编者按
人类认知的整个活动，就是如何解释、解决人类在生存和繁衍过程中所遇到的现实问题。OODA环是指挥控制领域的经典认知模式。年李德毅院士就在第九届中国指挥控制大会作主旨报告“对OODA环的再认识——用脑和认知科学解开博伊德环之谜”。近期，李院士明确提出人类认知的4种基本模式：记忆驱动的经验模式（OOA）、知识驱动的推理模式（OODA）、联想驱动的创造模式（OOCA）以及假说驱动的发现模式（OOHA），用这4个相对独立的认知模式来完成认知的形式化。这也为未来指挥控制的研究带来了新的启发思路。
认知的形式化
◇李德毅1 郑思仪2 黄立威3 刘玉超4
1.清华大学计算机科学与技术系，北京；
2.北京中科原动力科技有限公司，北京；
3.北京市遥感信息研究所，北京；
4.中国指挥与控制学会，北京
摘要
人类认知的整个活动，就是如何解释、解决人类在生存和繁衍过程中所遇到的现实问题。通过分析古今中外著名的认知案例，概括人类认知的4种基本模式为记忆驱动的经验模式(OOA)、知识驱动的推理模式(OODA)、联想驱动的创造模式(OOCA)以及假说驱动的发现模式(OOHA)，用这4个相对独立的认知模式来完成认知的形式化，OOA和OOCA两个模式是由下而上思维，从物理空间转向认知空间；OODA和OOHA两个模式是由上而下思维，从认知空间转向物理空间。4个模式发生的频度不同，相互之间的转换带有不确定性，共同构成了趋于统一的无尽认知。认知的形式化为构建可交互、会学习和自成长的新一代人工智能系统架构奠定了基础。
关键词：认知形式化；认知螺旋；迭代；多元认知；认知模式；自成长
中图分类号：B.2文献标识码：A
文章编号：-()02--14
DOI：10./j.issn.-..02.
1 认知的螺旋式过程
著名的法国启蒙思想家、哲学家和教育家卢梭
说，“人生而自由，却无往不在枷锁之中”[1]。思想生而自由，却又无处不在形式化之中，这很好地诠释了“以约束为前提”的思维。所以，认知离不开形式化。认知是学习以及解释、解决现实问题的能力，而学习的能力常常是解释、解决预设问题的能力，预设问题就是现实问题的形式化[2]。
人类和其他生物相比，以抽象、联想和交互见长，但人类能否把宇宙的奥秘探寻清楚仍然是个谜。在宇宙这个巨大的物理空间中，绝大多数的物质硬构体是自在的，并不是以人为本的。人的本性是求知，杰出科学家和工程师都有一个基本的信念，即相信宇宙在本质上是有秩序的和可认知的，这是一切科学工作的基础。物理学家阿尔伯特·爱因斯坦说，“宇宙最不可理解之处是它是可理解的”[3]。但一个人在宇宙里的地位太过渺小，在有限短暂的生命中要认知无限是一件十分困难的事情。人类能够通过文明、文化的传承，形成科学的理论，解释如此广袤的宇宙，站在牛顿、爱因斯坦、达尔文等科学巨人的肩膀上，继续探索，就能够把越来越多的未知变成已知。“可理解”本质上是人类认知的群体共识，尽管人类认知的道路曲折，对于千万年前还不可理解的事物，因为“知识断层”或者“学科断层”等诸多因素，现在人类可能也仅理解了其中的一部分，但却是在逼近真理。
人类认知的整个活动，就是如何解释、解决人类在生存和繁衍过程中所遇到的现实问题[4]。每一次完整的认知活动可以分为感知、思维和行为个阶段。感知是认知的源泉，思维是认知空间里的内在思考，行为是认知的目的和外化表现[5]。无论是认知自然的能力，还是认知人文的精神，都不是与生俱来的物质存在，它自成体系，比物理空间更为深远广阔。认知活动不停地在物理空间和认知空间循环交互，以回答“在哪里”“是什么”“为什么”“怎么做”等问题。近万年，人类大脑容积激增、大脑皮层组织与功能爆发式进化，使得人类认知有了生物学基础。尤其是近年以来，人类发明了语言、文字、工具、教育、科技，产生了文化和文明，群体认知所积累的人工智能对环境生态的改变虽然微弱，但使人类看到了未来的希望。每个人都有一个由生物学意义进化而来的、基于大脑皮层复杂神经网络形成的认知空间[6]，在其成长与生活环境里，通过具身行为与物理空间及其他人进行交互。其在成长过程中，接受教育，学习科学和技术，吸收群体的智能，并通过自己的思维和实践，不停地修饰、修剪或重塑大脑皮层神经网络细胞及连接，形成了个体独特的认知。
