方向。首先我介绍一下通信和网络发展的简史。

所谓通信，就是信息的传输或者交换。其实我们日常生活中的讲话也是一种通信，一种信息的交流。通信技术在古代就已经存在了。举个例子，古代的时候，我们要送一封信，一般是通过人骑着马把信送到远方去。这种方式显然速度比较慢，可能从北京到这里至少得一个星期。

我们的祖先是非常聪明的，他们想出了一些方法，比如说把要传播的信息转化为一种信号，举个例子，秦始皇建造了长城，在长城上每隔几百米就会有一个烽火台。这个烽火台有什么作用呢？就是说如果外敌入侵了，士兵就可以放一堆火，那么在几公里以外的人看到这堆火以后就知道外敌入侵了，他也放了一堆火，告诉下一站的人，用这种方式，可以比较快地把信息传到几百公里以外，甚至几千公里以外。在古代，用烽火台来通信是比较好的一个思想。

接下来我们来看看近代，到了19世纪，人们开始运用电力。我们知道，电的传播速度是非常快的，在理想条件下，每秒钟可以传送近300000公里。如果我们要传输的信息可以通过电来传递，那么信息传输的速度就非常快了。在19世纪，美国有个科学家叫贝尔，他首次用电来传输信息，我们叫做贝尔的有线电话系统。贝尔有线电话系统的主要原理是把我们的声音通过麦克风转化成了一种电信号，然后通过电线来传递，在接收端把电信号再还原成声音。他最大的贡献是做了一个传感器，实现了声音和电的转化，然后通过电线来传递我们想要传递的一些信息。

19世纪末，意大利有个科学家马可尼发明了无线电报系统，前面的贝尔是通过电线来传播信息的，他是有线系统，马可尼的主要贡献是他首次用无线电来传输信息。无线电传输信息的好处就是不受空间的限制。如果是有线的，必须在电话机的旁边才能进行通信，无线的话在野外都是没有问题的，突破了时间和空间的限制。马可尼的无线电报系统现在还在使用，由于现在网络比较发达，电报使用相对而言减少了。但在战场上，无线电报还是非常有用的。

接下来我们来看看现代通信技术。现代通信技术最大的一个突破就是大量地使用了网络技术。

再接下来我们来看看网络技术的优点，即可以节省很多线路。在我们的生活中，比如公交线路，大家知道在杭州市区，实际上汽车的直达线路并不是很多，如果两个站点之间都有直达线路，那么公交线路就会很多很多，但是实际上我们不是这样做的，我们会在中间设一个点，比如说武林门设了一个中转站，通过换乘我们的公交线路就可以大大地减少，当然对我们来说可能会麻烦一点，中间要下个车，中转一下。如果你是直达线路，乘坐的人是方便了，但是线路太多了。

我们的通信网络也是这样，通过在中间设几个节点，实现交换功能，就可以大大地减少一些线路，减少了很多的成本，不然我们打电话可能要20元或是30元一分钟，这样的话我们就打不起电话了。

接下来我们看看在现实生活中主要使用的三大类网络，第一类是电信网络，第二类是互联网，第三类是有线电视网络。

我们首先来看第一类电信网络。电信网络主要是用来打电话的，他里面又分为两大类，第一类是固定电话网络，第二类是移动通信网络。固定电话网络如中国电信运营的固话网络，其实贝尔发明的有线电话网络也可以称之为网络，但是有一个很大的不同就是当时的中间节点不能自动实现信息的传输，需要通过人工的接续。我小的时候，在邮电局里面有话务小姐，你打电话是先打给她的，她再帮你接到你想要打过去的地方，如果从这里打到宁波去，中间可能要经过很多个话务小姐，就是一个个接过去的，现在这种话务小姐只有你在打单位分机的时候才会用得到，打公用网是不需要的，因为在我们这个公共网中接续的过程是程控交换机实现的，以前是通过人工来实现的。80年代发明了程控交换机，就可以自动实现接续了。第二个比较大的网络就是移动通讯网络，移动通信网络和固定电话网络相比增加了无线的功能。我们大家都知道，手机是无线的，我们可以随时随地通信，不受电话线的束缚，还有就是实现了位置管理功能，也就是说我们拿着这个手机，到了一个新的地方的时候，手机会把自己的位置告诉网络，所以说大家无论在什么地方，北京、西藏，甚至到国外去，别人打电话给你都是可以接到的，因为你的手机到了新的地方都会把自己的位置告诉移动网络，这样网络就可以把信号传给你了，这就是位置管理。所以我们的手机具有定位功能，相信大家都是听说过的，当然它也会有一定的误差，大概在几百米范围内。这些是电信网络，它主要是实现语音传播的。

