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自1946年2月14日世界第一台计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生以后，计算模式已经经历了主机计算时代和桌面计算时代。在主机计算时代，计算模式满足了人们对运算的要求，人们终于可以从繁琐的数学运算中解脱出来，计算机被理解为一种功能单一的计算设备。当时的计算机是稀缺资源，通常安装在为数不多的计算中心或实验室里，人们必须用生涩的机器语言才能实现人机之间的信息传递。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。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，计算模式即将步入一个新的时代——普适计算时代。
一、普适计算概述
(一)普适计算的起源
1987年，Xerox公司Palo Alto研究中心(PARE)的电子和图像实验室(EIL)开始研制大型墙面平板计算机系统，它可以用作电子笔以及图像扫描输入设备。这种新型计算机系统在按传统白板方式方便使用的同时又扩展了计算能力，特别是在与其他这类设备联网的时候，这种“计算机墙面”引发的一种与目前“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。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UC(U-biquitous Computing的简称)的研究，现在又称为普适计算Pc(Pervasive Computing，简称PC)。1991年Mark Weiser在《Scientific American》的“The Computer for the21st Century”中正式提出普适计算的思想，Mark Weiser指出：“The most profound technologies are those that disalSpear，They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it.”。当时Mark Weiser及其同行在施乐公司的实验室搭建了普适计算系统的原型，但由于当时软、硬件技术的条件限制，这一系统并没有产生所期待的影响。随着定位传感器、无线通信尤其是Internet的普及和分布式计算技术的进步，普适计算的实现条件越来越成熟，普适计算的概念也得到了越来越多人的认可。
(二)普适计算的内涵
关于什么是普适计算，不同的研究者有不同的理解。其一，MarkWeiser：他的初衷是将计算机嵌入到环境和日常工具中，使其从人类的视线里消失，让人的注意中心回归到要完成的任务本身上。其二，清华大学徐光佑教授：普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获取数字化的服务(其中“随时随地”是指人们可以在工作、生活的现场就可以获得服务，而不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计算机面前；而“透明”是指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互(implicit interaction))。其三，坂村健教授：“‘普适计算’指的是，无论何时何地，只要您需要，就可以通过某种设备访问到所需的信息”。从以上定义不难看出普适计算的内涵包括以下两点：
一是消失(disappearing)。它是Weiser的一个著名论述，即“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”，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消失的计算。
二是不可见。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。因此，普适计算的目标是要建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起。
(三)普适计算的特征
追求普适计算理想的一个最为典型的研究计划就是麻省理工学院(MIT)的Oxygen项目，其目标是“使丰富的计算和通信能力像空气一样无所不在和自由地融入人们的生活之中”，因此，普适计算应具有以下的特性：
一是以人为本。这种新型的计算模式强调把计算机嵌入到环境或日常工具中，让计算机本身从人们的视线中消失，使人们注意的中心回归到要完成的任务本身，它的本质要求是“以用户为中心”代替以机器为中心。
