爱华网1．引言 计算机智能(CI: Computer Intelligence)是人工智能的一个重要研究领域[1-3]，它是指利用计算机模拟人的思维方式进行推理、判断的技术。为了实现计算机智能，采用的主要途径如下： 1，符号处理与知识处理。把智能问题当成符号处理与知识处理问题是人工智能的主流[4]。纽威尔和西蒙教授在1975年的图灵奖演说中提出物理符号系统假设：物理符号系统是智能行为的充分必要条件。 2，人工神经网络。构造智能机的另一途径根源于神经生理学的研究成果，即用大量相对简单的处理单元（人工神经元）通过复杂的互连构成神经网络计算机[5]。 3，层次化的智力社会模型。错综复杂的人类社会是由许多个人和不同层次的团体组成。与此类似，智能行为也可看成是许多在不同层次上的相互影响的并行操作的进程。 4，基于生物进化的智能系统。人类的智能是通过极其漫长的生物进化产生的，进化是智能的源泉。生物进化的关键是在动态环境中的适应能力。 然而，目前计算机智能仍处于研究阶段，仅有少数智能应用系统在某些领域发挥十分有限的作用。究其原因，主要在于绝大部分研究学者都将精力集中在智能分析上，很少有人将精力放在智能系统的整理架构上，这样导致了信息抽取[6,7] (包括本地信息和网络信息)、智能交互、安全性、稳定性和可靠性等等计算机智能系统的核心功能得不到并行发展，特别是信息抽取规范的缺失，导致智能分析得不到完整、有效的信息，使得分析成为无稽之谈。上述的四种实现计算机智能的途径大多假设数据分析的信息抽取是简单的，智能分析只需要对这些数据进行预处理，然后即可进行分析。这样使得这类系统只能在某一特定领域提供一定的智能性。因此业界迫切需要一个通用计算机智能化的统一解决方案。 2．通用计算机现状 目前的通用计算机(主要指PC)存在如下现状： 通用计算机上的应用繁杂，很多第三方软件厂商参与，信息复杂多样。由于通用计算机的通用性，它们的客户十分广泛，包括各类人群。这些用户使用通用计算机的需求差异也很大，因此通用计算机上出现的第三方应用软件相当繁杂，基本上渗透到了人类社会的方方面面。 接入方式不够多样，无法满足操作者因差异和环境引起的需求，同时，这些需求也表现在各种生理障碍的残疾人身上，使他们无法平等的获取资源。目前大部分计算机支持的输入方式都是键盘鼠标，输出方式都是显示器，这对于坐在电脑前操作计算机的正常人群似乎没有任何问题，但是对于离开电脑，无法看见屏幕的盲人，手无法操作键盘的人，是无法操作今天的计算机。目前各类操作系统都企图提高GUI的质量，但是对于GUI的可理解性提高的程度却仍然有限，大部分文化程度低的人使用计算机仍然存在理解障碍。 操作系统已经深入其中。目前基本上每一台通用计算机都是基于操作系统的。操作系统为计算机系统提供了很多基础工作，这部分工作的意义不言而喻。因此，通用计算机的智能化解决方案必须充分利用现有操作系统的功能，兼容现有操作系统，而不是独树一帜。目前通用计算机上运行的操作系统种类基本上只有两大类：Windows(Win98、Win2000、WinXP、Win7、Win8等)，以及类Unix(Solaris、FreeBSD以及各类Linux发行版)。因此只需要兼容这两类系统即可兼容目前市场上得绝大多数通用计算机，这比重新开发一款智能操作系统工作量要小得多。 操作系统的实现存在一些黑盒因素，安全性不太明朗。目前Windows系统是完全闭源的，用户对其内部安全性无法了解；Linux的内核虽然是开源的，但是大部分发行版都会对其开发内容中的核心部分闭源，这也导致安全性无法完全了解。虽然基本上每一个操作系统厂商都申明自己的产品是安全的，没有后门的。但是这对于用户来说也无法考证，安全性无法保证。 操作系统自身的稳定性对整个系统的稳定性的影响是十分巨大的。虽然目前的操作系统相对以前都较为稳定，但是仍然不算完美。如果操作系统自身崩溃，系统就会立即瘫痪，此时用户只能手动重启计算机，但是，计算机的运行和操作信息全部丢失。 3．通用计算机智能化的统一解决方案 针对通用计算机的现状，本文提出了一套通用计算机智能化的统一解决方案，旨在充分利用现有计算机的软硬件资源的基础上最大限度的实现计算机智能化。这套解决方案基于我们对智能系统的以下理解： 1：智能系统必然对信息的掌控必然是全面的。