走向「軟件定義的世界」

走向「軟件定義的世界」

開始的時候，咱們創造工具，後來他們造就咱們。
——馬歇爾.麥克盧漢，思想家

序

    軟件最初是一個工具，但如今已經成爲咱們工做、生活的一部分。咱們藉助軟件所承載的信息技術管理這個世界，從全球各地搜索知識，在軟件構成的世界中學習和成長，而後進一步創造了新的軟件，讓這個世界發生了改變，如今咱們已經置身於「軟件定義的世界」之中，沒法分清那些是「物理的世界」，那些是「數字的世界」。
    GIS從前是經過現實世界的「信息化」實現數字化的管理，將現實世界進行可視化以便於理解這個世界，或者做爲一個工具去設計現實世界、指導對現實世界的改造。而將來，GIS將是一個虛擬和現實相互融合空間的數字載體，成爲「軟件定義的世界」中必不可少的一個組成部分，而再也不僅僅是一個「工具」。

1、開始融合的二元世界

    如今的咱們大部分時間都經過手機、平板電腦、工做站等各類數字設備與物理世界發生關係，咱們在虛擬世界體味喜怒哀樂，或者經過虛擬三維控制工廠的生產，在三維場景中管理這個城市的運行。咱們已經生活在「二元世界」之中，處於由電腦和網絡組成的Cyber空間中而渾然不覺。（左圖：使用虛擬現實頭盔和運動感知地板沉浸在虛擬世界。）

    傳統的信息系統是現實世界的表徵，經過數字化採樣在信息系統中對現實世界進行重建。可是，如今的信息系統逐步成爲現實世界的延伸，數字空間已經成爲「世界」的一部分，而其中的一部分已經開始脫離開現實世界而獨自存在和發展演變。數字世界與物理世界的邊界開始融合，互相轉化、互相延伸、互相演進成爲一個新的「有機體」。這個有機體成爲廣義上的「軟件」，成爲數字形式的「實體」。

    曾經，咱們經過GIS構建信息系統管理這個世界，經過模型和空間分析實現對世界的認知，經過地理設計（GeoDesign）實現對物理世界的改造。而如今，GIS將成爲「賽博空間」（CyberSpace）的核心組成和數字載體。三維GIS將成爲現實世界的「鏡像」，把現實世界在數字世界重現。而後，在數字空間中能夠進一步疊加任何現實世界中沒法看見的要素，所以基於GIS的數字空間雖然源於現實可是卻超逾了現實。譬如，當進行城市與區域規劃、發展模擬、演變推演時，三維GIS成爲「城市」這個有機體的一個組成部分，而後加強現實技術再把設計的信息疊加到現實世界，從而讓咱們「看見將來」。（下圖：世界著名旅遊城市桂林市使用SuperMap的三維GIS技術進行新開發區的規劃和景觀模擬。）

    過去的二十多年中，GIS推進的「數字化世界」幫助咱們更好地瞭解、研究和管理地理空間，並促進了產生新的認知，促進「世界」向更可持續的方向發展。而將來，基於時空數據的信息世界將逐步開始獨立發展，並與物理世界融爲一體，咱們不只經過GIS管理物理世界，還經過GIS管理信息世界自己並融合和進行自我演進，這將遠遠超出傳統的GeoProcessing、GeoModeling、GeoDesign的範疇，從而讓GIS進入一個全新的發展階段，而GIS也將成爲將來「智慧世界」、「智慧城市」的支撐平臺。
    數字世界將成爲現實世界的不可分割的組成部分，二元世界也將在將來開始合二爲一。

    能夠說，將來的GIS也將造就咱們，由於咱們所見到的世界是GIS所呈現出來的世界。

2、世界正被軟件定義

    「書中自有黃金屋」這一醒世名言已再也不徹底正確，由於數字媒體和網絡已經席捲了整個世界。軟件做爲數字世界的基石，已經取代了書籍，成爲了人類智慧和經驗積累的最佳形式。

    軟件在過去的二十年中是如何改變這個世界的呢？計算機最初是做爲「硬件」而出現的，而如今計算機的體系結構已經標準化，並經過軟件來實現統一控制。計算機早已成爲了「萬能設備」，進入生活、工做、生產等各個領域，裏面安裝的軟件每每超過硬件價格的數十倍、甚至數萬倍以上。

