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1、嵌入式计算 智能化与普适化发展,西北工业大学计算机学院 周兴社 2009年5月23日,嵌入式智能计算及其应用,应用需求(1),智能化武器装备 智能化武器装备是指基于嵌入式计算、人工智能、自适应控制等技术的具有环境适应性与智能决策能力的军事装备的统称。 武器装备智能化，主要是指其具有自记忆、自寻找、自选择、自跟踪、自识别等“智能”，从而有效提高武器装备的作战性能和综合作战效能.,典型智能化装备 空中将继续发展智能无人机 美国2030年无人机发展路线图;自主决策、集群协作、全天候长航时; 在陆上将出现战术无人车(TUV)和地面无人车(UCV) 水中将出现自主式无人潜航器(UUV)，可用于潜艇战和反
2、潜战,应用需求(2),智能化民用系统 智能驾驶辅助系统 IDAS 帮助司机更安全舒适驾驶,减少交通事故发生率，提供最佳行驶路线，进行最优速度控制和油耗控制; 智能照明控制系统 ILCS 通过感知信息的交互，计算空间光能分布，自动调节照明亮度和方向，实现光能均匀分布和减低能耗。,智能化生活工具 将智能化引入到日常生活工具中，提高生活工具的自主化和精密度,不再被动受人简单控制,而能提出生活建议,改善人们生活品质。 CMU智能餐具 Intelligent Cutlery 智能勺子内置糖浓度,PH,盐浓度等传感器,检测食品中各营养成分含量，数据通过网络给家庭计算机处理，帮助烹饪者改善食物的味道或营养。
3、 智能显微手术器械 IMI 智能显微手术器械对 正常的生理抖动进行 误差补偿，使器械的 抖动能够满足显微 定位的高精度要求.,主要研究内容(1),面向新型嵌入式智能化应用特点，嵌入式智能计算理论与技术研究主要有以下四个方面：,实时智能 计算理论,实时智能 计算机制,嵌入式实时 智能化软件,嵌入式多态智能计算平台,嵌入式智能计算 应用系统一体化设计,建议研究内容(2),主要研究实时智能计算模型、多态计算模型 、多智能体协同策略、智能体状态可控性分析以及实时智能计算系统性能评价等。,实时智能 计算理论,实时智能 计算方法,实时Agent设计方法 、多Agent通信及其自主协同机制； 实时知识表示及
4、其实时推理；实时任务自主规划与执行， 环境自适应的智能任务执行与管理机制；软件自愈策略 与机制。,建议研究内容(3),实时智能 计算平台,嵌入式高性能可重构芯片；多态自主实时计算平台；嵌入式实时智能化软件基于模型的设计与验证技术及其开发支撑工具集等；,嵌入式智能计算应用系统 一体化设计计术,面向典型的嵌入式智能计算国防和民用系统, 研究系统一体化设计以及集成化验证,系统仿真等.,普适计算新发展,普适计算的主要特性,无所不在的计算 无处不有的网络，无所不在的计算，创造出一个充满计算和通信能力的环境 以人为中心的计算 普适计算是以人为中心的计算模式，计算环境力求依据使用者的意图提供服务,为使用者提
5、供自然的交互方式.,不可见的计算 “精深的技术将自身融入日常生活而使人们无法感受其存在”。 不可见性(Invisibility)是指计算与通信能力隐藏在物理空间和各类设备中,对用户是透明的. 连续动态的计算时空观 计算节点的连续移动，计算环境的动态变化是其基本特性，计算活动要适应连续的动态环境，并提供持续和稳定的服务.,普适计算带动传统研究方向发展,最新研究发展（1）,由单一封闭智能空间向多开放智能空间扩展,智能空间的应用逐渐呈多尺度化、复杂化;智能空间正由物理上相对封闭的环境（如智能房间），逐步面向相对开放的环境（如智能购物中心);由小规模走向大规模。 信息交互也由单个孤立智能空间的内部交互
6、， 逐渐发展到涉及多个智能空间之间的信息交互。 涉及动态用户任务迁移,泛化普适资源管理 ,自适应多模式信息服务等,普适计算与生物技术融合 通过可穿戴设备感知用户生物特征，如脉搏、血压和体温等，推断用户身体状态； 利用传感器接触用户头部以读取波和波等脑波，探测用户大脑的放松程度和集中程度； 检测用户目前的脑波状态，并在运算后理解用户意念，达到控制计算设备完成用户任务的目的。,最新研究发展（2）,普适计算与机器人技术融合 把小型移动机器人整合到普适环境中，具有高模块化、自适应、低成本的特点； 机器人具备普通计算机不拥有的功能，可完成环境感知、用户定位和导航等； 机器人具有一定的智能，可完成用户状态
7、监测、系统智能决策和任务仲裁等功能。,最新研究发展（3）,最新研究发展（4）,智能手机作为普适计算的一个重要终端型载体 智能手机具有普及率高、用户基础好、便携性佳、计算能力相对较强、随时随地的无线通信能力等优势。 基于智能手机的高端服务可以实现许多人们日常急需的信息服务，3G 智能手机已是首选的普适信息服务终端;,最新研究发展（5）,越来越重视人机交互中的自然、和谐问题 分析近两年普适计算一流会议论文， 已越来越重视普适环境中的自然人机 交互问题以及用户研究，而关于设备、 硬件方面的文章逐渐减少。,Aware Home提供的烹调服务交互,最新研究发展（6）,面向典型应用领域 在现阶段的科技水平
