中国计算机学会通讯—普适计算

普适计算：营造以人为本的信息服务新环境

特约编辑：史元春计算和通信技术的迅速发展，使计算机已经远远超出了其传统上的作用，而不仅仅作为实验室中科学计算的工具，计算机正以多种形态存在于我们的生活空间，并发挥其信息处理、存储、通信的作用。计算已经从一种稀缺独特的资源，演化为丰富平常的资源。目前，计算机的一项主要任务就是帮助提高人们日常工作生活的质量。因此，如何使计算和通信无所不在并成为普通用户都能方便享用的服务，成为研究者所关注的课题，即Pervasive Computing。这个概念的中文译法很多，有普及计算、泛在计算、无所不在的计算、普适计算等，其中“普适计算”得到普遍认可。

从字面看，普适计算可以解释为计算的普及性和适应性。前者指网络互联的计算设备以各种形式形态渗透到人们的生活空间，成为人们获得信息服务的载体——即信息空间普遍存在；后者指信息空间能以适合用户的方式提供能适应变化的计算环境的连贯的信息服务——即信息服务方便适用。普适计算的目标就是：在计算和通信无所不在的基础上，建立以人为中心的计算环境。普适计算有时也被称为Ubiquitous Computing、Proactive Computing和Calm Computing等，其理念都是创造一个以人为本的信息服务新环境。

普适计算力图将以计算机为中心的计算、转变为以人为中心的计算。这种转变将极大地促进信息技术在全社会的普遍应用，具有重要的战略意义。从20世纪90年代后期开始，世界各先进国家看到了数字技术将对未来社会生活产生革命性的影响，纷纷投入大量资源，在该领域展开深入的研究。普适计算研究具有重要的理论意义和很高的产业价值。

普适计算引发了对一种全新计算模式的探索，具有鲜明的交叉学科的特点。即便仅考虑计算机学科的问题，也涉及几乎整个学科的各个层面。

本组文章的作者都是2005年6月新成立的中国计算机学会普适计算专业委员会的委员，他们有着不同的学科背景，将从不同的侧面为读者展示普适计算的美好前景和他们正在努力探索的实现技术。根据文章重点讨论问题的不同，这8篇文章组织为“资源共享”、“设备便利”、“模式革新”、“标准铺路”等4个主题展现给大家。

“资源共享”的两篇文章来自中国工程物理研究院的李幼平院士和华中科技大学的金海教授。他们指出，基于网格的计算，可使得整个社会可以获得像电力网络传电一样传输计算和信息，于是，信息服务的无所不在将成为可能；进一步地，网格还将连接普适计算环境中大量的智能移动终端和智能空间，主动向用户提供合适的信息服务。我们可以看到，如果说

网格技术的发展为未来信息社会提供了取之不尽的、用于信息处理的智力资源，那么普适计算技术则是这一智力资源得以充分展现、并充分发挥作用的手与脚。

“设备便利”的两篇文章来自浙江大学的吴朝晖教授和清华大学的史元春教授。普适计算时代的用户计算设备将大大超越台式机的形式，用户终端缤纷多样，计算、通信和传感功能将更多地嵌入到日常用品中。曾经虚无的信息空间和我们生活的物理空间将越来越无缝地耦合在一起。两位作者分别阐述了普适计算的两类典型用户终端——智能手机和智能空间的特征、以及需要研究的关键问题。

“模式革新”的三篇文章来自清华大学的张尧学教授、中科院计算所的朱珍民教授和中科院软件所的戴国忠研究员。继主机时代、桌面时代之后，普适计算往往被称为计算技术的第三次革命。根据用户终端的小型化、移动化、个性化的需要，计算模式的革新势在必行。张尧学教授和朱珍民教授分别给出了“透明计算”和“智能网络应用协议”的解决方案。另一方面，许多学者一直在探索用户使用计算设备模式上的革新，希望建立超越键盘鼠标使用模式的自然用户界面，戴国忠研究员给我们展示了笔式交互的使用模式和支持技术。

“标准铺路”的一篇文章来自联想研究院。普适计算理想化的信息服务最终要通过各种各样的信息设备来实现，设备之间信息互换的标准化是普适计算从概念到产品和社会服务的必由之路。在我国，由联想牵头的“闪联”已经开始为普适计算铺设标准方面的道路。从这篇文章中读者可以具体了解到闪联标准体系。

由于准备时间和刊物篇幅所限，本组文章并没有给出普适计算研究领域的完整面貌，为此，我们整理了《普适计算中的科学问题》和《普适计算的典型项目》两个知识窗口，作为读者进一步了解的索引。

