第 14 章 智能计算机与智能化网络 14.1 智能计算机 14.2 智能化网络 习题十四

14.1 智 能 计 算 机 14.1.1 智能硬件平台和智能操作系统 　　同何为智能一样, 关于什么是智能计算机, 至今也没有一个公认的确切定义。但从系统构成来讲, 同普通计算机类似, 智能计算机也应分为智能硬件平台和智能操作系统两大部分。  　　——智能硬件平台: 指直接支持智能系统开发和运行的智能硬件设备。在这方面,人们已做了不少工作,如研制过LISP机、PROLOG机等, 现在正开发、研制神经网络计算机和其他新型智能计算机。

　　——智能操作系统: 指以智能计算机硬件为基础, 能实现计算机硬、软件资源的智能管理与调度,具有智能接口, 并能支撑外层的智能应用程序的新一代操作系统。智能操作系统主要有三大特点: 并行性、分布性和智能性。并行性是指能够支持多用户、多进程,同时进行逻辑推理和知识处理。分布性是指把计算机的硬件和软件资源分散而又有联系地组织起来,能支持局域网或远程网处理。智能性又体现于三个方面: 一是操作系统所处理的对象是知识对象, 具有并行推理和知识操作功能, 支持智能应用程序的运行;二是操作系统本身的绝大部分程序也是智能程序, 能充分利用硬件的并行推理功能;三是其系统管理应具有较高智能程度的自动管理维护功能,如故障的监控分析等, 以帮助系统维护人员做出必要的决策。操作系统的智能化本身就需要智能技术的支持。

14.1.2 LISP机和PROLOG机 　　LISP机是一种面向符号处理、直接以LISP语言为机器语言的计算机, 由美国麻省理工学院AI实验室的R.格林布拉特于20世纪70年代初首先研制成功。LISP机直接以LISP语言的系统函数为机器指令, 具有一种面向堆栈的系统结构, 堆栈里存放的是指针, 代表所谓的LISP对象。除了数和特种常量(T, NIL)用专用指针外, 一般指针代表可赋予任何意义的符号, 包括印刷名、值、功能函数和特性表四个项目, 这种赋予是动态的, 且各项目彼此独立。LISP机的机器指令包含着在现行堆栈上操作以下四类机器指令:

① 基本函数, ② 四则运算及有关运算, ③ 条件转移指令, ④ 用低层次LISP微指令手编的LISP函数。 在任何时刻LISP机的运算都是通过现行堆栈组控制的。当过程进行到需要计算另一函数时, 就启动与那个函数相应的堆栈组并保留当前的计算状态,而被启动的堆栈组就成为现行堆栈组。因此LISP机实际上是各堆栈组能相互启动的处理符号的堆栈机。LISP机的操作系统、解释系统、编译系统、调试程序都是用 LISP语言写的。有些LISP机,例如美国的SYMBOLICS3600系统,还实现了以LISP为基础的FORTRAN、PASCAL和C语言, 而且能联成网络。

14.1.3 神经网络计算机 　　神经网络计算机也称神经计算机, 是指由大量类似神经元的基本处理单元相互连接所构成, 具有分布存储和并行处理能力及自组织方式, 且能模拟人脑神经信息处理功能的计算机系统。根据所用基本器件的不同, 人工神经网络计算机又可分为三种类型, 即基于超大规模集成电路的神经网络计算机、基于光处理器的神经网络计算机和基于分子处理器的神经网络计算机。 但受当前物质条件和技术水平的限制,目前神经计算机分全硬件和软件模拟两条途径来实现。

　　所谓全硬件实现,是指物理上的处理单元和通信通道与一个具体应用问题的神经网络模型中的神经元及连接一一对应, 每一个神经元及每一个连接都有与之相应的物理器件。这种器件可以是数字式的器件, 也可以是模拟式的。全硬件实现中各处理单元之间的连接方式一般难以改变, 因此, 缺乏通用性、 灵活性和可编程性,一般只在专用神经计算机中采用, 以满足许多实时性要求很强的应用场合。 　

