什么是普适计算？

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摘 要 上世纪90年代初，美国Weiser博士提出“普适计算”这一新概念，开始了人类向未来计算机时代探索的进程。本文首先回顾Xerox PARC的普适计算原创性研究，然后叙述普适计算的内涵及有关的计算机时代变迁。最后，简单介绍若干普适计算研究项目所提出的幻想和挑战。

1  PARC的原创性研究
 1987年Xerox公司的Palo Alto研究中心（PARC）电子和图像实验室（EIL）开始研制大型墙面平板计算机系统，它也可用作电子笔以及图像扫描输入设备。这种新型计算机系统可以按传统白板方式方便使用的同时，又扩展了计算能力，特别在与其他这类设备联网的时候。这种“计算机墙面”引发了一种与目前“一人一台桌面计算机”模式十分不同的研究思想：将计算机无处不在地、不可见地散布到整个环境中。当时PARC的一些人类学专家观察到：人们真正利用技术的做法并非只是他们所声称利用技术的方法。例如计算机，有些技术人员往往很少去考虑诸如存储器、像素数、频率等计算机的特性，而更多的是考虑具体情景下计算机的利用。特别是，计算机如 何嵌入到复杂的社会日常活动框架中，计算机如何与真实世界交互作用等。在这种背景下，1988年初，以Mark Weiser为首的PARC计算机科学实验室（CSL）开始了普存计算（Ubiquitous Computing，简称UC，普遍存在的计算）的研究。现在又称为普适计算（Pervasive Computing，简称PVC，普遍渗透的计算）。后来Weiser博士成为PARC的首席技术专家，他不幸于1999年4月27日死于突发癌症。对于 Mark而言，社会和技术、艺术和科学、工作和娱乐之间没有明显的界限，他希望建立一种能展现人类和社会精神的技术世界，并坚定不移地驾驭挑战计算机科学、人机交互、以计算机为媒介的工作环境等方面的现代概念。
 PARC的UC计划，最初只是想回答个人计算机（PC）所存在的一些根本问题：过分复杂而难以使用；过分要求人的注意力；过分隔绝于他人和现实活动；过分的支配作用使我们的桌面和生活犹如殖民地。UC希望把计算机放回到它应有的位置：重新定位于环境这一背景，更多集中于人与人的交互，而不是人与机器的交互。1992年PARC完成了第一个“ubi-comp”实验系统。实际上实现了对后 PC机时代重新定义人类、工作、技术的全部关系。UC计划有以下三个相互交叉的部分。
 · Board（板）：LiveBoard，大型墙面显示。从最初利用非晶硅片变为背投屏幕，除了硬件还包括一个协作绘图系统，LiveBoard可按传统方法接入网络。后来，Xerox将其商品化为LiveWorks，销售了几百套，到1998年停止生产。
 · Pad（便笺）：ParcPad，后称为MPad，书本大小。Pad用一个独特的near-field radio系统保持固定联网，Pad本身有一个window-and-pen接口系统和操作系统。Pad验证了一个重要的平台，可用于无线电、协议、移动 联网、用户接口和工作研究。ParcPad是Xerox于2000年推出的PDR（Personal Document Reader）产品的前身。
 · Tab（标签）：ParcTab，手掌大小。采用一个位置传感、基于代理、企业范围的红外线辐射敏感网络。Tab用一个Unistrok系统进行字母数字输入，并通过触摸屏幕和3个按人类工程学设计的按钮进行选择。
  此外，还有Badge（身份标志），它是由Olivetti公司开发的Active Badge系统。这样，Board、Pad、Tab、Badge和一个灵活的计算基础设施组成一体，不但可以识别设备名字，还可以识别每个设备的位置、态势、使用连接和所有者。到1994年，构成ubi-com的这些程序形成了一个工作基础设施供PARC日常使用，从而建立了这种可能的计算机新概念。
 PARC 的UC计划在计算机科学的一个独立领域内产生了许多基础性专利和论文，包括物理传输、网络协议、操作系统、视窗系统、文件系统、用户接口、能源管理和输入方法。ubi-comp建立了计算机科学的一个新领域，可以设想：一个由各种传感器、执行器、显示器和计算元件充分地、不可见地相互编织起来的物理世界，这些设备是无缝地嵌入到我们的日常生活事物中，并且通过一个连续的网络相连接。然而像所有重大的研究一样，UC计划向我们提出的问题多于个给我们的回答。当基础设施建成运行后，除了有许多潜在的问题需要改进外，还出现了一个没有预期的隐私问题，这实际上是一个控制问题。如果一个计算机系统是不可见的以及可 扩展的，那么很难知道什么在控制什么，什么和什么相连接，信息在何处流动，信息如何被使用，什么是坏了或什么仍在正常工作但已没有什么用了，以及任一给定动作会有什么结果。因此，如何同时保持简易性和可控制，一直是UC所面临的尚未解决的主要问题之一。

