IEEE“今日计算”2012技术热点回顾

黄铁军

北京大学

Computing Now（今日计算）是IEEE计算机学会于2008年开始出版的新媒体出版物，它以IEEE计算机学会出版的大量期刊、学报和会议论文为依托，每月围绕最新技术热点精选出一组热门论文免费开放。本文回顾2012年度的12个技术热点（表1）。

表1：IEEE今日计算2012年度的12个每月主题

      从2013年第1期开始，“今日计算”每月主题的导言部分以英文、中文和西班牙文三种文字同步出版，大家可以在线访问。

过去几年很多头条新闻都谈到STEM（Science, Technology, Engineering, and Math）专业的吸引、激励、保持和毕业问题，让人担心这些专业领域的人才短缺问题。

在“为什么工程学生最后毕业于英语专业？”中，CNN评论说，“科学与数学课程设计和讲授的方法就像卷扬机一样把大量学生甩出去了”。2010年1月加州大学洛杉矶分校《STEM专业本科毕业率》研究显示，毕业率处在30％区间的中低位。英国机械工程师学会最近宣布，“工程学位申请学生数的下降是未来几年英国将受到工程技术人才短缺冲击的一个令人担忧的迹象。”

提高工程专业毕业生数量的挑战是什么？怎样才能解决呢？本期将探讨工程教育问题，包括STEM拓展、技术辅助教学、产学研协作、学术诚信、教育技术的挑战和机遇以及教学经验。此外，我们还将探讨与这个主题相关的种族和性别问题。

本期客座编辑Kevin Rudd是美国海军学院的助理教授。

亚马逊Web服务（AWS）最新报告显示，很快该公司的S3存储服务保存的对象将超过一万亿，每秒处理的请求将超过一万个。很显然，存储系统正在转型，新的存储体系结构应该可连续扩展。

消费者和企业用户都想用最经济的方式存储数据，而其中一小部分数据需要快速访问。然而，即使存储解决方案免费提供的，用户仍有一个不打折扣的关键需求：零失误地访问他们需要的数据。这给存储系统设计提出了若干挑战。存储系统中的故障会导致长期未发现的潜在错误，直到访问时才发现失败了。硬件和软件缺陷都会导致错误，造成获取时数据丢失或延迟，从而严重影响可靠性和可用性。

针对现代存储系统设计中围绕一致性、数据完整性和可用性问题所做的折中和选择，本期文章探讨了当今存储系统面临的真问题和解决方案。

存储系统的特征在于下述硬件和软件组件：

l   不同的存储设备：固态设备，硬盘，可移动介质，磁带等；

l   数据保护机制，如RAID或设备级的删除代码；

l   块和文件的存储组织语义；

l   数据管理实体，快照，克隆；

l   空间供应；

l   网络访问协议，等等

这些组件和高效存储技术，例如去重、压缩，组合在一起，以提供最佳的性能（访问速度和容量）价格比。现代存储系统把不同性能价格比和可靠性的存储设备通过高速连接组织在一起，再对外提供服务。数据获得时间（或可用性、延迟）和数据丢失是服务质量的两个重要参数，每个存储系统都追求把它们优化到零。

就存储容量而言，硬件存储设备发展十分迅速。然而，其可靠性并未以同样速度进步。RAID等类似技术提供了存储子系统级别的第一线防御，但这些技术可扩展到TB级乃至更高容量吗？增容、底层纠错技术和先进的文件系统设计带来了数据组织、空间配置和数据管理功能，这一层的主要目标是满足应用的性能和成本的需求。采用元数据实现数据块的存储和快速检索，通过确保数据和元数据反映了最新变更而实现一致性。由于在文件系统中存储的数据正在增长到PB级甚至EB级，文件系统设计不同，相应的一致性特性也会变化。

应对硬崩溃、硬件系统故障、软件缺陷和其他数据完整性威胁的传统方法已经不够。IT基础设施不断增长的存储容量需求提出了新的技术挑战。为了切实有效地满足这方面的需求，学术界和工业界的研究人员必须找到创新的解决方案，才能实现到PB级乃至更高容量的扩展。

2000年EricBrewer提出了后来广为人知的CAP猜想：分布式系统不能同时保证一致性、可用性和分区宽容性（consistency, availability, and partition tolerance）。本期主题选择的第一篇文章是Brewer的《12年后再论CAP：“规则”是如何改变的？》，这篇论文为大型系统设计中的一致性和可用性给出了清晰的指导意见。

入选的论文还有《Loris：一个可靠的、模块化的基于文件的存储堆栈》、《强制缓存驱逐和谨慎模式日志：处理行为异常的磁盘》、《去重对容错影响的建模》、《下一代文件系统中语义感知的元数据组织范式》和《EB级系统的协同设计挑战：性能，功耗和可靠性》”。

