赫曼·霍列瑞斯 ——數(shù)據(jù)處理之父

在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，曾記錄了一批業(yè)余發(fā)明家的豐功偉績(jī)。他們既不是數(shù)學(xué)家，也不是專(zhuān)門(mén)從事電器設(shè)計(jì)的工程師，美國(guó)人口調(diào)查局的統(tǒng)計(jì)專(zhuān)家赫曼·霍列瑞斯（Herman Hollerith ，1860-1929）博士就是其中的代表人物。

公元1880年，美利堅(jiān)合眾國(guó)舉行了又一次全國(guó)性人口普查，為當(dāng)時(shí)5000余萬(wàn)美國(guó)人登記造冊(cè)。在人口調(diào)查局從事統(tǒng)計(jì)工作的霍列瑞斯，靜靜地坐在他的辦公室里，望著那汗牛充棟的人口登記冊(cè)發(fā)愁。據(jù)他的估算，分析這些千辛萬(wàn)苦收集到的數(shù)據(jù)，人口調(diào)查局普查至少要花費(fèi)７年時(shí)間。也就是說(shuō)，美國(guó)政府和公民們，幾乎要到下一次人口普查時(shí)，才能得知這次普查的人口狀況，這豈不是太誤事？

霍列瑞斯曾多次與同事們一起，走鄉(xiāng)串戶(hù)收集資料，深知每個(gè)數(shù)據(jù)都來(lái)之不易。他也曾終日埋在“數(shù)據(jù)堆”里，用手搖計(jì)算機(jī)“搖”得滿(mǎn)頭大汗，一天下來(lái)，也算不出幾張表格。他心里默默地想，此時(shí)此刻再來(lái)作什么改進(jìn)，當(dāng)然于事無(wú)補(bǔ)。但是，“亡羊補(bǔ)牢，猶未晚矣”，為下一次人口普查“未雨綢繆”的事，應(yīng)該早一點(diǎn)提到議事日程。想著想著，他隨手取過(guò)手搖計(jì)算機(jī)，“搖”出了更一個(gè)驚人的數(shù)字：到1890年，美國(guó)人口還將增加1200萬(wàn)，若按老辦法統(tǒng)計(jì)，即使再添加人手，沒(méi)有10年以上的功夫，是根本搞不出什么結(jié)果的。他們迫切需要一種機(jī)器，幫助完成繁重的統(tǒng)計(jì)制表任務(wù)。

霍列瑞斯1860年誕生于紐約州北部一個(gè)德國(guó)僑民家庭。他從小喜愛(ài)數(shù)學(xué)，一般人看來(lái)枯燥乏味的數(shù)字，他卻有濃厚的興趣。19歲那年，他從哥侖比亞大學(xué)礦業(yè)學(xué)院畢業(yè)，獲得博士學(xué)位。雖然學(xué)的是采礦專(zhuān)業(yè)，卻在人口調(diào)查局謀到了一份職位，充當(dāng)他老師特里布里奇的助手。調(diào)查局的工作性質(zhì)要求他“不僅掌握技術(shù)知識(shí)，而且經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的科學(xué)訓(xùn)練和具有敏銳的觀察能力”，而霍列瑞斯在大學(xué)里就承擔(dān)過(guò)研究課題，他特別注意理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)的結(jié)合，除掌握必修的物理、化學(xué)等課程，他也涉獵過(guò)幾何、制圖、測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析等各種知識(shí)。此外，他還經(jīng)常到工廠和商店考察和實(shí)習(xí)，接觸社會(huì)。這一切，都給他后來(lái)的生活帶來(lái)巨大的影響。

在人口調(diào)查局工作期間，發(fā)生了一件有趣的事情：霍列瑞斯愛(ài)上了一位名叫凱特·比林斯的漂亮姑娘。熱戀和求婚的過(guò)程，使他有機(jī)會(huì)接近凱特的父親——約翰·比林斯（J.Billings）博士，美國(guó)陸軍派往人口調(diào)查局主管衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)的軍醫(yī)。比林斯博士學(xué)識(shí)淵博，曾長(zhǎng)期擔(dān)任美國(guó)軍醫(yī)署署長(zhǎng)，主持制定了7種醫(yī)藥管理制度，親手創(chuàng)辦了世界上最大的醫(yī)藥文獻(xiàn)中心，擔(dān)任卡內(nèi)基協(xié)會(huì)主席長(zhǎng)達(dá)10年之久。盡管比林斯肩負(fù)重任，但他特別關(guān)心有才華的青年人，在與霍列瑞斯交往過(guò)程中，絲毫沒(méi)有“權(quán)威”派頭。

