泛在操作系統(tǒng)：面向人機(jī)物融合泛在計(jì)算的新藍(lán)海

梅 宏 曹東剛 謝 濤

1 高可信軟件技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京大學(xué)） 北京 100871

2 浙江省北大信息技術(shù)高等研究院 杭州 311215

3 北京大數(shù)據(jù)先進(jìn)技術(shù)研究院 北京 100195

1 操作系統(tǒng)發(fā)展回顧

操作系統(tǒng)是計(jì)算系統(tǒng)的核心，也是信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)的核心，更是信息時(shí)代安全的基石。操作系統(tǒng)向下管理各種硬件資源，向上為用戶和應(yīng)用程序提供服務(wù)支持[1]。正是操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，才使得計(jì)算機(jī)從早期的專(zhuān)用專(zhuān)屬走向如今的通用大眾，并帶來(lái)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的繁榮。

1.1 操作系統(tǒng)的發(fā)展線

回顧操作系統(tǒng)近 70 年的歷史，存在主、輔兩條發(fā)展線[2]。

主線：面向單機(jī)的操作系統(tǒng)的發(fā)展。主機(jī)（mainframe）時(shí)代，圍繞如何提升計(jì)算資源的利用率，出現(xiàn)了作業(yè)批處理、共享資源、分時(shí)處理、資源管理等概念與機(jī)制，操作系統(tǒng)形態(tài)慢慢形成和完善。早期的主機(jī)操作系統(tǒng)基本上是專(zhuān)用專(zhuān)屬，即為每種計(jì)算機(jī)都要去實(shí)現(xiàn)一套操作系統(tǒng)。20 世紀(jì) 60 年代，IBM OS/360 系列操作系統(tǒng)具備了現(xiàn)代通用操作系統(tǒng)的雛形，其多道作業(yè)批處理機(jī)制、虛擬機(jī)機(jī)制等有效提升了硬件效能；尤其是該系統(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)接口用于連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了其在 IBM 360 系列大型機(jī)家族中通用，方便了應(yīng)用程序的移植，這標(biāo)志著操作系統(tǒng)開(kāi)始從專(zhuān)用走向通用。20 世紀(jì) 70 年代初，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室為小型機(jī)（minicomputer）研發(fā)成功的 UNIX 操作系統(tǒng)，被認(rèn)為是第一個(gè)現(xiàn)代意義上的通用操作系統(tǒng)。UNIX 引入了眾多革新性設(shè)計(jì)，是第一個(gè)采用 C 高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的操作系統(tǒng)，具有優(yōu)秀的跨平臺(tái)可移植性，能為不同廠商、不同種類(lèi)的計(jì)算機(jī)提供一致和標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序編程接口（API），從而迅速獲得廣泛應(yīng)用和推廣，并對(duì)后續(xù)操作系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。UNIX 之后，單機(jī)操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和核心功能基本上定型，此后的發(fā)展主要是為適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境與用戶需求而推出新型用戶界面與應(yīng)用模式，以及面向不同應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行定制與優(yōu)化。例如：個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) Windows 和 MacOS 提供基于圖形用戶界面的友好人機(jī)交互方式；開(kāi)源開(kāi)放的 Linux 操作系統(tǒng)是對(duì) UNIX 的繼承和衍化；智能終端操作系統(tǒng) Android 和 iOS 等則進(jìn)一步改進(jìn)了面向移動(dòng)終端的易用性，并創(chuàng)造了新型的應(yīng)用軟件發(fā)布模式——應(yīng)用程序商店（App Store）。

輔線：對(duì)網(wǎng)絡(luò)和基于網(wǎng)絡(luò)的并行、分布計(jì)算提供更好的支持。分布式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)中間件、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等概念也相應(yīng)誕生。操作系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的支持首先表現(xiàn)為提供基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)化資源管理的能力；進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)視為應(yīng)用的運(yùn)行平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中間件屏蔽底層異構(gòu)性，提供通用的網(wǎng)絡(luò)相關(guān)功能，支撐網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的運(yùn)行和開(kāi)發(fā)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，操作系統(tǒng)面向的計(jì)算環(huán)境在從單機(jī)、局域網(wǎng)平臺(tái)向互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)延伸，“網(wǎng)絡(luò)就是計(jì)算機(jī)”（The Network is the Computer）①https://www.wired.com/1996/12/esgage/.、“互聯(lián)網(wǎng)作為計(jì)算機(jī)”（Internet as a Computer）[2]等概念應(yīng)運(yùn)而生，出現(xiàn)了“軟件即服務(wù)”（Software as a Service）等新型應(yīng)用模式；為了更好地對(duì)不同的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算與應(yīng)用模式提供支持，以及管理和利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上龐大的計(jì)算資源和數(shù)據(jù)資源，出現(xiàn)了面向新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、基于單機(jī)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)。例如，互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（Internet OS）理念的提出②http://radar.oreilly.com/2010/03/state-of-internet-operating-system.html.，包括基于瀏覽器的各類(lèi) Web OS、云計(jì)算操作系統(tǒng)（Cloud OS）、數(shù)據(jù)中心操作系統(tǒng)等。