本月主题还有对存储领域两位思想领袖的视频采访，值得关注。

本月客座编辑是NetApp的技术总监Sundara Nagarajan。

4月：基于视频的监测：盯着你，我们可以知道什么？

在你每天离开家的那一刻起，你可能就已经被摄像机盯上了：无论是乘坐电梯，走在街上，在熟食店买杯咖啡，到银行取钱，还是穿过办公大楼。你在工作时，摄像机可能正在拍摄您家中发生的一切，记录保姆和您孩子的互动，捕捉猫偷喝掉孩子碗里的饮料。你的形象可能出现在纽约时代广场相机广告牌上的人群中，路人会在电子商店的街边屏幕中看到你的购物过程，游戏机在您的客厅里分析你的手势，走进机场安检时您的脸又成为分析对象。

城市街道上最早安装摄像机发生在上世纪60年代。70年代闭路电视系统（CCTV）和视频录像机（VCR）这两种技术结合后，安全系统就开始在建筑物和公共场所中安营扎寨，今天已经习以为常。政府和执法部门最早把昂贵的监控系统部署到重点楼宇、公共场所、铁路、高速公路和体育场馆。不久之后，人们就在当地普通商店里看到了这类系统。随着各种技术的进步，包括数字多路复用器、数字视频录制、相机芯片以及互联网和无线技术，涌现出了性能和价格多种多样的解决方案。到了20世纪90年代，家用安全系统开始支持让用户通过网页界面远程控制摄像机的变焦和方向，而系统自己还可以自动检测场景中或指定区域的变化，并通过电话或电子邮件发送给用户发通知。更昂贵的系统使用人脸识别技术来检测是否有未知用户登陆计算机。监视视频屏幕的人工模式已经演进到自动流程：对多个视频流进行自动扫描，检测感兴趣的事件或对象，并采取相应行动。例如，一些智能家居系统在人摔倒或停止进食时可以自动报警，安全系统如果检测到门卫离岗就会提醒责任当局，等等。

当前的新研究走得更远：预测并阻止各类可能的异常事件的发生。随着摄像机无时不在地盯着我们：从我们的智能手机、平板电脑和笔记本电脑，到家里的游戏系统，再到环境中的各种各样的摄像机，我们成为大量分析的对象，而我们可以从中受益。例如，智能家居系统发现我们可能倒下时会尝试协助，这类系统不仅可以区分人与物体，也可以识别行为模式，不仅仅是识别面孔，还能识别微妙的面部表情。这些技术有望用于在公共场所检测犯罪意图，或者发现扑克玩家的心里话，亦或一个求职者的谎言或伪装意图。多个学科的联合努力正在让我们更好地理解和使用捕捉到的视频影像。

本期主题围绕跨学科的视频检测研究从IEEE计算机学会数字图书馆中选择了七篇文章。《情感检测：对模型、方法及其应用的跨学科回顾》综述了从人的表情、语调和行为中能够检测到什么。《多媒体分析+视觉解析=多媒体解析》把多媒体分析和视觉解析结合在一起，解决多源大数据中多媒体分析问题。接着的两篇代表性文章把先前文献中描述的技术应用到监测：《面向监控的视频流中的事件检测》和《发现稀疏和细微行为：每周监督的联合主题模型》，目标都是检测对先验知识来说不寻常的和稀疏行为。

监测系统的评估同样重要。我最近在纽约试驾了新款沃尔沃S60。为了炫耀汽车新装的行人探测功能，经销商在自己屋顶上设计了一个测试环境。一个塑料假人放置在屋顶边缘，我奉命从屋顶另一端开车稳步推进，在没有制动的情况下，汽车检测到“行人”就自己停住了，而没有越过建筑物的边缘。《行人检测：最新技术评估》一文采用自己的评估方法和大数据集对16种行人检测器进行了比较。

最后两篇《通过自动分析面部特征运动来识别人为错误》和《通过面部表情分析预测不安全驾驶行为》讨论了利用检测技术预测可能会出现不良后果的行为。

这些论文对于视频监测这个领域来说只是管中窥豹。我们刚刚踏上即将到来的令人兴奋的新浪潮，有大量丰富的数据将能够使用。监测我们运动的手段将愈加丰富：各种传感器、手机甚至张贴在社交媒体上的个人状态和位置。这些数据将提供更深入的检测和预测，并将反过来被喂入新应用。与此同时，显示检测结果的方法也将更新，例如增强现实系统可以把实时检测结果以图形方式叠加到我们看到的世界之上。这真是一个跨学科的好时机：未来的系统将依赖于来自众多领域的多种技术相互结合，而最佳分析结果最可能从不同类型的大量数据中得到。

