1、腦科學與互聯(lián)網(wǎng)
本世紀初，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不斷有新的應用和概念誕生，其中物聯(lián)網(wǎng)，云計算和大數(shù)據(jù)得到了研究者的重點關注，并引起廣泛的研究熱潮。
研究者已經(jīng)從不同方面對物聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)進行了深入研究并取得諸多成果。但還存在一些問題等待解決，例如，物聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)是怎樣的關系,它們之間又是如何區(qū)分和關聯(lián)的。本世紀初開始的互聯(lián)網(wǎng)與腦科學的交叉對比研究，為分析物聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的關系奠定了基礎。
如果我們觀察近20年來互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的新應用和新功能，可以直觀的發(fā)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與大腦結(jié)構(gòu)具有越來越多的相似性。這些現(xiàn)象包括：打印機，復印機的遠程操控，醫(yī)生通過遠程網(wǎng)絡進行手術;中國水利部門在土壤，河流，空氣中安放傳感器，及時將氣溫，濕度，風速等數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行�，形成報告供防汛抗旱決策使用; Google推出了“街景“服務，在城市中安裝安裝多鏡頭攝像機，互聯(lián)網(wǎng)用戶可以實時觀看丹佛、拉斯維加斯、邁阿密、紐約和舊金山等城市的風貌等。
這些新互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)象分別具備了運動神經(jīng)系統(tǒng)，軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)，視覺神經(jīng)系統(tǒng)的萌芽，基于以上互聯(lián)網(wǎng)新現(xiàn)象，2008年9月我們發(fā)表論文“互聯(lián)網(wǎng)進化規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與分析 ”,從神經(jīng)學的角度分析互聯(lián)網(wǎng)的成熟結(jié)構(gòu)，將其抽象為一個與人類大腦高度相似的組織結(jié)構(gòu)-互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦。尋找并定位互聯(lián)網(wǎng)的虛擬聽覺，視覺，感覺，運動神經(jīng)系統(tǒng)，虛擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。繪制出互聯(lián)網(wǎng)的類大腦結(jié)構(gòu)圖(圖1)。
圖1 互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦結(jié)構(gòu)圖
此后科學領域的進展也不斷印證互聯(lián)網(wǎng)與神經(jīng)學具有交叉對比的可能性，2010年 6月10日美國南加州大學神經(jīng)系統(tǒng)科學家拉里·斯旺森和理查德·湯普森在美國《國家科學院院刊》(PNAS)發(fā)表論文“Hypothesis-driven structural connectivity analysis supports network over hierarchical model of brain architecture“ 指出老鼠大腦一小塊區(qū)域中的神經(jīng)系統(tǒng)類似互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。拉里·斯旺森的研究表明大腦中互聯(lián)網(wǎng)式結(jié)構(gòu)的存在可以解釋大腦能克服局部損傷的現(xiàn)象，如同互聯(lián)網(wǎng)任何一個單獨部分都可以去掉，但網(wǎng)絡其他部分照常工作一樣，神經(jīng)系統(tǒng)也并不是某一部分絕對不可或缺。這個研究從神經(jīng)學領域證明互聯(lián)網(wǎng)與神經(jīng)學具有相關性。
2012年11月16日，加州大學圣迭戈分校Dmitri Krioukov在 《Scientific Report》，發(fā)表論文“Network Cosmology”，也提出互聯(lián)網(wǎng)與腦神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展與構(gòu)造具有高度的相似性。研究組利用計算機模擬并結(jié)合多種其他計算，證明在復雜網(wǎng)絡的動態(tài)發(fā)展和控制中，描述大尺度時空結(jié)構(gòu)的因果關系網(wǎng)絡的曲線圖，是一個具有顯著聚類特征的冪函數(shù)曲線，和許多復雜網(wǎng)絡如互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)、腦神經(jīng)網(wǎng)絡等有高度的相似性 [3]。Dmitri Krioukov的研究對于互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的設想給予了有力的數(shù)據(jù)支持。
互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的提出和繪制，一方面可以幫助我們預測互聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢和成熟結(jié)構(gòu)，用神經(jīng)學的視角研究互聯(lián)網(wǎng)的運行機理，另一方面希望能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)，移動互聯(lián)網(wǎng)等應用有機的集合起來，通過互聯(lián)網(wǎng)的類腦結(jié)構(gòu)研究它們之間的區(qū)別和聯(lián)系。
2、物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的關系
2005年11月國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了題為《 ITU Internet reports 2005-the Internet of things 》的報告，正式提出了物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things,IOT)一詞，這一報告雖然沒有對物聯(lián)網(wǎng)做出明確的定義，但從功能角度，ITU認為“世界上所有的物體都可以通過因特網(wǎng)主動進行信息交換，實現(xiàn)任何時刻、任何地點、任何物體之間的互聯(lián)、無所不在的網(wǎng)絡和無所不在的計算”;從技術角度，ITU認為“物聯(lián)網(wǎng)涉及射頻識別技術(RFID)、傳感器技術、納米技術和智能技術等“。
在世界范圍內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)還沒有統(tǒng)一的定義和結(jié)構(gòu)，比較著名的有歐盟第七框架計劃( Frameworkprogram7，簡稱FP7)提出的sensei物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，其目標是通過Intnet將分布在全球的傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(WS&AN)連接起來，組成一個真正的世界互聯(lián)網(wǎng)(Real World Internet RWI)，并定義開放的服務訪問接口與相應的語義規(guī)范來提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡與信息管理服務.