二是动态性。系统提供的服务随着用户的移动而自主迁移，并不需要用户主动的命令。在普适计算环境下，用户可以在移动过程中连续地使用环境提供的各种服务。随用户一起运动的通常是手持设备(手机的后代)和可穿戴设备等。
三是不可见。计算机自然、合理地嵌入到人们日常工作和生活环境中，从人们的视线中消失。在普适计算时代，大量嵌入式设备被嵌入到诸如汽车、房间、冰箱等日常环境当中，它们彼此互连默默地为人类服务，然而人们并不直接感知到这些计算机的存在。这种“透明性”正是普适计算所追求的，“真正成熟的技术是那些已经消失了的技术”。
四是无处不在。普适计算在提出之初就考虑到计算资源的丰富，它追求的是在任何时间和地点(anytmae and anywhere)，访问任何信息。
五是自适应性。数量众多的计算设备被布置和嵌入到环境中，通过这些设备，用户可以随时随地得到计算服务。计算和通信服务可按用户需要和运行条件提供充分的灵活性和自主性；它能够自己适应资源缺乏的环境，并且当更多的资源可以获得时，也能够进行扩展。
六是永恒性。计算系统不会关机或者重启，计算模块可以根据需求、系统错误或系统升级等情况加入或离开计算系统。
二、普适计算的研究现状
普适计算真正引起广泛关注是在20世纪90年代的后期，许多相关的研究计划纷纷启动，目前已经成为一个
极具活力和影响力的研究领域。
(一)相关学术会议及刊物
目前已经形成了每年召开的两个国际会议，即1999年开始的UbiComp会议和2000年开始的Pervasive Computing会议。1999年9月27-29日，在德国Karlsruhe举办了首届普适计算国际会议，此后，在英国、美国、瑞士、英格兰、日本和澳大利亚等国均举办过普适计算国际会议。此外，还有一部分是以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 Com--puting：The Impact on Future Interaction--Paradigms and HCI Research”。
针对普适计算已经发行了两种专门的期刊，即1997年创刊的《PemonM andUbiquitous 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 SystemsJournal Special issue on Pervasive Computing》，2001年的《Special Issue of IEEEPersonal Com-munications on Pervasive Computing》等。
(二)典型实验项目研究
目前世界很多著名高校和企业都投入大量科研人员和资金纷纷开展普适计算研究项目，一些较为典型的项目如下。
1，美国
美国排名前10位的大学无一例外地投巨资设立了以“普及计算”为主要方向的研究计划。目前有以下几个研究计划最具影响力，这些计划的目标是提出全新的体系结构、应用模式、编程模型等基础理论模型和方法。
麻省理工学院(MIT)的Oxygen项目。Oxygen计划于2000年在MIT计算机科学实验室和人工智能实验室开始进行，其寓意是：未来计算像氧气一样无处不在并可自由获取。他们认为，与传统的以计算机为中心的计算模式不同，新的计算模式应该以人为本。Oxygen人认为，未来世界是一个到处充斥着嵌入式计算机的环境，充分利用这些计算资源达到“做得更少，完成更多(to do more by doing less)”的目的。Oxygen规划的未来计算环境如图1所示。
卡内基·梅隆大学(CMU)的Aura项目。CMU的Aura计划的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)”可穿越各种可穿载的、手持的、桌面的和基础设施的计算机以及智能空间。该项目包括3个子项目：Darwin智能网络是Aura的核心，Coda分布式文件管理系统，Odyssey为资源自适应提供操作系统支持。Aura项目的研究框架如图2所示。
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，其系统示意图如图3所示。
Microsoft公司的Easy Living研究项目。该项目致力于智能环境体系的开发，涉及中间件、几何世界建模、定位感知、服务描述等技术。旨在建立智能环境，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。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。该系统的构成如图4，有三个特征：自我感知的空间、随意访问和可扩展性。其关键特点是：机器视觉、多传感器的自动和半自动校准，以及独立于设备的通信。
