5模塊五 認知新一代信息技術(shù)12.6

模塊五認知新一代信息技術(shù)信息技術(shù)的進步拓展了人類生存的空間維度。以人工智能、量子信息、大數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、AR（增強現(xiàn)實）/VR（虛擬現(xiàn)實）等為代表的新興技術(shù)既隨著信息技術(shù)的升級形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)，又促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的專項升級。圖5-1所示為新信息技術(shù)代表。所有圖加圖標(biāo)題，正文補充圖引言。統(tǒng)改已修改這些技術(shù)一方面應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ?，如智能眼鏡、智能手表等可穿戴設(shè)備正在逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞?，另一方面?yīng)用于科學(xué)研究，如載人航天，軍工制造等，助力中華民族的偉大復(fù)興。本章介紹了一些與這些新技術(shù)應(yīng)用緊密聯(lián)系的事件，帶領(lǐng)大家了解新一代信息技術(shù)，在了解信息新技術(shù)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題，分析問題，解決問題的能力，暢想未來發(fā)展，做信息時代的先行者。所有圖加圖標(biāo)題，正文補充圖引言。統(tǒng)改已修改建議改為：新信息技術(shù)建議改為：新信息技術(shù)圖5-1新信息技術(shù)代表項目5.1悄然改變?nèi)藗兩畹男畔⑿录夹g(shù)在人類歷史上，每一項劃時代的重大技術(shù)的進步，都會使人類的生活工具發(fā)生質(zhì)的飛躍，并將其轉(zhuǎn)化為生活觀的演進。18世紀的蒸汽機技術(shù)使工業(yè)生活用具取代了手工業(yè)生活用具的主導(dǎo)地位，并使人類生活觀步入工業(yè)文明；19世紀的電氣技術(shù)使生活工具的自動化程度不斷提高，人類生活觀也進入了一個新階段；如今以計算機通信技術(shù)為核心的新一輪信息技術(shù)革命，將以提高生活工具的信息含量為杠桿，使人類生活觀向信息文明轉(zhuǎn)型，AR/VR、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、量子通信及量子計算技術(shù)等新一代信息技術(shù)正在快速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)逐漸滲入到我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷?，同時也在改變著我們的生活方式和生活習(xí)慣。目前熱門的可穿戴設(shè)備及其運用的信息技術(shù)如圖5-2所示。本項目以可穿戴設(shè)備中的智能眼鏡及智能手環(huán)為切入點，帶領(lǐng)大家了解新一代信息技術(shù)。圖5-2可穿戴設(shè)備及其運用的信息技術(shù)5.1.1任務(wù)：智能眼鏡的暢想【任務(wù)描述】智能眼鏡是指如同智能手機一樣擁有獨立的操作系統(tǒng)，可以通過安裝軟件來實現(xiàn)各種功能的可穿戴的眼鏡設(shè)備統(tǒng)稱。盡管當(dāng)前智能眼鏡市場還未真正興起，但是它被視為未來智能科技產(chǎn)品的重要增長點，是谷歌、微軟、華為、小米等眾多科技企業(yè)的重點研發(fā)項目。讓我們以2021年秋季小米公司推出的智能眼鏡探索版為例，揭開智能眼鏡的神秘外紗，并了解諸多新信息技術(shù)在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。【示例演練】2021年9月14日，一款概念新品——小米智能眼鏡探索版正式發(fā)布，其集成了四核ARM處理器、電池、觸摸板、Wi-Fi/藍牙模組等，支持Android操作系統(tǒng)，整個眼鏡的重量為51g。在顯像方面，小米智能眼鏡采用了MicroLED光波導(dǎo)顯像技術(shù)。光波導(dǎo)（OpticalWaveguide）技術(shù)，是一種讓光線扭轉(zhuǎn)180°的新技術(shù)。該技術(shù)可明顯減少設(shè)備體積和重量，并且可以讓智能眼鏡的形態(tài)接近傳統(tǒng)眼鏡。此外，在功能性上，小米智能眼鏡集成了497顆微型傳感器和通信模塊，所以它可以看作是一個可獨立操作的全新智能終端。除了基本的通知顯示、通話等功能外，也可獨立完成導(dǎo)航、拍照、提詞器、圖像和自然語音實時翻譯等功能。用智能眼鏡來操作上述功能，與手機的體驗將完全不同。例如，在通話方面，來電時可以直接通過眼鏡看到對方號碼，然后利用內(nèi)置的雙波束成形麥克風(fēng)和揚聲器；在導(dǎo)航方面，它可以將道路和地圖信息實時呈現(xiàn)在眼前，科技感十足；在拍照方面，小米智能眼鏡利用眼鏡前方的攝像頭，可以進行快速“拍照”和“拍圖翻譯”，同時，利用內(nèi)置麥克風(fēng)和小米AI實驗室機器翻譯團隊自研算法，也可以實現(xiàn)“實時語音翻譯”的功能，將對方說的話實時轉(zhuǎn)為文字并進行翻譯。理想中的智能眼鏡如圖5-3所示。圖5-3理想中的智能眼鏡【任務(wù)實現(xiàn)】相對于智能手機系列產(chǎn)品，目前市面上的智能眼鏡還是比較少見的?？梢栽O(shè)想在不久的將來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術(shù)的發(fā)展，智能城市逐步建成，周圍的智能傳感器將記錄一切信息，包括步行路線、共享汽車使用、建筑物占用、環(huán)境濕度和溫度等。將這些信息接入智能眼鏡，將會為人們帶來前所未有的便利。我們假定自己是智能眼鏡產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)人員，試著從前后端的技術(shù)角度分析智能眼鏡產(chǎn)品，看看如AR、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)等新信息技術(shù)是如何應(yīng)用的。參考表5-1給出的提示，請?zhí)接懶∶字悄苎坨R用到了哪些新信息技術(shù)，為什么要使用這些技術(shù)以及這些技術(shù)是如何發(fā)揮作用的？表5-1增強現(xiàn)實（AR）、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)應(yīng)用提示新技術(shù)已有應(yīng)用提示補表題、表號、表引言已修改補表題、表號、表引言已修改AR購買衣服、鞋子在線試穿云計算數(shù)據(jù)處理及存儲物聯(lián)網(wǎng)溫度、濕度監(jiān)測信息互聯(lián)深度學(xué)習(xí)人臉識別請?zhí)接懼悄苎坨R還可以從哪些方面增加新功能，進而方便人們的生活，如加入人臉識別功能幫助記錄人名等？請?zhí)接懭绻獙崿F(xiàn)以上的目標(biāo)，需要使用什么新技術(shù)，難點在哪里？【能力拓展】達摩克利斯之劍——技術(shù)與道德的爭論關(guān)于智能眼鏡的道德討論一直沒有停歇，智能眼鏡產(chǎn)品內(nèi)置了攝像頭，并且設(shè)計和拍照形式更為隱蔽。另外，未來的智能眼鏡還將具備一定形式的增強現(xiàn)實功能，如何規(guī)避隱私問題，也成為討論的熱點。顯然，智能眼鏡要想真的普及，還面臨著巨大的道德挑戰(zhàn)和規(guī)范等問題。請考慮并討論以下問題，并提出解決方案：人們能夠佩戴智能眼鏡去任何地方嗎?人們可以錄制任何看到的事物嗎?人們可以能把智能眼鏡帶到課堂上、甚至考試中嗎?人們可以實時監(jiān)控自己的孩子嗎?5.1.2任務(wù)：智能手環(huán)的發(fā)展【任務(wù)描述】在融入智能科技之前，手環(huán)通常被看作是一種裝飾品。現(xiàn)在的它正在嘗試記錄用戶的健身效果、睡眠質(zhì)量、飲食安排和習(xí)慣等一系列相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且可以將這些數(shù)據(jù)同步到用戶的移動終端設(shè)備中，終端設(shè)備可能會根據(jù)自己的“分析功能”給出相關(guān)建議，起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用。它也可以看作是一款高檔的計步器，除具有普通計步器的一般計步和測量距離、熱量、脂肪等功能外，同時還具有睡眠監(jiān)測、高檔防水、數(shù)據(jù)傳輸、疲勞提醒等特殊功能。智能手環(huán)功能示意如圖5-4所示。圖5-4智能手環(huán)功能示意以睡覺為例，在睡前將手環(huán)設(shè)置為睡眠模式，并通過低功耗藍牙模組與智能手機實現(xiàn)實時同步，便可看到入睡時間、清醒時間、深睡/淺睡、整體的睡眠質(zhì)量等信息。而對于健身的人來說，智能手環(huán)是一個負責(zé)的私人教練，可以告訴用戶每天的運動路徑、消耗卡路里和攝入熱量；可以設(shè)置運動目標(biāo)，如要走多少步、消耗多少卡路里等，還會實時顯示運動的完成率，各項數(shù)據(jù)均可以量化，對于不能堅持健身的人來說是一大福音。智能手環(huán)還具有高檔防水功能，可以戴著手環(huán)在淺?；蛘吆永镉斡?，克服了傳統(tǒng)計步器無法跟蹤游泳運動的缺陷，使用也更加廣泛。智能手環(huán)作為可穿戴設(shè)備，外觀設(shè)計一般很出彩。智能手環(huán)這種設(shè)計風(fēng)格對于習(xí)慣佩戴首飾的用戶而言，頗具誘惑力。智能手環(huán)體積小，但其功能還是比較強大的，其研發(fā)過程涉及智能手環(huán)微控制單元(MicrocontrollerUnit,MCU補全注釋已修改)數(shù)據(jù)指令到藍牙IC的傳輸、藍牙到APP的數(shù)據(jù)通信協(xié)議、APP到手機內(nèi)部的通信調(diào)試邏輯實現(xiàn)、APP數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫算法設(shè)計等一系列的開發(fā)。補全注釋已修改【示例演練】手環(huán)不僅是時尚裝飾品，更是當(dāng)下人們了解自己身體狀況必備的智能產(chǎn)品之一。“智能產(chǎn)品”之所以智能，關(guān)鍵是能實現(xiàn)“人機對話”，而“人機對話”的重要途徑是屏幕。正如手機早已實現(xiàn)從功能機向智能機轉(zhuǎn)變，手環(huán)也經(jīng)歷了從沒有屏幕，到黑白屏，再到觸控彩屏的演變，使之從一個“有傳感器的腕帶”發(fā)展成為真正的智能手環(huán)，并成為健康時尚人群的必需品。正如羅馬不是一天建成的，手環(huán)從“手腕上的一個環(huán)”到“手腕上的一塊屏”，也經(jīng)歷了發(fā)展進化的過程，透過華為手環(huán)發(fā)展史我們可以注意到各種新技術(shù)的應(yīng)用使人們的生活越來越便利。（1）最早的手環(huán)：一個能連接藍牙的“計步器”最初智能手環(huán)的誕生主要是為了記錄人體的運動情況，進行健康監(jiān)測，以培養(yǎng)良好而科學(xué)的運動習(xí)慣。2011年，藍牙廠商Jawbone推出UP一代手環(huán)，能簡單記錄運動情況，并進行睡眠監(jiān)測；同時計步器廠商Fibit發(fā)布了功能相近的智能手環(huán)FibitFlex。這些初代手環(huán)產(chǎn)品，基本功能都是記錄運動信息。因為技術(shù)的限制，第一代手環(huán)雖然可以簡單地記錄步數(shù)和睡眠信息，但由于沒有屏幕，必須配對其他有屏幕的設(shè)備如手機或PC，然后通過藍牙或者USB接口導(dǎo)出數(shù)據(jù)，才能進行數(shù)據(jù)信息查看?？梢哉f，這時候的手環(huán)只是一個單純用來輸入信息的傳感器。