基于物联网中“智能物件”的智能化及其机制分析

【摘要】 客观世界中物是不具备智能的，那么，物联网要“随时随地，何人何物”地“互联互通”，甚至实现社会生活与物质生产的远程智能控制，其基础是实现物联网中植入实物中“智能物件”的智能化。基于此背景，文章主要分析物联网中“智能物件”的智能化内涵、智能生成共性核心机制及其需要解决的问题，从而为物联网的“互联互通”和远程智能控制提供理论支持。

【关键词】 物联网；智能化；智能生成共性核心机制

虽然传说中有宝玉通灵、钨盆说话的故事；古代有关于模拟钟馗捉鬼的捕鼠机关人、①指南车上的“机关人”②的记载，但是，客观世界中物是不具有智能的。物联网能够实现“随时随地，何人何物”的“互联互通”，特别是实现社会生活与物质生产的远程智能控制。实现这个目标的基础是物联网中物的智能化。而物理世界中的实体不具备智能条件，这就必须嵌入一个能够“智能化”的小物件，如：洗衣机中的定时器、心脏患者具有遥测功能的起搏器等。这类小物件一般称为“智能物件”（smart object）。这类“智能物件”的智能化正是物联网的核心。因此，本文主要分析物联网中“智能物件”智能化（intelligentize） 的内涵、智能生成共性核心机制及其需要解决的问题，从而为物联网的“互联互通”和远程智能控制提供理论支持。

一、物联网中“智能物件”的智能化由来、内涵构成及其主要功能

（一）“智能物件”的由来

虽然“智能物件”（smart object）出现有很长的历史，如：我国古代的指南车上 “机关人”的发明等，但是，“智能物件”发展主要与计算机技术和通信技术的发展密切相关。当前人们经常提到的嵌入式系统、普适计算、移动计算、移动通信、遥测技术（telemetry）、计算机网络等计算机技术、电话技术、无线电话等技术成就与“智能物件”密切相关。

“智能物件”引人注意和快速发展——21世纪的物联网数字革命。20世纪经历了两次数字革命：第一次是人们发明了计算机并把它用于办公和家庭；第二次是人们发明了因特网，并从根本上改变了人们同数字世界交互的方式。21世纪的物联网数字革命将物理世界和数字世界连接起来。物理世界的实体在嵌入了必要的芯片和软件等“智能物件”后，具备了一定的感知能力、计算能力和执行能力，成为“智能物体”。工业界预言：在未来十年里，基于物联网 “智能物件”的数量将以10亿为单位计数。因此，“智能物件”（smart object）的认识与了解是一个重要的问题。

（二）“智能物件”的内涵与构成

一般来说，智能物件可定义为：智能物件是装备了传感器或制动器、未处理器、通信装置和电源等硬件与智能软件的设备，如图1。

智能物件的硬件主要包括传感器或制动器、微处理器、通信装置和电源等4个部分。

传感器或制动器（感应器）：它们赋予智能物件与物理世界交互的能力。

通信设备：通常是一个带有天线的无线收发器或有线接口，使得智能物件能够将其传感器读取的数据传输给外界，并接收来自其他智能物件的数据，主要为智能物件提供通信能力。

微处理器：保证智能物件即使是在有限的速度和复杂度上，也能够对传感器捕获的数据进行交换，运行智能物件软件的微处理器，实现智能物件的智能功能。

电源：电源与各个部件相连，为智能物件的电路供电。最常用的电源就是电池，还有压电式电源，通过将压力转换成电能供电，或者小型的太阳能电池，利用光能来供电。

智能物件的软件是由微控制器上运行的软件所决定的，运行的软件与通用计算机运行的软件类似，都使用操作系统。程序由编程语言通过编译器将代码编译成微控制器可以运行的机器语言。当智能物件开启时，微控制器运行软件。由于功耗和成本的限制，与一般计算机相比，智能物件的内存明显更小。智能物件的软件有如下特点：一是操作系统程序小：比较计算机上的操作系统来说，智能物件操作系统更小，占用资源更少，大型的操作系统无法在智能物件上使用。二是操作系统简单，由于这些操作系统用途更专一，它们的复杂度也明显更小。三是不同环境下智能物件的软件功能不一样：对于通用计算机和智能物件，由于需求和限制不同，所以操作系统是不同的。