此外，遵循向下管資源、向上支撐應(yīng)用的原則和理念，操作系統(tǒng)的概念開(kāi)始擴(kuò)展和泛化，出現(xiàn)了智慧城市操作系統(tǒng)（Urban OS）、家庭操作系統(tǒng)（Home OS）、機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）等。

1.2 操作系統(tǒng)重大變遷的“20 年周期律”

考察操作系統(tǒng)幾十年來(lái)的發(fā)展，其主要驅(qū)動(dòng)力是面向計(jì)算機(jī)硬件的迅速發(fā)展，以更好、更高效地管理硬件資源并充分發(fā)揮硬件資源所提供的計(jì)算能力；同時(shí)，面向新的應(yīng)用需求和用戶需求，沉淀應(yīng)用領(lǐng)域共性，提供更便利、易用的人機(jī)交互和應(yīng)用支撐。因此，隨著新型硬件資源的發(fā)展和新型應(yīng)用模式的出現(xiàn)，操作系統(tǒng)不斷演化和變遷[1,2]。

梳理操作系統(tǒng)發(fā)展的重要事件及其時(shí)間節(jié)點(diǎn)，其重大變遷存在“20 年周期律”，即每 20 年出現(xiàn)一次跨越式發(fā)展機(jī)遇，誕生新一代操作系統(tǒng)。主機(jī)計(jì)算時(shí)代（20 世紀(jì) 60—80 年代）的 IBM OS/360、DEC VMS 和 UNIX，個(gè)人計(jì)算時(shí)代（ 20 世紀(jì) 80 年代—2000年）的微軟 Windows 和開(kāi)源 Linux，以及移動(dòng)計(jì)算時(shí)代（2000—2020 年）的谷歌 Android 和蘋(píng)果 iOS 是各自時(shí)代的代表性操作系統(tǒng)，并引領(lǐng)了各自領(lǐng)域的操作系統(tǒng)生態(tài)。當(dāng)然，“20 年周期律”并不是說(shuō)操作系統(tǒng)的新生態(tài)取代了舊生態(tài)，而是新、舊生態(tài)并存，但新生態(tài)相比舊生態(tài)在裝機(jī)數(shù)量和用戶規(guī)模上卻是 1—2 個(gè)數(shù)量級(jí)的擴(kuò)張。

在這個(gè)變遷過(guò)程中存在幾個(gè)有趣現(xiàn)象：每代操作系統(tǒng)形成規(guī)模、占領(lǐng)市場(chǎng)、形成壟斷后，鮮有在原賽道上后發(fā)趕超的例子；原賽道的領(lǐng)先者均未在新型操作系統(tǒng)的新藍(lán)海延續(xù)其成功，如 IBM 之于個(gè)人電腦（PC）操作系統(tǒng)市場(chǎng)、微軟之于智能終端操作系統(tǒng)市場(chǎng)等；新生態(tài)的引領(lǐng)者均試圖采用“農(nóng)村包圍城市”的策略進(jìn)軍原有生態(tài)，如微軟進(jìn)軍服務(wù)器操作系統(tǒng)市場(chǎng)、谷歌進(jìn)軍桌面操作系統(tǒng)市場(chǎng)等。