第二类网络是互联网，相信大家也是不陌生的，现在我们每天都在用。互联网一开始是科学家使用的，是在研究科学的过程中，有些科研资料需要互相传输、互相交流、实现资料的共享，由此发明了互联网。后来，很多人发现，互联网除了科学研究可以使用，在我们的工作、生活中都可以广泛使用。例如我每天都会发邮件，这是互联网带给我的很大的一个好处。后来在互联网上发展了很多娱乐功能，现在我们可以在上面看小说、看电影、QQ聊天。

第三类是有线电视网络，大家也是比较熟悉的，家里面看电视的时候都会用到这个网络。我们以前看电视都不是使用有线电视网络的，很早时候的电视主要是用天线接收下来的信息来播放电视节目的，那时候家里有电视机的家庭，在他们的屋顶上都有天线，现在很少看到了，但是我们那个时候看电视就是通过这个天线进行信号的无线接收。那时候的电视机有两个问题，第一个问题是因为它是通过天线进行接收的，所以信号的干扰会比较多，我们看的时候只有两三个台是清楚的，其他台都是很模糊的，有的电视台离得比较远，那么得到的信号也会比较差一点，有时候刮台风，天线就会被刮倒，这个时候电视就看不了了，而且要重新调整；还有就是以前的电视节目不像现在的电视节目那么丰富，我的印象中十个台都没有，那时候看电视也不是一两个人、两三个人一起看，我小的时候看电视，一个电视机几百个人一起看，现在就没有那么多人看了，因为现在的电视节目太多了，比如我家有50—60个台，然后观众的注意力都分散了。用有线进行传递，实现了宽带传播，电视信号就可以传播到很远的地方，电视节目也就变多了。这是我们现在使用的网络。

接下来我们来看看现在的通信网络发展的趋势。首先第一个发展趋势就是宽带化，宽带化在我们很多网络都已经实现了，比如说互联网就是实现了宽带化，用光纤来传播，这就实现了宽带化，有些网络本身就是宽带网络。现在提的比较多的就是在无线网络上，特别是在移动网络上怎么实现宽带化。我想大家应该都听过3G，这个网络是移动通信网络。我们同学使用的手机网络大多数都是窄带网络，我们现在的手机可以上网，但是速度很慢，你打开一个网页很慢，因为它最大只能实现30—50kb／s的传输速度，这样的话打开一个图形化的网站速度是非常慢的。我们如果把3G的网络铺开来，这个时候我们上网的速度就会很快了，因为3G网络铺开来，最大可以达到2M带宽，可以和有线网络媲美了，我们还可以使用可视电话，就是指我们在打电话的时候可以看到对方的样子。还可以上一些网站，到时候还会出现一些联网的手机游戏，这些手机游戏和电脑上玩一样效果，因为它使用了大量多媒体传输，就是我们下面将要讲到的第二个特点——多媒体传输。

因为有了宽带化，所以我们在网络上就实现了多媒体传输，实现了信息的大量传输，这也是我们未来通信的一个趋势。不管是在互联网上，在移动网络上，我们都要实现多媒体传输，有了它，我们就可以实现无线上网，实现可视电话等功能，实现网上下载电影，用手机下载一些视频节目、一些电影来看，这就是多媒体传输。

