第三章 黑箱方法和人工智能

星期二上午。骄阳似火。

小伙伴们约好在信息研究所大门口会面。

陈细敏爸爸的一位同学，现在是信息研究所的副所长，他叫于为民。通过细敏的联系，小伙伴们今天去信息研究所参观、学习，并由于为民伯伯为他们介绍信息研究所的有关工作及研究情况。

早上 9 时整，丁大力、王永明和陈细敏按约准时到了。他们通过门卫爷爷的指点，向所长办公室走去。

信息研究所坐落在市区的一座幽静的花园中。所长办公室就在花园中小白楼的第二层。

于伯伯正在认真地批阅着文件，同时等候着小伙伴们的到来。 “伯伯早上好！”小伙伴们很有礼貌地向于伯伯问候。 “早上好！你们先请坐！”于伯伯一边请小伙伴们坐下，一边给他们倒

水喝。

“你们来得很准时啊！细敏和我说，你们正在学习有关信息科学方面的知识，想到我们所来进一步了解有关如何研究信息科学，以及信息科学的研究目标方面的情况。

“你们小小的年纪，对信息科学这门新兴的学科有如此浓厚的兴趣，我感到很高兴，同时也十分欣慰。如果有更多的小朋友对信息科学感兴趣，那么，我们的事业就后继有人了。

“今天，我特意安排出一天时间，很高兴为你们作些介绍。” “于伯伯，您在百忙中抽出时间为我们讲解信息科学方面的知识，真太

打扰您了。”王永明抱歉地说。 “没关系！这也是给我一次推广、普及信息科学知识的机会，也是我的

份内事啊！我们还是来谈谈信息科学吧！” “信息科学诞生的时间虽然不长，但是，信息科学在它自己的发展过程

中，已经形成和建立了一个独立而且是相对完备的科学方法论体系，成为现代科学方法论的重要组成部分。信息科学方法论，完全是应信息科学研究工作的需要而逐渐形成和发展起来的。它反映了 20 世纪科学认识方法的重大进步和突破，具有深刻的划时代的意义。”

“于伯伯，您能不能和我们谈一下，什么是攸科学方法论？”王永明喜欢探究事物的基本概念。

“信息科学方法论的具体内容主要有三个方面，即信息分析综合方法、行为功能模拟准则和系统整体化准则。”

“我先来讲讲信息分析综合方法。信息分析综合方法也简称为信息方法，它是运用信息的观点，把系统看作为借助于信息的获取、传送、加工、处理而实现它有目的性运动的一种研究方法。”

“从这种方法的本质来看，它与传统的经验方法不同，具有它自身的特点。而这一特点是由信息科学的性质所决定的。可能你们已经知道了，信息科学是一门多边缘的横断学科，因此它具有综合性的特点，它研究的对象是从各种复杂的不同的系统中抽取出来的统一的信息关系。因此说，信息方法的特点是由信息科学本身所具有的综合性而决定的。”

“于伯伯，您能不能把信息方法的主要特点给我们讲得具体些？”丁大

力急于想知道这具体的特点是什么。 “好的。信息方法的特点主要有两个。第一个特点是以信息为基础，把

系统的运动看作是抽象的信息变换过程。所谓以信息为基础，就是以信息的运动作为分析的处理问题的基础，完全撇开研究对象的具体运动形态，把系统的有目的的运动抽象为信息变换过程。”

“这样做的目的，是可以从系统对信息的接收和使用过程中来研究对象的特性，研究系统与外界环境之间的信息输入和输出的关系，从而可以把不同的对象加以类似研究。当我们用信息方法来分析研究复杂的系统时，能量和物质都可以不予考虑，唯独重视信息与控制。例如，人脑和计算机是两种不同的物质运动形态，如果用信息方法去研究这两个不同的系统，就可以发现它们之间的对应关系和共同本质。比如，人脑由 100 多亿个神经细胞组成， 而电子计算机由许多电子器件组成；人脑的神经细胞可以处于兴奋和抑制两种状态，而电子计算机则有接通或断开两种状态；人脑利用神经脉冲从外界获得信息、传递信息、加工处理信息，而电子计算机则利用电脉冲获取信息、传递信息、加工处理信息。由于它们都具有上面所说的一般的共同特性，因此，可以撇开它们的具体的不同的运动状态，而把它们看作是一个信息变换系统，把它们的内部运动过程看作是抽象的信息变换过程，这样，就可以为利用机器模拟或代替人脑的某些功能提供科学的依据。”

“第二个特点是直接从整体出发，用联系、转化的观点，综合研究系统的信息过程。与传统的经验方法不同，信息方法不是割断系统的内在联系， 用孤立、静止、局部的观点去研究事物，也不是在剖析的基础上进行机械的综合，而是用联系、转化的观点，综合研究系统运动的信息过程。用这种信息方法对复杂事物进行研究时，就不必对事物的整体结构进行解剖分析，仅仅从复杂事物信息的流程加以综合考察，就可以获得有关系统的整体性的性能和知识。然而，这种系统的整体性的性能和知识用简单的剖析和综合方法则是不可能取得的。”

“因此说，信息方法是现代科技领域中研究事物的复杂性、系统性、整体性的一种重要的方法。”

“信息方法既然与传统的经验方法相比有它突出的特点，那么它有些什么作用呢？”陈细敏想进一步了解新的知识。”

“关于信息方法的作用有很多，但是概括起来，不外乎以下三点。” “第一，信息方法揭示了机器、生物有机体和社会物质运动形态之间的

信息联系。”

“客观世界中存在着多种多样的复杂系统，如技术领域中的通信系统、电子计算机系统，有机界中形形色色的动植物系统，社会生活中的经济管理、交通管理系统，等等，利用信息方法进行考察，都可以把它们看作是信息系统。这些系统都存在着信息的接收、传递、处理、存贮和使用的变换过程， 我们可以从中发现，这些系统之间有着某些共同的信息联系。”

