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靠WiFi信号就能检测呼吸跌倒!北大这项硬科技研究越来越藏不住了

时间:2023-03-21 11:52:53 科技观察

WiFi信号可检测呼吸和跌倒!北大的这项硬科技研究,越来越藏不住了。还记得《少数派报告》里克鲁斯踏入智能服装店的场景吗?虚拟客服只要一看,阿汤哥过往的购买记录和推荐商品就呈现在他的面前。△电影《少数派报告》这种感觉好像处处都是算计的,有种不自觉的通透感。事实上,类似的场景已经进入了我们生活的方方面面。一个Wi-Fi可以实时监测人的呼吸、睡眠、身体状况,还可以检测老人是否跌倒。△在老人睡觉时收集老人的状态信息。家具不需要手动控制。空调和风扇可自动感应房间人数,实时调节风速和强度。大到用基站的无线信号预测城市的人流量,用出租车的GPS检测是否绕路;小到日常上下班使用交通IC卡,无需接触即可自动扣款。......它们无处不在,形状和大小各异,但它们背后都有相同的技术——普适计算。而落在感知层的研究方向,叫做泛在感知。(Ubiquitous是指广泛使用的设备,如手机、手表、WiFi路由器等)Qubit专访北京大学文科讲座教授、欧洲科学院院士张大庆,他一直致力于在这个领域工作了20多年。有了更深刻的认识。“计算无处不在”的时代已经来临正如前面所说,普适计算有两个特点——无处不在和无意识,即无处不在和透明。从用户的角度来看,普适计算就是能够随时随地获得自己想要的服务,不管服务来自哪里,甚至根本感受不到计算的存在。从技术角度看,普适计算就是把计算尽可能地融入到人类的生活中,用低成本、易用的设备和自然的交互方式来满足用户多样化的服务需求。正是由于这样的特点,普适计算才具有以人为本、以应用为本的特点。例如,针对独居老人的跌倒检测系统。张大庆教授团队利用WiFi信号实现了室内自然生活条件下的跌倒行为识别。在当时的学术界,做连续行为识别的案例在全球尚属首例。无接触、实时、无行为限制、成本低……即使与摄像头识别相比,也不存在隐私问题。除了实时检测跌倒,无线信号还可以感知呼吸、心跳、睡眠状态等生理参数。该技术可进一步扩展到医院、疗养院、仓储、医院、家庭、办公室、酒店、汽车等应用场景。张大庆教授认为,新闻中不时出现孩子被父母锁在车内发生意外的场景。有了这项技术,问题就迎刃而解——无线信号感应到车内有人活动,然后及时通知孩子家长。.如此前沿的技术理念,追根溯源,却要从30年前的一篇经典文章说起。MarkWeiser,MarkArthur,施乐PARC研究中心首席科学家,普适计算之父。他在文章开头写道:影响最深远的技术应该是那些消失的技术。(最深奥的技术是那些消失的技术。),未来的计算、通信、感知和服务应该无处不在,计算将像电和水一样成为我们生活环境的一部分。作为回应,他和他的团队设想并设计了三种形式的计算设备。标签,尺寸以厘米计算,类似于便利贴;pads,尺寸以分米计算,类似于一张纸、一本书或一本杂志;板,尺寸以米计算,类似于黑板或布告栏。值得一提的是,他预测未来的物品会带有电脑或标签,人们可以很容易地获得物品的信息,比如他们看到的某件衣服是谁设计的,店里有没有存货,去哪里买。买到了吗?现在看来,MarkWeiser的思想正在影响着整个计算机学科,他的设想正在逐步??实现。说到这里,张大庆教授感慨地说,普适计算时代已经到来!近10年来,普适计算得到了世界各国的重视和发展。日本和韩国于2004年提出“U-Japan”和“U-Korea”计划;在欧洲,普适计算已被欧盟列为信息社会技术研究和技术发展计划的先导项目,拨款超过36亿欧元……而在国内发展方面,张大庆教授作为其中一员中国最早从事普适计算的学者之一,在与我们的交谈中充满激情。将国内普适计算研究推向国际前沿1996年,张大庆在罗马大学获得博士学位。博士毕业后,他决定先到国外发展一段时间,再把新的研究思路和成果带回国内。在新加坡国立大学和信息与通信研究所(I2R)工作数年后,他开创了新加坡普适计算的研究方向,并于2003年创立了智能家居实验室。2004年成立了普适计算研究部。态势感知系统,并担任创始部长,提出了至今仍在国际普适计算、移动计算和服务计算领域广泛应用的基于本体的上下文模型。也是从2003年开始担任西北工业大学客座教授,致力于培养我国普适计算青年人才。2007年开始,张大庆受邀成为法国巴黎国立电信学院一级终身教授,并成立了ALPS(环境智能与普适系统组)实验室。无论是新加坡的I2R,还是法国的ALPS实验室,都与西工大、清华、北大、浙大、华中科技等国内高校合作,培养了一大批国内无孔不入的专家计算、人群感知和大数据。许多分析、分析等领域的青年人才已成为国内该领域的中青年领军人才。此外,他培养的部分外国学者目前在美国和澳大利亚的知名大学和公司担任教授和研究主任。