普适计算中的科学问题

史元春普适计算的目标就是在计算和通信无所不在的条件下建立以人为中心的计算环境。首要解决的本质问题是以人为中心的计算模式，即自上而下地构筑自动适应用户及其任务需要的计算体系。需要研究如下科学问题：

情境感知问题

普适计算面对的计算结点是异构的，而且是在动态、分布和移动的环境中。为了在这样的环境中提供适时适地的服务，首先要了解计算环境与交互状态的知识，即情境或上下文

（context）。需要研究情境信息的采集、建模、推理和服务等多个层次的问题。情境感知，尤其是获得计算环境的高层语义是计算系统具有自适应能力的必要基础。

服务移动问题

支持用户移动是普适计算的基本观点，它要求实现用户任务的无缝移动。移动计算的研究已经解决了部分由于物理环境（如网络移动等）所造成的问题。用户在丰富且异构的计算世界中移动所带来的诸如代码移动、计算移动以致服务移动等情况，使得对这个问题的研究复杂化。目标是，在不需要用户参与的情况下，自动实现系统功能的重构和用户任务的无缝迁移。服务移动（service mobility）是普适计算的典型特征。

自发交互问题

自发（spontaneous）意味着无约束、非强制和无须学习。自发交互就是用户能够以第一类的自然数据（语言、姿态和书写等）与计算系统进行交互。除了多模态接口技术本身，还需要研究自发交互的模型、通道无关的交互语义、融合策略和交互效能评价机制。自发交互是普适计算脱离桌面计算交互模式束缚的关键问题。

普适计算的典型项目

金海普适计算现在已经成为一个研究热点，许多著名的科研机构和公司都已经将其列入了研究计划，下面介绍一些比较有代表性的研究和工程项目。

MIT的Oxygen研究计划

在美国国防部DARPA资助下，该计划由MIT计算机科学实验室和人工智能实验室主持，于2000年开始实施。它是追求普适计算理想的一个最为典型的研究计划。其目标是：让人们像呼吸空气一样自由地使用计算和通信资源（Bringing abundant computation and communication, as pervasive and free as air, naturally into people's lives）。该计划的研究人员认为，未来世界将是一个到处充斥着嵌入式计算机的环境，这些计算机设备已经融入了人们的日常生活中，见图1。Oxygen第一个原型将于2005年完成，可能的应用如实地旅游、商务会议和老年人的守护神等。

图1 Oxygen规划的未来计算环境

卡内基梅隆大学的Aura研究计划

该计划致力研究在普适计算时代，在用户和计算环境之间增加一层软件层（称为Aura），由Aura代理用户去管理、维护分布式计算环境中频繁变化、松散耦合的多个计算设备，以完成用户的目标任务。图2是Aura研究计划的架构。

图2 Aura研究框架

加州大学伯克利分校的Endeavour计划

该计划旨在通过运用信息技术，提供全新的、全球规模的信息基础设施，从根本上方便人与人之间、以及人与信息、人与设备进行交互的计划。这些信息设施应该能够动态、实时地协调世界上任何可用的资源来满足用户计算的需要。其创新点之一是“流体软件”（Fluid Software），这种软件能够自适应地选择在何处执行、在何处存储，它通过协议获得可用资源并向其他实体提供服务。

伊利诺斯大学的Gaia项目

该项目将传统的计算机系统延伸到各种设备以及围绕机器的物理空间。这样虚、实两种对象可以无缝交互，物理空间成为交互空间或称活动空间（Active Space），也就是建立起一种新的物理空间环境，作为虚、实对象之间间隙的桥梁，并将这种物理环境带入日常生活与工作中，图3为其架构示意图。

图4 Gaia架构示意图

IBM公司Watson研究中心的DreamSpace项目

该项目允许用户在共享空间合作。系统可以“听”声音命令，“看”手势和身体位置，像人那样进行人机交互。计算机能理解用户，用户可以自由地专注于对实际对象和信息进行理解和思维，而最小程度地被计算机所限制和分散精力。目前该系统使用用墙面大小的三维图像和声音完成人机交互，但没有键盘、鼠标、导线、遥控器等，其系统示意图见图4。

图5 DreamSpace系统示意图

微软公司的EasyLiving项目

该项目计划建立智能环境，方便人与人、计算机和设备的交互，使人们更方便地使用计算机。未来的居家和办公室里，计算机就像电灯一样自然。通过计算机视觉，保持跟踪人、响应声音和手势命令。计算机知道自己所处的几何空间和能力，并便于扩展。这种系统有三个特征：自我感知的空间、随意访问和可扩展性。图6为EasyLiving系统的组成。

图6 EasyLiving系统的组成