（管理科学与工程专业论文）智能空间中情景感知的系统模型和预测研究.pdf

- 、 成果 包含 教育 何贡 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 本人签名：鍪茎 日期： - + 导师签每：弋堑鍪鞋日期： 权书。 2 d f o 3 f o 尸- 北京邮t 乜人学硕l ：学位论文智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 智能空间中情景感知的系统模型及预测研究 摘要 智能空间作为普适计算的典型应用，是未来移动商务的发展趋 势，现已成为国内外学术界研究的前沿课题，国内外很多研究机构均 对智能空间及情景感知开展了理论及实践研究。但是对于智能空间第 二阶段充分考虑移动设备的开放式智能空间研究甚少，对于开放 式智能空间的系统架构也没有明确的规划。此外，在开放式智能空间 中的情景感知研究中，对于其中关键因素的把握不够明晰，在情景感 知预测推理机制中也仅仅是基于位置的单维度预测或位置+ 业务的双 维度预测，难以满足人们日益增长的移动商务需求。 本文主要研究的是开放式智能空间中的情景感知；通过研读并总 结前人在智能空间及情景感知领域的研究成果及科研实践，从开放式 智能空间这一前沿领域入手，提出开放式智能空间中情景感知系统框 架，其中涵盖情景子系统、用户子系统、服务子系统、预测推理引擎 这四大模块。而后结合开放式智能空间的特性与移动商务发展的需 求，提出该领域内情景感知研究所必须考虑的三大因素：时间、位置、 业务，并对于情景感知系统中的这三类因素进行了特性研究。 随后，将综合了时间、位置、业务的三维序列引入到预测推理机 制中，对n g r a m 模型加以改进并提出两种预测算法( n g r a m a 和 n g r a m b 算法) ，并比较了这两种算法的优劣势及各自适用的移动商 务环境。在这两个算法的使用中，可以通过设置预测规则、n - g r a m 中n 的长度及时间维度的划分等，灵活有效地预测出情景感知环境中 的各种参数，以使其适用于用户及移动商务商家的需求。通过改进后 的预测模型有效地预测用户行为趋势，以期通过最优化的方式使用户 需求与其所处的环境资源相匹配，既期望能从用户视角获得更加丰富 的信息体验，又期望能对运营商有所帮助，对理论研究及商业实践均 具有积极意义。 最后，基于前面的分析与研究，分别从政府政策层面、产业发展 层面、学术研究层面，对我国智能空间的发展提出相关发展建议。 关键词：智能空间情景感知系统模型预测算法n g r a m ， j 耋 q 一1 北京邮i 乜入学硕i f ：学位论文智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 s y s t e mm o d e l i n ga n dp r e d i c t i o nr e s e a r c ho f c o n t e x ta ：、眦r e n w s si ns m a r ts p a c e a b s t r a c t a st h e t y p i c a la p p l i c a t i o n o fu b i q u i t o u s c o m p u t i n g a n dt h e d e v e l o p i n gt e n d e n c yo f m o b i l ec o m m e r c e ，s m a r ts p a c eh a sb e c o m et h e f r o n t i e r st o po fa c a d e m i cc i r c l e sa th o m ea n da b r o a d d o m e s t i ca n d f o r e i g nr e s e a r c hi n s t i t u t e sh a v el a u n c h e dl o t so fr e s e a r c h e so ns m a r t s p a c ea n dc o n t e x ta w a r e n e s s ，b o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y t h e r e a r es t i l lf e wr e s e a r c h e so no p e ns m a r ts p a c e ( o s s ) a n di t ss y s t e m a r c h i t e c t u r e ，w h i c hi st h es e c o n ds t a g eo fs m a r ts p a c ea n de m p h a s i z e s t h em o b i l i t yo fm o b i l ed e v i c e sg r e a t l y w