伊利诺伊大学(Illinois)的Gala项目。上世纪70年代有人将地球上的大气、海洋、岩石圈和生物圈集合体看作是单一的控制论意义上的自运行的超级有机体。并称其为Gaia。Illinois大学的Gaia项目将上述概念应用于计算，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，Gaia的架构如图5。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。
华盛顿大学的Portolano计划。该计划提出了“数据为中心的网络”以适应让计算本身变成不可见的(Invisible Computing)要求。该计划认为目前计算机技术的发展仍然是技术驱动而非用户需求驱动。为了改变这一现状，该计划致力于研究根据用户的位置变化而自适应地改变软件用户界面的机制、以数据为中心的网络以及新型的分布式服务模型。
UC Berkeley的Endeavour计划。这是UC Berkeley进行的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，从根本上方便人们与信息、设备和他人进行交互的计划。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。
2，欧洲
欧盟资助的Disappearing Computer，Disappearing Computer是由欧盟资助的信息社会研究(IST：Information Society Technologies)计划的FET(Future and Emerging Technology)发起的。目标是通过交互式设备集成来改善和支持人们的日常生活。这些交互式设备将为人们创造一种适宜的环境，它们有信息收集、处理和交换的能力，让我们现在所理解的计算机逐步从人们的视线中消失。
Disappearing Computer研究者关注以下方面：
一是将计算能力嵌入到日常事物当中的方法和工具；二是将拥有交互能力的人工产品进行集成来提供新的功能和用途；三是保证人们能够很好地适应新的环境。
3，中国
清华大学的Smart Classroom061。Smart Classroom是清华大学开展的一项普适计算研究，提出了基于普适计算的网络教育思路，开发出以智能教室为代表的融合远程教育和课堂教育的系统平台(如图6)。它描述了未来教室的原形：整个系统由两个部分组成，由一个帘子隔开，主体是教室，帘子的另一侧是计算机。教室有两个跟墙差不多的投影仪，一个在前面，一个在侧面，前面的
MediaBoard是一个对触摸敏感的SmartBoard。它用于显示教学材料，教师可以使用数字笔和橡皮在上面写和擦，远程学生也能够实时的看到这些改动；侧面的StudentBoard显示远程学生的图像和一个计算机驱动的虚拟助手。教师可以用激光笔指向一个学生的图像。画一个圈的方式来选中一个远程学生。教室里装有很多摄像头，有些用于捕捉教师的动作，有些摄像头捕捉教室的图景，教师的动作将被识别和解释，例如：如果教师在展示模型，传送给远程学生的图像将来自负责教师手部的摄像头。教师佩带麦克风，用于捕捉教师的讲话，教师的讲话将被分析，以实现教师的要求。这些一起使得远程学生和课堂之间的交互就像本地学生与课堂的交互一样。
此外，方正科技计算机公司推出了专门适用于中、小型企业财务人员办公环境的财务办公平台，该平台可以实现与金税卡及财税软件、轻松办公软件的无缝连接；电子科技大学已有几届博士生开展专题研究，探讨普适计算概念及其应用并通过嵌入式真正地推动普适计算的发展；更可喜的是我国嵌入式信息技术产业强大，使得嵌入式技术有了长足进步，中国式手机成套技术已打进欧洲。这是我们走近普适计算时代的基石。
(三)基于普适计算的国家发展战略
1，韩国的 “U-Korea”
韩国政府非常重视普适计算，并按照自己的实际情况将普适计算的内涵加以扩展。2004年韩国政府提出了“U-Korea(普适的韩国社会)”的口号，希望建设一个用无处不在的计算机网络以及其他先进基础设施武装起来的社会。韩国信息和通信部部长陈大济认为：“U-Korea”代表着一项进入“无处不在的社会”的国家战略。在无所不在的网络社会中，所有人可以在任何地点、任何时刻都能享受到信息技术所带来的便利。
韩国选择了通过U-IT839战略来实现其“u—Korea”的目标。这被认为是比较务实的一条技术实现路线。U-IT839战略的涵义是发展与普适计算密切相关的8项通信广播服务、3项先进网络基础设施和9个IT新增长引擎。韩国希望借助U-IT839战略，使IT服务市场容量由2003年的43 3万亿韩元增加到2007年的53.3万亿韩元；整个IT行业的产值由2003年的209亿韩元增加到2004年的240万亿韩元，进而在2007年达到380万亿韩元。
2，日本的“U-Japan”
从2004年3月开始，日本总务省就开始探讨U-Japan政策的可行性。讨论的内容包括基本政策、IT产业和应用环境三个部分。通过长达10个月的研讨，日本总务省于2004年12月推出了U-Japan战略，希望通过出台一系列政策，达到促进普适计算网络发展、促进ICT应用以及促进应用环境发展的目标。