对于计算机自身硬件的运行状况以及运行在其上各类软件的运行情况(包括界面信息、对硬件资源的访问、与用户的交互)都必须实时掌控，必要时进行自动干预。 2：智能系统必然是多接入[8,9]的。普通的通用计算机的用户体验较差，接入方式的单调性是其中的一个重要原因。目前市面上出现了很多新型的交互方式(语音朗读与识别技术、交互式头盔、生物芯片)，智能系统必须支持多种接入方式，提高用户的交互体验。 3：智能系统必然是互联的。单个智能系统所能提供的智能型是相当有限的。为了提高系统的智能型，智能系统必须和其他系统(可以是智能系统，也可以是非智能系统)互连，通过对外界系统的信息抽取，从而提供更广泛的智能型。 4：智能系统必然是智能的。智能是智能系统的核心，它的实现途径在引言中已详细描述，在此不再赘述。 5：智能系统必然是安全的。所有运行在计算机上的软件的行为必须是可控的、可审计的。和传统安全解决方案不同，由于操作系统安全性存在的种种未执行，本方案在安全性方面将操作系统和应用软件同等对待，操作系统自身的运行也是可控的、可审计的。 6：智能系统必然是稳定的、可靠的。系统自身的稳定性必须是十分可靠的，同时对于各类灾难(各类软硬件故障)具有自恢复性，任何时候，系统都能够在无需人工干预的情况下从各类灾难中恢复过来，并能够将系统状态自动原子的回滚到灾难发生前的状态。 4．计算机智能系统的提出 根据我们对智能系统的理解，我们提出了一种实现通用计算机智能化的统一解决方案，基于此方案的计算机智能系统的整体架构如图1所示。 整个智能系统主体运行在操作系统和应用软件之间，部分运行在Ring0下，部分运行在Ring3下，这样一方面可以对计算机进行有效的监视和保护，抽取到完整的信息，另一方面也减少了对操作系统的侵占，提高系统运行效率。为了进一步提高系统安全性和稳定性，在操作系统以下引入了一个操作系统调度器。 Ring3 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ring0 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ring-1(Ring0) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 图1 总体架构图 4.1 智能系统主体的功能 智能系统主体的一部分功能是和宿主操作系统平级运行的，这部分功能主要完成一些底层工作，包括资源保护、应用监视和信息抽取三大部分，大多通过宿主操作系统提供的过滤驱动、底层钩子等方式实现；另一部分功能是和应用软件平级运行的，包括智能分析和智能交互两大部分，它们或为与具体的软硬件无关的分析算法，或为用户提供各类特色服务。下面分别叙述。 1：信息抽取。利用操作系统提供的钩子、过滤驱动、MSAA(Microsoft Active Accessibility)、UIA（UI Automation）等等技术，可以获取到第三方软件运行时的各类信息，如界面信息、对资源的访问信息等等。同时定义了一套信息抽取接口，便于第三方将自身的信息推送到系统中去。此功能实现了智能系统信息的掌控的全面性。 2：智能分析。智能分析是智能系统的核心工作。它的功能效率直接决定了程序的运行效率，它的功能强大与否直接决定了智能化程度的高低。此功能主要是通过对资源保护过程时记录的资源访问信息、应用监视时记录的应用程序运行行为、信息抽取获得的软件界面和资源访问信息进行分析，最终获取大量智能性很高的高质量信息。此功能实现了智能系统的智能性。 3：智能交互。智能交互的核心作用是将智能分析获取到的信息智能的推送给客户，并能够智能的接收用户的输入。系统对I/O设备进行重新建模，定义了一套I/O接口，实现了多接入；对抽取到的数据进行重构，从而实现了智能交互。这一部分功能往往是用户能够感觉到我们整个智能系统存在的唯一途径，从表面上看它和普通的应用软件已没有多大的差别，只是支持更多的交互方式，能够为用户提供更多的智能服务，这些服务基本上囊括了用户使用计算机的各方面需求，如办公、上网、交流、日常生活、娱乐等等。此功能提高了智能系统的用户体验。 4：分布式信息整合。为了从更高层次上提高智能系统的智能性，智能系统必须能够感知外界，了解外界发生的一切。分布式信息整合是本方案的另一个核心功能，目前的互联网将绝大部分信息系统(各类服务器以及数量众多的PC)互联起来，通过引入分布式搜索引擎技术，将分布在世界各处的信息整合起来，从而组件互联网大脑。