第一部分 基础篇
第一章 因智而化
第一节 从电能到智能
在当今时代，电能作为一种能有效提升每个人生活质量的基础性能源，早已成为我们生活中不可或缺的一部分，人类已经无法想象没有电的生活。在人类的历史中虽早有对电的记载，但人类从发现到能够使用电却经历了漫长的岁月。17世纪初，随着自然科学的发展，电的性能得到了更深入的研究。迈克尔·法拉第（Michael Faraday）通过磁铁与线圈实验发现电磁感应（Electromagnetic induction）现象，并造出了最早的发电机。1866年，西门子公司制造出第一台工业直流发电机，极大地推动了用电技术的发展。在19世纪中期，灯泡、录像机等电器的出现让电流技术更加成熟。特斯拉发明并推广了交流电，实现了电能的远地高压传输，极大地提高了电能的输送效率。自此以后，电流流进了千家万户中，电器的数目和种类也日益增多，电视机、电脑等新的电器产品应运而生。电能的使用也解放了大量的体力劳动力和脑力劳动力，有效提高了生产效率与生活质量。如今，各式各样的电器已经成为我们生活和工作中不可或缺的工具。
20世纪末，互联网和传感器技术的迅速发展赋予了电器新的要素——信息。接入互联网的电器所产生的信息能够在人与人、人与物、物与物之间进行流动，自此电器成为信息的载体并进化为“网器”。根据市场调研公司IDC的预测，2020—2025年中国物联网（Internet of Things）IP连接量年复合增速可达17.8%，到2025年总连接量将达到102.7亿。技术的创新正在推动整个信息产业进入更加令人兴奋的时代，网络“高速公路”越来越宽广，处理器性能和存储容量的提升进一步提高了智能终端的性能，光线、声音、重力、距离、温度等各类传感器的加入，让这些终端具备听觉、视觉、触觉，从而使网器进化为“智器”，向人们提供超乎想象的服务。
为了更好地理解智能的内涵，我们先回顾一下电能是如何发展至今的。其中电能的转化生产、远程传输及精确测量是电能得以全面普及的三个关键因素。
首先，电能的产生是转化的结果。电能不是自然资源，也不是天然存在的，需要从已有的资源中进行人为的加工和创造。而且，电能的来源是广泛的、多元化的，有风、煤等，但这些原料最后都能转化成标准化的能量——电能。在古代，人们已经开始利用水力来完成一些基本工作，虽然不同于现代的发电方式，但这也可以看作一种形式的水力“发电”。在古罗马时代，水轮被广泛用于驱动磨坊和提取地下水。水轮的原理是通过水流的动能来转动机械，从而完成工作。在中国，水轮也被用于推动水车，将水从低处抽升至高处并灌溉农田。虽然利用水力节省了许多人力物力，但是对水的利用还是会受到地理位置和气候条件等因素的影响。在近代，核能发电已成为一种主要的电能生产方式。核能发电的基本原理是利用核裂变或核聚变反应来释放巨大的能量，然后将这种能量转化为电能。核裂变通过分裂重核来释放能量，而核聚变则通过将轻核聚合在一起释放能量。核能发电厂通常采用核裂变反应发电，如利用铀或钚的裂变，产生高温和高压的蒸汽，然后使用蒸汽驱动涡轮发电机来产生电能。这种方式的优势在于产生的能量巨大且稳定，但也伴随着核废料管理和核安全等一系列挑战和风险。
总的来说，古代水力发电是水力资源的基本应用，而近代核能发电则是一种高效且复杂的能源转化方式，为现代社会提供了大量电力。
对电能进行转化在人类的历史进程中具有里程碑式的意义。它不仅使得能量摆脱了物质的束缚，也为电能的流动奠定了基础。
其次，便捷的远距离传输是电能摆脱空间地域限制迅速普及的关键。经过转化的电能可以不像传统能源一样受到限制，由于没有载重，电能比煤和石油更容易传输。相比石油管道，电网的管道更细，施工复杂度更低，传输的能量却“一点儿都不少”。
假设有一家位于市中心的大型发电厂，该发电厂使用燃煤发电技术发电。这里电能的转换是通过机械能（涡轮的旋转）和电磁感应现象实现的。一旦电能在发电厂产生，就会被送入一个变压器，变压器将电压升高以减少电阻损耗。之后电能通过高压输电线路从发电厂传输到城市的次级变电站。在城市的次级变电站，电能经过另一个变压器，使电压降低到可用于家庭、工业和商业用途的水平，最后通过地下或架空电缆网络传输到各个家庭和企业。在这些地方，电能经过电表测量，以确保用户按照消耗的电量付费。这种无载重的传输通常不会依赖于人的参与，人们可以轻而易举地将电能输送到世界各地。电能的远端传输包含了“变电—配电”过程，发电厂产生的电能经过变电的调频可以传输得更远，在末端再次通过变电将电压降低，使其符合家庭、工厂、特大型商场等场所的用电标准。配电环节是向电力系统中的用户分配电能。电能的无载重属性，提高了电能的传输速度与传输长度。输电过程会把相距较远的发电厂和负荷中心联系起来，使电能的开发和利用脱离地域的限制。相比于输煤、输油等传统的能源运输，电能输送损耗低，效益高，并且灵活方便，易于调控。