　　如果用P个物理单元去实现由N个神经元组成的神经网络计算(P<N), 则就称这种实现为神经计算机的软件模拟实现。 在软件模拟实现中,若干个神经元要映射到同一个物理处理单元, 通过软件编程实现其功能。软件实现具有通用性强、 灵活性好的优点,适用于神经网络模型研究、应用研究及实时性要求不高的众多场合。当然,严格地讲,神经计算机是(指全硬件实现的)不需要编程的,它是通过训练、自组织、自适应地调整其结构参数,从而完成一定的信息处理。

14.1.4 智能计算机发展展望 　　纵观智能计算机的发展历程, 我们看到, 虽然人们已经付出了很大努力, 虽然也取得了不少的成果, 但真正意义上的智能计算机与我们还有很远的距离。其实,智能计算机的研制离不开对智能本质的认识。智能计算机的实现还需要智能科学的进一步发展。 另一方面,智能计算机的发展也要与计算机科学技术本身的发展相呼应。

　　事实上,受速度、容量的限制和分布存储、并行计算需求的压力, 同人工智能界一样, 当前的计算机科学技术界也在寻求新的出路, 试图突破冯·诺依曼机的框架,开发、研制新一代计算机。所幸,当代的物理、生物、信息和计算技术的飞速发展, 为研究新型计算机提供了基础和条件。事实上,现在人们的视野更加开阔, 基于不同的计算原理,提出了许多新型计算机的构想。其中的生物计算机、分子计算机、光学计算机、量子计算机等等,已经取得了初步的成果或不小的进展。

　　我们相信, 这些新型计算将会为智能计算机提供更大的选择空间和技术支持。 特别值得关注的是, 量子信息与量子计算的许多诱人特征现在越来越引起人工智能科学家的注意, 甚至已经有人开始将量子计算用于智能信息处理, 如提出了一些量子算法, 将量子的叠加态与自然语言中的歧义相联系, 将量子纠缠与上下文相关相联系, 用量子的观点研究脑等等。这些迹象似乎在提示人们: 量子计算更适于描述和实现智能机理, 量子计算机有望成为我们所期望的下一代智能计算机。

14.2 智 能 化 网 络 14.2.1 智能网络 　　1. 什么是智能网络 　　智能网络(Intelligent Network)是1992年由CCITT制定出的标准化的一个名词, 它实际上是以计算机和数据库为核心的一个平台。 智能网络是针对通信网而由国际电信联盟(ITU)提出来的, ITU称其为体系(Architecture)。如图14-1所示, 这个网络体系结构是在基础通信网(包括现有的电话网(PSTN)、 综合业务数字网(ISDN)、移动通信网、宽带综合业务数字网(BISDN)和IP网等)之上的一个附加网络层。其中SIB是ServiceIndependent buildingBlocks, 可看作是智能网的编程接口。

图 14-1 智能网原理简图

　　具体来讲,在智能网结构中,交换机被称为业务交换点(SSP), 只用来完成基本呼叫处理。在SSP之上设置业务控制点(SCP)来存放智能服务程序和数据。SCP与SSP的实时连接通过公共信道信令网实现。SSP在处理智能业务时, 将业务请求提交给SCP, SCP通过查询智能业务数据库,将业务请求解释为SSP所能够进行的处理, 这些处理再由SCP下达给SSP。因此, SSP并不需要知道智能网业务应如何处理, 只要将其提交给SCP并接受它的控制, 按照SCP的指令进行操作就可以了。这就是说, 智能网的最大特点是将网络的交换功能与控制功能相分离, 把原来由基础通信网中的交换机实现的“智能”集中到了新设的功能部件——智能网业务控制点(SCP)上, 而让交换机仅完成基本的接续功能。

　　交换机采用开放式结构和标准接口与SCP相连。由于对网络的控制功能已不再分散于各个交换机上, 一旦需要增加新的业务或修改原有业务,只需在SCP中增加或修改相应的业务逻辑, 并在数据库中增加新的业务数据和用户数据即可。  　　可见, 之所以称其为智能网, 首先在于它的体系结构是智能化的, 因为它可以提供开放的、分布的、灵活的、经济的、 独立于具体业务的智能业务生成平台。其次,SCP是网络中的智能节点,它不仅能够快速、准确、合理、优化地生成和实现各种网络业务, 而且在其中还可应用语音识别、 语音合成和机器翻译等智能技术。

