談加林

(1.元系科技(深圳)有限公司，廣東 深圳 518052；2.深圳職業(yè)技術學院，廣東 深圳 518055)

意識的產生是四大科學之謎中唯一尚未得到科學解答的自然之謎。

20世紀90年代中期，談加林已經證明存在基本單位意識現象[1-2]；為解釋這一現象，其在2021年申請的專利中，又提出基本單位知識概念且建立相應的模型[3-4]；并在2022年公開發(fā)表的論文中提出知識疊加原理，指出“意元及意元網絡是實現強人工智能和意識活動的基礎”[5]。

意元網絡整體并行地圍繞眾多事物，對各方面的大量信息同時進行處理。這時，由各種關于事物的疊加態(tài)知識和混合態(tài)知識所構成的意元網絡活動，實際上是處于大規(guī)模并行活動下某種不確定的混沌狀態(tài)，而并非確定的有目的、有重點、有條理、有順序地進行某種針對性活動的狀態(tài)，更別說是有計劃、有邏輯的形式化活動。而確定的、有目的、有重點、有條理、有順序地進行某種針對性活動，是系統的智能活動的有效性，尤其是意志活動和形式化邏輯活動的根本標志。意元網絡系統如何以具有并行性和不確定性的意元和意元網絡活動為基礎來實現這種具有確定的中心和順序等的意識活動，就是我們要討論的意識系統的體系結構原理。

一、意元網絡串行活動機制

不能有目的、有選擇、有重點、有順序地進行活動，就不能以最重要的事物為目標來有針對性地進行處理或應對。要基于大規(guī)模并行活動的意元網絡，有目的、有選擇、有重點、有順序地進行各種活動，包括對事物的感知、記憶、想象、思維等各種認知活動和言語活動，對情緒情感的認知、體驗等情感活動，特別是確定目的、明確任務、制定計劃、執(zhí)行計劃和維持活動方向等各種意志活動，都需要某種串行活動機制予以支持。這些活動具有兩個共同的特性：各瞬間中心內容的單一性和順序性?？梢詫⒏魉查g中心內容的單一性看作是意識的確定性，中心內容的具體形式是關于事物的本征態(tài)知識(也叫符號知識)。所謂圍繞一定的目的或任務或內容進行有選擇、有方向、有重點、有中心的活動等，都是基于它的中心內容的確定性來實現的，而條理性、邏輯性、程序性等，則都是基于它的順序性來實現的，這是由一個接一個的意元或以它們?yōu)橹行牡囊幌盗幸庠W絡串行活動所組成的。這樣的活動的表層過程，可以抽象為圖靈機活動或物理符號系統活動。底層過程則正是意元網絡疊加態(tài)知識和混合態(tài)知識的分布式并行活動。這里的所謂物理符號系統活動，泛指圖靈(Alan Mathison Turing)、馮·諾依曼(John von Neumann)和西蒙(Herbert Alexander Simon)、紐厄爾(Allen Newell)等人，分別從不同角度描述的以一定物理符號處理方式進行的可以形式化的活動，這些都是對人類個體各種活動表層過程的抽象。

在串行活動機制的支持下，基于意元網絡的大規(guī)模并行活動，有目的、有選擇、有重點、有中心、有順序地進行串行的物理符號系統活動或圖靈機活動或形式化活動，是意識系統最重要的特點，也是為人工意識系統配置串行活動機制的主要目的。

(一)串行活動機制與串行處理機制

所謂串行活動機制，是指在并行的意元網絡上實現串行活動的機制(如圖1所示)。它由各種與意元網絡相配合的串行處理機制構成。

圖1 基本單位知識網絡串行活動機制

所謂串行處理機制，是指各種有助于實現串行處理的特殊機制，作為一定串行活動機制的組成部分，包括不同部位數據精度等方面的差異化，比如具有一定功能的意元子網絡或神經子網絡的中心部分存在功能最強或更精細的加工，而其周邊部分存在相對粗糙的加工。所述中心部分是指它的最精細或最敏感的部分，可以是相對的或大致的幾何中心，也可以不是幾何中心而只是功能較強的中心。中心部分相對于邊緣具有一定優(yōu)勢，比如視網膜中央窩有更精細的加工，機械上的機械方式的聽覺傳感器的調諧機構，組織上的類似于視網膜及視覺傳入神經子系統不同部位上存在的差異，以及因身體部位不同而產生的敏感性差異等。差異化的作用是讓中心部分進行較強或較精細的加工，從而使其更容易取得優(yōu)勢地位或中心地位。

