2011年度CCF青年科学家奖 推荐工作启动 2011年度CCF王选奖 推荐工作启动 中国计算机学会王选奖是由中国计算机学会设立的计算机科学技术创新和进步 奖 奖励在计算机及相关领域有显著学术成就 对社会有重要贡献的个人 本奖项 旨在推动中国计算机及相关领域的科技创新和进步 促进科研成果的转化 促进

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1 为鼓励计算领域的博士研究生写出具有创新性的优秀论文 解决实际问题 使他们尽早获得同行认可 中国计算机学会设立优秀博士学位论文奖 2011年度 CCF优秀博士学位论文推荐工作即日启动 相关事项如下 1. 本次优秀博士学位论文的评选范围为2009年7月1日至2011年6月30日期间在国内获得计算机 第7卷 第 8期 总第66期 2011年8月 CCCF 参评条件 中国计算机学会通讯 2011年度CCF优秀博士学位论文奖 推荐工作启动 科学与技术学科相关专业博士学位的学位论文 2. 参加评选的博士学位论文须经具有计算机科学与技术学科博士点的高校计算机学院 系 或 研究机构推荐 每个具有一级学科博士点单位推荐参评学位论文不超过2篇 其他不具有一级学科 博士点的单位限推荐1篇 此前已经参评过的论文不得再被推荐 3. 具体参评条件和约束条件见 中国计算机学会优秀博士学位论文奖条例 参评申报材料 1. 印刷论文1本 电子版论文1份 2. CCF优秀博士学位论文推荐表 必须有作者答辩时所在单位 如系 院 所等 负责人签 字 单位盖章 3. 其他相关证明材料 4. 评审费 1000元/篇 CCF会员800元/篇 评选时间安排 受理 2011年7月11日至2011年9月18日 格式和资质审查 2011年9月19日 9月25日 初评 2011年9月26日 10月28日 CCF组织小同行专家对申报材料进行初评 从中评选出不 超过30篇入围侯选优秀博士学位论文 初评公示 2011年11月6日 11月12日 10篇 另有不超过5篇论文获提名奖 第 终评 2011年11月17日 11月23日 CCF终评委员会进行终评 评出获奖者 获奖总数不超过 卷 7 第 终评公示 2011年11月24日 2011年11月30日 申报材料和评审费须于2011年9月18日17:00前报送到CCF 过期无效 期 8 通信地址 北京2704信箱 联系 余遐 awards@ccf.org.cn 赞助 月 8 年 2011 电话 传真 可穿戴计算 P6 中国IT如何进行原始创新? P38 内容App化 App社交化 P51 中国计算机学会推荐国际学术刊物 一 P69

2 2011年度CCF青年科学家奖 推荐工作启动 2011年度CCF王选奖 推荐工作启动 中国计算机学会王选奖是由中国计算机学会设立的计算机科学技术创新和进步 奖 奖励在计算机及相关领域有显著学术成就 对社会有重要贡献的个人 本奖项 旨在推动中国计算机及相关领域的科技创新和进步 促进科研成果的转化 促进IT 产业的发展 推动科技界学术共同体评价体系的建立 本奖项代表了国内同行的专 业评价和认可 并得到国家科学技术奖励工作办公室的批准 2011年度CCF 王选奖 推荐工作从即日起开始 面向学会全体会员征集 为激励和表彰中国计算机及相关领域里在科学研究 技术发明 系统开发及应 用推广等方面有突出成就和重大贡献的青年科技工作者 促进青年人才成长 中国 计算机学会设立了CCF青年科学家奖 2011年度CCF青年科学家奖推荐工作即日启动 有关内容如下 评选对象 在科学研究 技术发明 系统开发及应用推广等方面有突出成就和重大贡献 1971年1月1日以 参评条件 1 在基础研究或应用基础研究方面有得到国内外同行公认的重大理论突破或做出原创性的研 后出生的CCF会员 究成果 2 有重大的技术发明或技术突破 通过原理性样机或系统 展示了新思想 新技术或新方 推荐方式 1. 采用 联名 推荐方式 由不少于3名C C F理事 监事或高级会员联名推荐 也可混合推 法 被后来的研究者采纳 并最终影响了工业界 3 把新技术首次应用到某一领域 并效果显著 得到了一定的推广 形成了对产业或社会的 荐 填写推荐表格 推荐者中须有1人非常熟悉被推荐人成就和贡献情况 该推荐者称为主推荐 人 主推荐人须能对被推荐人情况进行书面或口头陈述 并回答评奖 分 委员会的问题 重要影响 4 在与信息化建设相关的计算机系统重大工程方面取得了创新性成果 产生了良好的经济和 2. 每一位推荐人本次推荐人数不超过2名 社会效益 受理推荐时间 推荐方式 根据 中国计算机学会王选奖评奖条例 规定 该奖项实行个人联名推荐制 由CCF理事 专 业委员会委员 CCF高级会员等推荐 满足如下任一条件的推荐为有效推荐 1 三位 含 以上CCF理事联名推荐 其他会员或人士发现优秀的人选 也可向学会秘书处推荐 学会秘书处收到后将委托一名副理 事长及三名以上理事审阅推荐项目并完成正式推荐手续 请推荐人填写中国计算机学会王选奖推荐表 发电子邮件并同时传真 或寄送 至联系人 推荐截止日期 2011年10月11日 通信地址 北京2704信箱 联系 余遐 awards@ccf.org.cn 同时发送电子版至联系人邮箱 评选程序 2 五位 含 以上CCF专业委员会委员或CCF高级会员联名推荐 电话 传真 年9月20日至2011年10月20日 推荐表须在2011年10月20日17:00前邮寄或传真至联系人 年9月20日~10月20日 受理推荐材料 2. 评奖分委员会评选出不超过10名候选人 报送CCF奖励委员会 3. 终评委员会评选出不超过5名获奖者 网上公示评奖结果 年1月7日 CCF青年科学家奖颁奖 通信地址 北京2704信箱 赞助 电话 传真 联系 余遐 awards@ccf.org.cn

3 COMMUNICATIONS OF THE CCF 主 办 中 国 计 算 机 学 会 China Computer Federation 刊 名 题 字 张 效 祥 编 辑 中 国 计 算 机 学 会 通 讯 编 辑 部 编 辑 部 主 任 : 苗 明 午 地 址 : 北 京 市 海 淀 区 科 学 院 南 路 6 号 通 信 : 北 京 2704 信 箱 电 话 :(010) 传 真 :(010) cccf@ccf.org.cn 本 刊 声 明 为 支 持 学 术 争 鸣, 本 刊 会 登 载 学 术 观 点 相 左 的 文 章 刊 登 的 文 章 只 反 映 作 者 的 观 点, 与 本 刊 无 涉 主 编 李 国 杰 执 行 主 编 石 纯 一 副 主 编 胡 事 民 金 海 专 题 主 编 编 委 专 栏 主 编 编 委 动 态 主 编 编 委 译 文 主 编 编 委 新 闻 编 委 学 会 论 坛 主 编 CCF 理 事 长, 中 国 科 学 院 计 算 技 术 研 究 所 所 长, 中 国 工 程 院 院 士 CCF 高 级 会 员, 清 华 大 学 教 授 CCF 常 务 理 事, 清 华 大 学 教 授 CCF 常 务 理 事, 华 中 科 技 大 学 教 授 胡 事 民 CCF 常 务 理 事, 清 华 大 学 教 授 马 华 东 CCF 理 事, 北 京 邮 电 大 学 教 授 张 莉 CCF 高 级 会 员, 北 京 航 空 航 天 大 学 教 授 李 克 秋 CCF 会 员, 大 连 理 工 大 学 教 授 童 若 锋 CCF 会 员, 浙 江 大 学 教 授 肖 侬 CCF 高 级 会 员, 国 防 科 学 技 术 大 学 教 授 金 海 CCF 常 务 理 事, 华 中 科 技 大 学 教 授 胡 雷 钧 CCF 会 员, 浪 潮 ( 北 京 ) 电 子 信 息 产 业 有 限 公 司 技 术 总 监 潘 柱 廷 CCF 理 事, 北 京 启 明 星 辰 公 司 首 席 战 略 官 孙 毓 忠 CCF 高 级 会 员, 中 国 科 学 院 计 算 技 术 研 究 所 研 究 员 王 千 祥 CCF 高 级 会 员, 北 京 大 学 教 授 武 永 卫 CCF 会 员, 清 华 大 学 教 授 於 志 文 CCF 高 级 会 员, 西 北 工 业 大 学 教 授 孟 小 峰 CCF 理 事, 中 国 人 民 大 学 教 授 丁 治 明 CCF 高 级 会 员, 中 国 科 学 院 软 件 研 究 所 研 究 员 李 红 燕 CCF 高 级 会 员, 北 京 大 学 教 授 王 国 仁 CCF 高 级 会 员, 东 北 大 学 教 授 汪 卫 CCF 高 级 会 员, 复 旦 大 学 教 授 谢 幸 CCF 高 级 会 员, 微 软 亚 洲 研 究 院 主 管 研 究 员 李 翠 平 CCF 会 员, 中 国 人 民 大 学 副 教 授 陈 文 光 CCF 高 级 会 员, 清 华 大 学 教 授 过 敏 意 CCF 高 级 会 员, 上 海 交 通 大 学 教 授 袁 晓 如 CCF 高 级 会 员, 北 京 大 学 研 究 员 刘 挺 CCF 高 级 会 员, 哈 尔 滨 工 业 大 学 教 授 计 红 梅 CCF 会 员, 科 学 时 报 新 闻 中 心 副 主 任 杜 子 德 CCF 秘 书 长

4 CONTENTS 目 录 第 7 卷 第 8 期 总 第 66 期 2011 年 8 月 本 期 导 读 可 穿 戴 计 算 真 实 自 然 地 增 强 人 与 计 算 机 交 互 的 手 段 是 可 穿 戴 计 算 需 要 解 决 的 问 题 其 中 的 学 问 涉 及 到 对 人 感 知 能 力 的 理 解 和 对 计 算 机 人 机 接 口 极 限 的 应 用 如 何 让 计 算 机 与 人 的 联 系 更 加 紧 密, 让 计 算 如 影 随 行? 本 期 专 题 邀 请 该 领 域 的 专 家 组 织 了 6 篇 文 章, 力 图 全 面 介 绍 可 穿 戴 计 算 的 主 要 研 究 和 应 用 领 域 P6 专 题 6 可 穿 戴 计 算 特 邀 编 辑 陈 东 义 8 可 穿 戴 计 算 的 发 展 陈 东 义 夏 侯 士 戟 13 基 于 生 理 计 算 的 人 机 交 互 王 宏 安 田 丰 戴 国 忠 18 可 穿 戴 计 算 在 欧 洲 wearit@work 项 目 迈 克 尔 劳 辛 幸 迈 克 尔 布 赫 鲁 夫 斯 卡 奥 特 林 赫 尔 茨 克 25 可 穿 戴 健 康 监 护 系 统 在 韩 国 李 素 姬 金 惠 静 杰 拉 德 颜 龙 柳 海 俊 29 面 向 移 动 增 强 现 实 的 视 透 型 头 戴 显 示 器 雅 尼 克 罗 兰 德 凯 文 汤 普 森 专 栏 38 中 国 IT 如 何 进 行 原 始 创 新? CCF YOCSEF 专 题 论 坛 王 涛 刘 挺 袁 晓 如 42 创 新 就 是 解 决 现 实 问 题 杜 子 德 敬 告 读 者 欢 迎 读 者 对 本 刊 提 出 意 见 或 建 议 编 辑 部 联 系 方 式 : 电 话 :(010) cccf@ccf.org.cn 45 在 美 国 做 博 士 后 的 工 作 体 会 张 京 芬 49 多 点 思 想, 少 点 技 巧 彭 思 龙 51 内 容 App 化,App 社 交 化 陈 榕 57 多 核 体 系 下 的 并 行 程 序 调 试 霍 玮 李 丰