“第二，信息方法揭示了某些事物的规律，能对传统的科学方法难以处理的现象作出科学的解释。”

“生物学史上，对遗传现象的解释，一直是个没有解决的难题。比如， 兔子的受精卵为什么一定生成兔子，而不是生成狗或鱼？人们用信息方法解释遗传现象，获得了成功。按照遗传的信息理论，兔子的卵子或精子中包含的是兔子的遗传信息，这种信息随着受精卵的生长发育而通过代谢作用，控

制着各种蛋白质的合成，最终形成了兔子而不是狗，也不是鱼。这里，决定因素是卵子所获得的是不是兔子的遗传信息，以及在信息变换过程中，遗传信息的传输通道畅通无阻，并不断地由反馈信息来控制保证达到生成兔子的预定目标。信息方法科学地解释了遗传现象的根本原因。”

“第三，信息方法为实现科学技术、生产、经营管理、社会管理的现代化提供了强有力的手段。”

“尽管人类在社会中的生产活动方式千差万别，但都存在着三个共同的流通过程，即劳动力组成的人流，生产资料、劳动资料组成的物流，组织、计划、指令、协调、控制等为达到预定目标的管理过程中的信息流。任何实践活动都离不开这三股流，信息流在实践活动中起着很大的作用，它调节着人流和物流的数量、方向、速度、目标，驾驭着人和物作有目的有规则的活动。可以说，如果没有信息，就谈不上管理。”

“随着多功能电子计算机的发展，信息方法的运用已经渗透到人们实践活动的许多领域，如社会生活、经营管理等领域。人们可以用电子计算机组成一个科学技术情报中心，将有关科学技术情报资料形式化、信息化，并存贮在计算机情报中心，科研人员如果需要某项科研的有关资料，只要通过电话询问，很快就能得到他所需要的一切有关文献资料。一个医生如果遇到疑难病例，通过电话询问有关医学情报中心的电子计算机网络，就可以知道目前的最佳治疗方案和处方等。”

于伯伯一边说，一边走到办公室内的一台计算机前面：“这台计算机连通着我们研究所图书馆的数据中心，我们所图书馆内的所有藏书都可以在这台计算机上查到。”

“在这台计算机上，我们可以查阅到想要借阅的书吗？”丁大力好奇地问。

“当然可以。有了它，我们不仅可以免去查阅图书馆目录卡片的麻烦， 而且既快，又不会疏漏。你们谁来试试看。”

“我来！”陈细敏新奇地抢先说。

于伯伯调试好了机器，让陈细敏坐在操作台前。这时，计算机屏幕上出现了一行字：

要查作者名还是书名？ “于伯伯，我怎么回答它呢？”细敏不知所措了。 “你就通过键盘告诉计算机，你想要查阅的对象。” “我要查书名。”细敏边说，边将要求输入了计算机。这时，计算机屏幕上又出现了一行字：

请告诉作者姓名。

细敏想了一会儿，将爱因斯坦的名字输进了计算机。

此时，屏幕上立刻显示出了图书馆所收藏的爱因斯坦著作的全部目录。三个小朋友看到这么快就能查阅到所要找的书，即惊奇又兴奋，真切地

感受到了信息方法的实际应用给人类带来的美好前景。于伯伯看着小伙伴们满意的神情，接着说：

“你们看，信息方法为现代科学的认识打开了一扇新的大门，许多过去无法认识的问题都充满了新的希望，许多过去无法实现的事情，也都有了有效的实现方法。”

“于伯伯，信息科学方法论的第二个内容，行为功能模拟准则又是指什

么呢？”丁大力很想了解下一个内容。 “行为功能模拟准则又简称为功能准则。它是信息方法的一个实施性的

准则。具体含义是，在利用信息分析方法理解自然系统工作机制的基础上， 在利用信息综合法来综合相应的人工系统的时候，应当对它的自然系统进行功能上的模拟。也就是说，用行为的相似性，从功能上来模拟自然系统的信息过程以及它与环境相互作用的方式。这样，即使我们对于自然原型系统的结构并不清楚，所用的材料和能量形式也与原型系统并不相同，也仍然有可能从功能上，从信息特征上来模拟原型系统，使综合出来的人工系统具有与原型系统相同或相近的功能，从而达到信息综合方法所追求的目标。

“这是信息方法的一个重要发展和实用化，它告诉我们应当怎样进行信息的分析和综合。

“我们曾经把这种方法叫做黑箱方法。” “什么叫做黑箱呢？”丁大力迫不及待地问。

于伯伯说：“顾名思义，黑箱可以理解为是一个黑洞洞的箱子，里面漆黑一团，什么也看不见。为了让你们能了解黑箱方法，对这种方法有一个形象的认识，我先从‘大脑之谜’的难题说起吧！”

于伯伯指了指墙角木架上放着的一个人脑模型，接着说： “‘大脑之谜’也称为‘身心问题’，在科学研究上，是一个长期没有

得到圆满解答的难题。多少科学家倾注了各种各样的探究和思索，提出了种种假设和理论，但是对于思维究意怎样从物质中产生出来，大脑功能的具体活动的机制是什么，还仍然说不清楚。”

“人们可以用物理的分割，研究物质的结构与属性；也可以用化学的分解和化合来了解不同物质的成分。但是，这类方法对大脑思维功能的研究却束手无策。如果按这法制要求，把大脑打开，解剖分析，那么，即使我们获得了一些知识，但这些也仅仅是对失去了思维功能的大脑物质的认识。”

“我们大家都知道，只有当大脑是活着的有机体的一部分时，才会表现出思维活动的种种功能。生命停止了，思维功能就不存在了。如果按刚才所讲的用物理或化学的方法，研究也就没有什么意义了。很明显，用传统的方法来研究大脑的功能是行不通的。这样，在科学研究面前，大脑的思维功能就成为一个只看见它的外表和表现，而不能深入到它的内部了解它的功能发生过程和机制的难题。这个问题，就好像面对一个不能打开的箱子一样，里面的一切对于我们来说是黑的，一无所知的。”