（2）屏幕，讓手環(huán)進入智能新時代2014年，以華為TalkBandB1為代表的一批帶有顯示屏的智能手環(huán)新品面市，手環(huán)上有了顯示屏，監(jiān)測的簡單數(shù)據(jù)可以在智能手環(huán)設(shè)備直接進行查看，使之成為了一款真正的智能設(shè)備，大大改變了人們的手環(huán)使用習(xí)慣。華為TalkBandB1有一塊1.4英寸的OLED黑白顯示屏，可以將追蹤行進的步數(shù)，消耗的卡路里、睡眠情況等信息在顯示屏上直接進行顯示。另外，它支持藍牙4.1，用戶可以把TalkBandB1中的機身部分取出來當(dāng)藍牙耳機打電話。可以說，當(dāng)下的智能手環(huán)的基本功能，在這一代已經(jīng)具備了雛形。但與現(xiàn)在的彩色觸控屏相比，這一代OLED黑白顯示屏只有顯示功能，用戶不能觸摸互動，這樣在智能功能和顯示上不免會受到一些限制，于是迎來了下一代智能手環(huán)。（3）炫彩全面屏，讓手環(huán)像手機般交互從華為手環(huán)B2開始，OLED觸摸屏技術(shù)與華為手環(huán)結(jié)合，讓手環(huán)進一步進入了智能交互時代。觸摸屏能在滿足顯示信息的同時，互動操作更加流暢。華為手環(huán)3系列的出現(xiàn)讓華為手環(huán)告別了黑白屏，正式進入了AMOLED彩屏觸控時代，炫彩清晰的屏幕讓手環(huán)的交互界面煥然一新。此外，它還具備運動檢測、心率監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、消息提醒等功能，可以說是一款功能十分全面的智能手環(huán)產(chǎn)品。另外，華為手環(huán)6能支持全天候血氧監(jiān)測，還為用戶提供了心率、睡眠、壓力、生理周期等全方位健康監(jiān)測服務(wù)。多達96種運動模式和專業(yè)的運動數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析能力，幫助用戶打造科學(xué)的運動方式。從第一代智能手環(huán)面世，直到使用全面屏的華為手環(huán)6，智能手環(huán)的發(fā)展始終圍繞著一條主線，就是洞察用戶使用的痛點并給予解決。以華為手環(huán)6為例，針對小屏幕信息呈現(xiàn)的痛點，設(shè)計采用了一體化全面屏和側(cè)邊實體按鍵設(shè)計；針對用戶的日常健康場景需要，支持全天候心率、血氧、壓力、睡眠監(jiān)測、久坐提醒等功能，甚至為女性用戶配備了生理周期的記錄與提醒功能；針對用戶不同戶外運動中要了解生理數(shù)據(jù)的變化的問題，設(shè)計了室內(nèi)外跑步、騎行、跳繩等11種專業(yè)運動模式，以及健身類、球類和舞蹈類等85種自由運動模式，實現(xiàn)了日常運動模式全面覆蓋。從沒有屏到擁有全面屏，智能手環(huán)早已不再是一款簡單的數(shù)據(jù)收集器，而是一款佩戴美觀、操控便捷、顯示內(nèi)容豐富并兼具強大的運動健康監(jiān)測及智能輔助的科技潮品。【任務(wù)實現(xiàn)】為了占據(jù)智能產(chǎn)品的有利市場地位，世界知名公司已率先吹響了號角。可穿戴設(shè)備的興起，將會帶來一場新的科技革命。順著智能手環(huán)發(fā)展史，我們可以抽絲剝繭，一個又一個新技術(shù)的應(yīng)用，不斷的加速產(chǎn)品迭代，滿足了越來越多消費者需求，智能手環(huán)產(chǎn)品已經(jīng)從一個新鮮的概念逐步進入人們的生活，并將發(fā)揮更大的作用。參考表5-2給出的應(yīng)用提示，請?zhí)接懹心男┬录夹g(shù)逐步應(yīng)用到了智能手環(huán)領(lǐng)域，這些新技術(shù)是如何改變?nèi)藗兩畹?？?-2大數(shù)據(jù)分析、區(qū)塊鏈、云計算應(yīng)用提示新技術(shù)已有應(yīng)用提示大數(shù)據(jù)分析流行病傳播研究區(qū)塊鏈分布賬本，信息加密云計算數(shù)據(jù)存儲及計算請?zhí)接懼悄苁汁h(huán)還可以從哪些方面增加新功能，進而方便人們的生活？請?zhí)接懭绻獙崿F(xiàn)以上的目標(biāo)，需要使用什么新技術(shù)，難點在哪里？【能力拓展】機遇與挑戰(zhàn)——廣闊的市場與安全性探討21世紀是人類追求健康的世紀。隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，人們在盡情享受現(xiàn)代文明成果的同時，“文明病”，即生活方式病正日益流行，處于亞健康狀態(tài)的人群越來越多。人們生活條件提高了，可食品安全和環(huán)境衛(wèi)生問題卻層出不窮，生活質(zhì)量反而不斷下降了。如今人們一些慢性病問題突出，不重視亞健康狀況，這已經(jīng)嚴重影響人們的身體健康，耗費大量的社會醫(yī)療資源和醫(yī)療費用，不少人也因病致貧。20世紀90年代以來，中國的老齡化進程加快。全國65周歲及以上老年人口19064萬人，占總?cè)丝诘?3.50%。預(yù)計到2040年，65歲及以上老年人口占總?cè)丝诘谋壤龑⒊^20%。同時，老年人口高齡化趨勢日益明顯：80歲及以上高齡老人正以每年5%的速度增加，到2040年將增加到7400多萬人。對于老年人，日常健康管理更加的重要，可以預(yù)計，老年人日常健康管理將成為一個巨大的市場。智能手環(huán)產(chǎn)品的誕生及發(fā)展，一直與健康管理存在著千絲萬縷的聯(lián)系，在健康理念普及與老齡化加重的背景下，智能手環(huán)作為當(dāng)前普及度最高的可穿戴智能產(chǎn)品必將發(fā)揮巨大價值。然而，在可穿戴設(shè)備迅速普及的過程中，數(shù)據(jù)安全問題逐漸凸顯。所有的可穿戴設(shè)備制造商不僅通過出售設(shè)備獲利，同時還收集了大量的使用者數(shù)據(jù)。在很多案例中，廠商獲得的數(shù)據(jù)被出售或者泄露給了第三方。這對于很多消費者而言是某種意義上的隱私數(shù)據(jù)，更重要的是，這些數(shù)據(jù)將會被怎樣使用我們不得而知。因此數(shù)據(jù)安全性也是我們需要面臨的一個重要問題。該段描述邏輯不通，表述不清，請重新潤色語句。已修改該段描述邏輯不通，表述不清，請重新潤色語句。已修改在比特幣網(wǎng)絡(luò)中使用的區(qū)塊鏈技術(shù)，是目前最具研究前景的數(shù)據(jù)安全性保障技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)不僅能夠被運用于支付，還能夠被運用于很多場合，如醫(yī)療數(shù)據(jù)記錄、電子病歷、藥品防偽等等都能夠使用區(qū)塊鏈技術(shù)。對于可穿戴技術(shù)而言，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠使得用戶數(shù)據(jù)去向問題變得更加透明?？纱┐骷夹g(shù)是一場革新，在更大范圍使用之前我們需要處理好用戶數(shù)據(jù)安全問題。由于區(qū)塊鏈技術(shù)使數(shù)據(jù)更加透明和安全，為我們提供了解決數(shù)據(jù)安全問題的思路。語句不通，請修改已修改語句不通，請修改已修改試分析智能手環(huán)如何在大健康領(lǐng)域發(fā)揮其價值，請舉例。試分析如要實現(xiàn)上述健康管理功能可以用到的技術(shù)。請思考還有新技術(shù)可能會帶來的風(fēng)險？5.1.3任務(wù)：語音識別技術(shù)的應(yīng)用【任務(wù)描述】隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步以及移動互聯(lián)網(wǎng)的快速普及，計算機技術(shù)被廣泛地運用到了社會的各個領(lǐng)域，隨之而來的則是海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。其中，語音數(shù)據(jù)受到了人們越來越多的重視。近二十年來，語音識別技術(shù)取得顯著進步，開始從實驗室走向市場。人們預(yù)計，未來10年內(nèi)，語音識別技術(shù)將在工業(yè)、家電、通信、汽車電子、醫(yī)療、家庭服務(wù)、消費電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域進行普及。本部分通過對語音識別應(yīng)用的分析，認知以人工智能技術(shù)為代表的信息新技術(shù)?！臼纠菥殹勘葼柹w茨曾說過：“語音技術(shù)將使計算機丟下鼠標(biāo)鍵盤”。隨著計算機的小型化，鍵盤鼠標(biāo)已經(jīng)成為了計算機發(fā)展的一大阻礙。人類的計算機從超大體積發(fā)展到現(xiàn)在占地不到一平米的微型計算機，想必未來的計算機可能會有意想不到的小，那么鍵盤鼠標(biāo)對其來說就是障礙了，這時候就需要語音識別來完成命令。語音識別技術(shù)就是讓機器通過識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的技術(shù)，裝有語音識別模塊的產(chǎn)品，當(dāng)通電以后，芯片會進入識別狀態(tài)，這時候我們可以通過語音進行各種指令工作。比如對裝有語音識別模塊的電燈說：開燈，亮度調(diào)亮點；睡覺的時候，說：關(guān)燈等等。這些都運用到了語音識別技術(shù)。語音識別技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景，在語音輸入控制系統(tǒng)中，它能夠使得人們可以甩掉鍵盤，比如手機中的語音輸入法，使我們不在需要雙手輸入；通過識別語音中的要求、請求、命令或詢問做出正確的響應(yīng)，這樣既可以克服人工鍵盤輸入速度慢，極易出差錯的缺點，又有利于縮短系統(tǒng)的反應(yīng)時間，使人機交流變得簡便易行，比如用于聲控語音撥號系統(tǒng)、聲控智能玩具、智能家電等領(lǐng)域。在智能對話查詢系統(tǒng)中，人們通過語音命令，可以方便地從遠端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中查詢與提取有關(guān)信息，享受自然、友好的數(shù)據(jù)庫檢索服務(wù)，例如信息網(wǎng)絡(luò)查詢、醫(yī)療服務(wù)、銀行服務(wù)等。語音識別技術(shù)還可以應(yīng)用于自動口語翻譯，即通過將口語識別技術(shù)、機器翻譯技術(shù)、語音合成技術(shù)等相結(jié)合，可將一種語言的語音輸入翻譯為另一種語言的語音輸出，實現(xiàn)跨語言交流。語音識別技術(shù)在軍事斗爭領(lǐng)域里也有著極為重要的應(yīng)用價值和極其廣闊的應(yīng)用空間。一些語音識別技術(shù)就是著眼于軍事活動而研發(fā)，并在軍事領(lǐng)域首先應(yīng)用、首獲成效的，軍事應(yīng)用對語音識別系統(tǒng)的識別精度、響應(yīng)時間、惡劣環(huán)境下的頑健性都提出了更高的要求。目前，語音識別技術(shù)已在軍事指揮和控制自動化方面得以應(yīng)用。比如，將語音識別技術(shù)應(yīng)用于航空飛行控制，可快速提高作戰(zhàn)效率和減輕飛行員的工作負擔(dān)，飛行員利用語音輸人來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動操作和控制各種開關(guān)。語音識別在我們生活中同樣應(yīng)用很廣泛，比如現(xiàn)在非常流行的智能語音音響，當(dāng)你對音響說出需要干什么的時候，比如：聽歌、天氣情況、聽廣播等，這些經(jīng)過語音識別后，智能音響就可以播放出來。更高級的還可以根據(jù)你的聲紋來識別，防止其他人使用。文字識別能夠使用戶按照最自然、最方便的輸入方式進行文字輸入，易學(xué)易用，可取代鍵盤或者鼠標(biāo)。【任務(wù)實現(xiàn)】一段語音，經(jīng)歷什么才能變成它所對應(yīng)的文本呢？語音作為輸入，文本作為輸出，第一反應(yīng)是該有一個函數(shù)，代入自變量輸出結(jié)果。可是，由于各種因素（如環(huán)境、說話人等）的影響，同一段文本，讀一千遍就有一千個模樣，語音的數(shù)字化存儲也因之而不同，長短不一，幅度不一，就是一大堆數(shù)字的組合爆炸，想要找到一個萬全的規(guī)則將這些語音唯一地對應(yīng)到同一段文本，這是演算邏輯所為難的；而且常用的詞匯量也很龐大，能夠拼成的語句不計其數(shù)，面對一段語音，遍歷搜尋所有可能的文本序列必然無法負擔(dān)。這樣，定義域和值域都是汪洋大海，難以通過一個函數(shù)一步到位地映射起來。如果我們能夠找到語音和文本的基本組成單位，并且這些單位是精確的、規(guī)整的、可控的，那么二者之間的映射關(guān)系會單純一些。對于文本，字（或字母、音素）組成詞，詞組成句子，字詞是首先想到的組成單位。目前通用的語音識別方式如下：有一段波形，通過靜音將它分割成若干個語音片段，然后識別每一個語音片段說的是什么。要想實現(xiàn)上述想法，我們需要窮舉出所有可能的詞的組合，然后和音頻進行匹配，選擇最好的匹配組合。

