《信息科学与技术导论》课件 - 副本 (9).ppt
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1、第九章第九章 未来趋势未来趋势 1.未来的信息技术2.未来的信息网络9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.1 新型信息材料新型信息材料v随着电子学向光电子学、光子学迈进,微电子材料在未来 1015年仍是最基本的信息材料,光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向发展。v集成电路和半导体器件用材料由单片集成向系统集成发展。微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸,增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度,由单片集成向系统集成发展。v光电子材料
2、向纳米结构、非均值、非线性和非平衡态发展。光电集成将是 21世纪光电子技术发展的一个重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。材料尺度逐步低维化由体材料向薄层、超薄层和纳米结构材料的方向发展,材料系统由均质到非均质、工作特性由线性向非线性,由平衡态向非平衡态发展是其最明显的特征。发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料。v新型电子元器件用材料主要向小型化、片式化方向发展。磁性材料、电子陶瓷材料、压电晶体管材料、绿色电池和材料、信息传感材料和高性能封装材料等将成为发展的重点。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.2 新型
3、信息器件新型信息器件v信息器件是一个科学内涵极丰富、创新性极强、应用前景极广阔、社会经济效益巨大的领域,极有可能触发新的信息技术革命。基于新型信息材料,催生了几类颇有特色和前景的未来信息器件:v微纳电子器件微纳电子器件:微纳电子器件是信息产业的基础和核心,它的发展对带动相关产业实现技术跨越,提升经济和产业的国际竞争力,实现经济社会的可持续发展和保障国家安全等都有着不可替代的作用。v光电子器件光电子器件:光电子器件是光通信、移动通信和高速信息网络的基础,它的发展和应用将极大地提高人民的生活质量,并对保障国家安全,提升高技术产业的国际竞争力具有至关重要作用。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息
4、技术v9.1.2 新型信息器件新型信息器件v第三代第三代(高温宽带隙高温宽带隙)半导体器件半导体器件:以氮化镓和碳化硅等为代表的第三代半导体材料,以其优异的物理和化学性能在国防、航空、航天、石油勘探、光存储、显示以及白光照明等领域有着重要应用前景,市场潜力巨大。v纳米电纳米电(光光)子器件子器件:基于量子尺寸效应、量子干涉效应,量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维结构是一种人工设计、制造的新材料,是新一代量子器件的基础。v海量存储器件海量存储器件:预计磁材料中磁记录单元(磁晶)的尺寸将很快达到其记录状态的物理极限。GaN基蓝、紫光激光器件的出现,加快了光存储技术的发展,然而,光存
5、储技术的面密度也已接近光学衍射极限;因而寻求发展基于新原理的新型海量存储、三维光存储材料、器件与系统-全息存储和近场光存储技术以及光学烧孔和STM热化学烧孔存储技术等,已成为目前国际研发的热点。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v一般认为,信息系统是基于信息技术(包括计算机技术、网络互联技术、现代通信技术和各种软件技术等)集成的能够提供信息服务的人机系统。依据其具体提供的服务类型,可以有管理信息系统、办公自动化系统、地理信息系统、交通管理信息系统、银行信息系统、电子商务系统、指挥信息系统、医学信息系统、科技文献检索系统等等。可以说,在当前的信息时
6、代,各行各业的各种服务,随着计算机技术和网络技术的广泛运用,大多都可以直接或间接地以信息系统的方式来提供这些服务。v一般的信息系统由信息源、信息存储器、传输通道、信息处理器(从简单的数据处理到复杂的信息认知)、信息用户和信息管理者组成。信息源是指系统提供信息服务所需包含的信息来源,由信息管理者依据系统的功能进行采集,比如列车订票信息系统的信息源就包括各种列车的行程区间、时刻表、价格以及各类票的数量等信息。信息存储器是存储采集到的信息的硬件设备和数据存储的方式等,比如计算机的存储设备和各类数据库系统。传输通道是指信息从信息存储器传到用户端的物理通道和传输方式等,比如集中存储在数据服务器中的数据通
