作者:袁一雪 来源: 中国科学报 发布时间:2021-10-21
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普适计算30年:从想象到落地

 

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■本报记者 袁一雪

随着当今社会节奏的加快,越来越多的人陷入失眠的痛苦中。有些失眠源自心理,有些失眠则因为身体器质性病变,例如呼吸障碍等。在某医院的病房内,一件被安装在墙壁上的不起眼的小设备,正在不间断地扫描、监测房间内病人的呼吸状况,一旦发现异常,在后台进行记录的同时将信息传递到医生和护士的终端应用上,让他们及时了解病人的情况。

这台设备是由北京大学博雅讲席教授、欧洲科学院院士张大庆团队开发的呼吸监测设备。该设备利用泛在Wi-Fi信号,为普通通信设备赋予人体感知功能。张大庆团队科研人员首次将低功耗、远距离通信的LoRa(远距离无线电)技术运用于远距离非接触感知呼吸。

这项技术属于普适计算范畴。在近日召开的普适计算领域的国际顶级学术会议ACM UbiComp上,该研究成果荣获杰出论文奖。

赋予传输设备感知功能

在这项研究之前,LoRa一直是以“传输者”的面貌示人。“LoRa其实是低功耗局域网无线标准,是一种通信协议,并不支持感知功能。例如,现在的智能电表就是通过内部安装的计量传感器读数,再通过LoRa网关和协议传递到后台。”参与该研究的中国科学院软件所副研究员张扶桑在接受《中国科学报》采访时介绍说。与其他无线传播方式相比,LoRa在同样的功耗条件下传输距离更远,实现了低功耗和远距离的统一。

将感知功能与传输信号叠加的研究是张大庆于2014年在北京大学开展的。2017年,张扶桑以博士后身份加入张大庆团队,开始从事传输信号中加持感知功能的研究。

经过四五年的尝试,张大庆与张扶桑等研究人员利用LoRa接收端配置的双天线,设计了基于信号融合的降噪算法,有效消除了基带信号以及收发不同步带来的误差,大幅提升LoRa感知范围,仅需一对LoRa收发设备,就可以实现在25米范围内监测人体呼吸状况。“我们在测试过程中,因为受到实验场地的限制,只测试25米范围。如果中间有阻隔,在两堵墙的场景下,检测距离依然可达15米。”张扶桑说。

这项成果在发表之时实现了LoRa远距离感知呼吸的国际最佳性能,开启了利用LoRa信号进行无线感知的崭新模式。评委会评价该文章“突破性地提出了使用LoRa做无线感知的全新视角,利用LoRa隔墙感知人体呼吸等使此项研究深具启发性和实用性。作者通过设计一系列精妙的实验,做出了堪称典范的实验验证结果”。

在完成无线感知理论成果的同时,研究人员也在实验室内制备了各种无线感知与传输的设备,并于今年与医院和养老院开展合作,在需要监测呼吸的病人房间内与老年人房间中进行安装。

张扶桑介绍说,他们的Wi-Fi节点设备可以做得很小巧,制作成本低廉,“约合八九十元人民币”。一个房间内安装一台便可监测房间内人的呼吸状况。“无线感知技术不仅可以监测到人的呼吸情况,还能监测人的体位变化。在养老院内,通过智能无线感知,工作人员可以‘看到’哪位老人今天正常起床,正在做饭,或者在床上久卧,抑或是有摔倒的情况。”其实,与基于视觉的设备相比,无线信号并不能让后台的人真正看到,而是在人工智能算法的帮助下显示人的状态。“这种监测比摄像头更人性化,毕竟厕所等位置并不能安装摄像头,而有些危险确实出现在如厕过程中。”

“如果是长期跟踪监测,与无线感知配合的人工智能算法还可将平时的数据储存,一旦发现异常情况,例如卧床、步态迟缓等,就会进行报告。”张大庆补充道。

探索通信感知计算一体化

“LoRa监测是我们开启的一个新方向,提升了感知范围,弥补了现有无线感知的缺陷。”张扶桑表示。不过,随着感知范围的扩大,挑战也随之而来——感知信息变多,受到的干扰也随之增加,处理复杂程度也因此提升。研究人员正在探索的就是大范围内让信号具备扫描功能,并且让信号更具有针对性。他介绍说,这个想法源自5G通信的大规模天线阵列。一台5G基站就可以支持很多人同时使用手机。“受此启发,我们率先在LoRa上进行尝试。”