在神經中樞也存在同樣的現象。更重要、更廣泛的串行處理機制是以一定方式使得只有某部分單元的功能進入活動狀態(tài)或處于活動狀態(tài)，或者相反，使其更不易于進入或處于活動狀態(tài)等的機制，比如各種興奮或抑制機制等。其中，抑制是指阻止激發(fā)或降低激發(fā)的水平或能力，包括側抑制、拮抗性抑制、逐級抑制、超限抑制、習慣性抑制等。側抑制是指對相近基本單位知識或單元的抑制；拮抗性抑制是指對立的基本單位知識或單元相互之間的抑制；逐級抑制是指較高級部分的基本單位知識對較低級部分的基本單位知識的抑制；習慣性抑制是因學習或訓練而形成的一部分知識或單元對其他部分知識或單元及其作用的抑制，比如但不限于在空間認知中處于優(yōu)勢地位的視覺空間認知對觸覺空間認知的抑制。這種對其他部分及其作用產生一定抑制作用的部分，常常處于優(yōu)勢地位。處于優(yōu)勢地位的部分或單元，對處于非優(yōu)勢地位的部分或單元常常具有抑制作用。超限抑制是指隨著興奮的持續(xù)時間延長或興奮的次數增多而產生的對其自身的抑制。疲勞也會導致超限抑制。自19世紀末俄國生理學家、心理學家巴甫洛夫(Иван Петрович Павлов)等開始，生理學和心理學領域形成了關于神經系統的興奮與抑制的大量實驗研究成果，可供參考與借鑒。

一種串行活動機制可以結合多種串行處理機制。有些串行處理機制是相對獨立的，但更多的是在不同形式、不同程度上與意元網絡一起構成一體化的，甚至是意元網絡所附帶或所具備的機制(如圖2所示)。

(二)實現串行活動機制的方法

實現串行活動機制的方法是多種多樣的，尤其是在工程上，由于對系統水平的要求不同，形式更是可以靈活多樣。

一是專門的意識機方式。在意元網絡規(guī)模不大且相對簡單的意識系統里，最適合采用專門的意識機方式，它接受來自意元網絡的各種意元的輸入并向其輸出，以驅動意元網絡實現串行活動。這種串行活動機制類似于電子計算機中的控制器，是一種相對獨立的機制，但對大規(guī)模意元網絡而言則不是最合適的。

圖2 串行活動機制及作用

二是與意元網絡相融合的方式。這種具有更強適應性且可能應用更廣泛的方式，是與意元網絡相融合的串行活動一體化機制。這種串行活動一體化機制的實現方式，是從數據采集到基本單位知識分析再到內心世界的心智操作的各個部分，結合相應的串行處理機制，比如前述視網膜中央窩機制、聽覺調諧機制、膚覺敏感性差異機制，以及在意元網絡中利用意元之間豐富的相互聯系，使得當時及其前后處于意識中心的意元，以參與構成一定完形的方式，驅動或激發(fā)相應的目標意元的活動，和(或)對其他非目標意元產生抑制的機制等(如圖2-圖4所示)。

三是意元網絡內部的各種相互控制與層級關系方式。盡管意元網絡中各個意元都處于知識的基本單位層次，但從信息加工意義和邏輯抽象意義等方面來說，它們又可以處于不同的層級。這里的意元網絡的不同部分，一方面在相互控制和相互影響上存在等級關系，另一方面在功能上也存在層次關系。在控制層級上處于較高級的部分具有相對的優(yōu)勢地位，比如它具有對較低級部分的基礎抑制作用。處于較高級中樞抑制下的低級中樞的活動，在缺乏來自較高級中樞的激勵輸入的情況下，較難激發(fā)成為活動的中心，也較難進入串行活動過程。也就是說，這種多級中樞系統的各級中樞之間存在的基礎控制關系，是串行活動機制的一部分。意元網絡各部分因為功能上的相互關系，也表現出層級關系。比如在思考和想象活動中，各種程序單元具有相對于數據單元的優(yōu)勢地位。盡管感知活動中的感知輸入具有驅動作用，但有關特征的各基本單位知識單元的活動，其實仍然是在更高級的關于物體知覺的基本單位知識單元的綜合控制下進行的。

意元網絡各部分之間的這種相對“優(yōu)勢-劣勢”關系，也是對意元網絡各部分相應意義的反映。一般來說，物理意義越復雜、越綜合、越抽象，相應的基本單位知識或子網也就越高級；與目的或意圖、操作程序或過程等相關，且在功能意義上具有更高地位的基本單位知識或子網，相較于一般物體的基本單位知識也處于更高級的優(yōu)勢地位?？傊?，意元網絡的各個意元除了是知識的基本單位外，以及各部分之間除了知識性信息的傳播外，較高級的部分具有相對優(yōu)勢地位，對較低級部分產生常態(tài)性抑制作用和激發(fā)時的去抑制作用，因而彼此之間存在具有控制性意義的相互關系。

這里的目標意元，即為所要驅動的意元；非目標意元，則是指某種意義上不要驅動的意元。其中的驅動，是指激發(fā)一定的意元產生相應本征態(tài)知識輸出，也就是觸發(fā)疊加態(tài)知識的坍縮。

產生抑制作用的單元的被抑制或被破壞或抑制通路被阻斷，可以解除其對其他單元的抑制作用，比如高級部分或優(yōu)勢部分的被抑制或被破壞或抑制通路被阻斷，可以解除或消除它產生的對低級部分或非優(yōu)勢部分的抑制。