h a t sm o r e ，t h ew e a kg r a s po f k e yp o i n t sa n dt h es i m p l i c i t yo fp r e d i c t i o nm e c h a n i s mi no s s ，l i k e m o n o - d i m e n s i o nm e c h a n i s mb a s e do n p o s i t i o n o rb i - d i m e n s i o n m e c h a n i s mb a s e do np o s i t i o na n ds e r v i c e ，c a nj u s tn o tm e e tw i t hp e o p l e s i n c r e a s i n gn e e d s w i t ht h es t u d yo f p r e v i o u sr e s e a r c h e so ns m a r ts p a c ea n dc o n t e x t a w a r e n e s s ，t h i sp a p e rd e s i g n sac o n t e x ta w a r e n e s ss y s t e ma r c h i t e c t u r e i no s s ，w h i c hc o n s i s to fc o n t e x t ss u b s y s t e m ，u s e r ss u b s y s t e m ，s e r v i c e s s u b s y s t e ma n dp r e d i c t i o ni n f e r e n c ee n g i n e a n dw i t hc o n s i d e r i n gt h e f e a t u r e si no ss ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa n da n a l y z e st h et h r e ek e ya t t r i b u t e s i nc o n t e x ta w a r e n e s s - p o s i t i o n ，t i m ea n ds e r v i c e s u b s e q u e n t l y ，w i t ha n a l y z i n gt h ei n t e g r a t e dl o gf i l e so fl o c a t i o n ， t i m ea n ds e r v i c eo fu s e r si nc o n t e x t - a w a r ee n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e r i m p r o v e s t h e n g r a mm o d e l ，a d v a n c e s t w op r e d i c t i o n a l g o r i t h m s ( n - g r a m aa n dn g r a m b ) ，a n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s a n da p p l i c a b l es c o p eo ft h e s et w oa l g o r i t h m s i nt h ep r o c e s so fu s i n g t h e s et w oa l g o r i t h m s ，w ec a na l t e rt h ep r e d i c t i o nr u l e s ，t h ev a l u eo fni n n g r a ma n dt h es e g m e n t so ft i m ed i m e n s i o nt om a t c hn e e d so f u s e r sw i t h t h ec u r r e n tr e s o u r c ei na no p t i m i z e dw a y i no r d e rt oh e l pm o b i l eu s e r s i i m a k e ss o m e p r o p o s a l s i n d e v e l o p i n g o u rn a t i o n a ls m a r t s p a c e ， r e s p e c t i v e l yf r o mt h eg o v e r n m e n tp o l i c yl e v e l ，t h ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t l e