筆者以為，“20 年周期律”是源于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“貝爾定律”[3]，即計(jì)算設(shè)備約每 10 年完成 1 次升級(jí)換代，設(shè)備數(shù)和用戶數(shù)均增加至少 1 個(gè)數(shù)量級(jí)?？陀^而言，新型計(jì)算模式及激增的新型計(jì)算設(shè)備共同催生了新型應(yīng)用，帶來(lái)新的藍(lán)海和巨大創(chuàng)新空間，間次推動(dòng)操作系統(tǒng)的升級(jí)換代和新型操作系統(tǒng)的誕生，進(jìn)而形成新的操作系統(tǒng)生態(tài)。在每次升級(jí)換代的階段，原賽道的領(lǐng)先者可能因?yàn)椤八季S定式”和“路徑依賴(lài)”，往往對(duì)新藍(lán)海的機(jī)遇反應(yīng)緩慢，因而痛失良機(jī)。而新形態(tài)的引領(lǐng)者往往都先占據(jù)了新藍(lán)海的用戶入口掌控權(quán)，如微軟之于個(gè)人計(jì)算、谷歌之于萬(wàn)維網(wǎng)和移動(dòng)計(jì)算。對(duì)于通用計(jì)算領(lǐng)域，領(lǐng)先者一旦建立并完善新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，就占有了生態(tài)主導(dǎo)權(quán)，后發(fā)者就很難有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)趕超。歷史經(jīng)驗(yàn)表明，如果希望在操作系統(tǒng)領(lǐng)域有所作為，就必須把握住新藍(lán)海出現(xiàn)帶來(lái)的寶貴機(jī)遇。

2 面向泛在計(jì)算的新形態(tài)泛在操作系統(tǒng)

2.1 人機(jī)物融合泛在計(jì)算新藍(lán)海

當(dāng)前，隨著互聯(lián)網(wǎng)向人類(lèi)社會(huì)和物理世界的全方位延伸，一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的人類(lèi)社會(huì)、信息系統(tǒng)、物理空間（人機(jī)物）融合泛在計(jì)算（ubiquitous computing）的時(shí)代正在開(kāi)啟[4]。據(jù)全球綜合數(shù)據(jù)資料庫(kù)Statista發(fā)布的數(shù)據(jù)③https://www.statista.com/statistics/1101442/iot-number-of-connected-devices-worldwide/.，2019 年全球聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量已達(dá)百億，超過(guò)了非物聯(lián)終端的數(shù)量，2025 年預(yù)計(jì)將突破 300 億，未來(lái)千億規(guī)模已然可期。

面向未來(lái)人機(jī)物融合泛在計(jì)算的新模式和新場(chǎng)景，軟件定義一切、萬(wàn)物均需互聯(lián)、一切皆可編程、人機(jī)物自然交互將是其基本特征。除傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備（“機(jī)”）和新興物聯(lián)設(shè)備（“物”）外，“人”作為一種新的重要元素的參與，構(gòu)成了極其復(fù)雜且動(dòng)態(tài)多變的計(jì)算環(huán)境。所謂泛在計(jì)算[5]，是指計(jì)算無(wú)縫融入物理環(huán)境，無(wú)處不在、無(wú)跡可尋。泛在計(jì)算的環(huán)境多變、需求多樣、場(chǎng)景復(fù)雜，要求硬件資源、數(shù)據(jù)資源、軟件平臺(tái)、應(yīng)用軟件具有柔性靈活的軟件定義能力、動(dòng)態(tài)適配能力、泛在互聯(lián)能力和自然交互能力。面向“物”，海量的、更為輕量級(jí)的各類(lèi)計(jì)算、傳感設(shè)備帶來(lái)系列管理調(diào)度新挑戰(zhàn)；面向“人”，“人在回路”導(dǎo)致不確定的復(fù)雜交互和動(dòng)態(tài)按需定制；面向“網(wǎng)”，物聯(lián)場(chǎng)景帶來(lái)低延遲更可靠的剛需；面向“應(yīng)用”，動(dòng)態(tài)多樣性帶來(lái)新的共性凝練需求……，這些均是現(xiàn)有操作系統(tǒng)尚不具備的能力。從“20 年周期律”的視角，千億規(guī)模的各類(lèi)泛在物聯(lián)終端和新型的泛在計(jì)算模式的出現(xiàn)，意味著操作系統(tǒng)進(jìn)入新的 20 年發(fā)展周期的條件已然具備，新的藍(lán)海已然出現(xiàn)。