5 动 态 64 国 际 会 议 介 绍 : 计 算 机 支 持 协 同 工 作 国 际 会 议 赵 晨 66 研 究 进 展 报 告 :2010 理 论 计 算 机 科 学 年 会 报 告 王 挺 殷 建 平 69 中 国 计 算 机 学 会 推 荐 国 际 学 术 刊 物 ( 一 ) 译 文 74 利 用 查 询 数 据 探 测 流 感 传 播 杰 里 米 金 斯 伯 格 等 ( 译 者 张 宇 宋 巍 ) 新 闻 80 国 际 网 络 安 全 保 护 联 盟 在 英 国 成 立 英 研 发 新 型 计 算 机 系 统 识 别 人 类 语 言 美 研 发 光 子 神 经 元 运 算 系 统 IBM 研 发 出 最 新 多 位 相 变 存 储 器 互 联 网 搜 索 改 变 人 类 的 记 忆 方 式 新 技 术 大 幅 提 高 电 子 芯 片 制 冷 效 果 活 动 计 划 年 度 CCF 部 分 活 动 计 划 ~2012 年 度 CCF YOCSEF 部 分 活 动 计 划 88 会 员 园 地 学 会 论 坛 90 CCF 通 过 两 部 规 章 92 读 编 往 来 本 期 导 读 中 国 IT 如 何 进 行 原 始 创 新 创 新 是 现 在 处 处 可 见 的 热 门 词 语, 很 多 地 方 已 经 被 滥 用, 偏 离 了 创 新 的 本 质 创 新 的 本 质 是 解 决 实 际 问 题, 是 一 个 过 程, 是 一 个 生 态, 而 不 仅 仅 是 一 个 口 号 改 革 开 放 30 年 来, 我 国 基 础 研 究 的 创 新 已 经 取 得 了 长 足 的 发 展, 然 而, 我 们 的 创 新 大 多 还 是 跟 随 性 而 缺 少 引 领 性, 我 们 依 然 期 待 并 呼 唤 原 始 创 新 P38 信 息 索 引 2011 CCF 王 选 奖 推 荐 工 作 启 动 封 二 CCF 会 员 代 表 推 选 工 作 启 动 P6 CCF@U-62: 大 连 工 业 大 学 P7 CCF YOCSEF 举 行 培 训 P10 CCF@U-63: 东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校 P16 CCF 资 助 YOCSEF-GS 委 员 出 席 上 海 活 动 P17 CCF 专 业 委 员 会 换 届 工 作 启 动 P23 CCF YOCSEF CLUB 在 浪 潮 举 办 P27 CCF ADL 第 17 期 虚 拟 化 技 术 在 武 汉 举 办 P36 CCF 财 务 预 决 算 公 布 P47 国 产 基 础 软 件 技 术 发 展 研 讨 会 召 开 P50 第 六 届 中 国 生 物 识 别 学 术 会 议 征 文 P53 CCF YOCSEFF 召 开 2011~2012 首 次 AC 会 议 P55 CCF@U-66: 辽 宁 师 范 大 学 P60 CCF 奖 励 委 员 会 召 开 工 作 会 议 P62 CCF@U-68: 西 安 理 工 大 学 P65 CCF 秘 书 长 杜 子 德 看 望 陈 国 良 院 士 P67 CCF@U-70: 四 川 大 学 P CCF 吕 梁 教 育 扶 贫 活 动 P79 电 脑 Watson 与 图 灵 检 验 在 京 举 办 P87 CCF ADL 第 20 期 P CCF 青 年 科 学 家 奖 推 荐 工 作 启 动 封 三 2011 CCF 优 秀 博 士 学 位 论 文 奖 推 荐 工 作 启 动 封 底

6 Communications of the China Computer Federation Contents Vol.7 No /8 Features 6 Wearable Computing Guest Editor: Chen Dongyi 8 The Development of Wearable Computing Chen Dongyi and Xiahou Shiji Prof. Chen et al. from the University of Electronic Science and Technology of China summarize some key research progress on wearable computing and present some novel application patterns of next generation wearable computing. 13 Interacting with Computers Based on the Psychological Computing Wang Hongan, Tian Feng and Dai Guozhong To help coaches monitor and analyze Badminton players' status, Prof. Wang et al. from the Institute of Software, CAS, present a system called Physiological Plan, based on physiological computing. They conduct a field study in China National Badminton Team and a Badminton team in Beijing Sport University. It shows that this system is highly appreciated by coaches. 18 Wearable Computing in Europe -- wearit@work Michael Lawo, Xin Xing, Michael Boronowsky, and Otthein Herzog During the years from 2004 to 2009, the European Commission Integrated Project wearit@work has carried out the research of 'wearable computing' as a technology to support the mobile workers in the different environments. Prof. Lawo et al. from the Universität Bremen, Germany, present an informative introduction to the research results and experiences of this project. 25 Wearable Healthcare Systems in Korea Seulki Lee, Hyejung Kim, Jerald Yoo, Long Yan and Hoi-Jun Yoo Ms. Lee et al. from the Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) review some previous wearable healthcare systems for sweat, heart, and sleep monitoring. Thanks to the Planar Fashionable Circuit Board (P-FCB) techniques and the optimally designed IC, these systems become very comfortable to the human skin, and consume extremely low power so that they are suitable for continuous and daily health monitoring at home which is the most promising area of the wearable healthcare. 29 See-Through Head Worn Displays for Mobile Augmented Reality Jannick P. Rolland and Kevin P. Thompson A generation of look-at displays resting on the nose bridge appeared around 2000, but the market did not embrace it. Suddenly, now, social media has burst on the scene and wireless access has become ubiquitous. The result is a renewed research interest in a family of see-though Head Worn Displays enabling real-time interaction throughout the global community. Prof. Rolland from University of Rochester, N.Y., USA and Dr. Thompson, the Group Director of Research and Development/Optics for Synopsys, Inc. present the paths that are currently being pursued towards a consumer market solution and the market and technological barriers to entry. Columns 38 How to Generate Original IT Innovation in China Wang Tao, Liu Ting and Yuan Xiaoru As the co-chairs of CCF YOCSEF forum titled How to Generate Original IT Innovation in China, Dr. Wang from the Intel China Research Center, Prof. Liu from Harbin Institute of Technology, and Prof. Yuan from Peking University, summarize the major viewpoints of invited speakers on the relevant issues.

7 42 The Innovation is to Solve the Real Problems Du Zide Prof. Du from the China Computer Federation (CCF) points out that the goal of innovation is to solve the real problems, and analyzes the reasons which hindering the innovation in China. He gives some cases. 45 A Post-Doctoral Scholar s Experiences of Working Abroad Zhang Jingfang Based on her own experiences in University of Missouri, U.S.A., where she stayed for 4 years as a Post-Doctoral scholar, Dr. Zhang, gives her reflection on working at a laboratory abroad. 49 Research Needs Idea More than Skill Peng Silong According to Prof. Peng from the Institute of Automation, CAS, skill means the methods of doing experiments, deriving propositions, writing papers, using tools and so on. He points out that for a researcher these are far less important than genera-ting unique ideas. 51 Media Contents Turned into Apps, while Apps shared via Social Networks Chen Rong According to Dr. Chen, the founder of Shanghai Kortide Technology Co. Ltd, on a mobile device, it becomes a trend of media contents being packaged as Apps, while Apps shared via Social Networks. As Apps are more robust against piracy and easier to created new business models, they have gained traction and support from consumers and developers alike. The technologies of cloud computing and new mobile operating systems are not only making computing much more efficient, they also help to secure fenced-gardens of social networks, in turn to protect the integrity of media contents. 57 The Technology of Deterministic Replay Huo Wei and Li Feng Mr. Huo and Ms. Li from the Institute of Computing Technology, CAS, present an introduction to deterministic replay, an important technology for parallel program debugging, covering the backgrounds, challenges and recent research progress of this technology. Advances 64 International Conferences The 2011 ACM Conference on Computer Supported Cooperative Work Zhao Chen 66 Research Reports The 2010 National Conference on Theoretical Computer Science Wang ting and Yin Jianping 69 The Lists of the International Academic Journals Recommended by the CCF (Part 1) The Academic Working Committee of the CCF Translations 74 Detecting Influenza Epidemics Using Search Engine Query Data Jeremy Ginsberg, Matthew H. Mohebbi, Rajan S. Patel, Lynnette Brammer, Mark S. Smolinski and Larry Brilliant (translated by Zhang Yu and Song Wei) cccf@ccf.org.cn Editor in Chief: Li Guojie Executive Editor in Chief: Shi Chunyi Director of the editorial department: Miao Mingwu P.O.BOX2704 Beijing, Tel: (8610) cccf@ccf.org.cn

8 专 题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 可 穿 戴 计 算 关 键 词 : 可 穿 戴 计 算 特 邀 编 辑 陈 东 义 电 子 科 技 大 学 作 为 一 种 崭 新 的 计 算 模 式, 可 穿 戴 计 算 (wearable computing) 将 促 成 新 的 计 算 理 论 和 应 用 模 式, 是 计 算 领 域 的 前 沿 技 术 方 向 可 穿 戴 计 算 系 统 和 终 端 是 一 种 个 人 移 动 计 算 平 台, 能 够 实 现 对 用 户 自 然 持 续 地 辅 助 目 前, 可 穿 戴 计 算 系 统 发 展 出 多 种 形 态 和 类 型, 有 可 穿 戴 网 络 终 端 可 穿 戴 数 字 助 理 可 穿 戴 服 务 器 可 穿 戴 传 感 系 统 可 穿 戴 通 信 终 端 可 穿 戴 消 费 电 子 装 置 可 穿 戴 健 康 监 护 装 置 和 可 穿 戴 计 算 服 饰 ( 嵌 入 计 算 功 能 的 航 天 服 潜 水 服 ) 等 等 自 20 世 纪 90 年 代 后 期 可 穿 戴 计 算 研 究 兴 起 以 来, 其 研 究 范 畴 不 断 扩 展, 已 经 发 展 成 为 可 穿 戴 IT 技 术, 重 要 的 学 术 和 应 用 成 果 层 出 不 穷, 成 为 国 际 计 算 领 域 稳 定 的 前 沿 研 究 方 向 许 多 发 达 国 家 已 投 入 巨 资, 推 出 了 可 穿 戴 计 算 研 究 计 划 无 论 是 学 术 界 还 是 产 业 界, 各 国 在 可 穿 戴 计 算 领 域 均 已 形 成 竞 争 态 势, 这 也 预 示 他 们 对 可 穿 戴 计 算 将 成 为 下 一 代 主 流 计 算 形 式 的 超 前 布 局 本 专 题 组 织 了 5 篇 文 章, 作 者 都 是 该 领 域 的 专 家, 力 图 全 面 介 绍 可 穿 戴 计 算 的 主 要 研 究 和 应 用 领 域 长 期 从 事 可 穿 戴 计 算 研 究 的 电 子 科 技 大 学 陈 东 义 教 授 等 撰 写 了 一 篇 综 述 性 文 章, 简 要 回 顾 了 可 穿 戴 计 算 发 展 历 程, 论 述 了 研 究 现 状 和 趋 势 中 国 科 学 院 软 件 研 究 所 王 宏 安 田 丰 和 戴 国 忠 研 究 员 就 基 于 生 理 计 算 的 人 机 交 互 做 了 专 门 论 述 CCF 会 员 代 表 推 选 工 作 启 动 CCF 第 十 届 会 员 代 表 大 会 会 员 代 表 推 选 工 作 于 2011 年 8 月 1 日 启 动 根 据 刚 刚 通 过 的 中 国 计 算 机 学 会 第 十 届 会 员 代 表 大 会 会 员 代 表 产 生 办 法,CCF 第 十 届 会 员 代 表 共 分 为 三 类,A 类 是 按 照 办 法 的 要 求 由 会 员 分 选 区 推 选 产 生 *;B 类 是 由 在 第 九 届 理 事 会 任 职 期 间 担 任 常 务 理 事 正 副 秘 书 长 工 作 委 员 会 主 任 专 业 委 员 会 主 任 或 秘 书 长 职 务 者 组 成 ;C 类 是 由 第 九 届 常 务 理 事 会 邀 请 的 具 有 一 定 代 表 性 的 人 士 会 员 代 表 推 选 工 作 将 在 9 月 23 日 结 束 CCF 将 在 网 站 开 辟 换 届 选 举 专 区 CCF 会 员 可 登 录 网 站 了 解 换 届 选 举 的 政 策 流 程 和 进 展 情 况 等 信 息 * 选 区 由 CCF 选 举 委 员 会 根 据 会 员 分 布 情 况 划 分, 一 个 单 位 有 25 名 会 员 (4 名 学 生 会 员 计 为 一 名 会 员 ) 可 为 一 个 选 区 如 果 一 个 单 位 的 会 员 不 足 25 名, 可 由 选 举 委 员 会 组 织 跨 单 位 选 区 每 个 选 区 由 选 举 委 员 会 委 托 1 人 为 选 举 召 集 人, 负 责 该 选 区 会 员 代 表 的 推 选 工 作 ( 朱 ) 6

9 第 7 第 欧盟资助的民用可穿戴计算项目负责人 德国 心的感谢 不来梅大学的迈克尔 劳 Michael Lawo 教授等介 在2011年6月由谷歌公司等赞助的第十五届国 绍了wearIT@work项目 反映了可穿戴计算在工业 际可穿戴计算大会 ISWC2011 上 美国华盛顿大 领域应用及相关的关键技术 学巴巴克 帕尔维兹 Babak A. Parviz 教授介绍了 IEEE会士 韩国科学技术院 KAIST 的柳海 基于微纳米技术无线隐形眼镜显示器的研究进展 俊 Hoi-Jun Yoo 教授组织撰写了可穿戴健康监护系 这将是可穿戴计算领域突破性技术 尽管这项技术 统论文 阐述了柔性电路 e-textile和可穿戴传感等 2008年就见诸报道 但其发展还是令人激动的 如 创新技术及在健康医疗领域的应用 同2010年初 苹果公司聘请可穿戴计算机专家领导 头戴显示器领域的专家 国际光学工程学会 一个秘密开发小组的消息一样令业界兴奋 我们期待 SPIE 和美国光学学会 OSA 会士 美国罗切斯 可穿戴计算领域有更多的突破性技术进展 并如同摩 特 Rochester 大学的雅尼克 罗兰德 Jannick Rol- 托罗拉公司的约瑟夫 德沃夏克 Joseph L. Dvorak land 教授和Synopsys公司的凯文 汤普森 Kevin Thompson 博士撰文介绍视透型头戴显示器 认为 博士的著作名称一样 将可穿戴计算发展成主流 Moving Wearables into the Mainstream 头戴显示器是可穿戴计算终端的独特显示装置 由于时间和篇幅所限 可穿戴计算的其他若干 重要研究分支 例如身体传感网络 body sensor net- 陈东义 work 可穿戴机器人 wearable robot 以及可穿戴 CCF高级会员 电子科技大学教授 主要研究方向为可穿戴计算 移动计 算 人机交互 增强现实 感知计算 与物联网 dychen@uestc.edu.cn 计算系统的电源技术等 未能在本次专题中单独撰 文反映 这里 我们向上述学者 参与翻译的人员 以及编辑对本期 可穿戴计算 专题的贡献表示衷 CCF@U-62 大连工业大学 CCF走进高校 系列活动于2011年6月8日在大连 工业大学信息学院举行 CCF教育专业委员会主任 教 育部高校计算机专业教学指导分委员会秘书长蒋宗礼教 授作了一场题为 积极努力为未来的持续发展夯实基 础 的报告 报告会由大连工业大学信息学院姚春龙副 院长主持 学院的教师和学生参加了本次报告会 蒋宗礼教授从基本态势 宽泛的学科 提升专业能 力 争做优秀强国人四个方面给老师和同学们讲解了如 何才能在当前的环境下 通过学校教育和自身努力 做一个对社会有用 同时能体现自身价值的计算 机专业人才 提出了 厚基础 善思维 常实践 的教学理念 蒋宗礼教授表达精炼 清晰 总是能 用十分生动的语言将有相当难度的知识点讲得深入浅出 绘声绘色 博得了会场老师和同学们的阵阵 掌声 余 7