△张大庆和阿尔卑斯学院的学生们2014年,张大庆正式加入北京大学,成为信息科学与技术学院讲座教授;他很快成为中国计算机学会普适计算专业委员会的副主任和主任。每年组织普适计算夏令营、前沿论坛和工作坊,并邀请国际国内著名学者推动国内普适计算研究。自2016年以来,国内学者在普适计算A类会议ACMUbiComp发表论文数位居全球第二(仅次于美国)。每年的前三记录。如今,张大庆在GoogleScholar的引用量已达21000+,H-factor为72。他还是普适计算顶级期刊IEEEPervasiveComputing国内唯一的编委,7个国际指导委员会成员之一ACMIMWUT期刊成员。还获得了中国计算机学会(CCF)推荐的所有四个普适计算国际顶级会议的最佳论文或提名奖,包括ACMUbiComp2015和2016的最佳论文提名奖,以及IEEEPERCOM、IEEEUIC“最具影响力十年论文奖”。在今年9月的ACMUbiComp2021上,张大庆团队的论文《ExploringLoRaforLong-rangeThrough-wallSensing》再次获得优秀论文奖。从2000年至今已有20多年,张大庆一直没有停止研究,这也与他选择普适计算的初衷有关。一、普适计算是一个应用(场景)驱动的研究:我们在做普适计算研究的时候,首先要选择一个场景,比如“老人健康监测”这个应用场景,不限制技术的使用方式实施的。可穿戴设备、无线设备和相机都可以使用。目标是达到极致的性能,这使得我们的研究方法非常灵活。我很喜欢参加普适计算大会,因为每次都能看到国际同行展示最新、最酷的应用,都是我们每天都会遇到的场景,真的觉得这些研究很有用。第二,普适计算是一门交叉学科,“永远在路上”:普适计算的研究没有“固定套路”。你可以使用最先进的感知技术,也可以研究通信和AI算法,只要能帮助你解决具体的应用,你就可以去探索,这也是我还在学习新知识的原因。这两点在张大庆的研究中得到了完美的印证。以2016年发表在UbiComp上的无线感知论文为例,张大庆等人将源自光学的菲涅耳区模型引入无线感知领域,揭示了WiFi信号何时可以检测到人的呼吸的机理。理论上,WiFi作为一种电磁波信号,可以用来反映物体的活动情况。然而,大多数相关研究并未建立WiFi信号变化与设备位置、人体活动位置、方向、速度之间的定量关系。因此,当WiFi传感应用遇到问题时,人们无法从原理上理解原因。菲涅耳区是一个源自光学理论的概念,指的是一系列同心椭圆,这些椭圆集中在发送和接收信号的设备(在本研究中为WiFi信号发射器和接收器)的两个点上。乍一看,WiFi信号似乎与光学无关,但仔细想想就会发现,WiFi信号是电磁波,在本质上类似于广义上的光波。基于菲涅耳区的基本模型,张大庆等人。进一步考虑了WiFi信号的电磁波反射特性和频率多样性,使得扩展模型能够在亚波长级别捕捉人体的微小动作。该研究也为利用WiFi信号感知人体毫米级行为奠定了理论基础。在张大庆教授看来,要想把无线感知做好、实用化,首先要了解人类活动对无线信号的影响机制。包括WiFi信号是如何传播的,它的特殊属性是什么,感知的极限和边界是什么;否则,当AI算法生硬用于无线感知,遇到问题时,将无法理解问题的根源。这也是为什么目前全球很多团队都在使用各种AI和机器学习算法进行WiFi感知,但是性能并不稳定。而张大庆的团队可以通过商用WiFi探测到20米外人的微弱呼吸。未来只有将基础理论与人工智能有机结合,才能做好无线感知应用。但在此之前,还是有必要从基本原理出发,了解感知问题背后的本质。事实上,这种研究方法同样适用于其他应用领域。抓“原始创新”在与量子比特的聊天中,张大庆教授讲得最多的就是基础研究的重要性。现在我们有很多学生和研究人员喜欢跟着其他团队的研究,只对算法做一些改进。但我认为,要想真正做好科学研究,还需要对基础理论进行探索和创新。我们必须了解使用技术和方法背后的假设和原因,不能仅仅停留在方法的简单应用和改进上。其中,张大庆教授特别强调了原始创新的重要性。这是观念和思维方式的创新,就像那些前所未有的重大科学发现、基本原理、颠覆性技术等创新成果一样:只有原始创新,才能真正把技术推向前沿,对问题有深刻的认识。最后完成应用程序。至于普适计算这样的交叉学科,基础理论怎么学,怎么研究。张大庆教授表示,方法非常灵活多样:可以先研究一个学科,然后专攻其他学科,然后交叉;也可以先接受通识教育,拓宽自己的知识面,然后再专注于某个领域;这样,就可以实现从通识到专业的跨学科,进而逐步扩大研究范围。今天,普适计算已经发展了整整30年。在张大庆教授眼里,这个领域还是和当初一样“有吸引力”。它打破了学科学习的传统思维——先定义场景,再思考如何用技术来实现,并进一步理解实现过程中的科学问题。也正是因为这种独特而实用的研究思路,深受业界认可和推崇,多学科内涵使其落地于各种场景。或许用不了多久,计算、通讯、感知就会无处不在,就像科幻电影里一样……