v e l ，t h ea c a d e m i cr e s e a r c hl e v e l k e yw o r d s ：s m a r t s p a c e ，c o n t e x ta w a r e n e s s ，s y s t e mm o d e l ， p r e d i c t i o na l g o r i t h m ，n g r a m i i i ， 、 0 北京邮1 1 1 人学硕f ：学位论文 智能守问中情景感知的系统模型及预测研究 目录 第一章引言1 1 1 研究背景1 1 2 课题意义2 1 3 研究内容与方法5 1 4 论文创新点6 第二章智能空间中情景感知研究综述8 2 1 智能空间研究综述。8 2 1 1 智能空间简介8 2 1 2 智能空间的发展阶段1 1 2 1 3 智能空间应用系统实例1 3 2 2 情景感知研究综述1 9 2 2 1 情景感知简介1 9 2 2 2 情景感知的研究现状2 4 2 2 3 情景感知应用系统实例2 5 2 3 情景感知预测模型研究综述2 7 2 3 1 国外情景感知预测模型研究现状2 7 2 3 2 国内情景感知预测模型研究现状2 8 第三章智能空间中情景感知系统模型研究3 0 3 1 智能空间中情景感知系统模型3 0 3 1 1 整体框架3 0 3 1 2 情景子系统3l 3 1 3 用户子系统3 1 3 1 4 服务子系统3 2 3 1 5 预测推理引擎3 2 3 2 智能空间中情景感知系统关键因素研究3 3 3 2 1 位置信息3 3 3 2 2 时间信息一3 4 3 2 3 业务信息3 5 3 3 本章小结3 6 第四章智能空间中情景感知预测模型研究3 7 4 1 传统n g r a m 语言模型简介j 3 8 i v i j 学位论文智能窄问中情景感知的系统模型及颅测研究 感知预测模型参数定义3 9 感知预测模型预测规则定义3 9 感知环境中n g r a m 的改进算法4 0 n g r a m a 算法4 l n g r a m b 算法4 2 算法的应用举例4 3 n g r a m a 算法的应用示例4 4 n g r a m b 算法的应用示例4 5 算法的评价4 6 小结4 7 发展智能空间及情景感知的相关建议4 9 5 1 政府政策层面4 9 5 1 1 加快基础设施建设。4 9 5 1 2 完善政策制度。5 0 5 2 产业发展层面5 0 5 2 1 加强产业链合作51 5 2 2 丰富服务内涵51 5 3 学术研究层面5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 进一步的研究方向5 4 参考文献5 5 致谢6 1 作者攻读学位期问发表的学术论文目录6 2 v 北京邮l l ! 大学硕l ：学位论文智能窄问中情景感知的 1 1 研究背景 第一章引言 随着计算机及其相关技术的发展，通信和计算能力的性价比越来越高，设备 体积也越来越小，各种新形态的计算、传感器及联网设备蓬勃发展；同时由于人 们对生产效率、生活质量的不懈追求，人们希望能随时随地、便捷地享用计算能 力和信息服务，由此带来了计算模式的新变革，即普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g 或u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 。 普适计算被称为是计算机革命的第三波浪潮，是网络发展的必然趋势。第一 代是主机计算( m a i n f r a m ec o m p u t i n g ) ，即多人共享一台主机；第二代是个人计算 ( p e r s o n a lc o m p u t i n g ) ，即个人电脑的使用；而第三代，就是普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) ，即许许多多的设备通过全球网络为许多人提供个性化的服务。同时， 计算机的受众也从需要具备一定计算机知识的人员普及到普通百姓。计算机不再 局限于桌面，它将被融入到我们的工作、生活空间中，成为手持或可穿戴的设备， 甚至与我们日常生活中使用的各种器具融合在一起。 辎 察 爿 定 计算技术发展的趋势 年份1 9 4 01 9 4 51 9 5 01 9 5 51 9 6 01 9 6 51 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0 图1 - 1 计算技术发展的趋势 图1 1 【1 1 显示的是以时间为横坐标，以产业规模为纵坐标绘出的计算技术发 北京i i i i j i l l 人学硕i ：学位论文 智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 展趋势图。它反映出了半个多世纪来计算机网络发展的大致趋势。