智慧的疆界 从图灵机到人工智能

平凡的猎人射击过程隐含了一个并不平凡的系统工程：“猎人”是雷达、信息传输链路、火控计算机和射击控制部件共同组成的一个整体。有经验的猎人要完成眼睛、大脑和手臂的协同工作并不困难，但是让机器自动完成这件事情则是一项重大的工程挑战。当时用于防空的最先进的计算机是斯佩里公司研制的机械化火控计算机“ M-7”，实际上它只是一台没有计算功能的机械化搜索装置，仅能孤立地处理整个系统工程中的一小部分工作。此时，研制出一款能够搜索敌机、实时计算射击位置、控制武器射击的全套火控系统已经是迫在眉睫的工作。

战争以极大的力量推动着科学研究的发展，只过了不到一年时间，贝尔实验室的工程师大卫·帕金森（David Parkinson）就在“ M-7”的基础上成功研制出了“ M-9”瞄准计算机（Range Computer），这台计算机能够进行四则运算和数学函数计算，借助电阻器、电位器、伺服电动机和弧刷等工具计算正弦和余弦函数。M-9 计算机还能够从雷达处获取敌机的位置和速度数据，通过运算后，结果经放大电路放大，可直接驱动一台 90 毫米的重型高射炮自动进行拦截。M-9 计算机出现后，才算是把整套工程的各个部分初步地连接起来，形成了一个反馈闭环，把防空过程中完全依赖人类操控的不确定性降低下来。

由机器代替人类控制防空系统的效果是立竿见影的，到了 1944 年夏天，英国已经有大约 500 门高射火炮装备了这套系统，此时地面防空炮火对纳粹空军飞机的威胁已经提升到了令德国无法忍受的地步，也倒逼着德国不能再单纯地依赖轰炸机来进攻，转而研发出了一种全新的武器—一种无人驾驶的飞行器，通过自身撞向目标代替高空投掷炸弹，这就是世界上出现的首枚弹道导弹—“V-1”导弹（V-1 是复仇者 -1 型导弹的简称），如图 5-2 所示。

1944 年 6 月，V-1 导弹首次出现在二战战场上，可是到了 7 月，就已经有79% 穿越英吉利海峡的 V-1 导弹被地面防空炮火击落。8 月，德军发射的 105枚 V-1 导弹仅有 3 枚能够命中目标，这个数据相比四年前没有实现自动化或半自动化的防空火炮的战绩，发生了翻天覆地的变化。

二战战场是控制科学最早崭露头角的舞台，今天，控制科学在军事上的重要性已经无可替代。笔者想起 2018 年春节期间公映的由中国海军投资的电影《红海行动》中的一个场面（见图 5-3）：中国护卫舰临沂号上的舰载 1130 近防炮在不到 5 秒的时间内无一漏网地击毁了 6 枚以超音速飞行且同时攻向舰体的火箭弹，很多观众对近防炮能够如此快速而精准地击中火箭弹这种小而高速的运动物体感到不可思议，甚至认为这纯属为了电影效果而胡编乱造，但军事专家指出此处并不存在夸张的成分，是完全符合我国现代防空武器性能的。

第 5 章 行为主义学派

145

146

第二部分 学派争鸣

大不列颠空中攻防战不仅仅是二战规模最大的空战，还是人类历史上“机器人战争”的开端，战争的未来已可由此预见，此后的战争就是自动机对抗自动机。英吉利海峡两岸的战争就是“ M-9 机器人”对抗“ V-1 机器人”，机器正逐渐接管一些以前依赖人类才能完成的事情，而且做得要比人类好得多。这些事情现在被人类归属到“自动化”的范畴之中，能够被自动化的事情，往往是根据信息和预设好的规则，做出相应的反馈和控制，但仅是如此吗？

