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普及计算 —让信息服务象空气一样无所不在 |
随着信息技术的发展，人们已经无法适应没有电子邮
件和互联网的生活，但可曾想过某天信息服务将象“氧气”
一样环绕四周，随取随用？喧嚣一时的网络泡沫破灭之后，
什么才是下一个信息技术的引爆点？而当计算机越来越
小，性能越来越好时，人们除了更便利的携带方式之外， 还能得到什么呢？
计算技术高度发展的结果是计算机的消失。许多电脑
科学家的现行研究目标正是创造一个不见计算机的以人为
本的信息服务新世界。正是这种信念，使得普及计算 （Pervasive Computing
）的研究冲破近年来信息产业的沉 寂，唤来了新一代信息革命的春风。本文将从技术发展的
角度为您勾画出普及计算的蓝图。文章将讲述被广泛应用，但鲜为人知的嵌入式系统（Embedded
System）如何在日新月异的技术发展中愈发精良，从个体到互动，由量变到质变，脱胎换骨，发展
出今天的智慧空间（Smart
Space）。文章将讲述飞速发展的移动计算技术（Mobile Computing ）如何
与智慧空间相结合，使人们能够在智慧空间中自由活动，享受无所不在的信息服务，并能从一个智
慧空间移 动到另一个智慧空间，这就是普及计算。但是，每一个智慧空间只能覆盖一定范围，而另
一项在紧锣密鼓开发中的新技术，网格计算（Grid
Computing），能象电力网络传电一样传输计算和
信息，于是，在网格计算的支持下，由智慧空间构成的网格使全球智慧空间（Global
Smart Space）
终成可能。在这个空间里，我们不再为我们的身躯所限，心念所至，信息即来，服务即到。人类的
力量将在信息的空间里无限延伸。
1 普及计算（Pervasive Computing）
1．1 前言
Pervasive Computing
被普遍翻译为普及计算。这个词从字面上不好理解。其实，这个名词
更好的翻译是：无间计算。如果这个名词还是让你困惑，那么让我们从电影《无间道》讲起。
这部大家耳熟能详的电影引用了佛经中的“无间地狱”这个专门名词，它出自《法华经》、《俱
舍论》、《玄应音义》等佛经。那么什么是无间呢？据说，这与地狱里的刑罚永不间断有关。
通常的理解中，无间就是不间断的意思。无间地狱里，这个不间断的定义范围有所扩大。传说
中的无间有五种。第一个叫“时无间”，第二个是“空无间”，第三个，是“罪器无间”，第
四个叫做“平等无间”，第五个叫“生死无间”。
有了这个基础，无间计算就好理解了。同样，这里的无间也有五种：第一，“时无间”，
意思是信息服务的时间是没有间断的，日以继夜；第二，“空无间”，也就是说，针对你的个
人信息服务，无论你在哪里，都会传递给你；第三，“罪器无间”，也就是信息服务的载体没
有间断，你可以不停地以不同的工具获取信息服务；第四，“平等无间”，无论男女老幼，都
是平等的，只要加入了无间计算，针对你个人的信息服务就总是有效；第五，“生死无间”，
这个嘛，可以理解为无论系统出现什么异常，你能享受到的服务总是连续的，你感觉不到服务
器转换等细节问题的处理。这就是无间计算，不同的是，地狱的无间在这里是信息的无间，人
类视听触觉的无间，这是一个信息无间的天堂。
然而，通往天堂的路途并不是畅通无阻的，电脑大师们面壁十年，集五方乐土之灵慧，方
使无间信息服务成为可能。但是，无间的信息服务带给人们的究竟是享受还是刑罚却因人而异，
只有洞晓个中三味的人方可悠游其间。本文的目的正是给大家绘出未来信息天堂的蓝图。如果
这篇文章能够燃起读者心中对科技的热情，能够带给科技工作者些许启发和灵感，我们将不胜
荣幸。希望在中国的科技精英们的辛勤工作下，这个错失诸多发展良机的国度将会在信息科技
的新一轮竞赛中迈进科技革命的第一集团。
1．2 普及计算蓝图
让我们来设想这样一个情景：
2007 年九月的某一天，某 IT 公司的财务部部长凌野正在复查当月的报表，这时候他办公
室响起悦耳的女声：“凌部长，税务局抽查的人员已到达，张秘书正在第三会议室接待他们，
需要您去作上一季度的财务报告。”税务检查，这可是第一重要的大事，凌野马上放下手上的