    如今，經過虛擬化技術，一臺計算機能夠像真正的「軟件」同樣被產生、管理和運行，幾分鐘以內便可建立一臺新的「計算機」，可以執行傳統「計算機」的全部功能，還能夠經過一個U盤將其複製到別處去快速投入運行。這一趨勢已經席捲了手機行業，傳統的「電話」已經被通用的「智能手機」所取代，裏面的功能已經徹底被軟件所取代。事實上，最新的手機只有不多的物理按鍵執行基本的操做，而裏面的功能徹底由軟件所驅動。（下圖：虛擬化計算系統的基本體系結構。）

    虛擬存儲能夠認爲是基於物理磁盤的存儲硬件被軟件化的系統，能夠經過塊存儲、列存儲、對象存儲等多種方式來訪問所存放的內容而無需再關心具體的磁盤的介質、格式，也能夠經過軟件模擬出多種傳統的訪問接口實現與傳統軟硬件的兼容，能夠在多個邏輯存儲系統之間進行數據的遷移和管理。存儲如今已經與磁盤無關，只跟所要處理的內容有關，數據離用戶的距離變得愈來愈近。

    軟件定義網絡（SDN，Software Defined Network），將網絡的應用邏輯從物理運行設施中抽象出來，從而讓軟件之間的鏈接經過邏輯層進行，讓網絡基礎設施能夠更爲靈活地部署，將改變這個世界的鏈接的模式。將來改變系統的鏈接將再也不須要對全部硬件進行調整，換句話說，交換機已是一個「軟件」，能夠經過軟件被「定義」出來。

    2015年被炒得火熱的Apple Watch，其錶盤能夠隨時改變爲想要的風格，徹底顛覆了之前人們對「手錶」的概念。在智能手機上裝一個「手電筒」的小軟件也能夠頃刻就將手機變爲一個手電筒進行使用。而當年高大上的錄音機呢？恐怕不少人都已經忘記了它最初的模樣。之前地理工做中必不可少的羅盤早已被電子羅盤和軟件所取代。

    能夠預見，將來將會有更多的「硬件」被「軟件化」，而傳統的「硬件」將只會留存在博物館中。

    除了這些信息化的智能設備外，將智能部件植入生物體並相互加強的技術理論和方法被稱爲Cyborg（賽博格，Cybernetic Organism）。Cyborg是可以「自我調節的人機系統」（self-regulating man-machine system），它既擁有機械裝置運做精確、壽命長久的特色，也具有人類的一切特質，好比感受、感情以及思惟。基於Cyborg技術的生物芯片將軟件與機械、電子、生物徹底融爲一體，從而建立出史無前例的特殊能力。（左圖：機械手與肌肉和神經控制融爲一體。）

    智能設備的定義主要包括外觀、電路、軟件三個部分，至關於人的肢體、神經和大腦。軟件和電路的靈活製做已經不是問題，而最近兩年發展得如火如荼的3D打印技術能夠快速建立外殼和物理原型，打通了「軟件定義世界」的最後一關。如今，經過3D打印機、通用開發板和開源軟件就能夠容易地製做作出一個全新的智能設備。固然，作出實用而智能化的功能，其核心關鍵還在於軟件的算法、控制邏輯和經驗。（右圖：能夠製做電路板的3D打印機，經過KickStart.com衆籌成功。）

    在軟件的世界裏，重構變得史無前例的容易，從而讓整個信息生態以加速度地向前發展。軟件不只定義了各類信息化的設備，軟件自己也在被從新定義，軟件工程方法在網絡化開放協同和開源社區與雲託管的兩大力量的推進下，經過敏捷開發、持續集成的方式實現快速演進。好比，數萬人正在經過網絡去不斷地改進Linux和Android系統，而這些人分佈在全球各地、從未謀面。

    經過GIS技術來定義山川河流等地理特徵，其實早就在進行。至少在城市裏，規劃、國土、房管等城市管理職能部門已經開始大量地採用這一技術來改變傳統的工做方式。如今，藉助於最新的技術，經過三維GIS重構虛擬化的地理世界，實現實體世界的信息化複製，而獨立存在的信息系統部分將與實體部分相互依賴、相互影響並最終成爲一個徹底融合的「新世界」。

    GIS將是這個將來世界的載體，承擔着管理世界、複製世界、定義世界、延伸世界的職責。下圖示範了經過3D打印技術將建築垃圾轉化爲「油墨」進行新建築的「打印」，實現城市自我循環式可持續發展。