绿色的线代表 的是主机计算，红色的线代表的是个人计算，而蓝色的线表示的就是普适计算的 发展。从图中可以看出，普适计算将进入一个蓬勃发展的时代。 而随着计算模式逐渐向普适计算方向延伸，对生活空间的智能性也提出了更 高要求，于是出现了智能空间( s m a r ts p a c e ) 的概念。智能空间( s m a r ts p a c e ) 是 一种将计算设备嵌入到工作、生活空间，并为用户提供自然的人机交互接口的普 适计算应用乜1 。它在整个普适计算的发展过程中具有相当重要的地位，并被普遍 认为是一种能够集中体现普适计算思想并能在其上对普适计算的关键技术进行 研究的实验床，无论是实业界或者学术界都对智能空间技术开展了广泛的研究和 探索。 目前，学术界将智能空间的发展设定为三个阶段口1 ：独立式智能空间、开放 式智能空间和智能社区。就目前的研究现状而言，多数的项目已经对第一个阶段， 即智能空间内部的协作机制进行了比较深入的研究，当前的研究热点主要集中于 智能空间的第二个阶段中，即重点关注移动设备的开放式智能空间，该阶段的特 性是：移动设备随着用户在空间之间漫游，它们能发现情景环境的存在，同时自 发的与环境发生交互。 情景感知作为开放式智能空间的重要特性，是提高计算系统交互智能型的核 心技术。情景感知是根据已记录的历史信息( 如有关用户、计算、物理、历史等 方面的历史情景信息) ，实时地分析已采集的情景海量信息，自动地判断当前的 情景环境，准确地预测未来用户的需要，有效地执行相应的预操作，提供自适应 服务阅。 本文正是基于上述背景，主要研究开放式智能空间中的情景感知系统及预测 推理研究。开放式智能空间由于充分考虑了移动设备的移动性，而其中的情景感 知系统又可以为客户提供智能推荐等信息服务，因此该领域将成为移动商务发展 的重要趋势之一，对我国移动商务及移动互联网的发展具有重要意义。 1 2 课题意义 本文通过研读并总结前人在智能空间及情景感知领域的研究成果及科研实 践，从开放式智能空间这一前沿领域入手研究情景感知系统及预测推理模型，具 备深刻的学术价值与实践意义。 ( 一) 理论价值 研究开放式智能空间中的情景感知系统及预测推理模型，从理论上填补了日 2 北京邮电人学硕l j 学位论文 智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 前国内在该领域内的研究空白，具体理论价值有以下几个方面： ( 1 ) 深入探讨智能空间发展的第二阶段开放式智能空间中的情景感知 系统特性，在考虑该阶段智能空间中移动设备的移动性、用户使用业务的延展性 的同时，提出了开放式智能空间中情景感知系统框架，其中涵盖情景子系统、用 户子系统、服务子系统、预测推理引擎这四大模块，从理论层面上构建了该领域 研究中的基本系统框架，为后续研究搭建了理论基础。 ( 2 ) 通过总结前人在智能空间及情景感知领域的研究成果，结合开放式智 能空间的移动性，提出该领域内情景感知研究所必须考虑的三大因素：时间、位 置、业务，并对于情景感知系统中的这三类因素进行了特性研究，为情景感知领 域的特性研究做出了理论贡献。 ( 3 ) 对传统n g r a m 预测算法进行了改进与创新，同时将三维序列引入该 算法，结合各个维度的不同特性对算法提出改进，并比较了不同改进算法之间的 优劣性及适用范围，将传统n g r a m 预测算法的应用领域扩大到了情景感知的预 测模型中。 ( - - ) 应用价值 开放式智能空间的应用领域广泛，由于其较独立智能空间增加了移动特性， 具体可以应用到移动商务领域、公共事业领域及商业领域。 ( 1 ) 移动商务领域：将情景感知应用到移动商务中，将用户的外部环境和 自身需求的变化考虑进来，由此向用户提供个性化的服务。由于普通的移动商务 只是将移动性作为移动商务唯一特征，通过移动网络通道实现互联网的服务，此 种移动商务只是网络应用的扩展，不能完全体现移动终端的特有属性。情景感知 则不同于普通移动商务，在考虑移动性的基础上，还考虑情景的变化特性，这样 就更能满足用户的精确需求。具体表现在： 节省时间成本，提供更多便利。情景感知在得到用户的同意或者授权的情 况下，根据用户设定的需求、其所处环境的变化来提供给用户合适的服务。这样 就不需要用户本身在需要某种需求的时候再去查找相关的信息。例如，一个人去 c 城市旅游，没有情景感知服务的话，他就需要提前查找c 市好玩的地方、住宿、 就餐等等信息，而且这些信息比较分散，查找需要大量的时间，而且还不一定查 到他所需要的准确信息。如果有情景感知，这些前期的查找工作就可以省去，只 要将自己的手机设置到旅游模式状态，运营商就会根据你的个人喜好提供详尽的 服务，当你到达c 市时，根据你的位置、个人习惯、消费意愿等等提供相关信 息。这样大大节省了你的时间成本，而且还能得到自己最想得到的信息，给用户 提供了极大的方便。 提供用户个性化服务。个性化服务就是根据用户个人的需求来提供服务。 