多数人依然坚持认为有诸多复杂问题需要因地制宜，根据实际情况才能做出决策，并不存在预设方案，面对这些问题时自动化也无能为力，需要真正的智能才能解决，潜台词是只有人类才能解决。可是，如果我们从另外一个角度思考的话，结论可能会不一样：人类大脑无疑是拥有智能的，人类的身体的行动由大脑控制，因此人毫无疑问是一个能够做出智能行为的智能体，这一点应该没有异议。那假如把人放入一架飞机的驾驶舱里，当飞机有了飞行员控制之后，它的行动算不算是一种智能行为呢？这架飞机能不能看作一个智能体？面对这个问题，可能就开始有不同的答案了，如果读者心里的答案倾向于肯定的话，那么再想想，能够根据雷达的信息反馈正确预测飞机行为（如规避炮火的动作和飞行轨迹），控制防空高射炮成功击落飞机的火控计算机，算不算拥有了智能行为？机器为什么就不能是智能体呢？

以二战中参与火控系统研究为契机，维纳把从这次战争中发展出来的关于信息、通信、控制和反馈问题的成果进行梳理和总结，提出了创造性的设想。以此为基础，他的名著《控制论》于 1948 年横空出世。在此书中，维纳对“机器能不能拥有智能行为”这个问题给予了正面的回答，提出了“智能性原则”。维纳认为不仅人类和人类社会中，而且其他生物群体乃至无生命的机械世界中，都存在着同样的信息、通信、控制和反馈机制，智能行为是这套机制的外在表现，因此不仅仅人类，其他生物甚至机器也同样能做出智能行为。“智能性原则”是控制论的四大核心原则之一，是控制论观点的支柱之一。

5.4 从控制论说起

介绍控制论的思想前，必须先消除可能存在于读者潜意识里的一种错误观念：虽然《控制论》诞生于对防空火力控制系统的研究，可是此书并不是单纯讲解机械和机电工程控制的。事实上在全书中，“控制”只是其中的一小部分话题，这和多数人心中所设想的“控制论”不太一样。

第 5 章 行为主义学派

147

人们可能会有一个先入为主的印象—控制论就是一门关于机械控制和工程自动化的科学。此观念直接扎根于我们的高等教育领域，大学里常有“自动化学院”这样的院系设置。其实这是典型的中国特色，在西方最多只会有“控制科学系”，一般在机电工程学院。绝大多数西方大学都不会为这个专业单独建立学院，而是将其放到电子工程、计算机科学、社会管理科学、生物技术科学、经济和商业等学院的专业课程之中，这是由于控制论涉猎的内容非常广泛，几乎与现今所有重要的学科都有交集。维纳自己是把控制论看作一门研究机器与生物控制和通信的一般规律，以及此规律所表现出来的行为的科学，是研究系统在不同环境下如何保持稳定状态的科学。这听起来似乎有点抽象，要了解控制论，了解人们对控制论先入为主的印象的来源，就应该先从“控制论”这个名字的来龙去脉开始。

“ Cybernetique”一词由法国物理学家安德烈 - 马里·安培（André-MarieAmpère，1775—1836）在其著作《论科学中的哲学》里首先使用，意思是“国务管理”（Civil Government），属于社会科学的范畴。维纳在《控制论》的序言里面没有提安培的事，认为是自己从希腊文“ KvβερvετιKσ”（原意为“操舵术”，就是掌舵的方法和技术的意思）中创造了该词。在维纳的思维框架里，《控制论》的范畴更加广阔，把社会、人类、其他生物体甚至机械体都纳入进来，他把机电伺服系统的物理反馈现象与神经生理学的“目的性行为”（Purposeful Behavior）、哲学上的“因果循环律”（Circular Causality）结合起来，认为人类、生物和具有智能的机器等都是通过“由负反馈和循环因果律逻辑来控制的目的性行为”来实现自身目的的，这句话便是控制论思想的源头。用专业名词解释控制论并不符合本书的叙事风格，这里不妨引用一段《控制论》中的例子来诠释：

“人们通常认为传递信息只能从一个人类传递给另一个人类，而事实并不局限于此。如果我在起床时按下一个按钮打开了暖气、关上了窗户，然后启动咖啡壶的电动加热装置，我就是在向这些设备发送信息。另外，咖啡壶在一段时间后开始鸣笛，那它也是在向我发送信息，如果温控器显示房间的温度过高，并关闭加热煤炉，这就可以说该信息是控制煤炉的一种方法。换句话说，所谓‘控制’其实就是发送有效改变接收者行为的信息，正是这种对信息的研究，尤其是对控制的有效信息的研究，构成了控制论这门科学。”

