無所不在的普適計算

隨著計算機、通信、網絡、無線、微電子、集成電路等技術的發展，信息技術的硬件環境和軟件環境已經發生了巨大變化。從硬件上看，數據傳輸的物理介質從有線發展到無線，從固定發展到移動，通信變得越來越方便，逐漸打破時空的限制。計算機網絡正在形成以互聯網為核心，以多種無線網以及移動網為接入的更加廣泛的異構集成網絡。計算機網絡協議功能更強，正在滿足不同數據通信特點的應用(如ATM等)，而且IPv6的應用會大大增加網絡地址范圍，在可預見的未來可為每個設備提供網絡地址。從網絡帶寬上來看，有線主干網逐漸采用光纖，802.11、Bluetooth逐漸成為無線局域網的常用標準，移動網正在向3G、4G甚至5G演變。這些情況表明，一種高帶寬、覆蓋全球的統一網絡正在形成，這里稱為普適網絡(Ubiquitous Network)。這種網絡可允許任何具有IP地址的設備上網，任何上網設備都可享受網絡服務。從終端的發展情況來看，低功耗處理器和存儲設備集成度的大大提高使得計算機的體積和重量越來越小，出現了功能強大的PDA。微電子和集成電路對無線的支持使得無線模塊開發越來越容易，其結果是出現了各種高性能的PDA手機，而且PDA手機的軟件逐漸采用功能強大的嵌入式操作系統，如摩托羅拉的6388操作系統即將采用Linux，諾基亞等一些廠商已經采用WinCE操作系統，許多微機的應用軟件正在向PDA手機移植。

　　普適計算(ubiquitous/pervasive computing)的思想由Mark Weiser在1991年提出，并從上個世紀90年代后期開始受到廣泛關注，目前在國際上已發展成為一個研究熱點。清華大學計算機系從1999年開始此項研究，于今成果不斷。研究的意義在于應用。那么，普適計算的真正應用離我們還有多遠呢?筆者認為：“樂觀的估計大約是5年左右的時間?！蹦敲?，現在是否到了為迎接普適計算時代的來臨做些準備的時候了?

　　PC的困境

　　計算機給人們帶來了許多好處：上網、收發電子郵件、看DVD和聽音樂等。此外它還能干啥?相信許多人都有這樣的體驗：就易用性而言，移動電話比計算機更受歡迎。因為移動電話具有可移動性，而計算機則不然。除了筆記本電腦、PDA等少數移動產品外，PC通常都是固定的。在經歷了一段較長時期的美好時光后，以PC為代表的桌面計算正在面臨著諸多困難，這已經從PC的銷售額上體現了出來。如何使計算機的發展走出目前的困境?顯然，單純地提高計算能力和降低價格都不是解決問題的根本方法。

　　普適計算是解決問題的根本

　　筆者認為，要想從根本上解決問題，目前最需要的是革新計算模式，也就是要大力推廣普適計算。普適計算被認為是一種能包含各種設備(計算機、汽車、娛樂設備和信息設備等)的計算模式。 　　在普適計算時代，計算機主要不是以單獨的計算設備的形態出現，而是采用將嵌入式處理器、存儲器、通信模塊和傳感器集成在一起，以信息設備(information appliances)的形式出現。這些信息設備集計算、通信、傳感功能于一身，能方便地與各種設備(包括日常用品)結合在一起。不僅如此，信息設備還可以非常廉價地通過無線網絡與互聯網連接，并按照用戶的個性需求進行定制，以嵌入式產品的方式呈現在人們的工作和生活中——或者是手持的，或者是可穿戴的，甚至是以與人們日常生活中所碰到的器具融合在一起(想像一下你拿在手里看的書正從網上下載信息時的情景)的多樣形式體現。結果是，由通信和計算機構成的信息空間將與人們生活和工作的物理空間融為一體。

　　物理空間中的物體將與信息空間的融合

　　這種融合體現在兩個方面。首先，物理空間中的物體將與信息空間中的對象互相關聯。比如，一張掛在墻上的油畫將具有一個URL指向這幅油畫相關的Web站點。其次，我們在操作物理空間物體的過程中，可以同時透明地改變相關聯的信息空間中對象的狀態。反之亦然。比如寫在紙上的字可以立即被數字化和記錄下來。同桌面計算的進步一樣，伴隨著人與計算機的關系，以及信息空間與物理空間的關系在普適計算模式下的變革，計算機也將在人類的生產和生活的各個領域中尋找到新的應用?；蛟S有一天，你家的虛擬助理可以回答你，“我把我的鑰匙擱哪兒了”。那時，計算機將成為像水、電和空氣那樣必不可少的生活要素。