語音識別系統(tǒng)主要由四部分組成：信號處理和特征提取、聲學(xué)模型（AM）、語言模型（LM）和解碼搜索部分，如下圖所示。圖5-5語音識別流程信號處理和特征提取是語音識別系統(tǒng)的第一部分，接受最原始的音頻信號，通過消除噪聲和信道失真對語音進行增強，將信號從時域轉(zhuǎn)化到頻域，并為后面的聲學(xué)模型提取合適的有代表性的特征向量。聲學(xué)模型以特征提取部分生成的特征為輸入，為可變長特征序列生成聲學(xué)模型分數(shù)。語言模型估計通過訓(xùn)練語料學(xué)習(xí)詞與詞之間的相互關(guān)系，來估計假設(shè)詞序列的可能性，又叫語言模型分數(shù)。如果了解領(lǐng)域或任務(wù)相關(guān)的先驗知識，語言模型的分數(shù)通常可以估計的更準(zhǔn)確。解碼搜索綜合聲學(xué)模型分數(shù)與語言模型分數(shù)的結(jié)果，將總體輸出分數(shù)最高的詞序列當(dāng)做識別結(jié)果。試探討用過的語音識別軟件，及其應(yīng)用場景。請?zhí)接懺谡Z音識別的四個部分中（信號處理和特征提取、聲學(xué)模型、語言模型），哪些地方用到了人工智能技術(shù)？【能力拓展】越挫越強——人工智能識別方法聲學(xué)模型是語音識別系統(tǒng)中非常重要的一個組件，對不同基本單元的區(qū)分能力直接關(guān)系到識別結(jié)果的好壞。語音識別本質(zhì)上一個模式識別的過程，而模式識別的核心是分類器和分類決策的問題。通常，在孤立詞、中小詞匯量識別中使用動態(tài)時間規(guī)整分類器會有良好的識別效果，并且識別速度快，系統(tǒng)開銷小，是語音識別中很成功的匹配算法。但是，在大詞匯量、非特定人語音識別的時候，動態(tài)時間規(guī)整分類器識別效果就會急劇下降。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）等方法的應(yīng)用解決了當(dāng)前的識別問題。這些方法的一個重要特點是會不斷“糾正”自身錯誤，可以理解為“錯的越多，學(xué)的越快”，隨著大量的語音樣本的加入，識別結(jié)果越來越準(zhǔn)確。在不斷的模型調(diào)優(yōu)與樣本擴充下，部分軟件的語音識別率已經(jīng)超過95%，意味著具備了與人類相仿的語言識別能力。請調(diào)研百度、搜狗、訊飛的漢語語音識別軟件，列舉用到了哪些人工智能方法？并對比其聲學(xué)模型的異同。5.1.4知識講解1.AR技術(shù)增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）技術(shù)是計算機在現(xiàn)實影像上疊加相應(yīng)圖像的技術(shù)，利用虛擬世界套入現(xiàn)實世界并與之進行互動，達到增強現(xiàn)實的目的。增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將虛擬世界與真實世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實世界中，兩種信息互為補充，從而實現(xiàn)對真實世界的“增強”。AR技術(shù)不僅能夠有效體現(xiàn)出真實世界的內(nèi)容，也能使虛擬的信息內(nèi)容顯示出來，這些內(nèi)容相互補充和疊加。在視覺化的增強現(xiàn)實中，用戶在頭盔顯示器感受到真實世界能夠和電腦圖形之間重合在一起？描述不清已修改。AR技術(shù)中主要有多媒體和三維建模以及場景融合等新的技術(shù)和手段，AR所提供的信息內(nèi)容和人類能夠感知的信息內(nèi)容之間存在著明顯不同。？描述不清已修改AR技術(shù)有三大技術(shù)要點：三維注冊（跟蹤注冊技術(shù)）、虛擬現(xiàn)實融合顯示、人機交互。首先通過攝像頭和傳感器將真實場景進行數(shù)據(jù)采集，并傳入處理器對其進行分析和重構(gòu)，再通過AR頭盔顯示器或智能移動設(shè)備上的攝像頭、陀螺儀、傳感器等配件實時更新用戶在現(xiàn)實環(huán)境中的空間位置變化數(shù)據(jù)，從而得出虛擬場景和真實場景的相對位置，進而實現(xiàn)坐標(biāo)系的對齊并進行虛擬場景與現(xiàn)實場景的融合計算，最后將其合成影像呈現(xiàn)給用戶。用戶可通過AR頭盔顯示器或智能移動設(shè)備上的交互配件，如話筒、眼動追蹤器、紅外感應(yīng)器、攝像頭、傳感器等設(shè)備采集控制信號，并進行相應(yīng)的人機交互及信息更新，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的交互操作。其中，三維注冊是AR技術(shù)的核心，即以現(xiàn)實場景中二維或三維物體為標(biāo)識物，將虛擬信息與現(xiàn)實場景信息進行對位匹配，即虛擬物體的位置、大小、運動路徑等與現(xiàn)實環(huán)境必須完美匹配，達到虛實相生的地步。下圖是一個典型的AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由虛擬場景生成單元以及顯示器和頭盔等交互設(shè)備構(gòu)成。其中虛擬場景生成單元負責(zé)虛擬場景的建模、管理、繪制和其它外設(shè)的管理；顯示器負責(zé)顯示虛擬和現(xiàn)實融合后的信號；頭部跟蹤設(shè)備跟蹤用戶視線變化；交互設(shè)備用于實現(xiàn)感官信號及環(huán)境控制操作信號的輸入輸出。圖5-6AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖總的來說，AR技術(shù)是一種全新的人機交互技術(shù)，利用攝像頭，傳感器，實時計算和匹配技術(shù)，將真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間而同時存在。用戶可以通過AR系統(tǒng)感受到在客觀物理世界中所經(jīng)歷的“身臨其境”的逼真性，還能突破空間、時間以及其它客觀限制，感受到在真實世界中無法親身經(jīng)歷的體驗。因此，AR系統(tǒng)基本具備以下三個特點：（1）真實世界和虛擬世界的信息集成；（2）具有實時交互性；（3）在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。AR技術(shù)不僅應(yīng)用在與VR技術(shù)相類似的領(lǐng)域，如尖端武器、飛行器的研制與開發(fā)、數(shù)據(jù)模型的可視化、虛擬訓(xùn)練、娛樂與藝術(shù)等，而且由于其具有能夠?qū)φ鎸嵀h(huán)境進行增強顯示輸出的特性，在醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、精密儀器制造和維修、軍用飛機導(dǎo)航、工程設(shè)計和遠程機器人控制等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。2.云計算技術(shù)大規(guī)模分布式計算技術(shù)即為“云計算”（cloudcomputing）的概念起源。云計算在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中已經(jīng)隨處可見，如搜尋引擎、電商服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)信箱等，使用者只要輸入簡單指令就能得到大量信息?！霸啤睂嵸|(zhì)上就是一個網(wǎng)絡(luò)，狹義地講，云計算就是一種提供資源的網(wǎng)絡(luò)，使用者可以隨時獲取“云”上的資源，按需求量使用，按使用量付費，并且資源可以看成是無限擴展的。“云”就像自來水廠一樣，用戶可以隨時接水，并且不限量，按照自己家的用水量，付費給自來水廠就可以。從廣義上說，云計算是與信息技術(shù)、軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的一種服務(wù)，這種計算資源共享池叫做“云”。云計算把許多計算資源集合起來，通過軟件實現(xiàn)自動化管理，只需要很少的人參與，就能快速提供資源。也就是說，計算能力作為一種商品，可以在互聯(lián)網(wǎng)上流通，就像水、電、天然氣一樣，可以方便地取用使用費用，且價格較為低廉?？傊朴嬎悴皇且环N全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而是一種全新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用概念，云計算的核心概念就是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，在網(wǎng)站上提供快速且安全的云計算服務(wù)與數(shù)據(jù)存儲，讓每一個使用互聯(lián)網(wǎng)的人都可以使用網(wǎng)絡(luò)上的龐大計算資源與數(shù)據(jù)中心。云計算本質(zhì)上是一種基于并高度依賴于Internet的計算資源交付模型，集合了大量服務(wù)器、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)和其他資源，通過Internet以服務(wù)的形式提供這些資源，并且采用按使用量付費的模式。用戶與實際服務(wù)提供的計算資源相分離，并向用戶屏蔽底層差異的分布式處理架構(gòu)。用戶可以根據(jù)需要從諸如阿里云、華為云、騰訊云、AmazonWebServices（AWS）之類的云提供商那里獲得技術(shù)服務(wù)，如數(shù)據(jù)計算、存儲和數(shù)據(jù)庫，而無須購買、擁有和維護物理數(shù)據(jù)中心及服務(wù)器。云計算是分布式計算技術(shù)的一種，其工作原理是通過網(wǎng)絡(luò)“云”將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)搜尋、計算、分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶。通過這項技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在很短的時間內(nèi)（數(shù)秒之內(nèi)），完成對數(shù)以千萬計的數(shù)據(jù)的處理，提供和“超級計算機”同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?，F(xiàn)階段所說的云服務(wù)已經(jīng)不單單是一種分布式計算，而是分布式計算、效用計算、負載均衡、并行計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、熱備份冗雜和虛擬化等計算機技術(shù)混合演進并躍升的結(jié)果，其所用的關(guān)鍵技術(shù)如下圖所示圖5-7云計算關(guān)鍵技術(shù)云計算具有高靈活性、可擴展性和高性價比等特變，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式相比，其還具有如下優(yōu)勢與特點。（1）虛擬化技術(shù)虛擬化突破了時間、空間的界限，是云計算最為顯著的特點，虛擬化技術(shù)包括應(yīng)用虛擬和資源虛擬兩種。