北京邮i 江人学硕i ：学位论义 智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 用户个人需求的判断和预测就非常的重要。如何来解决这个问题呢? 这就需要用 户详尽的个人信息。但是光有这些信息还是不够的，因为需求有可能会随着环境 的变化而变化，还得进一步考虑用户所处的情景信息。情景感知正是考虑了用户 所处情景的变化，且通过用户的个人信息和以前的消费习惯预测出用户在处于不 同情景下的不同需求，同时提供给用户个性化服务，更好的满足用户的需求。 改变人们的生活习惯。现在我们的社会处于一个信息大爆炸的时代。信息 量非常大，这肯定较以前没有互联网时信息匮乏好，但同时又产生了一个新的问 题：得到自己想要的信息的难度也随之增加。假如你想晚上出去吃饭，大街上饭 店非常多，你也不知道去哪家好，为了吃的舒心，在这之前，你可能会通过网上 去查找相关的信息，通过你的喜好再决定去哪儿吃，这就是现在人们的生活习惯： 先查再判断然后行动。情景感知服务需要对大量的信息进行整合，然后根据用户 的个人信息和情景提供最贴心的服务。这样人们就可以省去查找的阶段，甚至连 判断都省去了，直接行动就可以了，人们的生活习惯由此发生了改变。 ( 2 ) 公共事业领域：主要体现在求助、提醒、劝诫方面，相当于现在1 1 0 、 1 1 9 等，但功能比它强大的多。现在的1 1 0 、1 1 9 等应急处理系统是处在危险中 的人通过电话发出求救信号，一种被动的等待帮助，不能起到提醒和先期防止危 险发生的作用，而且还需要求救者说出自己所在的准确地点和情况，但现实中人 们有可能不能非常准确的说出地点，这样对救援会产生极大的消极影响。如果把 情景感知应用到这些系统中，不仅对求救者还是对求援组织都会起到非常有利的 帮助。当一个人处于危险中，需要帮助时，他只需拨通1 l o ，说明他出了什么情 况即可，警方立即可以强制开通情景感知服务，得到求救者的精确位置，以及周 围的环境状况，如果求救者在不停的移动，还可以随时跟踪。这些详尽的信息对 实施成功的紧急求援起到决定性的作用。警方还可以在一些经常出事的地方时时 监控。比如，a 城市的一条河是自杀高危地区，警方就可以时时监控这个区域， 给这个区域的手机发去提示安全的信息，根据在此处所呆的时间和时长进行必要 的劝诫和交流。比如发现有人晚上1 0 点钟在河边不动的呆了1 个小时，先提醒， 如果不行就进行心理谈话，同时派人去查看，这样就可以预防像自杀等现象的出 现。 ( 3 ) 商业应用领域：可以实现精确化营销。对于企业来说，营销就是向目 标客户宣传自己的产品或服务，以便有需求的人购买或者使用。但是企业只能泛 泛的确定自己产品或服务的目标用户群，不能精确自己的目标用户，所以在营销 上他们得花大量的金钱去做宣传，这样就浪费了很多不必要的宣传费。对于用户 来说，现在的产品名目繁多，想找到自己中意的产品或者服务也较困难，而事实 上他们也并不反感他们中意的广告宣传。情景感知可以根据用户的个人需求提供 4 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文智能空问中情景感知的系统模型及预测研究 个性化服务，所以他对用户的需求了如指掌。如果对企业的产品和服务信息进行 整合后，根据用户的个人需求提供精确化营销，可以使企业、用户和商家都实现 共赢。 1 3 研究内容与方法 ( 一) 研究内容 本文的主要研究内容框架见图卜2 ： 第三章系统模型研究 系统研究 ( 情景子系统、用户子系统、 服务子系统、预测推理引擎) 上 第第五章发展建议第四章预测模型研究 王 、 章政 产学预算 总 府业术 测法算 结 政发研算应法 与 策展究法 用评 层层层创不价 展面 面面新例 望 图1 - 2 研究内容框架图 目前，国内外很多研究机构均对智能空间及情景感知开展了理论及实践研 究，但是对于智能空间第二阶段充分考虑移动设备的开放式智能空间研究甚 少，对于开放式智能空间的系统架构也没有明确的规划。此外，在开放式智能空 间中的情景感知研究中，对于其中关键因素的把握不够明晰，由此引发的在情景 感知预测推理机制中也仅仅是基于位置的单维度预测或位置+ 业务的双维度预 测，难以满足人们日益增长的需求。 5 智能守问中情景感知的系统模 l ! ! 及顶测研究 及情景感知领域的研究成果及科研实 提出开放式智能空间中情景感知系统 框架，并结合开放式智能空间的特性，提出该领域内情景感知研究所必须考虑的 三大因素：时间、位置、业务，并对于情景感知系统中的这三类因素进行了特性 研究。随后，将时间+ 位置+ 业务的三维序列引入到预测推理机制中，对传统的 n g r a m 预测模型进行了改进与创新，以使其适用于情景感知环境。通过改进后 的预测模型有效地预测用户行为趋势，以期通过最优化的方式使用户需求与其所 处的环境资源相匹配，既期望能从用户视角获得更加丰富的信息体验，又期望能 对运营商有所帮助，对理论研究及商业实践均具有积极意义。 ( 二) 研究方法 本课题涉及普适计算、情景感知、预测推理、算法研究、行为科学等多个交 叉领域的研究，是一个综合性、跨学科的课题，研究方法既注重理论的创新，也 强调成果的实用性，具体包括： ( 1 ) 文献综述( 1 i t e r a t u r er e v i e w ) ：文献资料的归纳与总结对于任何一个领域 的课题研究都是非常重要的，因为只有通过文献探讨才能提出一个值得研究的课 题，并在总结前人研究成果的基础上界定自己想要进行研究的问题。文献综述是 分析问题、理论推导以及创新的基础。本文作者通过阅读大量相关的研究文献与 资料，吸收前人的研究成果及实践结论； ( 2 ) 模型创新：在现有对情景感知、智能预测研究基础上，继续跟踪这些 技术在情景感知服务方面新的发展与创新。利用目前在用户行为序列预测中比较 成熟的n g r a m 模型，改进成为适宜情景感知服务的预测模型； ( 3 ) 系统构建：综合考虑开放式智能空间与情景感知的特性与研究需求， 提出开放式智能空间中情景感知系统框架，其中涵盖情景子系统、用户子系统、 服务子系统、预测推理引擎这四大模块。 ( 4 ) 算法应用示例：由于本文所研究的领域在国内外尚无实际应用的环境 与数据，因此在改进算法研究中，通过模拟数据示例两个改进算法的使用，并从 中提出两个算法各自的优劣势和适用范围。 1 4 论文创新点 本文研究的是当前学术界前沿领域开放式智能空间中情景感知系统及预测 推理研究，主要创新点如下： ( 1 ) 在研读并总结前人在智能空间及情景感知领域的研究成果及科研实践 6 北京邮l 乜人学硕一 ：学位论文 智能空间中情景感知的系统模型及预测研究 的基础是，综合考虑开放式智能空间与情景感知的特性与研究需求，提出开放式 智能空间中情景感知系统框架，其中涵盖情景子系统、用户子系统、服务子系统、 预测推理引擎这四大模块。 ( 2 ) 通过总结前人在智能空间及情景感知领域的研究成果，结合开放式智 能空间的特性，提出该领域内情景感知研究所必须考虑的三大因素：时间、位置、 业务，并对于情景感知系统中的这三类因素进行了特性研究。 ( 3 ) 将自然语言中的n 语言模型应用到情景感知的客户行为预测研究中， 综合分析情景感知中的位置、时间和业务需求信息，通过改进n g r a m 预测算法 结合三个维度对用户的移动序列接入模式进行了更为准确的预测。针对时间维度 的预测提出两种不同的改进算法，使其能分别适应于不同的预测需求，并从预测 效率、预测精度等方面比较二者的优劣势及适用范围。 7 北京i l l g i ! 1 1 人学硕i ：学位论文智能窄问中情景感知的系统模型及顶测研究 第二章智能空间中情景感知研究综述 2 1 智能空间研究综述 2 1 1 智能空间简介 智能空间( s m a r ts p a c e ) 系统是普适计算的典型应用实例，按照美国国家标 准技术学会( n i s t ) 的定义【5 】，智能空间是“一个嵌入了计算、信息设备和传感 器的工作空间，其目的是使得用户能够非常方便地在其中访问信息和获取计算机 的服务来高效地进行单独工作与其他人的协作 。 智能空间就是将计算机融入我们日常生活环境中，人们可以在智能空间中连 续地与许多无线网连接的计算机相交互。智能空间中通过嵌入计算设备，可在其 中对信息进行记录，传输，存储和以各种有效的方式重新应用。用户可以在智能 空间中随意移动，而智能空间为用户提供丰富的信息服务。 2 1 1 1 智能空间的特点 智能空间是一个分布式系统。由于单台计算机计算资源的限制以及多物理集 成的要求，计算能力将被分散到各种设备，并嵌入到智能空间的物理环境中，通 过这些模块的协作来完成整个系统的功能。但是智能空间与其他分布式系统相 比，又有其独特性。它所需要面对的一些问题在传统同分布式计算领域并不曾出 现或不突出，它具有如下特点【6 】： ( 1 ) 设备形态的异质性 智能空间中由于大量移动设备、嵌入式设备的存在，计算设备异质性将是一 个突出的问题。相对传统分布式系统中的计算节点一般是桌面计算机或服务器而 言，手持、嵌入设备的资源相对较少，这就限制了许多功能复杂、资源消耗大的 分布式计算平台的应用，而必须研究一些轻量级的系统平台。 ( 2 ) 系统的动态性 智能空间系统的动态性包括组成的动态性和结构的动态性。组成的动态性是 指系统包含的模块，如包含哪些设备、哪些软件实体，是经常变化的。结构动态 性是指系统各模块之间的关联关系是经常变化的。 传统分布式系统的组成和结构是相对固定的，或者说其变化的周期较长，所 8 北京邮电人学硕l ：学位论文 以系统中可能存在的模块和模块之间的关联关系一般是各模块的开发人员可以 预期的。相对来说，一个智能空间系统的组成和结构都是十分动态的，而且各种 可能的模块之间的关联的建立，往往不是开发人员实现可以完全预计的。从较长 时间尺度上说，用户可以不断的购买新设备布置到空间中，另外新应用也会不断 的实施，而这些设备和应用应该能无缝的和原有的设备及应用互相操作。可以设 想在一个智能家居中，当用户新买了一台微波炉，这个微波炉可以自动的利用家 里原有的打印机来打印菜谱。