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标题: 以人为中心—普适计算带来的应用变革（1） [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 09:20
标题: 以人为中心—普适计算带来的应用变革（1）
20年前，计算机还是贵重的科学仪器，安装在洁净的机房并有专人负责管理。如果要上机，你需要换上白大褂和拖鞋，小心翼翼地敲键盘输入程序代码，然后耐心地等待运行结果。10年前，PC的普及使计算机的应用迈进了一大步，我们可以在办公室、在家里、甚至在旅途中使用计算机。但这离人类的理想还有很大的距离，我们仍然是在主动地“使用”计算机，必须去安装、配置和管理它们，基本上，计算机还是一种生产工具，与我们的生活还存在很大的距离。
      今天，社会信息化的飞速发展已经使我们的工作和生活发生了深刻的变化，工作、学习、甚至日常生活都与计算机紧密相连。看看典型的都市白领装扮：手里拎着笔记本电脑、包里带着“商务通”和手机，用计算机工作、上网、玩游戏已经成为日常生活中不可或缺的部分。但这还远远不够，人类的理想是让计算机无处不在，成为能自觉、主动地为人们服务的“仆人”，这就是普适计算要解决的问题。
      作为新一代计算模式，普适计算面临着许多新技术的挑战。本期专题从普适计算要解决的关键问题入手，介绍普适计算模式涉及的各种研究课题、面临的问题、目前的研究状况以及未来的发展。除此之外，本期专题还特别介绍了普适计算对未来人类生活的影响。
      本期专题由清华大学计算机系人机交互与媒体集成研究所的专家们撰写，该研究所是国内较早开展普适计算研究的单位，并且取得了一定的成果。
本期专题由以下四篇文章组成：
1．普适计算——下一代计算模式
2．普遍访问——让信息“唾手”可得
3．无缝移动——为您提供永不间断的服务
4．未来的幸福生活——普适计算时代的“智能家居”生活

1、普适计算——下一代计算模式
      计算模式（Computing Paradigm）对计算技术的发展有着至关重要的作用。综观计算机进入人类社会的历史，我们可以清楚地发现，计算模式已经经历了主机计算（Mainframe Computing）和桌面计算（Desktop Computing）两个时代。
      在主机计算时代，计算机是稀缺的资源，人与计算机的关系是多对一的关系，计算机安装在为数不多的计算中心里，人们必须用生涩的机器语言与计算机打交道。此时，信息空间与我们生活的物理空间是脱节的，计算机的应用也局限于科学计算领域。
      20世纪80年代，PC开始流行，计算模式也随之跨入桌面计算时代。这时，人与计算机的关系演变为一对一的关系。随后，图形用户界面和多媒体技术的发展使计算机使用者的范围从计算机专业人员扩展到其他行业的从业人员和家庭用户，计算机也从计算中心步入办公室和家庭，人们能够方便地获得计算服务。现在，伴随着人类社会进入21世纪的脚步，计算模式也开始跨入普适计算时代。
新模式、新应用
      随着计算机及相关技术的发展，通信能力和计算能力的价格正变得越来越便宜，所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算／联网设备蓬勃发展;同时由于人类对生产效率、生活质量的不懈追求，人们开始希望能随时、随地、无困难地享用计算能力和信息服务，由此带来了计算模式的新变革，这就是计算模式的第三个时代——普适计算（Pervasive Computing或Ubiquitous Computing）时代。
      在普适计算时代，各种具有计算和联网能力的设备将变得像现在的水、电、纸、笔一样，随手可得，人与计算机的关系将发生革命性的改变，变成一对多、一对数十甚至数百，同时，计算机的受众也将从必须具有一定计算机知识的人员普及到普通百姓。计算机不再局限于桌面，它将被嵌入到我们的工作、生活空间中，变为手持或可穿戴的设备，甚至与我们日常生活中使用的各种器具融合在一起。此时，信息空间将与物理空间融合为一体，这种融合体现在两方面：首先，物理空间中的物体将与信息空间中的对象互相关联，例如，一张挂在墙上的油画将同时带有一个URL，指向与这幅油画相关的Web站点;其次，我们在操作物理空间中的物体时，可以同时透明地改变相关联的信息空间中对象的状态，反之亦然。