第三个趋势就是三网合一，我们刚刚讲到了三个网络，一个是电信网络，一个是互联网络，第三个是有线电视网络，以后这三个网络可能会统一起来。我们现在就可以看到一些例子，大家现在应该知道的，互联网本身是传送数据业务的，但是互联网上也是可以打电话的，我们常说的IP电话就是在互联网上传送语音业务，以前电话是在通信网络中传播的，现在在互联网上传播就是一个融合，两个网络的功能在融合。反过来，电信网络本来是传送语音信息的，但是实际上，电信网络也可传输数据，比如用电信网络来上网，大家可能知道我们可以使用电话线来拨号上网，就是用电信网络来传送数据信息。IP电话是在互联网络上传输语音信息，拨号上网是在电信网络上传输数据信息。实际上，在有线电视网络上也可以打电话，有线电视网络上也可以上网，那这样的话就是三个网络统一起来了。也有人说，以后我们三个网络可以合并成一个网络，那么这样的话家里面装修会方便很多。现在装修时线很多，一个是网线、一个是有线电视线，以后的话只要一条线就够了。一条线既可以来看电视，也可以来上网，还可以来打电话，这些功能都统一在一起就实现了三网合一。有人把这条线和电力线放在一起了，就是说我们可以用电力线来上网，这样的话就和我们照明的线联系在一起了，那么只要一条线就可以了。那连网线、电话线都不需要了，可以用电力线来实现上网。那么这是多网合一。

现在我们来看看通信网络里较多的物联网。什么叫物联网呢？物联网就是把世界上所有的物体都联系起来。以前我们用的像电信网络、互联网这些由人来使用的网络。电信网建好之后，是我们人来打这个电话，互联网主要也是我们人来上网。而以后这个网主要是用物品来上网，比方说用这个桌子来上网、这个电灯来上网……这个世界上的任何东西我们都要用它来上网。

我给大家举些例子。第一个例子是网络家电，那么网络家电是什么意思呢？就是我们家里用的这些家电，像电冰箱、电热水器、电饭煲……这些家用电器我们都让它上网，这样的话，我们人来控制它就会很方便了，甚至这些家用电器之间还可以交换想法之类的。那么我给大家举个例子，现在大家用的还比较少，但以后可能会发展起来。这个因为是一个新的东西，用的人还不多，但有些人已经提出了一些想法。具体来说，我们家里面用的电热水器，我们都知道它需要一个加热的过程，特别是冬天的时候是比较慢的，大概需要半个小时。你如果是在外面，像我现在在树人大学，我回去要洗澡了，为了节省时间，我可以给家里的热水器打个电话，叫它先把水烧起来，这样的话我一到家马上就可以洗澡了，不用等了。那么电冰箱也是一样的，我现在想知道我的电冰箱里面存放的东西有几样，现在我要打开电冰箱看一下，以后的话只要打个电话给电冰箱，那电冰箱就会告诉我里面放了几样东西、存放的时间、什么东西要热一下……我想以后这个厨房里的电器如果自动化程度高一点，也许还可以自动烧菜的。那么我们把这个菜弄好之后，可以打个电话给烧菜的机器，给它一个菜谱，让它按照这个菜谱来烧，它就帮我烧好了。这些家电上网之后，我们人和家电之间就进行交流了，家电跟家电之间也可以通信。也许说电冰箱会打个电话给烧菜的机器，它说“我把冰箱里的某样东西拿出来你去烧一下”。这就实现机器之间进行通信了。这个是网络家电的概念。

现在不是很多，大家听到的也不是很多，那么以后的话可能会发展起来。一些比较大的公司，像三星、海尔、西门子这些比较先进的大型家电公司都在研究这方面的东西。

第二个是我们商品的网络。现在超市里面的购物车上会有的机器，这个机器，你只要把东西放进去，我们把每个商品，像是洗衣粉、醋这些商品上都贴了一个电子芯片，然后我就可以跟这些芯片交流了。这些芯片构成了一个网络，你把商品放到购物车里的话，就知道你现在要买什么东西了，然后在这个屏幕上算出了价格，结账的时候推着这个车过去就行了，不需要排队了。

现在大家知道超市里最烦的就是付款时经常要排队，特别是大的节日的时候，中秋节、国庆节超市里面买东西的人是很多的，就要排队。那有了这样东西之后就方便了，你把这样东西放进购物车之后就帮你算好了，你自己也比较清楚你现在已经要多少钱了。如果你不要的话也可以把它拿出来，因为它不是给你结账，只是帮你把账算好了。结账的时候，直接把车推出去，钱已经从卡里刷出了。不用像现在一件一件商品地去刷，我们现在用的是条形码，条形码是距离很近地接触，你把这个商品扫描进去，速度非常慢。而这个东西可以把几十件、几百件商品在一瞬间读进去，是非常非常方便的。