工作。但是他并没有手忙脚乱地收集上一季度的报表，相反，他不紧不慢地向第三会议室走去。
路上，他说道：“准备在第三会议室的上季度财务报告。”这句话以及他的容貌、声音被
安装在各个房间和走廊的声音感应器、摄影头收录，送到信息处理器里处理，带在他身上的追
踪纽扣也返回他的位置信息。他的身份同时被智慧标牌（smart
badges），声音识别系统，和容
貌识别系统所确认，系统知道命令由财务部长凌野发出。又经过语义分析，知道凌野需要上季
度的报表及其PPT 幻灯片传送到第三会议室，系统检查凌野对报表的权限。同时，系统也命令
第三会议室的投影仪启动待机。
而我们的凌野部长在给完那条语音命令后，就不再考虑材料的事，他继续通过嵌入式的话
筒和扬声器问系统：“请告诉我来者的姓名和资料。”张秘书已经告诉过系统来者的姓名，系
统经过快速地搜索后告诉凌野：“来人有三个：税务局xx 科李明科长、科员梁惠小姐和科员方
家明先生。其中李科长和梁惠小姐曾经来过公司公干，方先生是第一次来本公司。”
这时，成竹在胸的凌野已经走到第三会议室门口。他稍事整理后推门而入，张秘书正简单
地向三位税务人员介绍公司的业务状况。凌野和三位一一打过招呼，并向初次见面的方先生自
我介绍了一下。寒暄之后，凌野准备作报告，他站到屏幕前作了一个开始的手势，这个会议室
里装有许多嵌入式的声音感应器、摄影头、扬声器，凌部长的手势被探测到并解析出，于是会
议室的灯光慢慢暗了下来，幕墙亮了起来。整墙屏幕分别显示着各种工作或输入画面，最上面
的是上季度的财务报表。
报告进行得很顺利，但是李科长提出要细查深圳分公司的一笔账，凌野立即表示合作。他
对系统说：“通知深圳分公司的财务组余飞组长参与税务抽查会议。”这条命令也被会议室内
的嵌入设备接收到，解析之后，系统定位出深圳分公司余飞的位置。而此时，分公司财务组余
飞组长正在主持该组的例会。由于在会议室，余飞的手机、PDA 已经自动处于无声状态，系统
检测出这种状态，经过比较后，系统显然觉得税务检查比小组例会重要得多，于是在余飞所在
的会议室的幕墙上，一条紧急提示滚动出现：“余飞组长，总公司财务部凌野部长请您参与正
在进行的上一季度税务检查。” 余飞立即回答：“收到，马上准备。”同样，凌野通过语音命
令系统准备好材料，但是在材料显示的时候，系统发觉组员们还未完全离开，而材料中涉及的
某些总部信息只应该被组长级以上的员工掌握，于是系统提示余飞清场。余飞告诉磨蹭的康秘书快一点。在最后一位组员康秘书离去后，幕墙上左边显示出总部的第三会议室图像，而右边
显示出深圳分部上季度的报表。
同样的，总部的幕墙也同时显示出分公司会议室的场景和余飞提供的上季度分公司报表。
一台双向投影仪放在会议室里，以供双方有效地传送纸上材料到 对方的屏幕上。余飞通过视频系
统连接上总部，他们的对话被声 像服务器的语音识别机转录成文 字。在需要的时候，一组计算机
代理系统还可以过滤这些文字并 且将文字和图像送到幕墙上。
同时，会议室幕墙被分成了 视频通讯区，各人的指令及数据 区。这些区域和任务用户模型一
起发送并解译语音的手写的和手势的指令。 比如，扬声器和语音识别机共同通过讲话内容以及
发令者来给命令分类，进而执行这些命令。而这些口头命令也被传送到幕墙上相应的用户区内。
这样，幕墙上同时显示了输入和输出，而用不着那些笨拙的指示装置。这样的传感互熔（sensor
fusion）技术突破了上一代人机界面的制约。
1．3 背景感知（Context-Awareness）
在上述普及计算的例子中，凌野所在的公司在公司范围内已经实现了普及计算。这个环境
里无处不在地装备了许多互熔的传感器，以支持各种协同任务。这些传感器协同工作，和后端
的高性能分布式处理器一起提供了信息服务的智慧（Smartness）。这种智慧使得系统能够识别
用户的身份，并且根据用户所处环境及交流习惯随时随地地提供高效的背景感知
（Context-Awareness）信息服务。
普及计算涉及多项重大的技术革命。从软件的角度来看，其中影响最深远的莫过于背景感
知。我们知道，任何行为都有进行这个行为所处的背景，这个背景提供了这个行为及其所处环