　　2. 为什么要建智能网 　　1) 适应多种业务的需要 　　建设智能网最主要的目的是向用户提供那些用传统方式很难提供的业务, 比如电话呼叫卡业务。这是一种利用电话卡可以在任何一部电话机上打电话, 特别是打国内长途和国际长途电话的业务。程控交换机的出现,为灵活、方便的新业务提供了条件,人们可以通过修改交换机程序来实现诸如缩位拨号、 呼叫转移、遇忙通知等业务。这种方法虽然可以实现智能业务, 但是它的实现依赖于基础通信网络(及其中的交换机)。由于交换机和基础通信网络的种类和形态很多, 因此要在整个网络上开展智能业务, 就要分别修改网上各类交换机的程序,这是非常复杂和艰巨的工作。为了快速、灵活地提供智能业务,就必须使智能业务的提供与基础通信网络相互独立,为此,国际电信联盟(ITU)于1992年提出了智能网的概念。

　　2) 使客户自己管理业务 　　由客户自己管理业务也是目前通信市场的一个特点。如“虚拟专用网”业务, 是专用部门利用公用网的资源建立自己的专用网, 它可以有自己的编号计划, 自己来规定网络的业务属性,可以增加专用网的用户, 可以自己来规定用户的属性等等。 客户(如VPN集团)或者称为业务用户自己管理业务的方法基本有两种：  　　(1) 利用自己的计算机终端,并通过智能网提供的业务管理接入点(SMAP)连到智能网的业务管理系统SMS。  　　(2) 通过电话机经调制解调器把所需要管理的信息送到SMS, 对数据进行补充、修改、增加以及删除等。

　　3) 方便地生成新业务 在智能网体系中配有业务生成环境SCS, 利用业务生成环境就可以方便地开发新的业务。因为智能网采用了模块化的设计思想, 将实现业务的基本功能分成小块, 如“运算”、“筛选”、“计费”、“翻译”等, 运用已有的功能块设计新的业务逻辑就可以获得相应的新业务。新业务的生成可以充分利用原有的资源, 因此费用较低, 而且可以较为快速地提供。

14.2.2 网络的智能化管理与控制 　　我们知道,网络管理与控制是网络高效、可靠、安全、 经济运行的基本保障, 然而, 随着网络的飞速发展, 网络设备的复杂化使网络管理与控制已无法用传统的手工方式来完成。此外, 现代网络的容量大、速度高的特点,还要求网络管理与控制要有很高的实时性, 所以, 必须采用更加先进有效的技术手段。

　　为此, 国际标准化组织(ISO)、互联网活动会议(IAB)以及国际电信联盟(ITU)提出了多个网络管理与控制标准和协议, 如公共管理信息协议(CMIP)、简单网络管理协议(SNMP)、 电信管理网络(TMN)等等。这些协议所共同遵守的基本模型是OSI系统管理模型。该模型的核心是一对系统管理实体： Manager(管理者)和Agent(代理者), 被管资源被描述为被管对象(逻辑数据)后放入分散在各处的管理信息库(MIB)中。 Manager和Agent通过管理通信协议相互联系, Manager需要对远程被管对象进行操作时, 向被管对象所在处的Agent下达操作命令, 由Agent具体进行对被管对象的访问, 访问结果再由Agent通过通信协议报告给Manager。

这样的模型实现了远程监控、逻辑操作, 为网络管理与控制提供了合理的、有效的框架。 但由于Agent的管理操作完全由远程的Manager的控制, 并且管理操作命令和操作结果的来回传递造成了网络业务量的升高, 同时网络管理的实时性也受到了限制, 因此这一模型仍存在一定的问题, 难以满足人们对网络管理与控制水平的要求。

　　为了更进一步提高网络管理与控制的水平, 引入智能技术就成为必然。  　　解决上述问题的一个有效方法是采用智能的Agent来代替现有模型中的Manager和Agent。智能Agent具有一定的知识, 它能自治地检测环境(被管对象及其自身的状态), 经过分析、 推理后, 对环境进行调整和改造, 必要时, 还可与其他智能Agent通信联络。所以,采用智能Agent就可使各个管理实体能自治地、主动地、实时地, 同时又相互协作地工作。例如, 把与呼叫建立的实体表示为智能Agent,以便建立呼叫连接。一旦发现冲突, 这些Agent便通过协商来解决冲突。