10 专 题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 可 穿 戴 计 算 的 发 展 关 键 词 : 可 穿 戴 计 算 移 动 计 算 人 机 交 互 陈 东 义 夏 侯 士 戟 电 子 科 技 大 学 引 言 [1] 可 穿 戴 计 算 是 一 种 前 瞻 的 计 算 模 式 它 是 随 着 电 子 器 件 不 断 向 超 微 型 化 方 向 发 展, 以 及 新 的 计 算 机 微 电 子 和 通 信 理 论 与 技 术 的 不 断 涌 现 应 运 而 生 的, 是 计 算 以 人 为 本 (human centered) 人 机 合 一 理 念 的 产 物 在 这 种 计 算 模 式 下, 衍 生 出 一 类 可 穿 戴 个 性 化 新 形 态 的 个 人 移 动 计 算 系 统 ( 或 称 为 可 穿 戴 计 算 机 ), 可 实 现 对 个 人 的 自 然 持 续 的 辅 助 与 增 强 作 为 新 的 计 算 模 式, 可 穿 戴 计 算 的 概 念 隐 喻 构 架 形 态 和 功 能 都 在 不 断 演 进, 目 前 尚 无 较 规 范 明 确 和 完 备 的 定 义 国 际 上 公 认 的 可 穿 戴 式 计 算 机 的 发 明 人 之 一, 加 拿 大 的 斯 蒂 夫 曼 恩 (Steve Mann) 教 授 认 为 可 穿 戴 计 算 机 是 这 样 一 类 计 算 机 系 统 : 属 于 用 户 的 个 人 空 间 (personal space), 由 穿 戴 者 控 制, 同 时 具 有 操 作 和 互 动 的 持 续 性, 即 always on and always accessible [2] 另 外, 美 国 卡 耐 基 梅 隆 大 学 的 丹 尼 尔 斯 沃 尔 克 (Daniel P. Siewiorek) 阿 西 姆 斯 莫 拉 哲 克 (Asim Smailagic) 教 授 和 佐 治 亚 理 工 学 院 的 萨 德 斯 塔 那 (Thad Starner) 教 授 认 为 可 穿 戴 计 算 机 的 核 心 概 念 是 将 个 人 信 息 空 间 融 合 进 个 人 的 工 作 空 间 可 穿 戴 计 算 机 作 为 信 息 工 具 无 缝 地 存 在 于 工 作 环 境 中, 尽 可 能 地 不 分 散 用 户 对 工 作 的 注 意 力, 提 供 hands-free 操 作 模 式 的 可 穿 在 身 上 的 计 算 机 在 许 多 应 用 领 域 显 示 出 独 具 竞 争 力 的 优 势 它 是 用 于 处 理 信 息 而 不 是 编 程, 在 用 户 环 境 中 作 为 一 个 更 像 铅 笔 或 参 考 书 的 工 具 [3] 他 们 指 出 必 须 从 人 - 机 - 用 三 维 视 角 来 理 解 可 穿 戴 计 算 机 概 念, 从 人 的 视 角 强 调 了 可 穿 戴 性 ; 从 机 的 角 度, 系 统 的 构 建 要 具 有 特 殊 的 尺 寸 形 态 功 耗 和 用 户 界 面 ; 从 用 的 角 度, 则 强 调 移 动 应 用 设 计 的 挑 战 和 问 题 求 解 能 力 对 应 用 需 求 的 有 效 映 射 目 前, 可 穿 戴 计 算 系 统 或 终 端 有 多 种 形 态 和 类 型, 如 可 穿 戴 网 络 终 端 可 穿 戴 服 务 器 可 穿 戴 通 信 终 端 和 可 穿 戴 计 算 服 饰 ( 如 嵌 入 计 算 功 能 的 智 能 衣 物 航 天 服 和 潜 水 服 ) 等 等, 典 型 的 可 实 用 化 的 工 业 用 途 可 穿 戴 计 算 系 统 构 架 包 括 : 一 套 头 戴 系 统 ( 头 戴 显 示 视 频 和 语 音 装 置 等 ) 一 个 手 持 键 鼠 和 一 件 内 嵌 计 算 和 通 信 系 统 的 背 心 ( 参 见 后 图 2) 另 外, 可 穿 戴 计 算 领 域 已 外 延 成 为 可 穿 戴 IT, 除 可 穿 戴 计 算 机 或 系 统 外, 还 包 括 可 穿 戴 消 费 电 子 ( 如 腕 式 或 手 表 计 算 终 端 眼 镜 式 MP4 臂 式 MP3) 可 穿 戴 传 感 网 络 和 可 穿 戴 机 器 人 等 加 拿 大 多 伦 多 大 学 史 蒂 夫 曼 (Steve Mann) 以 三 个 基 本 运 行 方 式 和 六 个 基 本 特 性 形 式 化 定 义 了 可 穿 戴 计 算 [8], 具 体 如 下 : 基 本 运 行 方 式 持 续 (constancy) 无 须 开 机 关 机, 持 续 与 人 交 互 ; 增 强 (augmentation) 不 像 其 他 计 算 范 式 把 计 算 当 作 主 要 任 务, 可 穿 戴 计 算 假 定 人 们 总 是 在 进 行 其 他 活 动 时 使 用 这 种 计 算 来 增 强 感 知 和 智 慧 ; 介 入 或 调 介 (mediation) 通 过 对 人 的 信 息 包 裹 (encapsulation), 可 实 现 对 信 息 的 过 滤 调 整 和 干 预 例 如, 信 息 过 滤 可 以 防 止 私 有 信 息 外 泄 和 外 部 干 扰 信 息 ( 就 如 在 现 实 世 界 我 们 穿 上 衣 服 避 免 身 体 裸 露 ), 信 息 调 整 和 干 预 将 为 人 类 提 供 奇 特 的 信 息 感 受 和 响 应 方 式 和 能 力 基 本 特 性 不 会 独 占 人 的 注 意 力 (unmonopo- 8

11 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 lizing), 对 人 的 活 动 和 运 动 不 造 成 约 束 (unrestrictive), 随 时 可 以 得 到 用 户 的 注 意 (observable), 用 户 随 时 可 以 控 制 (controllable), 随 时 感 知 环 境 具 有 多 模 态 传 感 能 力 (attentive), 用 户 可 以 与 其 他 人 随 时 交 互 (communicative) 上 述 概 念 揭 示 了 可 穿 戴 计 算 模 式 与 传 统 移 动 计 算 模 式 迥 然 不 同 这 种 计 算 模 式 将 催 生 一 系 列 计 算 理 论 和 技 术, 并 形 成 新 的 应 用 模 式 发 展 历 程 和 现 状 一 般 认 为, 可 穿 戴 计 算 机 的 思 想 和 雏 形 早 在 20 世 纪 60 年 代 就 已 出 现, 如 美 国 麻 省 理 工 学 院 学 生 索 普 (Thorp) 和 香 农 (Shannon) 等 人 研 制 的 用 于 轮 盘 赌 的 计 算 机 而 配 有 头 戴 显 示 器 形 态 化 的 可 穿 戴 计 算 机 则 于 20 世 纪 70~80 年 代 问 世, 典 型 的 有 史 蒂 夫 曼 基 于 Apple-II 6502 型 计 算 机 研 制 的 可 穿 戴 计 算 机 原 型 20 世 纪 80~90 年 代, 随 着 计 算 机 软 硬 件 和 互 联 网 技 术 的 迅 速 发 展, 来 自 加 拿 大 多 伦 多 大 学 美 国 麻 省 理 工 学 院 卡 耐 基 梅 隆 大 学 哥 伦 比 亚 大 学 和 施 乐 欧 洲 实 验 室 等 机 构 的 研 究 人 员, 以 史 蒂 夫 曼 和 萨 德 斯 坦 尔 (Thad Starner) 等 为 代 表, 研 制 出 一 批 具 有 代 表 性 的 可 穿 戴 计 算 机 原 型 系 统 ( 如 Wearable Wireless Webcam [4] KARMA [5] Forget-Me-Not [6] VuMan 1 [7] 等 ), 引 起 了 美 国 军 方 和 工 业 界 的 关 注 1996 年 7 月, 美 国 国 防 部 高 级 研 究 计 划 局 (The Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA) 举 办 了 名 为 Wearables in 2005 的 研 讨 会 ;1996 年 8 月, 波 音 公 司 在 美 国 西 雅 图 主 办 了 第 2 次 可 穿 戴 式 计 算 机 的 研 讨 会 1997 年, 美 国 的 麻 省 理 工 学 院 卡 耐 基 梅 隆 大 学 佐 治 亚 理 工 学 院 联 合 举 办 了 第 一 届 国 际 可 穿 戴 计 算 机 学 术 会 议 (IEEE international symposium on wearable computers,iswc) 从 此, 可 穿 戴 计 算 开 始 得 到 学 术 界 和 产 业 界 的 广 泛 重 视, 逐 渐 在 工 业 医 疗 军 事 教 育 娱 乐 等 诸 多 领 域 表 现 出 重 要 的 研 究 价 值 和 应 用 潜 力 美 国 的 麻 省 理 工 学 院 卡 耐 基 梅 隆 大 学 乔 治 亚 理 工 学 院 弗 尼 吉 亚 理 工 学 院, 瑞 士 的 苏 黎 世 理 工 学 院, 加 拿 大 的 多 伦 多 大 学, 德 国 的 不 来 梅 大 学 帕 绍 大 学, 英 国 的 艾 塞 克 斯 大 学, 日 本 东 京 大 学 的 工 程 学 院 以 及 韩 国 科 学 技 术 院 等 研 究 机 构 均 有 专 门 的 实 验 室 或 研 究 组 专 注 于 可 穿 戴 计 算 技 术 的 研 究 中 国 学 者 也 在 20 世 纪 90 年 代 后 期, 开 展 了 可 穿 戴 计 算 研 究, 几 乎 与 国 际 可 穿 戴 计 算 研 究 同 步 美 国 电 气 和 电 子 工 程 师 协 会 (The Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE) 成 立 了 可 穿 戴 IT 技 术 委 员 会 (Wearable IT Technology Committee) IEEE 计 算 机 学 会 在 普 适 计 算 (Pervasive Computing) 等 多 个 学 术 期 刊 设 立 了 可 穿 戴 计 算 的 专 栏 国 际 性 的 可 穿 戴 计 算 学 术 会 议 IEEE ISWC (IEEE International Symposium on Wearable Computers) 自 1997 年 首 次 召 开 以 来, 每 年 举 行 一 次, 已 举 办 了 14 届 此 外, 国 际 可 穿 戴 和 植 入 人 体 的 传 感 器 网 络 研 讨 会 (International Workshop On Wearable and Implantable Body Sensor Networks) 和 国 际 应 用 可 穿 戴 计 算 论 坛 (International Forum on Applied Wearable Computing) 已 举 办 了 6 届 在 国 家 自 然 科 学 基 金 委 的 支 持 下, 由 中 国 计 算 机 学 会 中 国 自 动 化 学 会 中 国 人 工 智 能 学 会 等 主 办 召 开 了 3 届 全 国 性 的 可 穿 戴 计 算 学 术 会 议 另 外, 国 家 自 然 科 学 基 金 委 和 国 家 863 计 划 也 已 支 持 了 多 项 可 穿 戴 计 算 项 目 在 产 业 界, 最 早 研 究 可 穿 戴 计 算 的 有 欧 洲 宇 航 防 务 集 团 (The European Aeronautic Defence and Space Company,EADS), 美 国 国 家 航 空 航 天 局 波 音 公 司 国 防 部 高 级 研 究 计 划 局 IBM 施 乐 帕 克 研 究 中 心 (Xerox PARC), 芬 兰 诺 基 亚, 日 本 索 尼 松 下 和 夏 普 摩 托 罗 拉 等 机 构 可 穿 戴 计 算 技 术 已 在 多 个 领 域 得 到 成 功 应 用, 相 关 产 品 已 经 进 入 市 场, 在 医 疗 消 防 教 育 体 育 娱 乐 等 行 业 的 应 用 也 不 断 见 诸 报 端 对 可 穿 戴 计 算 的 基 础 研 究, 美 国 和 欧 盟 都 已 投 入 了 巨 资 例 如, 欧 盟 委 员 会 于 2004 年 启 动 了 世 界 上 最 大 的 单 项 民 用 可 穿 戴 计 算 研 究 项 目 wearit@ work [8], 历 时 5 年 美 国 国 家 科 学 基 金 会 (National Science Foundation) 在 以 人 为 中 心 的 计 算 (Human- Centered Computing) 等 专 项 (Cluster) 中 也 持 续 地 资 助 了 一 批 可 穿 戴 计 算 方 面 的 研 究 项 目 此 外, 来 自 军 9