“不仅是LoRa、Wi-Fi,4G、5G、声波等都是我们的研究对象。”张大庆说。去年,他们就在声波上附加感知功能,通过声波感知用户心跳。“我们利用的是声波可以感知微弱动作的特性,通过智能音箱发送超声波,波打到人体上就能从中获取心跳信息。”张扶桑介绍说。之后,监测信息还可以通过传输信号传递到家人和医生的App上。“未来如果有需要,我们还会将这项技术与边缘计算、云计算相结合。”

而这还不是研究人员的终极目标。“我希望实现通信感知计算一体化。”张大庆表示,“我相信6G时代信号不仅仅是为通信服务,而是做到通信、感知、计算三者的有机融合。而在这三者中,新增的是感知,既让信号具备通信能力又具备感知能力。”

事实上,张大庆正在与国内通信技术头部公司进行合作,期望其在制定6G标准时将这一点纳入其中。“5G时代我国技术已属领先,期望在6G时代,我国也能引领技术方向。”

普适计算让世界更“科幻”

在西北工业大学,该校计算机学院教授郭斌正率领研究人员利用普适计算从事智慧城市方面的研究。在他们预设的场景中,现在以及未来将出现的智能机器或设备将会进行群体协作,完成个体难以完成的任务,实现“1+1>2”的效果。例如,当人们出来旅游,他们如何更好地了解一个陌生城市,也许“机器精灵”的陪伴将是一个不错的选择。

郭斌介绍说:“我们设计了一种虚实结合的陪伴型机器人AI-Mate,你可以带着它在城市里走,它可以‘以第一人称视角’感知用户周边动态场景并且与其进行多模式自然互动(视觉、语言、情感、动作等),以场景驱动、个性化的方式与用户交流景点典故与风土人情。旅行结束后,它还能结合旅行拍摄、用户兴趣与交互过程自动生成旅行日志,供用户分享。

作为虚实结合的陪伴型机器人,AI-Mate可以根据应用场景,在机器人本体与用户的智能终端(如手机、可穿戴设备)间随意迁移,实现以人为中心、无处不在的泛在交互与计算。”

“未来智能家居、智慧城市中会出现各种各样的智能终端与机器人,如无人车、无人机、服务机器人等。它们将通过相互协作增强实现从‘弱’个体智能到‘强’群体智能的转变。”目前,郭斌率领研究团队正在开拓普适计算一个新的方向:人机物融合群智计算。它融合普适计算、智能感知、人机物融合泛在计算、群体智能等多领域知识。“现在人类正在进入‘人机物’三元融合的万物智能互联时代,未来将通过人机物异构群智能体协作增强与联结共生,构建具有自组织、自学习、自适应、持续演化能力的智能感知计算空间,在智慧城市、智能制造、智能家居、军事国防等重要领域均具有广泛应用前景。”郭斌介绍说。

不论哪种应用场景,普适计算诞生之初就被赋予了“无处不在”的含义。“未来,普适计算让人不再依赖可穿戴设备。人们监测血压、心率、睡眠等生理指标时也不再需要佩戴侵扰性仪器,而是在自然的、毫无察觉的过程中完成检测。”张大庆说。

1991年,普适计算由Mark Weiser提出,至今已有30年。在当年计算机都显得笨重的时代,他提出的类似便利贴大小、纸张大小与黑板大小的电子设备,如今都已经实现。“那时他的想法对于很多人来说都是不可思议的,现在看起来却如此有前瞻性。可以说普适计算学者是富有想象力的人。”张扶桑说,“我希望未来可以有更多学者加入,完善这门交叉学科,让它更完美地落地,为更多人服务。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1145/3397326

《中国科学报》 (2021-10-21 第3版 信息技术)
 
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