物理平臺與應(yīng)用部署的環(huán)境在空間上是沒有任何聯(lián)系的，云計算通過虛擬平臺對相應(yīng)終端完成數(shù)據(jù)備份、遷移和擴展等操作。（2）動態(tài)可擴展云計算具有高效的運算能力，在原有服務(wù)器基礎(chǔ)上增加云計算功能能夠使計算速度迅速提高，最終實現(xiàn)動態(tài)擴展虛擬化要求，達到擴展應(yīng)用的目的。用戶可以利用應(yīng)用軟件的快速部署條件來更為簡單快捷地將自身所需的已有業(yè)務(wù)以及新業(yè)務(wù)進行擴展。例如，云計算系統(tǒng)中出現(xiàn)設(shè)備的故障，對于用戶來說，無論是在計算機層面上，還是在具體運用上都不會受到阻礙，用戶可以利用云計算具有的動態(tài)擴展功能來對其他服務(wù)器開展有效擴展。這樣一來就能夠確保任務(wù)得以有序完成。（3）按需部署計算機包含了許多應(yīng)用、程序軟件等，不同的應(yīng)用對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源庫不同，所以用戶運行不同的應(yīng)用需要較強的計算能力對資源進行部署，而云計算平臺能夠根據(jù)用戶的需求快速配備相應(yīng)的計算能力及資源。（4）靈活性高目前市場上大多數(shù)信息技術(shù)資源、軟件、硬件都支持虛擬化，如存儲網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和開發(fā)軟、硬件等。虛擬化要素統(tǒng)一放在云系統(tǒng)資源虛擬池當(dāng)中進行管理，可見云計算的兼容性非常強，可以兼容低配置機器、不同廠商的硬件產(chǎn)品，并使其能夠?qū)崿F(xiàn)高性能計算。（5）可靠性高云計算即使出現(xiàn)服務(wù)器故障也不會影響計算與應(yīng)用的正常運行，因為單點服務(wù)器出現(xiàn)故障后，可以通過虛擬化技術(shù)將分布在不同物理服務(wù)器上面的應(yīng)用進行恢復(fù)或利用動態(tài)擴展功能部署新的服務(wù)器進行計算。（6）性價比高將資源放在虛擬資源池中統(tǒng)一管理在一定程度上優(yōu)化了物理資源，用戶不再需要造價昂貴、占地空間大的主機，而可以選擇相對廉價的計算機組成云，一方面減少費用，另一方面計算性能也不遜于大型主機。如今，云計算技術(shù)已經(jīng)融入社會生活的方方面面。存儲云，又稱云存儲，是在云計算技術(shù)上發(fā)展起來的一個新的存儲技術(shù)。云存儲是一個以數(shù)據(jù)存儲和管理為核心的云計算系統(tǒng)。將本地的資源上傳至云端上后，用戶可以在任何地方連入互聯(lián)網(wǎng)來獲取云上的資源。大家所熟知的谷歌、微軟等大型網(wǎng)絡(luò)公司均有云存儲的服務(wù)，在國內(nèi)，百度云和微云則是市場占有量較大的存儲云。存儲云向用戶提供了存儲容器服務(wù)、備份服務(wù)、歸檔服務(wù)和記錄管理服務(wù)等，大大方便了用戶對資源的管理。云計算應(yīng)用主要包括以下幾個方面。（1）醫(yī)療云。是指在云計算、移動技術(shù)、多媒體、5G通信、大數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合醫(yī)療技術(shù)，使用“云計算”來創(chuàng)建醫(yī)療健康服務(wù)云平臺，實現(xiàn)醫(yī)療資源的共享和醫(yī)療范圍的擴大。醫(yī)療云運用云計算技術(shù)，可提高醫(yī)療機構(gòu)的效率，方便居民就醫(yī)。如醫(yī)院的預(yù)約掛號、電子病歷、電子醫(yī)保等都是云計算與醫(yī)療領(lǐng)域結(jié)合的產(chǎn)物，醫(yī)療云還具有數(shù)據(jù)安全、信息共享、動態(tài)擴展、布局全國等優(yōu)勢。（2）金融云。是指利用云計算的模型，將各金融機構(gòu)及相關(guān)機構(gòu)的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)互通，構(gòu)成云網(wǎng)絡(luò)，以提高金融機構(gòu)迅速發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力。金融云旨在為銀行、保險和基金等金融機構(gòu)提供互聯(lián)網(wǎng)處理和運行服務(wù)，同時共享互聯(lián)網(wǎng)資源，從而解決現(xiàn)有問題并且達到高效、低成本的目標(biāo)?，F(xiàn)在，金融與云計算的結(jié)合使快捷支付基本普及，用戶只需要在手機上簡單操作，就可以完成銀行存款、購買保險和基金買賣。目前已有多家企業(yè)推出了自己的金融云服務(wù)。（3）教育云。可以將所需要的任何教育硬件資源虛擬化，然后將其傳入互聯(lián)網(wǎng)中，以向教育機構(gòu)和學(xué)生、教師提供一個方便快捷的平臺。慕課MOOC（大規(guī)模開放的在線課程）就是教育云的一種應(yīng)用。（4）服務(wù)云。用戶使用在線服務(wù)來發(fā)送郵件、編輯文檔、看電影或電視、聽音樂、玩游戲或存儲圖片和其他文件，這些都屬于服務(wù)云的范疇。3.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過在物品上嵌入電子標(biāo)簽、條形碼等能夠存儲物體信息的標(biāo)識，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)將其即時信息發(fā)送到后臺信息處理系統(tǒng)，而各大信息系統(tǒng)可通過互聯(lián)形成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，從而可達到對物品進行實施跟蹤、監(jiān)控等智能化管理的目的。這個網(wǎng)絡(luò)就是物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofThings，IoT）。通俗來講，物聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)人與物之間的信息溝通。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)及云計算技術(shù)，如圖5-8所示。圖5-8物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻自動識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“InternetofThings”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品（商品）能夠彼此進行“交流”，而無須人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是利用RFID技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品（商品）的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。RFID可以理解為讓物品“開口說話”的一種技術(shù)。在“物聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物品（商品）的識別，進而通過開放性的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。“物聯(lián)網(wǎng)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開：一方面是機場、公路、建筑物，而另一方面是數(shù)據(jù)中心，包括個人電腦、寬帶等。而在“物聯(lián)網(wǎng)”時代，鋼筋混凝土、電纜等設(shè)施將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，在此意義上，基礎(chǔ)設(shè)施更像是一塊新的地球工地，經(jīng)濟管理、生產(chǎn)運行、社會管理乃至個人生活都在它上面進行。目前，物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個被廣泛認同的體系結(jié)構(gòu)，但是，我們可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對信息感知、傳輸、處理的過程將其劃分為3層結(jié)構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層：主要用于對物理世界中的各類數(shù)據(jù)如標(biāo)識、音頻、視頻等的采集與感知。數(shù)據(jù)采集主要涉及傳感器、RFID、二維碼等技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)層：主要用于實現(xiàn)更廣泛、更快速的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而對感知到的數(shù)據(jù)信息安全地進行傳送。目前能夠用于物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要有互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)與有線電視網(wǎng)。應(yīng)用層：主要包含應(yīng)用支撐平臺子層和應(yīng)用服務(wù)子層。應(yīng)用支撐平臺子層用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享和互通。應(yīng)用服務(wù)子層包括智能交通、智能家居、智能物流、智能醫(yī)療、智能電力、數(shù)字環(huán)保、數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)字林業(yè)等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)主要具有以下主要特征。（1）全面感知利用RFID、傳感器、定位器和二維碼等技術(shù)隨時隨地對物體進行信息采集和獲取。感知包括傳感器的信息采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)，甚至信息服務(wù)，以達到控制、指揮的目的。（2）可靠傳遞可靠傳遞是指通過各種電信網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)融合，對接收到的感知信息進行實時遠程傳送，實現(xiàn)信息的交互和共享，并進行各種有效的處理。在這一過程中，通常需要用到現(xiàn)有的電信運行網(wǎng)絡(luò)，包括無線和有線網(wǎng)絡(luò)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個局部的無線網(wǎng)，因而無線移動通信網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)是是否已經(jīng)過時？作為承載物聯(lián)網(wǎng)的一個有力的支撐。是否已經(jīng)過時？（3）智能處理是指利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對隨時接受到的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的海量數(shù)據(jù)和信息進行分析處理，提升對社會各種活動和變化的洞察力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。例如，對于物聯(lián)網(wǎng)公司，商業(yè)模式中首先要考慮的是“產(chǎn)品”。要想取得競爭優(yōu)勢，必須通過智能處理和分析明確開發(fā)智能互聯(lián)產(chǎn)品的功能和特色。