1.1时间是认知的基石
宇宙一直处在运动和变化中，在人类创造出时间概念之前，生物在地球上出现之前或者灭绝之后，这些运动和变化都一直延续[7]。宇宙里没有绝对时间，同一个时钟放置在宇宙的不同位置呈现不同的时间，时间不能完全脱离和独立于空间。但对人类来说，进化使大脑有了分工的记忆区，包括瞬时记忆区、工作记忆区和长期记忆区[8]，正是记忆让人类延续了过去和现在的认知，从而区分过去和现在。历史就是过去的现在，现在又将成为过去。以史为镜，这是人类高等生物群体特有的认知方法。时间不是物质，可以用年月日时分秒表达时刻，用高精度的时钟度量时间间隔，时间不是发现，而是发明。时间是物质变化和运动顺序的表现，用来形容物体或者天体的运动，用来描述人类自身进化的历史和文明，用来度量从有序走向无序的熵增过程。反过来，正是这些描述或度量让人类感受到了时间的存在。
认知机器包括物质、能量、结构和时间4个基
本要素[9]，其中时间对于机器的认知至关重要，机器在没有能量供给的时候是一堆死物质。时钟依赖能量，时间依赖时钟，秩序依赖时间，机器自举实现思维自动化，自我复用实现认知自成长，机器运行靠程序，程序靠时序，软件靠交互，时序和交互产生负熵，机器赖负熵为生。时钟不停，与外界交互不息，思维和认知不止。机器之所以能思维，是因为至少存在下一个时间周期，使得机器能继续去“想”，人的思维和机器的思维在数学上是同构的[10]。
只有人类依靠想象力和创造力发明了时间，人类才能够认知时间、标记时间并度量时间，用时间来记忆、记录和解释宇宙天体的运动变化、物质的化学变化、物体的空间变化、生物的机体变化，以及人类社会自身文明的发展等。时间成为认知空间不可或缺的要素，是认知的基石。
1.2 数学是认知最抽象的语言
宇宙有运动，运动有秩序。宇宙里没有数学，数学却可以解释宇宙。对宇宙本身而言，数学没有意义，对人类来说，数学是现实世界的主观反映。思维的核心是抽象、联想和交互，抽象是结构形成的基础。科学的各个学科都有自己的专业语言，但自然语言是所有专业语言的元语言。思维的最高形式是数学，数学是人类自然语言的高阶形态，是建立在明确的公设定理体系之上的。通过数学反映万物，通过函数和泛函反映万物之间的关联，形成人类认知自然的一个飞跃。抽象的数学语言从无到有的形成过程很漫长。文字产生之初就开始发明数字符号，数和直线等基础概念的形成经过了漫长的时间，数学作为一种基于公理知识的形式系统，不断地被人们用来解释现实世界的实体。人们只是想利用数学来解释、证明自然界的现象而已，数学思维对于认识宇宙发挥了极其重要的作用。数学产生结构和数据，抽象的数据在智能时代被比作“石油”，可以进行大数据挖掘，帮助寻求事物运行的规律。数学是基于想象和推理的，数学不是发现，而是发明。例如：无理数的发明是体现数学理论在解释自然规律和现象深刻性方面的一个典型例子，无理数是无限不循环小数，是不能通过测量得到的；点是没有大小的，线是没有宽度的，面是没有厚度的；数学能够研究、解释无限的世界，并可以利用无限研究有限，整数有无限个，实数也有无限个，这两个无限是有本质差别的。伟大的数学家戴维·希尔伯特说，“从未有其他的问题能如此深刻地触动人的心灵，没有其他的思想能如此富有成果地激发人的思维逻辑领悟力”[11]。在个人的认知世界里，思维常常远超出实际。如虚数是通过解方程x2+1=0产生的，后来才发现有广泛的应用；17世纪才被用于描述田奇的运动；黎曼几何是广义相对论的数学框架；纤维丛理论在规范场理论中发挥的作用；矩阵和无限维空间在描述量子力学中的重要意义；概率论在统计力学、生物和金融中的广泛应用等。
一切数学结果必须根据事先明确规定的公理用演绎法推出，伟大的数学家高斯曾说“数学是科学的皇后”，那么宇宙应该是数学的“皇帝”。把数学归属于自然科学并不确切，物理是研究现实存在的，是基于观察和实证的，没有数学，宇宙里的很多现象和规律就无法表达。物质和能量都是有量纲的，数学是不带有任何物理量纲的主观认知，
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