2  普适计算的内涵
 · 消失（Disappearing）：Weiser的一个著名论述，“最深奥的技术是那些消失了的技术，这些技术将它们的自身交织于日常生活中，直至不可区 分。”从社会影响来讲，在我们生活中有两种这样的技术是普遍存在的。一种是“书写”（writing），用符号来记载人类口语的文字技术是最早的信息技术，现在不仅仅是书刊报纸，从商店标志到广告牌已无处不在，它们往往并不要求我们主动去注意，而是通过我们一瞥来传递信息。另一种是“电”，在每个房间的 墙壁中涌流着，通过插头我们随时可利用电。所以现在，书写和电已变得非常平淡和不显著，以至忘记了这些技术对日常生活的巨大影响，犹如消失于人们的日常生活中。普适计算也将是那样一种被消失的计算。
 · 不可见（Invisible）：一种好的工具是不可见的工具，其含意是这一工具并不进入你的意识，你只是专注于任务而非工具。例如，眼镜是一个好工具，你是通过它在看世界而非看眼镜。盲人通过竹竿在感觉街道而非感觉竹竿。当然工具本身不是不可见的，它只是使用工具这一场景中的一个部分。好工具应增加其不可 见性。普适计算也将是那样一种不可见的工具。
 硅信息技术还远远没有成为环境的一部分，尽管PC机已销售出数亿台，但计算机很大程度上依旧维持它自己的世界。与计算机打交道要通过复杂难懂的语言，而不是任务，人实际上只是在使用计算机。当前的计算技术相当于过去人们进行书写时，还必须知道许多关于 制造墨水等事情的那个时代。当前的计算机决不仅仅是一个“用户接口”问题，也还没有真正将计算变为人们日常生活中整体不可见的一部分。人们对未来计算机的比喻往往引导我们离开这种不可见工具的思路， 例如，智能代理、多媒体、虚拟现实、无处不在的声音计算机、高精度GUI计算机、魔术般满足我们许愿的机器等。这些计算机在概念上都有一个基本缺陷，就是使计算机成为可见的工具。因此，普适计算试图对计算机提出一种新思路，考虑自然的人类环境，让计算机自身消失在这种环境中。这种消失不是技术上的，而是人 类心理学上的基本结果，也就是当我们无需思索自由地使用计算机，从而超越计算机，能专注于新的目标时，计算机就会消失。

3  计算机的时代变迁
 技术的演化并不总是连续线性增长的，技术变迁过程中许多重大波动都从根本上改变了技术在我们生活中的位置，即这种 波动的实质不是技术本身，而是技术与我们的关系。在过去50多年中，计算与人类呈现过两种主要关系：主机（Mainframs，MC）关系和个人计算机 （PC）关系。今天，Internet通过分布计算正把我们带向普适计算（PVC）关系。表1给出计算机时代的变迁。
· 主机时代：计算机是稀有资源。计算机一般放在密闭房子里由专家操作，其他大量用户是共享一台计算机。
·  PC机时代：计算机与人是一种个人关系，甚至是私人关系，你可以有自己的计算机，当进行个人计算时，你就不能再做其他事了，你可给它起名字，可以咒骂或抱怨它。个人计算机就像私家汽车，你可以拥有若干辆汽车，带你到你想去的地方去，但需要相当注意地操纵。
·  Internet和分布计算过渡期：Internet深深地影响着人们的生活，成百万新的用户及其资料会被相互连接，同时也将主机时代和PC机时代的大量设备连在一起。Internet是一种深刻的现象，出现了最好的创造发明家、最多的革新金融家和最大的多国合作。今后，大量的信息联网结果将会浮现出新的计算关系。
· 普适计算时代：这是计算的第三波，它与个人计算的交叉点大约在2005~2020年（Weiser在1996年时的估计）。PVC时代将有大量计算机共享我们每一个人，其中数百台计算机可以在几分钟的Internet浏览中被访问，其他计算机则嵌入在墙壁、椅子、衣服、电灯开关、汽车等一切东西中。PVC的基本特征是深度的嵌入计算，即连接现实世界中一切具有计算能力但规模大小不同的东西。今天我们谈论供Internet用的价值数百美元的“瘦客户机”，而普适计算将寻求价值仅为数十美元或更低的“瘦服务器”。可以将功能完善的Internet服务器放入每一个家用电器和办公设备中，并且需要IPv6协议，以便访问地球表面上每个多达数千台设备的节点。嵌入式微处理器和Internet将是普适计算的两个先驱，只有将含有微处理器的各种设备加以联网，普适计算才有可能实现。如何判断技术成为一个基本的时代呢？第一，它们涉及到基本的与人类的关系，对我们至关重要不可回避。第二，它们以其他技术为基础。显然在下一时代，主机和PC机都不会淘汰。第三，它们是创新的源泉。老假设需要重新定义，老技术需要赋予新的含义。例如，普适计算已开始需要引入新的设计准则，MIPS/watt和Bits/sec/M3等。