2.2 國(guó)內(nèi)外新形態(tài)操作系統(tǒng)探索

國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已有不少面向特定計(jì)算場(chǎng)景和新型業(yè)務(wù)需求的新型操作系統(tǒng)實(shí)踐。例如，美國(guó)西北大學(xué)提出面向信物融合的先進(jìn)制造操作系統(tǒng)計(jì)劃；谷歌公司提出 Fuchsia OS 計(jì)劃，用于支持桌面設(shè)備、移動(dòng)終端、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其互聯(lián)；大眾汽車(chē)公司啟動(dòng) vw.os 汽車(chē)操作系統(tǒng)計(jì)劃，嘗試轉(zhuǎn)型“軟件公司”，將可能對(duì)上下游產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生變革性影響；阿里巴巴公司推出以驅(qū)動(dòng)萬(wàn)物智能為目標(biāo)的移動(dòng)操作系統(tǒng) AliOS；華為公司發(fā)布了面向全場(chǎng)景、全連接的智能終端操作系統(tǒng)鴻蒙 OS 和 Open Harmony 等。此外，還出現(xiàn)了眾多的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)，如 FreeRTOS、RIOT、Zephyr、TinyOS、Contiki、Android Things 等，而這些均可歸為針對(duì)泛在計(jì)算場(chǎng)景的操作系統(tǒng)。

上述新型操作系統(tǒng)實(shí)踐大多是從傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)途徑針對(duì)特定泛在計(jì)算場(chǎng)景進(jìn)行切入和擴(kuò)展，在資源管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、人機(jī)交互、應(yīng)用模式等方面分別進(jìn)行了新的技術(shù)探索。嵌入式操作系統(tǒng)是一類(lèi)重要的單機(jī)操作系統(tǒng)，源于 20 世紀(jì) 70 年代的單片機(jī)。單片機(jī)（single-chip microcomputer）集成了計(jì)算機(jī)的主要組件，形成一個(gè)功能較完善的極微型計(jì)算裝置，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等領(lǐng)域，也稱(chēng)微控制器（microcontroller）。單片機(jī)/微控制器的出現(xiàn)意味著在各類(lèi)設(shè)備/物體中“嵌入”計(jì)算裝置成為可能，嵌入式系統(tǒng)及其操作系統(tǒng)的概念隨之出現(xiàn)，這可被視為原始的“泛在計(jì)算”嘗試。嵌入式系統(tǒng)主要面向微控制器等資源受限環(huán)境，并且與物理世界直接交互，因此需要非常輕量化，并要保證實(shí)時(shí)性（時(shí)間確定性）。不過(guò)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)有其新的關(guān)注點(diǎn)：一方面，強(qiáng)調(diào)對(duì)“連接”及建立在連接基礎(chǔ)上的分布計(jì)算甚至“云-邊-端”融合計(jì)算的支持，從而支撐“萬(wàn)物互聯(lián)”的目標(biāo)；另一方面，強(qiáng)調(diào)對(duì)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能力的統(tǒng)一抽象，從而屏蔽物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的碎片化特征，為提升物聯(lián)網(wǎng)可管理性、可維護(hù)性、構(gòu)建良好物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。考察物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)現(xiàn)狀，其技術(shù)體系還過(guò)于碎片化，在計(jì)算模型、共性凝練、人機(jī)交互、安全保障等方面均難以滿足人機(jī)物融合泛在計(jì)算的需求。

2.3 泛在操作系統(tǒng)：內(nèi)涵與外延

人機(jī)物融合泛在計(jì)算模式的新特征對(duì)新型操作系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)是全方位的：既需要面臨“云-管-邊-端-物”乃至“人”的海量異構(gòu)資源尤其是各種泛在化的“端”資源的有效管理，也需要進(jìn)行各種多樣化的新型應(yīng)用的共性凝練，還需要支持和適應(yīng)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)多變的復(fù)雜泛在計(jì)算環(huán)境，應(yīng)對(duì)開(kāi)放環(huán)境帶來(lái)的安全可信挑戰(zhàn)。因此，有必要對(duì)面向泛在計(jì)算場(chǎng)景的新型操作系統(tǒng)進(jìn)行整體性和系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)，嘗試為其建立新的理論、技術(shù)和應(yīng)用體系，推動(dòng)計(jì)算模型、體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用構(gòu)造、可信保障等方面的創(chuàng)新發(fā)展。

