为万物智联提供解决方案——记上海交通大学计算机科学与工程系副教授俞嘉地

王 辉

伴随人工智能和网络通信的快速发展，各式各样的智能物联网终端应运而生。智能物联网通过物联网产生、收集海量的数据存储于云端、边缘端，再通过大数据分析及更高形式的人工智能，实现万物数据化、万物智联化，形成完整的智能化生态体系。智能物联网的发展中，移动物联网感知技术是备受关注的方向。移动物联网感知技术利用智能物联网设备感知周围环境，实现感知数据的收集和利用，去完成复杂的定制应用任务。移动物联网感知技术是构架智能物联网的应用基础与关键技术，对智慧城市，乃至智慧国家的构建起到决定性作用。因此，针对智能物联网愈加广泛的感知需求，上海交通大学计算机科学与工程系副教授俞嘉地深入研究智能物联网下的移动感知计算方法与系统，旨在为实现万物数据化、万物智联化的生态体系提供更多的解决方案。

心中多了使命感

俞嘉地（左）带学生参加国际会议MOBIHOC 2019

“走廊里灯没开，如果传感器感觉到人在动，灯会自动打开，人离开后，又会自动关闭；空气不好，随身装备会提醒，换一个空气好的场所去跑步，这些都是感知情景的典型应用。理论上讲，感知的实现可以使用任何传感器，例如：手机上的加速传感器、压力传感器、摄像头等。而我目前做的是基于无线信号的感知技术，通过采集无线通信的信号（Wi-Fi信号、声音信号、毫米波信号等）来感知环境和环境中的人。例如，利用无线信号识别与追踪手势来远程控制家电，也可用无线信号来监控呼吸与心跳的频率与波形。另外，不同的人其行为特征也有所不同，可通过无线信号感知人体独特的行为特征，用于用户识别认证，这打破了基于视觉的用户认证方法，有效地保护了用户的隐私。”对所做工作，俞嘉地开门见山做了介绍。

面向社会、家庭与个体，智能物联网与感知技术能够提供更多智能便捷的应用，室内定位与追踪、生命体征检测、车辆驾驶状态感知、行为识别与追踪、身份识别与认证等，促进了万物数据化、万物智联化的生态体系构建。俞嘉地所做工作对于更加有效利用城市资源、提高社会运行效率、保障社会治安等都有着重大意义。尤其我国从“十二五”国家自主创新能力建设规划开始，就将物联网作为战略性新兴产业创新能力建设的重点发展对象；在“十三五”国家科技创新规划中，也多次将物联网和人工智能作为新一代信息技术的代表技术；在“十四五”国家规划和2035年远景目标纲要（草案）中，又将物联网和人工智能作为国家数字经济重点产业加以强调和推进。当所做科研与国家命运挂钩，俞嘉地的心中更多了一份使命感。

如今，在相关科研领域，俞嘉地已有所建树，但谈到如何与之结缘时，他却坦言，自己虽出生于高校教师家庭，小时候经常出入于父母的实验室，却并未立志于做科研，从事科研工作完全是机缘巧合。上大学时计算机网络蓬勃发展，俞嘉地对网络产生了极大兴趣，也因此开始了相关的研究工作。

俞嘉地从本科读到博士期间，是有线网络的时代，他的研究也主要聚焦在有线网络的资源共享。随着移动网络的发展，智能终端开始随人移动，俞嘉地开始思考，如何将机器与机器的连接转为人与机器、人与人的连接，而这正是物联网的基本思想。他在美国斯蒂文斯理工大学从事博士后研究时，恰遇移动网络发展的黄金期。在博士后导师陈莹莹（Yingying Chen）教授的倾心指导下，他开始将移动感知技术与智能交通相结合，尝试用智能终端传感器去感知车辆的运动状态，从而为驾驶提供一个更加安全的环境，也由此确定了未来的研究方向。

回首求学、成长历程，俞嘉地用“平淡”二字作总结。在平平常常的日子里，他踏实又坚定地迈出了每一步。在波澜不惊的岁月里，也总有一些人如明灯一般，照亮了他前进的方向。Yingying Chen教授曾对他说，无论做什么事情都要考虑到所做的应该是服务于人的。秉承为人服务的科研理念，从兴趣出发，为让科技更高质量地改变生活，俞嘉地一直不遗余力。