不单是结账的时候方便，这个商品里面贴了电子标签，实际上它是电子芯片。有了电子芯片后，我们就可以查它这个商品的来源，它的来龙去脉都能知道。因为我们知道最近三鹿奶粉事件搞得很大，所以我们非常担心食品安全的问题。我们现在吃的很多东西其实都是有问题的，只是有些还没有曝光出来。我们希望在每个商品上贴这个电子芯片，到时候你扫描这些商品的时候就可以知道这个商品的整个加工过程。像这个奶粉它是从哪个奶牛场里出来的、中间经过了那些环节……它都在数据库里有记录，这样商品的整个过程，从生产、运输整个环节，一直到超市里放的过程都非常清楚。就防止了在中间过程中一些不法商人进行的一些违法操作，每个过程都有记录可寻，增加了食品的安全性。这个东西有些超市里也已经使用了，以后可能会普遍地采用，这就是商品网络。

第三个是车辆的网络。车辆的网络是我现在准备研究的东西，也是车辆的智能化问题。我们知道以后汽车跟汽车之间也有通信，当我们道路的视线被树给遮住了，如果汽车之间也有通信的话，像我们转弯的时候，这个小汽车它转弯的时候没有看到大卡车，因为它被树给遮住了，如果有通信功能的话，大卡车发个信息给小汽车“我这边要过来了，到时候小汽车要稍微踩一下刹车，要避一下”。要是没有通信功能，你这个车还是速度比较快的话就会撞了。在弯角的时候我们可以提前知道一下就好了。其实很多东西，像我在研究的比方说一个人他喝醉酒了，他在驾车的过程中跟另外一辆车靠得很近的时候，如果另外一辆车告诉它踩个刹车，那就可以代替人来驾驶。不同车辆之间把信息告诉给对方的话对整个车辆周围的情况会提前知道，那么这对交通安全是非常非常重要的。这就是车辆网络。

还有农作物的网络我们叫精准农业。什么叫农作物网络？农作物也可以上网，我们种的菜、黄瓜都能上网。这有什么好处呢？我原先也是在宁波农村里长大的，所以我知道种地的时候都要水、化肥，每个农作物都需要的，都用的很多。这样的话其实浪费了很多，我们原先可能没有感觉，现在慢慢有这种感觉了。水也是一种资源，最好是农作物渴了，给它喝点水，它不渴的时候就不要给它喝水。现在不是这样，现在是不管它渴不渴，就给它很多的水，这实际上是很浪费的。

这个技术现在有些国家用得很好，如以色列，以色列是阿拉伯地区，有的地方是沙漠，水是非常宝贵的。它的农业现代化或者说是信息化程度是很高的，它的精准农业是全世界最发达的。每个农作物都给它上网，你渴了我就给你灌溉一点，你不渴我就不给你；然后这个化肥都是控制好的，你要多少我就给你多少，你需要的时候我才给你；温度、湿度都是有机器来控制的。然后整个网络我们都可以来监控，农作物的情况怎么样？是不是生病了，或是饿了？整个农作物都是给你控制好的。我们这样发展下去，如果水资源也很紧张的话也会这样的。比如施肥、浇水效率会很高，不会发生浪费的现象。因为有的时候施肥施多了也没有好处，就像人如果给你十碗饭的话你也吃不下，施肥的话也要施到恰到好处。

还有就是身体的网络，这在医学里面用得很多。我以前读书的时候，机械系的一些老师告诉我利用一些非常小的机器人来动手术，这些机器人比头发丝还细，我们叫做MEMS，就是微电机系统。它可以用针打到你的血管里去，这样的话如果你的血管里有什么问题就可以用这个小机器人给你动这个手术了。我受这个启发，有一些设想、梦想。我以前去做过胃镜，胃镜是非常难受的。有些同学可能也尝试过，胃镜是一根很粗的管子，插到你的胃里去，这是非常难受的。我设想以后应该有一种技术，我们把摄像机做得非常非常小，通过吃颗药，吞下去到了胃里以后摄像机就打开了，这样就把你胃里的东西拍下来，然后通过无线通信的方式传给医生看，那这样就非常好了。