    從這個意義上說，「三維GIS」不是簡單的可視化，而將衍生出一個全新的產業鏈，成爲創新之源。新的數據採集技術，從「搖籃到墳墓」的全生命期運營模式，高維度、高動態的時空分析方法，天然用戶界面的交互方式，新型的存儲體系、應用系統等都將應運而生。然而，這一產業鏈如此之長，技術難度如此之大，無異於建造一座「巴別塔」，超過任何一家企業、聯盟甚至一個國家的獨立完成的能力。所以，地理空間信息領域的普遍合做，跨越國界、語言、膚色、種族的合做顯得史無前例的重要和迫切。

    在三維GIS時代，「地球村」這個概念變得更加真實，並且觸手可及（下圖：經過Hololens虛擬現實加強眼鏡將數字地球重如今任何地方）。經過GIS實現真正的「軟件定義世界」，也許在不久的未來就會成爲現實。固然，考慮到現實世界是漫長的歷史所造成，天然規律還遠遠沒有人類被掌握，失敗的「地理設計」案例影響深遠，主觀臆斷的「設計」必然失敗，所以服從天然規律仍然是必須遵循的法則。

3、高效計算催生智能設備

    從目前的技術發展階段來看，任何人工的「智能體」都離不開計算，即嵌入式計算系統的支撐。儘管工業上的MCU(微控制器)器件已經發展多年，但大部分的計算功能都比較弱，缺少靈活的通用計算核心和通用的互聯網組網能力，於是沒法承載大量的數據存儲、運算等智能操做，因爲存在協同能力欠缺、安全性差、編程能力低、成本高昂等問題而難以適應現代的智能化設備的需求。不過，這一切隨着ARM和各類低功耗MCU的飛速發展而正在發生巨大改變。

    2005年誕生於意大利的Arduino是第一個基於MCU作出的通用電子平臺，是創客（Maker）的必備工具（左圖：Arduino的經典做品UNO開發板，能夠快速插接多種擴展模塊，如空氣質量傳感器等）。Arduino系統包括多種可堆疊的開源的電路板、簡單的IDE和豐富的支持庫，可讓軟件開發者以「編程」的方式建立各類電子系統，而作到這些事情在傳統方式須要購買昂貴的開發平臺、掌握專業的開發技能、還要對硬件很是精通才能完成。

    Arduino的出現猶如打開了「潘朵拉寶盒」，各類新型設備和創意產品不斷涌現，已經成爲電子教育、創客空間的必備平臺，並且開始進入各類專業研發機構的實驗室。Arduino大量用到藝術電子做品、創意裝置、穿戴設備之中，是美國MakeFair大會展現場的常客，也是如今炒得火熱的物聯網開發的啓蒙平臺和開山鼻祖。Arduino主要採用Atmel單片機作主控芯片，能夠進行實時控制、邏輯編程、簡單計算等操做，使用C語言就能夠快速開發一個控制邏輯器並當即投入運行，市面上有大量的擴展模塊和開源、免費的驅動軟件庫，還能夠經過內置接口擴展IP網絡，讓設備接入互聯網。

    ARM是專門面向低功耗、高併發、移動式應用的CPU芯片，採用了徹底不一樣於以往的X8六、SPARC、POWER、MIPS的芯片架構體系和計算指令集，專一近年來大量移動設備市場爆發的契機，發展很是迅猛，堪稱奇蹟。如今ARM的功能已經至關強大，不只用於手機、平板電腦、車載設備，並且也開始用於桌面和服務器系統。ARM與老牌的Intel、AMD等廠商的封閉體系徹底不一樣，採用技術受權第三方生產的方式進行市場推廣，國外的蘋果、高通、三星都是全球主要的ARM芯片廠商，國內的珠海全志、華爲海思、國防科大的飛騰也都是自有品牌的ARM芯片，已開始進入量產和應用。

    因爲ARM採用比較開放的技術，能夠支持多種操做系統（Linux系列、iOS、Windows 8/10），而基於Linux的嵌入式操做系統在上面運行已經很是成熟，具備基於gcc的完善的開發工具鏈，並且是徹底開源和免費的。ARM公司還發起了Linaro組織，專門針對Linux（包括Android）進行優化版本和參考方案的開發，中國的華爲公司是Linaro組織的核心成員，中興通信也是其成員之一。（左圖：華爲基於其海思芯片生產的ARM64參考板。）