此外，由美國麻省理工學院和英國劍橋大學等7個高校組成AUTO ID實驗室,日本東京大學UID中心,韓國電子與通信技術研究所(ETRI)，美國弗吉尼亞大學,歐洲電信標準組織(ETSI)，法國巴黎第六大學都從不同方面對物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)進行了設計和探討[7]。
總體上看，物聯(lián)網(wǎng)重點突出了傳感器感知的概念，同時它也具備網(wǎng)絡線路傳輸，信息存儲和處理，行業(yè)應用接口等功能。而且也往往與互聯(lián)網(wǎng)共用服務器，網(wǎng)絡線路和應用接口，使人與人(Human ti Human ,H2H)，人與物(Human to thing，H2T)、物與物( Thing to Thing,T2T)之間的交流變成可能，最終將使人類社會、信息空間和物理世界(人機物)融為一體.根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別和關聯(lián)，我們在互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦結(jié)構(gòu)圖進行了如圖2所示的標示，以描述物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的關系。
圖2 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦關系示意圖
3、云計算與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的關系
2007年 10月IBM和 Google宣布在云計算領域的合作后, 云計算迅速成為產(chǎn)業(yè)界和學術界研究的熱點。。IBM 技術白皮書中關于云計算的定義是：“云計算一詞用來描述一個系統(tǒng)平臺或者一種類型的應用程序。一個云計算平臺可按需進行動態(tài)部署、配置、重新配置以及取消服務。云計算平臺中的服務器既可以是物理的，也可是虛擬的。 “云應用”使用大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心以及功能強勁的服務器來運行網(wǎng)絡應用程序與網(wǎng)絡服務.任何一個用戶可以通過合適的互聯(lián)網(wǎng)接入設備以及一個標準的瀏覽器就能夠訪問一個云計算應用程序.”。
云計算的誕生有其歷史根源，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)新興的應用的數(shù)據(jù)存儲量越來越大，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務增長也越來越快。因此互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的軟硬件維護成本不斷增加，成為很多企業(yè)的沉重負擔。與此同時，互聯(lián)網(wǎng)超大型企業(yè)如Google，IBM, 亞馬遜的軟硬件資源有大量空余，得不到充分利用，在這種情況下，互聯(lián)網(wǎng)從企業(yè)各自為戰(zhàn)的軟硬件建設向集中式的云計算轉(zhuǎn)換也就成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然。
縱觀云計算的概念和實際應用，我們可以看到云計算有兩個特點，第一，互聯(lián)網(wǎng)的基礎服務資源如服務器的硬件，軟件，數(shù)據(jù)和應用服務開始于集中和統(tǒng)一。第二，互聯(lián)網(wǎng)用戶不用再重復消耗大量資源，建立獨立的軟硬件設施和維護人員隊伍。通過互聯(lián)網(wǎng)接受云計算提供商的服務，就可以實現(xiàn)自己需要的功能。
我們知道大腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system)在動物的神經(jīng)系統(tǒng)集中化的過程中，作為其形態(tài)上的中心和在機能上的中樞而被分化出來的部位。中樞神經(jīng)系統(tǒng)有控制和調(diào)節(jié)整個機體活動的功能。
在互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的架構(gòu)中，，互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)是將互聯(lián)網(wǎng)的核心硬件層，核心軟件層和互聯(lián)網(wǎng)信息層統(tǒng)一起來為互聯(lián)網(wǎng)各虛擬神經(jīng)系統(tǒng)提供支持和服務，從定義上看，云計算與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的特征非常吻合。在理想狀態(tài)下，物聯(lián)網(wǎng)的傳感器和互聯(lián)網(wǎng)的使用者通過網(wǎng)絡線路和計算機終端與云計算進行交互，向云計算提供數(shù)據(jù)，接受云計算提供的服務。基于以上分析，我們在圖3中標注云計算的位置如下。
圖3 云計算與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦關系示意圖
4、大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的關系
Nature 早在2008 年就推出了Big Data �？cience 在2011 年2 月推出�？禗ealing with Data》，主要圍繞著科學研究中大數(shù)據(jù)問題展開討論，說明大數(shù)據(jù)對于科學研究的重要性。全球知名的咨詢公司麥肯錫(McKinsey)在2011年6 月份發(fā)布了一份關于大數(shù)據(jù)的詳盡報告《Big data: The next frontier for innovation, competition, and productivity》，對大數(shù)據(jù)的影響、關鍵技術和應用領域等都進行了詳盡的分析。
