无处不在的计算

　　1999年4月27日，马克？维瑟，这位集哲学家、艺术家和计算科学家于一身的“后PC之父” 、普适计算（Ubiquitous Computing）的提出者、美国施乐公司帕洛阿尔托研究中心的首席技术官，留下了“普适计算”这个新概念和新计算模式后，在46岁的英年因癌症猝然去世。

　　10多年后的今天，不管你是否承认，随着云计算、物联网、社会网等概念的出现和发展，一个以“后PC”为中心的“计算机”、“物”和“人”结合的虚拟时代正在到来。“后PC时代”的核心理念之一就是“无所不在的计算”或者说“普适计算”。计算机由大型机为中心发展到了以个人电脑为中心，现在，又进一步朝着“什么都是计算机”的方向发展。

　　我们不妨看看身边的电子设备：手机、各种IC卡、平板电脑、电子书……哪一种不是计算机呢？物联网、社会网等也不过就是把各种各样的“计算机”通过网络连接起来，并通过传感器等把信息采集、处理后传输到指定的地方进行存储并供人们共享和提供服务罢了。计算机正在融入人类生活，最终计算机将消失在人们的生活中。

　　融合人、机、物的超世界

　　目前，移动互联网、云计算、物联网等各种基于网络的应用和研究已经得到普遍关注。我们可以预见，在不久的将来，计算机的虚拟世界将会与人和物的实际世界融合，一个涵盖了人、机、物的“超世界”将会形成，并对人类社会以及每个社会成员与组织产生深远影响。

　　那么，建设超世界的关键是什么呢？人们认为有两点非常重要，一是信息获取、处理、传输、存储以及提供服务的“无处不在”，二是信息获取、处理、传输、存储以及提供服务过程的“不知不觉”。

　　提到普适计算，很多人注意到了它的“无处不在”，但很少有人去关注它的“不知不觉”。事实上，普适计算具有上述两方面的特性。例如，如果我们只谈“无处不在”，那么，现在广泛使用的手机就已经覆盖了城乡和山区的绝大部分地区，就已经是无处不在了。显然，这样理解普适计算的“无处不在”是不正确的。

　　我们把普适计算的“无处不在”称为“普遍性”，而把“不知不觉”称为“透明”。这里，“透明”是看不见、不用看的意思。从用户角度看，人们希望通过普适计算，能随时随地获得自己希望的服务，且不用关心这些服务是怎样得到的。

　　这样，计算机将会融入人类社会，而不是人类社会融入计算机世界。这就是普适计算与传统的虚拟现实技术、网络技术的最大区别。从这个意义上来说，普适计算把计算嵌入到环境或日常生活中，使人们更自然地和所使用的工具而不是计算机交互。计算机设备可以感知周围的环境变化，从而根据环境的变化做出自动的基于用户需要或者设定的行为，再把这些行为通过嵌有计算机的工具表达出来。例如，智能家庭的窗帘可以根据阳光和日照的变化发出信息给用户手机，用户则根据需要通过手机下达打开窗帘的指令。手机也可感知环境而自动切换为静音或各种其他操作模式，并且自动从互联网上搜索用户需要的各种信息。这已经不是天方夜谭，普适计算使人们不用为了使用计算机而去寻找计算机。人们无论走到哪里，无论什么时间，都可以根据需要获得计算能力和所需要的服务。

　　无处不在的服务设备

　　目前，人们主要从3个方面研究普适计算，即无处不在的服务设备，无处不在的通信网络和提供透明服务的软件系统。

　　普适计算创始人马克·维瑟最早研究的普适计算产品实际上是一个挂在钥匙扣上的计算机，即很小的计算机终端产品。以后的很长一段时间，科研人员都把注意力集中在终端智能设备的研制上。例如，各种智能电话、掌上电脑等，都是当时普适计算研究的产物。“普适”最早其实代表的是智能设备的无处不在。因此，终端产品一直是普适计算研究的重点。

　　与一般的终端产品相比，普适计算的终端产品形态更加多样化。从带有条形码和处理器的电子书包、带有处理器的电子手表，到具有计算处理功能的咖啡机、婴儿床等，都是普适计算的终端产品。如果你有机会到美国西雅图参观一下微软公司的“未来之家”，从走进大门的那一刻起，你碰到的每一件产品都是具有计算功能的普适计算终端产品。

　　与一般计算机终端不太一样，普适计算的终端产品很少有像一般计算机那样的大显示屏和键盘，也很少由终端用户安装和卸载软件。它们的软件都是事先嵌入产品中，或者由管理人员从网络或后台安装设置。