      早在20世纪90年代中期，作为普适计算研究的发源地，Xerox Parc研究室的科学家就曾预言普适计算设备（智能手机、PDA等）的销量将在2003年前后超过代表桌面计算模式的PC，这一点已经得到了验证。据IDC统计，2001年美国和西欧的PC销量已经开始进入平稳期，甚至开始下滑，而在同期，手机、PDA的销量却大幅度攀升，在很多国家，手机的拥有量已经超过了PC。
新技术、新挑战
      每一种计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展。主机计算模式促进了分时操作系统的发展；而桌面计算模式则带动了个人操作系统、图形用户界面、多媒体等技术的发展。同样地，普适计算势必要求发展与其相适应的计算机科学理论和技术，而这绝不是对目前桌面计算模式孕育的现有理论和技术的简单线性扩展，因为现有的计算机技术还存在一些不足，因此难以满足普适计算模式的要求。
不足之一:以计算机为中心而不是以人为中心。
      在桌面计算模式下，计算机占据主导地位，从某种程度上说，人是计算机的“仆人”，这主要表现在以下三方面：第一，人必须主动使用计算机才能获得计算和信息服务；第二，人机之间的交互方式更适合机器而不是人;第三，人必须处理各种计算任务的细节才能获得所需结果，比如配置软件、硬件、记住数据的存放地点等。
      然而，在普适计算时代，这种人机关系将是不可忍受的，因为到那时，人很可能需要同时面对数十台计算设备，如果每台机器都需要人投入如此多的精力，那么人的注意力将完全被计算设备而不是要完成的任务所占据。要知道，人的注意力与计算资源不同，它不受摩尔定律的支配，所以在普适计算时代，人的注意力将成为计算机科学需要关注的稀缺资源。计算机科学需要研究如何实现人机关系的逆转，使计算机真正成为人的“仆人”。
不足之二：计算资源是私有的，而不是共享的。
      在桌面计算模式下，用户与计算机是一对一和直接占有的关系。此外，一台计算机的计算环境（所连接的设备、可利用的服务）是事先绑定和固定的，由此发展起来的各种计算机技术也都以此为隐含假设。而在普适计算模式下，计算资源和各种设备将趋向于公用和共享化，就像放在办公室里的纸和笔一样，谁都可以拿起来就用。为了充分地利用这些无所不在的服务和资源，计算机科学必须建立与之相适应的新计算环境模型，这种模型没有固定形态和边界，可以随着用户所在环境中可利用设备和服务的变化而动态调整，同时又能保证安全性和私密性。
不足之三：计算是固定的，而不是随时可移动的。
      移动性的提高是人类文明进步的重要标志，但目前的桌面计算模式对移动性的支持甚少。这包括缺乏对任务上下文在不同计算环境中迁移的支持，以及缺乏对网络条件、计算能力、输入输出能力的变化和差异的处理机制。例如，尽管用户在办公室有一台PC、家里有一台PC和一台Pocket PC，但如果希望能在上下班的过程中连续地完成一个任务，却是一件十分困难的事情，它需要用户自己去关心网络配置、应用程序的启动／关闭、数据文件的拷贝或网络映射等底层细节。因此，为了满足普适计算的要求，真正实现任何地点、任何时间、任何设备访问任何服务和信息，就应把移动性作为一个基本因素进行考虑。
不足之四：应用程序缺乏互通性。
      在程序中，功能层往往被隐藏在表示层之下，没有直接的对外接口，应用之间缺乏互相发现和利用其他应用程序的功能和服务的机制。为了完成一个任务，用户往往需要在多个设备上启动多个应用，然后分别与它们进行交互，以便把它们组织到一个工作流中，这种模式不适合普适计算。为了充分利用无所不在的计算资源和服务，应用程序在开发时就必须考虑到与其他应用程序和服务的交互，Sun公司的科学家曾预言：“在普适计算时代，计算实体（设备、对象、服务、代理）之间自主的交互将超过由人直接驱动的交互，成为Internet上的主要数据流。”
新课题、新机会
      简单地对桌面计算模式下的理论和技术进行线性扩展已经不能满足普适计算模式的要求，必须建立一整套与之相适应的计算理论和技术，包括硬件、网络、中间件、人机交互、应用软件等。通过国际上各研究团体几年的探索，普适计算模式中一些关键性的研究课题已经逐渐明确，包括以下一些：
课题一：开发针对普适计算的软件平台和中间件