基于對(duì)各類(lèi)新型操作系統(tǒng)研發(fā)實(shí)踐的梳理和對(duì)泛在計(jì)算場(chǎng)景的理解，筆者以為，面向人機(jī)物融合泛在計(jì)算場(chǎng)景，需要“沉淀”一類(lèi)新型操作系統(tǒng)——沿襲過(guò)去以計(jì)算模式分類(lèi)操作系統(tǒng)的慣例，可稱(chēng)為“泛在操作系統(tǒng)”（Ubiquitous Operating System，UOS）[6]。泛在操作系統(tǒng)支持新型泛在計(jì)算資源的管理和調(diào)度，以及泛在應(yīng)用的開(kāi)發(fā)運(yùn)行。由于泛在計(jì)算場(chǎng)景的領(lǐng)域行業(yè)特定性、泛在計(jì)算資源的廣譜多樣性和極端特異性，泛在操作系統(tǒng)的領(lǐng)域性和專(zhuān)用性將會(huì)比較突出，有必要面向不同的應(yīng)用模式和場(chǎng)景構(gòu)建不同的泛在操作系統(tǒng)。因此，不會(huì)有“大一統(tǒng)”的通用、普適的泛在操作系統(tǒng)，而是會(huì)存在領(lǐng)域或應(yīng)用場(chǎng)景定制的多樣性的泛在操作系統(tǒng)。

從單機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)展主線視角，泛在操作系統(tǒng)秉承泛在計(jì)算的基本思想，特指面向泛在化計(jì)算資源管理，支持泛在應(yīng)用開(kāi)發(fā)運(yùn)行，具有泛在感知、泛在互聯(lián)、輕量計(jì)算、輕量認(rèn)知、反饋控制、自然交互等新特征的新形態(tài)操作系統(tǒng)；其發(fā)展重點(diǎn)將是支持低功耗 CPU 的輕量、實(shí)時(shí)、可靠?jī)?nèi)核，以及“感、聯(lián)、知、控”的共性框架凝練。從操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的輔線視角，泛在操作系統(tǒng)也可被“廣義”地用于指代基于單機(jī)操作系統(tǒng)（節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)）、面向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與場(chǎng)景的新型“中間件”層系統(tǒng)軟件；其遵循的是操作系統(tǒng)的“操作”和“管理”功能本質(zhì)，支持靈活多樣的資源虛擬化與異構(gòu)性橋接能力，支持新型計(jì)算模式下的應(yīng)用開(kāi)發(fā)與運(yùn)行支撐。

3 挑戰(zhàn)與機(jī)遇

泛在操作系統(tǒng)面對(duì)的泛在資源呈現(xiàn)海量、異質(zhì)、異構(gòu)、自主等特性，資源管理的復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增加；系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境從單一信息空間變?yōu)槿祟?lèi)社會(huì)、信息系統(tǒng)、物理空間（人機(jī)物）三元融合空間，轄域范圍和性質(zhì)發(fā)生了根本性變化；應(yīng)用模式更為多樣化，領(lǐng)域性和專(zhuān)用性突出，資源特性和應(yīng)用需求更為極端化和個(gè)性化，開(kāi)發(fā)與運(yùn)行支撐更為困難；萬(wàn)物互聯(lián)帶來(lái)了更突出的安全可信問(wèn)題，多域融合使得信任從單點(diǎn)單向變?yōu)槎喾蕉嘣バ?，信任關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，可信性難以保障。為了支撐人機(jī)物融合計(jì)算模式，應(yīng)對(duì)新應(yīng)用和新場(chǎng)景帶來(lái)的挑戰(zhàn)，泛在操作系統(tǒng)需要在體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理、應(yīng)用構(gòu)造、可信保障等方面進(jìn)行創(chuàng)新性研究。

（1）體系結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理。與通用的個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)智能終端不同，泛在計(jì)算領(lǐng)域的設(shè)備專(zhuān)用性、特異性、受限性突出，通常要求操作系統(tǒng)可定制、柔性化、可演化，同時(shí)要具有低能耗、低時(shí)延、高可靠、實(shí)時(shí)性等性質(zhì)，這對(duì)操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)提出了重大挑戰(zhàn)。當(dāng)泛在設(shè)備無(wú)縫嵌入、融入各種物體中并變得無(wú)處不在時(shí)，加之顧及“人在回路”帶來(lái)的復(fù)雜影響，新型泛在操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理、交互方式、管理機(jī)制等都將發(fā)生相應(yīng)變化——場(chǎng)景相關(guān)的數(shù)據(jù)、知識(shí)與智能的因素凸顯，操作系統(tǒng)需要具備環(huán)境感知、自我管理、群體協(xié)同的能力，以適應(yīng)所處的泛在計(jì)算場(chǎng)景。