8、下，以何种应用向用户展示普适计算的美好蓝图是学术界面临的挑战性问题之一; 何种应用能阐释普适计算“以人为中 心”的终极理念，是众多学者困惑的 问题之一。 目前国际上重视healthcare典型应用 研究;尤其是欧洲;,Cyber-Physical Systems,CPS 概念,Cyber-Physical System是一个综合计算、网络和物理环境的系统。在这类系统中，计算通过反馈环路控制物理过程，同时物理环境的变化也在影响计算。它的设计不仅要考虑计算对物理过程的控制,还要考虑计算对物理环境的适应性。 -S.Shankar Sastry, UC Berkeley 翻译:计算-物理系统; 虚拟物
9、理系统;,CPS主要特点 离散的计算/信息处理与连续的物理过程紧密交互为一体;无法判定CPS的行为属性为那一个或两个共同作用所产生的结果; CPS的功能与特点通过计算对象与物理过程互动所体现;系统自主适应内部和环境变化; CPS中的嵌入式计算与网络设备与其所处环境之间的交互具有特定的物理性能和资源消耗以及对系统行为的不同作用.,CPS应用优势与主要领域 CPS实现计算/通信技术与物理工程的一体化设计,将改变人们与现实世界互动方式; CPS设计可使系统更加安全高效,能支持多机器协同工作,可提供新的高级功能; 现代汽车将电脑控制与机械系统 一体化,是CPS的早期成功典范: 计算机控制的发动机对汽车
10、设计 中提高燃料燃烧效率和降低污染 排放至关重要;,航空航天,武器装备,能源系统,工业自动化系统,保健医疗设备, 重大基础设施等;均可构造成CPS系统.,美国CPS研究计划,美国PCAST一致认同NIT研究重心将转向CPS,要求将CPS放在首要位置;美国（NSF）将CPS确定为关键研究领域; 多机构合作研究 NSF：研究CPS系统科学和工程理论。构建大学-工业-政府交流平台促进之间 协作。$75 million per year DOD/DARPA: 集成各类CPS技术，工具及试验台;面向军事应用。 $100 million per year NASA: 设计高可信CPS技术平台。$20 mi
11、llion per year,北美主要学术会议和研究社区,NSF Workshop on CPS; National Meeting on Networked Embedded Control for CPS; National Workshop on High Confidence Software Platforms for CPS; NSF Industry Round-Table on CPS ,计算系统与物理系统的分离发展传统模式,计算系统设计者对计算机相连的物理环境特性和要求仅有笼统概念;主流编程语言的抽象中一般缺乏明确的时间和物理参数表示,将物理特性笼统认为是非功能特性(时间,功
12、耗,可靠性); 物理系统工程师设计的物理系统模型将计算机作为一个严格执行算法的设备,忽略了嵌入式计算与通信平台的物理特性以及主要性能(任务调度,资源管理,通信延迟),将这些性能认为是次要的执行问题; 嵌入式计算系统的研究与努力主要集中于解决物理环境对NIT带来的挑战;CPS不是简单地在传统产品中植入计算与通信设备,而是将计算和网络融入物理系统中,以产生新功能并提升系统质量;,主要研究内容(1),CPS设计方法论及其工具 20世纪为计算系统和物理系统设计分别提出了有效的设计方法和工具,但CPS设计难度远超过两个领域的简单叠加;需求分析和设计更加复杂化; 需要抽象能力更强的系统模型表达离散计算与连
13、续物理实体的统一语义和衔接; CPS设计集成,仿真与验证方法及其工具;将高风险的工程实践转化为以科学为基础的新型工程学科. CPS集成化管理与控制 适合CPS的体系架构; 多时空尺度下物理过程控制;传感器/执行器网络设计 通信,计算,控制的融合,主要研究内容(2),CPS软件设计技术 深度嵌入式软件及其可预测性 适应CPS的高可信软件设计方法 基于模型的CPS软件设计工具 CPS应用实验系统 CPS技术集成 应用原型一体化设计与开发 典型应用情景仿真与实验,几点建议,嵌入式计算的智能化与普适化充分体现了信息技术惠及大众的理念与发展趋势,新的系统形态与应用模式引发了新的科学问题与基础技术的挑战,建议列入基金委十二五发展规划; 嵌入式计算的智能化与普适化具有鲜明的多研究方向/跨学科融合的特点,建议发挥”3C”学科的综合优势; 嵌入式计算的智能化与普适化研究面向应用领域,建议基础研究与重大应用示范相结合.,初浅认识,敬请指导 ! 谢谢！,
