（计算机系统结构专业论文）一种轻量级觉察上下文软件体系结构的研究.pdf

摘要 普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 致力于将计算技术融入人们的日常生活中， 将由计算和通信结点及系统组成的计算空间与人类生活的物理空间无缝集成为 和谐的人机交互信息环境。从技术上来说，这就要求普适计算软件对环境信息具 有高度的可觉察性，人机交互更自然化，设备和软件的自适应性能力更强。普适 计算的研究涵盖了中间件、移动计算、人机交互、嵌入式技术、传感器、网络技 术等子领域，其最重要的分支为觉察上下文计算( c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ) ，即 计算机系统能够获取地点、时间、气候、用户行为等周围环境的信息，并根据这 些信息动态自动调整其行为，使得用户可跳出传统人机交互方式导致的控制循 环，上升为只需作出关键决定的系统监控者。觉察上下文计算思想虽源来已久， 然而仍是一个开放领域，存在许多令人感兴趣的挑战：例如觉察计算的软件体系 结构、上下文信息的有效获取、表达和认知；应用程序如何自适应上下文的变化； 系统安全性等等。随着普适计算的兴起，觉察上下文计算目前已成为计算机领域 研究热点之一 本文以一种特定的面向服务的体系结构s o a ( s e r v i c c o r i e m e d a r c h i t e c t u r e ) o s g i ( o p e n s e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 服务平台为基础，为相对封闭的普适环 境星型智能空间，研究一种轻量级的、适用于嵌入式设备的觉察上下文软件 体系结构l c a s o a ( i j g h t w e i g h tc o n t e x t - a w a r es e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 。 本文在理论和实践方面所开展的主要工作和创新为： ( 1 ) 提出了基于主体的上下文模式和上下文表示语言c p l ( c o n t e x t f a i r l a n g u a g e ) ，c l 用于上下文的获取、表达、存储和推理。 ( 2 ) 研究目标驱动的觉察上下文计算，采用目标表达用户意图，研究目标 表示、语义、解析的方法和技术。目标分为两种：抽象的高层目标，以及表示高 层目标解析结果的子目标和原子目标。一系列的原子目标构成实现用户意图的规 划，在运行期，基于r e t e 算法的产生式推理机根据运行环境的上下文，将高层 目标解析为规划，并触发原予目标，使之动作得以执行，从而实现用户意图。 ( 3 ) l c a s o a 利用目标驱动和s o a 对应用程序的开发者屏蔽普适计算执 行环境的复杂性，目标驱动也为解决s o a 中的服务复用( s e r v i c ec o m p o s i t i o n ) l h l 题提供了一种便捷的手段。同时，本文也研究了o s g i 中的服务依赖关系、服务 部署及服务缓冲管理等问题，以此为基础扩展了o s g i 。 ( 4 ) 在以上技术的基础上，提出了一种目标驱动的普适a g e n t 的模式。a g e n t 的核心为目标规划器。s o a 的松耦合服务协作和动态绑定机制，以及l c a s o a 的动态服务缓冲模式为a g e n t 的互协作、通信、移动提供了简单高效的手段。 ( 5 ) 建立了l c a s o a 原型系统及演示性的汽车信息平台，并进行了试验， 验证了l c a s o a 的可行性和有效性。 关键字：觉察上下文，目标驱动，面向服务的体系结构，普适a g e n t ，o s g i ， 汽车信息平台，普适计算，产生式，嵌入式系统 中图分类号：t p 3 1 1 a b s t r a c t a b s t r a c t p e r v a s i v ec o m p u t i n ga i m st od e e p l ye m b e dc o m p u t e r si nd e v i c e sr o u n d i n g h u m a n ah a r m o n i o u sh u m a n - c o m p u t e rs p a c ei se m e r g i n ga l o n gw i t ht h es e a m l e s s c o n v e r g e n c eo fi n f o r m a t i o ns p a c ea n dt h er e a lw o r l d t h ev i s i o ni sd e p e n d e do ns o m e t e c h n i q u e ss u c ha sh i g hs e n s i t i v i t yo f p e r v a s i v es o f t w a r et oe n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o n , n a t u r ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r , a sw e l la sa u t o c o n f i g u r a t i o na n d a d a p t a t i o no fs o f t w a r ea n dd e v i c e s m a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha sm i d d l e w a r e ，m o b i l e c o m p u t i n g ，i n t e r a c t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，s e n s o ra n dn e t w o r ka r eu s e db yr e s e a r c h e r i np e r v a s i v ec o m p u t i n ga r e a o n eo f m o s ti m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no f p e r v a s i v e c o m p u t i n gi sc o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g , i e c o m p u t i n gs y s t e ms h o u l da d a p ti t s b e h a v i o r si nr e a lt i m ed e p e n d i n go ni t sc o n t e x ta n du s e f sn e e d s i nt h i sc a s e 。u s e r n e e dn o to p e r a t ec o m p u t e ra n ym o r e ，w h e r e a sh es u p e r v i s ec o m p u t e rs y s t e mw h i c h m a yw a n ta c r i t i c a li n s t r u c t i o nf r o mh u m a ni ns o m et i m e s i nt h ee a r l y9 0 t ho fl a s t c e n t u r y , s h i l i ta n dt h e i m e rp r o p o s e dt h ef i r s tc o n t e x t - a w a r es y s t e mf o l l o w e db y m a n yi n t e r e s t i n gr e s e a r c hw o r ki nt h i st o p i c n o wi ti ss t i l la no p e na n da t t r a c t i v ea r e a i tp o s e su n i q u ec h a l l e n g e st or e s e a r c h e r s t h em o s ti m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u l c h a l l e n g ei st od e v e l o pa d a p t a b l ec o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o n b a s e do no p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v es e r v i c ep l a t f o r m ，al i g h t w e i g h t s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e , t h et h e s i sd e v e l o p san o v e ll i g h t w e i g h tc o n t e x t a w a r e a r c h i t e c t u r el c a s o af o rc r e a t i n ge m b e d d e ds y s t e mi nar e l a t i v e l yc l o s e dp e r v a s i v e e n v i r o n m e n t s t a r - l i k ei n t e l l i g e n ts p a c e f i r s t l y , a ns u b j e c t - b a s e dc o n t e x t m o d e la n dac o n t e x tp a i rl a n g u a g ea r e p r o p o s e dt os u p p o r tc o n t e x ta c q u i s i t i o n , r e p r e s e n t a t i o n , s a v i n ga n dr e a s o n i n g s e c o n d l y , i nt h i st h e s i s ，b s c rd e l e g a t e sg d a l st og u i d et h ea u t o m a t i ca s s e m b l yo f ac o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o nf r o ms e r v i c ec o m p o n e n t so nt h ef l y r e t e b a s e d p r o d u c t i o nr e a s o n i n ge n g i n er e s o l v e sah i g h l e v e lg o a lb ya s e to fa t o m i cg