2012年3 月份美國奧巴馬政府發(fā)布了《大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展倡議》 (Big Data Research and Development Initiative) ，投資2 億以上美元，正式啟動“大數(shù)據(jù)發(fā)展計劃”。計劃在科學研究、環(huán)境、生物醫(yī)學等領域利用大數(shù)據(jù)技術進行突破。
大數(shù)據(jù)目前尚沒有統(tǒng)一的定義，比較有代表性的是3V 定義，即認為大數(shù)據(jù)需滿足3 個特點：規(guī)模性(Volume)、多樣性(Variety)和高速性(Velocity)。除此之外， IDC 認為大數(shù)據(jù)還應當具有價值性(Value)，大數(shù)據(jù)的價值往往呈現(xiàn)出稀疏性的特點。而IBM 認為大數(shù)據(jù)應該具有真實性(Veracity)
隨著博客、社交網(wǎng)絡、以及云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術的興起，互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)正以前所未有的速度在不斷的增長和累積，學術界、工業(yè)界甚至于政府機構(gòu)都已經(jīng)開始密切關注大數(shù)據(jù)問題，應該說大數(shù)據(jù)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，互聯(lián)網(wǎng)用戶的互動，企業(yè)和政府的信息發(fā)布，物聯(lián)網(wǎng)傳感器感應的實時信息每時每刻都在產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分散在整個網(wǎng)絡體系內(nèi)，體量極其巨大。這些數(shù)據(jù)中蘊含了對經(jīng)濟，科技，教育等等領域非常寶貴的信息，大數(shù)據(jù)的研究就是通過數(shù)據(jù)挖掘，知識發(fā)現(xiàn)和深度學習等方式將這些數(shù)據(jù)整理出來，形成有價值的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。提供給政府，行業(yè)企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)個人用戶使用和消費。
我們在論文“互聯(lián)網(wǎng)與神經(jīng)學的交叉對比研究”中對互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的信息層定義時，曾經(jīng)這樣描述““互聯(lián)網(wǎng)的信息成爆炸式增長，這些信息的形式包括文字，二維圖片，文檔，視頻，聲音，三維圖像等，分布在互聯(lián)網(wǎng)的服務器，路由器，交換機，用戶終端和互聯(lián)網(wǎng)虛擬神經(jīng)系統(tǒng)里。我們將這些分布在互聯(lián)網(wǎng)中的信息統(tǒng)稱為互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的信息層或數(shù)據(jù)海洋。”
我們在前文闡述過，以云計算為代表的互聯(lián)網(wǎng)新應用的興起，表明互聯(lián)網(wǎng)基礎服務無論從硬件，軟件還是數(shù)據(jù)信息都在向集中和統(tǒng)一的方向發(fā)展。也就是說，未來的大數(shù)據(jù)還將具備一個新的特性-統(tǒng)一性(Unity)。可以預見，當大數(shù)據(jù)的容量進一步增加，存儲方式進一步趨向集中。大數(shù)據(jù)將逐步形成互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦的信息層(數(shù)據(jù)海洋)。因此，我們在圖4中對大數(shù)據(jù)進行標注如下。
圖4 大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦關系示意圖
5、總結(jié)
本文在互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦結(jié)構(gòu)圖的基礎上，分析了互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)，云計算和大數(shù)據(jù)的關系，標識出物聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦結(jié)構(gòu)圖的位置。說明基于神經(jīng)學建立的互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦架構(gòu)可以有效的統(tǒng)一互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中產(chǎn)生的新應用和新概念。
下一步我們可以使用更多神經(jīng)學的知識分析互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)，云計算和大數(shù)據(jù)的運行模式和發(fā)展趨勢。值得研究的方向包括：能否使用神經(jīng)反射弧的原理分析物聯(lián)網(wǎng)和云計算之間的交互方式，能否用神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)分析社交網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合趨勢，能否通過“互聯(lián)網(wǎng)虛擬大腦智商“的測試設計分析大數(shù)據(jù)研究的進展情況。這些方向的研究我們將在以后的討論中闡述
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本文標題：從腦科學角度分析物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)
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