3.1 平静技术（Calm Technology）
    普适计算时代最具潜在兴趣、新挑战和深奥的变化将集中于“平静”。如果到处都是计算机，最好让它们处于非妨碍状态，也就是当人正被指定的计算机共享时，人依旧处于安定和控制之中。主机由专家使用时，平静相对是很少的。计算机供个人使用时，已集中在交互作用的激励。但当周围都是计算机时，我们要求计算的同时能 做其他事情，使我们有更多的时间是完全的人。我们必须从根本上重新思考目标、计算机的背景和技术、以及充满我们生活中的所有其他技术。平静技术是下一个50年对所有技术设计的根本挑战。
    一个设计使人达到平静和活跃是满足人类的两种需要，但一般不会同时满足。信息技术更多时候是平静的敌人，呼机、手机、新闻服务、www、e-mail、电视和收音机频繁地轰击我们。但有些技术能导致真正的平静和舒适，例如，设计一双舒服的鞋子，星期日早晨送来一份晨报那样的技术。其差别在于技术是如何吸引我们的注意力。
    平静技术从中心（center）和边缘（periphery）两个角度吸引我们的注意力，实际上是在两者之间来回移动。我们用“边缘”表示我们被调节到没有明显的注意力。通常我们在驾驶汽车时，将注意力集中在道路、 收音机和乘客，而不是引擎的噪音。但一个异常的噪音会立即被提醒，即原来我们被调节到噪音处于边缘，并可迅速调节回来注意这一噪音。
    平 静技术将使我们的注意力在中心和边缘之间很容易被移动，有两个原因。第一，通过把一些事情放在边缘，使我们有能力调节更多的事情。第二，通过将原先是边缘的事情重新调节为中心，我们就可以控制它。我们必须学会对边缘的设计，这样我们可以充分地掌握技术而不被技术所支配。平静技术有三个特征。第一，中心和边 缘之间可以很容易移动。第二，通过把更多的细节放入边缘，可以增强边缘的延伸（reach）。第三，边缘可以轻易地把我们与大量熟悉的细节相连接，即所谓的定位（locatedness）。
    面对经常抱怨的信息过载，实际上更多信息可以使其平静，这似乎是矛盾的。但当进入普适计算时代，平静设计是至关重要的。这不仅会丰富我们的物质空间，也使我们有更多的机会与他人相处，当我们的世界充满了相互连接的计算机，平静技术将在更能够人性化的21世纪起到中心角色的作用。

4  普适计算的幻想和挑战
   普适计算的概念于上世纪90年代初提出，Xerox PARC也实现了一个原型，但当时的硬件技术基础实际上并不存在。十年后技术的进步，普适计算的许多关键元件已有了商业产品：手持和可穿载计算机、无线局域网、传感和控制家用电器的器件等。因此在2000年前后，一些主要大学和工业界相继出现了各种普适计算的研究项目。例如，MIT的Oxygen、CMU的Aura、Illinois大学的Gaia、UC Berkeley的Endeavour、Washington大学的Portalano、IBM的DreamSpace、Microsoft的EasyLiving、欧盟资助的Disappearing Computer、国内清华大学的SmartClassroom等。目前普适计算还刚刚处于实践初期，要提出一套完整的技术还为时尚早，这也给我们留下了很大的空间可以去探索。正如本节标题所指，现在还是一种幻想，还面临巨大的挑战。下面将简单介绍普适计算的一些主要研究项目。