12 专题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 方的大力支持也是推动可穿戴计算技术飞速发展的重 穿戴人机交互 环境和人员状态感知 持续运作等 要力量 美国国防部高级研究计划局 美国陆军通 方面的支撑较弱 不利于可穿戴计算人机合一目标 信电子司令部和美国国家航空航天局 National Aero- 的实现 近年来分布式架构可穿戴计算系统逐渐受 nautics and Space Administration NASA 等都是可穿 到重视 出现了基于电子织物 e-textile 的可穿戴 戴计算研究的重要资助者 1991年起 美军相继启动 系统 textile based wearable system 和可穿戴身体 了 智能模块 计划 陆地勇士 Land Warrior 传感网络 wearable body sensor network 等研究热 计划 目标单兵武器系统计划 XM29 点 典型的研究工作包括 未来战士 Future Force Warrior 计划 和 空军 文献[9]针对电子织物和智能衣服 smart cloth 武士 Air Warrior 计划 等一系列以可穿戴计算机 的概念特征和设计需求 结合物理化学方法 提出了 为核心平台的单兵武器系统研究计划 其中 仅 陆 一种胶体计算 colloidal computing 模式 并以其为 地勇士 这个计划美国就投入了约20亿美元的研发经 基础构建层次化的体系结构 支持纺线 单一传感器 费 俄罗斯 法国和英国等也都有类似的研究计划 和传感簇等不同粒度计算单元的实现和管理 围绕电 子纺织的建模 分析和子管理等任务需求 构建了 研究动态和趋势 一种 cycle-accurate 的仿真环境 对基于电子纺织 可穿戴系统与基础构架 献[11]构建了电子纺织构建工具 e-textile construction 的代码迁移和远程执行等性能进行了评估分析[10] 文 早期可穿戴计算系统主要基于集中式主机和外围 kit 实现了基于电子纺织的红外通信 温度感知 交互 传感和电源等装置的搭建 Quantum Xyber- 和LED显示等原型应用相关的 二维 电路构件 文 naut Symbol等机构先后推出了一系列集中式架构 献[12]进一步开展了这方面的工作 设计了 适用于 的可穿戴计算机产品 这一类产品的优势在于系统 教学的 education-friendly 可穿戴计算电子纺织 架构和桌面系统相似 快速部署和应用 但是对可 构建平台 e-textile construction platform 文献[13] CCF YOCSEF举行培训 2011年7月16日 CCF YOCSEF召开AC会议 邀请CCF秘书长 YOCSEF创始人之一杜子德 CCF副秘书长 YOCSEF荣誉委员王钧分别就YOCSEF的组织定位 如何做好执行主席作了培训 杜子德作了题为 CCF YOCSEF的定位和组织 的报告 从YOCSEF的创建背景 定位 性质 YOCSEF成员的构成 任期 权利和要求 活动的开展方式及频度等方面对参会者进行了培训 杜子 德秘书长再次强调YOCSEF的定位是承担社会责任 提升成员能力 构建成员网络 探索新的机制 通过培训 参会者对YOCSEF的组织定位有了更深入的理解 王钧作了题为 如何做好执行主席及演讲技巧 的报告 从策划 寻找讲者 组织 主持 后续 工作几个方面 与参会者一起分享了他做执行主席的成功经验和心得体会 会上王钧还从准备 闪亮 登场 激情四射 令人留恋的离场四个模块 结合自己的演讲实战 给大家生动形象地讲解了演讲的 一些技巧 与会人员还就如何提升自身组织 策划 演讲能力等问题与讲者进行了沟通探讨 通过培训大家 都觉得收益颇丰 10 李

13 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 则 专 注 于 纺 线 级 的 织 物 (woven textile) 大 规 模 制 造 相 关 的 支 撑 技 术, 研 究 了 传 统 硅 基 电 路 的 可 编 织 化 方 法 织 物 总 线 结 构 的 构 建 方 法 以 及 织 物 电 路 的 悬 垂 性 可 洗 性 和 受 力 稳 定 性 等 可 用 性 问 题 文 献 [14] 围 绕 个 人 健 康 监 测 等 应 用, 研 究 了 基 于 电 子 纺 织 的 可 穿 戴 传 感 部 署 与 网 络 构 建 方 法 随 着 微 电 子 和 纳 米 技 术 发 展, 可 以 预 见 : 可 穿 戴 电 子 学 电 子 织 物 和 柔 性 可 穿 戴 计 算 体 系 结 构 是 未 来 的 重 要 发 展 方 向 可 穿 戴 计 算 的 感 知 和 交 互 可 穿 戴 计 算 的 增 强 和 介 入 等 模 式 的 实 现, 要 求 计 算 系 统 不 仅 能 够 主 动 感 知 用 户 的 生 理 情 感 和 行 为 等 状 态 以 及 与 用 户 进 行 实 时 自 然 的 交 互, 还 能 够 从 用 户 自 身 的 角 度 出 发, 持 续 地 感 知 外 部 环 境 和 身 体 环 境, 从 而 真 正 做 到 增 强 人 的 感 知 和 认 知 能 力, 实 现 以 人 为 本 感 知 和 交 互 一 直 是 可 穿 戴 计 算 研 究 的 重 点, 代 表 性 的 研 究 工 作 如 下 : 用 户 感 知 和 交 互 方 面 文 献 [15] 开 展 了 人 员 在 静 止 和 运 动 状 态 下 基 于 头 戴 显 示 界 面 进 行 的 鼠 标 拖 拽 任 务 实 验, 评 估 了 轨 迹 球 (trackball) 触 控 板 (touchpad) 陀 螺 鼠 标 (gyroscopic mouse) 和 单 手 键 鼠 (twiddler2) 等 可 穿 戴 计 算 机 常 用 的 交 互 装 置 在 静 止 和 运 动 不 同 状 态 下 的 实 用 性 能 文 献 [16] 针 对 以 编 织 电 路 为 基 础 实 现 的 单 重 和 多 重 交 互 输 入 装 置, 开 展 了 静 止 和 运 动 状 态 下 的 输 入 效 率 对 比 分 析 文 献 [17] 使 用 压 力 传 感 电 阻 条 (force sensitive resistors,fsr) 来 检 测 人 体 肌 肉 运 动 产 生 的 压 力 传 感 信 息, 进 而 实 现 可 穿 戴 的 人 员 手 势 识 别 装 置 文 献 [18] 将 热 塑 弹 性 应 力 传 感 器 编 织 入 穿 戴 织 物 中, 设 计 出 一 种 利 用 传 感 器 线 性 阻 抗 特 性 来 识 别 人 员 上 身 运 动 行 为 的 智 能 服 装 文 献 [19] 设 计 了 一 种 佩 戴 于 人 体 腕 关 节, 通 过 基 于 压 电 传 感 构 建 采 集 人 员 手 部 运 动 时 骨 骼 传 导 声 音 信 号, 来 实 现 人 员 手 势 识 别 的 交 互 输 入 装 置 文 献 [20] 基 于 肩 部 视 频 获 取 装 置 开 展 手 势 跟 踪 和 识 别 文 献 [21] 基 于 头 戴 眼 动 跟 踪 装 置 来 识 别 人 员 视 觉 行 为 由 此 可 见, 非 桌 面 和 非 传 统 移 动 的 创 新 交 互 模 式 与 装 置, 特 别 是 基 于 柔 性 织 物 和 可 穿 戴 传 感 系 统 的 感 知 和 交 互 技 术 已 成 为 当 前 的 研 究 热 点 环 境 感 知 方 面 文 献 [22] 针 对 穿 戴 视 频 传 感 获 取 的 场 景 视 频 信 息, 通 过 识 别 抽 取 视 频 关 键 帧, 并 结 合 已 校 准 的 图 像 特 征, 帮 助 用 户 识 别 出 场 景 中 的 人 员 设 备 建 筑 等 实 体 信 息 文 献 [23] 提 出 了 一 种 基 于 可 穿 戴 计 算 机 配 置 的 惯 性 传 感 和 电 磁 跟 踪 器 的 实 现 位 置 坐 标 的 推 算 方 法 dead reckoning, 实 现 了 人 员 数 百 米 移 动 范 围 内 误 差 小 于 10% 的 位 置 坐 标 估 计, 提 供 了 实 时 低 开 销 的 位 置 感 知 服 务 支 持 文 献 [24] 提 出 了 增 强 皮 肤 的 概 念, 构 建 了 一 种 通 过 触 觉 感 知 空 间 信 息 的 haptic radar( 触 觉 雷 达 ) 原 型 文 献 [25] 实 现 了 一 种 穿 墙 式 (through-wall) 的 环 境 视 觉 感 知 增 强 模 式 另 外, 脑 机 接 口 基 于 身 体 传 感 网 的 环 境 感 知 与 识 别 也 都 是 值 得 重 视 的 研 究 方 向 创 新 应 用 模 式 围 绕 前 述 可 穿 戴 计 算 核 心 概 念 模 式 系 统 基 础 构 架 和 可 穿 戴 感 知 与 交 互 等 延 伸 出 的 科 学 方 法 和 技 术 研 究 问 题, 可 穿 戴 计 算 与 普 适 计 算 以 人 为 中 心 的 计 算 (human-centered computing,hcc) 社 会 感 知 计 算 信 息 物 理 系 统 (cyber-physical system, CPS) 等 相 关 学 科 领 域 和 前 沿 学 术 方 向 形 成 了 交 叉 融 合 趋 势 ( 如 图 1), 可 能 在 下 一 代 可 穿 戴 计 算 研 究 中 促 成 一 些 创 新 应 用 模 式 的 涌 现, 例 如 : 社 会 感 知 计 算 普 适 计 算 以 人 为 中 心 的 计 算 CPS 图 1 可 穿 戴 计 算 的 学 术 链 以 及 与 相 关 学 科 的 交 叉 融 合 11

14 专题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 蓝领计算 可穿戴计算终端特殊的 携带 和 计算机功能 开辟了新的计算应用领域 这种计算 交互 方式已催生 蓝领计算 模式的出现 这是 模式促使我们从全新的角度审视人和计算机的关 一种崭新的现场作业任务信息支撑模式 强调了用户 系 从而带来人机关系的变革 促成人-机紧密结合 在工作空间 work space 关注任务 特别是关键时 inextricably intertwined 与协同 synergy 的新 刻工作 intense time critical work 时和在生活空间 型关系 这是一种 人-机共生 symbiosis 的形 daily life space 进行活动时 能得到信息空间 cy- 式 最终将向 电子人 cyborg 一种人机混合 ber space 的自然 有效和多人协作 group collabora- 体 [29]演进 正如摩托罗拉公司的技术未来学家约 tion 的支持 典型的应用包括特殊场合下的维修与安 瑟夫 德沃夏克 Joseph L. Dvorak 博士所指出的 [26] [8] 装作业支撑系统 如图2 诊疗辅助系统 行为 [27] 20世纪90年代计算技术反映在微处理器的优势 监测与健康保护系统等 和数字化单兵系统 蓝领计 上 21世纪初的前十年反映在网络的优势上 在21 算也是目前可穿戴计算最独特和成功的应用模式 世纪的第2个十年则要体现在人的优势上 在强调 发挥人的优势这点上 可穿戴计算作为一种自然的 技术定将会繁荣发展[1] 可以预计 随着相关技 术的进一步成熟 成本的下降 可穿戴计算系统将 出现旺盛的市场需求 产生重大的经济效益和社会 效益 致谢 本文工作得到了国家科技部国际科技合作项目 2009DFA12100 和863计划项目 2009AA01Z310 图2 可穿戴作业辅助系统 等的资助 陈东义 可穿戴群体智能与社区 在可穿戴计算的感知 CCF高级会员 电子科技大学教授 主要研究方向为可穿戴计算 移动计 算 人机交互 增强现实 感知计算 与物联网 dychen@uestc.edu.cn 增强 智能增强和体能增强支持下 人们能够更加 积极和理性地参与社会化组织的合作和竞争 从而 引发更大量和频繁的 人 人 和 人 环境 非 线性相互作用 促进具有典型的 整体涌现性 自发性 和 自下而上 特征的可穿戴群体智能 夏侯士戟 wearable based swarm intelligent 的出现 因此 CCF会员 电子科技大学讲师 主要 研究方向为可穿戴计算 感知计算 形式化方法 xiahousj@uestc.edu.cn 需要探索该智能形式影响下 如何构建新形态的社 会组织方式和结构 如可穿戴社区 [25]等 如何实 现个人行为感知 挖掘和人机闭环中的信息增益策 略 维护可穿戴群体智能的涌现性基础 如何基于 可穿戴社区等创新组织结构构建复杂适应系统 提 高复杂任务执行能力和开放环境应对能力等问题 结语 可穿戴计算提出了新的课题与挑战 拓展了 12 参考文献 [1] J.L. Dvorak, Moving Wearables into the Mainstream: Taming the Borg, Springer, 2008, ISBN: [2] S Mann, Wearable computing: Toward humanistic intelligence. Intelligent Systems, IEEE, 2001, Page(s): 更多参考文献