我的一些设想现在还在研究，如果你消化系统出问题，吃颗药就可以了；如果是血液循环系统的话打两针就可以了。我们的小机器人可以在里面通过遥控的方式或是智能化操作把手术动好，你如果是消化系统问题的话就直接排出体外去了。这样对病人来说就减少了很多痛苦，以后这个技术应该能够实现，这就是身体网络。

前面我们主要讲通信的技术，接下来我们讲一下智能处理技术。这是两个比较大的技术，其实通信网络技术大家看得比较多了，智能处理技术发展得比较慢一点，因为它的技术含量比前面的通信技术还要高，里面还有很多东西现在研究得还不是很成熟，可能还有待于同学们以后去研究了。这个技术很多地方才刚刚开始，还很不成熟。

我们首先来看智能技术里面第一个技术，即识别技术。识别技术就是由我们这个机器自动地来判断外部的客观世界看到的一些东西或者来解释是什么，简而言之就是客观世界的描述，这就叫识别技术。比如说人脸跟动物的脸能够区分开，这就是识别技术。

识别技术有很多，如图像的识别、声音的识别、气味的识别等，研究得最多的应该是图像的识别。因为我们知道感觉器官里面，视觉到的信息是最多的。大家都知道眼睛看到的是视觉，耳朵是听觉，手、皮肤是触觉，还有舌头感觉到的是味觉。但是感觉最丰富的应该是视觉，我们人类接触到的外部感觉的70%都是通过视觉来感觉的，其他感觉占30%。你眼睛睁开来，信息就进来了，味觉你必须要把东西放到嘴巴里去吃一下才知道这个东西是甜是咸，我想你这么多的东西不可能都用舌头去吃吧，但是眼睛一下子就都看到了。所以说视觉信息最丰富，所以我们从事信息行业的人研究最多的是图像的识别。

其实图像识别技术发展的历史还不是很长，我想也就是四五十年的工夫。最早用于图像预处理，使图像更清晰、易读，接着在医学上得到了广泛应用，用于重建人体器官，再后来才发展到图像识别。图像识别最初用于军事领域，然后逐渐向民用发展。

首先我们要讲的是道路识别，即机器能找到一条道路，并清楚地知道道路上是否有障碍物以及障碍物的位置，道路识别可用于无人驾驶，在军事领域的应用可减少人员伤亡，在民用领域可大大提高车辆驾驶自动化。

接下来我们谈谈人脸识别，即通过计算机提取人脸特征，识别每个人的身份。人脸识别可用在考勤、门禁等系统中，可以防止冒名顶替现象。在北京奥运会中，就将人脸识别系统用于入场观众的身份识别。

最近几年表情识别技术也取得了很大进展，例如在车辆辅助驾驶中，采用表情识别技术检测驾驶员的疲劳状态。通过对驾驶员眼球和头部运动的跟踪，可以实现驾驶员疲劳状态的检测，在驾驶员疲劳时采取警告或替代驾驶等措施。

虹膜识别也是近年来身份识别的热点研究课题。由于世界上没有两个人的虹膜是一模一样的，因此虹膜可用于表征一个人的身份，由于虹膜是长在眼睛上的，因此相对来说虹膜也较难窃取。

手写识别目前已部分应用，手写识别的好处是可以加快输入速度，目前在手机、PDA等电子产品中已获得一定应用；手写识别还能将手写文本转换为机器可识别的符号存储到计算机中。

指纹识别也是一种很好的身份识别方法，与虹膜类似，世界上没有两个人的指纹是一模一样的，因此指纹也可用于身份的表征，与虹膜类似，指纹识别技术同样可用于考勤和门禁等系统，并且由于指纹在人身上，所以也较难窃取。

近二十年来国际上有很多科技人员开展了语音识别技术的研究，目前该技术获得了一定应用。语音识别技术可用于人机界面，实现用语音操控机器，语音识别技术还可用于机器自动地翻译某个人的话语。

最后我们谈一下人工智能技术，人工智能就是用计算机模拟人的思维过程。专家系统是人工智能的一种典型应用系统。在专家系统中一般采用规则推理等技术模拟人的思考过程。例如在医学专家系统中，如果满足体温偏高、肺部有阴影，我们就推测该病人可能得了肺炎。专家系统在农业、工业等各个领域都获得了广泛的应用。目前专家系统的难点是如何自动地提炼规则，很多专家正在研究各种机器学习方法以便从更多现象中提炼出各种推理规则。