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状态感知:智能系统的起点

状态感知:智能系统的起点

中国发明协会常务理事,发明方法研究分会会长,国内著名创新方法专家、两化融合/智能制造专家,《三体智能革命》副主编,《走向智能论坛》核心专家赵敏教授

在《三体智能革命》一书中,作者给出了分析判断一个系统是否智能的五个特征,即“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。”这五条智能特征(每条4个字)就是著名的“20字箴言”。将这五条智能特征拆解开、分别组合,就能得到三个不同的智能系统级别。

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一、智能系统的定义与级别

智能系统从初级到高级,大致分成三类(或三级):

1) 初级智能系统具备三个基本特征:状态感知、自动决策、即刻执行,即有感知,自决策,善动作。其感知和决策依据通常依靠以科学效应为主的工业智能来实现(例如利用光敏传感器自动开启和调光的智能路灯,数控车床防撞刀装置等),无需嵌入计算系统;

2) 恒定智能系统具备四个基本特征:状态感知、实时分析、自主决策、精准执行。这类系统效率极高,自主工作,但是智能水平在构建时预先设定,难以改动(例如具有感知衣料特性并自动决定洗衣策略的智能洗衣机等)。这样的系统必须嵌入计算内核,嵌入软件和知识,以工业智能为主,在自主决策环节可引入少量人工智能;

3) 开放智能系统具备五个基本特征:状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。具备这五个特征的人造系统是高度智能、有一定认知能力的系统,具备了自我改善、学习提升的持续发展能力(例如具有深度学习能力、可借助网络共享知识,并自主更新和优化程序的智能机器人,阿尔法狗等)。这样的系统具备强大的计算能力,需要使用人工智能技术或认知计算技术,可以实现对大数据的分析与处理,能不断应用、积累和创造知识。

由以上分级结果可以得出几个有益的结论:

第一,不同领域的智能系统、不同的智能现象,可以统一为以上五个智能特征来描述;

第二,构建智能系统是有技术路径的,首要步骤,就是实现“状态感知”,这是任何一种智能系统都要做到的第一步;

第三,数量巨大的初级智能系统早已有之,以自动化技术为主、由长期的工业技术积累所形成的工业智能和其它智能技术所构成。初级智能系统支撑了百年以来的工业发展;

第四,尽管初级智能系统尚不能构成完整的“智能制造”,但是智能制造一定是以初级智能系统作为起点、以恒定智能系统作为中坚来构建的,人工智能全面进入制造业还有待时日。

二、形形色色“传感器”

一个智能系统,始于感知,精于计算,巧于决策,勤于执行,善于学习(摘自《三体智能革命》)。

没有“状态感知”机器无法成为智能机器(即使实现了“状态感知”,还要同时具备其它条件才能实现)。要实现“状态感知”,就需要各种各样的“感应器件”。无论是智能制造、工业4.0、工业互联网还是物联网,都离不开形形色色的传感器。作为传感器的“感应器件”其实很早以前就被人们发明了出来,并且在数千年以前就在发挥作用。

1、早期的“感应器件(效应物质)”

在没有出现“传感器”这个术语之前,早就有“具有感应功能的物质”作为“感应器件”存在,在TRIZ发明方法中把这种“具有感应功能的物质”叫作“效应物质”,即各种各样的带有科学效应的物质。如随便一块石头,可以感知到重力(物理效应),磁石中的磁场(物理效应)可以感知到方向,并且具有同极相斥、异极相吸的效应,皮毛摩擦后起静电(物理效应)可以吸附纸屑或头发、线圈中磁通量变化会产生感应电动势等。图1就是在工业革命前利用石头重力做动力的机器(笔者拍摄于柏林技术博物馆)。

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图1 利用重力做动力的机器

在图1中,具有一定质量的石头感应到了引力场中的万有引力而表现为重力(重力约等于万有引力)。在重力的作用下,石头下坠形成的拉力为机器提供了动力。在这个机器中,石头构成了最原始的人造“感应器件”。类似的工业革命前的机器系统还有水磨,有高度差、有质量的水流在重力作用下形成流动并冲击水轮,由水轮转动而形成动力,来实现磨面(或舂米)。

利用重力(和杠杆)效应做出的发明数不胜数,例如商代出现的桔槔,春秋时期的杆秤,明朝时期的钟摆,今天的塔式起重机等。

因此在“传感器”作为技术概念面世之前,早期的机器、仪器中就有了“感应器件”,如图1中的石头,罗盘上的指南针,水平尺中的水泡等。这些“感应器件”只是整机中的一个零部件,并没有专门的“传感器”专业。直到几十年前,伴随着模块化设计的兴起,传感器才从机器/仪器中分离了出来,成为了一个为整机配套的元器件专业。

2、专业元器件——传感器

传感器由国标GB7665-87加以规范和定义:“能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。其中的“可用输出信号”是指便于加工处理、便于传输利用的电信号。一般传感器都是由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。