15 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 基 于 生 理 计 算 的 人 机 交 互 关 键 词 : 生 理 计 算 人 机 交 互 可 穿 戴 计 算 体 育 训 练 引 言 人 机 交 互 指 的 是 人 与 计 算 机 的 双 向 交 流 在 图 形 用 户 界 面 (graphic user interface,gui) 等 传 统 用 户 界 面 下, 人 同 计 算 机 的 交 流 并 不 能 做 到 信 息 对 等 用 户 可 以 方 便 地 了 解 计 算 机 的 各 种 状 态 信 息, 而 计 算 机 所 能 了 解 的 用 户 状 态 信 息 却 非 常 少, 只 能 由 用 户 的 主 动 交 互 行 为 去 推 断 由 于 缺 少 这 些 信 息, 计 算 机 很 难 做 到 动 态 适 应 用 户, 真 正 实 现 以 人 为 中 心 如 何 在 人 机 交 互 过 程 中 获 取 分 析 和 利 用 用 户 的 生 理 状 态 信 息 ( 如 紧 张 程 度 疲 劳 程 度 注 意 力 等 ) 是 亟 需 解 决 的 一 个 重 要 问 题, 也 是 拓 展 人 机 交 互 带 宽, 实 现 自 然 人 机 交 互 的 必 要 途 径 随 着 各 种 传 感 技 术 的 不 断 发 展, 生 理 计 算 (psychological computing) [1] 作 为 一 种 新 型 人 机 交 互 模 式 已 经 逐 渐 引 起 领 域 内 学 者 的 关 注 在 这 种 计 算 模 式 下, 利 用 多 种 可 穿 戴 计 算 技 术, 用 户 无 需 主 动 地 执 行 交 互 任 务, 系 统 通 过 传 感 设 备 实 时 监 控 和 分 析 用 户 的 生 理 信 号, 将 这 些 信 号 转 化 为 控 制 输 入, 并 对 用 户 做 出 反 馈 [2] 这 种 计 算 模 式 可 以 有 效 地 应 用 在 许 多 领 域 例 如, 在 飞 行 控 制 系 统 中, 计 算 机 通 过 判 断 飞 行 员 的 精 神 状 态, 开 启 自 动 驾 驶 系 统 或 者 智 能 导 航 系 统 以 减 轻 驾 驶 员 的 精 神 负 载, 保 证 安 全 驾 驶 ; 在 一 般 使 用 情 境 中, 计 算 机 通 过 感 知 用 户 对 某 一 任 务 是 否 感 到 沮 丧 而 自 动 打 开 或 关 闭 帮 助 系 统 ; 用 户 在 玩 游 戏 时, 如 果 系 统 判 断 用 户 感 到 无 趣 或 者 没 有 挑 战, 就 自 动 增 加 游 戏 的 难 度 等 等 随 着 生 理 计 算 模 式 的 逐 步 引 入, 人 的 各 种 生 理 状 态 将 会 被 系 统 所 了 解, 人 与 计 算 机 之 间 的 信 息 交 换 将 呈 现 王 宏 安 田 丰 戴 国 忠 中 国 科 学 院 软 件 研 究 所 对 称 性 同 时, 这 种 模 式 也 将 带 来 人 机 交 互 方 式 的 深 刻 变 革 与 传 统 的 键 盘 鼠 标 手 势 等 用 户 主 动 输 入 的 交 互 方 式 不 同, 生 理 计 算 更 强 调 隐 式 交 互 系 统 可 以 通 过 传 感 器 来 捕 获 和 理 解 用 户 不 自 主 的 和 潜 意 识 层 面 的 生 理 状 态, 完 成 交 互 任 务, 并 实 现 对 用 户 在 词 法 语 法 和 语 义 的 多 层 反 馈 正 如 潘 蒂 奇 (Pantic) 等 所 言, 随 着 相 关 技 术 的 发 展, 通 过 增 加 计 算 机 对 用 户 的 实 时 感 知, 人 和 计 算 设 备 之 间 的 交 互 将 从 主 从 关 系 向 协 同 和 共 生 关 系 发 展 [3] ACM SIGCHI(Special Interest Group on Computer- Human Interaction) 年 会 在 2010 和 2011 年 连 续 举 办 了 关 于 生 理 计 算 的 研 讨 会 许 多 国 际 上 著 名 的 大 学 和 研 究 机 构 目 前 也 在 逐 步 开 展 生 理 计 算 方 面 的 研 究, 包 括 美 国 加 州 大 学 伯 克 利 分 校 微 软 研 究 院 德 国 马 克 斯 - 普 朗 克 研 究 所 瑞 士 苏 黎 世 联 邦 理 工 大 学 英 国 帝 国 理 工 学 院 等 在 我 国, 中 国 科 学 院 清 华 大 学 香 港 中 文 大 学 香 港 科 技 大 学 浙 江 大 学 北 京 航 空 航 天 大 学 北 京 理 工 大 学 西 北 工 业 大 学 等 单 位 也 进 行 了 许 多 有 益 的 探 索 工 作 生 理 计 算 为 感 知 用 户 的 生 理 状 态 等 信 息 提 供 了 新 的 途 径, 也 为 人 机 交 互 开 拓 了 新 的 研 究 方 向 然 而, 作 为 一 个 信 息 科 学 与 心 理 生 理 学 (psychophysiology) 等 学 科 紧 密 结 合 的 交 叉 领 域, 生 理 计 算 的 研 究 具 有 相 当 大 的 难 度 与 挑 战 费 尔 克 拉 夫 (Fairclough) 在 2009 年 发 表 的 生 理 计 算 基 础 (Fundamentals of Physiological Computing) [2] 中 指 出, 目 前 在 该 领 域 的 研 究 还 停 留 在 早 期 阶 段, 有 六 类 基 本 问 题 需 要 得 到 有 效 解 决 :(1) 心 理 生 理 学 推 论 的 复 杂 性 ; (2) 心 理 生 理 学 推 论 的 有 效 性 ;(3) 用 户 生 理 13

16 专 题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 状 态 的 表 征 方 式 ;(4) 显 示 和 隐 式 系 统 干 预 的 设 计 ;(5) 用 于 实 现 系 统 适 应 性 的 生 物 控 制 循 环 的 定 义 ;(6) 伦 理 阿 兰 森 (Allanson) 则 更 关 注 人 机 交 互 领 域 的 研 究 内 容, 他 在 文 献 [1] 中 指 出 了 三 类 主 要 的 研 究 : 研 究 如 何 将 心 理 生 理 学 理 论 应 用 到 实 际 系 统 中 ; 设 计 生 理 信 号 处 理 算 法, 包 括 噪 声 处 理 信 号 提 取 识 别 分 类 等 ; 设 计 和 实 现 设 备 无 关 的 生 理 计 算 软 件 工 具 从 人 机 交 互 的 角 度 而 言, 如 何 理 解 用 户 的 生 理 状 态, 进 行 低 层 生 理 信 号 到 高 层 语 义 推 理 并 用 于 交 互 式 系 统 是 目 前 研 究 的 热 点 下 边 就 利 用 几 类 主 要 的 生 理 信 号 进 行 人 机 交 互 的 研 究 来 简 单 作 一 介 绍 在 生 理 计 算 中, 一 种 常 用 的 生 理 信 号 是 是 心 电 图 (electrocardiogram,ecg) 心 电 图 能 够 测 量 人 体 心 脏 的 电 生 理 活 动 卡 尔 弗 特 (Calvert) [7] 和 杰 拉 德 (Gilleade) [8] 使 用 心 电 图 来 帮 助 游 戏 的 控 制, 布 拉 斯 科 维 奇 (Blascovich) [9] 使 用 心 电 图 结 合 血 压 区 分 了 人 的 两 种 心 理 状 态 : 挑 战 或 者 害 怕 另 一 个 常 用 的 生 理 信 号 是 肌 电 图 (electromyography,emg) 马 尔 墨 (Malmo) 在 文 献 [4] 中 指 出 肌 电 图 能 很 好 地 表 现 肌 肉 的 活 动 卡 西 奥 普 (Cacioppo) [5] 将 肌 电 图 的 采 集 装 置 置 于 眉 毛 上 用 以 识 别 用 户 是 否 感 到 愉 快 斯 科 特 (Scott) [6] 使 用 肌 电 图 来 定 位 手 指 的 活 动 以 及 判 断 手 指 活 动 的 类 型 另 外, 其 它 的 一 些 传 感 器 也 用 于 心 理 计 算 中, 如 呼 吸 形 态 (respiratory patterns) [10] 皮 肤 电 活 动 (electrodermal activity, EDA) [11] [12] 皮 肤 温 度 等 金 (Kim) [11] 结 合 心 电 图 皮 肤 电 活 动 皮 肤 温 度 (skin temperature,skt) 等 生 理 信 号 来 识 别 用 户 的 四 种 表 情 : 伤 心 生 气 惊 讶 和 紧 张 然 而, 现 有 关 于 生 理 计 算 的 研 究 大 都 还 在 实 验 室 环 境 中, 环 境 保 持 安 静 伯 格 斯 (Porges) 在 文 献 [13] 中 指 出, 心 率 受 物 理 活 动 和 心 理 刺 激 两 个 因 素 的 影 响, 因 此 在 实 验 室 环 境 中 的 结 果 能 否 应 用 在 非 实 验 室 环 境 中 还 需 要 进 一 步 的 研 究 本 文 所 介 绍 的 研 究 工 作 面 向 体 育 运 动 领 域, 用 户 的 活 动 十 分 剧 烈, 势 必 会 影 响 心 电 图 肌 电 图 等 相 关 生 理 信 号, 增 加 了 研 究 的 难 度 研 究 进 展 如 今, 监 测 运 动 员 的 状 态 在 训 练 比 赛 和 选 材 等 各 个 方 面 起 着 非 常 重 要 的 作 用 在 训 练 中 可 以 帮 助 运 动 员 制 订 合 理 的 训 练 计 划, 有 针 对 性 地 提 高 竞 技 能 力 ; 在 比 赛 中 教 练 员 可 以 根 据 运 动 员 的 状 态 制 订 临 场 策 略 ; 在 选 材 阶 段 对 挑 选 心 理 素 质 过 硬 的 运 动 员 也 有 重 要 的 指 导 作 用 使 用 生 理 传 感 器 记 录 运 动 员 的 生 理 数 据 将 逐 渐 成 为 教 练 员 的 重 要 手 段 针 对 体 育 领 域, 国 外 利 用 信 息 技 术 已 有 一 些 进 展 和 成 果, 例 如, 马 克 (Marc) 等 为 游 泳 运 动 员 设 计 了 可 穿 戴 的 设 备 [14] 该 设 备 能 测 量 时 间 步 长 游 泳 速 度 运 动 员 的 平 衡 状 态 旋 转 角 度 等 弗 洛 里 安 (Florian) 等 展 示 了 一 个 基 于 可 穿 戴 传 感 器 和 视 频 的 系 统, 能 显 示 滑 雪 运 动 员 的 动 作, 进 而 帮 助 运 动 员 认 识 自 己 的 优 缺 点 [15] 迈 克 尔 (Michael) 等 开 发 了 一 个 足 球 运 动 的 交 互 系 统, 该 系 统 能 够 获 取 理 解 和 分 析 足 球 运 动 [16] 然 而, 目 前 绝 大 多 数 的 研 究 工 作 还 是 利 用 视 频 或 惯 性 传 感 器 来 分 析 运 动 员 的 物 理 活 动, 有 关 利 用 生 理 信 号 基 于 心 理 物 理 学 理 论 来 分 析 运 动 员 状 态 的 研 究 工 作 较 少 Psychological Plan 是 我 们 目 前 正 在 进 行 的 一 项 研 究 工 作, 目 标 是 研 发 利 用 生 理 计 算 技 术 来 监 测 羽 毛 球 运 动 员 生 理 信 息 的 交 互 式 系 统, 以 帮 助 教 练 员 分 析 运 动 员 的 状 态 我 们 首 先 在 国 家 羽 毛 球 队 和 北 京 体 育 大 学 通 过 现 场 调 研 和 访 谈 归 纳 了 目 前 在 羽 毛 球 训 练 中 存 在 的 一 些 问 题, 形 成 研 究 目 标 和 思 路 ; 然 后, 在 此 基 础 上, 初 步 实 现 了 一 套 基 于 生 理 计 算 的 交 互 式 系 统, 并 通 过 实 验 对 其 进 行 了 分 析 验 证 问 题 分 析 我 们 分 别 访 问 了 国 家 羽 毛 球 队 的 一 名 教 练 和 北 京 体 育 大 学 的 两 名 教 练, 实 地 参 观 了 具 体 的 训 练 过 程 发 现 目 前 羽 毛 球 队 在 训 练 过 程 中 存 在 三 个 主 要 问 题 : 数 据 采 集 效 率 低 : 队 医 每 周 会 采 集 运 动 员 的 血 液, 每 天 早 上 测 量 运 动 员 的 脉 搏 其 他 指 标 如 睡 眠 食 欲 身 体 感 觉 精 神 感 觉 精 力 自 尊 感 情 绪 等 每 天 由 运 动 员 对 自 己 的 状 态 进 行 评 估 填 写 数 据 采 集 存 在 耗 时 多 队 员 不 情 愿 以 及 数 据 带 有 主 14

17 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 在剧烈运动时存在信号不稳定的问题 我们对此进行 观性等问题 过程中的数据缺乏 目前在羽毛球队训练中只 能采集到运动员在训练前或训练后的生理数据 无 了改进 把该设备内嵌到一个紧身的运动背心上 有 效地提高了数据采集的稳定性 如图2所示 法得到运动员在训练和比赛过程中的数据 而这部 分数据对分析运动员状态更为关键 缺乏辅助工具 即使得到了运动员在场上的相关 数据 教练也并不容易从这些原始数据中分析得到运 动员的状态 缺乏相关工具辅助教练完成该项工作 设计和实现 我们初步设计的Physiological Plan 系统主要针对上述问题 系统包括三个部分 在运 (a) (b) (c) (d) 动员侧是一个内嵌可穿戴仪器的运动背心 在教练 员侧是一个用于录制运动员训练情况的摄像机 以 及一套用于接收运动员生理数据 同步视频数据并 能进行分析的软件 1.8 图2 运动背心的内外侧的正反面 1.9 图3为Physiological Plan系统框架图 该系统可 以分为词法层 语法层 语义层和界面层四个层 次 其中 词法层为各个不同的传感器提供数据适 配功能 将各个传感器的数据转化为相同的格式 以方便后期的数据处理和显示 同时也对原始数据 [17] 图1 The Berkeley Tricorder 进行预处理 语法层包含数据处理算法 识别算法 可穿戴传感器的硬件采用加州大学伯克利分校设 等 语义层则基于心理生理学等原理 对实际用户 [17] 计开发的Berkeley Tricorder 如图1所示 Berkeley Tricorder是 教练 一个生理信号采集硬件平台 能 够测量用户的心电图 肌电图 界面层 生物阻抗 bioimpedance 血 轴加速度等 能够提供用于反 映运动员的生理状态的相关信 息 以及身体动作状态 Berkeley Tricorder通过蓝牙 运动员 氧饱和度 pulse oximetry 三 生理数据 EMG ECG BIO ACC 词法层 EMG适配器 ECG适配器 BIO适配器 语法层 滤波算法 语义层 HRV分析 峰值提取 周期计算 Outlier检测 ACC适配器 设备同平板电脑进行通信 能够 实时采集运动员在场上任意一 点的信号 在利用Berkeley Tricorder的原始版本测试时 发现 图3 Physiological Plan系统框架 15