　　普适计算终端产品的输入大多依靠传感器采集信息进行。例如，为小朋友读书的阅读机要靠光电传感器阅读文章，智能电表或道路交通控制设备等都要依靠各种传感装置采集信息。事实上，情境感知、人机交互、主动服务的每一个环节和功能都离不开传感科技。

　　无处不在的通信网络

　　其实，在马克·维瑟提出普适计算时，他并未提到无所不在的通信网络。但是，普适计算强调的“无所不在”和“透明”这两个特性却包含了通信网络，强调了计算和通信的无缝整合。事实上，比尔·盖茨在推动普适计算发展中起了很大作用，普适计算的另一个英文名称“pervasive computing”以及无缝计算都是比尔·盖茨首先提出的。

　　无缝计算或无缝整合主要有两大关键。一是各种通信网络的无缝整合。这些网络既包括各种无线网、广播网、互联网，也包括各种特殊的专用网。甚至，不仅各种先进的新型网络要能被整合，各种还在使用的旧的通信网络也要被整合。现在人们经常提到的“三网合一”只是这种整合的一个开始。这种整合使人们在享受计算服务时得以跨越网络平台，而且，这种跨越还是“不知不觉”的，也就是“透明”的。

　　另一个关键是对软件平台的无缝整合。这涉及不同操作系统之间的应用软件如何对接。那么，不同设备之间的应用软件如何对接？例如，用手机上网访问传统的网站时，不同的显示方式能否自由转换等。

　　无所不在的通信网络的主要研究包括各种普适计算设备和各种通信网络的接口及驱动程序，各种通信网络之间的通信协议及网关和网络通信安全等。

　　提供透明服务的软件系统

　　普适计算与其他计算模式的最大区别之一在于其软件系统。一段时期以来，普适计算的软件系统偏重于嵌入式软件，即在设备中预置好各种必要的软件，并通过传感器系统获取信息或用户直接输入信息控制其运行。但是，这种方式有它的局限性，很难实现“无处不在”与“不知不觉”，也就是无法随时随地使用人们生活环境中提供的不同服务。因为在设备中预置的软件只能提供有限的预知服务，当用户的服务要求发生变化而周围的设备中没有嵌入相应软件时，用户就得不到“无处不在”和“不知不觉”的透明服务。

　　要达到“随时随地”的“透明服务”，普适计算的设备中嵌入的软件必须能够对应用户的各种需求。一般来说，这是办不到的。因为无论计算机的存储器有多大、处理器能力有多强，也无法全部满足用户多变的需求。而且，普适计算的设备都是小巧、多样和灵活的移动设备，不可能存储太多的数据与程序，也不可能有很强大的处理能力。

　　因此，如果要“随时随地”提供“透明服务”，只有在普适计算设备中采用“透明计算”模式。透明计算是我们的课题研究小组于2004年提出的一种为用户提供“不知不觉”服务或“透明”服务的计算模式。这种计算模式把包含各种操作系统在内的几乎所有的数据和程序存储在网络服务器上，构建成一个“知识云”。用户终端，也就是普适计算设备只是一个嵌入了计算机硬件和初始启动程序的裸机，这种裸机和网络服务器构成的“知识云”通过“无所不在”的通信网络连接在一起，构成用户服务的“普适系统”。当用户需要某种服务时，普适计算设备的传感器把采集的用户需求通过“无所不在”的网络送给后端的“知识云”，并调度“知识云”中的相应软件模块到前端普适计算设备上计算处理和提供相应服务。这样，当用户需求变化时，因为后端的“知识云”足够大，就能调度到相应的程序提供服务。

　　要实现这种构想，就要求后端要“大”、前端要“小”，使得前端可以移动、灵活、多变，可以“随时随地”；而后端可以积累、多功能、跨平台，可以“不知不觉”。这就像人们穿衣服，把所有的衣服放在衣柜里，需要换衣服时，再把它们取出来，而不必把所有的衣服都带在身边。

　　普适计算在最近10多年得到了世界各国的重视和发展，美国、欧洲、日本、韩国等都有相应的研究计划和实验项目。在欧洲，普适计算已被欧盟采纳为信息社会技术研究及技术开发计划的主导项目，欧盟还拨款超过36亿欧元，在过去的几年里用于该课题的研究。日本在2004年实施了“无所不在的日本”计划，2010年在日本建设成一个“随时、随地、任何物体、任何人”都可以上网的环境，发展至有线与无线整合成无缝隙的随手可得的服务社会。韩国则在2004年3月推出“无所不在的韩国”计划等。

　　今后，随着云计算、物联网等技术的不断发展，普适计算理念和技术必将越来越受到重视和期待。

　　摘自：《科学画报》的博客

　　■张尧学