中国计算机学会“泛在操作系统”术语发布

xuos 2022-10-27 17:12:15

开篇导语：

中国计算机学会发布术语热词：泛在操作系统（Ubiquitous Operating System）。泛在操作系统是指面向人机物融合泛在计算的一类新型操作系统。随着信息技术进入人机物融合的泛在计算时代，出现了许多新的计算模式和应用场景，为了支持这些新场景下泛在计算应用的开发和运行，需要构建面向新的计算模式和应用场景的泛在操作系统。泛在操作系统拥有与传统操作系统一致的功能目标，即向下屏蔽管理异构资源、向上凝练沉淀应用共性；同时也体现了操作系统概念的延伸与泛化，即面向不同的计算模式和应用场景，需要构建不同的泛在操作系统。

InfoBox：

中文名：泛在操作系统

外文名：Ubiquitous Operating System

简称：UOS

学科：操作系统、泛在计算

实质：面向新型人机物融合泛在计算的一类新型操作系统，体现了在新的计算环境和应用场景下，对传统操作系统概念的延伸与泛化。

基本定义：

泛在操作系统定义还没完全形成共识。通常，泛在操作系统特指秉承泛在计算思想，面向泛在化计算资源管理，支持泛在应用开发运行，具有泛在感知、泛在互联、轻量计算、轻量认知、反馈控制、自然交互等新特征的新形态操作系统[3]。广义上，泛在操作系统也可被用于指代基于节点操作系统（包括服务器、PC、智能移动终端、传感器等不同规模计算设备的操作系统）、面向网络环境与场景的新型“中间件”层系统软件，包括面向物联网、机器人、智慧城市、智慧家居等不同应用场景的操作系统[2]。本质上，泛在操作系统遵循的是操作系统的“操作”和“管理”功能本质，支持灵活多样的资源虚拟化与异构性桥接能力，支持新型计算模式下的应用开发与运行支撑。

背景与动机：

操作系统是计算机系统中最关键的系统软件。从操作系统的发展来看，随着互联网向人类社会和物理世界的全方位延伸，以及云计算、大数据、人工智能等新技术的兴起，各种新型应用模式和新的应用场景的出现，操作系统相关技术面临许多挑战和变革，操作系统概念开始泛化，以向下屏蔽管理异构资源、向上凝练沉淀应用共性为目标，催生了系列新型操作系统。随着人机物融合泛在计算时代的到来，千亿规模的各类泛在物联终端和新型的泛在计算模式的出现，泛在操作系统（Ubiquitous Operating System, UOS）应运而生。

泛在操作系统的命名来自于操作系统随着技术发展的不断延伸与泛化，即从主机计算操作系统、个人（桌面）计算操作系统、移动计算操作系统、到泛在计算操作系统的不断泛化。未来网络化的泛在操作系统所管理的终端包括主机、PC端、物联终端，不同发展阶段有各自的侧重点，当前，随着“人机物”的融合发展成为重点，目前泛在操作系统发展重点是物联终端的接入与管控，以及用以支撑包括物联终端的各类网络应用开发运行支撑平台（如图1）。

图1 操作系统的延伸与泛化

虽然泛在操作系统的概念在2018年才正式提出，但是与泛在操作系统相关的研究工作已经有多年的发展历史。建立在传统操作系统之上，面向新型泛在计算应用模式的操作系统可以体现为多种不同的形式，典型的例子包括：家庭操作系统HomeOS [7]、机器人操作系统（ROS）[8]、智慧城市操作系统（Urban OS）、传感器网络操作系统TinyOS [9]、云计算操作系统等。

泛在操作系统拥有与Linux、Windows等传统操作系统一致的功能目标，即向下屏蔽管理异构资源、向上凝练沉淀应用共性；同时也体现了操作系统概念的泛化，即面向不同的计算模式和应用场景，需要构建不同的操作系统。泛在操作系统提供了管理硬件（物理设备+物体+计算设备）和软件的抽象与资源虚拟化机制，以及应用的编程和运行时支撑环境，其概念框架如图2所示，主要由泛在资源抽象管理层、泛在应用开发与运行层构成（图2）。

软件定义是泛在操作系统构造的方法学，“软件定义”的核心技术途径是硬件资源虚拟化和管理功能可编程[5]。泛在操作系统向下对各类泛在资源进行虚拟化，管理与协调各类资源，向上则是提供泛在应用的开发与运行环境，提供各类泛在应用的开发运维一体化环境。

图2 泛在操作系统的体系框架

研究概况：

近年来，泛在操作系统得到了学术界和产业界的广泛关注，被写入了工业和信息化部“十四五”软件与信息服务业发展规划，并获得国家自然基金委信息学部专项项目的支持。在产业界，腾讯、海尔等一批企业在物联网、云计算、智慧城市、智慧交通、智慧建筑、智能家居等领域的新型操作系统研发上也开展了积极探索和实践，为不同行业用户在数字化转型中提供了重要的系统软件平台支撑。