18 专题 第 7 第 的生理状态进行分析 我们目前的一项工作为利用 心率变异性 heart rate variability 来分析队员在训 练过程中的紧张程度 因为篇幅的关系 具体的分 析算法这里不阐述 界面层负责进行词法 语法 和语义的多层反馈 接受教练员的笔式输入 进行 数据的可视分析 并把结果返回给用户 图5 运动员佩戴着设备在进行训练 岁 其余11人均为羽毛球专业的学生 年龄在19~21 岁之间 其中有两人练习羽毛球达8年 实验总共进 行了6次 部分实验者参与了多次 共采集了22人次 的数据 所有的数据总时间为4个小时38分钟 通过实验分析 我们得到了若干有价值的结 果 包括心电图随运动强度变化的规律 在放松 训练 大运动量训练和比赛训练下不同心理素质 图3 Physiological Plan系统框架 运动员的心电图变化规律及心率变异性特征 肌 电图在运动员杀球等大幅度动作时的变化规律 图4 Physiological Plan界面 等 通过总结实际使用效果以及与教练员的沟 初步实验 我们设计了一个初步的数据采集 通 我们正在进一步完善系统的相关算法和功能 和分析的实验 图5所示为运动员戴着设备进行训 希望在不久的将来能够帮助教练员监控和分析运动 练 在整个实验过程中 系统收集到的数据有运动 员训练和比赛状态 对教练员制定合理的战术和训 员在训练中的心电图 肌电图 生物阻抗 三轴加 练计划 以及队员能力评价和选材提供有价值的辅 速度信息和对应的视频信息 助和指导 虽然该系统目前仍处于早期原型阶段 所有的12位实验者都来自北京体育大学羽毛 球专业 其中有一位羽毛球的专业教练 年龄为37 但教练员和运动员已经表现出极大的兴趣和热情来 使用 CCF@U-63 东北大学秦皇岛分校 C C F走进高校 系列活动于2011年6月4日走进 东北大学秦皇岛分校 CCF理事 联想集团首席研究员 侯紫峰博士作了 技术创新&企业需要什么样的研发人 员 的主题演讲 他针对大学生从校园走向社会面临的 择业问题 介绍了学生应当具备的基本素质 知识结 构 以及如何关注市场的成功要素 技术创新的核心理 念等 他还回答了同学们提出的各种问题 300多名学 生参加 16 余

19 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 结语 田 丰 CCF高级会员 ACM SIGCHI中国分 会主席 中国科学院软件研究所研究 员 主要研究方向为人机交互 界面 软件工具 tf@iel.iscas.ac.cn 在未来的人机交互方式下 计算机和用户将没 有明确界线 显式的用户界面形态也将逐步消失 计 算机将作为多个智能化的计算设备融入到用户和环境 中 它们采集用户和环境的交互信息 智能化地执行 交互任务 生理计算作为感知和理解用户的关键环 戴国忠 节 在未来人机交互领域必然会处于重要的地位 由 CCF高级会员 中国科学院软件研究 所研究员 主要研究方向为人机交 互 软件工程 计算机图形学 dgz@iel.iscas.ac.cn 于目前基于生理计算的研究才刚刚开始 我们的工 作也只是管中窥豹 该领域的研究需要多个学科的 专家共同努力 才能最终达到对人的生理状态的理 解 实现以人为中心的 自然高效的人机交互 致谢 感谢美国加州大学伯克利分校的约翰 坎尼 John Canny 教授和娜依玛 Reza Naima 博士为我们提 供了Berkeley Tricorder设备 同时也感谢所有参与 实验的教练和运动员 王宏安 CCF高级会员 中国科学院软件研究所 研究员 主要研究方向为人机交互 实 时智能 wha@iel.iscas.ac.cn 参考文献 [1] Allanson, J., Fairclough, S.H., A research agenda for physiological computing. Interacting With Computers 16(2004), 857~878 [2] Stephen H. Fairclough., Fundamentals of physiological computing, Interacting With Computers, 21(2009), 133~145 [3] Pantic, M., Pentland, A., Nijholt, A., Huang, T., Human computing and machine understanding of human behaviour: a survey. In: Huang, T., Nijholt, A., Pantic, M., Pentland, A. (Eds.), Artificial Intelligence for Human Computing. Springer, 47~71 更多参考文献 CCF资助YOCSEF-GS委员出席上海活动 CCF资助5名CCF YOCSEF研究生分论坛委员 GS委员 出席了CCF YOCSEF上海举办的 CCF 优博论坛 2011年7月9日 CCF YOCSEF上海举办 CCF优博论坛 这是历届CCF优秀博士学位论文获得 者的大聚会 为CCF优秀博士学位论文奖获得者提供了解和交流的机会 CCF优秀博士学位论文奖是CCF于2006年创立的奖项 该奖项获得者是在攻读博士研究生阶段做 出了创新性科研工作 在计算领域理论或实际应用中做出了一定成就的优秀博士毕业生 为了给研究 生分论坛的委员提供与CCF历届优秀博士学位论文奖获得者近距离交流 深入讨论的机会 CCF出资 支持GS委员赴上海出席活动 以期帮助他们获得新的研究思路 产生思想碰撞 通过交流 各参会GS委员都觉得受益匪浅 并用文字记录了本次上海之行的收获及感受 李 17

20 专 题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 可 穿 戴 计 算 在 欧 洲 wearit@work 项 目 关 键 词 : 可 穿 戴 计 算 应 用 研 究 成 果 推 广 迈 克 尔 劳 辛 幸 迈 克 尔 布 赫 鲁 夫 斯 卡 奥 特 林 赫 尔 茨 克 德 国 不 来 梅 大 学 引 言 wearit@work 项 目 是 欧 盟 委 员 会 利 用 可 穿 戴 计 算 技 术 协 助 移 动 作 业 人 员 进 行 工 作 而 设 立 的 重 点 研 究 项 目 该 项 目 于 2004 年 6 月 启 动, 至 2009 年 5 月 结 束, 主 要 涉 及 可 穿 戴 计 算 技 术 在 设 备 维 护 生 产 制 造 医 疗 保 健 和 应 急 响 应 四 个 方 面 的 应 用, 同 时 还 衍 生 出 了 其 它 子 项 目, 将 可 穿 戴 计 算 技 术 推 广 到 更 多 的 应 用 领 域, 包 括 为 传 承 文 化 遗 产 提 供 相 应 的 解 决 方 案, 为 防 治 自 然 灾 害 设 立 的 野 外 活 动 实 验 室 和 为 视 障 人 士 设 计 的 导 航 系 统 等 可 穿 戴 计 算 的 目 标 是 希 望 将 执 行 任 务 ( 比 如 检 修 发 动 机 ) 时 的 信 息 获 取 工 作 与 执 行 该 任 务 本 身 结 合 起 来, 这 一 目 标 的 实 现 需 要 新 技 术 的 支 持 传 统 的 信 息 显 示 方 式 已 经 不 能 满 足 这 一 要 求, 必 须 进 行 重 新 设 计, 例 如 使 用 头 戴 式 或 腕 戴 式 显 示 器 同 时, 信 息 的 输 入 方 式 也 需 要 改 变, 例 如 通 过 语 音 输 入, 或 者 通 过 一 个 可 识 别 用 户 手 臂 姿 势 的 腕 带 或 手 套, 配 合 相 应 的 传 感 器 来 自 动 感 知 用 户 的 状 态 及 环 境 上 下 文 ( 类 似 于 使 用 GPS 信 号 为 汽 车 导 航 ) 在 汽 车 制 造 或 飞 机 检 修 应 用 中, 可 穿 戴 计 算 系 统 主 要 用 来 为 移 动 作 业 工 人 提 供 环 境 信 息 服 务 系 统 还 可 以 扩 展 为 检 测 工 作 过 程 的 正 确 性 和 完 整 性, 并 且 可 以 通 过 收 集 数 据 和 使 用 基 于 数 据 挖 掘 算 法 的 质 量 保 证 系 统 来 改 善 他 们 的 工 作 过 程 可 穿 戴 计 算 系 统 能 够 简 化 移 动 作 业 工 人 的 工 作 过 程, 提 高 其 工 作 质 量 和 减 少 其 空 闲 时 间 对 所 有 可 穿 戴 计 算 系 统 来 说, 最 主 要 的 技 术 挑 战 是 设 计 界 面 友 好 的 可 协 助 用 户 完 成 主 要 任 务 的 多 模 式 用 户 接 口, 以 及 设 计 稳 定 的 上 下 文 感 知 系 统 可 穿 戴 计 算 与 移 动 计 算 的 区 别 可 穿 戴 计 算 与 移 动 计 算 ( 笔 记 本 电 脑 掌 上 电 脑 或 智 能 手 机 ) 均 可 以 为 提 升 价 值 和 创 造 价 值 提 供 解 决 方 案 两 者 的 主 要 区 别 在 于 后 者 不 能 有 效 地 提 供 环 绕 交 互 支 持 在 移 动 计 算 模 式 下, 用 户 可 以 分 别 与 现 实 世 界 或 者 系 统 设 备 进 行 交 互, 但 是 这 两 种 交 互 不 能 同 时 进 行 为 了 实 现 环 绕 交 互, 可 穿 戴 计 算 系 统 需 要 感 知 用 户 的 环 境 及 动 作 上 下 文 : 这 就 要 求 系 统 必 须 时 刻 保 持 运 行 状 态 并 且 能 够 理 解 用 户 的 行 为 意 图 和 环 境 相 关 的 信 息 必 须 能 够 根 据 用 户 的 上 下 文 以 最 适 合 的 方 式 显 示 给 用 户 看 一 个 强 大 的 可 穿 戴 计 算 系 统 可 通 过 将 用 户 自 身 携 带 的 传 感 器 与 嵌 入 在 周 围 环 境 中 的 传 感 器 相 结 合 来 实 现 时 刻 保 持 运 行 状 态 意 味 着, 一 个 高 效 的 能 源 管 理 系 统 对 于 可 穿 戴 计 算 系 统 尤 为 重 要 对 使 用 者 来 说, 可 穿 戴 计 算 意 味 着 该 用 户 需 要 同 时 执 行 多 个 任 务 : 一 个 主 任 务 ( 比 如 机 械 检 修 ), 通 常 这 类 任 务 需 要 双 手 的 参 与 并 在 移 动 的 状 态 下 执 行 ; 一 些 辅 助 任 务 ( 观 察 与 当 前 任 务 动 作 相 关 的 环 境 上 下 文 信 息 ), 包 括 观 察 可 穿 戴 设 备 的 输 出 信 息 以 及 在 必 要 情 况 下 与 可 穿 戴 应 用 进 行 交 互 操 18