“类似‘大脑之谜’这样的难题，在科学研究和日常生活中还有很多。我们常说‘知人知面不知心’，也说明了对人的认识，是不能等到看见了人的心或大脑的内部结构后才能了解，人的内心的许多活动实际上也就是大脑的活动。对于这类问题，显然必须寻找新的研究途径，开辟新的研究道路。在这方面，我刚才讲到的黑箱方法，就为这类研究提供了可能。”

“什么是黑箱方法呢？黑箱方法就是指当一个系统的内部结构不清楚， 或者根本无法弄清它的内部结构不清楚，或者根本无法弄清楚它的内部结构的时候，借助从系统的输入来看系统的输出，而无须考虑系统内部的结构状态的一种方法。换一句话说，就是不打开黑箱，利用外部的观测、试验，通过输出的信息，来研究黑箱的功能和特性，探索它的构造和机理的一种科学方法。”

“如果说人是一个‘知人知面不知心’的黑箱，那么，这个黑箱完全可

以通过‘听其言，观其行’而‘知其心’。运用这种行为分析方法，就可以从功能上描述复杂系统对环境影响的反应方式，从而达到对对象的功能认识。这种方法最重要的特色是，它只是从功能上描述复杂系统对环境影响的反应方式，而没有必要去分析系统内部的组成元素和结构。正是这一个特点， 对于研究类似‘大脑之谜’这样的问题，无疑是提供了一条新的道路。大脑正是一个黑箱，运用黑箱方法，完全可以通过对输入和输出的分析了，了解并认识大脑思维的功能。”

“黑箱方法太有意思了。我们平时是不是可以经常应用它来研究问题呢？”王永明问道。

“当然可以。实际上，在日常生活中，我们都在不知不觉地应用着这种方法，就拿我前面的那张办公桌来说吧，我只知道它有四条腿，能够写字、办公，能有抽屉放文件就成了，并不需要了解它的内部结构。又比如，我们天天要看电视，如果说，看电视必须要懂得电视机内部的结构和工作原理才行，那么，这就麻烦了，恐怕能够看电视的人并不太多，至于看彩电的人就更是寥寥无几了。然而，人们虽然不懂得电视机内部的情况，但却知道按动哪个开关可以开关电视，调整哪些开关可以达到所需要的效果。这也是在运用黑箱的方法。”

“生活中利用黑箱的方法很多，你们谁还能举出一些其它的例子？”于伯伯想试探一下，看小伙伴们是不是掌握了关于黑箱方法的知识。

“让我来试试看。”王永明思考了一下，慢悠悠地说：“我就举个锁的例子吧。我们每家都有锁，每天出门都要用它。锁的内部构造并不是每个家庭成员都清楚的，但就是小孩子也懂得怎样利用钥匙来开锁。”

“说得很对。”于伯伯高兴地接着说：“最能代表黑箱方法运用的是中医看病。中医看病主要是通过‘望、闻、问、切’等外部观测作出诊断，开出处方。有时，遇到疑难杂症，可以先投给试探性的药物，观察病人的反应， 然后在原有的处方上加加减减，不断从病人的反应中作出诊断，一经抓住病症便大剂量下药。这种与西医不同的方法，根据人体的输入、输出进行辩证论治，正是一种典型的黑箱方法。”

“从上面举出的一些例子中，可能你们已比较清楚地了解什么是黑箱方法。”

“于伯伯，从色彩的观点来说，有黑就有白，既然有‘黑箱’，是不是还有‘白箱’呢？”王永明一边专心地听于伯伯讲解，一边在积极地思考问题。

“当然有的。除了‘黑箱’、‘白箱’外，还有‘灰箱’。‘黑箱’的概念是相对而言的。对于内部结构可以直接观察到的系统，就称为‘白箱’。比如我手中拿着的圆珠笔，它是由笔壳、笔芯、弹簧等组成的。”

于伯伯边说边圆珠笔分解开来：“你们看这圆珠笔，我们对于它的内部结构可以直接观察到，那么，我们就将这个圆珠笔系统称为‘白箱’。”

“对于内部结构可以部分直接观察到的系统，称为‘灰箱’。”

于伯伯随手从办公桌抽屉中拿出了一瓶药说：“就拿这瓶药来说吧，我们只知道这瓶药可以治胃病，它是由一些中药制成的，我们可以从瓶贴上知道药片中各种中药的成分，但是各种中药所含的比例我们却无法了解到，因此可以说，这瓶药对我们来说只是‘灰箱’。‘黑箱’、‘白箱’、‘灰箱’ 都是相对于人这个认识主体来说的。客观事物本身并没有所谓‘黑’‘白’、

‘灰’之分，而人对事物内部结构的认识却有一个不知道与知道、知道不多与知道较多的区别。对于不同的人，同一件事物可能是黑箱，也可能是白箱或灰箱。例如，一辆汽车，对于某些人来说，它的内部结构和机理一无所知， 是黑箱；但对汽车专业人员来说，则是白箱；还有一些人对汽车的基本结构和机理略知一二，但又不十分清楚，对这些人来说，就是个灰箱了。对同一个人来说，许多原来是黑箱的事物，由于认识能力的提高，很可能逐渐转化为灰箱甚至白箱。我们认识事物的过程实际上就是事物由‘黑’变‘白’的过程，我们从小到大，一辈子都在跟黑箱打交道。”

“既然我们在不知不觉中都在跟‘黑箱’打交道，那么，我们在应用黑箱方法时，是不是需要有目的地注意些什么问题，以便我们能更好地分析和研究事物呢？”细敏探寻着新的问题。

“当然需要的。一般来说，我们在具体使用黑箱方法时，应该注意以下三个步骤。

“第一步，把所要研究的对象从周围环境中相对地‘分离’出来，以便确认‘黑箱’。”