    移動和嵌入式設備是近幾年來IT增加最快的領域，面對ARM的快速衝擊，Intel終於開始醒悟，也推出了Quark衆核芯片和Galieo等開發套件，可是除了兼容X86的優點以外，其價格和功耗沒有任何競爭力，對市場影響目前還比較小。

    在Arduino和ARM等新型硬件和開源軟件體系的推進下，軟硬件的界限已經模糊，新型智能設備的時代已經快速開啓。2015年在中國也開始出現了智能設備井噴的局面，而大量的投資已經進入這個領域，各類更爲先進、炫酷的設備還在研發之中。國外的蘋果手錶、谷歌眼鏡、谷歌機器狗、無人駕駛車、Oculus虛擬現實頭盔、Hololens加強現實眼鏡等等可謂出盡了風頭，而這一切只不過纔剛剛開始。

    移動設備、嵌入式設備催生了一個快速增加的低功耗CPU應用領域新興市場。GIS軟件已經開始大量進入移動和嵌入式設備，好比超圖軟件推出的iMobile和iClient系列產品均可以在基於ARM的iOS設備和Android設備上運行，iObjects早就支持在Linux上運行，而最新的版本將直接支持基於ARM的Linux操做系統，從而能夠在基於ARM的低功耗桌面系統運行，讓用戶得到便攜性強、使用方便、續航時間超長等優秀的使用體驗，iServer也將支持基於64位的ARM服務器，更是提升併發能力、下降能耗、提升部署密度、下降運維成本的先鋒。

4、互聯網中的世界萬物

    新的軟硬件體系對GIS系統的運行提出了新的需求，也極大地拓展了GIS的應用範圍。一方面，GIS技術須要適應各類低功耗設備的運行環境和開發工具鏈，將GIS的各類能力帶到各類移動式、嵌入式設備之中；另外一方面，GIS須要對各類設備及其鏈接、採集的信息進行有效的管理和運維分析。因爲各類設備的複雜性和用途的多樣性，實現萬物互聯並不是一件容易的事情，須要在物理層、鏈路層、數據層、內容層、語義層等各個層面實現標準化的協議。所幸的是，通過各行業的共同努力，這一狀況已經大有改觀。（下圖：經過SuperMap三維GIS軟件建立的虛擬空間和物聯網技術進行煉油廠的生產管理。）

    由於技術發展的侷限性，網絡連接曾經有不少種技術方案，給大型網絡式自動化系統的建設和維護管理帶來極大的困難。而如今，有線連接基本上統一到了基於IP的以太網技術架構，而無線網絡在過去的幾年中可謂日新月異，WiFi、藍牙和ZigBee已經佔有了本身特定的市場，尤爲是WiFi，基本上處於絕對的優點地位，儘管在用於物聯網領域內其功耗和鏈接性還有待於進一步改進。

    從軟件層面來看，過去的企業級系統中，主要採用C/S（客戶／服務器）或者B/S（瀏覽器／服務器）的架構，系統是徹底中心式的結構。隨着IPv6和網絡帶寬的飛速發展，尤爲是移動終端的網絡連接能力和計算能力的快速提高，移動終端都已經具有了之前的服務器級的處理能力，新型的P2P網路結構將會獲得更爲普遍的使用，這將從根本上改變目前的軟件體系架構以及由其構成的應用系統的部署模式。

    在新的對等網絡服務結構中，消息總線毫無疑問是其核心，其軟件生態系的發展已經至關豐富。消息總線不只承擔系統監控、調度等運維職責，還能夠直接傳輸數據到任何的終端，很是容易適應不一樣的網絡結構尤爲是移動網絡環境，實現基於內容的網絡路由，能夠在已有的IP網絡基礎設施之上實現P2P的訪問結構，以及用於大規模跨區域的並行任務處理調度等等。消息總線具備羣發、分解、過濾、轉發、加強等多種靈活的應用模式，經過與GIS集成和業務的融合將實現徹底新型的高效的應用系統平臺。

    消息總線已將網絡鏈接虛擬化，抽象出了基於「消息」的通信體制，而無需再去關心網絡底層的差別。2014年AMQP、MQTT相繼成爲國際標準以來，消息總線應用正獲得快速的普及，將成爲繼HTTP以後最爲重要的網絡鏈接協議。Amazon 和Azure都已經推出基於雲計算的消息總線服務，IBM的消息總線支持從來是其核心產品（MQTT即由IBM英國分公司提出和擬定），VMWare已將AMQP的支撐服務器軟件RabbitMQ收入麾下，國內的騰訊也啓動了基於微信的硬件生態系統的建設和推廣，而智慧建築、智慧交通、智慧農業、智慧工業、智慧環保等專業應用領域更是將基於消息總線架構的物聯網應用的發展推向一個新的階段。