來自不同部分的信息在信息處理中的權重也反映了這種“優(yōu)勢-劣勢”關系。比如在空間認知中，對正常人而言，視覺一般處于優(yōu)勢地位，而表現為對矛盾的觸覺的抑制作用。

圖3是一個多級中樞系統中各級中樞間的基礎控制關系的簡化示意圖。因為主要描述中樞間的基本控制關系，本應該有的逐級輸入的部分被省略，且各部分的網絡關系也被簡化，最后抽象為一個簡化的框圖。其中，系統的高級中樞不僅實現高級的或抽象的認知功能，更重要的是還處于更高的控制水平實現對次高級中樞的控制和調節(jié)，再由次高級中樞實現對低級中樞的控制和調節(jié)，以及由低級中樞直接控制、支配與調節(jié)系統的各功能部件(包括外部設備和機體內部設備的執(zhí)行部件)執(zhí)行相應操作。系統各部件可以是分立的，也可以是聯結在一起的。較高級的中樞相對處于優(yōu)勢地位，較低級的中樞受到來自較高級中樞的抑制作用，這是串行活動機制的一部分。意元網絡各部分之間不僅存在這種控制關系，而且根據目的和任務等相關知識可以靈活打開或選擇相應的“興奮-抑制”通路，其宏觀表現為興奮和抑制的擴散與集中。在意元網絡上，意識中心的興奮軌跡類似于閃電軌跡。內部知識的輸入參與驅動隨后的串行活動機制，從微觀來看，可以是意元或意元網絡的不同子網都接受來自其他子網的輸入，產生向其他意元和意元子網的輸出，并成為其他意元或子網的內部知識輸入。其中，高級子網，尤其是有關目的、任務、操作及程序等的意元子網都處于相對優(yōu)勢的地位。

圖3 多級中樞的基礎控制關系

(三)進入串行活動的幾種方式

在意元網絡大規(guī)模的并行活動中，哪一種會優(yōu)先進入串行活動，這也是串行活動機制的一部分。

一方面，在圍繞一定目標的活動中，比如圖靈機活動或物理符號系統活動，符合相應活動要求或規(guī)則的系列意元活動構成串行活動。這時，各種心理活動的形式化規(guī)則和活動規(guī)律發(fā)揮著作用。另一方面，在圍繞一定目標的活動中，若有與目標無關且具有新異、獨特、對比強烈等特點，或具有特殊意義、符合系統要求或需要的其他外部刺激或事物的出現(信息輸入)，則串行活動將可能轉向這樣的事物，相應意元的激活水平將得到加強，而其他競爭性單元可能被抑制或活動減弱，由此，其基本單位知識的活動將優(yōu)先進入串行活動，或隨后的串行活動更易于或優(yōu)先展開。

也就是說，心理學中的注意規(guī)律可以在這里綜合地發(fā)揮作用。其中，意志作用隨著個體越來越成熟，而外界信息的作用相應地也會越來越受意志的調控。

二、意識系統的結構與工作原理

(一)意識系統的結構

要基于意元網絡進行有目標、有秩序的活動，特別是圖靈機的形式化活動，需要有支持意元網絡進行串行活動的某種串行活動機制。所以，完整的意識系統包括三個基本部分(如圖4所示)：一是意元網絡；二是與意元網絡相匹配的串行活動機制；三是各種外部設備，包括輸入和輸出、預處理設備和執(zhí)行操作或動作等各種其他功能設備。

圖4 意識系統的結構

(二)意識系統的工作原理

意識系統的工作原理，即系統基于主要以并行方式工作的基本單位知識網絡，或具有基本單位知識網絡本質的人工神經網絡，實現知識的一體化存儲與計算以及相應的控制，并且在串行活動機制的支持下，進行串行方式的各種圖靈機活動或物理符號活動或形式化活動，進行各種心智活動或意識活動，以及借助外部設備實現和環(huán)境的交互作用。

為系統配置一定的基本單位知識網絡，或具有基本單位知識網絡本質的神經網絡，可以是一個單一的網絡，也可以是一個由各種基本單位知識子網或神經子網絡構成的統一的基本單位知識網絡，或具有進行基本單位知識形式活動能力的神經網絡，或是一個由分置的相對獨立的具有分布式關系的若干種基本單位知識子網構成的基本單位知識網絡，或由分置的且相對獨立的若干具有進行基本單位知識形式活動能力的人工神經子網構成的人工神經網絡。由不同部分組成的基本單位知識網絡，其不同部分具有相對獨立性。特別是，因為能得到相關輔助機制的支持不同，可能具有的性質及能實現的活動也會有所不同。

所述具有基本單位知識網絡性質的人工神經網絡，是指任何包含基本單位知識單元、基本單位知識活動裝置、實際可以實現基本單位知識活動的人工神經網絡，比如各種經過適當改造或改進的或帶有相應串行活動機制的深度學習網絡。談加林的《意識的原理：基本單位知識與知識疊加原理》一文對此已有深入討論[5]。

