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【科技之星】非传感器感知——探索物理世界的新方式

发布时间:2019-04-24 05:23 来源:未知 编辑:admin

  【楔子】时代的车轮滚滚向前,挟裹着我们进入一个又一个未知的领域,未来的世界是人工智能和万物互联的世界

  【他们,来自电子信息、生物医药、新能源、新材料等高精尖产业领域;他们,用自己创新和创业的勇气和能力,共同书写了辉煌的创新事迹;他们,是北京市科委遴选出的科技领军人才和科技新星代表。】

  时代的车轮滚滚向前,挟裹着我们进入一个又一个未知的领域,未来的世界是人工智能和万物互联的世界,生活在现代社会,唯有学会不断接受新事物方能立足。有那么一群走在时代前列的人,他们把目光放在了我们还不曾触及的领域,砥砺深耕,试图以最快的方式把看似遥远无期的未来科技传送到大家面前,共享便利,这其中就包括清华大学软件学院副教授,博士生导师杨铮杨老师。

  凤凰网:你能简单介绍一下用普通无线设备实现环境感知技术的概况、背景、作用和它对我们未来的生活所产生的影响吗?

  杨铮:这项技术是通过分析无线信道状态信息,实现了被动式人员检测,包括识别人的位置、姿势、动作以及其他环境特征,具体应用方面包括室内定位、安全监控,以及针对老人和小孩的家庭医疗监护还有新型人机交互方式等。

  我们平时生活中所常见的无线电信号不仅可以用于传输数据,还可以用来感知环境,而且随着社会的发展我们也越来越需要环境感知这项技术来应对于各种关于监控、监测和监护等方面所出现的麻烦和问题,这里所说的环境是信号传播的物理空间,既包括人的因素(是否有人以及人的位置、特征、姿势、动作等),也包括其他外物的因素。

  无线信号在室内多径传播的特性使得无线感知在感知范围以及方向性上具有天然优势,具有广阔的应用前景,目前正处在萌芽和快速增长阶段,线感知在Wi-Fi 信号的局限性以及人们日益增长的环境感知需求两者之间的矛盾中努力寻求突破口,在低成本和高精度之间寻找平衡点,在频率多样性和空间多样性的综合利用上寻找解决方法,在移动计算和无线通信的交叉领域寻找应用机会,信随着技术的不断进步,感知粒度变得更精细,感知灵敏度也在提高,这将催生出更多的应用,给人们的生活带来更多的便利。

  杨铮:全世界使用物联网设备的数量持续不断的攀升,联网设备的增加使得物理世界与数字世界正在加速共融,连接物理世界和数字世界的需求将催生无数产值,而感知技术则成为融合物理世界与数字世界的重要桥梁。

  杨铮:随着物联网技术的精进,可以预见,在不就的将来,我们就将迎来物物互联的新时代。

  我个人比较擅长的领域是移动计算与普适计算以及物联网、传感网、室内定位、无线感知、群智感知、城市计算等,目前我的精力主要集中在非传感器感知上面,这种无需部署传感器,只“借用”环境中无线信号(声、光、射频信号等)来实现场景感知的未来计划。

  在过去漫长的岁月里,人们只能通过部署专用传感器来实现特定物理对象的感知,而非传感器场景感知的出现,预示着人类对物理世界的感知方式上升到一个新阶段,我们从以前单纯依赖于部署专用传感器的方式升级为“专用”与“借用”相结合的方式,这将会是对人们未来生活带来巨大改变的一件事。

  杨铮:非传感器场景感知将感知与通信合二为一,其优势主要表现在三个地方。第一个是它的无传感器(sensorless)性,就是其在感知人的存在和行为不再需要部署专门的传感器,这项优势利用原有的无线信号作为传感器,有效地节约了资源,达到了事半功倍的效果。其二是不再需要部署通信线路和传感器线路,大大压缩了在人力和财力方面所投入的成本,最后一点是相对于现在市场上广泛流行的各种可穿戴式智能医疗设备,非传感器感知更向前迈了一步,无需佩戴任何设备,只要人体存在,就能被感知到。

  其中最重要的一点是,感知对象信号特征独立于背景环境,因此,感知精度不依赖于部署环境,相关技术普适性强、学习训练成本低。在感知性能上,人员定位精度可以达到分米级甚至厘米级,人员发现准确率大于99%,人员肢体活动识别准确率大于95%。这项技术可应用于安全攸关场景(例如高铁、机场、博物馆),实现高精度的入侵者检测系统。