科研要服务于人

2012年，俞嘉地回国进入上海交通大学计算机工程和科学系从事教学与科研工作。近年来，他在移动计算、物联网、车联网等领域取得令人瞩目的成绩：主持与参与了多个国家与省部级项目；发表论文70余篇，其中包括移动计算领域三大旗舰国际会议国际计算机学会移动计算与网络国际会议（ACM MobiCom）、国际计算机学会移动系统、应用和服务国际会议（ACM MobiSys）、国际计算机学会移动自组织网络与计算研讨会（ACM MobiHoc）和国际期刊电气与电子工程师协会移动计算汇刊（IEEE Transactions on Mobile Computing）、电气与电子工程师协会/国际计算机学会网络系统汇刊（IEEE/ACM Transactions on Networking）等；以第一发明人申请国家发明专利20余项，其中15项已授权；先后获得上海市自然科学奖二等奖、上海市科技进步奖二等奖等诸多奖项。

“获得上海市自然科学奖二等奖的项目是我和唐飞龙、孔令和教授合作的项目，我们主要针对感知数据量大质低和缺乏全局信息的问题，提出多维认知和经典压缩感知理论融合的新方法，通过多个维度的认知，形成感知数据的立体化呈现。多维认知方法可以在终端稀疏感知下，准确精选出优质数据。”俞嘉地介绍。

俞嘉地并未唯奖项论，他认为获奖是对所做工作的一个肯定，但是同时他也看到很多不足。在他看来，其实每个工作，都有其意义和价值。

“基于音频信号的车辆驾驶行为传感研究”是俞嘉地承担的国家自然科学基金面上项目。将基于智能终端的感知技术与交通系统相结合，通过项目攻关，俞嘉地意在打造安全、快速和便捷的智能化交通系统。

在智能交通系统中，感知车辆驾驶行为是备受关注的问题之一，是构架智能交通系统的应用基础与关键技术。由于声波信号穿透性强、感知范围大、能耗低等特点，智能终端声源装置为实现车辆驾驶行为的感知任务带来了新的技术支持。项目针对感知技术的两个核心问题——行为识别和轨迹追踪，深入研究基于声波信号的车辆驾驶行为感知技术。创新之处在于，项目提出了面向复杂交通环境的运动行为识别与轨迹追踪技术方案；设计了驾驶员驾驶行为、驾驶员健康生命体征和车辆行驶状态的监控技术，率先打破了基于视觉的监控方法，保护了用户的隐私，并且适应各种环境。

为弥补当前广泛部署的基于人体生理特征的身份认证技术存在的欠缺，俞嘉地也开展了相应的攻关。据他介绍，针对智能物联网对数据、应用与服务的高安全性需求，用户身份认证已成为其不可或缺的安全保障。但指纹、面部识别和声纹等都容易受到窃取和易受环境影响，通常仅提供一次性登录认证服务，无法为复杂智能物联网环境提供可靠与连续的安全保障。

在俞嘉地负责的国家自然科学基金面上项目“基于毫米波信号感知人体行为特征的身份认证”中，针对智能物联网对用户身份认证的实际需求，俞嘉地提出面向复杂智能物联网环境的基于毫米波信号感知人体行为特征的身份认证技术方案，重点解决基于人体行为特征的身份认证、中细粒度个体行为特异性提取、多样化行为下个体固有生理特异性挖掘、跨环境与多人复杂场景身份认证4个核心与难点问题。

不同于传统思路将人体与生俱来的生理特征作为身份认证的基础，俞嘉地带领团队从人体复杂感官系统辨别个体特征的智能机理获得启发，独辟蹊径地将基于生理特征的身份认证拓展到基于人体行为特征的认证。项目面向真实智能物联网隐私安全保护的需求，以人体行为特征作为认证基础，通过在智能物联网环境中部署低成本的毫米波装置实现人体行为特征感知，结合人工智能和机器学习技术，赋予智能物联网基础设施身份认证的能力，有望突破现有面向稳定环境和单一场景的一次性认证系统框架的局限，建立复杂环境下人体行为特征感知及基于其的非侵入式连续身份认证理论与方法，引领形成新型的真实场景身份认证研究范式。