148

第二部分 学派争鸣

《控制论》的主旨不在于工程控制，工程控制充其量只是一种方法和手段，现在自动化专业课本中提到的理论和公式在《控制论》中都没有提及。这本书的名字应该要配上它那拗口的副标题“在动物和机器中控制与通信的科学”（OrControl and Communication in the Animal and the Machine）才能贴切地反映出作者的真实意图。从副标题可见，这本书讨论的主体本来就是“动物和机器”。图 5-4 是 1948 年版《控制论》的封面。后来控制论慢慢发展，衍生出了社会控制论、工程控制论、生物控制论和经济控制论这些分支，与人工生命、人工智能、复杂性理论慢慢有了越来越密切的联系。

第 5 章 行为主义学派

149

20 世纪 50 年代，《控制论》从西方国家传播到社会主义国家时，苏联对于《控制论》是持严厉批判的态度的，认为其中宣扬的“人类与机器的行为可在理论上统一”“自学习、自生殖、可进化的机器”等观点实质上是在反对唯物主义。最初，中国学者将“ Cybernetics”翻译为“机械大脑论”，后来由于这个理论被苏联直接定性为“反动的伪科学”，所以并没有广泛传播开来。其实在西方控制论刚出现时支持和反对的声音都同样强烈，维纳在《控制论》中将动物与机器相提并论，也引起了不少宗教人士的不满与抗议，认为这冒犯了造物主和人的尊严。由于以上背景，1956 年《控制论》正式进入中国时，中宣部科学处的龚育之等人将正式的中文译法敲定为“控制论”，目的就是尽可能地避免此书再把“机器”和“人”“大脑”扯上联系。后来，我国著名科学家、控制科学的先驱钱学森先生在编写其专著《工程控制论》（Engineering Cybernetics）时，特别在“Cybernetics”前冠以“Engineering”一词，也是为了摒弃控制论中关于人与智能的充满争议的观点，专门针对工程控制和工程自动化方向去拓展，可以说《工程控制论》一书的内容才是比较符合今天多数中国人对“控制科学”这门科学的印象的，但我们也应当明白控制论的范围并不局限于此。《机器崛起：遗失的控制论历史》（Rise of the Machines ：A Cybernetic History）的译者之一王飞跃老师在此书的序言中写了这样一句评语：

“‘机械大脑论’这个名字其实至少能表述《控制论》原文 75% 的含义，但‘控制论’似乎就只能传递原意的 25% 了。”

笔者十分赞同这个说法，不过还需要加以说明的是，如明斯基写的《感知机》那样，书名为“感知机”，却并不以认可、推广感知机为目的，假如此书以“机械大脑论”为名，也只是为了说明这是书中讨论的中心话题，并不能说明维纳就是认同“机械大脑论”的，起码不认同传统机械因果观下的“机械大脑论”。

5.5 机械因果观和行为主义

《控制论》的序言中说维纳撰写此书时受到莱布尼茨符号语言和思维演算系统的启发，这套思维演算系统可看作“机械式大脑论”的源头。维纳一生骄傲，对莱布尼茨却评价颇高，认为莱布尼茨是人类历史上最后一位百科全书式的博学通才，还说如果莱布尼茨出生在 20 世纪，那肯定也会去研究控制论。

150

第二部分 学派争鸣

莱布尼茨提出的机械式思维演算系统与人工智能真的是关系匪浅，在前面两章里，分别提到过它引导了符号主义里以符号演算代替人类思维的中心思想（见第 3 章），同样也启发了皮茨和麦卡洛克对神经网络的开创性研究（见第4 章），再加上此处对控制论诞生的贡献，这位生于清朝康熙年间的德国学者的见识与奇思妙想实在是令人佩服。有共同的话题和共同的“偶像”，这可能也是维纳后来开始与皮茨、麦卡洛克合作的诱因之一。

不过，维纳并没有完全认同莱布尼茨的思维演算系统，自己也提出了“机械大脑论”，但与莱布尼茨的有极大差别。要理解维纳所讲的“机械大脑论”，我们首先需要明白“行为主义方法”这个概念。