在一次交談中，兩人不約而同地提到人口普查統(tǒng)計(jì)機(jī)械化的問(wèn)題，也同時(shí)想到這種機(jī)器可以由杰卡德編織機(jī)改造而成。真可謂“英雄所見(jiàn)略同”，他們與巴貝奇的靈感同出一轍，都受到“穿孔紙帶”的啟示，只是霍列瑞斯和比林斯又向前邁進(jìn)了一步，他們提出：紙帶上的這些“小孔”不僅能控制機(jī)器操作的步驟，而且能用來(lái)運(yùn)算和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。德高望重的比林斯，后來(lái)謙虛地把全部榮譽(yù)歸功于青年人的創(chuàng)意，但霍列瑞斯堅(jiān)持認(rèn)為，比林斯在機(jī)器發(fā)明中發(fā)揮了最重要的作用：“他告訴我，機(jī)器完全可以承擔(dān)制表和其他統(tǒng)計(jì)工作。他的構(gòu)想是某種分布式的機(jī)械，采用卡片來(lái)儲(chǔ)存?zhèn)€人資料，這種卡片可以用小刀刻出槽口，槽口就是杰卡德的‘小孔’……”

得到比林斯的鼓勵(lì)，霍列瑞斯信心倍增，從此以全部身心投入到制表機(jī)的研制中。他設(shè)法弄到一臺(tái)杰卡德編織機(jī)，剖析它的構(gòu)造和原理。在此期間，他曾到麻省理工學(xué)院任教，一邊教書(shū)，一邊刻苦學(xué)習(xí)機(jī)械和電氣技術(shù)。為了掌握發(fā)明的技巧和熟悉專(zhuān)利法，霍列瑞斯還到一家專(zhuān)利事務(wù)所工作過(guò)一段時(shí)間。

霍列瑞斯最初設(shè)計(jì)的制表機(jī)，幾乎就是杰卡德編織機(jī)的“翻版”。將人口普查的數(shù)據(jù)制成“穿孔紙帶”沒(méi)有多大的困難，每個(gè)人的調(diào)查數(shù)據(jù)有若干項(xiàng)，諸如性別、籍貫、年齡等等，他可以把所有的調(diào)查項(xiàng)目依次排列，然后根據(jù)調(diào)查結(jié)果在每人的相應(yīng)項(xiàng)目位置上穿孔。例如，約翰先生是40歲的男性公民，就在“性別”欄目“男”的名下打個(gè)小孔，在“年齡”欄目“40”之下也打個(gè)小孔，如此等等。當(dāng)穿孔紙帶的欄目統(tǒng)統(tǒng)被打上小孔之后，它就詳細(xì)記錄了某一次調(diào)查的結(jié)果?；袅腥鹚乖谒膶?zhuān)利申請(qǐng)書(shū)里描述過(guò)這種方法：“每個(gè)人的不同統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目，將由適當(dāng)?shù)男】讈?lái)記錄，小孔分布于一條紙帶上，由引導(dǎo)盤(pán)牽引控制前進(jìn)。”

基于這種設(shè)想，1884年，霍列瑞斯制作完成了第一臺(tái)制表機(jī)。機(jī)器上裝備著一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)穿孔紙帶被牽引移動(dòng)時(shí)，一旦有孔的地方通過(guò)鼓形轉(zhuǎn)輪表面，計(jì)數(shù)器電路就被接通，完成一次累加統(tǒng)計(jì)。當(dāng)年，他把機(jī)器運(yùn)到巴爾的摩人口登記辦公室去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盡管存在著許多問(wèn)題，機(jī)器統(tǒng)計(jì)的先進(jìn)性還是受到人們的歡迎。

原始的制表機(jī)工作不太可靠，迫使霍列瑞斯繼續(xù)尋求改進(jìn)。問(wèn)題之一在于用“穿孔紙帶”輸入只能統(tǒng)計(jì)出總數(shù)，無(wú)法對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和修改，也無(wú)法重新登記。

那一天，霍列瑞斯乘火車(chē)出差到美國(guó)西部辦事，仍在苦苦思考改進(jìn)的辦法。他慢慢走向檢票口，從口袋里掏出火車(chē)票，低頭一看，一道靈感突然閃現(xiàn)，他頓時(shí)愣在那里。