从短时间尺度上说，用户进出一个空间时，所携带 的手持设备与环境基础设施中相关设备的关联也是随之建立和撤销。智能空间的 这种动态性从本质上说是由于智能空间是与人们生活、工作的物理空间绑定的， 而物理空间又不可避免的呈现出动态性所带来的。 ( 3 ) 交互的自发性 因动态性而来的智能空间系统的另外一个特征则是交互的自发性。如果智能 空间中各种动态的关联必须由用户自己来建立的话，将需要耗费用户许多的精 力，而这却是与智能空间的对用户注意力透明的目标背道相驰的。所以我们希望 智能空间包含的各个模块应该具有自发的建立关联并交互的能力。在上面的微波 炉的例子中，微波炉和打印机的关联就应当是自发建立的，即无需用户在微波炉 上配置打印机的信息。同样，当一个用户的p d a 进入一个智能空间时，这个p d a 应该能自动的发现房问内有一个键盘并与之建立关联，从而使用户可以通过这个 键盘进行更方便的文字输入。与此相对的是传统分布式系统中，不同模块之间的 关联往往是由用户自己建立的。比如在w w w 系统中，一个b r o w s e r 和一个w w w 服务器的关联是由用户通过键入一个u r l 来自己建立的。 ( 4 ) 系统的异构性与整合性 传统分布式系统的各个组成部分往往都具有一个共同的或相近的领域背景， 比如一个电子商务系统，其各个组成部分一般都是属于商务逻辑领域的。而智能 空间系统的组成部分则多来自许多不同领域背景。比如对于一个智能教室，来自 远程教育、语音识别、人脸识别、手势识别等不同领域多种模块都需要互相协作。 整合性的另外一层意思是指智能空间系统的开发往往基于许多遗留程序，它们事 先并不是根据需要相互操作的目的来设计的。这种跨领域、以及包容遗留代码的 整合性对软件平台提供给开发人员的抽象模型提出了更高的要求，这个模型的好 坏直接关系到系统整合的难度。 从普适计算的角度看，智能空间是一类集成化的系统，因此可以作为普适计 算的实验床，同时它也具有十分重要的应用价值，在供应链、环境监测、休闲体 验、卫生保健、智能交通、机器人等领域显示出广泛的应用前景【7 1 。 9 北京邮l 【1 人学硕f ：学位论文 智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 2 1 1 2 智能空间的功能 美国国家标准和技术研究院( n i s t ) 给出的智能空间具备的功能和为用户提 供的服务包括如下内容【8 】： ( 1 ) 能识别和感知用户以及他们的动作和目的，理解和预测用户在完成任务 过程中的需要； ( 2 ) 用户携带的移动设备可以无缝地与智能空间的基础设施进行交互； ( 3 ) 用户能方便地与各种信息源进行交互； ( 4 ) 提供丰富的信息显示； ( 5 ) 支持空间中多人的协同工作以及与远程用户的沉浸式协同工作； ( 6 ) 提供对发生在智能空间中的经历的记录，以便在以后检索回放。 2 1 1 3 智能空间的主要组成部分 ( 一) 硬件设备 智能空间中包含有大量作为接口的硬件设备，根据用途可大致分为两大类： ( 1 ) 用来维持系统正常运行的系统设备，主要包括：获取现实物理世界中的 环境参数( 如图像、声音、温度等) 的设备，如传感器节点、照相机、麦克风等： 分析环境参数以便捕获信息的处理器；基于推理信息做出相应预测的执行器，如 扬声器、放映机、机器人等；能量供应设备，如电池、电力装置等； ( 2 ) 用来提供日常服务的用户设备，主要包括：传统的输入输出设备，如鼠 标、键盘、发光二极管等；方便用户在任何时间任何地点与智能空间进行交互的 无线移动设备，如寻呼机、p d a 、手机、掌上电脑等；带有自适应性的智能设备， 如智能家具、生物传感器、机器人等。 需要说明的是，这两大类设备之间并非严格区分的，有的设备可以同时归为 系统设备和用户设备，如机器人、生物传感器等。 智能空间中的设备大都需要将嵌入式的处理器和各种功能模块( 如供电、传 感、通信、计算等多种功能) 集成在一起，从而对硬件设备提出了新的和更高的 要求【9 】： ， ( 1 ) 具有很强的硬件通信、信息处理、存储能力； ( 2 ) 为设备提供充足的能量，同时要求芯片节能； ( 3 ) 要求设备尺寸多样化、重量轻型化、功耗微小化、成本廉价化； ( 4 ) 要求用户界面易于表达情感、能与用户方便地交流。 ( 二) 普适网络 智能空间的一个明显特点是用普适网络来连接物理世界。作为一种普遍互连 的环境，智能空间包含计算机以及各种物体之间以不同方式产生的相互连接。智 1 0 北京邮电人学硕f ：学位论文 智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 能空间的网络环境包含互联网、自组织网络、无线传感网络等不同类型的网络。 普适网络是以多种无线网和移动网接入互联网而实现的异构集成网络，可视 为由用户、物理世界中的感知器、嵌入计算设备、系统提供的服务这四部分共同 协作所构成的空间，具有移动性、多样性、间歇通信、提供动态性和暂时性服务 等特点。