      主机计算时代研究的重点是多人如何共享一台计算机，如分时操作系统技术等；进入桌面计算时代，研究的重点转为桌面操作系统、多媒体技术等；而在普适计算时代，人们关注的是如何让多个计算实体（进程或设备）互相协作，共同为人类提供服务。屏蔽计算任务是由哪个计算实体具体执行的细节而展现出一个统一的服务界面，这是支持普适计算的软件平台和中间件研究要完成的任务。具体来说，这方面的研究内容包括：服务的描述、发现和组织机制、计算实体间通信和协作的模型、开发接口等。相应的研究项目和实验系统有MIT人工智能实验室的MetaGlue、CMU的Aura、UIUC的Gaia OS、Microsoft的In Conert等
课题二：建立新型的人与计算服务的交互通道
      在桌面计算机时代，桌面计算机是人进入信息世界获取计算服务和信息服务的惟一途径;而在普适计算时代，人与计算服务的交互通道将变得更加多样化、透明和无处不在。例如，“可穿戴计算”提出把计算设备和交互设备穿戴在身上，如此一来，人们就可以随时随地获得计算和信息服务，这对于在各种复杂和未知环境中工作的人来说是十分有用的。而信息设备（Information Appliance）的研究则通过在日常生活中的各种器具中嵌入与其用途相适应的计算和感知能力，使我们在使用这些器具时可以直接获得计算服务，而不必依赖桌面计算机。这方面的例子有IBM研究的可以数字化和存储手写资料的记事本、MIT媒体实验室研究的Things That Think等。交互空间的研究则试图把计算和感知能力嵌入人们的生活和工作环境中，使人可以不必离开工作和生活的现场，也不必佩带任何辅助设备就可以通过自然的方式（如语音、手势等）获取计算服务，同时环境也可以主动地观察用户、推断其意图而提供合适的服务，这就是所谓的“伺候式（Attentive 或 Proactive）服务”。这方面的研究项目有MIT人工智能实验室的Intelligent Room、微软的Easy Living、乔治亚理工大学的Aware Home等。
课题三：建立面向普适计算模式的新型应用模型
      当一个人需要面对多个计算实体的时候，人的注意力就成为最重要的资源。在这种情况下，如果各种应用还是延续桌面计算下的模型，这些应用模块的启动、连接、配置、基于GUI的对话本身等就会耗费大量的注意力资源，从而降低人的工作效率。所以我们必须建立新的、关注人的注意力资源的应用模型。为此，研究者们提出了感知上下文（Context -Awareness）的计算、无缝移动（Seamless Mobility）等概念。
      上下文在人与人的交互过程中扮演着十分重要的角色，它可以大大提高交互的效率和准确率。在目前的桌面计算模式中，应用程序很难获得关键的上下文因素，诸如用户是谁、用户的喜好、用户在做什么、用户现在所处的位置和场合等，因此这些应用基本上不考虑上下文因素。但在普适计算模式下，无处不在的传感器和感知模块完全可以提供这些上下文信息，而支持普适计算的软件平台也使得这些信息的发布和获取变得十分容易，这就为开发感知上下文的应用提供了可能。该领域的研究课题包括上下文的表示、综合、查询机制以及相应的编程模型。无缝移动重点关注的是如何使人在移动中可以透明、连续地获得计算服务，而无需频繁地配置系统。普适计算的基础设施为此提供了一个很好的基础，例如，用户手持设备可以通过与用户所处的交互空间的交互获得该空间中可以使用的服务列表以及用户的移动位置等信息。
课题四：提供适合普适计算时代需求的新型服务
      在普适计算时代，由于计算资源、网络连接和人与计算服务的交互通道变得无所不在，因此我们可以提出一些在桌面计算时代无法实现的新型服务。例如，有人提出了“移动会议（Mobile Meeting）”概念，即一个项目组的讨论可以不局限于一个固定的地方，而是可以通过各种手持设备或交互空间来随时随地地举行。还有人提出“灵感捕捉（Notion Capture或 Experience Capture）”概念，即我们可以随时随地把我们脑海中闪现的灵感火花或我们经历的事件（如一堂课、一次会议）快速和方便地记录下来，并在以后根据时间、地点、参加者和场景等上下文线索进行快速检索。此外还有“普遍交互（Universal Interaction）”概念，即所有家电的控制都可以通过基于Web的界面来完成，这样人们就可以随时随地对家里的设备进行操作。在去年召开的UbiComp 2001会议上，人们提出了许多类似的新型应用服务，展现了普适计算时代计算机技术广阔的应用前景。
      除以上研究领域外，国际上针对普适计算的研究还包括“游牧计算（nomadic computing）”、“平静计算（calm computing）”、“日常计算（Everyday computing）”等。