　　在网络管理与控制中可采用的另一个智能技术就是专家系统技术。事实上,专家系统在网络管理与控制中已经发挥了重要作用,例如,出现了用于网络维护、开通和管理等多种类型网络管理专家系统。目前,网络管理与控制专家系统正在由脱机工作方式向联机工作方式过渡,以期发挥更加重要和及时的作用。  　　此外, 在高速网的业务量控制、路由选择,大容量光纤传输网络的故障自愈控制方面,人工神经网络、模糊控制、遗传算法等也是有效的智能技术。

14.2.3 网上信息的智能化检索 　　1. 搜索引擎 　　计算机网络特别是Internet的一个重要作用就是信息资源的共享和交流, 所以, 网上信息发布和信息检索就是网络应用的主要内容。 随着Internet的飞速发展, 网上的站点越来越多,信息量也越来越大。那么,一方面如何使发布者的信息尽快地让更多的用户看到；另一方面, 如何使需求者从这浩如烟海的网上信息中快速、准确地找到自己所需的信息,这两者就成为网上信息检索技术的重要课题。

　　为了适应网络用户信息发布和信息查询的需求, 搜索引擎技术便应运而生。所谓搜索引擎,就是专门为用户提供信息发布和信息查询服务的一种软件系统。其实,它也就是一种网络数据库系统。搜索引擎有两方面的功能：一方面,它搜集网上所发布的各种信息,并进行分类和摘要,然后以多种索引的方式录入其数据库； 另一方面, 它又提供多种查询方式, 供用户从数据库中检索出所需求的信息。所以, 搜索引擎也就是一种网上信息中介机构。由于搜索引擎是为公众服务的, 因而它也有自己的网站。所以,一个网络搜索引擎也就是网络上的一个信息查询站点。例如, 百度、Google、网易、搜狐、新浪、 Yahoo等就是国内外几个较著名的搜索引擎(网站)。

　　2. 智能搜索引擎 　　人工搜索引擎虽然可以为网上信息发布和信息查询提供方便, 但随着网上信息站点和信息量的不断增加与更新, 其缺点也就逐渐暴露出来了。一方面, 由于其信息来源完全靠信息发布者主动提供, 这样,当一个搜索引擎的知名度不高, 或者信息发布者不能及时登记时, 搜索引擎的信息查全率就会下降, 以至于失去了搜索引擎的作用。另一方面,信息检索技术也亟待提高。目前的信息查询主要是按主题或关键词进行查询的。 这种查询方式是一种严格的语法匹配的查询方式, 因而往往会出现要么输出的无关信息太多, 要么查不到任何信息的现象。 换句话说, 当前的基于语法的信息查询, 其查准率很低。

　　对于一个搜索引擎来说, 信息查全率和查准率的意义是不言而喻的。那么,怎样提高搜索引擎的信息查全率和查准率呢？唯一的选择就是引入智能技术, 即变人工搜索引擎为智能搜索引擎。 具体来讲有以下两个方面： 　　一方面, 为搜索引擎配置信息搜索程序, 让其自动寻找、 发现网络上新出现的信息(网站、网页和新闻组等), 并对其进行自动分类、 自动索引和自动摘要, 并将分类或索引结果加入到搜索引擎(数据库)之中。这样, 将有效提高搜索引擎的信息查全率。

　　另一方面, 为搜索引擎设计更强的信息检索功能, 如模糊检索、 概念检索等。这类检索技术能够对用户提供的关键词进行分析和理解, 实现语义级而不仅仅是语法级的检索,从而提高查准率。  　　当然, 最好的查询方式莫过于自然语言查询。所以,自然语言查询接口将是提高搜索引擎查询效果和效率的最佳技术。

　　1) 自动文摘 　　(1) 机械式文摘包括以下方法：  ——频度统计法。根据统计词(不包括连词、代词、介词、 冠词、助动词及某些形容词和副词等)的出现频度来确定该词的重要性和句子的可选性。 凡是频度超过设定阈值的词被看作是文章的代表词,而一个句子的代表性则根据句子中包含代表词的多寡来计算。代表性超过设定阈值的句子被抽出作为文摘句。

