人-机-物三元融合将促进信息服务进入普惠计算时代

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆成都分馆信息科技团队

房俊民（E-mail:fjm@clas.ac.cn）、田倩飞、徐婧、唐川

审稿专家：中科院计算技术所洪学海研究员

1 人-机-物三元计算是实现普惠计算的范式变革

过去50年，信息技术的发展主要追求高性能、通用和规模化生产，较忽视低成本、易用性、可靠性、安全性和个性化。未来的信息产品则是要满足数以十亿计的广大民众的个性化需求[1]。为了面向大众实现高增值、低成本、可持续的普惠计算（普惠是指让广大民众都能够低成本、高增值、可持续地获益。普惠计算是指以全民普惠为目标的计算机科学技术研究和应用），需要让计算进入广大民众生产生活的业务价值层面，这意味着计算需要从信息空间进入人-机-物三元世界，不再局限于使用计算机与网络硬件、软件和服务，而是综合利用人类社会（人）、信息空间（机）、物理世界（物）的资源，通过云计算、物联网、移动通信、光子信息等技术支撑，协作进行个性化大数据计算[2]。为此，计算机科技及产业必须发生基本性的范式变革。该范式变革就是人-机-物三元世界，或三元计算。

典型的人-机-物三元世界是由人、嵌入式系统（网络组件）和物理环境所组成的开放环境。其中，嵌入式系统能增强人与物理世界的交互。人-机-物三元世界能通过身体和大脑传感器量化人的感知活动，进而推断用户的意图。嵌入式系统能将用户意图转换为机器控制信号，让机器执行元件充当人的代表，并与物理环境进行交互。最后，由人观察物理世界交互情况，以此为据制定决策并结束此次循环[3]。

2 信息服务进入普惠计算时代的突出特点

未来10年内，人-机-物三元融合将使得信息科技渗透到实体经济和社会服务活动中。通过人-机-物开放式协作交互过程提升生产生活的智能化水平。传统计算机科学将演变成为人-机-物三元计算信息科学，传统信息技术将升级为海-网-云信息网络技术，出现新的硬件、软件、应用模式、协议和标准[4]。

在人-机-物三元融合的趋势下，以民众的计算需求为中心的普惠计算意味着要向大众提供重要的信息服务计算价值，以满足个体需求。为此，普惠的信息服务计算应包括4项特性：（1）高增值的大众利用：以中国为例，至2050年IT用户应覆盖八成以上的人口，且人均IT投资增长超过13倍；（2）可支付的计算：每位用户利用IT的总成本应大幅下降，且所获的IT价值等同或更多；（3）可持续的计算：IT利用呈数量级增长，但能耗和排放物不应呈数量级增长；（4）三元计算：只有发生变革性创新时，上述特性才能实现。这种创新的主要机遇将源自人类社会、信息空间和物理世界的融合与交互[5]。

3 信息服务进入普惠计算时代将产生重大经济社会影响

人-机-物三元世界是一个多人、多机、多物组成的动态开放网络社会，在人-机-物三元融合作用下，云计算所推动的以人为出发点、以个人的计算需求为第一负载的e-People将 超 越 e-Business、e-Science和e-Government成为主流服务模式，将使民众在医疗卫生、地理信息、电子商务、科研教育、影视娱乐等方面享受更高质量服务。例如，在人机界面、受控辅助机器人和智能假肢、修复或增强人类与物理世界的交互等领域将出现多种令人兴奋的应用，并且研究人员能更好地应对半自动机器人、无线体域网、嵌入式系统设计和意图推断算法开发等交叉领域的挑战[6]。据估计，普惠计算有望将中国计算机市场在2040—2050年增长到每年10万亿元[7]。