(三) 串行活動機制的作用過程

串行活動機制的作用過程，如圖2-圖3所示。首先，串行活動機制在任一瞬間只允許基本單位知識網絡上的大規(guī)模并行活動中的一個意元處于它的中心。其次，最近處于中心的意元、新的輸入將驅動的意元以及它們所構成的各種知識等，包括對事物的認識以及目的、任務、結構、程序、操作、數據等，作為內部信息返回輸入意元網絡，和外部輸入的信息一起，驅動或觸發(fā)意元網絡上的混合態(tài)知識坍縮，使得坍縮到的一個新的意元成為意元網絡新的活動中心和串行活動新的一環(huán)。最后，如此循環(huán)往復，將實現各種不同目的和內容的具有圖靈機活動性質的心智活動。所述知識可以是關于事物數據的知識，也可以是關于事物程序或規(guī)則的知識。圖靈機活動或物理符號活動等的形式化活動規(guī)則，是形式化活動的一部分，且是以符號知識或形式化符號形式存在的，一般稱之為程序性知識或操作性知識。這種借助串行活動機制的支持且基于意元網絡來進行串行的圖靈機活動方式，被稱為“焊槍方式”：串行活動機制就像焊槍，它指向基本單位知識網絡上的哪里就把進行中的串行的意識活動“燒”到哪里。

(四) 內部輸入與外部輸入

與傳統人工神經網絡方法不同，對意元網絡系統而言，輸入的不僅可以是來自外部的數據形態(tài)的信息，也可以是來自內部的知識形態(tài)信息；不僅可以是來自外部的物理空間結構形態(tài)的信息，也可以是來自內部知識結構形態(tài)的、邏輯結構形態(tài)的、任務結構形態(tài)的、語言結構形態(tài)的信息；不僅可以是本征態(tài)符號形式的信息，也可以是疊加態(tài)完形形式的信息。內部與目的、任務、結構、程序等有關信息的輸入，發(fā)揮著組織思維等串行的意志活動的作用，包括對外部信息的選擇性處理、理解以及反應等。

同時存在的信息輸入，無論是外部輸入還是內部輸入都是多方面的，任何時候意元網絡都在相應地進行著大規(guī)模并行的活動，只是由于串行活動機制的作用，選擇了其中的一部分成為串行活動的中心，不僅成為意識到的內容，而且成為返回輸入中具有決定性意義的成分，主導著系統接下來的活動。內部輸入及其選擇性作用與主導性作用，是串行活動機制的核心。所謂內部輸入的選擇性作用，從宏觀來看，是在大量并行的意元活動中，選擇哪一部分作為串行活動內容的問題；從微觀來看，是意元網絡中意元之間相互作用的問題。

不斷的內外輸入驅動相應的知識活動產生本征態(tài)知識的輸出；新的輸出又作為輸入的一部分驅動下一部分知識的輸出，如此往復，構成系統有目的、有重點的活動。盡管這依然是一般意義上的信息加工或數據處理過程，但它又凸顯了新的實質：它是知識形態(tài)的信息加工活動，不是一般的數據性信息加工活動。意識系統中發(fā)揮主導作用的是知識形式的活動。

(五)意識系統實現圖靈計算的方式及意義

意識系統在其串行活動機制的支持下，基于意元網絡的大規(guī)模并行活動，不僅可以有目的、有選擇、有重點、有中心、有順序地進行一定的活動，更可以實現圖靈機活動或形式化活動或物理符號系統活動。這不僅是人工意識系統技術可以繼承現有知識智能方面已有成果的前提，而且一種系統如果是可以進行形式化活動的意識系統，必定能通過圖靈機活動的檢驗。

圖靈機假定有一條無限長且分成了一個個小方格的紙帶，有一個讀寫頭在紙帶上左右移動，讀寫頭有一組內部狀態(tài)和一些固定的程序。那么，在每個周期，讀寫頭都要從當前紙帶上讀入一個方格信息，然后結合自己的內部狀態(tài)與程序，一方面輸出信息到紙帶的當前方格；另一方面轉換自己的內部狀態(tài)并進行移動。

具體來說，圖靈機由以下幾個部分組成。

一是一條無限長的紙帶。紙帶被劃分為一個接一個的小格子，每個格子上包含一個來自有限字母表的符號，字母表中有一個特殊的符號表示空白。紙帶上的格子從左到右依次編號為 0，1，2，… ，紙帶的右端可以無限伸展。因為現實中的任何機器不可能有圖靈機所需無限長的紙帶，可見圖靈機只是一個理想設備。

二是一個讀寫頭。讀寫頭可以在紙帶上左右移動，并能讀出當前所指格子上的符號，還可以改變當前格子上的符號。

三是一套控制規(guī)則。根據當前機器所處的狀態(tài)以及當前讀寫頭所指格子上的符號，來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機器進入一個新的狀態(tài)。