（三）“智能物件”的功能

虽然“智能物件”在不同环境下，应用到物理世界的不同物体上，它们所发挥的功能各异，比如：模仿鸽眼的电子眼与模仿水母的超声电子耳的功能不同；监视集装箱温度的智能物件与监视停车位的智能物件在功用上是有所差异的。但是，“智能物件”都有三个基本功能：与现实世界的交互能力、通信能力和智能处理信息能力。

传感器和制动器与外部物理世界进行交互。“智能物件”通过传感器从物理世界获取信息，利用制动器（感应器）作用于物理世界，实现与现实世界的交互。传感器感应外界变化，如：温度传感器、摄像头设备等；制动器进行响应，如LED指示灯、用于高压电源开关切换的继电器等。

通信是智能物件发挥功效的基本要素。对于“智能物件”来说，“智能物件”的通信能力意义重大。在智能家庭中，当车库门打开时意味着主人到家，控制车库门的智能物件通过物联网“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则可以打开家庭里的灯、暖气等设备。智能物件的通信模式分为三种：一对一（one-to-one）、一对多（one-to-many）以及多对一（many-to-one）。每种通信模式适用于不同的情况，许多应用会将几个模式组合起来使用。

智能处理信息能力是“智能物件”智能水平的集中表现。如何在体积小、功效低的基础上发挥微处理器的信息智能处理分析能力是当前智能物件要解决的核心问题。普适计算（ubiquitous computing）、移动计算（mobile computing）、分布计算（distributing computing）都逐渐应用到微处理器中实现“智能物件”智能处理信息的能力。

二、“智能物件”的智能生成共性核心机制

探索人类智能的神奇，揭示人类思维奥妙，把人类的智慧能力移植（哪怕只是部分的移植）给机器，制造出能够善解人意并能与人和谐合作的智能机器，是人类梦寐以求的事情。因此，研究探索“智能物件”的智能生成共性核心机制不仅是“让物联网飞起来”的核心问题，更是人类科学技术发展的目标。

不仅人类智能是一个奥密，人类关于智能的认识也是众说纷纭③。无意于概念的争论，这里引用钟义信的一种相对公认的概念：智能，就是在给定问题、问题的环境约束和求解问题的目标前提下，有效地获得相关信息、把信息提炼成为相应的知识和解决问题的策略、利用策略来解决问题，从而在满足约束条件下成功地达到目的的能力。

智能不是神秘的东西，它是一种特殊物质的功能，是可以被逐渐认识的。机器（这里特指“智能物件”）本身不会自发产生智能，但它可以被赋予智能。正如人的智能有高有低，“智能物件”被赋予智能也有不同等级。但是所有“智能物件”一般具有智能生成共性核心机制。正如上述智能概念所述，智能是一种利用知识和信息来解决问题和达到目的的能力。这里以人的智能作为自然智能生成范例，智能生成过程可以图2来描述。本文就是要利用机器人理论与人工智能理论来研究探索物的智能化以及物联网下物的智能生成共性核心机制。

根据钟义信的研究成果，智能的共性生成机制表现为“由信息到知识和由知识到智能的转换机制”，它包括认知机制与行为机制两个转换机制，每个转换机制又有两个重要转换环节。

（一）智能生成的认识机制

智能生成的认识机制是指“智能物件”的信息——知识的转换机制，它包括“智能物件”信息获取过程环节的由本体论信息到认识论信息转换和认知环节的由认识论到知识的转换。

转换一：由本体论信息到认识论信息

“智能物件”信息获取过程主要解决“在给定条件下获得相关信息”的问题，也就是本体论信息转换为认识论信息的问题。本体论信息是指事物对其运动状态及其变化方式的自述；事物的认识论信息则是认识主体关于该事物运动状态及其变化方式的表述，它包括语法信息、语义信息和语用信息。从本体论信息到认识论信息的信息转换就是“智能物件”的信息获取过程。