o a l sd u r i n g t h er u n - t i m e a t o m i cg o a li sap r o d u c t i o nm l ew h i c h 啪i n v o k es e r v i c em e t h o d s d i r e c t l y t h i r d l y , s e a h e l pl c a s o a h i d et h ec o m p l e x i t yo f e x e c u t i v ee n v i r o n m e n tt o a p p l i c a t i o nd e v e l o p e r o nt h eo t h e rh i d e , g o a l - d r i v e nm o d e lc r e a t eap o w e r f u ls o l u t i o n f o rs e r v i c ec o m p o s i t i o n t h i st h e s i sa l s ow o r k so nt h eo t h e ri s s u e so fo s g is u c ha s s e r v i c ed e p e n d e n c e ，a u t o m a t i cs e r v i c ed e p l o y m e n ta n ds e r v i c ec a c h em a n a g e m e n t f o m t b l y , ag o a l d r i v e nu b i q u i t o u sa g e n tm o d e i sp r o p o s e d t h eh e a r to fa r t a g c n ti sag o a lp l a n n e r l o o 靶- c o u p l e ds e r v i c ec o l l a b o r a t i o na n dd y n a m i cs e r v i c e b i n d i n gs u p p o r tm o b i l ea g e n ta n da g e n tc o l l a b o r a t i o na n di n t e r t o m m u n i c a f i o n f i n a l l y , ap r o t o t y p ef o r t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o np l a t f o r mi sd e v e l o p e dt o d e m o n s t r a t et h el c a s o a su s e f u l n e s s k e y w o r d s ：c o n t e x t - a w a r e n e s s ，g o a l - d r i v e n , s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ， u b i q u i t o u sa g e n t ，o s 6 i ，v e h i c l ei n f o r m a t i o np l a t f o r m ，p e r v a s i v ec o m p u t i n g , p r o d u c t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m - v i i i - 图目录 图表目录 图2 1d y n a m i t e 系统的体系结构。 图2 2g a i a 系统的体系结构。 图2 30 2 s 系统的体系结构。 图2 4 a u r a 客户端的体系结构。 图2 5c o b r a 系统的体系结构 图3 1c p l 语法 图3 2l c a s o a 上下文处理的层次化模型 图3 3l c a s o a 上下文处理子系统的软件体系结构 图4 1l c a s o a 目标驱动系统的软件体系结构 图4 2 高层目标达成的处理流程图 图4 3 p j s 语法 图5 1l c a u a 的软件体系结构 图5 2l c a s o a 对l c a u a 移动的支持 图6 1o s g i 的体系结构 图6 2o s g ib u n d l e 的生命周期 图6 3 d o s c 的系统结构 9 1 0 1 3 2 5 2 6 2 9 4 0 4 9 图6 4 三种服务缓存替换算法的失效率比较。 图7 1l c a s o a 原型系统的总体结构 图7 2 基于l c a s o a 的汽车信息平台组成 图7 3 汽车信息平台采用的硬件t o t a l 5 2 0 0 图7 4 异常报警目标树 图7 5 异常报警高层目标达成过程输出的l o g 信息 图7 6l c a s o a 推理机性能 图8 1l c a s o a 系统的层次模型。 表目录 8 0 8 4 8 6 9 1 9 1 9 5 9 6 表2 1 几种和本文内容相关的觉察上下文体系结构的比较1 4 表3 1l c a s o a 中的上下文 表7 1l c a s o a 推理机对斐波纳契数列求和的试验数据。