俞嘉地（右三）指导学生

虽然身在“象牙塔”，工作以科研为重，但俞嘉地亦有着实干家的梦想，他希望自己的研究成果能够真正落地，更希望为人服务的理念能尽快变为现实。在美国读博士后研究时，通过与导师Yingying Chen教授的聊天，俞嘉地只是感觉所做研究很有意思，而且未来可能会有越来越广阔的发展空间。随着人工智能技术的发展，十余年来俞嘉地的研究也走向深入，而且所做工作也越来越受到工业界的欢迎。经常有工业界的朋友找到他，希望通过合作能做一些事情。兴趣所致，一直非常重视产学研合作的俞嘉地，也先后开启了与评驾科技、蚂蚁集团、OPPO、华为等公司的合作历程。

与评驾科技合作，俞嘉地主要负责数据模型的指导和技术团队的构建工作，积极推动评驾科技核心算法的迭代升级，针对复杂数据分析、驾驶行为分析、驾驶数据模型、个性化车险定价等方面进行深层次的探索，规划具有战略意义的智能手机方案，将核心算法充分产品化，最终实现车联网保险的可持续发展。他们还合作开发了“评驾”APP驾驶行为分析应用软件，这一软件能实时地感知车辆行驶状态与驾驶员的驾驶行为状态，并基于用户的驾驶行为对驾驶员进行数据评估。目前，此套软件已安装在沃尔沃、长安汽车、北汽等数十种车型中，并被用于十几家保险公司对其客户的驾驶行为进行分析。此类驾驶行为数据分析平台，具有海量数据处理能力、深度数据分析挖掘能力，能够实现平台全数据可视化展示、源数据清洗建模与分析、自动生成用户画像、提供BI工具分析报告、精准用户分析与营销等功能。目前已为保险、汽车租赁、主机厂经销商等行业提供有效的数据支撑，累计个人用户达到千万级。

与蚂蚁科技集团股份有限公司进行产学研合作，俞嘉地同他们一道将无线感知身份认证技术与自动售货机的刷脸支付场景相结合，开发并落地了“自动售货机支付认证系统”，通过在自动售货机上安装轻量级、低成本的mmWave传感器，实现非侵入式的活体检测，为支付提供安全有效的身份认证服务。目前，相关产品已在支付宝大厦、蚂蚁Z空间、蚂蚁A空间等广泛部署并进行了内部测试。在无线感知技术与视觉人脸识别技术的融合判别下，产品对3D头模攻击的抵御达到了99.8%。

除与工业界开展广泛的合作，俞嘉地还与医学界建立了紧密的合作关系。与上海交通大学医学院附属新华医院合作，他们致力于建立能共享儿童遗传病信息的云平台，通过智能提取遗传病的相关特征，为医生做出诊断提供辅助支持。

看到越来越多的成果落地，俞嘉地心中满是欣慰和喜悦，因为这证明他做的东西是有用的，是能够真正服务于大家的。

在挑战中把握机遇

为用户创造价值，是俞嘉地的科研目标；作为师者，在教书育人上，他亦有自己的目标，就是希望学生能自由成长，到更广阔的空间去翱翔。

带学生，一个很重要的工作就是根据学生的特点，给他们未来择业提供指导。有的学生，工程方面比较强，俞嘉地会建议他们读硕士，将来做一个好的工程师；有的学生，有志于从事科研，就建议他们读博士，将来不管是在高校还是在大公司做研究，都可以对前沿技术进行探索。

俞嘉地非常注重学生科研兴趣的培养，也注重培养学生的动手能力和独立思考能力。他鼓励学生做各种实验，从实验中发现问题，而不是由自己设定题目，把学生的思维限制在一个固定的模式中。“我希望学生来挑战我，因为老师不一定全是对的，学生也不一定全是错的，大家都来做，最后看结果。我喜欢这样与学生互动。”俞嘉地说。

为开阔学生的眼界，俞嘉地很支持他们去参加各种学术会议，并送他们到国外的知名实验室去锻炼，了解世界前沿技术同时也为实验室注入了新鲜的血液。

现在，俞嘉地的很多学生对科研都有着浓厚兴趣，很多学生毕业后依然留在高校从事科研工作，也不乏到浙江大学、东南大学等知名高校任教的。

俞嘉地支持学生有各种各样的兴趣爱好，他自己的生活就常常伴随着各种看似与科研无关的活动。在他看来，热爱科研不一定要做“7天24小时”的“实验鼠”。他喜欢旅行，尤其喜欢观摩古建筑，这个爱好为他论文的写作带来了很多益处，古建筑带给他美的感受的同时，更让他懂得了如何构建整个论文的结构，如何画出赏心悦目的系统结构图。