（2）應(yīng)用構(gòu)造與軟件定義。泛在操作系統(tǒng)要支持方便地構(gòu)造可感知環(huán)境、泛在互聯(lián)、多維認(rèn)知、自然交互的應(yīng)用，需要新型的對(duì)數(shù)據(jù)、知識(shí)、智能和安全支持更好的程序設(shè)計(jì)模型、語(yǔ)言與運(yùn)行機(jī)制。對(duì)人機(jī)物融合場(chǎng)景與計(jì)算環(huán)境各種實(shí)現(xiàn)感知、運(yùn)算、通信、執(zhí)行、服務(wù)等能力的異構(gòu)資源進(jìn)行合理有效抽象，需要領(lǐng)域特定的程序設(shè)計(jì)模型，以更好適應(yīng)從硬件等“有形”資源虛擬化向數(shù)據(jù)、知識(shí)等“無(wú)形”資源虛擬化延伸；并且，通過(guò)軟件定義途徑滿足跨組織域的資源管控與配置需求[7]，支持泛在應(yīng)用的構(gòu)造。凝練應(yīng)用共性，需要提供對(duì)領(lǐng)域知識(shí)和人工智能（AI）模型等的封裝庫(kù)，支持以低代碼甚至無(wú)代碼化的方式開(kāi)發(fā)泛在應(yīng)用，降低特定場(chǎng)景和領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)門(mén)檻；還需要提供合適的泛在應(yīng)用運(yùn)行時(shí)（runtime），方便在泛在環(huán)境下加載和管理由各種語(yǔ)言編寫(xiě)的泛在應(yīng)用。

（3）可信與安全保障。萬(wàn)物互聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)前所未有的開(kāi)放，系統(tǒng)的可靠性和安全性保障面臨著空前的挑戰(zhàn)。從單個(gè)泛在計(jì)算終端的角度，需要具有內(nèi)構(gòu)安全機(jī)制，具備識(shí)別“自己（正常）”和“非己（惡意）”行為的免疫機(jī)制，保護(hù)系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)安全（security）和隱私（privacy）。從整個(gè)人機(jī)物融合泛在系統(tǒng)的角度，需要建立類(lèi)社會(huì)化運(yùn)作的系統(tǒng)化的安全與信任機(jī)制，應(yīng)對(duì)多方多元互信的挑戰(zhàn)，保證整個(gè)人機(jī)物融合系統(tǒng)的安全可靠可信運(yùn)行。

可以預(yù)見(jiàn)，人機(jī)物融合泛在計(jì)算的新藍(lán)海蘊(yùn)含著新的發(fā)展機(jī)遇，將帶來(lái)巨大的創(chuàng)新空間。由于人機(jī)物融合泛在計(jì)算的領(lǐng)域性、專(zhuān)用性突出，泛在操作系統(tǒng)本質(zhì)上屬于領(lǐng)域和行業(yè)專(zhuān)用平臺(tái)，而行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性意味著圍繞行業(yè)構(gòu)建生態(tài)成為可能。因此，未來(lái)的泛在操作系統(tǒng)將不會(huì)存在像 Windows 和 Android 那樣的絕對(duì)領(lǐng)先者，而將呈現(xiàn)多個(gè)操作系統(tǒng)生態(tài)共存的多元化格局。泛在操作系統(tǒng)既有傳統(tǒng)操作系統(tǒng)面臨的老問(wèn)題，又有新場(chǎng)景和新需求帶來(lái)的新問(wèn)題，這無(wú)疑為操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究及新型操作系統(tǒng)的研發(fā)帶來(lái)了難得的歷史性機(jī)遇。