9 8 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特剐加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研觅成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：鱼醴日期：翅丞：星 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保露 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：叠盈出 导师签名： 澎1 乏 曰期：! z ! ：堕 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景与意义 1 1 1 第三代计算模式普适计算 不识庐山真萄目 只缘身在鲍山中 一苏轼 1 9 8 4 年，东京大学坂村健教授提出“计算机在任何一个地方都可以存在，尤其 是在从周围的物品上给我们提供所需要的信息”的思想 s a k a 0 4 。1 9 8 8 年，以m a r k w e i s e r 为首的x e r o x 公司p a r c 计算机科学实验室( c s l ) 提出了“u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ”( 泛在计算) 的概念，强调把计算机嵌入到环境或日常工具中去，让计算 机本身从人们的视线中消失。让人们注意的中心回归到要完成的任务本身，成为空 气、水、电这样的生活必需品 w e i s 9 1 1 。后来研究者又称泛在计算为普适计算 ( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 。普适计算的目标是各种计算机设备能够随时随地透明地为 用户提供不间断的服务，该目标具有以下几个方面的含义：首先指计算服务在时间 上的连续性；其次为计算服务在空间上的连续性；第三指计算及信息载体的多样性 及连续性；第四指享受服务用户之间的平等性；最后指计算空间和物理空间的统一 性。 随着嵌入式系统、传感器、无线通信和分布式计算技术的进步，普适计算的实 现条件越来越成熟，而且随着近来个人拥有计算机数量( 从可移动设备到个人消费 电子设备) 迅猛增长，普适计算的概念得到了更多的认可。普遍认为，耳前计算模 式经历了第一代的大型机计算( f r a m e w o r kc o m p u t i n g ) 模式和第二代的个人计算机 ( p e r s o n a lc o m p u t i n g ) 计算模式，正进入第三代计算模式即普适计算的新阶段。以 1 9 9 9 年和2 0 0 0 年开始的u b i c o m p 国际会议和p e r v a s i v ec o m p u t i n g 国际会议、2 0 0 2 年i e e ep e r v a s i v ec o m p u t i n g 期刊的创刊为标志，普适计算已经成为成为一个极具 活力和影响力的研究领域。同期，一些主要大学和工业界相继出现了各种普适计算 的研究项目。例如，m i t 的o x y g e n m i t 0 4 、c m u 的a u r a a u r a 0 2 、i l l i n o i s 大学 的g a i a r o m a n 0 0 、h p 的c o o l t o w n c a s 0 0 、m i c r o s o f t 的e a s y l i v i n g b r u 0 0 、欧盟 资助的d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r s a l z 0 0 、国内清华大学的s m a r t c l a s s r o o m x i e 0 1 等。 第1 章绪论 目前普适计算还处于探索阶段，要提出一套完整的技术还为时尚早，普适计算仍然 有巨大研究空间可供探索开拓。 普适计算牵涉到一系列重大的计算机科学思想和技术的变革，为缩小问题空间 的规模，研究者往往取智能空间作为研究对象，其目的是使用户能够方便地访问信 息和获得计算机的服务，进而高效地实现个人目标和与他人协同工作 r o s e n 0 0 。智 能空间是指一个嵌入了计算机、信息设备和多模态的传感器的相对封闭空间，是特 定的一个区域，例如以家庭、办公室、教室、超市或机场等离散环境。通过将计算 设施嵌入建筑设施，构成一个智能空间，使计算设施和建筑设施两者融合在一起， 以此为基础，逐步实现互连并扩大至全球 s t r e i 9 8 ，j o h a n 0 2 。 1 1 2 普适计算软件体系结构的关键技术 实现普适计算的基本条件是计算设备越来越小巧，便于人们随时随地佩带和使 用；计算设备普遍的网络化：以及软件的深度嵌入化。在计算设备及信息无时不在、 无所不在的条件下，普适计算才有可能实现。因此，普适计算环境的特点是设备的 异构性和多样性，以及组成、结构和使用者的易变化性，这就为系统软件体系结构 ( s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) 技术提出了极大的挑战，需解决以下关键技术问题：设备和服 务发现、自适应性、对物理实体的管理、模块间协调机制、鲁棒性、安全性等等 f x u 0 3 ，u 0 5 。具体而言，普适计算软件体系结构的设计目标一般有以下几个方面： ( 1 ) 感知用户意图。 用户意图感知是指允许用户在普适计算环境直接用意图来描述所需要的服务 和软件对象。对用户意图的感知是增强普适计算应用程序适应性的基础，也是实现 为用户提供透明服务的前提。感知用户意图是普适计算技术的重要研究内容。 ( 2 ) 屏蔽设备和应用程序执行环境的复杂性。 普适计算涉及大量动态变化的、异构的嵌入式计算设备和网络，普适计算应用 程序开发者往往难于掌握，因此，普适计算软件体系结构需提供某种机制，以便实 现屏蔽智能空间中设备和应用程序执行环境的复杂性。