人机物三元计算中尚待解决的科学问题探讨

三元计算对物理世界的感知设备,物端设备间、设备与用户间的交互模式,复杂终端构成的弹性计算系统,开发及用户使用模式等给出了系统概括。然而,如果通过万物互联对三元世界的多种计算模式进行具体描述,会面临以下科学问题。

1. 是否存在对三元世界的多种计算模式统一的描述方法?

人类对物理世界已有的认知,通常基于有形体的、通过人类感官或探测设备能检测到的客观现实的物质。而计算是无形的过程,如果将具有计算或通信能力的设备抽象成计算世界,那么对物理世界、计算世界以及人类社会这三种截然不同的空间是否能统一描述进而有效建模,目前还是难解问题。

2. 是否存在多样化物理世界的综合度量方法?

由于人类的认知和计算过程均依赖于有形的设备,对物理世界的具体设备进行描述是解决从物理世界到人类计算世界有效关联的方法。然而,从传感器到大型计算机,全球每年新增数亿台物端设备,由于每种设备使用环境的差异,对设备进行统一描述时需要考虑的因素庞杂,这将导致物理世界有形物端交互变得难以准确度量,因此如何对物端设备进行综合度量,是解决多样化物端设备有效使用的首要问题。

3. 智能的大小该如何衡量?

智能技术正在推动经济转型,人机物深度融合的智能将计算过程从信息空间拓展到人-机-物三元世界。智能本质被重新定义为“通过信息变换优化物理世界的物质运动和能量运动以及人类社会的生产消费活动,提供更高品质的产品和服务,使得生产过程和消费过程更加高效,更加智能,从而促进经济社会的数字化转型”两。然而面对上百亿规模的物端设备,“设备的智能有多大”这个简单的问题却无法回答,因此智能的度量还有待研究。

4. 如何界定无缝性?

从实现物物互联的物联网,到实现人与人、人与物、物与物之间互联的泛在网,人机物三元世界的深度融合已成为趋势。那么,其中的各种组件是否可以做到无缝互联或融合,无缝性的标准和评价指标是什么,是否能通过可测的性能指标来重新定义无缝性,均是无缝智能、无缝互联、无缝计算要解决的首要问题。

5. 泛在性是否有定量的性能评价方法?

人机物三元计算的本质是“让信息设备能隐形地融入到真实的物理世界而无处不在,将信息化扩展到物理世界”,通过让设备具有人的智能,将人机物通过智能计算有机融合起来,从而发展人类和物理社会。由于人机物三个世界协同交互时涉及的对象众多,种类复杂,影响因素庞大,即使能够建立简化模型来描述,也需要进一步精确建模才能对性能做准确描述。

为了能描述和量化服务效果,每个或多个物体单元构成的群体需要确保自己提供的服务能够被人或其他单元使用。因此,需要一种以使用程度为标准的功能评价。在评价方面,早期网络计算时代普遍采用服务质量(Quality of Services,QoS)作为度量标准,主要衡量网络服务中的性能指标。由于用户对服务的认可才是网络服务发展的目标导向,学术界和工业界逐渐采用用户体验(Quality of User Experiences,QoE)替代QoS作为评价方法。然而,QoE存在用户主观因素难以统一、多属性融合困难等问题,因此还处于持续探索和改进中。在QoE性能测度体系发展过程中,面临着对多属性性能难以统一计算的困难。在泛在性度量上,由于最终效果从用户体验扩展至包含用户和物端的综合度量,泛在性涉及的关联属性贯穿了人机物三元世界的计算生态系统。因此,对泛在性的性能重新提取、概括和融合计算是解决三元计算系统统一性能评价的有效途径。

人机物三元计算的未来研究热点:

1. 复杂计算体系结构的基本原理

在人机物三元计算体系结构下,设备规模、网络部署、应用业务和用户需求不断扩大,各种已有性能指标的变化和用于描述新特性的新指标体系相继出现。传统时空尺度描述方法很难描述人机物复杂三元世界直接的转变和映射关系。因此,通过凝练人机物三元计算基本要素之间的关联关系,研究众多要素组成计算体系结构的组成原理,在无尺度描述时对各种性能指标、关联关系、约束条件、评价方法等基本原理进行探索,从而形成新的计算体系结构分析方法,用于研究复杂人机物计算体系的组成、扩展性和演进性的基本原理,并对体系结构的发展形成新的无尺度弹性计算,是未来的发展方向之一。

2. 人机物三元计算基础理论

人机物三元计算是对传统信息空间、物理世界、计算世界和人类社会新的概括。通过对人机物复杂空间认知机理以及相关计算模型的研究,建立复杂三元空间组成要素的有效表达模型,探索人-机-物关联的内在规律和协同机制,从而挖掘现有各种计算体系的共性关键技术,提出基于多学科融合基础的人机物三元计算特色的新型基础理论,是长期的发展方向。

3. 验证平台和典型示范应用

由于人机物三元计算环境具有复杂、异构、开放、多变、无尺度、不确定等特性,在其中开展的各种计算服务性能和质量均难以保证。同时,由于开展计算服务时跨越的多种计算环境、接入的异构云和网络都有其内在的性能度量和评价方法,在进行跨平台的复杂结构计算时,现有的设计、分析、验证和质量保证方法难以解决人机物复杂环境的全局最优、局部可控、自主协同、动态自治的问题。因此,探索质量控制、评价方法和验证技术,以及设计人机物三元计算所需的服务运行支撑平台的架构、实现模型、支撑技术、部署方法和运营维护技术,从而开展对原始创新与关键技术突破的评估和示范,对解决重大需求中的实际问题十分必要和迫切。

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