敏感元件,就是上一小节介绍的“具有感应功能的物质”作为“感应器件”的“效应物质”。因此,传感器是由有“具有感应功能的物质”的“效应物质”发展而来的。没有科学效应(物理效应、化学效应等)物质作为感应器件,就没有传感器的存在。

常见的传感器有热敏传感器、光敏传感器、温敏传感器、力敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、磁敏传感器、味敏传感器、放敏传感器共计十大类。各式各样传感器如图2所示。

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图2 各式各样传感器(图片来自网络)

从工作原理上看,物理传感器主要是以压电、磁致伸缩、离子化、极化、热电、光电、磁电等物理效应物质做成传感器,把效应物质的被测信号量的微小变化转换成电信号;化学传感器则是以酸碱中和、化学吸附、氧化-还原、电化学反应、爆炸等化学效应物质做成传感器,把效应物质的被测信号量的微小变化转换成电信号;生物传感器是以光合效应、生物电效应、磁场生物效应、纳米生物效应、电流生物效应等生物效应物质做成传感器,用以检测与识别生物体内的各种微观成分。

3、无线传感器/网

无线传感器网络(WSN,WirelessSensor Network),是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作传感器节点(或灰尘)。大量传感器节点随机地部署在监测区域中,各个节点以自组织方式形成无线传感器网络。监测到的数据从某个传感器节点向其他传感器节点进行逐跳式传输,接收到监测数据的多个节点既可以处理数据,也可以传输发送这些数据,最后通过各种网络路由到达管理节点。用户可以在管理节点上对整个传感器网络进行管理和配置,收集监测数据或发布监测任务。

无线传感器网络的节点,如果进一步小型化和集成化,可以升级为智能微尘(SD,Smart Dust),即指集成了电脑、传感器、MEMS(微机电系统)、通信系统、电源等的一种超微型传感器,它可以自动探测周围环境参数,大量收集环境检测数据,实时进行计算处理,然后利用双向无线通信装置将收集到的数据在相距300米的微尘器件之间往来传送。当个别微尘因故障失效后,其它正常微尘能跨过这些故障微尘自动连接。智能微尘体积大约在立方毫米级别,可以大量、随意布置到诸如探测人体生命体征、建筑受力、能源用量、土壤温度、交通地图、生产效率等数据的现场环境中后,形成一张智能无线传感网。

4、大型整机类“巨型传感器”

上面提到的智能微尘已经发展到了与电脑、MEMS、网络、电源等的集成。除了智能微尘和元器件级的传感器,还有很多具有“传感器”作用的大型整机类的设备,如雷达、照相机、望远镜、电子眼、导航设备、无人机等。

这类大型设备有各国的侦查卫星/遥感卫星、美国的路基/海基X波段雷达、哈勃望远镜、LIGO孪生引力波探测器、“传感器飞机”、中国的单口径500米“天眼”超级望远镜、“空警2000”预警机等,都是整机型的“巨型传感器”。这些“巨型传感器”的作用都与元器件类型的传感器有着同样的用途,以极其敏感的感知能力、极高的感知精度来实现对观测目标的“状态感知”。

当然,有如此远距离、大范围、高精度的“状态感知”探测设备,就有大量试图规避被探测到的技术出现,这就是隐身技术。隐身技术就是“状态感知”和“反状态感知”的较量,在空中,在地面,在赛博空间,都时时在发生着。此处不再赘述。

5、由生物或人组成的“复合型传感器”

传感器的概念原本出于“模拟人的五官”,因为人具有视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉这高度发达的“五觉”,而且这五觉具有相当高的“状态感知”灵敏度和精度。同样,生物界的其他动物,也有着在某些感知上远超人类五觉的“状态感知”的灵敏度,例如,狗的嗅觉超过人类百倍,而蜜蜂的嗅觉又超过狗百倍。充分利用生物智能,也可以做出很多智能产品。

在2013年,英国警方使用蜜蜂作为传感器来缉毒获得了不错的效果。蜜蜂的嗅觉灵敏度高出缉毒犬百倍以上,其特点是闻到了毒品的味道就伸舌头,舌头可以被红外传感器探测到。于是,利用这个生物效应,人们把训练好的蜜蜂无损地固定在一个标准的塑料卡件内(如图3),每次以6个蜜蜂为一组,放在一个箱式毒品探测器内,然后用来检测行李。如果同时有3个蜜蜂伸出舌头,就说明行李中藏有毒品。这种技术明显地提高了检测成功率。

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图3 以6个蜜蜂一组来检测毒品

由人和人造设备组成“复合型传感器”在很多场合下都发挥了极其重要的作用。在第一次世界大战期间,“为提前预知德国轰炸机的到来,英国人沿着海岸部署了很多观察哨,每个观察哨都有一个大喇叭口状的装置,用于收集飞机引擎声音,然后用耳朵听,发出空袭警报。”(摘自《三体智能革命》第六章)。在2008年中国举办夏季奥运会期间,北京有很多的老年人加入了安保志愿者,他们分布在北京的大街小巷,用他们的感官和手机组成了安保的第一道“状态感知”防线,有效地阻止了类似在国外奥运火炬传递时发生过的破坏活动。