4 相关研究已引起业界广泛关注

目前，人-机-物三元融合及普惠计算的研究已引起各界关注。中国科技部和国家自然科学基金委员会出版的《2011至2020年信息技术发展》战略研究报告中，面向人-机-物三元世界的发展趋势得到了肯定。人-机-物三元计算（以及美国科学家提出的计算透镜和计算思维）概念促进了新的交叉学科子领域和研究团体的形成。例如，“物联网”领域的研究在中国已获广泛关注，并成为若干大学的新学科项目；美国哈佛大学正开展演进计算研究；新成立的美国卡内基梅隆大学计算思维研究所、康奈尔大学计算可持续性研究所也瞄准了相关研究方向[8]。此外，欧盟提出的物联网战略研究路线图[9]、欧盟未来新兴技术旗舰计划项目的“人脑工程”[10]、美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的“21世纪网络物理系统的战略研发机遇”[11]、通用电气公司提出的“工业互联网”[12]等战略规划与研究项目，均系在人-机-物三元融合趋势下的相关举措。

5 中国积极推动相关研发进程

近年，中国政府有关部门以及中科院对人-机-物三元融合和普惠计算的有关研究提供了系列资助，取得了较为显著的研究进展，表明我国在该方向上已具有良好基础。

普惠三元计算的概念最早于2001年提出，当时中国正在制定2001—2020年科学与技术发展中期计划。此后，该概念在中科院的大量研究中得以延伸发展[8]。2007年，中科院针对2050年信息技术发展的挑战、需求和潜在路线图发起了为期2年的研究，在此基础上，中科院研究人员提出：需要一种新的范式（被命名为“普惠计算”）来应对未来数十年中的IT挑战[5]。2009年，中科院发布《中国至2050年信息科技发展路线图》报告，指出发展普惠泛在的信息网络是我国经济社会发展和科学研究的重要需求，并提出了人-机-物三元世界和信息技术普惠大众的思想[7,13]。2012年8月，中科院启动了“面向感知中国的新一代信息技术研究”先导专项，人-机-物三元融合的信息技术是研究重点之一[14]。未来一段时间，为进一步提升计算技术价值，逆转传统计算产业发展停滞趋势，实现高增值、低成本、可持续的普惠信息服务发展目标，信息服务业必将在人-机-物三元融合的大趋势下向普惠计算时代大踏步前进。

1 中国科学院.中国至2050年信息科技发展路线图.北京：科学出版社，2009，27.

2 中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京：科学出版社，2013，94.

3 Gunar Schirner,Deniz Erdogmus,Kaushik Chowdhury et al.The Future of Human in-the-Loop Cyber-Physical Systems.IEEE Computer Society,Jan,2013.

4 中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京：科学出版社，2013，95.

5 Zhiwei Xu,Guojie Li.Computing for the Masses.Communica tions of the ACM,2011,54（10）.

6 中国科学院.科技发展新态势与面向2020年的战略选择.北京：科学出版社，2013，10.

7 徐志伟,李国杰.普惠计算之十二要点.集成技术,2012,1（1）:20-25.

8 Xu Z W,Tu D D.Three new concepts of future computer science.Journal of computer science and tech-nology,2011，26（4）：616-624.DOI 10.1007/s11390-011-1161-4.

9 European Commission.Internet of Things Strategic Research Roadmap.http://www.internet-of-things-research.eu/pdf/IoT_Cluster_Strategic_Research_Agenda_2009.pdf[2013-8-9].

10 European Commission.Human Brain Project.http://www.humanbrainproject.eu/[2013-8-9].

11 NIST.Strategic R&D Opportunities for 21stCentury Cyber-Physical Systems.http://www.nist.gov/el/upload/12-Cyber-Physical-Systems020113_final.pdf[2013-1].

12 General Electric.Introducing the Industrial Internet.http://www.ge.com/stories/industrial-internet[2013-8-9].

13 Li Guojie.Information Science and Technology in China:ARoadmap to 2050.Beijing:Science Press（Berlin:Springer-Verlag）,2010.

14 信息技术战略性先导科技专项启动.http://www.cas.cn/xw/zyxw/yw/201208/t20120814_3627162.shtml.