最后，电能在不断普及的过程中逐步成为重要的公共服务内容，电力需求量和使用人数的不断增长促使电力公司需要使用工具对电力进行精准的检测，从而更好地进行电力计费和规划，由此产生了电表——电表的出现让电能得到精确计量，是电能融入经济活动的关键。1880年，爱迪生利用电解原理发明了直流电表，10年后德国人布勒泰发明了感应式电表，经过改进的电表得以商用与普及。1960年日本科学家衫山桌发明电子式电表，实现了全电子化的电能测量。随后出现的机电一体式电表实现了多功能、高精度及自动抄表等功能，电表开始出现多个接口。在现有的智能电网建设时期，电表更加多功能化与智能化，测量电力的电表和控制电力的开关比控制汽油的喷油嘴和油门系统更加简单和精确。当前，我国电网的智能电表能够保证在非计量功能和其他系统软件升级、故障等情况下独立运行，且数据可追溯，确保了计量的准确度和稳定性。
综上所述，电能的生产与传输离不开发电站、电网、输变电站、电力线等一系列设施与设备，电能的普及得益于集中式发电、网络化输电、分散式用电的电力调度方式。电能完成空间布局之后，就实现了全天候伺服型的能源供给，无论白天黑夜，电能永远在你身边！
电能产生并促进智能。同样作为一种“能”，借鉴电的发展历程，让我们来回顾一下智能的产生和使用（见图1-1）。
图1-1 电能智能对比图
首先，与电能相似，智能也是一种转化能，它输入数据后，通过智能算法的计算，输出的就是智能。这一过程相当于把数据进行加工计算，经过计算的数据将成为智能的重要组成部分，且只有建立关联的数据才是有意义的数据。那么数据要如何汇聚起来呢？答案是：利用数据中心。数据中心是一种特定的设备网络，用来在网络基础设施中进行数据的存储、计算、展示、传递。与电厂的集中发电一样，数据中心也是通过数据的汇聚与计算集中产出“智能”，大量的网络数据被集中收集、存储在数据中心平台。从数据源开始，数据中心可以利用表格模型、算法模型、业务模型等对数据集合进行计算，产出数据产品、专项分析、运营策略、风险分析结果，这些结果都是智能的表现形式。当前数据中心能够提供无缝的数据备份及数据恢复，支撑云存储等各类服务事项，已经为多个行业提供智能服务和业务支持。数据中心作为能够集中产生智能的关键形式及为企业提升竞争力和运营效率的工具，目前已经变成现代基础设施和企业生产的重要部分。
其次，通过建设智网来输送智能。数据中心和算力中心如同发电站，将智能源源不断地生产出来，而要将这些智能输送到千家万户，就需要智网。智网相比于电网来讲，需要更高级别的交互性，具备双向传输能力的光纤网络或者无线传输网络就是未来的智网。电网通过高压电线等线路将发电中心的电力传输到各个城市，电化每个家庭；而智网则通过光纤网络将计算中心、数据中心的算力传递到各个城市，智化每个家庭。如果说无线网络是连接终端设备的毛细血管，那么固定网络就是在各个地区、城市之间传递智能的大动脉。2022年2月，在京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、内蒙古、贵州、甘肃、宁夏8地启动建设国家算力枢纽节点，并规划了10个国家数据中心集群。至此，全国一体化大数据中心体系完成总体布局设计，东数西算工程正式全面启动。如果说西电东输是对电能的跨地区协调，那么东数西算就是对智能的跨地区调度。在这些算力中心、数据中心之间传输智能，就需要更快更稳定的传输网络，满足算力对传送带宽、容量和低时延的要求，而F5G给出了解决方案。F5G的全称是The 5th Generation Fixed Network，即第五代固定网络，是以10G PON、WiFi 6、200G/400G和OSU-OTN等技术为代表的固定网络。F5G大带宽、低时延、高可靠、海量接入的特点，为大量高速地传输算力提供了支撑。F5G时代，物理光纤（Fibre）网走向全光业务网，全光业务网构建出了基础底座，实现在各个城市算力中心之间对智能进行大范围调度。这种F5G网络传输就是现阶段智网建设的一种解决方案。
最后，分散式使用智能。要想使用智能就需要拥有能够接收智能并由智能驱动的设备，目前我们称其为智能设备，我们日常所使用的手机及各类手持的智能终端就是其中一类。就像人类利用电能制造出了电锯一样，智能会进一步将电锯智化为“智锯”，进而生产出越来越多的“智化设备”。更为重要的是，智能会孵化出诸多“智能原生器具”，即随着智能的发展而出现的智能设备，但是这些智能原生器具必须具备接收和使用智能的能力，并且在很多时候需要跟智网进行交互，因此，一般这类器具都要具备边缘计算能力。例如，专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，可编程逻辑控制器（PLC），其本质上就是一台具备编程、运算、控制、输出等能力的智能电脑，PLC能够根据工业生产、行业应用的需求进行适应性融合设计，在边缘端低延时、高效率地管理和控制设备的运行，并且能够与智网进行密切的交互。
随着智能技术的发展，在可以预见的将来，智能也将像电能一样，逐步渗透到社会生活的方方面面，甚至起到更加重要的作用。与电器一样，在实现智能的产生和传输后，用户端或应用侧就需要合适的载体与之结合，成为“智器”，从而充分发挥智能的作用。那么，当下智能的产生能否也像电能一样无处不在，同时又孵化出一批“因智而生”的“智器”呢？