　　“透明”的服務

　　在普適計算建立的這個融合空間中，人們可以“隨時隨地”“透明”地獲得數字化的服務。其中“隨時隨地”是指人們可以在工作和生活的任何現場獲得服務，而不用離開現場端坐在計算機前。這也是在英文中普適計算一詞的含義所在——“無所不在”?！巴该鳌笔侵斧@得這種服務的方式十分輕松自然--這種服務的訪問方式甚至可以在用戶沒有覺察(conscious less)的情況下由系統主動提供。目前，在不少嵌入式計算系統中已能提供了這樣的服務。一個應用實例是汽車上的ABS(Anti-skid Brake System)防滑剎車系統。ABS的作用是防止汽車在濕滑的路面上剎車，或在突然剎車時發生車軸死鎖現象。汽車電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)中的嵌入式處理器，通過檢測車輪和車身的速度來監控和預計是否會出現車軸死鎖的危險，并通過調節剎車的壓力來自動地避免出現死鎖。在此過程中，用戶可能完全沒有覺察，而是由處理器自行預計情況和主動提供服務。未來世界中將會有越來越多的計算設備存在于人們的周圍，難以或幾乎不可能由人來與這些計算設備交互或進行管理?！巴该鳌睂⑹侨藱C交互必不可少的屬性。從某種意義上說，計算機好像隱身了--這是普適計算最重要的特征。

　　普適計算技術正在越來越多的領域得到“無所不在的應用”，例如CRM、ERP以及數據倉庫等。

　　應用前景

　　· 智能灰塵

　　智能灰塵(smart dust)項目研究在科學和工程上的目標，是為了驗證是否能將完整的傳感、通信系統集成在1立方毫米的體積內。據美國加州大學Berkeley分校研究組提交的報告，1999年利用市場上的現有產品，可在5立方毫米內裝上溫度、濕度、大氣壓力、光強、傾斜、振動和磁場傳感器、雙向無線電通信、微處理器控制器和電池。通信距離可達20米。電池的壽命在連續工作情況下是一個星期，在1%工作周期情況下是兩年。預計在未來5年內，在相同性能條件下，這種集成的體積可縮小到1立方毫米。由于智能灰塵的體積小，且具有傳感和通信的功能，因此潛在的應用領域十分廣泛，其中包括完成各種監控任務。比如可以用于在戰場上實施監控，對產品庫存全程監控：通過產品的包裝盒→包裝箱→貨車→倉庫→互聯網的通信，企業可在任何時間和地點了解產品所處的位置以及是否安全等。這種監控功能在對病人和老年人的生活護理方面也有廣泛的應用，預計到2010年左右這種產品會大量面市。

　　· 普遍信息訪問

　　普遍信息訪問就是使用戶能夠在任何時間和地點，以任何方式訪問到他們認為有用的信息。由于普適計算系統中的信息設備可隨身攜帶，因此當這樣的設備進入到新環境中時，它能自動地發現環境中可用的資源和服務，并與它們進行交互，從而給用戶提供方便的服務。例如，當用戶在外參加會議時，臨時需要打印攜帶在掌上電腦中的文件，這時用戶希望能利用與會議場所最近的那臺打印機。普適計算中的普遍信息訪問機制，就能自動地找到這臺打印機并最終完成打印。在2008年北京奧運會的信息服務中，如果能夠利用這樣的機制，參觀者就可以利用自己攜帶的設備(比如移動電話)中存儲的節目單來點播自己喜愛的體育項目，并在場館裝備的顯示設備上觀看了，非常個性化。

　　· 無紙票據跟蹤

　　在貨物發送系統中，現有的基于紙質票據的工作系統不僅需要的人力多，而且容易出差錯。比如司機要給客戶送貨，于是他填寫了紙質的貨物發送日程單和載貨單，同時攜帶需要客戶簽名的發票。當司機離開后，相關人員將這些紙質票據進行掃描并輸入到企業的圖像系統，以供將來證明這批貨物已經發送之用。但是由于存在紙質票據丟失的可能性，因此難以有效評價司機的工作績效。比如發生這樣的事情——客戶的庫存清單系統中沒有反應出貨物是否發送，或者客戶聲稱他們沒有接收到貨物，結果很可能是重復發貨。這樣造成的損失每年可能高達數百萬美元。針對這種情況，McKesson公司研發了一套普適計算系統：利用成千個普適計算設備來替代原有的紙質票據系統，以完成供應鏈中貨物發送的管理系統。該系統中集成了條形碼掃描器，用于跟蹤需要數字簽名的客戶端應用程序。這樣的系統可靠性高，同步時間短，而且節省費用。目前McKesson的這套普適計算系統管理著北美超過60家集裝箱公司的司機，覆蓋了4萬個客戶，30個發送中心和2000個集裝箱。

　　與無紙辦公系統相似的還有智能辦公系統。在辦公室中經常需要使用各種工具和信息資源，比如工作站、桌面計算機、白板等。這些信息資源分布很廣，有時甚至不在同一間辦公室內。利用普適計算技術可以把這些獨立的工具增強和組合成集成的計算系統，然后利用這個系統監控用戶與計算機、電子白板以及各種聯網的外部設備和數據源間的交互，使用戶能高效地管理這些信息。

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