“由于任何现实的研究对象都不是孤立存在的，它与周围着错综复杂的相互联系、相互作用，所以，必须把作为‘黑箱’的研究对象从环境中分离出来，以便于进行研究。就是说，把黑箱从环境中分离出来的时候，不仅要判明它与环境之间的分界，同时还必须对它与环境之间的各种相互作用加以纯化，撇开次要的作用，突出主要的作用。把黑箱所受到的环境的主要作用， 看作是对黑箱的输入，把黑箱对环境的主要作用看作是黑箱的输出。这样， 我们就得到了一个黑箱系统。”

“第二步，考察黑箱的输入、输出及其动态过程。” “通常采用观察和试验的方法来考察黑箱。观察是在对系统不加干预的

情况下测量它的输入和输出，而试验是有目的地在输入端加入某种典型的测试信号，然后再观察它的输出情况。在考察黑箱的过程中，对输入和输出不仅要有内容的规定，并且还要把这种规定加以数量化，以便能够定量地分析所研究对象的功能特性和行为方式。”

“第三步，建立模型，阐明黑箱。” “这是黑箱方法的关键性步骤。依据观察和试验所取得的系统输入和输

出的数据，以及原来的对黑箱的认识，建立起黑箱模型，然后对模型加以研究，对黑箱的功能特性进行定性与定量、静态与动态的分析评价，对系统的未来行为作出预测，并且对黑箱的内部结构和机理作出某些推测。”

“从这三个基本步骤来看，黑箱方法与传统的方法相比，是有它的独到之处的，但也难免有它的欠缺之处。因为它强调了外部观测和整体功能，因而也就放松了系统的内部构造和局部的细节。为了全面地认识客观事物，需要兼顾全局和细节，了解系统的功能和结构。因此，应该把黑箱方法同其它科学方法结合起来，取长补短，灵活运用。”

“黑箱方法在我们的学习、工作和生活中太有用了！”丁大力感慨地说。“确实是这样的。因此掌握黑箱方法，对我们的实际工作是有很有意义

的，因为它突破了传统方法的限制，为有效地综合人工系统开辟了一条十分重要的新途径。特别是在综合复杂高级的人工系统的时候，传统方法往往无能为力，而一旦转向信息方法和黑箱方法，情形就大为不同了，原先认为不可能做到的事情，就会变为可以做到。就拿计算机或人工智能系统来说，如

果按照传统的方法，仅仅从物质结构和能量转换的观点来分析，那么，要弄清人脑的结构和工作机制，恐怕是十分遥远的事情。既然人脑的结构不能在短期内搞清楚，那么要按照传统的结构模拟的方法来模拟人脑的思维过程， 就是不可能的事情。可是，人们应用信息方法和黑箱方法，就越过了‘结构不清’的障碍，弄清了越来越多的思维的机制，模拟了越来越多的人脑的功能。”

“科学发展到了今天，人们正在和将要面临的是越来越复杂，越来越高级的研究对象。因此，传统方法将要遇到越来越多的困难。在这种时候，信息方法和黑箱方法将会显示出巨大的威力，为人们提供新的思路、新的方法、新的希望和转机。”

“黑箱方法在科学技术飞速发展的今天，是不可缺的了。”王永明感叹地说。

“是这样的。”于伯伯说，“在信息科学方法论中，除了信息方法，行为功能模拟准则之外，还有一个就是系统整体优化准则。”

“什么叫系统整体优化准则呢？”陈细敏问。 “系统整体优化准则也简称为系统准则。它和行为功能模拟准则一样，

也是信息方法的一个实施性准则。意思是，在应用信息分析综合方法来综合人工系统的时候，要注意从系统的整体出发，要在充分考察系统的要素与要素之间、要素与系统之间、系统与环境之间相互作用相互联系的性质的基础上，寻求系统整体性能的最优化，而不是局部要素必须的最优化。”

“于伯伯，可以问一下什么叫做系统的整体性能吗？”王永明问道。 “下面我要向你们讲的就是这个问题。要掌握系统整体优化的方法，首

先要搞清什么叫系统的整体性。因为从系统的整体出发，是系统整体优化准则的关键。”

“系统的整体性是指系统作为整体，它的整体所具有的性质不同于它的要素或组成部分的性质，系统的整体所能达到的功能也不同于它的要素或组成部分的功能。从系统中的要素来看，它们在整体中所表现出来的性质与功能，与它的自身在独立存在时所表现出的性质和功能也是不相同的。”

于伯伯指了指放在办公桌上的电话机说： “就拿这台电话机来说吧，由电话机、电线、放大器和继电器等部件所

组成的电话系统，是一个有机制的整体。电话机起着声音信号与电信号之间的转换作用，电线起着传递信号的作用，放大器起着信号放大的作用，继电器起着控制作用。它们相互连接起来协调工作，就能实现通话的目的，这一整体功能是每一个部件，也就是说每个要素单独存在时所达不到的。整个电话系统具有通话的性能，但每个单独的部件就没有这个性能。比如，仅仅有电话机而没有电线就不能达到通话的功能；仅仅有电线，而没有电话机、放大器和继电器也同样达不到通话功能。只有将它们组合成一个电话系统，它们才可以达到通话的功能。因此说，组成系统的部件本身，它们只有处在系统之中时，才具有上述所说的各种性能，如果把它们从系统中脱离出来，它们的性能、作用就发挥不了。”

“系统的整体性表现在哪里呢？可以说，系统的整体性主要表现为整体联系的统一性，即整体与部分、部分与部分、系统与环境联系的统一性。例如，人体系统包括许多细胞、组织和器官，它们的形态各异，功能也不同， 但它们彼此并不是孤立地存在着的，而是按照一定的关系，适应人的整体活

