Люди в Интернете вещей

Сергей Кузнецов

Обзор февральского, 2013 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 46, No 2, February 2013).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

Темой номера является «Интернет вещей» (Internet of Things). Этой теме посвящена вводная заметка приглашенных редакторов «Интернет вещей и следующая техническая революция («The Internet of Things: The Next Technological Revolution») и пять крупных статей. В роли приглашенных редакторов в этот раз выступают Мохаммед Али Феки, Фахим Кавсар, Мэтью Буссар и Ливен Траппениерс (Mohamed Ali Feki, Fahim Kawsar, Mathieu Boussard, Lieven Trappeniers, Bell Labs).

Термин «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) относится к нескольким технологиям и исследовательским дисциплинам, которые позволяют Интернет установить связь с реальным миром физических объектов. Реальностью IoT делают такие технологии, как RFID (radio-frequency identification, радиочастотная идентификация), беспроводная связь с малой дальностью (short range wireless communications), определение местонахождения в реальном времени и сенсорные сети.

В действительности, вслед за Всемирной Паутиной и обеспечением повсеместной доступности мобильной связи IoT сулит очень значительные изменения в жизни людей. С учетом того, что к 2020 г. к Интернет будет подключено от 50 до 100 миллиардов предметов, наступает время перехода к парадигме, предполагающей, что повседневные предметы становятся взаимосвязанными и интеллектуальными.

Однако человеческое понимание, готовность к использованию «умных вещей» и образуемых ими систем, отстают от развития технологии, и это приводит к многочисленным техническим, социальным, экономическим и политическим последствиям. Поэтому различные исследователи из университетов и производственных компаний, специалисты правительственных организаций и т.д. изучают подходы к созданию IoT с трех основных позиций: научная теория, технические разработки и восприятие пользователями.

Соответственно, в исследовательском сообществе в центре исследований все чаще находятся не системы, а конечные пользователи. Цель состоит в том, чтобы облегчить пользователям переход к IoT, обеспечив им знания, требуемые для понимания новой средой и управления ею, а также разработав новые удобные интерактивные интерфейсы, превосходящие те, которые доступны на сегодняшних персональных компьютерах.

Первая статья тематической подборки под названием «Разработка прототипов связанных устройств для Интернета вещей» («Prototyping Connected Devices for the Internet of Things») написана Стивом Ходжесом, Стюардом Тейлором, Николасом Вилларом, Джеймсом Скоттом, Домиником Биалом и Патриком Тобиасом Фишером (Steve Hodges, Stuart Taylor, Nicolas Villar, James Scott, Microsoft Research Cambridge, UK, Dominik Bial, University of Duisburg-Essen, Germany, Patrick Tobias Fischer, University of Strathclyde, Glasgow, UK).

Сегодня во всем мире значительную часть устройств, подключенных к Интернет, составляют персональные компьютеры и смартфоны. Однако с позиций Интернета вещей доступность сетевой связи должна быть распространена на простейшие электронные устройства — к Интернет должно быть можно подключить почти любой предмет. Аналитики предсказывают, что в новой парадигме межмашинных коммуникаций простейшие встраиваемые устройства будут присутствовать в Интернет наравне с традиционными платформами. Одновременно с появлением сетевых вариантов обычных бытовых устройств (стиральных машин, будильников, дверных звонков и т.д.) ожидается появление новых приложений. Эксперты предрекают, что в скором будущем встроенные устройства будут постоянно общаться одно с другим, повышать человеческую продуктивность, помогать людям справляться с повседневной деятельностью, обеспечивать более простые контакты с другими людьми, снабжать своевременной информацией и совершенствовать досуг.

Одним из ожидаемых последствий является то, что программное обеспечение встраиваемых устройств, образующих Интернет вещей, все в большей степени будет дополняться облачными Web-сервисами, доступными за счет наличия встроенных сетевых интерфейсов, которые позволят использовать Web-ориентированные протоколы. Web-сервисы позволят существенно увеличить возможности этих устройств по обработке и хранению данных. Относительно недорогие встраиваемые процессоры смогут производить сложную обработку данных и обращаться к крупным наборам данных, хранимым в облачных инфраструктурах. В перспективе может появиться новый класс приложений, в которых группы устройств будут выступать в качестве элементов ввода-вывода распределенных и сервисов потенциально мирового масштаба.