当前围绕泛在操作系统相关技术的研究主要包括以下几方面：1）泛在操作系统的构造方法和运行机制；2）泛在操作系统异构硬件抽象与管理；3）泛在操作系统的多模态协同人机交互；4）泛在操作系统开源生态构建、治理及安全评估。

泛在操作系统的构造方法和运行机制

人机物融合泛在计算场景的典型特征包括应用场景复杂多样、泛在资源海量异构，要求操作系统具有灵活多变的系统结构。需要研究面向泛在计算环境的新型操作系统基础理论与架构，基于软件定义的操作系统构造方法，为泛在操作系统的设计与实现奠定基础。

泛在操作系统异构硬件抽象与管理

人机物融合泛在计算环境既包括各种处理器、存储器，也包含种类多样、性能功耗受限的传感器与执行器等其他硬件设备。需要研究泛在操作系统异构硬件的资源抽象方法，构建异构硬件资源的通用接入与驱动框架，建立通用驱动模型，使泛在操作系统能有效支持硬件设备能力的演化，并进行设备资源能力动态接入/移出等管理。

泛在操作系统的多模态协同人机交互

人机物融合泛在计算环境扩展了人机交互空间和交互模式，如何对多模式人机交互进行抽象，提出便于操作系统实现的简单交互指令集是一个全新的需求。需要研究人机交互的行为抽象、结构化描述、多模态感知与理解模型和方法，构建自然高效的泛在交互指令集，通过可量化的系统调度和资源整合，使泛在操作系统在满足个性化需求的同时实现交互性能与系统成本的最优化。

泛在操作系统开源生态构建、治理及安全评估

人机物融合泛在计算使得泛在操作系统生态的构建面临边界开放、社会技术和信息物理融合的挑战，汇聚众多跨界涉众、管理不同类型开源制品、维护健康生态是泛在操作系统生态构建的主要难点。需要研究泛在操作系统开发的群体智能融合模型、开源生态社区运行和演化及安全治理机制、供应链安全评估和动态预警模型等，有望形成群智驱动、开源创新、持续演化的新型操作系统生态。

未来展望：

泛在操作系统概念尚未形成广泛共识，泛在操作系统技术仍然面临诸多挑战。人机物融合泛在计算环境多变、需求多样、场景复杂，需要对硬件资源、数据资源、系统平台及应用软件等进行柔性灵活的软件定义，以支持泛在感知与互联、轻量计算与认知、动态适配、反馈控制、自然交互等新应用特征。因此，需加强新时代软件基础前沿技术与方法的研究，进而深入、全面地开展面向人机物融合的泛在操作系统研究。同时，开源、众包以及内源等软件开发社区模式已成为传统组织型软件开发模式之外的重要模式，因此带来开源闭源交织的复杂软件供应链和生态，构建泛在操作系统及其智能应用的开源社区与生态也成为必然趋势。

参考文献：

[1]Mark Weiser, “The Computer for the 21st Century,” Scientific Am., vol. 265, no. 3, 1991, pp. 94–105.

[2]Hong Mei, Yao Guo, "Toward Ubiquitous Operating Systems: A Software-Defined Perspective", Computer, Vol. 51, No. 1, pp. 50-56, January 2018.

[3]梅宏, 曹东刚, 谢涛. 泛在操作系统:面向人机物融合泛在计算的新蓝海. 中国科学院院刊, 2022(037-001).

[4]北京大学, 腾讯研究院. 泛在操作系统实践与展望研究报告, 2022年8月.

[5]Hong Mei, Yao Guo, "Operating Systems for Internetware: Challenges and Future Directions", 2018 IEEE 38th International Conference on Distributed Computing Systems (ICDCS), Vienna, 2018, pp. 1377-1384.

[6]Hong Mei, “Understanding “software-defined” from an OS perspective: technical challenges and research issues”. Perspective, SCIENCE CHINA Information Sciences, Dec 2017.

[7]Dixon C, Mahajan R, Agarwal S, et al. An operating system for the home, the 9th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation (NSDI 12). 2012: 337-352.

[8]Quigley M, Conley K, Gerkey B, et al. ROS: an open-source Robot Operating System, ICRA workshop on open source software. 2009, 3(3.2): 5.

[9]Levis P, Madden S, Polastre J, et al. TinyOS: An operating system for sensor networks, Ambient intelligence. Springer, Berlin, Heidelberg, 2005: 115-148.

中国计算机学会原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/QarJOxC4fgByxdfZIGHEcA

...全文

成就一亿技术人!