行为主义是从其他学科引入控制科学和人工智能的舶来品，在控制论诞生之前，心理学家约翰·华生（John Watson，1878—1958）便已经发明了用于研究动物和人类的生理、心理现象的“行为主义方法”。他把有机体应付环境的一切活动统称为“行为”，认定全部行为都可以分解为“刺激”和“反馈”两大过程。给考察对象以某种刺激，观察它的反馈，通过研究反馈与刺激的关系来了解对象的特性，而不去纠结对象内部的组织结构，这就是行为主义方法。

维纳自己一直坚持把考察对象作为开放系统来看待。从他的开放性观点来看，研究对象是从它所处的环境中相对地抽取出来的，与环境仍然有千丝万缕的联系，而且必须从系统与环境的互动关系中研究系统。如果把行为广义地定义为系统相对于环境做出的变化，那么，可以从外部探知的系统变化都可以称为行为。如果把环境对系统的影响和作用统称为“输入”，把系统对环境的作用及其引起的环境变化称为“输出”，则给系统施加某种输入，观察它的输出，通过分析输出对输入的响应关系以了解系统的属性，而不必顾及系统内部的组织结构，这就是广义的行为主义方法。它既适用于动物，也适用于机器及其他系统，这一定义和推论奠定了控制论的方法论基础。

“输入—输出”方法现在也经常被称为“感知—动作”方法，更一般地说就是“行为主义方法”，该方法是以因果决定论为基础的，即相信输入与输出之间存在因果联系，输入为因，输出为果，通过施加适当的输入可以获得理想的输出，这是设计和使用控制系统的前提。不论是维纳还是其他现代控制论专家，都相信因果规律，并坚持某种决定论，但维纳又谨慎而坚定地与传统的“拉普拉斯决定论”（Laplacian Determinism）划分开来。

第 5 章 行为主义学派

151

在控制科学建立之初，尽管物理学中由于量子力学的胜利，在微观科学中已建立起了以概率去解释物理现象的观念，但在其他技术科学领域占支配地位的仍然是拉普拉斯决定论，学者们普遍信奉的是机械因果观，主张的是一种明确的、完全确定性的因果关系。自牛顿时代起，科学描述的宇宙是一个其中所有事物都是精确地依据特定规律来运作的宇宙，是一个细致而严密地组织起来的、全部未来世界都严格地取决于全部过去世界状态的宇宙。机械因果观描绘的这种钟表式世界图景，在 17 世纪到 19 世纪这个漫长时期里持续统治着科学界。直到路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann，1844—1906）在物理中引入概率解释后，这种决定论才受到了挑战，这种纯机械式的因果观才在微观世界中被推翻，最终量子力学获得全面胜利。即使像莱布尼茨这样具有辩证思想的学者，也坚信机械因果观，所以莱布尼茨的思维演算系统还是存在很明显的时代局限性的。

在研究自动机的过程中，维纳终于领悟出了通信与控制之间的本质联系。二战结束以后，他在信息论的许多方向上进行探索^○一，其重要收获之一是明确了控制系统所接收的信息具有随机性，控制系统的结构必须适应这种特性。这里隐含了一个重要结论：控制论其实是一种统计理论，它关心的不是系统根据单独一次输入产生的动作，而是对全部输入能够做出合乎预期的动作。在这个系统中，因果联系不再是完全确定的，它同时具有统计上的确定性和个体上的不确定性，因而是一种统计上的因果关系。在控制系统中引入统计属性，从根本上改进了机械式的因果观念，从此观点出发，机械同样可以表现出“具有灵性”

152

第二部分 学派争鸣

○一 后来维纳和香农的关系还不错，但起初维纳一直认为香农的《信息论》是受到了自己的启发，因为二战期间战争保密的需要，维纳的很多研究论文都被军方禁止公开，维纳认为香农曾经阅读过这些资料，并且在《信息论》中用到了很多与他的论文相近或相似的理念。

的智能行动，这也是维纳对“机械大脑论”的翻天覆地的革新，是机器与生物体在理论上可以表现出相同智能行为的理论基础。机器与生物在行为意义上的界限，或者说智能与否在行为意义上的界限，可概括为以下两点：