俞嘉地也喜欢打游戏、看电影。这些爱好虽然占用了他很多时间，但也为他做科研带来了许多灵感。“操控游戏时，我会想如果能摆脱手柄的约束将会更加方便，于是我开始了基于无线信号感知人体细粒度行为的研究。游戏玩到一半有事离开，我会想别人进入我的系统把我之前玩的成果毁了怎么办？于是我又进一步开始研究感知人体行为特征的用户认证方法。另外，如果玩得过于激动，我会想身体会不会出事？是不是应该实时地监控一下生命体征。但是穿戴设备不够友好，于是我便开始研究在运动状态下的非侵入式人体生命体征的感知。而这些工作也可以扩展到我们生活的方方面面，例如：运动、健身、独居养老等。”

俞嘉地（右）指导学生实验

带着这些灵感，坚持对科研的初心，俞嘉地对未来即将要开展的工作充满期待。

目前，随着新一代网络通信技术的发展，社会正逐渐步入5G通信时代；同时，各类人工智能算法不断从理论变为应用，智能物联网设备不断更新换代。这些技术的发展趋势让俞嘉地坚信，智能物联网感知技术在未来很长的时间内将会继续蓬勃发展。但不可否认智能物联网感知技术在发展中，也会面临诸多挑战。首先，物联网感知信号通常是为通信设计而非为感知设计，因此在物联网感知信号中提取有效的感知信息是其中的一大技术难点；其次，在实际应用中，背景环境、应用场景、用户状态等情况都非常复杂、随机和多样，智能物联网感知的质量和鲁棒性难以得到保证；最后，伴随着更多复杂的感知任务出现，在低计算力的物联网终端中如何实现高效、即时的感知计算更是智能物联网感知能否落地的关键。

面对这些现实挑战，俞嘉地认为智能物联网感知技术的发展将朝着“感知定制化”“场景独立化”“计算高效化”发展。而“感知定制化”意味着，随着智能感知场景的广泛出现，智能物联网设备将会逐步为感知任务定制感知信号，以此通过定制的感知信号实现更有效的感知信息提取；“场景独立化”意味着面向越来越复杂的背景环境、应用场景、用户状态等影响，智能物联网感知技术将会朝着复杂场景独立的感知计算发展，实现复杂场景下鲁棒的感知与计算能力；“计算高效化”则意味着，针对更广泛的各类物联网终端设备，计算将朝着云-边协同计算解决方案发展，提供更多的算力，实现高效、即时的感知计算。

为应对这些挑战，针对智能物联网环境中各类广泛应用的无线信号，俞嘉地已开始研究基于多种用户行为的行为识别重构与身份认证算法。利用声波信号、无线Wi-Fi信号、振动信号、毫米波信号以及RFID信号等，研究人体唇读、步态、手势、触摸、面部运动等行为中的个体特征提取算法，以此实现在实际场景中的行为重构与身份认证。目前，在利用毫米波信号实现细粒度人体姿态重建、利用声波信号进行基于唇读的身份认证、利用振动信号进行基于触摸的身份认证，以及利用Wi-Fi信号进行基于手势的身份认证上，他已取得了阶段性的成果。这些研究成果为一些智能化场景提供了理论与实际的解决方案，例如，相比于目前广泛使用的深度摄像头解决方案，基于毫米波信号的细粒度人体姿态重建能够实现无隐私担忧的体感游戏体验；在智能家庭中，利用Wi-Fi信号进行基于手势的身份认证能够为定制化服务提供身份依据，使得用户在日常行为动作中即可被动地获得身份授权。这些不断拓展的应用场景激励着俞嘉地为提供更多的智能物联网感知解决方案做着不懈努力。在未来，他将进一步研究在各种复杂环境与用户状态下的细粒度行为重构与身份认证技术，推动基于智能物联网无线感知的识别与认证方法在现实中的广泛部署与应用。

随着场景的不断拓展，技术的不断完善，俞嘉地相信智能物联网感知技术终有一天会步入千家万户，为智慧家庭、智慧城市，乃至智慧国家的实现提供强有力的助力。