Хотя концепция IoT обладает громадным потенциалом, остаются нерешенными многие сложные технические, социальные и экономические проблемы. При наличии многочисленных новых возможностей, которые сулит Интернет вещей, нельзя недооценивать роль аппаратно-программных платформ, позволяющих преобразовывать идеи в работающие прототипы. В статьи описываются некоторые доступные в настоящее время аппаратные средства и программные службы, которые облегчают построение прототипов сетевых встраиваемых устройств.

Возможности этих средств иллюстрируются на примере Microsoft .NET Gadgeteer — создаваемой авторами платформе разработки устройств общего назначения. Ключевыми элементами Gadgeteer и подобных систем являются обеспечение быстрого конструирования и реконфигурирования аппаратуры электронных устройств, облегчение программирования и отладки и возможность использования онлайновых Web-сервисов. Возможность быстрого построения прототипов устройств, их тестирования и внедрения ускорит понимание проблем и достоинств Интернета вещей.

Увеличить	Увеличить
Web-камера, сконструированная с использованием NET Gadgetee. Слева показана аппаратная конфигурация, справа – физическая аппаратура Web-камеры.

Даниэль Рогген, Герхард Трестер, Пауль Лукович, Алоиз Ферша, Хосе Миллан и Риккардо Чаварриаго (Daniel Roggen, Gerhard Tröster, ETH Zurich, Switzerland, Paul Lukowicz, DFKI and Kaiserslautern University of Technology, Germany, Alois Ferscha, Johannes Kepler University of Linz, Austria, José del R. Millán, Ricardo Chavarriaga, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland) представили статью «Незапланированные активности человека и распознавание контекста» («Opportunistic Human Activity and Context Recognition»).

Более 20 лет тому назад Марк Вейзер (Mark Weiser) из Xerox PARC предложил идею среды со сверхминиатюрными сенсорными узлами и компьютерами, помогающую людям во всех аспектах их жизни. Будучи повсеместно распространенной, эта среда должна была знать, в чем нуждаются люди, и обеспечивать им упреждающую поддержку.

Эта идея окружающего интеллекта продолжает будоражить исследователей. Интернет вещей теперь обеспечивает необходимую инфраструктуру для обеспечения прозрачного доступа к сенсорам, процессорам и приводным устройствам с использованием стандартных протоколов независимо от используемых аппаратных средств и операционных систем, а также от местоположения. Для претворения в жизнь концепции окружающего интеллекта эти «вещи» должны научиться понимать пользовательский контекст (включая местоположение пользователя, его активности — жесты, положение тела, способы передвижения, когнитивно-аффективные состояния и общественные взаимодействия), а также состояния среды.

Знание этой информации позволяет обеспечить невозможные ранее виды поддержки пользователей. Предположим, например, что некоторый рассеянный человек забывает налить воду в кастрюлю, стоящую над зажженной газовой горелкой. Распознавание его действия могло бы помочь вездесущей системе мониторинга выявить эту ситуацию или любо сообщить об этом пользователю, либо потушить огонь. Такая возможность постоянного мониторинга с распознаванием действий могла бы принести пользу людям во многих ситуациях дома, на работе или в других местах.

Однако существующие подходы к распознаванию контекста пригодны для использования только в средах, в которых имеются специализированные сенсоры. Для достижения наличия истинного окружающего интеллекта требуется новая парадигма распознавания незапланированных активностей. Вместо того чтобы применять источники информации для достижения конкретной цели распознавания, эти методы должны приспосабливаться к данным, доступным в данный момент времени. В статье описываются методы, позволяющие производить распознавание произвольных активностей в динамических сенсорных конфигурациях.