4.1  Oxygen – 以人为中心的普适计算
    历来计算机是以机器为中心，本应机器服务于人，实际上是人被迫服务于机器。未来，计算机将普遍存在，就像我们呼吸空气中的氧（oxygen）那样。以人为中心处理我们的目标，并能自动适应用户的需求和工作的变化。
（1）用户技术
 · 语音和视觉提示：与任务交互的人机接口。
 · 知识访问：个性化的寻找信息的方法，例如通过对过去所见所闻的回忆来访问。
 · 自动化：提供自然、易用、可定制和自适应机构，进行自动调节重复信息和控制任务。
 · 合作：跟踪和存档工作组的讨论和交互作用，协助人们进行群体活动。
  
   为此定义了三种设备：
· 固定设备Enviro（E21）：嵌入居家、办公室和汽车中的计算设备，用来感知和控制我们所接近的环境· 手持设备Handy（H21）：可在任何地方增强我们的通信和计算能力。
· 动态网络（N21）：定位我们所需的计算机、人、服务和资源。
（2）系统设备
· 智能环境
· 移动设备
· 动态网络
· 软件基础设施
· 隐私和安全
（3）Oxygen的属性
· 分布和移动性：包括人、资源和服务。
· 语义上下文：能理解我们说话的含义。
· 自适应和变化：面向一个动态世界。
· 信息的个性化：隐私、安全以及个性化的交互形式。

     Oxygen计划在MIT计算机科学实验室和人工智能实验室，于2000年开始进行，得到美国国防部DARPA资助。工业界联盟包括Acer、Delta Electronics、HP、NTT、Nokia、Philips等。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、老年人的守护神等。

4.2  Aura – 无需分心的普适计算
    计算机系统最宝贵的资源将不再是Moore定律下的处理器速度、存储容量和网络带宽，而是“人的注意力”（human attention）。当前的计算机总是以或明或暗的形式，例如系统性能低、使用不便、失效等去分散用户的注意力，从而降低人的效率。CMU的Aura计划目标，是为每个用户提供一个不用关心位置的计算和信息服务的“光环（halo）”，而“个人信息光辉（aura）”穿越各种可穿载的、手持的、桌面的和基础设施的计算机，以及智能空间（smart space）。这个环境中，人的注意力是特别稀有的资源，因为用户注意力事先被走路、驾车、与现实世界其他交互所占有。
  
   普适计算需要研究的新问题包括：
· 智能空间（Smart Space）：空间是指特定的封闭区域，如会议室，或开放区域，如院子。通过将计算设施嵌入建筑设施，构成一个智能空间，使计算设施和建筑设施两者融合在一起，两者可相互感知和控制。
 · 不可见性（Invisibility）：这是Weiser所指的用户意识上的“消失”，更合理的近似是用户最少精力分散。如果普适计算环境能持续满足用户 的期望，则用户几乎可以在下意识水平上进行交互。同时少量的预告也是基本的，以避免往后发生令人不愉快的更大意外。这类似于人体的疼痛可以警告身体某个部分存在潜在的问题。
· 局部化可缩放性（Localized Scalability）：随着智能空间复杂程度提高，用户个人计算空间与其周围环境的交互作用强度增加。对无线移动用户意味着严重的带宽、能耗和精力分散问题，多用户的存在更增加了问题的复杂性。因此从广义上讲，可缩放性是普适计算的关键问题。以前有关缩放性是不考虑物理距离的，例如web服务器，但普 适计算情况十分不同。交互密度随交互移出一定范围必须降下来，否则，关系不大的远距离交互会使用户和系统均承受不了。当然移动用户仍有一些远距离交互产生，但其占优势的交互将是局部的。
· 屏蔽非均衡条件（Masking Uneven Condition）：需要研究屏蔽环境非均衡条件的技术。普适计算渗透到基础设施的比例相当程度上取决于许多非技术因素，例如组织结构、经济和商业模型，要达到相同的渗透是许多年甚至几十年以后的事。在过渡期内，不同环境的“智能性”存在巨大的差别。这种“智能性”的大动态范围对用户是不和谐的，会削弱普适计算实现不可见的目标。降低用户所见的这种偏差的一种途径是让用户的个人计算空间来补偿“哑”环境。最平凡的例子是，具有断开连接功能的系统可用于 屏蔽环境中无线覆盖空缺的情况。
现在让我们来看一个场景的例子：Jane在Pittsburgh机场23号登机口等候她的中转飞机。她已编辑好许 多大的文档，想通过无线连接用e-mail发送出去，不幸的是带宽很糟糕，因为在22、23号登机口处有很多旅客在web上冲浪。这时Aura观察到，按 当前的带宽，在Jane的飞机起飞前，她的文档是不可能发送完的。于是，Aura咨询机场网络的气象服务和航班时刻表服务，发现在15号登机口处的无线带宽非常好，并且在一个半小时内附近登机口也没有出发和到达的航班。这样，在Jane的屏幕上弹出一个对话框，建议她到15号登机口去，到那里只有3分钟的 路程，并要求她将文档排个优先次序，让最重要的消息最先传输。Jane接受了Aura的建议，来到15号登机口。然后她一直在看CNN的电视节目，直到 Aura提醒她，她的消息发送已接近完成，可以开始返回。在她往回走的过程中，最后的消息已被传送出去，并在广播她的登机通知时，及时回到了23号登机 口。
这一场景包含了普适计算的一些基本思想：首先显示了提前活动（proactivity）的重要性，Jane能完成她的e-mail传送并及时 返回她的登机口，均靠Aura的先见之明。此外，也说明系统不同层面的知识组合的重要性。只有将分散的知识碎片组合起来，Aura才能帮助Jane。最后 是智能空间的价值，Aura所得到的各种知识都是由环境所提供的服务。也许最令人惊奇的是，所有技术成份不论硬件、软件都是很简单和基本的，是今天已有的技术，但为什么这一场景看起来犹如科学幻想而非今天现实呢？答案是这样一个事实：整体大大于各部份之和。关键在于如何将各种技术成份无缝地整合到一个像 Aura那样的系统中去，困难在于体系结构，各种技术的综合，以及系统级工程。