● 机械或者机电系统中的反馈机制可以推广到人类和其他生物的范畴，可以用同一套理论去阐释动物和机器两大领域的信息、通信、控制和反馈问题。

● 人类和其他生物的智能行为，同样可以推广到机器，机械也可以实现智能行为。根据“感知（输入）—行动（输出）”方法，只要能够对环境的外部输入给予预期中的输出，就是智能的体现，而不需要去纠结是机器还是生物体。

这两点也是现在行为主义学派的理论基础，由美国人工智能研究协会（AAAI）的创始人之一—麻省理工学院的罗德尼·布鲁克斯（RodneyBrooks，1954—）教授于 20 世纪 90 年代初期在他的文章《大象不下棋》（“ Elephants Don’t Play Chess”）中提出。他一直倡导研究“没有表达的智能”和“没有推理的智能”，认为“智能”取决于“感知”和“行动”。布鲁克斯本人也是维纳时代之后，行为主义学派的重要代表人物之一。

关于控制论的其他观点和细节，笔者不再细说，毕竟这与控制科学关系更密切些。行文至此，人工智能学科中三大学派的主要人物和主要观点都已经介绍过了，这里可以对比总结一下：连接主义学派使用的是生物仿生学的方法，通过模拟生物体的脑部组织结构去寻找智能，它关心的是承载智能的生理结构；符号主义学派使用的是逻辑推理和演算的方法，通过解析物理符号系统假说和启发式搜索原理去寻找智能，它关心的是承载智能的心理结构和逻辑结构；而行为主义学派使用“感知—动作”的研究方法，通过环境反馈和智能行为之间的因果联系去寻找智能，既不关心智能的载体和内部的生理结构，也不关心智能的逻辑和心理结构，只关心智能的外部可观察到的行为表现。如果用最简单的一句话进行总结，我们可以说连接主义学派在研究“大脑”（Brain），符号主义学派在研究“心智”（Mind），行为主义学派则在研究“行为”（Action）。

第 5 章 行为主义学派

153

5.6 自复制机和进化主义

行为主义、控制论中还有一个必须提到的观点，认为人工智能应该和人类智能一样，依靠进化获得，通过遗传过程的随机变异和环境对个体物竞天择的自然选择，逐代筛选出更快速、更健壮、更聪明的个体。这与之前图灵提出的建造一台简单、空白但有学习能力的机器，通过学习来获取知识、形成智能的设想有所差别。图灵的设想中不可避免地涉及对机器的教育和教育效果的评估等问题，但以进化的观点来看，这两个问题其实都不存在，环境就是最好的老师，同时也是最好的裁决者，唯一要解决的问题就是如何做到繁衍生息。

本书开篇写有一段这样的引言：“在古代神话中，技艺高超的工匠可以制作人造人，并为其赋予智能或意识，如希腊神话中出现了诸如赫淮斯托斯的黄金机器人和皮格马利翁的伽拉忒亚这样的机械人和人造人；列子辑注的《列子 ·汤问》记载，中国西周时期也已经出现了偃师造人的故事。”可见从古至今人们都没有停止过寻找“有生命的机器”的可能性，在若干个可以突破机器与生物体之间界限的想法里，最野心勃勃的设想是直接创造出不含有机碱的活体机器来，这是一种独立机械装置，完全没有生物组织，却可以被赋予多种生物特征，诸如复制、变异、进化和思考等能力。控制论的创立和流行，也为人们思考机器是否有可能以及如何制造出无机生命体提供了一些启发。根据维纳本人的设想，机器生命是直接对标人类的，《控制论》中专门有一章是讲如何使用计算机去实现生物大脑的神经系统的，在麦卡洛克和皮茨开创神经网络的故事里，维纳本人也深度参与其中。

控制论诞生之前的 1943 年，计算机体系结构之父冯·诺依曼就与维纳共同研究过机器生命，到 1946 年底，冯·诺依曼对 3 年以来的研究进展程度倍感恼火，他觉得机器生命不应该一开始就对标人类，人类和人类大脑实在是太过于复杂，以至于难以作为模仿的模板来进行研究。在一封给维纳的著名信件中，冯·诺依曼建议维纳更换研究的对象，缩窄研究的范围，试图说服维纳暂时远离人类的神经系统。冯·诺依曼在信件里这样写道：

154

第二部分 学派争鸣

“在尝试理解自动机的功能及其控制的一般原理时，毫不夸张地