Авторами статьи «Применение принципов человеческого обучения к системам IoT, ориентированным на пользователей» («Applying Human Learning Principles to User-Centered IoT Systems») являются Сан Ван Ли, Оливер Пренцель и Зенгнам Бьен (Sang Wan Lee, California Institute of Technology, Oliver Prenzel, Rheinmetall Defence Electronics GmbH, Zeungnam Bien, Korea Advanced Institute of Science and Technology).

Сторонники классических теорий искусственного интеллекта (ИИ) внесли значительный вклад в совершенствование пользовательского восприятия Интернета вещей. Однако по-прежнему отсутствует общее согласие по поводу принципов организации систем IoT, ориентированных на пользователей и поддерживающих двунаправленное представление знаний и адаптивное обучение.

Технологии IoT и методы ИИ позволили преобразовать многие сценарии повседневной жизни людей. Усовершенствовалась технология планирования человеческой деятельности и адаптации соответствующих планов к текущему контексту. Управляемые потоками работ всеобъемлющие системы поддерживают высокоуровневые интерфейсы программирования, с использованием которых система автоматически конкретизирует пользовательские задачи, склеивая физически доступные действия в соответствии с планом решения задачи.

Современные исследования концентрируются на том, как сбалансировать системное и пользовательское представления задач. В системе распознавания произвольных действий (Opportunistic Activity Recognition system, см. выше) Цюрихского технологического университета достигается высокопроизводительное распознавание действий на основе методов целенаправленного планирования задач. Система Aura Карнеги-Меллонского университета ориентирована на балансировку доступности системы и намерений пользователей. В основе этих технологий лежит та идея, что в системном представлении намерений пользователей относительно планирования задач и действий должны отражаться реальные желания пользователей. Построение системы, основанной на этой идее, затруднительно в тех случаях, когда сценарии применения системы отличаются высоким уровнем гибкости, как, например, в случае организации ухода за пожилыми людьми на дому. В таких случаях требуется сложное представление знаний, чтобы система могла обучаться и адаптироваться к изменениям контекста. Несмотря на многочисленные попытки разработать самоуправляемые системы IoT, остаются без ответов сложные вопросы: каким образом пользователю следует составлять план решения задачи, и как могут действовать на этот процесс изменения контекста?

Поскольку ответы на эти вопросы отсутствуют, недостатком многих подходов, основанных на методах ИИ, является отсутствие согласованности между системным и пользовательским представлениями знаний. Результаты многих выполненных исследований показывают, что подходам на основе ИИ свойственны неверные предсказания задач пользователей.

По мнению авторов статьи, решение этой проблемы несогласованности может основываться на исследованиях способов накопления людьми знаний о своих задачах и обучения к адаптации при изменении контекста. Для этого требуется глубокое проникновение в психологию и нейропсихологию человеческого поведения. Проблемой является разработка системы IoT, обрабатывающей знания таким же образом, что и люди. Конечной целью должна являться разработка системы, ориентированной на пользователей и поддерживающей среду, которая включает объекты реального мира. Описываемый в статье проект показывает, что для разработки систем IoT, ориентированных на пользователей, важное значение имеют теории из областей психологии и нейропсихологии.

Статья «Обучение поколения Интернета вещей» («Educating the Internet-of-Things Generation») представлена Гердом Кортемом, Арошей Бандарой, Нейлом Смитом, Майком Ричардсом и Мариан Петре (Gerd Kortuem, Arosha K. Bandara, Neil Smith, Mike Richards, Marian Petre, The Open University, UK).

В изменяемом компьютерном мире продолжающееся воздействие закона Мура вместе с близкой к нулю стоимостью обработки данных и поддержки электронных коммуникаций привело к появлению Интернета вещей –компьютерной инфраструктуры, включающей миллиарды связанных вещей и охватывающей весь мир. Развитие IoT окажет сильнейшее воздействие на человеческое общество и потребует, в частности, переосмысления подходов к обучению грядущего поколения компьютерных специалистов.