21 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 作 为 此, 我 们 需 要 思 考 一 个 问 题 : 如 何 设 计 这 种 特 定 的 与 用 户 任 务 相 关 的 交 互 界 面? 可 穿 戴 计 算 系 统 用 户 界 面 工 具 包 从 用 户 角 度 出 发, 设 计 可 穿 戴 计 算 系 统 的 关 键 是 用 户 和 系 统 的 交 互 界 面 目 前, 可 穿 戴 计 算 系 统 的 用 户 交 互 界 面 设 计 还 没 有 可 以 遵 循 的 标 准 就 像 早 期 为 传 统 计 算 机 设 计 用 户 图 形 界 面 (graphical user interface,gui) 一 样, 对 于 可 穿 戴 计 算 系 统 也 有 类 似 的 问 题 需 要 解 决 如 今 已 有 很 多 开 发 工 具 可 以 用 于 传 统 的 计 算 机 用 户 图 形 界 面 设 计 在 开 展 wearit@ work 项 目 期 间, 我 们 开 发 了 一 个 专 门 为 可 穿 戴 计 算 系 统 设 计 多 模 式 用 户 界 面 的 工 具 包 (wearable user interface,wui) [1] 这 个 工 具 包 提 供 了 一 系 列 设 计 规 范, 开 发 人 员 不 需 要 具 备 太 多 的 设 计 经 验, 也 无 需 考 虑 特 定 的 可 穿 戴 输 入 输 出 设 备 通 过 一 个 智 能 的 上 下 文 感 知 接 口, 基 于 WUI 工 具 包 开 发 的 可 穿 戴 计 算 系 统 用 户 界 面 可 以 在 多 个 模 式 之 间 自 动 进 行 切 换 ( 图 1) 多 模 式 用 户 界 面 是 基 于 对 程 序 组 件 的 抽 象 定 义 以 及 对 其 在 不 同 模 式 下 的 重 复 调 用 来 实 现 的 WUI 工 具 包 是 wearit@work 项 目 开 放 式 可 穿 戴 计 算 框 架 (open wearable computing framework) 的 组 成 部 分 更 多 关 于 这 个 框 架 以 及 WUI 工 具 包 的 信 息 请 [8] 参 考 项 目 网 站 的 技 术 资 源 库 (Technology Reposi- tory) 通 过 使 用 这 类 开 发 工 具, 不 仅 可 以 加 快 软 件 开 发 的 进 度, 降 低 技 术 风 险, 还 能 提 高 用 户 的 接 受 程 度 上 下 文 感 知 可 穿 戴 计 算 的 另 一 关 键 问 题 是, 需 要 尽 可 能 地 扩 展 系 统 对 用 户 环 境 及 动 作 上 下 文 的 智 能 感 知 能 力 上 下 文 信 息 可 以 通 过 放 置 在 用 户 所 处 环 境 中 的 传 感 器, 或 者 通 过 整 合 在 用 户 衣 物 中 以 及 由 其 自 身 携 带 的 传 感 器 来 获 取 调 查 结 果 显 示, 用 户 更 倾 向 于 接 受 第 一 种 传 感 器 的 放 置 方 式 可 穿 戴 计 算 系 统 的 设 计 目 的 是 为 了 建 模 和 感 知 用 户 行 为 [2], 以 便 能 够 前 瞻 性 地 为 用 户 提 供 相 关 的 信 息 服 务 这 需 要 强 大 的 技 术 解 决 方 案 来 降 低 可 穿 戴 计 算 系 统 用 户 界 面 的 复 杂 性 用 户 上 下 文 信 息 基 本 上 可 以 通 过 传 感 器 收 集 到 的 信 息, 结 合 应 用 领 域 的 相 关 知 识 推 导 得 出 可 穿 戴 计 算 系 统 可 以 通 过 多 种 传 感 器 来 感 知 用 户 环 境 及 动 作 上 下 文, 比 如 加 速 度 器 偏 航 传 感 器 光 敏 元 件 以 及 麦 克 风 陀 螺 仪 和 射 频 识 别 (radio frequency identification,rfid) 读 取 器 等 我 们 将 传 感 器 分 为 离 散 ( 事 件 ) 传 感 器 ( 如 读 取 某 一 数 值 或 识 别 码 (RFID 标 签 )) 和 连 续 或 稳 态 传 感 器 后 者 采 用 滤 波 技 术 对 采 集 到 的 信 号 进 行 连 续 观 测, 在 最 简 单 的 情 况 下, 当 信 号 值 达 到 某 一 极 限 值 时, 表 抽 象 用 户 界 面 模 型 抽 象 用 户 界 面 描 述 语 言 可 穿 戴 计 算 框 架 可 穿 戴 用 户 界 面 组 件 可 穿 戴 用 户 界 面 应 用 上 下 文 信 息 设 备 信 息 用 户 信 息 应 用 开 发 者 框 架 开 发 者 用 户 [1] 图 1 可 穿 戴 计 算 系 统 用 户 界 面 工 具 包 19

22 专题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 示发生了某一特定的上下文事件 这里需要应用相 [3] 关的机器学习算法 编写特定算法等 由于系统重量是影响可穿戴计算 系统实用化的另一关键因素 因此通常会选用能量 各种传感器可放在用户身上或者所穿衣物的不 密度较高 重量较轻的锂电池 同位置 当传感器被放在用户的鞋里或头盔内时 目前为止 对于电池的最佳使用并没有普遍的 可以对其进行室内定位 当传感器被放在用户的手 解决方案 然而一些具体的经验方法和解决方案还 套或者腕带中时 可以感知用户的手势姿势 传感 是存在的 例如对于wearIT@work项目中的上下文 器所放的位置通常取决于需要感知的上下文内容 感知系统 [7] 我们采用了折衷的方法 在功耗和上 在大多数情况下 传感器都被放在用户所处的环境 下文识别率之间寻找平衡点 这种方法避免了因提 中 而不是随身携带 高上下文识别率而忽略对功耗的控制 然而 传感器只是整个可穿戴系统的组成部 分 除了必要的电源模块外 一般还需要模拟 数 字信号转换器 信号处理器以及信号传输模块 可穿戴计算系统体系结构 任何可穿戴计算系统体系结构的设计都取决 能量消耗与管理 于系统的功能性 功耗 应用领域以及可配置性四 功耗是制约可穿戴计算系统实用化的关键因 个相互制约的因素 研究发现 目前并不存在一个 素 用户往往需要系统可持续工作8小时以上而不 能普遍适用于任何应用领域的可穿戴计算系统 如 必更换电池 或者能够以热插拔 即不需要关闭系 同除了台式计算机之外 还有便携式笔记本 上网 统 的方式更换电池 尤其在数据无线传输的情况 本 掌上型电脑以及智能手机等可供人们选择一 下 节能技术显得尤为重要 例如 使用Zigbee代 样 根据以上四个因素设计的可穿戴计算系统也会 替蓝牙传输 数据压缩技术可以用来调节数据带 因用户需求的不同而不同 宽与能量消耗之间的平衡 可穿戴计算系统 见图2 并非由单一设备构 对普通的可充电电池来说 降低其能量损耗的 成 除了备有通信系统的可穿戴计算系统主机以 方法有 循环充放电 减少每一步程序操作的能量 外 还有通过无线网络与主机相连的外部设备 包 损耗 选择低能耗的工作步骤 针对系统处理器来 括输入输出设备 用户自身携带的传感器 放在用 户所处环境中的传感器以及为应 用程序提供必要服务的外部伺服 输入输出设备 位于人体的传感器 框架和工具包 器 只有将这五大组成部分以一 种恰当的方式进行布局 才会在 特定的设计空间内找到一个最佳 的可穿戴计算系统解决方案 为了能够将可穿戴计算系 统主机 输入输出设备以及用 主体单元 户自身携带的传感器封装成一 通信系统 个整体穿在用户身上 需要给 出特殊的纺织解决方案 从而 环境传感器 外围服务器 避免让用户感觉到被 电线环 绕 LinkVest 如图3所示 是 图2 可穿戴计算系统体系结构 20 在wearIT@work项目期间以飞机

23 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 检修工作人员为对象的可穿戴计算系统设计方案 在一家专门编写飞机检修程序的小型软件公司 由 同时也在汽车制造领域进行了测评 检修人员进行了测试 二是在德国不来梅大学 用 模拟设备检修场景进行测试 通过访问和实地考察 我们确定了一系列与设 备检修操作相关的工作程序 考虑到测试环境的条件 限制 我们选择了一个根据断路器板800VU 图5 工作的检修程序来进行测试 这个测试模拟了使用 可穿戴计算系统在空中客车A300机舱内以及在实验 室内进行复杂检修操作的工作场景 在经过一系列 试验并找出合适的 输入输出 模式之后 我们按 图3 LinkVest 照A300检修手册的操作步骤为拆卸飞机座椅这一检 修操作设计了 最佳 解决方案 应用开发 开发人员一方面根据实际应用收集必要的内容 和信息 另一方面使用开发工具设计可穿戴计算系 由于篇幅所限 本文主要介绍一个与设备检修 统模型 在设计之初 开发人员并不知道模型的具 相关的可穿戴计算系统应用的案例 图4 并探 体细节 第一个系统模型仅展示了可穿戴计算系统 索在现实中能够得到推广的解决方案 的结构 之后 开发人员循序渐进地设计了多个系 我们曾在两个不同的运行环境中 对图4所示 统模型 在此过程中 系统的功能和细节不断得到 的可穿戴计算系统分别进行了测试 图5 一是 完善 系统完成后 我们进行了输入和输出模式的 操作员挑选一个作业卡 存储信息并实施任务 操作员使用可穿 戴装备并登录 操作员发现坏点并向远 程专家进行语音咨询 专家进行故障排除 操作员生成非例行卡并修理 操作员验证该报告并 与远程的同事分享 系统追踪动作并自动 生成执行活动报告 远程专家验证该报告 操作员退出应用 关闭可穿戴设备并存储 图4 典型的设备检修操作示意图 21

24 专题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 测试结果 测试结果的分析与评估分为两 个部分 1 对可用性研究的数 据分析进行评估 以及 2 对设 备检修应用本身进行评估 可用性 研究分析表明 在众多的输入设备 中 手持式鼠标满足设计预期 能 够与系统进行快速的交互 在相同 环境下 数据手套的交互性能也不 图5 飞机机舱内以及实验室内的800VU断路器板 错 测试人员对数据手套的舒适感 虽然不是很满意 但给出了进一步 改善可用性的建议 测试人员对于 语音输入的交互性能很失望 认为 其使用起来十分困难 特别是在有 噪声的情况下尤为突出 在输出模式方面 静态 图像输出模式的测试性能最令人满 图6 预定作业的启动界面和图像/技术草图输出模式 意 此外 视频输出模式的测试效 果也不错 测试 输入模式包括语音 手持式鼠标以及数据手 在对可穿戴计算系统设备检修应用的整体测试 套 输出模式包括文本输出 图像 照片 影音 中 10名参与测试的人员均具有多年的飞机检修经 录像以及声音输出等 在每次的输入/输出模式测试 验 图7 测试结果给出了可穿戴计算应用以及 中 测试人员均由10位有多年设备检修经验的技术 在可用性研究中使用的输入输出模式的相关信息 人员组成 包括显示内容的布局和数据手套的使用等 根据测试结果 我们最终确定的解决方案是 将数据手套和语音导航作为系统输入模式 使用重 新编排的维修手册 文本显示 和技术草图 图像 显示 相结合的方式作为系统输出模式 见图6 在通过了一系列系统模型的测试之后 该套应 用解决方案在真实的工作环境下 由真正的检修人 员进行了现场测试 现场测试依次进行了输入模式测试和输出模式 测试 在两种测试完成后 参与者被要求以问卷调 查和直接交流的方式提供反馈意见 另外 整个测 试过程被全程监控 可以进行屏幕捕捉 以便在实 效评估中再现用户与系统的互动过程 测试中系统 能自动收集用户的互动等级 22 图7 测试过程中的设备检修人员

25 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 当为wearIT@work项目中其它应用领域设计解 作过程方面花费的时间占到50% 这里蕴藏着可穿 决方案以及推广项目成果时 上述测试结果就成了 戴技术的商业价值 当然 这类解决方案并不仅局 我们的参考依据 限于飞机检修 在其它领域 诸如机械检修 实习 培训 化工厂或发电厂也同样适用 在所有这些应 商业利益及推广 用领域中 可穿戴计算解决方案均可用来代替纸式 LinkVest及 作业 其配套的可穿 为了推广wearIT@work的研究成果 我们成立 戴技术是一个市 了开放式可穿戴计算小组 open wearable computing 场化的实例 项 group OWCG 该小组的价值链 目合作伙伴意大 包含一系列简单却非常重要的规则 通过这些规则 利的格拉道 赞 小组形成了互相学习 不断提升的良好环境 这使 罗 埃斯巴契公 得每次在设计解决方案时 每个成员都能及时地从 司 Grado Zero 合作伙伴处得到所需的信息 同时相互间的合作也 Espace 对该产 提升了整体的价值 品进行了进一步 开发 如图8所 示 使其可以 图8 LinkVest在飞机检修应用中的 最终解决方案 推广到不同的应 用领域 结语 wearit@work项目最显著的成果是展现了可穿 戴计算应用的多样性 不仅展示了可穿戴技术在医 飞机检修过程中 检修设备的相关信息需要结 疗保健 生产制造 设备维修和应急响应中的应 构性地展示给工作人员 同时 工作人员需要记 用 还探讨了用户对可穿戴计算系统的接受程度以 录检修内容及步骤 在观察了实际检修过程后 及可穿戴计算技术的可行性 [4] 研究结果表明 从 我们发现 检修人员在领取打印材料和笔录其工 长远来看 可穿戴计算技术有望改变非办公室工作 CCF TC CCF专业委员会换届工作启动 2011年6月11日 CCF常务理事会作出专委换届选举的决议 由于CCF第十次会员代表大会和 CCF第十届理事会换届会议将于2011年11月25~26日在深圳举行 根据 CCF专业委员会条例 第十 条关于专委换届和理事会换届同步的规定及CCF九届七次常务理事会议的决议 CCF要求各专委须在 2011年11月1日前完成换届选举工作 学会对本次换届的一些规定进行了说明 如已连续担任专委主任两届者 不再成为该专委下届主 任的候选人 专委负责人任职年龄不超过70岁 非CCF会员不具备委员资格 无选举权和被选举权 等 对于到第十届理事会上任日 新组建或重组未满两年的专委是否进行换届也作了规定 详情可查看学会网站 也可向学会秘书处咨询 联系方式 ccf@ccf.org.cn 转16 朱 23