檢票員不斷地催促：“先生，請(qǐng)您剪票！”

霍列瑞斯把車(chē)票遞上前，檢票員不耐煩地一把奪過(guò)去，只聽(tīng)“卡嚓”一響，屬于他“個(gè)人”的這張車(chē)票，當(dāng)即被“穿”了一個(gè)小孔?；袅腥鹚寡劬σ涣?，車(chē)也不上了，轉(zhuǎn)過(guò)身，居然朝車(chē)站大門(mén)口走去。

此時(shí)，他的腦子里不斷有個(gè)聲音在說(shuō)話(huà)：“一個(gè)人一張車(chē)票，車(chē)票就是每個(gè)人身份的個(gè)人記錄。”穿孔紙帶造成數(shù)據(jù)無(wú)法分類(lèi)的困難就這樣迎刃而解，解決的辦法竟然如此簡(jiǎn)單：“把連續(xù)的“穿孔紙帶”換成每人一張“穿孔卡片”，這是比林斯早就預(yù)言過(guò)的，我怎么就把它給忘記了呢？”

由于改用“穿孔卡片”輸入數(shù)據(jù)，霍列瑞斯把他的制表機(jī)做了較大的改動(dòng)。他用一種壓力裝置替代了牽引盤(pán)，數(shù)據(jù)卡片被夾在上下兩個(gè)壓力板中，下部壓力板靜止不動(dòng)，上部壓力板則帶動(dòng)卡片向前移動(dòng)。更為巧妙的設(shè)計(jì)在于“自動(dòng)統(tǒng)計(jì)”。改進(jìn)的機(jī)器有若干只盛滿(mǎn)水銀的小杯，穿好孔的卡片必須經(jīng)過(guò)水銀杯?？ㄆ戏接袔着啪恼{(diào)好的機(jī)針，連接在電路的一端，而那些水銀杯則連接于電路的另一端。當(dāng)機(jī)針遇到某張卡片有孔的地方，便自動(dòng)跌落下去與水銀接觸，把電流接通，啟動(dòng)旁邊的計(jì)數(shù)裝置前進(jìn)一個(gè)刻度。

統(tǒng)計(jì)分類(lèi)問(wèn)題解決之后，打孔的困難接踵而至。過(guò)去給穿孔紙帶打孔，他用的是一種小型手持式裝置，常常因用力過(guò)猛把紙帶打破；而改換較厚的卡片后，打孔卻變得非常費(fèi)力。為了做試驗(yàn)，霍列瑞斯幾乎每天都要不間斷地給許多卡片打孔。他的岳母回憶說(shuō)：“霍列瑞斯先生星期五從巴爾的摩回來(lái)，看來(lái)疲憊不堪。他說(shuō)每天都要處理1000張卡片，每張卡片至少要打一個(gè)孔?？蓱z的孩子只好親自動(dòng)手做完這一切，手臂疼得都抬不起來(lái)……”不久之后，當(dāng)霍列瑞斯再次回家，他告訴岳母，問(wèn)題已經(jīng)完全解決了，因?yàn)樗脑炝诉@種費(fèi)力的打孔裝置，設(shè)計(jì)出一個(gè)被他稱(chēng)為“縮放儀”的東西，即一種半自動(dòng)打孔機(jī)，大大提高了工作效率。他還高興地講，因?yàn)橛辛诵碌拇蚩自O(shè)備，他已經(jīng)雇傭了一些女職員來(lái)從事過(guò)去繁重的體力勞動(dòng)，平均每個(gè)人一天能輕松地處理700張卡片。以我們今天的眼光看，這些女職員可能就是世界上第一批“數(shù)據(jù)錄入員”。

霍列瑞斯的制表機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)可以經(jīng)受實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)了。1888年，這臺(tái)機(jī)器被比林斯介紹給一家軍隊(duì)醫(yī)院，用于醫(yī)藥資料的統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)獲得圓滿(mǎn)成功，還被送往巴黎國(guó)際博覽會(huì)展出。美國(guó)軍方對(duì)這種制表機(jī)大感興趣，向霍列瑞斯提供了資助，使他有了進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)器的財(cái)力，滿(mǎn)懷信心迎接人口普查的挑戰(zhàn)。