四是一個狀態(tài)寄存器。它用來保存圖靈機當前所處的狀態(tài)。圖靈機的所有可能狀態(tài)的數目有限，并且有一個特殊的狀態(tài)，稱為停機狀態(tài)。就任意一個程序在有限時間內結束運行進行判斷的問題，稱為停機問題。但是停機問題已被證明是一個不可解的問題。同樣，哥德爾也證明了一階形式邏輯系統是不完備的。

由意元網絡及其串行活動機制加上外部設備構成的意識系統是如何實現圖靈機活動的呢？一是意元網絡相當于圖靈機無限長的紙帶，從某種意義上說，它是真正的無限長，意元就是紙帶上的符號(如圖5所示)。二是讀寫頭的作用由串行活動機制來實現。串行活動機制從意元網絡上讀出的符號(知識)，包括數據(描述性知識或數據性知識)和程序(程序性知識或操作性知識)，以及根據程序對數據進行相應操作的結果(描述性知識)。而所謂操作,實際上仍然是借助串行活動機制從意元網絡上“讀出”相應操作的結果，即某種知識，它以一定的形式已經儲存在意元網絡。不斷重復這樣的過程，可以持續(xù)得到新的前述各種知識，并相繼返回“寫入”意元網絡，從而驅動新的知識輸出，這相當于寄存器當前狀態(tài)的不斷被改變和在紙帶上讀寫符號。三是控制規(guī)則，也是儲存在意元網絡上的知識。這里的規(guī)則包含兩種：其一為底層的完形驅動規(guī)則和符號驅動規(guī)則，主要是以符合知識疊加原理的方式存在的，稱為底層規(guī)則，是在意元網絡上讀寫符號(知識)的規(guī)則。其二是表層的圖靈機活動要實現的活動的形式化規(guī)則，稱為表層規(guī)則，是完成一定任務的活動的形式化規(guī)則。表層形式化規(guī)則也以底層基本單位知識的形式儲存在意元網絡上。圖靈機根據表層形式化規(guī)則并按一定程序就一定數據所進行的計算(操作)和計算的結果，都是在底層規(guī)則支持下，通過意元網絡一系列串行符號知識的活動來實現的，即基于意元網絡的串行活動，其表層是圖靈機形式化活動，而底層是以知識疊加原理等方式進行的活動。如果把底層當作“黑箱”，不考慮底層的活動，意識系統的圖靈機活動，就是純粹知識的形式化活動。四是意元網絡及其串行活動機制等輔助運行機制本身具有實現狀態(tài)寄存器的作用。意識系統不必擁有專門的狀態(tài)寄存器。五是意元網絡儲存的程序性知識，包括有關程序結束的知識。得到的是否為最終的結果，程序是否結束，如果根據圖靈機形式化計算來確定，就稱為算法式。但圖靈機對停機問題不可解，圖靈機是不完備的。對意識系統而言，更多的情況是，在缺少相應程序知識和算法知識時，或沒有那么多時間用來計算時，或沒有必要得到精細的程序或精確的結果時，都可以采用經驗的辦法，稱為經驗式，即基于知識疊加原理的直覺方式或知識突現方式，來確定是否已經得到啟動時所期待的最后結果，程序是否可以結束。經驗方法背后的本質是知識疊加原理，它是圖靈機形式化原理之外的另一種知識處理原理。意識系統進行圖靈機計算時，可以基于知識疊加原理對結果(包括對每一個步驟的正確性)進行(直覺式、經驗性)判斷。因此，對結合了形式化原理和疊加原理的意識系統而言，停機不再是問題。采用圖靈機形式化原理的算法式，或采用知識疊加原理的經驗式，意識系統必定可以根據有關程序是否結束的知識來確定程序是否結束。意識系統是自洽且完備的。

圖5 意識系統的形式化活動

總之，意識系統的圖靈機活動的表層，是基于意元網絡進行符號知識的讀取與存儲等形式化的活動，底層則主要是基于知識疊加原理等來實現符號知識的讀取與存儲的完形知識的活動。其中，讀取的符號知識，也可以是對外界事物識別的結果。意識系統的所有形式化活動或物理符號系統活動都是基于相應知識的活動來實現的。在意識系統里，如果要進行數字化活動，它也處于表層，是基于一系列數字化知識的活動來實現的。比如，十進制數據表示為二進制數據，二進制數據的基本運算，在意識系統里都是相應知識的活動。以十進制的“10”表示為二進制數為例，規(guī)則知識是：在二進制的各個位上，0是“0”，1是“1”，逢“2”進1。意識中十進制“10”向二進制轉換的活動，可以一步步讀取外部“十進制轉為二進制”任務及數據“10”得到相應任務知識“十進制轉為二進制”和數據知識“10”，任務知識“十進制轉為二進制”返回輸入意元網絡，搜索相應的關于操作及其結果的知識，采用算法式就是一步步進行相應操作和得出結果：1的二進制數是“1”，2是“10”，……，10是“1011”。如果對不同進制之間數據的轉換非常熟悉，則可以采用經驗式直接在不同進制之間就同一個數的表示讀取相應知識而實現轉換：10的二進制數是“1011”。所以，在意識系統中，知識的活動處于核心層，即便是計算活動，也由有關計算知識的存取活動來實現，而不是真正通過計算來實現。