Эта сложная проблема встает в то время, когда от высшего образования все более требуются преобразования, соответствующие серьезным изменениям в жизни общества:

Для работы в новых областях деятельности требуются новые знания. Становится понятно, что в «Третьей промышленной революции» (Third Industrial Revolution) важнейшую роль будут играть новые разработки в областях компьютинга, энергетики и организации транспорта. Для совершения этой революции потребуются новые виды технической и научной деятельности, тесно связанные с IoT.

Все большее число людей хочет получить образование (и реально нуждается в этом). За последние несколько десятилетий миллионы людей по всему миру перешли от состояния нищеты в члены среднего класса. Теперь они нуждаются в получении высшего образования. Образовательные организации не могут справиться с возрастающим числом потенциальных студентов.

Потребители становятся производителями. Происходящий переход от потребительской (consumer culture) к созидательной культуре (participatory culture) изменяет отношение людей к технологии и их собственной роли в ней как производителей и созидателей. Технические разработки должны все более ориентироваться на поддержку демократического управления, открытость, общественное производство и коллективное сотрудничество.

Эти изменения приводят к потребности в образовательной системе для нового поколения «цифровых» граждан, понимающих суть технологий, лежащих в основе IoT, а также осознающих социальные последствия широкомасштабного использования этих технологий. Кроме того, программы высшего образования должны подготовить новое поколение инженеров к разработке технических систем, соответствующих требованиям открытости и общей доступности. Что касается компьютерных наук, проблемой является разработка новых форм масштабируемого обучения, применимого к большому числу студентов во всем мире, привлекательного для потенциальных студентов с разными интересами и отражающего радикальные изменения в компьютерной технологии.

Для решения этих проблем Открытый университет приступил к реформированию своих учебных программ и методов обучения компьютерным дисциплинам и с октября 2011 г. предлагает студентам новый вводный курс. С тех пор на этот девятимесячный курс «Моя цифровая жизнь» (My Digital Life) записалось около 7800 студентов, и около 4000 успешно сдали экзамен. Основная цель этого курса состоит в том, чтобы сделать тематику IoT базовой в программах обучения первокурсников и с самого начала подготовить студентов к грядущим изменениям в обществе и технологии.

Курс не концентрируется на технических тонкостях IoT. Он направлен на то, чтобы помочь студентам в понимании мира, понимании своей роли в реализации потенциальных возможностей Интернета вещей. Это достигается за счет применения модели обучения, основанной на практическом опыте, творческом экспериментировании, активном участии и коллективном обучении.

Последняя статья тематической подборки написана Сасистараном Баласубраманиамом и Джусси Кангашарью (Sasitharan Balasubramaniam, Tampere University of Technology, Finland, and Waterford Institute of Technology, Ireland, Jussi Kangasharju, University of Helsinki, Finland) и называется «Реализация Интернета нановещей: проблемы, решения и области применения» («Realizing the Internet of Nano Things: Challenges, Solutions, and Applications»).

Развитие нанотехнологии происходит параллельно с появлением новых разработок в областях Интернет и сенсорных сетей. Со времени знаменитой лекции Ричарда Феймана на процедуре вручения ему Нобелевской премии в 1959 г. область нанотехнологии быстро развивалась, позволяя производить сложные устройства с многочисленными видами применения, например, сенсорные устройства на молекулярном уровне, облегчающие снабжение пациентов лекарственными препаратами. В последние годы появилось направление нанокоммуникаций, целью которого является создание новых парадигм взаимодействия наноустройств для совершенствования их возможностей и способов применения.

Однако наноустройства могут общаться не только в одноранговом режиме. Встраивание наносенсоров в различные объекты и устройства, окружающие пользователей, может привести к добавлению нового измерения в концепцию Интернета вещей – Интернет нановещей (Internet of Nano Things, IoNT). Такие миниатюрные сенсоры, связываемые наносетью, могут поставлять мелкостуктурные данные изнутри объектов или труднодоступных областей. Например, нательные наносенсоры могут обеспечить сбор и передачу электрокардиографических и других жизненно важных сигналов. Микросенсоры, установленные в окружающей среде, могут собирать информацию о патогенах и аллергенах, присутствующих в данном месте. Если объединить эти два источника данных на основе IoNT, можно будет более просто получить точный диагноз и отслеживать состояние пациента.