7、过计算机网络传给发起信息请求的用户计算机终端。信息处理器是系统对用户请求进行分析,实现数据检索并返回用户请求数据的部分。信息处理器的能力直接决定了信息系统的能力。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v为了提高这些信息系统提供信息服务的能力,信息处理器的智能化是一个重要的发展方向。通过采用智能信息技术,信息系统不仅能帮助人们完成收集、整理以及简单处理信息的工作,而且还能辅助人们分析、运用各类信息和知识应对实际问题,这就是智能信息系统。由于不同信息系统的信息内容、系统结构、服务目标等多方面的差异,其采用智能技术的途径也各不相同,本节我们以交通系统为例,
8、首先介绍智能交通系统的基本结构,然后介绍其中一些基本智能技术,这些技术使得交通系统具有更强大的处理和辅助决策能力。v一、智能交通系统概述一、智能交通系统概述v智能交通系统(Intelligent Transportation Systems)简称ITS,是将先进的信息技术(包括数据通信、计算机等、传感器技术、自动控制技术、运筹优化技术以及人工智能技术等)有效地综合运用于交通运输、服务控制和车辆管理等方面,加强车辆、道路、使用者三者之间的联系,从而形成的一种实时、准确、高效的综合运输系统,最终使交通运输服务和管理智能化,使路网上的交通流运行处于最佳状态,改善交通拥挤和阻塞,最大限度地提高路网的通
9、行能力,提高整个道路运输的机动性、安全性和生产效率。v智能交通系统推动交通运输进入信息时代,将成为21世纪现代化交通运输的发展方向。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v随着世界城市化的进展和汽车的普及,不论是在发展中国家还是在发达国家,交通拥挤加剧、交通事故频繁、交通环境恶化等问题变得日趋严重。一般来说,解决交通拥挤的直接办法是建设更多的道路交通设施,提高路网的通行能力,但无论是哪个国家的大城市,可供修建道路的空间都是有限的,而且建设资金筹措也是一个要面临的困难。同时,由于交通系统是一个相当复杂的大系统,单独从车辆方面考虑或单独从道路方面考虑,都
10、很难从根本上解决问题。此外,能源和环境问题的严重性也日益为人们所认识。v在这种背景下,从系统的观点出发,把车辆和道路综合起来考虑,着眼于充分利用现有的道路交通设施,在不大量兴建新道路设施的前提下,着重提高运行效率,以节约大量的建设资金和时间,运用各种高新技术解决交通问题的思想就应运而生。vITS的基本功能表现在:减少出行时间,保障交通安全,缓解交通拥挤,减少交通污染等四个方面,其最终目标是建立一个实时、准确、高效的交通运输管理系统。ITS系统中的7大领域包括:先进的交通信息系统,先进的交通管理系统,先进的车辆系统,先进的公共运输系统,商用车辆运营系统,自动车辆驾驶系统,自动收费系统。9.1 9
11、.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v先进的交通信息系统(先进的交通信息系统(ATIS)v交通信息系统就是要收集相关交通信息,分析、传递、提供信息,为出行者在从起点到终点的出行过程中提供实时帮助,使整个出行过程舒适、方便、高效。图9.1为城市交通信息系统基本流程。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v先进的交通管理系统先进的交通管理系统 v该系统由一系列的监视公路状况、支持交通管理与出行建议系统所组成。交通管理控制中心通过交通探测车、车辆探测器、雷达探测器、气象检测器、能见度检测器、视频监测系统、不停车电子收费系
12、统和紧急电话等手段采集有关信息并加工这些信息,然后通过电子地图、大屏幕显示器、可变标志、可变情报板、电话、电视、路侧通信广播、交通广播、微机信息灯系统、匝道仪控制系统、视频监测系统和不停车电子收费系统等手段将有关信息传递给司机和相关人员,并不断优化交通信号灯的绿信比,随时采取相关措施保障良好的交通秩序,此外还对一些突发事件(如交通事故、道路维修、特殊的政治活动等)迅速确定解决方案,并做出准确的反应。v先进的车辆系统先进的车辆系统 v该系统是指借助车载设备及路侧、路表的电子设备来检测周围行驶环境的变化情况,进行部分或完全的自动驾驶控制以达到行车安全和增加道路通行能力的目的。其本质就是在车辆与道路
13、系统中将现代通信技术、控制技术和交通流数据处理技术加以集成,提供一个良好的辅助驾驶环境,在特定条件下,车辆将在自动控制下安全行驶。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v先进的公共运输系统先进的公共运输系统v作为智能运输系统的子系统,要保证对各种可选交通方式有足够的考虑。该系统采用先进的公共汽车、车辆全球定位系统和先进的电子技术等来达到不需要新建另外的公路却运送更多的出行者的目的。该系统利用计算机技术对公交车辆及公共设施的技术状况和服务水平进行实时分析,实现公交系统计划、运营和管理功能的自动化;为乘客提供实时的换乘信息;具有完备的安全监测、预警和防范