以“1+2=？”為例?！?+2=？”的輸入，相繼產生對“1”“+”“2”“=”“？”以及任務“1+2=？”的認知，即得到相應的知識。這些認知相繼返回輸入意元網絡，從意元網絡讀出結果“3”。如果對“1+2=？”還不太熟悉，則這個過程會分解為更多的同樣結構的子過程。

萬能逼近定理(Universal Approximation Theorem)[6-7]意味著意元網絡可以實現對任意事物的認知與表示，包括對任何結構形式的事物、事物之間如何相互作用、事物如何發(fā)展變化及過程等的認知與表示。而意元網絡可以實現圖靈機活動則意味著意識系統的形式化活動是自洽且完備的，從理論上來說，意識系統能夠以形式化的方式認識任何事物的任何規(guī)律。

總之，不僅是不斷地從意元網絡讀出有關事物的“數據性”知識或有關操作的“程序性”知識，以及操作結果(包括中間結果和最終結果)的知識，而且新讀出的知識不斷被追加到返回輸入的序列之中成為其中最新的部分，并據此繼續(xù)驅動所需的知識輸出，實現系列的串行活動。意識系統這種以知識為基本單元進行形式化活動的方式，將成為對知識時代的最新也是最確切的定義?？梢哉f，意識系統的實現，將是數字時代邁進知識型人工智能時代的標志。

(六)意志與始動問題

智能系統不應是孤立的系統。完備的智能系統要能自主適應各種內外要求才能保證自身的生存并正常工作。系統的意志，涉及目的性、自主性、自治性等一系列問題，包括始動問題、解題問題和停機問題等。

有一種心理學理論采用二分法把人的心理分為意向和認知兩個部分。意識系統要進行活動，首先要產生活動的意向(比如目的)，并產生對內外要求的認知，而后才可以有進一步意向的圖靈機活動，再根據結果是否已經滿足了系統的要求來確定是否可以停機，這不僅使得停機問題在意識系統里不再是不能解決的問題，而且也是不難解決的問題。

始動問題是與圖靈機的停機問題類似的一個問題，是指什么時候適應系統面臨的內外要求而啟動一個物理符號過程或形式化活動的問題。始動問題源于且基于需求問題，利用圖靈機可以解決價值問題。如果系統不能認識內外要求，就不能明確目標并產生主觀能動性，也就不能發(fā)動一個圖靈機活動，而且系統哪怕是意元網絡系統，即使能接受訓練，形成對世界的摹寫，它在一定程度上仍然是刻板的、機械的，不能真正明白包括它自己在內的各種事物的意義，白板系統也就無法得到全面而真正有意義的學習與訓練。圖靈機的停機意味著程序結束，活動的結果得到確定，同樣也意味著需求是否得以滿足和如何得以滿足得到確定，以及活動各部分的價值都得以確定。需求問題和價值問題是緊密聯系的，前者與始動相聯，后者與停機相關，它們合稱為“需求-價值”問題。

因為兩個方面的原因，圖靈機對始動問題不可解。一是圖靈機所有可能的狀態(tài)是有限的，但系統面臨的對內外要求作出響應的啟動狀態(tài)卻可能是無限的，特別是存在狀態(tài)集里不包含新的需求狀態(tài)的情況，這與圖靈機的有限狀態(tài)假設相矛盾，意味著反映當前的某個內外要求的啟動狀態(tài)可能不在圖靈機的有限狀態(tài)集里，或圖靈機無法在有限的時間里搜索到與內外要求相應的啟動狀態(tài)。二是只要圖靈機形式化系統是不完備的，圖靈機就不能保證它的有限狀態(tài)集里包含相應的啟動狀態(tài)，也意味著圖靈機的啟動問題不可解。哥德爾不完備性定理已經說明了問題。

始動問題最根本的是：圖靈機不能解決系統內外需求的無限可能性和新形式需求的不斷產生。解決“需求-價值”問題的最好方式，是基于知識疊加原理的意元網絡大規(guī)模并行的知識活動與在串行機制支持下基于形式化原理的物理符號系統活動的結合。意識系統中所有基本單位知識以多態(tài)的形式存在，它們遵循知識疊加原理，而知識疊加可以以學習與訓練的方式，而不必以圖靈計算的方式實現，這就使得意識系統進行圖靈機活動時存在的不完備性得到直接彌補，始動問題和停機問題都可得到解決。

總之，系統可以基于意元網絡實現對一般事物的認知，包括對內外要求的認知，而基于物理符號系統活動，實現對要求的選擇、對滿足要求的目標設定以及制定計劃與按計劃執(zhí)行，可以基于學習和創(chuàng)新形成對事物新的認識和理解，進而形成新的心理需求并規(guī)劃和實現相應的活動。這就是意識活動或精神活動。