境的额外信息。例如，在一场足球友谊赛中，我与队友积极配合，这是很容易被理解的，而我
说不定还会因此受到称赞。但是，如果我在考试的时候还与同学合作，就会被赶出教室。这两者的差别正是由不同背景所引起，
一个是团队活动，另一个却是个人能力评价。这种情况下， 背景可用来判断某种行为是否恰当。
上述足球赛和考场的背景比较容易通过时间地点来区别。
比如，这个学期的上课时间是周四晚上6:25pm，地点是 113
教室；而校内足球联赛总是在周六 下午2:00pm
于足球场举行。尽管在这个例子中，背景很容易通过一些可观察的因素区别出来，
然而在很多情况下，仅仅通过时间、地点是无法区分背景的。如果回想文章开头的场景，时间
和地点就不能区分出背景。在那个场景中，凌野使用LCD 投影仪来做报告。当凌野准备开始报
告的时候，系统应该自动熄灯并将幻灯片投影到幕墙上。问题是，系统怎样才知道凌野准备报
告？这就需要分析凌野的动作背景。有一些比较确定的信息对投影仪的控制有用，这些信息可
以通过观察人们在类似情况下的动作总结出来。多数情况下，在准备开始报告的时候，作报告
的人会走到幕墙前，会议室内会比较安静，作报告的人会给出一个开始的手势（比如指向屏幕）。
当所有这些情况都发生时，我们可以比较保险地认为报告开始了。这里，三个背景信息用来告
诉我们什么时候该启动投影仪：报告人的位置，屋内噪音大小，以及作报告人的手势。以上提
到的每个信息都帮助我们来判断行为的背景。
我们用嵌入式系统来提供背景信息，计算机在后台处理这些背景信息并且传给应用程序。
但问题是，计算机怎样处理背景信息。通常情况下，应用程序是由用户的指令来启动，否则的
话，就需要一个信号来触发投影设备启动程序。目前大多数的程序启动技术还停留在用户参与
的交互接口，比如对话框之类。这种交互对用户来说是一种干扰，分散了他们的注意力，并且
降低了用户体验（User Experience ）。
我们需要一种方法，使得应用程序通过最少的用户交流来了解所处背景。Schilit 和
Theimer
首次在文章[1]中描述了这种系统，并将其命名为“背景感知（context-aware）”。文章描述
的背景为地点、周遭人群和物体，以及他们在这种场合下的各种变化。之后，有文章将这个定
义扩展到包括时间、季节、天气以及其它自然特征。
1．4 普及计算技术现状
普及计算涉及多项技术和产品。我们需要在一个集成环境中来加强工作协
同，数据传输，以及分布式处理，从而使得各项技术和产品能够有效地合作。
普及计算集中体现了计算技术新潮流的特性，这些特性包括：
·不定存取及无形设备
·嵌入式移动技术
·连接上愈加普及的网络
普及计算旨在提供随时随地的信息服务。普及计算支持所有与互联网
连接的信息环境，无论是固定的还是随机的。商业公司开发了各种便携嵌入
设备来提供移动信息环境，包括PDA，手机和活跃徽章（active badges）。
目前，包括蓝牙、IrDA 和 HomeRF
在内的无线技术都将这些设备通过宽带局域无线通讯网络 连接起来，并且接入了全球互联网。
为了理解变化多端的人类活动，普及计算面临许多技术上的挑战，包括：
无间性—它得无处不在，任何入口都要连接到同一个信息基地；
嵌入性—它得适应人类世界，感知并影响这个世界 ；
移动性—它得允许用户及所需信息服务自由地按其需要移动；
适应性—面对用户需求和操作环境的变化，它得具有灵活性和自发性；
强大，并且高效—它得先将自己从硬件资源的局限中解放出来，进而使整个系统不受用户
需求和可用能源或通讯带宽所限制；
目的性—它得允许用户直接用意图来描述所需服务和软件对象，而不是通过“地址”，譬
如，“最近的打印机”而非“主楼实验室2 号激光打印机”
持续性—它得“时无间”地运行，无需关闭或重启。部分功能可能会根据需要不停开关，
但是普及计算系统作为一个整体将会“无间”地存在。
虽然我们现在还没有完全征服上述挑战，但是大部分基本技术框架已经初具规模，智慧空
间已初显雏形，普及计算的成功箭在弦上，已是志在必得。目前，研究的重点是完善各项技术
并使它们协同工作在一个完整的智慧空间中。
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