В статье анализируются две основные проблемы на пути реализации IoNT:

• организация сбора данных и механизмов маршрутизации в наносетях и
• разработка промежуточного программного обеспечения, связывающего традиционные микросенсоры в наносеть.

Кроме того, рассматриваются требования к расширению современных систем управления контекстом и сервисами для возможности поддержки IoNT, а также некоторые возможные области применения IoNT.

Интернет нановещей включает базовые наномасштабные сети, соединяющие множество наносенсоров, устройства, взаимодействиющие с наносетями и обрабатывающими информацию в распределенном режиме, а также системы управления контекстом и сервисами.

Вне тематической подборки опубликована статья Джейн Лью, Чи-Шен Ши и Эдварда Чу (Jane W.S. Liu, Academia Sinica, Taiwan, Chi-Sheng Shih, National Taiwan University, Taiwan, Edward T.-H. Chu, National Yunlin University of Science and Technology, Taiwan) под названием «Киберфизические элементы интеллектуальных сред, готовых к возникновению чрезвычайных ситуаций» («Cyberphysical Elements of Disaster-Prepared Smart Environments»).

Государственные и межправительственные организации создают (или уже создали) информационные системы управления чрезвычайными ситуациями, чтобы укрепить свои возможности по борьбе с такими ситуациями. В Европейском Союзе при выполнении проектов Osiris и Sany были разработаны стандарты и инструментальные средства для поддержки интероперабильности сенсорных сетей и сенсорных Web-сервисов, что облегчает их использование в системах оповещения и реагирования на чрезвычайные ситуации. В США система Integrated Public Alert and Warning System Open Platform for Emergency Networks (IPAWS-Open) предоставляет сервисы для получения, аутентификации и маршрутизации стандартизованных сообщений от официальных служб предупреждения. Основанный на использовании XML протокол Common Alerting Protocol (CAP) обеспечивает возможность обмена сообщениями между разными системами управления чрезвычайными ситуациями, автоматического формирования отчетов сенсорных систем для аналитических центров, а также агрегацию предупреждений, поступающих из нескольких источников. Интеллектуальные устройства и приложения могут аутентифицировать и обрабатывать распространяемые IPAWS и соответствующие стандарту CAP сообщения, а также выполнять соответствующие действия.

Совершенствуются и технологии предсказания и обнаружения разрушительных штормов, землетрясений, селевых потоков, цунами и т.д. Например, современные метеорологические радиолокаторы и системы поддержки принятия решений раннего предупреждения могут точно предсказать путь движения и уровень опасности торнадо, что позволяет обеспечить своевременные и точные предупреждения. Во многих развитых странах, в которых случаются сильные землетрясения, развернуты сети сейсмометров, а получаемые от них данные обрабатываются на компьютерах с использованием развитых средств определения местоположения событий. Эти сети могут обеспечить возможность раннего предупреждения о землетрясениях до того, как до соответствующей местности дойдет ударная волна и начнется движение грунта. Однако, несмотря на наличие подобных развитых технологий и инфраструктур, стихийные бедствия продолжают значительно вредить людям.

В настоящее время «умные» дома и интеллектуальные среды поддерживаются все большим числом устройств, приложений и сервисов, что обеспечивает людям удобства и облегчает их социальные связи. Однако подобные среды почти совсем не помогают предотвращать увечья, получаемые при возникновении стихийных бедствий, или минимизировать наносимый ими экономический ущерб.

По этой причине авторы статьи призывают к разработке и внедрению интеллектуальной защиты от стихийных бедствий (Intelligent Guards against Disasters, iGaDs). Под этим названием имеется в виду совокупность киберфизичских устройств, систем, служб и приложений, которые могут получать, аутентифицировать и обрабатывать соответствующие стандартам предупреждения о чрезвычайных ситуациях, а также предпринимать соответствующие действия.

Интеллектуальная защита от стихийных бедствий в «умной» среде дома (a) и предприятия (b)