利用互联网大脑从更高层次上提供智能。此功能实现了智能系统的互连，很大程度的提高了智能系统的智能性。 5：资源保护。某些敏感资源是禁止应用软件甚至宿主操作系统直接访问的，这类资源或者仅能通过操作系统调度器提供的特权服务访问(如对硬件的直接访问、对计算机标识的访问)；或者仅能通过沙箱模型访问(仅记录运行事件，并不真正访问资源)，系统会在确认这些访问合法(通过应用监视)后再去真正访问资源。如对于硬盘的访问就可以由两种保护方案：一种是通过虚拟硬盘驱动，将对硬盘的访问映射到一个临时文件中，并在确保没有问题再真正的写入硬盘；另一种是通过卷过滤驱动记录硬盘卷的访问日志，根据这些日志就可以在必要时恢复数据。更极端的方式是定时通过Ghost备份系统(或者类似方式)，但是这种方式开销太大，不建议使用。?DNS本地化也属于资源保护的范畴。此功能提高了智能系统的安全性。 6：应用监视。系统需要监视所有软件的运行情况，分析软件的行为，判断它们是否有恶意行为，并在必要时终止它们。这部分功能也可交由杀毒软件完成。另外，系统同时需要记录自己的运行状态，当由于机器重启或者其他各类原因而终止时，能够在下次启动时自动恢复到上次运行状态。此功能提高了智能系统的安全性。 4.2操作系统调度器的功能 操作系统调度器是一个很小的系统内核，可以认为它是运行操作系统的操作系统。准确的说它仅是一个操作系统内核，提供必要的三个核心功能： 1：OS管理。也就是操作系统管理。此功能主要包括检索本地硬盘以及网络上可用的操作系统、启动操作系统镜像、监视操作系统运行情况、操作系统切换、操作系统清除(即终止某个操作系统镜像的某个运行副本)五大基本功能。这是操作系统调度器的日常工作，也是最基本功能，这一功能将大大增大计算机运行的稳定性。通过此功能实现了智能系统的稳定性和可靠性。 2：特权服务。为了更好的管理计算机，智能系统主体在某些情况下需要访问一些敏感资源，获取各类特权服务。由于操作系统调度器运行在系统最底层，因此它可以提供各类特权服务。此功能提高了智能系统的安全性。 3：计算机标识。操作系统调度器是和操作系统无关，因此它可以提供一个唯一标识计算机的功能，由于它运行地位的至高无上性，导致没有任何软件可以修改这个标识。这使得计算机实名化得以实现。通过此功能实现了系统互连中计算机行为的可审计性。 操作系统调度器将仅完成上述三大功能，其他的所有功能都将交由智能计算机主体完成。这样可以增大操作系统调度器本身的稳定性和安全性，毕竟越简单的东西越安全。 具体操作系统调度器的实现方案有两种： 1：利用硬件虚拟化实现。目前很多CPU厂商为了支持云计算，都为其CPU提供了硬件虚拟化功能。硬件虚拟化最核心的功能就是在Ring0的下面设计了一个Ring-1层。这样我们可以让我们的操作系统调度器运行在Ring-1，宿主操作系统和应用程序的运行级别都可以保持不变，这样可以大大减少实现难度。 2：通过改变宿主操作系统的运行级别实现。对于那些不支持硬件虚拟化的计算机，只有通过改变宿主操作系统的运行级别去实现。对于IA32架构的CPU，本身提供了四个运行级别，分别是Ring0、Ring1、Ring2、Ring3。但是具体的操作系统(Windows家族、Linux家族、Unix家族)都只是用了Ring0和Ring3，而放弃使用Ring1和Ring2。因此，我们可以利用闲置的Ring1，将宿主操作系统的运行级别推送到Ring1上，而将Ring0留给我们的操作系统调度器使用。 具体操作系统调度器的固化方式也有两种： 1：烧录到主板CMOS芯片中。与BIOS合二为一，或者直接替代?BIOS。 2：固化在硬盘的引导扇区。由于操作系统调度器的功能较为单一，设计良好的话可以直接固化到引导扇区中去。 5．结束语 本文介绍了一种在充分利用现有软硬件资源的原则下实现通用计算机智能化的统一解决方案。本方案涉及的技术较为广泛，很多技术细节仍有待于进一步探讨。对于操作系统调度器的研究仍停留在理论阶段。 参考文献： [1 ] 汪磊. 论贝叶斯方法在计算机智能化中的应用[J]. 中小企业管理与科技, 2011, 5:281-282. 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