在企业的管理中,对于市场真实状态的感知(各种形式的观察、分析与调研),是一个企业能否制定出切合实际的市场营销战略的关键。在这类市场感知中所使用到的不是简单的“传感器”,但是是与元器件型传感器有着一样道理的“复合型传感器”,各个层次和专业的人与人造设备都参与在这个过程中。

“20字箴言”具有普适意义。作为第一条的“状态感知”不能出错,因为错误的市场感知,必定带来错误的市场决策以及错误的市场行动,其结果不言自明。企业管理如此,国家管理亦如此。状态感知,是实现智能决策的首要条件。

三、智能产品中的传感器

近十年来,产品的功能日趋智能,产品中加入了越来越多的传感器和智能硬件。下面给大家简介一些飞机、汽车、手机上常用的传感器。

1、飞机上的传感器

一百多年前,法国人发明了皮托管,后来演变成了飞机上的空速管,可以测量飞机相对于空气的飞行速度、气压高度(由空气压强计算飞行高度)。飞机的传感器还有:静压孔、陀螺仪、温度传感器、失速传感器、湿度传感器、迎角传感器、接地传感器、加速度传感器、结冰传感器、发动机振动量、刹车压力传感器等。现在一架民机上大约有数千个各类物理传感器和化学传感器。

现在,人已经不满足于仅仅开发飞机上的传感器,研发的目标已经拓展到了专用的“传感器飞机”,这是一个从元器件到整机的飞跃。美空军研究实验室(AFRL)正试图将传感器、数据链、关键部件和推进系统等组合成一种未来的无人机,专门在空中进行高空长航时侦查飞行。

2、汽车上的传感器

汽车电子器件越来越多地进入了车体,表现形式就是大量的电子传感器,如空气流量传感器、里程表传感器、机油压力传感器、水温传感器、ABS传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、碰撞传感器、倒车雷达、超声波探测器、红外探测器等。

特别是在最近几年强力崛起的电动车中,配置了强大的专用芯片(如NVIDIA PX2),相当于车载超级电脑,让车载计算能力有了数量级的提升,支持了高端传感器的应用。例如特斯拉新车除了常规的汽车传感器之外,还将装配“具有全自动驾驶功能”的硬件系统Autopilot 2.0(8台摄像机+12个超声波传感器+一个前向探测雷达)。摄像机可提供360度环绕视角,最大“状态感知”距离达到250米,大大提高了汽车驾驶的自动性和安全性。

3、手机中的传感器

智能手机一直通过内置各种传感器来扩展其“智能”。内置的传感器越多,手机的感知能力就越强,可以开发的应用也就越多。智能手机中的传感器有:

1) 触屏传感器:2015年出现的触屏压力感应技术,更使得触摸屏技术由二维向三维方向发展;

2) 三轴陀螺仪传感器:用于感知角速度的传感器,通过对角速度的计算可以感知运行方向的改变,可以自动旋转屏幕;

3) 加速度传感器:感知三维空间的加速度,通过对加速度的计算可以感知运动的相对速度;

4) 地磁传感器:加速度传感器中有的还配置了地磁传感器,从而能够感知地理的方向;陀螺仪、加速度、地磁三类传感器综合在一起又叫做九轴传感器;

5) GPS:也是一种判断经纬度的位置传感器。它与九轴传感器配合就实现整个空间位置的定向、定位及运动信息。

6) 距离感应器:可以红外光来判断物体的位置;

7) 气压传感器:能够对大气压变化进行检测;

8) 光线感应器:用来调节手机屏幕本身的亮度,提升电池续航能力;

9) 超声波传感器:用于检测人或设备是否可以进入某一地区或者被识别。

10) 雷达传感技术:谷歌“Project Soli”项目组研发出了可进行非接触式手势操控的手机。

11) 指纹识别、虹膜识别、3D触控、光学防抖等新技术还在持续进入智能手机。

除了上述智能产品,其实在所有的智能设备中,都有数不清的传感器在发挥着“状态感知”作用。有状态感知,就有信息的输入/输出,就有分析、决策的依据,就打通了通往智能系统的途径。正如本文前面的那句话:一个智能系统,始于感知,精于计算,巧于决策,勤于执行,善于学习。

四、小结

没有“状态感知”的机器无法成为智能机器。要实现“状态感知”,就需要各种各样的“感应器件”,这些感应器件就是形形色色、各式各样的传感器。传感器未必一定是元器件型的传感器,实际上能起到传感作用、实现“状态感知”的技术组合是多种多样的。

“20字箴言”具有普适意义。作为第一条的“状态感知”不能出错,因为错误的状态感知,必定带来错误的分析、决策过程以及错误的行动。产品/设备如此,企业管理如此,国家管理亦如此。状态感知,是实现系统智能的首要条件,是构建一个智能系统的起点。


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