當(dāng)然，物聯(lián)網(wǎng)還會有許多廣泛的用途，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領(lǐng)域。4.深度學(xué)習(xí)技術(shù)深度學(xué)習(xí)（DeepLearning，DL）是機器學(xué)習(xí)（MachineLearning，ML）領(lǐng)域中一個新的研究方向，它被引入機器學(xué)習(xí)并使其更接近于最初的研究目標(biāo)—人工智能（ArtificialIntelligence，AI）。深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示層次，這些學(xué)習(xí)過程中獲得的信息對諸如文字，圖像和聲音等數(shù)據(jù)的解釋有很大的幫助。它的最終目標(biāo)是讓機器能夠像人一樣具有分析、學(xué)習(xí)能力，從而能夠識別文字、圖像和聲音等數(shù)據(jù)。深度學(xué)習(xí)是機器學(xué)習(xí)的一種，而機器學(xué)習(xí)是實現(xiàn)人工智能的必經(jīng)路徑。深度學(xué)習(xí)的概念源于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，含多個隱藏層的多層感知器就是一種深度學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)。深度學(xué)習(xí)通過組合低層特征形成更加抽象的高層表示屬性類別或特征，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式特征表示。研究深度學(xué)習(xí)的動機在于建立模擬人腦進行分析學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過模仿人腦的機制來解釋圖像、聲音、文本等數(shù)據(jù)。圖5-9是深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練流程對比，可以看出在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和預(yù)處理方面，兩者是很相似的，他們都可能對數(shù)據(jù)進行一些操作：數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)標(biāo)簽、歸一化、去噪、降維；傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)的特征提取主要依賴人工，針對特定簡單任務(wù)的時候人工提取特征會簡單有效，但是并不能通用。深度學(xué)習(xí)的特征提取并不依靠人工，而是機器自動提取的。圖5-9深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練流程對比以往在機器學(xué)習(xí)用于現(xiàn)實任務(wù)時，描述樣本的特征通常需由人類專家來設(shè)計，這成為“特征工程（featureengineering）”。眾所周知，特征的好壞對泛化性能有至關(guān)重要的影響，人類專家設(shè)計出準(zhǔn)確的特征也并非易事；特征學(xué)習(xí)（表征學(xué)習(xí)）則通過機器學(xué)習(xí)技術(shù)自身來產(chǎn)生準(zhǔn)確的特征，這使機器學(xué)習(xí)向“全自動數(shù)據(jù)分析”又前進了一步。近年來，研究人員也逐漸將這幾類方法結(jié)合起來，例如，對原本是以有監(jiān)督學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合自編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行無監(jiān)督的預(yù)訓(xùn)練，進而利用鑒別信息微調(diào)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)形成的卷積深度置信網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法相比，深度學(xué)習(xí)方法預(yù)設(shè)了更多的模型參數(shù)，因此模型訓(xùn)練難度更大，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)習(xí)的一般規(guī)律知道，模型參數(shù)越多，需要參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量也越大。深度學(xué)習(xí)是一個復(fù)雜的機器學(xué)習(xí)算法，目前在在語音和圖像識別方面取得的成果頗豐。深度學(xué)習(xí)在搜索技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)、機器翻譯、自然語言處理、多媒體學(xué)習(xí)、推薦和個性化技術(shù)，以及其他相關(guān)領(lǐng)域都也取得了很多成果。深度學(xué)習(xí)使機器模仿視聽和思考等人類的活動，解決了很多復(fù)雜的模式識別難題，使得人工智能相關(guān)技術(shù)取得了很大進步?；铐?：深度學(xué)習(xí)作為機器學(xué)習(xí)的一個分支，為什么能在眾多的機器學(xué)習(xí)模型中脫穎而出？5.區(qū)塊鏈技術(shù)區(qū)塊鏈?zhǔn)悄壳耙粋€比較熱門的新概念。從技術(shù)角度來看，這是一個犧牲一致性效率且保證最終一致性的分布式的數(shù)據(jù)庫。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個基于P2P的價值傳輸協(xié)議，我們不能只看到了P2P，而看不到價值傳輸；同樣的，也不能只看到了價值傳輸，而看不到區(qū)塊鏈的底層技術(shù)?？梢赃@么說，區(qū)塊鏈更像是一門結(jié)合了P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、非對稱加密技術(shù)、宏觀經(jīng)濟學(xué)、經(jīng)濟學(xué)博弈等知識的交叉學(xué)科。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€公共的分布式總賬，下面從以一個例子進行介紹。想象有一個100臺的分布式數(shù)據(jù)庫集群，現(xiàn)在的情況是這100個節(jié)點實際上的擁有者是一個機構(gòu)，并且所有節(jié)點處在該機構(gòu)的內(nèi)網(wǎng)當(dāng)中，所以這個機構(gòu)想讓這100個數(shù)據(jù)庫節(jié)點干嘛就干嘛，換句話說這100個節(jié)點之間是處于一個可信任的環(huán)境，并且受控于一個實體，這個實體具有絕對仲裁分配權(quán)。另外的情況是這樣的，想象這100個節(jié)點分別歸不同的人所有，且每個人的節(jié)點數(shù)據(jù)都是一樣的，即完全冗余，并且所有的節(jié)點均處在廣域網(wǎng)當(dāng)中，換句話說就是這100個節(jié)點之間是不信任的，且不存在一個擁有絕對仲裁權(quán)的實體?，F(xiàn)在考慮在第二種情況下，采用什么樣的算法（共識模型）能夠提供一個可信任的環(huán)境，能夠滿足以下條件：每個節(jié)點交換數(shù)據(jù)過程不被篡改；交換歷史記錄不可被篡改；每個節(jié)點的數(shù)據(jù)會同步到最新數(shù)據(jù)，且承認經(jīng)過共識的最新數(shù)據(jù)；基于少數(shù)服從多數(shù)的原則，整體節(jié)點維護的數(shù)據(jù)本身客觀反映了交換歷史。區(qū)塊鏈技術(shù)上就是要解決上述第二種情況的一種技術(shù)方案，更確切的說應(yīng)該叫分布式的冗余的鏈?zhǔn)娇傎~本方案。區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識模型來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計算范式。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每過一段時間，各參與主體產(chǎn)生的交易數(shù)據(jù)會被打包成一個數(shù)據(jù)區(qū)塊，數(shù)據(jù)區(qū)塊按照時間順序依次排列，形成數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈條，各參與主體擁有同樣的數(shù)據(jù)鏈條，且無法單方面篡改，任何信息的修改只有經(jīng)過約定比例的主體同意方可進行，并且只能添加新的信息，無法刪除或修改舊的信息，從而實現(xiàn)多主體間的信息共享和一致決策，確保各主體身份和主體間交易信息的不可篡改、公開透明。區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種健壯和安全的分布式狀態(tài)機，典型的技術(shù)構(gòu)成包括共識算法、P2P通訊、密碼學(xué)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和虛擬機。這也構(gòu)成了區(qū)塊鏈必不可少的5項核心能力：存儲數(shù)據(jù)、共有數(shù)據(jù)、分布式、信息安全、數(shù)字化合約。區(qū)塊鏈基礎(chǔ)構(gòu)架如5-10圖所示，包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層、應(yīng)用層。每層分別完成一項核心功能，各層之間互相配合，實現(xiàn)一個去中心化的信任機制。圖5-10區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)架數(shù)據(jù)層主要描述區(qū)塊鏈技術(shù)的物理形式，是設(shè)計賬本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其實描述的是區(qū)塊鏈究竟是由哪些部分組成的。首先建立一個起始節(jié)點----“創(chuàng)世區(qū)塊”，之后在同樣規(guī)則下創(chuàng)建的規(guī)格相同的區(qū)塊依次相連組成一條主鏈條。每個區(qū)塊中包含了許多技術(shù)，例如時間戳、散列函數(shù)、Merkle樹、非對稱加密技術(shù)，用來確保每一個區(qū)塊是按時間順序相連接以及交易信息不被篡改。網(wǎng)絡(luò)層的主要是為了實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的信息交流，實現(xiàn)記賬節(jié)點的去中心化。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個P2P網(wǎng)絡(luò)（對等網(wǎng)絡(luò)，又稱點對點網(wǎng)絡(luò)），是沒有中心服務(wù)器、依靠用戶群交換信息的互聯(lián)網(wǎng)體系。每一個節(jié)點既接收信息，也產(chǎn)生信息。區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中，一個節(jié)點創(chuàng)造新的區(qū)塊后會以廣播的形式通知其他節(jié)點，其他節(jié)點會對這個區(qū)塊進行驗證，當(dāng)全區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中超過51%的用戶驗證通過后，這個新區(qū)塊就可以被添加到主鏈上了。共識層負責(zé)調(diào)配記賬節(jié)點的任務(wù)負載，能讓高度分散的節(jié)點在去中心化的系統(tǒng)中高效地針對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性達成共識。