U-Japan指的是无处不在的网络化日本社会，是日本未来信息产业发展战略。在政策内容方面，U-Japan侧重于五个方面，即为普适计算网络开发世界上最先进的IT基础设施；加快建设亚洲电子公告板系统和内容销售平台；在资产信用方面加强投资；建立与IT和服务相关联的业务平台；实现日常生活、商业、政府和社会系统四种类型的解决方案。
日本总务省和经济产业省已决定采用普适计算的模式来制定IT使用环境五年远景规划。
三、普适计算研究的范围
普适计算涉及到的学科领域众多(如图7)。目前普适计算的研究主要集中在以下几个方面：
(一)理论建模
普适计算作为一种全新的计算模式，横跨多个研究领域，如移动计算、嵌入式系统、自然人机交互、软件结构等。具有前所未有的复杂性与多样性。亟待一种统一完备的建模体系，准确、客观地表达普适计算所特有的普适服务“无所不在”的时空特性、“自然透明”的人机交互模式以及普适计算“以人为本”的根本理念。从而为普适计算系统的分析、设计、实施、部署和评估等提供多方面的理论指导，为可扩展性、可维护性、自适应性、易用性及标准化等提供模型层面的支持。
(二)人机交互
普适计算以人为中心的特点迫切需要和谐、自然的人机交互方式，即能利用人的日常技能进行交互、具有意图感知能力。与传统的人机交互方式相比，它更强调交互方式的自然性、人机关系的和谐性、交互途径的隐含性以及感知通道的多样性。普适计算环境中，交互场所将从计算机面前扩展到人们生活的整个三维物理空间，交互方式应适合于人们的习惯并且尽可能不分散用户对工作本身的注意力。和谐自然的人机交互是实现普适计算环境，使其脱离桌面计算模式的关键所在。从技术上看，键盘、鼠标、显示器等输入输出设备要实现多样智能化，能够实现与环境的良好交互，并且需要进一步研究语音识别、手写输入、电子纸、肢体语言识别(如人的手势、脸部表情)和多模式人机交互方式。
(三)上下文感知(context iwareness)
自动感知物理空间中对象与环境的状态信息及其变化是普适计算的重要特征。感知上下文计算利用上下文信息向用户提供适合于当时任务、地点、时间和人物的信息或服务。常见的上下文信息包括时间、位置、场景等环境信息，屏幕大小、处理能力等设备信息以及用户身份、操作习惯、个人喜好、情绪状态等用户信息。上下文感知技术是实现服务自发性和无缝移动性的关键。上下文感知涉及上下文信息感知和表述、上下文建模和推理、上下文感知应用等多个方面。主要涉及环境内容和交换策略，管理和利用多媒体内容的适应性模型、自适应技术和结构等问题。
(四)中间件
普适计算中的系统软件多采用中间件技术，它是一种位于操作系统与应用软件之间的、能够屏蔽操作系统和网络协议之间的差异、为异构系统提供服务的软件。普适计算环境中遇到诸如异构性、扩展性、不可见性等问题都为未来中间件的发展提出了新的机遇。
(五)智能空间
智能空间是指一个嵌入了计算机、信息设备和多模态传感器的工作空间，其目的是使用户能够方便访问信息和获得计算机的服务，高效地实现个人目标和与他人协同工作。智能空间可以在不同尺度上得到体现，以家庭、办公室、教室、超市或机场等离散环境为基础逐步实现互连并扩大至全球。智能空间是从纵向剖面的角度研究普适计算，通常看作是普适计算的一种体现或一种应用方式。
(六)系统软件
普适计算的系统软件对普适计算环境中大量联网的信息设备、智能物体、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息交互、服务发现、任务协调、任务迁移等提供系统级支持。由于普适计算环境存在任务动态性和设备异质性等特点，普适计算系统软件需要解决设备与服务的发现与自适应等问题，实现对物理实体的管理以及模块间的协调机制，同时还要保证系统的鲁棒性和安全性。
(七)普适网络
普适计算环境是一种普遍互连的网络环境。普适计算环境下的网络环境包括各种无线网络、互联网、电话网、电视网等，还包括RFID网络、无线传感器网络、GPS网络等多种不同类型的网络。普适计算网络支持异构环境和多种设备的自动互连，对环境的动态变化具有自适应性，提供无处不在的通信服务。当前普适计算网络的研究主要集中在无线和移动网络、Ad Hoc网络、无线传感器网络、P2P等。
(八)安全隐私
在普适计算环境下，安全隐私显得更为棘手，因为无所不在的网络将随时随地为人们提供服务，但隐私和安全更加难以保障。传统的用户授权和访问控制方式无法适应分布式网络和普适计算的需要，必须提出不同的解决策略，包括硬件和软件方法。此外，通过立法、修改完善法律等手段约束和规范人们的行为，有效阻止犯罪。
普适计算对计算模式的革新从根本上改变了人们对信息技术的思考，也改变了我们整个生活和工作的方式。虽然对它的研究才刚刚开始，但是它已显示出巨大的生命力和深远的影响。普适计算使计算机的应用扩展到前所未有的宽度和深度，使人们更方便的得到信息访问和计算服务。