　　——关键位置判定法。根据句子在文章中所处的位置, 如标题、段头、段尾等来判断其重要性, 然后根据各个句子的重要性来选择文摘句。  ——句法频度结合法。先利用句法分析程序将文章的短语识别出来,再计算短语中各个词的频度,以此来判断句子的代表性。  　　机械式文摘原理简单, 易于实现,但由于仅根据词在文章中出现的频度, 以及句子在文章中的位置选取文摘句, 而不对文章的内容进行理解, 因而文摘的质量受到了限制。

　　(2) 理解式文摘 　　是对文章进行了分析理解后提取出来的。近年来, 理解式文摘的研究越来越多, 并出现了知识化和交互化的发展趋向。 许多自动文摘系统在提高对文本的语言学分析能力的同时, 将各种知识存储在词典或知识库中。 知识包括特定领域的关键词的语法、语义和语用信息, 以及对应领域的文摘结构。知识的获得和知识库的建立采用人机交互的方式, 由人提供基本关键词和典型文摘句, 供计算机分析和学习, 使其自动获取文摘句的构造规则,并在运行过程中自动更新关键词和构造规则, 使其更加丰富和完善。

　　2) 自动分类 自动分类就是由机器判断一个信息文档应归属到哪个信息类中, 这一过程实际上是模式识别的过程。系统中各类信息的特征要予以设定, 当判断一个信息文档是否归属某个信息类时, 就要看该信息文档中提取出的特征是否与该信息类的特征相同或接近。由于如何表达信息类的特征, 以及如何对其进行提取和比较是一个尚未解决的难题, 因此信息自动分类技术还很不成熟, 这也是目前实用中的搜索引擎绝大多数都是关键词索引式而很少采用分类式的原因。

　　3) 自动索引 　　自动索引是按关键词为信息文档自动建立索引。简单的方法是根据信息文档原已提供的关键词或信息摘要中包含的关键词进行索引。为了提高搜索引擎的查全率和查准率, 更好的方法是利用全文信息检索技术对信息文档全文中包含的关键词进行索引,这样不但能够更全面地检索文档中所包含的关键词,同时还可以计算出各个关键词在文档中的权重, 而包含关键词权重的索引文件是智能查询所需要的。随着网络信息的变化, 系统中的用于建立索引的关键词也应不断地调整, 否则系统的性能就会下降。因此, 自动索引还应具有自动发现和添加新关键词, 并删除利用率太低的旧关键词的功能。

　　4) 模糊查询和概念查询 　　模糊查询和概念查询是信息检索方面的两个智能技术。 　　模糊查询有双重含义：一是系统在进行关键词匹配时, 对那些相近的关键词也给予一定的匹配度, 如给予“通信网”和“信息网”一定的匹配度； 二是用户检索表达式同信息文档的相关度是用模糊逻辑的隶属度表示的连续值, 而不是二值逻辑的两个值(相关和不相关), 从而能够将检索结果按照相关度进行排序。  　　概念查询不是按关键词词法构成,而是根据其含义进行匹配。 例如, “电脑”和“计算机”是不同的两个词,可是在词义和概念层次上却是一致的。显然,利用这种概念上的一致性就可提高信息检索的智能水平。

　　3. 基于Agent的网上信息查询 Agent不仅在网络管理与控制方面发挥作用, 也可以在网上信息查询方面大显身手。网上信息查询Agent可以根据检索者事先定义的信息检索要求, 在网上实时监视信息源的动态, 及时获取所需信息, 并将其提供给检索者。另外, 还可建立基于Agent的搜索引擎, 从而进一步提高智能搜索引擎的智能水平。 　

习 题十 四 1. 从系统结构看, 智能计算机可分为哪两部分？ 2. 简述LISP机和PROLOG机的基本原理和功能特点。  　　1. 从系统结构看, 智能计算机可分为哪两部分？ 　　2. 简述LISP机和PROLOG机的基本原理和功能特点。  　　3. 什么是神经网络计算机？神经网络计算机有哪些不同的类型和实现途径？ 　　4. 谈谈你对智能计算机及其发展前景的认识。  　　5. 智能化网络包括信息网络哪些方面的智能化？ 　　6. 什么是智能网？ 　　7. 网络控制与管理中怎样使用智能技术？ 　　8. 哪些智能技术可用于网上信息检索？ 　　9. 什么是智能搜索引擎？ 它涉及哪些智能技术？