區(qū)塊鏈中比較常用的共識機制主要有工作量證明（PoW）、權(quán)益證明（PoS）和股份授權(quán)證明（DPoS）三種。激勵層是制定記賬節(jié)點的“薪酬體系”，包括發(fā)行機制及分配機制，主要提供一定的激勵措施，鼓勵節(jié)點參與區(qū)塊鏈的安全驗證工作。我們以比特幣為例，它的獎勵機制有兩種。一是系統(tǒng)獎勵給那些創(chuàng)建新區(qū)塊的礦工，剛開始每記錄一個新區(qū)塊，獎勵礦工50個比特幣，該獎勵大約每四年減半；另外一個激勵的來源則是交易費，新創(chuàng)建區(qū)塊沒有系統(tǒng)的獎勵時，礦工的收益會由系統(tǒng)獎勵變?yōu)槭杖〗灰资掷m(xù)費。合約層主要是指各種腳本代碼、算法機制以及智能合約等，賦予賬本可編程的特性。我們以比特幣為例，比特幣是一種可編程的貨幣，合約層封裝的腳本中規(guī)定了比特幣的交易方式和過程中涉及的種種細節(jié)。應(yīng)用服務(wù)層是獲得持續(xù)發(fā)展動力所在，應(yīng)用層封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景和案例。區(qū)塊鏈的這種分布式結(jié)構(gòu)會帶來以下5個重要的特點。（1）去中心化區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，沒有中心節(jié)點，所有節(jié)點都保存全部的相同的區(qū)塊信息，完全實現(xiàn)去中心化。對于特殊的應(yīng)用場景，可以適當(dāng)?shù)夭捎萌踔行幕墓芾砉?jié)點，即中心節(jié)點不影響整個區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的運行，如弱中心化的監(jiān)管機制。若從安全角度來說，弱中心化結(jié)構(gòu)中的中心節(jié)點要滿足對區(qū)塊鏈的安全不構(gòu)成威脅，對用戶隱私不構(gòu)成威脅等條件。（2）不可篡改性一方面，區(qū)塊鏈中存儲的交易信息每一條都有相對應(yīng)的Hash值，由每一條記錄的Hash值作為葉子節(jié)點生成二叉Merkle樹，Merkle樹的根節(jié)點（Hash值）保存在本區(qū)塊的塊頭部分，區(qū)塊頭部除了當(dāng)前區(qū)塊的Merkle樹的根節(jié)點，還要保存時間戳以及前一個區(qū)塊的標(biāo)識符（Hash指針）形成一條鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。因此，要想篡改區(qū)塊鏈中的一條記錄，不僅要修改本區(qū)塊的Hash值，還要修改后續(xù)所有區(qū)塊的Hash值，或者生成一條新的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，使得新的鏈比原來的鏈更長。實際上，這是很難實現(xiàn)的。一般來說，一個區(qū)塊后面有6個新的區(qū)塊生成時，就認為該區(qū)塊不可篡改，即可將該區(qū)塊加入到區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)中?；铐?-什么是P2P,Hash加密,Merkle樹（3）不可偽造性區(qū)塊鏈保存的交易數(shù)據(jù)中不僅含有Hash值，還有交易雙方的簽名以及驗證方的簽名。簽名具有不可偽造性。（4）可驗證性可驗證性指的是數(shù)據(jù)來源的可驗證。每一筆交易中電子貨幣的產(chǎn)生和輸入、輸出都是可以驗證的。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)中不會憑空增加電子貨幣。以比特幣為例，每一筆交易的輸入都是前一筆交易的輸出，每一筆交易的輸出又是下一筆交易的輸入，可實現(xiàn)交易的可追溯性。除了來源的可驗證外，還有交易金額的可驗證，即驗證金額的正確性，區(qū)塊鏈技術(shù)可以確保交易過程中的每一筆資金都是可靠的。但目前為了保證用戶的隱私，很多電子貨幣通過混幣、環(huán)簽名、零知識證明等技術(shù)在數(shù)據(jù)可驗證的前提下，盡可能地切斷金額的可追溯性。（5）匿名性區(qū)塊鏈中的匿名性實際上是一種偽匿名性。區(qū)塊鏈中使用假名技術(shù)來切斷賬號和真實身份的聯(lián)系。例如，對用戶公鑰進行一系列的Hash運算，得到的固定長度的Hash值作為對應(yīng)的電子賬號。實際上，隨著使用次數(shù)的增加，通過數(shù)據(jù)分析可以分析出賬號的很多交易行為，比如經(jīng)常和哪些賬號做交易，交易金額為多少等，甚至可以和現(xiàn)實中的真實身份相聯(lián)系。區(qū)塊鏈技術(shù)將大大優(yōu)化現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，在數(shù)據(jù)流通和共享上發(fā)揮巨大作用。未來互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)都將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，現(xiàn)有中心化數(shù)據(jù)存儲（計算模式）將面臨巨大挑戰(zhàn)，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的邊緣存儲（計算）有望成為未來該問題的解決方案。再者，區(qū)塊鏈對數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯機制保證了數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，這成為大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、人工智能等一切數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。最后，區(qū)塊鏈可以在保護數(shù)據(jù)隱私的前提下實現(xiàn)多方協(xié)作的數(shù)據(jù)計算，有望解決“數(shù)據(jù)壟斷”和“數(shù)據(jù)孤島”問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流通價值。針對當(dāng)前的區(qū)塊鏈發(fā)展階段，為了滿足一般商業(yè)用戶區(qū)塊鏈開發(fā)和應(yīng)用需求，眾多傳統(tǒng)云服務(wù)商開始部署自己的BaaS（區(qū)塊鏈即服務(wù)）解決方案。區(qū)塊鏈與云計算的結(jié)合將有效降低企業(yè)區(qū)塊鏈部署成本，推動區(qū)塊鏈應(yīng)用場景落地。未來區(qū)塊鏈技術(shù)還會在慈善公益、保險、能源、物流、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。6.大數(shù)據(jù)分析技術(shù)大數(shù)據(jù)本身是一個抽象的概念。從一般意義上講，大數(shù)據(jù)指無法在一定時間范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行獲取、存儲、管理和處理的數(shù)據(jù)集合，也指需要新處理模式才能使具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)，是指從各種各樣類型的數(shù)據(jù)中，快速獲得有價值信息的能力。大規(guī)模并行處理（MPP）數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘電網(wǎng)、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫、云計算平臺、互聯(lián)網(wǎng)和可擴展的存儲系統(tǒng)等都需要運用大數(shù)據(jù)技術(shù)。大數(shù)據(jù)孕育于信息通信技術(shù)，它對社會、經(jīng)濟、生活產(chǎn)生的影響絕不限于技術(shù)層面。更本質(zhì)上，它是為我們看待世界提供了一種全新的方法，即決策行為將日益基于數(shù)據(jù)分析，而不是像過去更多憑借經(jīng)驗和直覺。具體來講，大數(shù)據(jù)將有以下作用：（1）對大數(shù)據(jù)的處理分析正成為新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用的結(jié)點移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字家庭、電子商務(wù)等是新一代信息技術(shù)的應(yīng)用形態(tài)，這些應(yīng)用正在不斷產(chǎn)生大數(shù)據(jù)。云計算為這些海量、多樣化的大數(shù)據(jù)提供存儲和運算平臺。通過對不同來源的數(shù)據(jù)的管理、處理、分析與優(yōu)化，將結(jié)果反饋到上述應(yīng)用中，將創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會價值。（2）大數(shù)據(jù)是信息產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速增長的新引擎面向大數(shù)據(jù)市場的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新服務(wù)、新業(yè)態(tài)會不斷涌現(xiàn)。在硬件與集成設(shè)備領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)將對芯片、存儲產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要影響，還將催生一體化數(shù)據(jù)存儲處理服務(wù)器市場；在軟件與服務(wù)領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)將引發(fā)數(shù)據(jù)快速處理分析、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和軟件產(chǎn)品的發(fā)展。（3）大數(shù)據(jù)利用將成為提高核心競爭力的關(guān)鍵因素各行各業(yè)的決策正在從“業(yè)務(wù)驅(qū)動”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)集合并后進行分析得出的信息和數(shù)據(jù)關(guān)系性，可以用來察覺商業(yè)趨勢、判定研究質(zhì)量、避免疾病擴散、打擊犯罪或測定即時交通路況等。在商業(yè)領(lǐng)域，企業(yè)組織利用相關(guān)數(shù)據(jù)分析來降低成本、提高效率、開發(fā)新產(chǎn)品、做出更明智的業(yè)務(wù)決策等，對大數(shù)據(jù)的分析可以使零售商實時掌握市場動態(tài)并迅速做出應(yīng)對，支持為商家制定更加精準(zhǔn)有效的營銷策略，可以幫助企業(yè)為消費者提供更加及時和個性化的服務(wù)；在醫(yī)療領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)可幫助提高診斷準(zhǔn)確性和藥物有效性；在公共事業(yè)領(lǐng)域，在促進經(jīng)濟發(fā)展、維護社會穩(wěn)定等方面也開始發(fā)揮越來越重要的作用。（4）大數(shù)據(jù)時代科學(xué)研究的方法手段將發(fā)生重大改變抽樣調(diào)查是社會科學(xué)的基本研究方法。而在大數(shù)據(jù)時代，可對通過實時監(jiān)測、跟蹤研究對象在互聯(lián)網(wǎng)上產(chǎn)生的海量行為數(shù)據(jù)進行挖掘分析，揭示出內(nèi)在規(guī)律性，提出研究結(jié)論和對策。