26 专题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 人员的工作环境 如同个人电脑改变了人们的办公环 迈克尔 劳 Michael Lawo [10] 境一样 德国不来梅大学教授 主要研究方向 为系统优化 信息技术安全 健康医 疗以及可穿戴计算领域 mlawo@tzi.de 可穿戴计算还能够为新兴的用户群体 例如在 物流 设备检修 零部件组装以及生产制造领域工作 的人员 提供解决方案 可穿戴计算系统能够以环境 智能的方式协助用户执行现实世界中的主任务 并 辛 幸 Xin Xing 且为用户提供智能显示和语音服务 利用携带在用 德国不来梅大学人工智能工作组从事 科学研究工作 主要研究方向为概率 推理 机器学习 知识表达以及可穿 戴计算 xing@tzi.de 户身上或者放置在周围环境中的传感器为用户提供 移动协助 因此 除了用户界面设计之外 环境及 动作上下文感知是可穿戴计算系统的第二项挑战 为了培训用户同时执行双重任务的能力 我们 迈克尔 布赫鲁夫斯卡 Michael Boronowsky 开发了带评分机制的模拟系统 这也有助于可穿戴 计算系统在实际应用中得到进一步推广 另外 决 德国不来梅大学计算与通信技术中心董事 总经理 致力于研究更好的实现从学术科 研成果到实际应用的转换 mb@tzi.de 策者通过文献[6]中介绍的项目研究成果可以对可穿 戴计算技术及其应用状况一目了然 在wearIT@work项目期间 我们尝试使用了无 奥特林 赫尔茨克 Otthein Herzog 线网络和可穿戴计算技术搭建移动工作站 积累了 德国不来梅雅各布大学视觉信息技术 工作组教授 主要研究方向为可穿戴 计算 多代理系统 知识处理等 herzog@tzi.de 如下经验 [9] 1. 大多数商用传感器经过简单配置后 仍无法 直接接入到传感器平台中 只有一些个别的具有强 大功能的传感器 XSens MT 才能达到这个要求 黄志奇 然而这类传感器往往造价太高 不便于推广应用 电子科技大学讲师 主要研究方向为 可穿戴计算 可用性 体系结构 zhiqih@uestc.edu.cn 2. 由于商用传感器产品的工作电压各不相同 因此必须设计专门的电源管理系统 3. 目前在工业环境中 对于实时行为识别还没 有成功的应用案例 仍需做进一步的研究 4. 与纸式作业相比 利用环境上下文感知技 术 产业工人的生产能力可以得到提升 5. 使用射频识别标签和读取器实际上是目前能 够可靠获取上下文信息的最新技术 开放式可穿戴计算小组的成立推动了工业界与 学术界之间建立可穿戴计算技术共同体的进程[5] 致谢 感谢欧盟委员会的支持 并对所有参与wearIT@ work项目的合作伙伴在开发本文提到的研究成果时 做出的卓越表现和杰出贡献表示感谢和赞赏 电子科技大学黄志奇博士协助辛幸女士参与了 文章的中文翻译工作 在此表示感谢 24 参考文献 [1] Witt, Hendrik: Human-Computer Interfaces for Wearable Computers: A Systematic Approach to Development and Evaluation. Teubner-Vieweg, 2008 [2] Abowd, Gregory; Dey, Anind; Orr, Rob; Brotherton, Jason: Context-awareness in wearable and ubiquitous computing. - Virtual Reality 3 (1998) [3] Christopher M. Bishop: Pattern recognition and Machine Learning, Springer 2006 [4] Lukowicz, Paul; Timm-Giel, Andreas; Lawo, Michael; Herzog, Otthein: WearIT@work: Towards Real-World Industrial Wearable Computing, IEEE Pervasive Computing, vol. 6, no. 4, 2007, 8 13 更多参考文献

27 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 可穿戴健康监护系统在韩国 关键词 可穿戴健康监护 平面时装电路板 引言 李素姬 金惠静 杰拉德 颜龙 柳海俊 韩国科学技术院 置只能实现有限的传感功能 像计算处理或数据通 信的功能目前还无法被集成到这种系统中 鉴于 可穿戴健康监护 wearable healthcare 指的是 此 人们研制出平面时装电路板 planar fashionable 通过可穿戴计算装置实现的健康监护 如图1 circuit board P-FCB 技术 用于可穿戴健康监护的 现在这样的装置越来越多 以衣物 绷带 饰物或 系统中[5~6] 这种系统采用织物作为装置电路的基层 直接附着在皮肤上的方式存在 文献[1~3]中介绍了 载体 substrate 看起来如同衣物一样 根据电气 一些初级的可穿戴健康监护平台 这些平台类似于 和物理的特性 [5] 平面时装电路板技术被应用到可 便携式装置 通过印刷电路板 printed circuit board 穿戴健康监护平台时 不仅没有带来任何电气 物 PCB 或柔性电路板 flexible circuit board FCB 理性能上的削弱 相反 由于该平台集成了互补金 来实现 但穿戴起来比较困难和僵硬 虽然有些穿 属氧化物半导体 complementary metal oxide semi- [4] 戴装置能够直接集成到织物上 但这种类型的装 conductor CMOS 集成电路 所以还可以完成传感 处理 刺激和数据通信等所有功能 当前已有好几 时空数据 位置 速度 加速度 日期 时间 季节 种可穿戴健康监护平台采用了这一技术 显示出良 好的效果 体征 血压 心率 呼吸速率 肌肉活动 声调 活动 说话 阅读 行走 奔跑 可穿戴健康监护的智能计划 在2008年 韩国科学技术院半导体系统实验室 开展了 智能计划 Smart Project 项目 研究者 开发了一系列基于平面时装电路板的可穿戴健康监 护系统[7] 智能衣物 2008年 第一款基于平面时装电路板技术实现的可穿 戴健康监护系统是2008年开发的出汗监测系统 智能衣物 smart clothes [8~9] 该系统整合了一个 传感器 一个处理器和一个显示器 当用户分泌汗 液时 电容传感器可以检测到并将信号发送给处理 图1 可穿戴健康监护原型概念 器 数据经过处理后 LED light emitting diode 25

28 专题 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 发光二极管 显示器会为用户显示所需的数据 图2展 点采集的数据 并经过本地处理后发送给外部的服 示了该系统的使用效果 当用户穿上智能衣物后 务站 系统便能持续地检测出用户体表的湿度 其数值对 应于电容传感器提供的一个在1皮法 pf 10-12法拉 到1纳法 nf 10-9法拉 之间变化的电容值 集成 智能贴 2010年 2010年开发出了改进的可穿戴心电监护系统[13~14] 与2009年的项目相比 它有25个基于阵列的电极 电路选型参见文献[8] 电极配置可以自动进行 同时 依靠文献[13]选型的 集成电路对心电图 electrocardiogram ECG 和胸 廓阻抗变量 thoracic impedance variance TIV 信 号等进行处理 不仅可以检测心脏的电流情况 还 能检测心脏的物理运动状况 从医学的角度看 这 个系统的应用范围会非常广泛 为了去除智能绷带 系统中使用的健身胸带 在多层平面时装电路板改 进技术的帮助下 它集成了薄的可弯曲的纸电池 这种电池能增加可用的峰值功率 对于胸廓阻抗变 量监测来说 这是十分必要的 图4显示了这种被 图2 2008年的智能衣物系统 称为智能贴 smart poultice 的可穿戴健康监护平 智能绷带 2009年 台装置 电子贴能附着在用户的胸部并监测用户在 2009年 通过使用平面时装电路板技术 开发 了适用于慢性病患者的连续心脏监护系统 [10~11] 可 将传感器节点放在织物里 附着在产品化的绷带上 日常生活中的心电图和胸廓阻抗变量信号 监测数 据以肢体通信 body channel communication [15]的 方式传输到腕式基站中 以利于在用户身上放置 由于可以根据用户身体任 意改变形状 用户不会感到不便 节点通过胸带采 用无线的方式供电 如图3所示 由于传感器节点 的使用时间没有限制 用于替换电池的维护费用 会明显减少 同时 胸带也会收集所有传感器节 Layer-1 Layer-2 Layer-3 75mm Layer-4 38mm Poultice-like Plaster 图3 2009年的智能绷带系统 26 图4 2010年的智能贴系统

29 第 7 卷 第 8 期 2011 年 8 月 睡眠 以上的时间内 系统少量的功耗通过一枚纽 智能贴二代 2011年 扣电池就足以提供 如图5所示 睡眠监测系统具 最新开展的基于平面时装电路板技术是2011年开展 有良好的可穿戴性 能很好地胜任睡眠监测任务 [16] 的睡眠监测系统 智能贴二代 smart patches 考虑到人们在睡眠过程中可能出现的各种意外动作 增加了传感器自动检测动作的退出和进入功能 该 Network Controller (NC) 20mm 系统由多个附着在人体皮肤表面的传感器组成 当 用户睡觉翻身时 其中一些传感器会从皮肤表面脱 落从而造成错误的检测结果 因此 智能贴中的集 Wearable Band (W-Band) 成电路可以检测并重新配置可穿戴健康监护系统的 网络 与过去的项目相比 这个项目的另一个改进 便是功耗的显著降低 从而导致整个系统的电源解 Sensor Node (SN) 20mm 决方案只需要一枚纽扣电池 由于电池是可穿戴健 康监护系统中最重要也是最让人头疼的组成部分 所有可穿戴健康监护平台的目标主要集中在去除或 减少电池的开销 在这个项目中 采用了名为W-波 段和CDT协议的专用接口 以便把总的功耗降低到 500μW以下 [16] 在10个小时 足以满足一个人一天的 图5 2011年的智能贴二代系统 CCF YOCSEF CLUB在浪潮举办 2011年7月14日晚 CCF YOCSEF CLUB在浪潮 北京 电子信息产业有限公司成功举办 CCF副 秘书长刘雨 CCF YOCSEF主席陈文光 副主席袁晓如 AC委员郭莉 王涛 齐红威 委员韩银和 曹军威 周黎 肖永红 齐洪钢等出席 本次CLUB由陈文光主持 参会人员讨论了将于7月16举行的 中国IT如何进行原始创新 专题论 坛的准备情况 AC会议的日程安排以及CCF YOCSEF网站的维护工作 胡雷钧主持讨论了三个热点问 题 1 企业需要什么样的本科生和硕士生 2 云计算如何落地 3 3G的杀手级应用是什么 与会者针对新员工普遍缺少扎实的IT工作技能 踏实负责的精神以及高质量完成工作的能力这些 话题进行了热烈的讨论 大家认为除了企业对新员工进行必要的培训和引导外 最重要的应该是来自 于高校对学生的培养 云计算中心现在在全国各地大量建设 但这些云计算中心缺少先进的技术和很好的服务应用 未 来能否带来经济效益令人堪忧 一些企业虽然建立了自己的私有云和云服务 但对于广大的普通用户 而言 其业务很可能被少数的几个大型企业所垄断 大家认为3G在中国没有普及 最主要的原因是资费太高和带宽受限 只有解决了这些问题 大量 的互联网应用 视频娱乐应用 云计算服务才能够普及 涛 27

30 专题 第 7 第 杰拉德 Jerald Yoo 讨论 阿联酋首都阿布扎比Masdar Institute微系 统工程系副教授 主要研究方向为可穿 戴生理传感器的低功耗电路设计技术 无线能量传输 面向可穿戴健康监护应 用的片上系统设计 以往所有的智能工程系统都是为那些需要日常 持续监护的特定的慢性病患者专门设计的 由于这 些系统是属于可穿戴类型的 因此它们非常适合这 一目的 未来 可穿戴健康监护系统将可能在两个 颜龙 Long Yan 方向继续得到发展 一个是把目前用于非可穿戴健 韩国科学技术院电子工程专业博士研究 生 主要研究方向为可穿戴健康监护应 用的低功耗低噪声传感器电路 低能量 近场通讯以及片上系统设计 康监护系统的所有装置整合在一起 比如传感器 电池 处理器 收发器 激励等 另一个是解决电 池问题 电池始终是实现可穿戴健康监护系统的最 大问题 以前的系统提出了自己的方式来保证系统 活动运作所需的电能 如智能绷带选用的健身胸带 柳海俊 Hoi-Jun Yoo 无线供电 智能贴选用的集成纸电池 智能贴二代 解决方案 都有待进一步改进 韩国科学技术院全职教授 IEEE会士 主要研究方向为生物激励 bioinspired IC设计 片上网络 多媒体SoC设计 可穿戴计算 高速低功耗存储等 总结 译者 夏侯士戟 选用的小型纽扣电池等 但这些方式均不是最佳的 CCF会员 电子科技大学讲师 主要 研究方向为可穿戴计算 感知计算 形式化方法 xiahousj@uestc.edu.cn 本文介绍了基于平面时装电路板技术的代表性 的可穿戴健康监护的研究工作 包括出汗 心脏和 睡眠监测等 受益于平面时装电路板技术 用户在 使用中的舒适性会有明显的提升 由于这些产品都 是经过优化设计的专用集成电路 较之于以往的健 康监护系统性能更加优越 在更多人性化的设计工 具的支持下 未来可穿戴健康监护系统将会得到进 一步的发展 从而提高人们的生活质量 李素姬 Seulki Lee 韩国科学技术院电子工程专业博士研 究生 主要研究方向为可穿戴监控监 护系统中的实时可重构网络和低功耗 无线收发器 sklee@eeinfo.kaist.ac.kr 金惠静 Hyejung Kim 比利时校际微电子研究中心IMEC博士 后 主要研究方向为身体传感网络中的 低功耗生物医学信号处理 参考文献 [1] B. Gyselinckx, C. V. Hoof, J. Ryckaert, R. F. Yazicioglu, P. Fiorini, and V. Leonov, Human++: Autonomous Wireless Sensors for Body Area Networks, Proceedings of IEEE Custom Integrated Circuits Conference, Sep., 2005, 13~20 [2] A. Lymberis and A. Ditimar, Advanced Wearable Health Systems and Applications, IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, May, 2007, 29~33 [3] W.-Y. Chung, Y.-D. Lee, and S.-J. Jung, A Wireless Sensor Network Compatible Wearable U-healthcare Monitoring System Using Integrated ECG, Accelerometer and SpO2, Proceedings of the 30th Annual International IEEE EMBS Conference, Aug., 2008, 1529~1532 [4] A. Pantelopoulos, and N. Bourbakis, A Survey on Wearable Biosensor Systems for Health Monitoring, Proceedings of the 30th Annual international IEEE EMBS Conference, Aug., 2008, 4887~4890 更多参考文献 28