中间件-11 普适计算

山东大学计算机科学与技术学院普适计算—Pervasive

Computing山东大学计算机科学与技术学院主要内容问题的提出什么是普适计算普适计算中的技术问题普适计算的研究领域山东大学计算机科学与技术学院问题提出问题的提出山东大学计算机科学与技术学院计算机的时代变迁传统的计算模式及其弱点问题的提出——计算机的时代变迁·

普适计算时代：PVC时代将有大量计算机共享我们每一个山东大学计算机科学与技术学院人，其中数百台计算机可以在几分钟的Internet浏览中被问，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。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。问题的提出——传统计算模式及其弱点山东大学计算机科学与技术学院·

以计算机为中心的计算模式计算机的使用方法不符合人类的习惯为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于烦琐，这使得计算机本身吸引了太多注意力，而不是需要解决的问题本身。·

基于桌面的使用模式用户要使用计算机，就需要端坐在计算机面前，而人是生活在一个相对自由的三维空间中的，因此计算机并没有与人们的生活环境融合在一起桌面计算从本质上说，是一种私有的模式，难以适应一个用户可能在不同地点和环境，甚至在移动过程中使用多台计算设备进行工作的情况。山东大学计算机科学与技术学院定义什么是普适计算（Pervasive

Computing)山东大学计算机科学与技术学院普适计算的含义普适计算的发展普适计算的研究情况普适计算的例子普适计算的含义山东大学计算机科学与技术学院普适计算的含义普适计算没有准确的定义,不同的研究者有不同的理解,其目标都是“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”。参考定义是:“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、透明地获得数字化的服务.”普适计算的含义从概念上说，普适计算是虚拟计算的反面。虚拟计算致力于把人置于计算机所创造的虚拟世界里，而普适计算则是反其道而行之——使计算

机融入人的生活空间，形成一个“无时不在、无处不在而又不可见”(Anytime,Anywhere,Invisible)的计算环境。在这样的环境中，计算再局限于桌面，用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非

常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源。普适计算模式将对

人们享用计算和信息的方式带来另一场变革。普适计算的含义山东大学计算机科学与技术学院从技术上来说，这就要求普适计算对环境信息具有高度的可感知性，人机交互更自然化，设备和网络的自动配置和自适应能力更强，所以普适计算的研究涵盖中间件、移动计算、人机交互、嵌入式技术、传感器、网络技术等领域。普适计算要解决的问题包括：扩展性、异构性、不同构件的集成、上下文感知和不可见性(Invisibili其中不可见性对普适计算来说是至关重要的，因为它要求系统无需用户干预或只需要最少干预，也就是要求系统具有自动和动态的配置机制。普适计算的含义山东大学计算机科学与技术学院随时随地人们可以在工作、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透明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。这是普适计算更本质的要求，是其与桌面计算模式最本质的区别普适计算的特征山东大学计算机科学与技术学院·

1)消失（Disappearing）：Weiser的一个著名论述，“最深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。”举例：“书写”和“电”。结论：书写和电已变得非常平淡和不显著，以至于人们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。·

2)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。举例：眼镜；盲人使用的竹竿。结论：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。什么是普适计算——普适计算的例子山东大学计算机科学与技术学院·

第一个例子—会议Fred在办公室，忙着准备一个会议，他要在会上发言并做一个软件演示。会议室有十分种的路程。时间就要到了而Fred还未准备好。他抓起PalmXXII掌上电脑跑出门，Aura将他桌面上的文件传输到掌上电脑，并且允许他通过声音指令边走路边做最后的修改，Aura从Fred的日程表和会议中心的位置服务得到他要去哪里，然后将演讲稿和演示程序下载到会议室的投影仪，并且打开投影仪热身。进入会议室之前Fred完成了最终的编辑，进门的时候Aura完成了演讲稿的传输。演讲中，Fred要展示一个高度敏感的预算信息，Aura发现了问题，会议室里有几个生面孔，因此他提醒了Fred，Aura是对的，Fred跳过了这个页面，转到其他话题，演讲结束，听者很满意。普适计算的例子山东大学计算机科学与技术学院·

第一个例子—会议该场景展示了不同平台之间程序执行状态有效的转移的能力，从桌面到掌上电脑，从掌上到投影仪。通过语音而非键鼠输入掌上电脑很好的展示了自动转移或自动调整行为的能力，场景还展示了很多预见行为，通知Fred到达会议室，加热投影仪，传输PPT和演示程序，遇见到敏感页面将被展示，生人可能带来的危险，等等。灵活空间的作用也得到展示。普适计算的例子·

第二个例子—商业会议－OxygenHélène在巴黎的公司办公室中给在纽约的Ralph打电话。

Ralph的E21（嵌入式设备）与电话机相连，认得Hélène的号码，他用标准法语回答说Ralph出去度假了，并且问Hélène是否急着跟Ralph通话。多语言系统和自动系统根据Ralph设定的紧急呼叫名单（其中包括Hélène），自动处理来电，知道Hélène的话里“décisif”是什么意思，于是接通Ralph的H21（手持设备）。当Ralph同Hélène通话的时候，他决定叫上正在伦敦家中的Geroge，一起通话。三人决定下周在巴黎见面，E21之间互相得到对方的日称安排，通过比较时间表和从纽约和伦敦到巴黎的航班，下周三似乎很合适。三人都同意，各自的自动系统安排了合适的宾馆。Ralph和George到达巴黎总部。在他们桌子上，他们拿起