制造業(yè)、物流、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用水平還處在初級階段，但未來消費者驅(qū)動的C2B模式會倒逼這些行業(yè)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用進程逐步加快。國際知名咨詢公司麥肯錫在《大數(shù)據(jù)的下一個前沿：創(chuàng)新、競爭和生產(chǎn)力》報告中指出，在大數(shù)據(jù)應(yīng)用綜合價值潛力方面，信息技術(shù)、金融保險、政府及批發(fā)貿(mào)易4大行業(yè)的潛力最高，信息、金融保險、計算機及電子設(shè)備、公用事業(yè)4類行業(yè)的數(shù)據(jù)量最大?；铐?阿里巴巴大數(shù)據(jù)架構(gòu)示例項目5.2助力航天發(fā)展的信息新技術(shù)西方國家通過航海事業(yè)在近代發(fā)展中贏得先機。同樣，對于太空中的資源，國際上遵循的原則是“誰開發(fā)，誰利用”，現(xiàn)在對航天事業(yè)的投入就是對國家未來發(fā)展的投資，搶占太空資源利用的先機。航天事業(yè)是一個高度集成的科學(xué)研究項目，涉及的研究領(lǐng)域也包括信息技術(shù)中的很多方面，如人工智能、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等，信息技術(shù)的新突破會為航天事業(yè)發(fā)展提供強有力的助力。5.2.1任務(wù)：星辰大?！袊d人航天【任務(wù)描述】2021年6月17日，神舟十二號載人飛船將三名宇航員送入太空。他們在那里工作生活三個月，在軌驗證航天員在空間站開展一系列活動的技術(shù)，為我國空間站在2022年建成使用做準(zhǔn)備?；仡欀袊教彀l(fā)展史，試著分析如何通過信息新技術(shù)助力我國的航天事業(yè)發(fā)展。航天應(yīng)用及部分新信息技術(shù)應(yīng)用如圖5-11所示。圖5-11航天應(yīng)用及部分新信息技術(shù)應(yīng)用【示例演練】自古以來我國人民就有飛天夢想，最早承載著人們飛天夢的就是風(fēng)箏。它從東周春秋時期的木制風(fēng)箏到東漢蔡倫改進造紙術(shù)后才演變?yōu)榧堉骑L(fēng)箏。唐朝還有一些人們利用自己擅長的機關(guān)技巧將制作的木鳥送上天空，這些木鳥可以飛至近百米的高空。隨著新中國的成立，我們繼承先人的航天夢，開始了新一輪的太空筑夢，而在經(jīng)歷了七十年的等待和奮斗后，我們迎來了屬于自己的空間站。活頁4中國航天發(fā)展簡史【任務(wù)實現(xiàn)】回顧這個激動人心的時刻，神州十二號之所以能成功完成任務(wù)，任務(wù)前的充分準(zhǔn)備及任務(wù)中的精準(zhǔn)操作缺一不可。每一次航天任務(wù)，都要經(jīng)過長期的準(zhǔn)備，任務(wù)中的每一個細節(jié)都是對技術(shù)的考驗，都需要經(jīng)過反復(fù)的檢查。因為運載火箭的發(fā)射，不像汽車、火車那樣發(fā)動機啟動后或其他地方若出現(xiàn)問題，可以隨時關(guān)閉停下來檢查或修理，火箭起飛后，一旦出現(xiàn)故障，其結(jié)果便注定了此次發(fā)射的失敗。所以，火箭制造要求極高，其中的火箭設(shè)計需要進行大量的模擬仿真及數(shù)據(jù)分析，如何從海量的仿真及實驗數(shù)據(jù)中找到可能存在的缺陷是極為重要的。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以關(guān)聯(lián)更多的信息，并從中及時識別和預(yù)測缺陷，為設(shè)計人員提供有力支持。試分析在火箭設(shè)計及制造過程中可以使用哪些大數(shù)據(jù)技術(shù)識別缺陷？還有哪些技術(shù)可以應(yīng)用于提高火箭可靠性？航天員的培訓(xùn)也是及其重要的準(zhǔn)備過程。航天員是經(jīng)過層層選拔過后的精英，必須具有過人的身體素質(zhì)及心理素質(zhì)，為了順利完成任務(wù)還要經(jīng)過長達三到五年的培訓(xùn)，其中包括熟悉航天器模擬艙中操作內(nèi)容、從起飛到著陸的全部飛行科目訓(xùn)練、飛行程序和其他類別的操作（如在飛行中與地面通信聯(lián)絡(luò)，應(yīng)對緊急狀態(tài)和故障）等訓(xùn)練。這些訓(xùn)練如果有VR技術(shù)的支持，可以對太空環(huán)境進行模擬，讓航天員能夠身臨其境地練習(xí)操作、對接。試分析通過VR可以實現(xiàn)哪些航天員演練項目，與平民接觸的VR有什么不同？試分析上面的討論使用了哪些具體的VR技術(shù)？火箭與飛船分離后，神舟12號飛船的任務(wù)就是要與中國空間站對接。為了進一步接近中國空間站，神舟12號需要在中途進行6次變軌，最終實現(xiàn)對接。這個過程中會應(yīng)用到遙感、自動控制、姿態(tài)調(diào)整等技術(shù)。從火箭升空到完成對接，神州12號僅用時6.5小時，神舟十二號就像是有著全自動駕駛功能的“超跑”。強化學(xué)習(xí)是近些年人工智能領(lǐng)域的重要研究方向，用于描述和解決智能體（agent）在與環(huán)境的交互過程中通過學(xué)習(xí)策略以達成回報最大化或?qū)崿F(xiàn)特定目標(biāo)的問題。強化學(xué)習(xí)已應(yīng)用于自動駕駛領(lǐng)域中，實現(xiàn)了軌跡優(yōu)化，運動規(guī)劃，動態(tài)路徑，最優(yōu)控制等任務(wù)。試分析航天器對接較自動駕駛的不同。請討論強化學(xué)習(xí)是否可以應(yīng)用于航天器對接任務(wù)？【能力拓展】嫦娥奔月——載人登月工程暢想中國載人登月工程第一階段是實現(xiàn)對月球的無人飛行器探測，具體分為“繞、落、回”三步。第二階段是實現(xiàn)載人登月，中國人踏上月球。第三階段則是要實現(xiàn)人類從未有過的壯舉——建立月球基地。請結(jié)合模塊五新一代信息技術(shù)的內(nèi)容，請暢想一下每個階段主要使用的信息技術(shù)將有什么變化，對信息技術(shù)的可靠性和復(fù)雜性有哪些要求？5.2.2任務(wù)：量子科技正加速進入太空【任務(wù)描述】量子技術(shù)與衛(wèi)星的結(jié)合不僅聽起來浪漫、大膽、富有想象力，而且應(yīng)用前景十分誘人。不只是中國，世界上許多其他國家也都躍躍欲試，特別是在中國的“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射成功以后，近年來陸續(xù)有日本、新加坡、加拿大等國家實施量子衛(wèi)星研制計劃或者開展相關(guān)實驗的報道，太空中的量子通信實驗和相關(guān)計劃進展呈現(xiàn)加速態(tài)勢?！臼纠菥殹?016年8月16日1時40分，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在酒泉用長征二號丁運載火箭成功發(fā)射升空。這是人類歷史上第一顆專門用于研究量子科技的衛(wèi)星，引起了全球的關(guān)注。2017年1月18日，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星圓滿完成了4個月的在軌測試任務(wù)，開始進入在軌運行和實驗任務(wù)階段。墨子號的成功發(fā)射和在軌實驗任務(wù)的順利進展使得中國成為了第一個實現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間量子通信實驗的國家。量子通信示意圖如圖5-12所示。圖5-12量子通信示意圖“墨子號”衛(wèi)星的主要任務(wù)是進行四項重要的科學(xué)實驗，分別是星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)實驗、星地量子糾纏分發(fā)實驗和地星量子隱形傳態(tài)實驗。目前，“墨子號”量子衛(wèi)星已經(jīng)圓滿實現(xiàn)預(yù)定的全部科學(xué)目標(biāo)，取得了千公里級星地量子糾纏分發(fā)、高速量子密鑰分發(fā)、量子隱形傳態(tài)等重要成果，為我國在未來繼續(xù)引領(lǐng)世界量子通信技術(shù)發(fā)展和空間尺度量子物理基本問題檢驗前沿研究奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。2018年1月，中國科技大學(xué)與奧地利科學(xué)院合作，利用“墨子號”量子衛(wèi)星實現(xiàn)7600公里的洲際量子秘鑰分發(fā)，并利用共享秘鑰技術(shù)，完成加密數(shù)據(jù)傳輸和視頻通訊。至此，中國已成功實現(xiàn)了洲際量子保密通信，其戰(zhàn)略性意義重大。“墨子號”量子衛(wèi)星取得的一系列研究成果不僅為中國科學(xué)贏得了國際聲譽，也標(biāo)志著我國量子通信領(lǐng)域的研究在國際上處于領(lǐng)先地位。據(jù)推測，在衛(wèi)星量子通信方向，中國領(lǐng)先美國等發(fā)達國家五年左右，實現(xiàn)了該領(lǐng)域的彎道超車?！救蝿?wù)實現(xiàn)】與任務(wù)描述相同國際空間站與地球之間之間的距離過長，會使發(fā)送照片或視頻等信息變得困難，這將導(dǎo)致發(fā)送信息和接收信息之間存在時間延遲。量子技術(shù)（以量子物理學(xué)為原理的技術(shù)形式）以糾纏光子和衛(wèi)星的形式，可以使空間通信更容易、更快捷，能更快、更有效地發(fā)送高清照片和視頻。反過來，這將能擴大太空探索的范圍并改善太空旅行的通信條件，因為宇航員可以更快地與地球上的專家進行交流。與任務(wù)描述相同試分析為什么量子通信可以應(yīng)用于太空領(lǐng)域？試分析量子通信太空應(yīng)用的主要技術(shù)有哪些？試分析量子通信的應(yīng)用于太空的主要難點？【能力拓展】前瞻未來——量子計算量子計算與量子通信同屬量子物理與信息學(xué)結(jié)合發(fā)展起來的新學(xué)科。量子計算將有可能使計算機的計算能力遠遠超過目前的計算機。理論上，擁有50個量子比特的量子計算機性能就能超過目前世界上最先進的超級計算機“天河二號”，擁有300個量子比特的量子計算機就能支持比宇宙中原子數(shù)量更多的并行計算，量子計算機能夠?qū)⒛承┙?jīng)典計算機需要數(shù)萬年來處理的復(fù)雜問題的運行時間縮短至幾秒鐘。試分析為什么量子計算的速度快？試用自己的話來解釋量子計算的原理？試分析量子計算未來的應(yīng)用有哪些？5.2.3知識講解1.人工智能技術(shù)人工智能（ArtificialIntelligence，AI）是計算機科學(xué)的一個分支，20世紀70年代以來被稱為世界三大尖端技術(shù)（空間技術(shù)、能源技術(shù)、人工智能）之一，也被認為是21世紀三大尖端技術(shù)（基因工程、納米科學(xué)、人工智能）之一。這是因為近三十年來它獲得了迅速的發(fā)展，在很多學(xué)科領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用，并取得了豐碩的成果，人工智能已逐步成為一個獨立的分支，在理論和實踐上都已自成系統(tǒng)。人工智能是研究使用計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等）的學(xué)科，主要包括計算機實現(xiàn)智能的原理、制造具備類似于人腦智能的計算機，使計算機能實現(xiàn)更高層次的應(yīng)用。人工智能涉及計算機科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)和語言學(xué)等學(xué)科，幾乎涵蓋自然科學(xué)和社會科學(xué)的所有學(xué)科，其范圍已遠遠超出了計算機科學(xué)的范疇。人工智能與思維科學(xué)的關(guān)系是實踐和理論的關(guān)系，人工智能是處于思維科學(xué)的技術(shù)應(yīng)用層次，是它的一個應(yīng)用分支。從思維觀點看，人工智能不僅僅限于邏輯思維，還要考慮形象思維、靈感思維才能促進人工智能的突破性的發(fā)展。