4 對(duì)我國(guó)發(fā)展操作系統(tǒng)的若干認(rèn)識(shí)與思考

4.1 我國(guó)在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)原賽道上的跟隨追趕

由于起步晚、基礎(chǔ)差，我國(guó)操作系統(tǒng)發(fā)展長(zhǎng)期處于跟隨狀態(tài)。在主機(jī)計(jì)算時(shí)代，我國(guó)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要任務(wù)是面向國(guó)家戰(zhàn)略急需，填補(bǔ)系統(tǒng)軟件方面的空白，自力更生為國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)提供配套[8]。從個(gè)人計(jì)算時(shí)代開(kāi)始，國(guó)際上操作系統(tǒng)從專(zhuān)用化走向通用化，并開(kāi)啟了商業(yè)化之路；市場(chǎng)領(lǐng)先的主流操作系統(tǒng)在全世界范圍形成了壟斷和主導(dǎo)之勢(shì)，也極大影響了我國(guó)的操作系統(tǒng)發(fā)展。改革開(kāi)放后，我國(guó)操作系統(tǒng)的發(fā)展逐漸和國(guó)際主流接軌，跟隨學(xué)習(xí)國(guó)際主流商業(yè)和開(kāi)源操作系統(tǒng)，走兼容創(chuàng)新之路：20 世紀(jì) 90 年代之前，主要跟隨、學(xué)習(xí) Unix；進(jìn)入 21 世紀(jì)后，開(kāi)始轉(zhuǎn)向基于開(kāi)源 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行深度定制和二次開(kāi)發(fā)。在移動(dòng)操作系統(tǒng)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)廠商基本是以 Android 開(kāi)源項(xiàng)目（Android Open Source Project）為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)廠商研制了多個(gè)云操作系統(tǒng)，并在應(yīng)用規(guī)模和性能表現(xiàn)等方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

總體來(lái)說(shuō)，在面向傳統(tǒng)計(jì)算平臺(tái)的傳統(tǒng)操作系統(tǒng)原賽道上，我國(guó)仍處于跟隨、追趕狀態(tài)；由于不掌握操作系統(tǒng)生態(tài)的主導(dǎo)權(quán)，大規(guī)模發(fā)展面臨諸多困難。然而，出于國(guó)家安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展自主可控的需要，原賽道上以“國(guó)產(chǎn)替代”為目標(biāo)的競(jìng)爭(zhēng)策略仍是必要的，需要繼續(xù)努力。同時(shí)，面向人機(jī)物融合、萬(wàn)物互聯(lián)的新藍(lán)海，也需要積極開(kāi)展在新型操作系統(tǒng)新賽道上的研發(fā)布局。

4.2 數(shù)字化轉(zhuǎn)型為操作系統(tǒng)發(fā)展帶來(lái)新空間

當(dāng)前，我國(guó)正在大力推進(jìn)數(shù)字中國(guó)建設(shè)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。2021 年 10 月 18 日，習(xí)近平總書(shū)記在中共中央政治局就推動(dòng)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展進(jìn)行的第 34 次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深前所未有，正在成為重組全球要素資源、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、改變?nèi)蚋?jìng)爭(zhēng)格局的關(guān)鍵力量；要充分發(fā)揮海量數(shù)據(jù)和豐富應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)數(shù)字技術(shù)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，催生新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)新模式，不斷做強(qiáng)做優(yōu)做大我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)④http://www.gov.cn/xinwen/2021-10/19/content_5643653.htm.。

推動(dòng)各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，這對(duì)人機(jī)物融合泛在計(jì)算提供了巨大的市場(chǎng)空間，對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)相關(guān)的新技術(shù)及數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)迫切需求。數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá) 35.8 萬(wàn)億元，占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的 36.2%，對(duì) GDP 增長(zhǎng)貢獻(xiàn)率為 67.7%⑤http://www.cac.gov.cn/2020-09/10/c_1601296274273490.htm.；2020 年數(shù)字經(jīng)濟(jì)總體規(guī)模達(dá) 39.2 萬(wàn)億元⑥http://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/202104/P020210424737615413306.pdf.。2017 年規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率、數(shù)字化設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率分別達(dá)到 44.8% 和 39%⑦h(yuǎn)ttp://www.stats.gov.cn/ztjc/ztfx/ggkf40n/201809/t20180904_1620676.html.；2020 年6 月全國(guó)制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率達(dá) 48.7%⑧http://paper.ce.cn/jjrb/html/2021-07/19/content_446797.htm.；2020年，規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)字化設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率提升至43.5%⑨http://theory.people.com.cn/n1/2021/0906/c40531-32218188.html.。數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為不可逆的發(fā)展趨勢(shì)，其重要表征正是面向萬(wàn)物互聯(lián)的人機(jī)物融合泛在計(jì)算。

4.3 積極尋求在泛在操作系統(tǒng)新賽道的發(fā)展優(yōu)勢(shì)

泛在操作系統(tǒng)是人機(jī)物融合泛在計(jì)算生態(tài)的核心，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)性平臺(tái)，更是智能化綜合性數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施的“基礎(chǔ)”。筆者以為，我們需要把握機(jī)遇，加快布局，積極尋求在泛在操作系統(tǒng)新賽道的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。具體可從 3 個(gè)方面部署。