转换二：由认识论到知识的转换

“智能物件”认知环节主要解决如何从信息提炼知识的问题。事物的认识是认识主体关于事物运动状态及其变化规律的表述。信息经过规律化提炼才能够成为知识。从信息提炼知识的过程，就是“从具体现象到抽象规律”的去伪存真的归纳过程，即从同类事物的大量具体“状态变化方式”经过归纳处理，抽象出反映其中“状态变化规律”的过程。“智能物件”认知环节获取的知识有形式化知识、内容性知识和价值性知识。

（二）智能生成的行为机制

智能生成的行为机制是指“智能物件”的信息——行为的转换机制，它包括“智能物件”决策环节由知识到策略的转换和执行环节由策略到智能行为的转换。

转换一：由知识到策略的转换

“智能物件”在决策环节主要解决知识如何转换成策略的问题。知识仅是关于事物的规律性认识，而策略则是根据在目标的引导下把知识激活为求解问题的对策。

转换二：由策略到智能行为的转换

“智能物件”在执行环节主要解决如何把策略转换为执行的问题，因为智能不仅是智能的生成过程，更重要的是智能应用的过程，只有把智能策略转换成智能行为，才能使实际问题得到真正的解决。

三、物联网中“智能物件”的智能化需要关注的问题

任何新生事物的发展都不是一帆风顺的，都会碰到各种各样的问题，物联网“智能物件”的智能化过程同样有技术性与非技术性的挑战。这里只是简单提出，以引起关注，从而促进物联网事业的发展。

（一）“智能物件”的能耗、体积大小、成本问题

“智能物件”一般是嵌入式系统，都被希望如吹风机、汽车窗户中隐藏的电动机一样隐藏在所嵌入的实体中，都要求是体积小的物件。但是，“智能物件”的维持智能化过程的电源一般都希望能够持续、稳定，有的甚至时间长度是年、十年等生命周期，它又要求“智能物件”的体积大。当然，成本问题是越低越好。因此，对“智能物件”的材料、能耗、体积大小、成本是在物联网建设中需要认真解决的实际问题。

（二）“智能物件”通信畅通中的网络化、标准化问题

物联网中通信畅通是“智能物件”智能生成的关键保障。“智能物件”本难于相互联系，它们必须通过网络进行相互沟通。因此，“智能物件”的网络化便是个首要问题。同时，由于“智能物件”数量众多，是个海量级的数量，同时，因为所处环境与应用性质不同，“智能物件”呈现差异性状态。“智能物件”通信畅通存在网络化、标准化的问题。

“智能物件”的通信主要是解决如何加入网络，特别是因特网。“智能物件”内部构件与数量、“智能物件”形成的网络结构与机制、“智能物件”网络的规模与稳定性，特别是“智能物件”网络与因特网联接中网络协议（internet protocol， IP）如何由传统的IPv4过渡到IPv6等都是“智能物件”网络化需要考虑与解决的问题。同时，物联网中感知层、网络层、应用层所涉及的大量数据必须通过相应的接口按统一的标准来进行连接，这些技术标准、数据和信息的管理标准、应用标准都是“智能物件”通信畅通中的难点之一。

（三）“智能物件”智能化过程中交互与协同的智能控制问题

“智能物件”智能化是物联网建设的基点与核心。但是，基于感应层、网络层、应用层“智能物件”智能化过程并不是一个自发完成的过程，它存在着许许多多“人—机—物”三要素之间的交互作用过程，这就需要进行协同的控制。而且，这个协同的控制必须是一个由人或“智能物件”或计算机共同协同的智能控制过程。因此，必须对“人—机—物”控制模式、“人—机—人” 控制模式、“物—机—物”控制模式、“物—机—人”控制模式等进行智能化，同时，探索它们之间的协同智能控制。这些都是当前面临的主要问题。

【参考文献】

［1］ 钟义信.机器知行学原理：信息、知识、智能的转换与统一理论［M］.北京：科学出版社，2007：176.

［2］ Jean-Philippe Vasseur， Adam Dunkels.基于IP的物联网架构、技术与应用［M］.人民邮电出版社，2011：1，99.

［3］ 许金叶.智能信息控制：物联网下企业内部控制的核心［J］.会计之友，2012（3）.