动的需要，相互协调一致地活动着。当人们进行劳动时，人体各部分骨骼肌精确地彼此协同地收缩与舒张；呼吸和心跳相应地加快，肌肉血管扩张，以适应骨骼肌细胞代谢活动的增强；皮肤血管相应扩张，汗腺分泌增强，以散发更多热量，调节体温不致过高；而消化活动也都是在许多不同组织器官的共同协调中完成的，心脏的跳动就与血压、血液酸碱度和温度、血液中激素的量以及钠、钾的离子浓度和比例有关。”

“从上面的例子可以看出，系统的整体性就是整体联系的统一性。” “由于每一个系统都是由多个要素组成的，这些要素相互作用、相互联

系，因此，系统的整体性能就不会是各个要素的性能的简单相加了。你们在学数学时，知道一加一等于二，然而，对系统来说，一加一不一定等于二。当系统中各组成部分之间的关系是协调一致的时候，大家都朝着一个共同的目标运动，这时，一加一就大于二。我们通常说‘三个臭皮匠，顶个诸葛亮’， 就是这个道理。三个皮匠组成的整体，目标一致，群策群力，就可以产生常人所不及的智慧。”

“如果一个系统，没有共同的目标，没有协调一致的行动，那么，整体效应就是一加一小于二。这就像我们通常所说的‘一个和尚挑水吃，二个和尚抬水吃，三个和尚没水吃’一样，三个和尚三条心，谁也不愿意多出半分力，因此，这三个和尚组成的系统整体性能很差。”

“于伯伯，系统的整体性我已经基本了解了。有的系统的整体性可能较好，如您讲的三个皮匠组成的系统，而有的系统又可能很差，就像您说的三个和尚组成的系统。但是这些系统都是现实存在的，而我们在生活中所遇到的系统千差万别，怎样才能从系统的整体性出发，寻求系统最优化呢？”王永明问道。

“要回答这个问题，就要从整体与局部的关系，以及眼前利益与长远利益的关系来考虑。从整体与局部的关系来看，通常系统的优化有三种情况： 第一种是系统每个要素的功能都很好，组合起来的整体系统也最优；第二种是系统每个要素的功能都很好，但组合而成的整体系统并不最优；第三种是系统每个要素并不是最好，但组合而成的整体系统却最优。”

“从长远利益与眼前利益的关系看，也有类似的几种情况：对眼前利益和长远利益都有利；对眼前利益不利，而对长远利益有利；对眼前利益有利， 而对长远利益却不利。”

“寻求系统的整体优化时，就要根据已经确定的目标，处理好局部与整体、眼前与长远利益的关系。争取局部与整体、眼前利益与长远利益都优， 在整体优化的前提下，同时照顾到局部的功能和眼前的利益。如果局部的功能与整体功能、眼前利益与长远利益发生矛盾，那么，局部应该服从整体， 眼前利益应该服从长远利益。对于局部功能、眼前利益看起来是优，但从整体和长远利益来看是不利的，那些所谓‘优化’则是万万不可取的。因为这样的优化往往破坏了系统整体性能的最优。”

“信息科学方法论中的信息分析综合法、行为功能模拟准则和系统整体优化准则是信息科学本身所特有的方法论。它们是一个有机的整体，信息分析综合法是其中的灵魂，它贯彻始终，统帅全局；两个准则是它的两个支柱， 使信息分析综合方法可以有效地实施。现代信息科学之所以能够发展壮大， 信息科学方法论的功绩是不可磨灭的。”

“信息科学与其它现代的和传统的科学的另外一个根本不同的特点，是

因为它的主要研究目标是扩展人的信息功能。” “什么叫人的信息功能呢？”丁大力生怕错过一个求教的机会，赶忙插

嘴问。

“所谓人的信息功能，是指人同信息打交道的本领。人为认识世界和改造世界的全部活动，始终贯穿着信息的过程。而且，人的一生也一直都在同信息打交道。因此，人的信息功能主要包括提取信息、传递信息、处理信息和产生信息的本领。”

“具体地说，人的信息功能主要是由他的一系列信息器官来承担的，比如感觉器官主要承担信息提取、信息变换和信息检测的功能；神经系统主要承担信息传递和某些信息处理的功能；大脑主要承担信息存贮、分析和产生新的信息或决策的功能等。这些信息器官和它们的相应功能，是人的信息功能的一些比较主要的部分，当然还有不少其它的部分。”

“信息科学的研究目标，就是在分析、探索和掌握这些功能的机制的基础上，运用信息科学提供的原理和方法，以及各种技术，如电子技术、激光技术、机械技术、生物技术等，综合出新的工人系统来延长、增强、补充和扩展人的信息器官的功能，以及大脑处理和产生新的信息的功能等。在这些人的信息功能中，最有意义的，也最为突出的是智力功能，就是扩展、补充大脑处理信息和产生新的信息的功能，这是信息科学的最中心的任务之一。” “噢，我知道了。信息科学的研究目标是使人类变得更加聪明，更加能

干，把神话传说中所说的‘顺风耳’、‘千里眼’变成借助其它技术可以达到的神奇目标。于伯伯，我说得对吗？陈细敏问。

“可以这样说。”于伯伯肯定了细敏的解释：“为了能扩展人的感觉器官、神经系统和大脑的功能，科学家利用前辈遗留下来的宝贵的信息财富， 创造发明了各种传感器、电子计算机和其它先进技术与设备，用来延长、增强、补充人的信息功能。”

“传感器这一术语，你们可能比较陌生，但如果把传感器看成是人的五种感觉的对应器官的话，就比较容易理解了。人通过眼、耳、鼻、舌、身五种感官感受外界的刺激，由这五种感官感受到的信息经过神经系统传到大脑，在大脑内才能辨别出物体的形状、声音、气味和味道。如果用传感器来置换、延长、增强人的五种感官，那么，代替人眼的是光传感器，与耳朵对应的是声响传感器和磁传感器；温度传感器和压力传感器则与触觉对应，等等。这些传感器可以将获得的信息，经过某种形式的运算、处理，或者变换成我们容易看懂的工程量，或者用于自动控制。”