      很显然，普适计算已经成为继桌面计算后的又一次新浪潮。欧美各国的学术界、政府和IT业界也都已高瞻远瞩地投入了巨大的力量进行相关研究。变革就是机遇，我国的计算机科学界和IT产业界有必要也完全可能在此领域开展研究，以便在普适计算时代到来时掌握主动。
      清华大学计算机系从1999年开始对该领域进行探索，并结合中国的具体国情，提出了以研究普适计算在工作空间和远程教育中的应用为依托的思路，在交互空间、交互空间的软件平台、感知上下文的计算等领域开展了相应的研究，并取得了初步的成果，开发出了可以融合远程教育和课堂教育的Smart Classroom系统以及面向交互空间的软件平台Smart Platform。
小资料
普适计算的起源与发展现状
      普适计算的思想最早由已故的前Xerox PARC首席科学家Mark Weiser在1991年提出。这一思想从20世纪90年代后期开始得到广泛关注和接受，许多相关的研究计划纷纷启动，目前已成为国际上一个蓬勃发展的研究热点。目前，推动普适计算研究的力量来自三个方面：学术界、政府部门和产业界。
一、学术界：积极开展相关研究
1．以普适计算为背景的研究计划广泛开展
      从20世纪90年代中后期开始，绝大多数美国和欧洲的知名大学和研究所都启动了相关的计划。美国的MIT、CMU、Stanford、UC Berkeley、UIUC、GIT，德国的GMD、University of Karlsruhe，英国的Cambridge、Lancaster等都开展了相关的研究。
2．相关学术会议大量召开
      目前已经形成了每年召开的两个国际会议系列，即1999年开始的UbiComp会议和从2000年开始的Pervasive Computing会议。此外，在20世纪90年代中期，其他各种形式的普适计算会议也已经召开了数十个，其中一部分以Workshop的形式在一些重要的学术会议上召开，如伴随CHI 97召开的“Ubiquitous Computing: The Impact on Future Interaction Paradigms and HCI Research”。

3．学术刊物广泛发行
      国际上目前已经发行了两种专门针对普适计算的期刊，即1997年创刊的《Personal and Ubiquitous Computing》和2001年创刊的《IEEE Pervasive Computing》。其他一些重要期刊也发行过相关的专刊，如1999年的《IBM Systems Journal Special Issue on Pervasive Computing》，2001年的《Special Issue of IEEE Personal Communications on Pervasive Computing》等。
二、政府部门：提供广泛支持
      美国的DARPA、NSF、NIST都对普适计算研究提供了资助， DARPA专门设立了Ubiquitous Computing科目并资助了5个相关研究计划，分别是MIT的Oxygen、CMU的Invisible Computing（Aura）、OGI和GIT的InfoSphere、UC Berkeley的Endeavor和University of Washington的Portolano。在欧洲，由政府部门资助的项目有European Commission下IPTS资助的Ubiquitous Computing in Europe 计划、英国EPSRC资助的Equator计划等。
三、产业界：热情高涨
   20世纪末IT业突显的疲软使IT巨头们认识到桌面计算已经进入了发展的平稳期，促进产业继续发展的希望就落在普适计算上。因此，IBM、微软、Sun、HP、AT&T、Sony、Accenture等公司纷纷投入巨资开展普适计算方面的研究。其中，IBM是普适计算的积极鼓吹者，其属下的研究院专门开展了相应研究，普适计算的概念甚至已经进入该公司的产品营销层面。微软研究院也开展了Easy Living计划，研究普适计算的关键问题和应用，比尔·盖茨本人也多次声称：“PC时代仅仅是人类数字时代的摇篮期，未来将出现各种各样的数字和计算设备。”另外，美国也已经出现了许多以普适计算中的关键计算技术为依托的新兴计算机公司。

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