三、對事物的理解與意識

(一)事物的映像和內心世界或內心小宇宙

對事物的理解是基于內心對世界的認識來實現的。除對事物自身的認知之外，對事物的理解還與對相關的人、事、時間、地點等方面的認知相聯系，而相關的人、事、時間、地點等方面又與所處的世界相聯系，這些都是一個人所處世界的一部分。

所謂事物的映像，是指以這個事物本身的意元為核心加上這個事物的不同部分的其他若干意元所構成的關于這個事物的心像。事物其他部分的意元越豐富，事物的映像就越飽滿、豐富和鮮明。

所謂內心世界或內心小宇宙，是指由意元網絡中所有意元以一定關系構成的關于世界的內心認識或內心映像。一般情況下，關于事物的映像和關于世界的認識處于知識疊加態(tài)和知識混合態(tài)，是在活動過程中且在串行活動機制支持下，才以一定的圖靈機活動或物理符號方式的活動或形式化活動的方式展現在人們眼前，如借助思維和語言等圖靈機活動形式的結構化活動或描述與表達。所謂對事物的理解，就是關于該事物與周圍世界關系的知識，也就是以該事物為核心的關于周圍世界的知識。

(二)定向與意識系統對事物的理解

定向是指對一事物所具備的一定屬性或特征等的確定，即對一事物與其他事物之間關系的確定，包括對事物的組成、結構、性質和相互關系等的確定。定向常常表現為關于系統自身或關于其他事物的一定說明。定向包括空間定向、時間定向、物體定向、目的定向、任務定向、結構定向及其他關系定向等。理解是定向的前提，定向是理解的表現。

如果把實現定向的機制稱為定向機制，那么就某一方面進行定向的機制，就是指與相應的定向活動相關的機制。所謂的定向機制，除包括基本單位知識網絡上各基本單位知識之間的相互聯系、相互說明、相互定義之外，還包括基于基本單位知識網絡在串行活動機制支持下圍繞相關方面進行串行活動的機制，包括進行感知、記憶和思維等心智活動的各種機制，也就是說，不需要專門的定向機制，但人工系統可以根據需要配置強化的、專門的定向機制。

與一事物相關的事物是眾多的，且是多層次的。對一事物的多個方面的屬性或特征以及它和多方面事物之間所存在關系的確定，稱為多重定向。其結果是可以給自己或相關事物相應多方面的說明。多層次定向是指由一事物對另一事物及其他更多層次事物的定向，或反過來的定向。多重定向和多層次定向以及人工意識系統對事物的理解，是意識系統內心世界所具有的一種功能或作用。

定向機制是系統具備一定理解力的基礎，任何可以使系統具備、或增加、或擴大、或擴充、或增強定向能力的方法，比如增加或增強某種定向機制，都可以增強系統對事物的理解力。系統所能實現的定向越豐富、越清晰、越深刻，理解也就越豐富、越清晰、越深刻。多重定向和多層次定向不僅使系統對事物的理解和相應的心智活動更加豐富、清晰和準確，而且也更加魯棒。存在定向功能單一、定向功能不全或定向功能障礙的系統，將如人類患有老年癡呆癥一般，不能完整地、準確地認知事物，或混淆事物，或錯誤地認知事物，包括它的來源、作用、事物之間的關系等。

(三)覺醒

不同于深度學習等人工神經網絡系統，人工意識系統基本單位知識網絡始終處于一個具有一定激活水平的狀態(tài)，各種基本單位知識都同時處于一定水平的準激活狀態(tài)，即意元網絡中的意元處于相互關聯的覺醒狀態(tài)。

基本單位知識沒有大小、沒有內容、沒有結構，除了它自身，再也沒有任何可以說明或表明它自身的東西，只能由與之存在關系的其他基本單位知識來說明，并產生有關“它”的完整意義與理解。只有在處于覺醒狀態(tài)的時候，基本單位知識網絡的各種基本單位知識才能處于一個彼此完整關聯的相互說明、相互支持的狀態(tài)，才可能整體地對事物作出反映或反應，才可能構建系統內心關于事物的映像和系統內心關于世界的小宇宙，以更全面、完整、準確地理解一定的事物。這是一種由各種基本單位知識的大規(guī)模并行活動來實現的狀態(tài)。在前面，我們討論完形的概念、定向的意義、對事物的理解以及事物在內心的映像時，都需要領會這種覺醒的準備狀態(tài)或準激活狀態(tài)。所以，意識系統存在某種覺醒機制，以維持意元網絡處于一定的準激活狀態(tài)。

所謂覺醒狀態(tài)，是指意元網絡處于一定水平的準激活狀態(tài)。還有兩種與覺醒狀態(tài)相關的睡眠狀態(tài)：深睡眠狀態(tài)和淺睡眠狀態(tài)。深睡眠狀態(tài)，即相對的不應狀態(tài)；淺睡眠狀態(tài)，即相對的可應狀態(tài)(對強烈的刺激可以作出反應)，覺醒狀態(tài)則是在應狀態(tài)(對任何刺激都可以作出反應)。覺察到的意元處于意識的中心狀態(tài)，人工意識系統可以根據需要確定是否設置以及設置什么樣的“覺醒-睡眠”機制。