“由此，我们可以说，传感器是一种与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉相对应，既能代替人定量地测出测试对象的物理量，又能够检测人的五种感官察觉不出来的现象或物理量的装置。”

“在我们周围，使用着许多的传感器，我们可以毫不费力地找到它的踪迹。例如，你们来到我们的办公楼时，门是关着的，但是你们一走近它，门就自动打开了。这扇自动门就使用了光传感器。你们抬头看一下。”于伯伯指着屋内天花板上一个直径约 5 厘米左右的金属盒子说。”

“这是个火警器，我们每间屋子和走廓的顶上都装有这种火警器。一旦有火情苗子，比如烧着了屋内的某件东西，那么，屋内的温度就会升高，就会冒出烟来。这时，它就会报警，这种火警器就使用了温度传感器和光传感器。”

“你们还可以找出许多应用传感器的例子。”于伯伯启发性地说。 “于伯伯，电热毯、电熨斗、吹风机是不是也用了传感器？”陈细敏谨

慎地问道。

“对。你说的这些用品都使用了温度传感器。” “自动洗衣机、电唱机也用到了传感器吗？”丁大力问。 “是的，自动洗衣机使用了压力传感器和光传感器，电唱机使用了光传

感器和磁传感器。” “在我们周围，还可以找出许许多多使用传感器的例子。这些传感器代

替了人的感官，但是它们与人的感官相比，又有哪些特点呢？我可以举几个例子来说明。例如，人的眼睛可以看见波长从 0.39 微米到 0.77 微米的可见光，对光的响应速度大约为 10-1 秒以下；而光传感器除了可以检则出可见光以外，还可以检测人眼看不见的光，如波长短的 X 射线、r 射线和波长长的光线，波长范围可以扩展，短到 0.0001 微米以下，长到 100 微米以上，它对光的响应速度可以达到 10-9 秒左右，这一些，都是人眼所不能与之比拟的。” “我们要测量某一件物体的温度，如果用手来抚摸物体，大体能估计出

有多少摄氏度，然而对非常热的物体是不能用手去摸的，只能根据发热体的颜色来估计这个物体的温度。这样，测量物体温度的范围就受到了很大的限制，并且所估计的温度与物体实际温度的误差也很大，可能是几摄氏度、几十摄氏度，甚至是几百摄氏度的误差。因此，我们不能确切地说出该物体的温度究竟是多少摄氏度。”

“然而，温度传感器却可以测出零下 273 摄氏度的低温，也可以测出几千万摄氏度的高温，它所测出的温度与实际物体的温度的误差可以精确到

0.001 摄氏度之内。因此说，温度传感器的检测范围和检测精度也是人的皮肤或眼睛所不能与之比拟的。”

“传感器的作用真是不小啊！”丁大力感叹地说。 “正因为这样，人们借助于各种各样的传感器，可以扩展人的信息功能，

更有效地获取信息、变换信息和检测信息。” “但是，获取信息、变换信息和检测信息只是一种手段，最根本的目的

还是要存贮信息、分析信息和产生新的信息或决策。这就是说，最根本的是扩展人的大脑的信息功能。为了达到这一目的，就得借助于人工智能了。”

“什么叫人工智能？它有哪些特点呢？”丁大力急切地问。 “所谓人工智能，就是人的智能在机器中的再现，是智力的物化，让机

器来模拟和代替人的某些智能。 “人类的发展历史告诉我们，为了能使人从繁重的体力劳动中解放出

来，人们发明、制造出来的各种机器，都增强了人的体力功能。例如，人们发明了手工刨子，用刨子刨木头比用刀削平木头既快又省力。当人们发明了电刨以后，用电刨刨木头，又比手工刨子刨木头更省力、更快。现在，人们装修住房大多要铺地板，而铺完地板后，都要有用刨子刨平。如果用手工刨子刨，那么一定又累、速度又慢，当人们使用了电刨这一机器后，就使得刨地板的进度大大加快，并且更省力了。”

“我们还可以举出许许多多的例子来说明机器可以代替人做各种体力工作，减轻人们的劳动强度，提高生产效率的例子来。”

“随着社会的发展，人们感到，依靠机器来增强人的体力功能是远远不够的，还有许许多多的智力工作需要依靠机器来完成。于是，人们发明了计

算机。”

“自从 1946 年美国宾夕法尼亚大学研制出了第一台‘埃尼阿克’数字计算机以来，科学技术又有了一个飞跃的发展，人们利用机器来再现人的智能就成为可能，利用机器来模拟和代替人的某些智能。这些智能机器的一个共同的特点，就是它能够存贮信息、加工信息和处理信息，并且利用信息来达到人们所想达到的目的。人工智能的出现，促进了人的智能，使得这些智能机器又不断地得到进化，得到完善。”

“对人工智能的研究，虽然还只有三四十年的历史，但就是在这短短的时间内，它的发展也是十分惊人的。刚开始，计算机只会进行数值运算，后来，又应用到自动控制系统，使自动化程度达到了一个新的高度。现在，大到综合性的自动化钢铁联系企业、计算机管理的铁路自动化调度系统、电子警戒雷达网等，小到洗衣机、电冰箱、录音机、电视机等家用电器都实现了自动控制。”

“对人工智能的研究而言，电子计算机能进入自动控制系统并不是一个终点。人们追求电子计算机能代替人进行更高一级的智力活动，使电子计算机具有理解能力、自适应能力和思维能力等智能。”

“于伯伯，现今的电子计算机所具有的智能主要体现在哪几个方面呢？”丁大力脱口而问道。

于伯伯走到了办公室内的电子计算机旁，招呼着小伙伴们： “你们过来，我们来看一下这台计算机所具有的翻译语言的功能。” 于伯伯打开了机器，这时屏幕上出现了“翻译系统”几个字，接着他在

键盘上接了几下，屏幕上又出现了“英译汉”几个字。

于伯伯说：“现在让这台电子计算机来表演把英文翻译成中文，只要把一句英文输入到计算机里，它会很快地进行翻译，并将译成的中文在屏幕上显示出来。你们谁来试试？”

“我来！”细敏跃跃欲试，坐在了计算机前。

细敏的英语学得很好，她沉思了一会儿，向机器内输入了一句英语： MY WISH IS TO BECOME A SCIENTIST.