人工智能企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機器，該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。人工智能從誕生以來，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大，可以設(shè)想，未來人工智能帶來的科技產(chǎn)品，將會是人類智慧的“容器”。人工智能的研究是高度技術(shù)性和專業(yè)性的，各分支領(lǐng)域都是深入且各不相通的，因而涉及范圍極廣。人工智能學(xué)科研究的主要內(nèi)容包括知識表示、自動推理、智能搜索、機器學(xué)習(xí)、知識處理系統(tǒng)等方面，主要應(yīng)用領(lǐng)域有智能控制、專家系統(tǒng)、語言和圖像理解、遺傳編程機器人、自動程序設(shè)計等。（1）知識表示知識表示是人工智能研究的基本問題之一，推理和搜索都與知識表示方法密切相關(guān)。常用的知識表示方法有邏輯表示法、產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法和框架表示法等。（2）自動推理自動推理是人工智能研究中最持久的領(lǐng)域之一，問題求解中的自動推理是知識的使用過程，由于有多種知識表示方法，相應(yīng)地有多種推理方法。推理過程一般可分為演繹推理和非演繹推理，例如，謂詞邏輯是演繹推理的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)化表示下的繼承性能推理是非演繹性的。由于知識處理的需要，近幾年來研究人員還提出了多種非演繹的推理方法，如連接機制推理、類比推理、基于示例的推理、反繹推理和受限推理等。（3）智能搜索智能搜索是人工智能的一種問題求解方法，搜索策略決定著問題求解的一個推理步驟中知識被使用的優(yōu)先關(guān)系，可分為無信息導(dǎo)引的盲目搜索和利用經(jīng)驗知識導(dǎo)引的啟發(fā)式搜索。啟發(fā)式知識常由啟發(fā)式函數(shù)來表示，啟發(fā)式知識利用得越充分，求解問題的搜索空間就越小。典型的啟發(fā)式搜索方法有A*、AO*算法等。近幾年搜索方法的研究開始注意那些具有百萬節(jié)點的超大規(guī)模的搜索問題。（4）機器學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)是人工智能的一個重要課題。機器學(xué)習(xí)是指在一定的知識表示意義下獲取新知識的過程，按照學(xué)習(xí)機制的不同，主要有歸納學(xué)習(xí)、分析學(xué)習(xí)、連接機制學(xué)習(xí)和遺傳學(xué)習(xí)等。（5）知識處理系統(tǒng)知識處理系統(tǒng)主要由知識庫和推理機組成。知識庫存儲系統(tǒng)所需要的知識，當(dāng)知識量較大而又有多種表示方法時，知識的合理組織與管理是必要的。推理機是用來在問題求解時，規(guī)定使用知識的基本方法和策略。如果在知識庫中存儲的是某一領(lǐng)域（如醫(yī)療診斷）的專家知識，則該知識系統(tǒng)稱為專家系統(tǒng)。為適應(yīng)復(fù)雜問題的求解需要，單一的專家系統(tǒng)向逐漸多主體的分布式人工智能系統(tǒng)發(fā)展，這時知識共享、主體間的協(xié)作、矛盾的出現(xiàn)和處理將是今后研究的關(guān)鍵問題。人類專家由于具有豐富的知識，所以才能達到優(yōu)異的解決問題的能力。那么計算機程序如果能體現(xiàn)和應(yīng)用這些知識，也應(yīng)該能解決人類專家所解決的問題，而且能幫助人類專家發(fā)現(xiàn)推理過程中出現(xiàn)的差錯，近年來，在“專家系統(tǒng)”或“知識工程”的研究中已出現(xiàn)了成功和有效應(yīng)用人工智能技術(shù)的例子，例如，在礦物勘測、化學(xué)分析、規(guī)劃和醫(yī)學(xué)診斷方面，專家系統(tǒng)已經(jīng)達到了人類專家的水平。（6）自然語言處理自然語言處理是人工智能技術(shù)應(yīng)用于實際領(lǐng)域的典型范例，經(jīng)過多年艱苦努力，這一領(lǐng)域已獲得了大量令人注目的成果。目前該領(lǐng)域的主要課題是計算機系統(tǒng)如何以主題和對話情境為基礎(chǔ)，生成和理解自然語言，這是一個極其復(fù)雜的編碼和解碼問題。近年來人工智能迅速融入經(jīng)濟、社會、生活等各行各業(yè)，在全世界形成了燎原之勢，在金融、物流等多個領(lǐng)域人工智能也將發(fā)揮更大的作用，支付、結(jié)算、保險、個人財富管理、倉庫選址、智能調(diào)度等眾多方面已經(jīng)開始與人工智能融合。人工智能的未來發(fā)展趨勢將更為廣闊。2.VR技術(shù)虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括計算機、電子信息、仿真等技術(shù)，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。隨著社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對VR技術(shù)的需求日益旺盛，VR技術(shù)也取得了巨大進步，并逐步成為一個新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。VR技術(shù)是交叉技術(shù)的前沿學(xué)科，在目前的研究和實踐中利用VR技術(shù)能夠模擬現(xiàn)實環(huán)境，并通過感知設(shè)備運用計算機生成實時動態(tài)的三維立體逼真圖像，讓使用者感覺身臨其境。除了視覺感之外，還包括聽覺、觸覺、嗅覺、以及運動感知，計算機能夠處理使用者的相應(yīng)動作，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)反饋到用戶的五官。如圖5-13所示，一個典型的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要由計算機、輸入輸出設(shè)備、虛擬現(xiàn)實設(shè)計/瀏覽軟件等組成。用戶以計算機為核心，通過輸入輸出設(shè)備與應(yīng)用軟件的虛擬世界進行交互。圖5-13VR系統(tǒng)實現(xiàn)VR技術(shù)主要采用的是多技術(shù)融合方式，包括三維計算機圖形技術(shù)、廣角立體顯示技術(shù)、等，這些技術(shù)都以計算機生成圖形圖像模型為主要目標(biāo)。VR技術(shù)使這些模型在不同光照的條件下，呈現(xiàn)出精確的圖像。在VR的技術(shù)系統(tǒng)中，人雙眼的立體視覺能夠起到很大的作用，使用者兩只眼睛看到的圖像是分別產(chǎn)生的，采用的是不同的單個顯示器，使用者一旦戴上VR眼鏡后，眼睛看到的圖像就產(chǎn)生了立體感，根據(jù)人兩只眼睛位置的不同，使用者可在圖像中由遠及近獲得不同的信息。VR涉及學(xué)科眾多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，系統(tǒng)種類繁雜，這是由其研究對象、研究目標(biāo)和應(yīng)用需求決定的。VR技術(shù)有以下特點。活頁5：VR技術(shù)的應(yīng)用電子活頁電子活頁（1）沉浸性沉浸性是VR技術(shù)最主要的特征，沉浸性指讓用戶成為并感受到自己是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造環(huán)境中的一部分，VR技術(shù)的沉浸性取決于用戶的感知系統(tǒng)，當(dāng)使用者感知到虛擬世界的刺激時，包括觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產(chǎn)生心理沉浸感，感覺如同進入另一個真實世界。（2）交互性交互性是指用戶對虛擬空間內(nèi)物體的可操作程度和從虛擬環(huán)境得到反饋的自然程度。在虛擬空間中，當(dāng)使用者進行某種操作時，周圍的環(huán)境也會做出某種反應(yīng)，如使用者接觸到虛擬空間中的物體，那么使用者手上應(yīng)該能夠感受到，若使用者對物體有所動作，物體的位置和狀態(tài)也會相應(yīng)發(fā)生改變。（3）多感知性多感知性表示計算機技術(shù)應(yīng)該擁有很多感知方式，比如聽覺，觸覺、嗅覺等。理想的VR技術(shù)應(yīng)該具有一切人類所具有的感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所具有的感知功能僅具備視覺、聽覺、觸覺、運動感知等有限幾種。（4）構(gòu)想性構(gòu)想性也稱想象性，使用者在虛擬空間中，可以與周圍物體進行互動，可以拓寬認知范圍，創(chuàng)造客觀世界不存在的場景或不可能發(fā)生的環(huán)境。構(gòu)想可以理解為使用者進入虛擬空間，根據(jù)自己的感覺與認知能力吸納知識，發(fā)散拓寬思維，創(chuàng)造新的概念和環(huán)境。（5）自主性自主性是指虛擬環(huán)境中物體能依據(jù)物理定律做出相應(yīng)動作。如當(dāng)受到力的推動時，物體會向力的方向移動、翻倒、或從桌面落到地面等。例如，航空航天是一項耗資巨大，非常煩瑣的工程，人們可以利用VR技術(shù)和計算機的統(tǒng)計模擬，在虛擬空間中重現(xiàn)了現(xiàn)實中的航天飛機與飛行環(huán)境，使飛行員在虛擬空間中能夠進行飛行訓(xùn)練和實驗操作，這極大地降低了實驗經(jīng)費和實驗的危險系數(shù)。3.量子通信技術(shù)量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是21世紀發(fā)展起來的新型交叉學(xué)科，是量子論和信息論相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信從理論上的定義而言，并沒有一個非常嚴格的標(biāo)準(zhǔn)。在物理學(xué)中可以將其看作是一個物理極限，通過量子效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的通信。而在信息學(xué)中，量子通信是通過量子力學(xué)原理中特有的屬性，來完成相應(yīng)的信息傳遞工作。當(dāng)量子態(tài)在不被破壞的情況下，傳輸信息的過程中是不會被竊聽，也不會被復(fù)制的，所以在這種情況下它是絕對安全的。量子通信體系架構(gòu)包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置以及經(jīng)典信道等部分，其基本模型如圖5-14所示。圖5-14量子通信模型量子通信過程可以從發(fā)送端和接收端兩個角度理解。在發(fā)送端，量子信源模塊產(chǎn)生消息，消息通過量子編碼模塊轉(zhuǎn)換成量子比特，量子比特通過量子調(diào)制模塊得到以量子態(tài)為載體的量子信息，量子信息通過量子信道進行傳輸。除此以外，量子調(diào)制的模式信息（傳統(tǒng)的信息）需要使用經(jīng)典信道進行傳輸。在接收端，將接收到兩部分信息：量子信道接收量子信息；經(jīng)典信道接收額外的經(jīng)典信息。這兩部分信息通過解調(diào)和解碼模塊后，獲得最終的消息。量子通信技術(shù)是利用量子疊加態(tài)和糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的新型通信方式，基于量子力學(xué)中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理提供了無法被竊聽和計算破解的絕對安全性保證，主要分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)兩種。量子通信可將某信息的量子態(tài)安全傳遞到另外一個地方從而實現(xiàn)信息傳遞（量子隱形傳態(tài)），或利用“不可分割、不可復(fù)制”的量子作為密鑰實現(xiàn)點對點安全通信（量子密鑰分發(fā)），為經(jīng)典通信增加一把量