給人工意識系統中的意元網絡配置一定的“覺醒-睡眠”機制，可以激勵并維持意元網絡整體或其中的一些部分處于一定的覺醒狀態(tài)，和(或)抑制以使得意元網絡整體或其中的另一些部分處于一定的睡眠狀態(tài)。因此，“覺醒-睡眠”機制具有對意元網絡的“覺醒-睡眠”狀態(tài)進行調節(jié)與控制的作用。意元網絡處于一定的覺醒狀態(tài)時，系統基于對事物的理解而產生對相應事物的意識，即被激發(fā)的一定的基本單位知識，同時也處于被其他相關基本單位知識所說明或所定向的狀態(tài)，而不僅僅是可被說明、可被定向、可被理解的狀態(tài)。處于覺醒狀態(tài)時，圍繞一定事物而組織在一起的相關意元同時處于一定水平的激活狀態(tài)，它們一起構成了關于該事物的映像或意識，其中關于該事物的基本單位知識處于意識的中心，是串行活動中相應那一時刻的內容或節(jié)點?！坝X醒-睡眠”機制可以和基本單位知識網絡融為一體，也可以是相對獨立的裝置，或是部分融為一體而部分相對獨立的裝置。“覺醒-睡眠”機制可以和串行活動機制融為一體，也可以是相對獨立的裝置；或是部分融為一體，部分相對獨立的裝置?？梢哉f，基本單位知識網絡和它的“覺醒-睡眠”機制以及串行活動機制三方面，既可以是相對獨立的，也可以是以某種形式相互融合或結合在一起的，或是部分相對獨立而部分融合的。

四、其他

(一)融合與擴展

意識系統是人工神經網絡系統和物理符號系統的完美融合，也是知識疊加原理和形式化原理的完美融合。在人工智能系統中，知識疊加模塊和形式化模塊不僅可以完全融合在一起，而且可以以一定的方式彼此植入到不同原理的模塊中，這樣能使系統更加靈活且有效。

同樣的原理可以應用于控制論系統，也可以和以控制論系統為代表的行為主義人工智能進行完美融合，以發(fā)揮它們各自的獨特功能和優(yōu)勢。在控制論系統中，控制問題被當作知識問題處理，可以采用同樣的前述知識的原理與方法。也就是說，基于意識系統原理，可以實現與連接主義、符號主義和行為主義智能的完美結合。

依據意識系統原理，人工意識系統可以向知識疊加技術和形式化技術兩端不斷擴展，以發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，包括縱向的同一技術方法的深度擴展和橫向的不同技術方法的擴展。

(二)繼承

由于意識系統的性質，人工意識系統可以繼承人工神經網絡的成果，也可以繼承形式化物理符號系統的成果。同時，由于具有繼承的性質，分別作為人工意識系統一方面內容的知識疊加技術和形式化技術，不僅可以融合發(fā)展，也可以相對獨立地發(fā)展。

(三)私有知識和共有知識

不同系統關于同一事物的疊加態(tài)知識是各自獨立且不同的，是它們各自的私有知識，而本征態(tài)知識則是相同的共有知識。共有知識可以實現共享，而私有知識可以保證各自的獨立和私有。

(四)從數字時代走向知識時代

在目前的人工神經網絡系統中，輸入的數據直接驅動人工神經網絡產生結果，表現出的是“數據輸入-結果輸出”的數據驅動的工作方式，而在意識系統中或在基本單位知識網絡系統中，主體是“知識A-知識B”的知識驅動的工作方式，盡管它也可能包含對輸入數據進行知識的處理。

覺醒狀態(tài)下意元網絡處于一定水平的激活狀態(tài)，因而各意元處于相互說明的狀態(tài)中，從而使得串行心智活動可以由內部信息或知識來相互驅動，而不必由外部輸入的信息來驅動，并由此可以在內心維持各種心智活動，使得系統隨時可以就外界輸入進行處理并給出說明或定向，或作出其他反應。顯然，這提供了一種以知識為核心的系統原理和方法，由此也可以真正定義“知識時代”。

(五)主觀體驗

目前這樣的系統，盡管可以產生關于客觀事物的映像、產生自己的小宇宙以及對內心事物進行各種心智操作，但卻仍然是缺乏主觀體驗的系統。同樣地，將其應用于人工情緒，除可以比較容易實現對情緒的認知成分和行為成分的處理，一樣會缺少主觀體驗的成分。

有關系統的主觀體驗，還需要在未來的系統，特別是在本體覺中進行模擬探索。只有能夠進行主觀體驗的系統，才是一個完整的意識系統。

本文所介紹的只是意識系統的體系結構的最基本構成，而要使機器真正可以產生類人意識，許多具體的技術方法和理論課題還有待深入探索。