这时，屏幕上很快就显示出了中文： 我的愿望是当科学家。

小朋友们看到机器将英文很快翻译成中文，惊奇极了。这时于伯伯说： “细敏输入到计算机内的是一句话，如果她输入的是一篇文章，那么，

机器也能够将它全部翻译成中文。这是因为这台电子计算机具有较好的处理自然语言的问答系统，因此它能够像人一样，理解上下文的含义，并且根据上下文的知识和信息，进行推理，作出翻译。”

“除了处理人的自然语言外，它还能进行一些视觉识别。就是将一些模糊不清的图案输入机器内，计算机就能使图像清晰，帮助我们更好地识别和理解图像。”

“这种计算机识别图像的能力现在已经大量地应用于我们的日常生活中。比如，邮电局利用计算机来识别信封左上角的邮政编码，并进行自动分拣，每小时可以分拣 3 万封信。这样，大大加快了邮件的转运速度，既准确， 又减轻了工人的劳动强度。”

“除了视觉识别以外，计算机还具有语音识别、触觉识别、压觉识别等功能，正是这些识别功能，标志着计算机向人工智能的方向进化，这对于加

速计算机的普及和有效利用具有重要的作用。除此以外，电子计算机还能进行推理演算、预测和计划等工作。”

“现在，人们研究出了各种各样的机器人，这是动用机器人工智能中的识别能力、理解自然语言的能力、推理演算能力、预测和计划能力的综合成果。”

“机器人大多是一种装有电脑的具有程序控制能力的多功能操纵器，它们有的像人，有的并不像人。说它们是机器人，主要是因为它们具有人的某些功能，比如眼、脑、手等器官的部分功能，把观测、思维和操作巧妙地结合起来，在减轻劳动强度、提高生产效率、改善劳动条件、改进产品质量、降低生产成本方面发挥着重大的作用，因此越来越受到人们的重视。”

“我们现在已经应用和正在研究的机器人主要有三种。第一种是工业机器人，为数最多。它一般具有一只手臂和存贮装置，可以按预先输入的程序重复地进行操作。这种机器人比较‘笨拙’，主要在汽车制造、电子和机械等行业中从事焊接、油漆、装配、包装、搬运等工作。”

“第二种是遥控机器人。它们多在恶劣或危险的环境下作业，由人在安全的地方进行远距离操纵。这类机器人已经在登月考察、海洋开发和核电站管理等方面得到了应用。”

“第三种是智能机器人。它具有感觉和识别的功能，能够自行决策和行动。它的‘脑子’是中央电子计算机，它的‘眼睛’是电视摄像机、前处理计算机，它的‘耳朵’是话筒、前处理计算机，它的‘口’是扬声器、声音发生计算机，它的‘手’是能够自由活动的机械手、触角和力检测元件以及控制计算机。智能机器人先是识别人给的命令，然后根据掌握的情况，作出判断决策并采取适应外界情况的行动。”

“早在 1969 年，美国斯坦福研究所就制成了一种智能机器人，它具有利用简单工具解决问题的能力。房间里有一个挺高的平台，平台上放着一个箱子，智能机器人的任务是把箱子从平台上搬下来。它走向平台，但爬不上去。接着，它环顾四周，发现在屋子的一边有一块斜面板，它思考了一会儿，就把斜面板推向平台，自己沿着斜面板爬了上去，终于把箱子从平台推到地板上。”

“现在，智能机器人已认识别简单的积木，发展到了环境识别、规划决策、通过语言与人对话来完成某种动作的阶段，并且已经从实验室走向实际应用。它们能够从事各项具体工作，有的充当盲人的引路向导，有的学会诊断疾病，有的可以充当警察，等等。”

“于伯伯，您能不能就这种智能机器人的实际应用给我们讲得再具体些？”陈细敏好奇地问。

“可以啊！我给你们讲个故事吧。某一天深夜，万籁俱寂。突然，两个黑影悄悄地潜入美国斯坦福研究所。几乎在同时，研究所试验工场是的警长罗伯特，就发觉了不速之客的来临。黑影还没有站稳脚跟，罗伯特就发出一阵令人颤栗的报警信号。两个黑影听到后立刻夺门而逃，罗伯特紧追不舍。在街头转弯处，警长抓住了一名逃跑者，朝他脸上喷出一种麻醉气体，逃跑者应声而倒。立刻，罗伯特又向另一名逃跑者追去。”

“这位机警能干的罗伯特，其实并不是美国警察局正式的警长，而是斯坦福研究所的智能机器人。在美国，由于盗窃和抢劫盛行，迫使研究人员考虑使用机器人看守机密要地和仓库设施，代替那些容易劳累打盹，甚至同罪

犯勾结的普通人看守。” “这位罗伯特警长除了具有一套高级电脑系统，能根据信息神速处理问

题处，最富有传奇色彩的是他具有‘飞毛腿’和‘千里眼’的本领。在他那双时速可达 30 公里的‘飞毛腿’上，装着地音探测器和振动传感器，只要有人在禁区附近走动，不管如何蹑手蹑脚，罗伯特都会立刻发觉，并发出警告信号。它的‘千里眼’其实是一套远红外闭合电路的视觉系统，能在漆黑之中洞察敌人，随时向自动跟踪系统报告并进行追捕。”