14、设施等。v商用车辆运营系统商用车辆运营系统 v商用车辆包括货运汽车,公共汽车、出租车和紧急车辆。该系统可为商用车辆运营业者提供电子通关(车辆因装有脉冲应答器,可在不减速停车的情况下,迅速通过安全、载重、注册等关卡);对高速行驶中的车辆、货物状态和司机的安全情况进行监测、危险时预警并在必要时进行自动控制;对运送危险品的车辆,在发生事故时,能立刻确定事故的严重程度、事故地点、危险品种类并推荐最佳应急方案;还可帮助司机确定车辆位置,避开交通阻塞路段,大大提高运输效率。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v自动车辆驾驶系统自动车辆驾驶系统v 自动车辆驾驶系
15、统是指借助车载设备及路侧、路表的电子设备来检测周围行驶环境的变化情况,进行部分或完全的自动驾驶控制的系统,目的是提高行车安全和道路通行能力。该系统的本质就是将车辆-道路系统中的现代化信息技术、控制技术和交通流数据处理技术加以集成,提供一个良好的辅助驾驶环境,在特定条件下,车辆将在自动控制下安全行驶。自动驾驶系统集成了传感器、计算机、车载控制系统以及车道控制系统的一个自动化智能化控制系统,以提供预警、辅助驾驶或在危险行驶情况下自动干预。它是先进的运输系统中最复杂,也是最难实现的技术。v自动收费系统自动收费系统v自动收费系统,也称电子收费系统,它在传统收费技术的基础上广泛采用现代高新技术,尤其是电
16、子和通信方面的技术,在车辆运动的情况下,通过无线通信技术使安装于车辆上的某种专用设备(又称车载单元)和设置在收费车道或路侧的装置(又称路侧单元)之间进行通信和信息交换,并在此过程中自动完成收费操作。一般情况下,实现道路的不停车收费,车辆只需要按照一定速度直接驶过系统的收费道口,收费过程就可以通过无线通信和机器设备的操作自动完成,从而大大提高了收费效率。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v二、智能交通系统中智能技术应用举例二、智能交通系统中智能技术应用举例v许多智能技术都在智能交通系统中有重要的应用,这里我们仅简单介绍专家系统、模糊控制和神经网络等
17、技术。v专家系统专家系统指的是一个针对专门领域设计的人工智能系统,它的知识库内储存了大量的相关领域专家(某个专家或专家集体)的知识与经验,因此能够根据这些知识和经验,进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。v在智能交通领域,已经出现了不少专家系统的应用,比如交通规划分析专家系统辅助人们进行某一区域的交通状况分析、发展规划;交通信号设计专家系统辅助人们进行一个区域的全局信号优化,在保证安全的前提下最大限度地提高各个路口的通行能力;交通故障处理专家系统在突发事件中辅助管理人员迅速提出可行的故障解决方案并加以实施。这些专家系统的应用使得交通管理能力得以大大提
18、高。9.1 9.1 未来的信息技术未来的信息技术v9.1.3 智能信息系统智能信息系统v二、智能交通系统中智能技术应用举例二、智能交通系统中智能技术应用举例v模模糊糊控控制制是一类应用模糊集合理论的控制方法。模糊控制的价值可以从两方面考虑,一方面,模糊控制提出了一种新的机制用于实现基于知识(规则)甚至语义描述的控制规律。另一方面,模糊控制为非线性控制器提出了一个比较容易的设计方法尤其是当受控装置(对象或过程)含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时,更是有效。v神神经经网网络络是人工智能应用的重要技术之一,它从仿生学的角度试图对人脑的神经系统进行模拟,使机器具有部分人脑的功能,如感知、学
19、习和推理等。与传统的控制技术相比:神经网络具有如下重要特征:1.非线性映射能力强;2.能够学习和适应不确定性系统的动态特征;3.能够处理多输入和多输出问题,非常适合于多变量系统。这些特征显示了神经网络在求解非线性和不确定性控制问题方面的巨大潜力。9.2 9.2 未来的信息网络未来的信息网络v9.2.1 现有的信息网络现有的信息网络v随着信息技术的飞速发展,网络与通信的内容不断拓展,尤其是近十年互联网的广泛渗透和普及,更是极大地丰富了信息网络的内含,其概念不仅包括过去的通信网络、计算机网络、互联网络,还增加了下一代网络、网格、语义网、传感网络等新内容,使信息网络的能力更为完整和强大。v下一代网络
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