（1）加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和人才培養(yǎng)。探究人機(jī)物融合泛在計(jì)算的建模理論和泛在操作系統(tǒng)的基本原理、機(jī)理及構(gòu)造方法學(xué)，探究和梳理對(duì)未來(lái)以數(shù)據(jù)、知識(shí)、智能為核心要素的新型操作系統(tǒng)技術(shù)體系，探討構(gòu)建相應(yīng)的編程模型、系統(tǒng)平臺(tái)、開(kāi)發(fā)方法和支撐工具體系。結(jié)合基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)泛在操作系統(tǒng)生態(tài)相關(guān)的研發(fā)人才培養(yǎng)體系建設(shè)，做好教材和課程建設(shè)，打牢系統(tǒng)軟件人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)；發(fā)揮國(guó)家科研項(xiàng)目和評(píng)價(jià)體系的引導(dǎo)作用，鼓勵(lì)更多的高校、科研院所選題聚焦系統(tǒng)軟件；深化產(chǎn)學(xué)研合作，加快科研成果到企業(yè)產(chǎn)品的雙向互動(dòng)。

（2）基于開(kāi)源構(gòu)建發(fā)展生態(tài)。軟件開(kāi)源、硬件開(kāi)放甚至數(shù)據(jù)開(kāi)放已成為不可逆的趨勢(shì)。因此，需要從傳統(tǒng)的封閉開(kāi)發(fā)模式轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)源開(kāi)發(fā)模式，通過(guò)開(kāi)源社區(qū)聚集企業(yè)、高校和個(gè)人力量，協(xié)同推進(jìn)操作系統(tǒng)技術(shù)的迭代創(chuàng)新；需要廣泛匯聚芯片、終端、系統(tǒng)軟件、開(kāi)發(fā)工具、行業(yè)軟件等從業(yè)者共同參與，形成智能化綜合性數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)生態(tài)，通過(guò)全生態(tài)整合、全棧優(yōu)化、軟硬件協(xié)同為泛在操作系統(tǒng)發(fā)展提供健康環(huán)境。

（3）發(fā)揮行業(yè)優(yōu)勢(shì)支撐生態(tài)發(fā)展。結(jié)合智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、數(shù)字社會(huì)等國(guó)家戰(zhàn)略，深耕行業(yè)領(lǐng)域需求，發(fā)揮行業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，發(fā)展面向行業(yè)、領(lǐng)域、場(chǎng)景的多個(gè)泛在操作系統(tǒng)生態(tài)，與相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域相互支撐、協(xié)同發(fā)展。

2021 年 9 月，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部正式啟動(dòng)“泛在操作系統(tǒng)及生態(tài)構(gòu)建研究”專(zhuān)項(xiàng)，瞄準(zhǔn)國(guó)家在操作系統(tǒng)及其生態(tài)上的重大戰(zhàn)略需求，探索面向泛在計(jì)算場(chǎng)景的操作系統(tǒng)新理論及其軟件定義新方法。2021 年 11 月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了“‘十四五’軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”，對(duì)泛在操作系統(tǒng)發(fā)展做出部署，明確提出要“大力支持開(kāi)展‘軟件定義’及泛在操作系統(tǒng)平臺(tái)相關(guān)理論和技術(shù)研究”⑩https://www.miit.gov.cn/jgsj/xxjsfzs/gzdt/art/2021/art_588d395f8cd44bacb256caa66bb205c0.html.。筆者團(tuán)隊(duì)在提出泛在操作系統(tǒng)研究方向后，即開(kāi)展了對(duì)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的研發(fā)實(shí)踐，依托浙江省北大信息技術(shù)高等研究院，研發(fā)了面向工業(yè)物聯(lián)場(chǎng)景的泛在操作系統(tǒng)“矽璓”（XiUOS）[9,10]，幫助促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域人機(jī)物的深度互聯(lián)和融合計(jì)算，并取得初步應(yīng)用效果。

由于國(guó)家的高度重視和產(chǎn)學(xué)研各界的共同努力，我國(guó)新時(shí)期操作系統(tǒng)發(fā)展的良好局面正在形成。相信通過(guò)開(kāi)放合作、協(xié)同創(chuàng)新、尊重規(guī)律、尊重市場(chǎng)，在全球化的大背景下，追求創(chuàng)新發(fā)展和卓越引領(lǐng)，一定可以譜寫(xiě)出我國(guó)操作系統(tǒng)發(fā)展的壯麗新篇章。