    LiveGeography將是三維GIS的更高級形式，能夠經過物聯網等技術與現實世界實時通聯，實現信息的動態獲取、雙向反饋和智能控制。「Live」的現實世界與「Live」的數字世界相互聯通，猶如電影Avatar（《阿凡達》）裏的克隆人，相互複製、相互關聯，數字世界與現實世界成爲交替進化的同一主體。

    固然，三維GIS也好、數字空間也好，仍是LiveGeography也好，都只是信息和系統，還須要有人類的知識和智慧，才能成爲一個真正的「活」的世界。物聯網也並非簡單地給物體賦予聯網的能力，而是至少具備「可思考」的計算能力。物聯網中的萬物皆經過網絡鏈接改變了交互的方式，並正在改變物體自己。相互鏈接的智能物體將來將成爲「超級智能體」，並經過互聯網絡進行重組和演化，而「人」也做爲其中的一員參與其進化過程。

5、智能網絡構成的大腦

    人工智能是否會超越人類？這是2015年科技界爭論的一個熱門話題。儘管計算機的認知能力目前仍然沒法與人腦相比（尤爲是那些天才），但網絡搜索替代了人的記憶、機器人取代了工人、信息交換改變了物流已是無可置疑的事實。能夠確定的是，將來人工智能將超過大部分人，而且將進一步改變社會和經濟結構。

    若是將「智慧世界」比喻爲人的話，能夠說如今四肢已經具有，神經正在延伸，而大腦的發育正處於萌芽階段。大腦的發育有待於認知模型和數據處理的理論和方法的進步，近年來在「大數據」這一律唸的推進下也取得了很多的成果。

    開源軟件因爲其開源、免費的特色，在大數據技術、人工智能等研究工做中具備重要的影響。R、Hadoop、Spark、Scala、OpenCV、OpenGL、OpenCL、OpenNI等著名的開源軟件對相關領域的發展起到了極爲重要的推進做用。而經過互聯網的全球協做，這些軟件自己也取得了快速的進步，造成了良性循環的生態系統。

    迎接智慧的世界，GIS天然不可或缺。「機器地圖」是李德毅院士提出的新型時空數據的組織模型，爲智能機器的空間智能提供技術支撐。經過三維數字空間構建新型時空關係數據結構，進行數字空間的動態重建與邏輯運算，以及融入物理計算、機器視覺等能力，再賦予可擴展的編程能力，將爲無人駕駛、無人機、智能交通等應用提供有效的空間智能技術。也許，麻省理工的ROS（Robot Operating System）和微軟的機器人設計平臺不久就會整合基於新型GIS的空間智能技術進入其中，給機器人提供上天入地的更強大能力。

    一個好消息是，超圖軟件將多年研發的GIS核心庫即將做爲C++組件對外提供使用，對追求高效率和底層擴展的研究者來講又多了一個很是強大的工具；而基於該C++組件庫的Python腳本也將釋放出來，能夠與Python的豐富的支持庫一塊兒運做，不斷地探索無限的可能。

小結

    理解地球的運行規律、發現和闡述咱們生活的這個世界的宏觀法則曾經是GIS的重要使命，但GIS自己正在與飛速發展的信息技術發生基因融合，並試圖成爲這個世界的不可分割的一部分。

    咱們將面臨一個史無前例的並且時刻發生鉅變的新世界，這個世界由軟件所驅動，使用GIS來進行管理，由微芯片和人工智能所支撐，將現實世界與信息世界鏈接爲一體，經過相互聯網而具備超級智能並開始具備自我演進的能力。

    GIS已經消失，並在另外一個層面以更強大的姿態出現，以致於咱們都難以認出她的原本面目，一個不同的GIS創新時代已經來臨。掌握這一切的人成爲她的主人，定義這個世界，而服從它的將成爲奴僕，在世界中被定義。

    GIS不只僅是一個工具，它關乎將來。

（本文做者：王爾琪   北京超圖軟件股份有限公司-http://www.supermap.com.cn，2015.08）