本期客座编辑Dorée Duncan Seligmann是Avaya实验室协作应用研究总监。

3月：迁移到云：测试，质量和安全

云计算最近已经成为IT界的兴奋焦点。几十年来，当组织需要提高自己的数据容量和计算能力时，他们有两个选择：预算允许就购买更多硬件，否则，就尽量IT系统更高效地运行（但有限的资源约束业务的增长潜力）。如今，云计算提供了一种完全不同的和负担得起的IT资源使用方式：从服务商的 “云”（池）中租用数据容量和处理能力。云计算的好处，如灵活性、弹性、可用性和成本效益，已经众所周知，原因在于较大的经济规模会带来成本节省和不用云服务提供的灵活资源分配模式。

但是，要使这一切成为可能，必须为不同的云平台专门设计软件。尽管有些新软件是专门为云计算设计的，但仍有许多组织希望将现有应用程序迁移到不同云平台。这种迁移相对较新，尚不存在通用办法。为了应对软件环境的差异，如编程模型和数据存储，就必须做出一定修改。另外仍有许多问题悬而未决，包括需求工程，架构和设计，质量保证，开发方法和平台，管理方法，安全和部署选项。上述每个方面在云服务的工程实践中都必须解决，尤其是准备面向工业环境提供服务时。

本期选择的部分文章尝试解决一些重要挑战：《面向大众的云数据保护》、《论云服务的性能变化》和《公共云面临的安全挑战》。企业向云迁移的一个主要障碍是对迁移工作量和成本看不清楚，《用云迁移点（CMP）评估云迁移项目的规模》和《自动云应用测试的环境建模》这两篇文章给出了部分答案。《企业云迁移的决策支持工具》给出了两个支持工具。

最后，对谷歌工程总监James Whittaker和IEEE Software主编Forrest Shull的音频采访也值得一听。

本期客座编辑Jacky Keung是香港理工大学助理教授。

2月：创新，技术转移和创业

技术从何而来？能否教人创业？我们这个社会如何促进和培育创新？软件完全改变了商业界，要充分利用和引导它所释放的创造性的力量，我们能做些什么？

“创新，技术转移和创业”是很多场合和会议都热议的话题。具有讽刺意味的是，能让所有人都同意的唯一共识是把高新技术从实验室转移到全球并没有万能药。尽管如此，本期选择的五篇文章还是能让你看出其中的一些端倪。

本期客座编辑Gary McGraw是Cigital的CTO。

1月：普适传感

我们日常生活周围的基础设施和设备的感应能力正在改善，价格也日益实惠。办公建筑、交通运输基础设施以及家庭都越来越多地安装智能设备，以检测人的存在和环境条件。

虽然这种趋势已持续多年，另一个齐头并进的趋势增长更迅速，那就是移动设备的部署。例如，移动电话现在已经内置多种传感器，如加速度计、磁力计、光线感应器、GPS、麦克风和摄像头，以及无线接口，包括蜂窝连接、蓝牙和WiFi。摩根士丹利研究部估计2012年智能手机的销量将超越个人电脑。Gartner公司预计美国智能手机的销量从2010年的6700万部增长到2011年的9500万部，成为最畅销的消费电子设备门类。

正在浮现的传感基础设施天然具有无处不在的特性，为大量新应用打开了大门，包括能源和环境监测、市场和供应链监测，以及人的行为、健康和社会交往的研究。传感器数据给我们提供了新可能，例如支持情境感知、行为识别和灾害管理的新途径。

本期文章试图勾勒出这个领域的典型研究活动：《在一座活火山上部署无线传感器网络》，《以人为本传感的崛起》，《移动传感平台：一个嵌入式活动识别系统》，《面向智能电网的分布式末端能源传感》以及《从情境感知到社会感知计算》。除这些文章外，有兴趣的读者还可以进一步阅读《IEEE普适计算》2011年第12期。

本期客座编辑Cecilia Mascolo和Nigel Davies分别来自剑桥大学和兰开斯特大学。

1月（迷你主题）：智能电网

智能电网影响未来几十年电力接收、使用和分发的一场深刻变革，这一变化将影响环境和人类生活的方方面面。

全球在智能电网方面的努力正在不断加大，电力、通讯和信息基础设施正在汇聚。全球巨额投资就是一个证据：派克研究公司到2017年亚太地区在智能电网的累积投资将达到1,713亿美元，欧洲2020年的投资将达到为800.3亿美元。据创新观察的估计，美国在2030年对在智能电网的投资到大约为600亿美元。

为了汇集全球智能电网方面的力量，IEEE 2010年建立了智能电网门户网站，2011年1月创办了IEEE智能电网通讯，为智能电网的发明者、建构者和实施者提供一个跨学科的交流社区。

本期主题选择了四篇文章：《面向智能电网的分布式末端能源传感》、《电力能源系统的工程教育活动》、《非侵入式过载检验》和《智能电网的安全问题》。

另外还组织了一个智能电网圆桌讨论，四位IEEE智能电网专家讨论了消费者教育、标准、安全等问题，网站上有他们的录音。

本迷你主题的客座编辑是Harold Tepper。