4.3  Gaia -- 普适计算中的活动空间

 Gaia是古希腊的大地之神。上世纪70年代，有人把地球上的大气、海洋、岩石圈和生物圈集合体看作单一的控制论意义上的自运行的超级有机体，并称这个全球实体为Gaia。
 Illinois 大学的Gaia项目，将上述概念用于计算，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中。活动空间也是一种计算机，但其异质性、移动性和透明的设备数量使系统变得非常复杂。
 Gaia是把操作系统功能带入物理空间，操作系统功能将延伸到语境和针对活动空间的许多功能。Gaia还设计了一个房间的原型，装备有现代化的设备，包括5.1可编程环绕声音响系统、等离子体平板、墙面大小显示的投影仪、HDTV、摄像机、 显示器、X10设备、电子白板、IR信标（beacon），有源胸卡（active badge）、平板桌面显示器等。Gaia的目标是设计实现中间件操作系统来管理活动空间中的资源。

4.4  DreamSpace – 自然交互的可视化空间

 人类通过视觉和会话相互交流，发现和认识世界。计算机（信息/通信系统）可以设计成允许人与机器以自然的方式交互作用，即采用说话、做手势、眼神、移动、伸手等技能进行交流。
 IBM Watson研究中心的DreamSpace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。目前用墙面大小的三维图像和声音，但没有键盘、鼠标、导线、遥控器等。所用的交互技术包括：
 · 声音输入：非特定人，连续语音。
 · 姿势和身体的视觉输入：摄像和机器视觉算法。
 · 墙面大小的立体三维显示。
 · 宽带网络。
 DreamSpace又称“可视化空间”，是一种联网的工作空间。计算机系统自动适应人，以优化使用、欣赏、信息的组织和理解。这种空间对许多应用是很理想的，例如，教育和娱乐、科学可视化、视频会议等。

4.5  EasyLiving – 居家和工作的智能空间
 什么是PC机的下一个目标呢？微软公司考虑一种可能的新应用是实际的居家和工作环境，可以更自然地与机器交互，降低日常使用计算机不方便的门槛。
 EasyLiving计划建立智能环境，方便人与人、计算机和设备的交互，使计算机使用更方便。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，并容易扩展。这种系统有三个特征：
 · 自我感知的空间：能感知空间的活动和内容，允许适当地响应人的移动和请求。即计算机知道空间的几何位置、空间内的人、人的行动和爱好、以及人所请求的资源。
 · 随意访问：计算机在空间中任何位置都是可及的，不需要人走到专门的地方去与计算机交互，也不需要穿载专门的设备或标志以便计算机知道用户在那里。而是通过照相机和拾音器通知计算机，计算机可跟踪用户及其场境。
 · 可扩展性：扩充“即插即用”的感念。新设备可以智能化地自动被集成到系统中，系统可以扩展资源，例如，添加一个新的照相机，空间就相应被扩大。