H21，H21认出他们的脸并同纽约和伦敦的E21联系。Ralph问

H21哪里找得到Hélène。H21告诉他，Hélène在街上，并且提供导航系统帮他找到她。George告诉他的H21上周的技术草稿他忘了带来。当他们一起去见山H东é大l学è计n算e机的科学时与技候术，学院H21找到并取得草稿。什么是普适计算－－普适计算的例子·

第五个例子—percom

2003山东大学计算机科学与技术学院什么是普适计算－－普适计算的例子·

第六个例子—percom

2003山东大学计算机科学与技术学院研究状况山东大学计算机科学与技术学院普适计算的研究情况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。

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1991年Mark Weiser在《Scientific

American》的“The

Computerfor

21st Century”中最

提出普适计算思想1999年Ubicomp国际会议出现2000年Pervasive

computing国际会议出现()2002年IEEE

Pervasive

Computing期刊创刊山东大学计算机科学与技术学院普适计算的研究情况山东大学计算机科学与技术学院MIT的OxygenCMU的AuraIllinois大学的GaiaUC

Berkeley的EndeavourWashington大学的PortalanoIBM的DreamSpaceMicrosoft的EasyLiving欧盟资助的Disappearing

Computer国内清华大学的SmartClassroom等。Oxygen

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以人为中心的普适计算山东大学计算机科学与技术学院Oxygen计划在MIT计算机科学实验室和人工智能实验室，于2000年开始实施，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,aspervasive

and

free

as

air,naturally

into

people‘s

lives）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。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。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。Oxygen

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以人为中心的普适计算图 Oxygen规划的未来计算环境山东大学计算机科学与技术学院Oxygen

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以人为中心的普适计算山东大学计算机科学与技术学院该研究项目包括以下三个方面（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：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：可在任何地方增强我们的通信和计算能力。动态网络：定位我们所需的计算机、人、服务和资源。Oxygen

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以人为中心的普适计算山东大学计算机科学与技术学院（2）系统平台（原为系统设备）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。Aura

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无需分心的普适计算山东大学计算机科学与技术学院卡内基梅隆大学的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）。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。Aura

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无需分心的普适计算与普适计算密切相关的两种技术是分布计算和移动通信。普适计算中计算机系统研究的问题分类如图1所示。山东大学计算机科学与技术学院Gaia

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普适计算中的活动空间山东大学计算机科学与技术学院Illinois大学的Gaia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（ActiveSpace）。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。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的结构如下图所示。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。Gaia

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普适计算中的活动空间图

Gaia架构示意图山东大学计算机科学与技术学院DreamSpace

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自然交互的可视化空间山东大学计算机科学与技术学院IBM公司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。DreamSpace

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自然交互的可视化空间山东大学计算机科学与技术学院图DreamSpace系统示意图EasyLiving

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居家和工作的智能空间山东大学计算机科学与技术学院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。·

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。EasyLiving

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居家和工作的智能空间图

EasyLiving系统的组成山东大学计算机科学与技术学院普适计算中的技术问题山东大学计算机科学与技术学院普适计算应有的特性信息空间和物理空间的融合对计算机科学的各个层次的研究提出的新要求和技术挑战普适计算中的技术问题－－普适计算应有的特性山东大学计算机科学与技术学院1)无所不在的(pervasive):用户可以随地以各种接入手段进入同一信息世界嵌入的（embedded）：计算和通信能力存在于我们生活的世界中，用户能够感觉到它和作用于它移动的（nomadic）：用户和计算均可按需自由移动自适应的（adaptable）：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永恒的（eternal）：系统在开启以后再也不会死机或需要重起，部件可以因需要、出错或升级来去，但整个系统则永远可用（徐光祐等的文章《普适计算》）普适计算中的技术问题－－信息空间和物理空间的融合山东大学计算机科学与技术学院信息空间：存在于计算机和网络中的数字化的信息、服务、计算和通信构成的总体。融合的含义：1）绑定直接在物体上（内）嵌入一定的感知、计算、通信能力。例如，一张可以显示影集和具有交互能力的桌子为每个物体添加可以被计算机自动识别的标签，标签可以是基于条码、红外和RFID的。例，货架上的商品2）自发的交互信息空间的状态改变映射到物理空间中，其最主要的形式是数字化的信息可以无缝地叠加在物理空间中（上）信息空间也可以自动地觉察物理空间中状态的改变，从而改变相应对象的状态或触发某些事件普适计算中的技术问题－－对计算机科学的各个层次的研究提出的新要求和技术挑战山东大学计算机科学与技术学院在硬件或接入层次上，需要研究和开发出新的嵌入环境的和便于携带的计算设备、传感设备和显示设备在网络层次上，当具有计算、感知能力的物体变得无所不在时，无线网络将成为普适计算的重要基础设施，而网格则可能构成普适计算的网络和计算资源的平台在系统软件层次上，各种异质的具有计算、传感能力的物体间的交互的需求对系统软件提出了前所未有的挑战，需要解决如何使它们实现数据的交互、任务的协作；在传感设备无所不在时如何保护用户的隐私等等一系列问题在人机交互层次上，普适计算要求交互方式从困难烦琐的显式交互转变为透明的蕴涵式交互，这就需要研究新的交互模式和感知接口普适计算的研究领域山东大学计算机科学与技术学院普适计算系统体系结构觉察上下文计算(context)中间件网络服务网格语义网社会－技术问题移动、可穿戴计算无线网及通讯终端用户编程跨媒体与普适计算移动agent及多agent协同设计及三维交互技术自然语言处理