  用科技改变人们的生活,用科技给社会的发展带来便利,是我多年以来的做事理念,这个理念也贯穿了我的整个科研人生。

  杨铮:目前主要是面向安防应用部署非传感器场景感知系统,实现在典型安全攸关场景(高铁、机场、博物馆)中的示范应用。

  具体包括在高铁、机场等重点场所的周界及区域安防是保障社会生产生活安全的关键措施。传统安防传感器中红外传感器或者摄像头都受到可视角度的限制,它要求被监测目标必须在一个很有限的角度内,而且不能应对烟雾、遮挡、乃至视觉欺骗的情况。我们针对传统安防手段的局限性,拟将非传感器场景感知技术应用于安全保卫场景,部署长期稳定运行的大规模安防传感系统,并应用于高铁、机场、博物馆等人员密集型公共场所。

  杨铮:我是一个典型的理科工程师,由于职业的关系,多年来我也逐渐养成了工程师的思维,我选择这个行业是因为爱好,我从小就喜欢物理这门学科,沉醉在物理世界让我觉得很开心。

  杨铮:我认为,生活在现代社会,人多多少少都需要一点工程师思维,所谓的工程是思维,就是要千方百计办成事,基于这个目的,人的一切思维和方法都应该是面向解决实际问题的,这就是所谓的工程师思维。

  办成事需要资源,但没有人拥有无限的资源。学生有学生的难处,老师有老师的难处,校长有校长的难处;乞丐有乞丐的烦恼,马云有马云的左右为难,李彦宏有李彦宏的焦头烂额;神舟飞船还有预算限制,建不建对撞机也要经过论证⋯⋯做任何事情的资源都是有限的,以有限的资源办成事(或以最小的代价办成事),需要的是线,在多维度中寻找平衡。

  既然资源总是有限的而目标又是多元的,那么就需要在多维度中寻找平衡。无论是买东西、卖东西、上学、找工作,只要面临选择,就需牢记一般情况下“好用、及时、便宜”三者不可兼得。如果想既便宜又好用,那就要接受慢;既便宜又及时,那就不好用;既好用又及时,那就贵。人生中的许多事情都是这个道理。

  将未知问题转化为已知问题是工程师思考问题的方式。当我们初次面对复杂问题的时候,难免会感到无从下手。如果能发现未知问题与已知问题之间的关系,那么就可以将未知问题转化为已知问题,再使用针对已知问题的成熟办法来解决。将未知问题转化为已知问题是一条捷径,这里面最关键的步骤在于发现未知问题与已知问题的关系,需要透过新问题的表象来发现本质。

  一个困难问题的解决,整体上必然像剥洋葱一样层层展开,局部上需要深耕细作以及灵光闪现。“化大为小,化繁为简”的概念大家都懂,但是如何才能“化大为小,化繁为简”,需要对问题的洞察力。将一个大问题分解为相对独立的小问题,不仅能够降低问题的复杂度,还能通过并行、流水线等方法提升解决问题的效率。针对其中难度极大的独立小问题,攻坚克难,积小步成大步,最终实现整个问题的解决。

  复杂问题是不能单纯依靠直观思维来解决的,往往需要从简单的情况中提炼出章法,再循序渐进,把章法练到纯熟,才有能力解决更复杂的问题。物理老师那看似繁琐的重复,其实就是在培养章法,把

  握问题的核心,做到了这一点,再复杂的问题,都可以一眼看到本质,而不会受到困扰和迷惑。

  所谓工程师思维,总结起来,就是“有办法、有限制、有取舍、有分解、有转化、有章法”。现代社会中,工程师思维越来越重要,对不做工程的人亦然。在愈发复杂的社会分工协作链条中,人们的付出与回报的间隔越来越长,目标和行动看起来越来越缺乏直接联系,在漫长的从具体行动到达成目标的路途上,没有工程师思维来规划旅程,恐怕是举步维艰的。

  杨铮:作为中国万千科研人员中一份子,我深深明白做科研的不易和艰辛,科技新星计划在给予科研人员帮助这方面,确实做的很好,北京现在的科研风气也很浓厚,担得起全国科技创新中心这个称谓,中国整个的大环境都弥漫着创新创业所带来的蓬勃朝气,相信在不久的将来,北京在创新这块就会迎来爆炸式的发展,达到比肩世界领先的水平。

  杨铮、男、清华大学软件学院副教授,博士生导师;清华-永辉供应链研究院副院长。在清华大学计算机系获得工学学士学位,在香港科技大学计算机系获得工学博士学位。发表论文100余篇,出版中文学术专著1部、英文学术专著各2部。获得国家自然科学奖二等奖。入选北京市科技新星、中组部国家青年拔尖人才计划(万人计划),获得国家优秀青年科学基金资助。

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