“除了智能机器人之外，近年来，人工智能走向实用化研究的最引人注目的成果是各种机器专家系统的建立。机器专家系统是一种计算机模拟专家行为程序的软件系统。它先将有关专家的知识、经验总结在一起，形成规则或填入框架，并以适当的形式输入计算机，然后采用合适的控制策略，按输入的原始数据选择合适的规则进行推理、演绎，作出判断、决策，可以起到专家的作用。”

“模拟专家行为的产生，是 20 世纪 70 年代人工智能研究获得的重大成果之一。目前，已经研制出了多种机器专家系统，如‘计算机医生’、‘计算机教师’、‘计算机秘书’、‘计算机化学家’、‘计算机矿物学家’、‘计算机科学家’等。”

“‘计算机教师’可以针对学生的不同情况讲授不同的内容，出不同的题目，批改学生的作业，解决学生提出的问题。”

“‘计算机秘书’可以毫无遗漏的记下所有的谈话、信件、电话和其它资料，能在适当的时候向你提供你所需要的资料，甚至还能指出你的讲话和文件中的某些错误。”

“‘计算机医生’可以同时诊断好几个病人，迅速而准确地判断病情， 对症下药，开出处方。如我国北京关幼波诊断肝炎的专家系统，是模拟我国著名老中医关幼波肝病辩证治疗的程序，按照它的思维方法，根据患者的症候变化，在 200 多种症状、化验指标以及 170 种药物的基础上，让计算机从许许多多个实用处方中选出针对病情的处方，编制病历卡，计算药价，开出假条等，从数据输入到诊断结束，总共只需要 14 秒钟。”

“智能机器人和机器专家系统既然有那么多的优越性，那么，它们的智力会不会超过人？随着它的不断发展和完善，会不会导致最终排斥人类和统治人类呢？”王永明不解地问。

“不会的！”于伯伯肯定地说：“虽然，作为人的自然智能，同今天已经实现的各种人工智能的功能相比，在某些方面的确要差一些。比如，人的神经细胞的信息处理速度是百分之一秒，而计算机的运算操作速度可以达到一千万分之一秒以上；人脑的存贮记忆容量有限，而计算机的存贮容量几乎可以是无限的。所以，在那些较多地依赖于加工速度和存贮容量的智能信息加工过程中，计算机很容易超过人。你们大概都使用过小型电子计算器吧， 那肯定会有体会的。在速度方面，计算机翻译外文也比人翻译要快得多。在存贮方面，由于计算机把各种下棋的优秀棋路都存贮起来，因而，它不仅可以战胜一般中等水平的棋手，而且可以胜过百分之九十五的人。正是由于人工智能在某些功能上比人脑要强，所以，它能够作为一种对人类有用的工具， 作为人脑的补充和延长，为人类所重视和运用。”

“但是，人工智能只能作为人脑的补充和延长而产生和存在，在人与人工智能的关系上，没有人，就根本谈不到人工智能，更谈不到人工智能的发

展。从另一个角度说，人工智能的发展是以人的智慧发展为前提的。没有聪明的人，怎么会有聪明的机器呢？所以，人工智能不论完美到什么样的程度， 它必然是以人的智慧和才能的发展为极限的。”

“智能机器人具有很多的优越性，它的运算速度、存贮容量以及准确性方面比人的自然智能要强得多，它可以代替人到危险的或恶劣的环境中去工作。尽管如此，智能机器人本身并没有自觉的意识和目的，它只是人类利用自然、改造自然的结果，体现的是人类的意识、目的和能动性。智能机器人作为一些人工器件的组合，不能像人一样理解自己所从事的工作，只是被动地遵循自然规律，而不是自觉地认识规律和运用规律，它始终不会进行创造性的工作。正是这一点，决定了智能机器人永远是要人脑来操纵的，尽管随着人工智能研究的深入，这种操纵的形式会改变，但是智能机器人的功能依赖于人的智慧是不会改变的。”

“此外，计算机的发展水平不仅要依赖于人脑的发展水平，而且要依赖社会生产技术的发展水平。我们都知道，物质世界是可以认识的，凡是认识了的东西，人们就可以模拟它。人类的智能也是这样，只要人们对它的认识达到一定的水平，也就可以对它进行模拟。但是，从认识到模拟，从科学到技术，这中间是要有一个过程的。已经认识到的东西，要完全进行模拟还需要相应的技术手段。因此，人工智能作为模拟的结果，总要与人类的认识保持一定的距离。随着科学技术的发展，这种距离会越来越短，但总会有的。人脑与计算机发展水平的这种关系告诉了我们，计算机只能是随着人脑的发展而发展，人工智能也只能是随着人的智能的发展而发展。

“因此，你刚才提出的那些忧虑。”于伯伯朝王永明看了看说：“也就是说，随着人工智能的不断完善，它可以摆脱人类的控制和操纵，进而对人类实行统治、奴役——这种担心是不必要的，也是缺乏科学依据的。”

“人工智能是机器，不是人，它不过是人的工具，它不可能超过人，更不可能可能代替人。但是，由于信息科学的不断发展，人的智力会越来越高， 并且会越来越有力地得到人工智能的支持和补充，由于有了这种支持和补充，人的智能又会获得更大更快的发展。这种发展，反过来又为人工智能的发展开辟了新的道路和更广阔的前景。”

“人的自然智能和人工智能就是这样相互促进、相互支持、不断前进的。在这样的发展中，人的自然智能始终处于主导的地位、积极的地位和支配的地位。人工智能虽然在局部方面会胜过人，但从全局看、从整体看，仍然是人的智能至高无上。”

“信息科学是一门崭新的科学，因此，它的研究方法和研究目标是不同于以往其它科学的。然而，这些不同，并不是脱离了以往其它科学，而是无不渗透着各个学科的研究成果。正是这些各个学科的研究成果，才使信息科学得能到较快的进展，而信息科学的发展，反过来又推动了其它各门学科的发展，使人类社会不断地进化。为了说明这个关系，我再和你们谈谈有关信息技术方面的一些情况。”