1890年，第12次人口普查即將開(kāi)始，人口調(diào)查局以向社會(huì)招標(biāo)的方式，征集計(jì)算設(shè)備和統(tǒng)計(jì)方案。前來(lái)應(yīng)征的共有三個(gè)人。霍列瑞斯的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是威廉姆·亨利和查爾斯·皮格金，其中，亨利還是人口調(diào)查局的頭頭。他倆提供的方案都是用有色卡片來(lái)記錄資料，以便于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型，但統(tǒng)計(jì)工作仍然靠手工完成。只有霍列瑞斯運(yùn)來(lái)了一套前所未有的自動(dòng)制表機(jī)。

招標(biāo)需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，以相同的數(shù)據(jù)完成統(tǒng)計(jì)任務(wù)，并根據(jù)時(shí)間快慢決定勝負(fù)。經(jīng)過(guò)數(shù)天的緊張“比賽”，結(jié)果已見(jiàn)分曉：錄入數(shù)據(jù)的過(guò)程，亨利和皮格金分別用了144小時(shí)和100小時(shí)，霍列瑞斯的機(jī)器只用了72小時(shí)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的過(guò)程，亨利和皮格金分別耗費(fèi)44小時(shí)和55小時(shí)，霍列瑞斯制表機(jī)再次奪冠，僅僅用了5小時(shí)28分鐘。制表機(jī)以無(wú)可置疑的優(yōu)勢(shì)，讓霍列瑞斯贏得了這個(gè)合同。

第12次人口普查共設(shè)立了235個(gè)調(diào)查點(diǎn)，動(dòng)用了超過(guò)5萬(wàn)人來(lái)負(fù)責(zé)組織登記和填寫(xiě)表哥。調(diào)查內(nèi)容也比往年增添加了許多，包括性別、婚姻狀況、有無(wú)孩子等40個(gè)項(xiàng)目，數(shù)據(jù)總量比1870年的普查增加了6倍以上。從正式登記日起，霍列瑞斯機(jī)器的速度和可靠性一直令人感到驚訝。每一臺(tái)制表機(jī)都連接著40臺(tái)計(jì)數(shù)器，處理高峰期，一天能統(tǒng)計(jì)2000～3000個(gè)家庭數(shù)據(jù)，總共處理的人數(shù)達(dá)到600萬(wàn)人。在霍列瑞斯制表機(jī)支持下，第12次人口普查的統(tǒng)計(jì)工作僅用了6個(gè)星期時(shí)間，其中一部分時(shí)間還被用來(lái)處理上次普查的遺留問(wèn)題。這種制表機(jī)為人口調(diào)查局節(jié)省了約500萬(wàn)美元費(fèi)用，是霍列瑞斯本人估計(jì)的10倍。人口調(diào)查局在報(bào)告中寫(xiě)道：“用這種機(jī)器，在不增加費(fèi)用的前提下，過(guò)去許多無(wú)法編制的表格現(xiàn)在都有可能統(tǒng)計(jì)出來(lái)了。”

霍列瑞斯獲得了巨大的成功，也使他看到了一個(gè)有巨大前景的市場(chǎng)。1896年，他趁熱打鐵創(chuàng)辦了一家專(zhuān)業(yè)制表機(jī)公司，影響力甚至擴(kuò)大到俄羅斯、加拿大和挪威等國(guó)。然而，統(tǒng)計(jì)學(xué)家畢竟缺乏經(jīng)商才干，他的公司不久便因資金周轉(zhuǎn)不靈陷入窘境，只好任別人收購(gòu)。經(jīng)過(guò)幾次改組，這家公司最終發(fā)展為著名的國(guó)際商用機(jī)器公司（IBM公司）。

雖然霍列瑞斯的發(fā)明并不是通用計(jì)算機(jī)，除了能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制造表格外，制表機(jī)幾乎沒(méi)有別的什么用途，然而，制表機(jī)的穿孔卡第一次把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制信息。在早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里，這種用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)的方法，一直沿用到20世紀(jì)70年代，數(shù)據(jù)處理也發(fā)展成為電腦的主要功能之一。

1923年，霍列瑞斯博士出版了關(guān)于計(jì)算機(jī)的著作，對(duì)計(jì)算機(jī)未來(lái)做出了許多正確的預(yù)見(jiàn)，為穿孔卡計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。為此，他還獲得了西方好幾個(gè)國(guó)家的近50項(xiàng)專(zhuān)利，幾乎壟斷了這一領(lǐng)域的全部發(fā)明權(quán)，并使他躋身于“數(shù)據(jù)處理之父”的行列。