普适网络支持异构网络环境和多种设备的自动互连，能感知物理的传感 节点和设备，其运作过程可以看作是嵌入计算资源、利用感知器的感知结果，通 过计算使得用户获得系统所提供的无所不在的通信服务的过程【1 0 。2 1 。要在智能空 间中构建一个安全、保密、可信任的普适网络，应具备如下要求： ( 1 ) 为访问网络资源提供安全、专用、可鉴别的机制； ( 2 ) 在没有手动配置和管理的情况下，提供自动的资源和位置发现； ( 3 ) 能自动构建合作区域，产生可适应流动和变化的拓扑结构； ( 4 ) 对网络状况( 如网络拥塞、无线传输误差等) 和环境的动态变化具有适 应性。 当前普适网络的研究主要集中在无线网络、移动网络、自组织网、无线传感 器网络等方面。 ( 三) 系统软件 系统软件的作用是对智能空间中大量的物体、信息设备、计算实体等进行管 理，为它们之间的数据交换、信息交互、服务发现、任务协调、任务迁移等提供 系统级的支持。 与传统分布式的系统软件不同，智能空间中的系统软件主要有两个基本特 点：物理集成和自发互操作【1 3 】。智能空间环境具有资源有限性、任务动态性、 设备异质性等特点，从而要求系统软件具有较强的适应性和自适应性，这主要表 现为：一方面，在不中断服务和最小限度的人为干预的情况下，要求系统软件能 够适应用户、环境、故障等；另一方面，要求系统软件应当具备可修改性，能被 更新升级以满足用户需要。系统软件还需要解决设备与服务之间的发现、协作计 算、有限资源下通信等同题，从而建立有效的模块间协调机制，实现对物理实体 的管理，保证系统的鲁棒性和安全性掣1 4 1 6 】。 2 1 2 智能空间的发展阶段 智能空间要经历三个不同的发展阶段：独立智能空间、开放式智能空间和智 能社区。第一阶段是以建立具有智能接口的人机交互空间为目的，对象是相对独 立的智能空间，该阶段强调的是空间内软件模块的通信与协调机制；第二阶段则 同时考虑普适网络中广泛存在的移动设备，它们随着用户移动，能够发现周围智 能空间的存在，并自发地利用空间中的资源和服务来完成用户的任务；第三阶段 北京邮f 【1 人学硕i j 学位论文 智能中问中情景感知的系统模型及预测研究 则是考虑了整个普适计算环境，需要研究跨空间的交互以及情景信息、情景知识 的共享等问题。 多计算节点协作、 ( 通信模式、协调模型) l 燃瑟潞 ( 实物用户接口、传感 尘矣婴 器、多模态感知与融合) f 召丹芭芏1 日j 持久性和透明性l ( 松散耦合、模块转移) j 自适应的情景感知 ( 资源管理、服务发现 移动代理、异构通信) 开放的 智能空间 智能空问之间的层次组织 智能空间之问的资源管理 智能社区的服务模式 _ ， 图2 - 1 智能空间的发展阶段 智能 社区 独立智能空间系统是智能空间的第一个阶段。在这个阶段中，其主要的研究 内容是空间内模块的通信与协调、自然的人机交互接口，同时还要求系统具有持 久性以及透明性等特点。为了支持模块之间的协调，人们研究了协调模型、多 a g e n t 系统等，构筑智能空间的软件支撑平台，并应用大量可触摸接口、传感器 以及感知模块，来获得更友好的人机交互能力【1 1 7 1 。松散耦合结构的应用系统提 高了系统的持久性，而嵌入式技术的应用则使得计算设备能够退到环境中去，并 从人们的视线中消失。 智能空间发展的第二个发展阶段是开放的智能空间( o s s ) ，要同时关注大量 的移动设备。移动设备随着用户在空间中漫游，它们能发现计算环境的变化，同 时自发地与计算环境发生交互。这个阶段需要研究的问题主要涉及计算环境的发 现、异构通信的互通、资源管理、情景信息的挖掘与应用等技术问题【l 引。 智能空间作为普适计算的重要运用，如智能会议室、智能教室、能照料老人 的智能家居等，它们将极大地改变人们未来的生活方式，使人们的学习、生活变 得更加美好，工作效率大大提高。例如，数字家庭能够通过家庭网关将宽带网络 接入家庭，家庭内部的网络可以是无线的或有线的。在家庭内部，手持设备、p c 或者家用电器可以通过有线或者无线的方式连接到网络，从而形成了一个无缝、 交互和普适计算的网络环境。由于智能空间是一类集成化的普适系统，因此常被 1 2 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文智能窄问中情景感知的系统模型及预测研究 用作普适计算研究的实验床【l 睨。智能空间有不同的表现形式，家庭、办公室、 会议室、体育场馆等都可以使智能空间的表现形式，甚至可以扩展到全球【2 2 , 2 3 。 智能空间所应具备的功能和应当向用户提供的功能包括：设备服务的智能提 供及管理；向用户提供良好的人机界面；能感知并理解用户的行为和目的；提供 记录系统行为的日志功能。智能空间的应用价值可以直接体现为其所服务的对 象，比如智能家庭直接可以用于家庭物理环境的监测，进而为人们提供舒适的物 理环境，甚至可以进行老人的智能监护等。同时，智能空间的一个重要特性就是 游牧