可采取的措施一般包括通过 定义各种规范的应用程序接口服务以及采用类似j a v a 的虚拟机技术等，例如 a m u n t r u m 0 4 ( 3 ) 提供动态的觉察上下文机制。 普适计算提供一种蕴涵式交互方式，即普适系统能觉察在当时的情景中与交互 的任务有关的上下文，并据此做出决策，自适应地提供所需要的服务。在普适计算 模式下复杂的上下文将随任务及背景情况而动态变化。这就要求软件体系机构提供 满足可靠和实时上下文获取、发现、识别、表示、存储和推理的机制。 ( 4 ) 支持应用程序的移动 第1 章绪论 用户、普适计算设备和普适计算应用程序的移动性或者可迁移性是普适计算应 用程序的一种重要特性，其目标是满足用户不间断地使用应用程序服务的要求。一 般可以通过提供一种将应用程序状态及所涉及的数据与应用程序实际运行环境相分 离的机制，为应用程序移动提供支持，例如移动a g e n t 技术【b c n 0 1 】。 ( 5 ) 轻量化和实时性 普适计算设备重要特点为资源受限制和深度的嵌入性，传统的计算密集型和数 据密集型技术很难适应这样的系统。另外，智能空间需及时为用户提供所需的服务， 因此普适计算软件体系结构应足够小巧，并提供服务质量( o o s ) 的保障。 普适计算软件体系结构技术研究，目前大多还处于探索阶段。主要因为：一是 目前普适计算环境的构建本身正处于研究探索阶段，不断有新技术和新设备应用到 普适计算环境中；二是用户对应用程序的需求也在不断发展变化，不同用户不同应 用程序场景对普适计算应用程序需求的差异很大。充分利用己被广泛使用的技术， 遵循公开开放的技术规范和标准，采用面向服务的方式是普适计算软件体系结构发 展的基本趋势。 推动普适计算发展的因素主要来自普适计算的网络及硬件设备技术的创新，以 及适应普适计算的系统软件技术的创新。因此，以智能空间为开始，研究适合于小 型嵌入式设备的普适计算软件体系结构可以有力地促进普适计算技术的发展和推 广，为大规模部署普适计算系统打下扎实的基础，具有重大的理论意义和实践价值。 1 1 3 面向服务的体系结构 普适计算基础之一是对现有技术的整合，在软件体系结构方面，面向服务的体 系结构( s o a ，s e r v i c e o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 是当今主流之一，非常适合用于构建普 适计算系统。 推动面向服务计算( s o c ，s e r v i c e - o r i e n t e dc o m p u 血g ) 技术发展的动机减少 应用软件开发和维护的复杂性已经存在很久了，在此动机驱使下，软件开发方 法经历了结构化编程、面向对象编程、面向构件编程三个阶段。今天，千差万别的 设备导致的跨平台需求，分布式环境下对多种网络及其协议进行支持等问题使软件 变得更加复杂，而s o c 及面向服务编程( s o p ，s e r v i c e - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 方法为 此提供了解决方案。简而言之，s o c 是以服务为基本要素以松耦合方式构建应用软 件的一种计算范式，这种范式将大粒度复杂信息构造成服务，在对信息资源进行按 需组合的基础上，最终使业务用户有能力自行组装出面向服务的应用，从而共享大 粒度复杂信息资源。最广为人知的s o c 为w e b 服务( w e bs e r v i c e ) 。目前，s o c 范 式正在进入更加广泛的领域( 例如家庭网络、移动设备、无线传感网络、汽车电子 第1 章绪论 等) 。从系统角度看，s o c 范式依靠s o a 为服务管理、应用软件的组合和服务的互 操作提供基础设施及相应的机制。同时，s o a 也是一种软件设计方法，在软件层次 结构s o a 可归类为中间件，位于操作系统或者虚拟机( 例如j a v a 虚拟机) 之上 一般认为，s o a 中服务是具有契约化接口的独立功能单元，即一组可被其他 计算实体( 服务需求者s e r v i c er e q u e s t o r ) 使用的功能，这种单元具有自治、可复 用、自满足等特性 p a p a z 0 3 。s o a 互操作的基础是服务互相调用关系，即依赖关系 ( 可形式化为有向图) 。服务可由多个服务软件构件实现，这些构件即为服务的提供 者( s e r v i c ep r o v i d e r ) 。s o a 模型存在至少一个服务注册器，服务提供者在运行后， 会通过一定方式向服务注册器注册，发布( p u b l i s h ) 其提供的服务。当服务需求者 需要某项服务时，它也需通过服务注册器发现( d i s c o v e r y ) 最佳的服务提供者，然 后向后者发送服务请求，进行绑定( b i n g i n g ) 。因此，s o a 最大的特色为服务的可 替换性和服务的动态绑定，即松耦合的互操作方式、以及抽象服务和具体服务提供 者的相分离性，这使得对作为服务需求者的开发者屏蔽运行环境的复杂性成为可能。 1 2 本文的研究内容 1 2 1 构建轻量级的觉察上下文软件体系结构 对一个计算机软件系统而言，它所依赖的软件体系结构的重要性不言而喻，对 于现阶段普适计算系统研究尤其如此。因为普适计算是现有多种技术的综合，例如 普适计算需整合分布式计算领域涉及的远程连接、容错、高可用性、远程信息访问、 远程安全性技术，以及移动计算领域涉及的移动组网、自适应应用程序、觉察位置 等技术。在这些现有技术整合的基础上，涌现出普适计算所特有的一些技术特点 【s a t 0 1 遵循该技术路线，本文面向由一个核心设备主导特定的星型智能空间( 如家庭 网络或汽车信息平台) ，在对觉察上下文计算、目标驱动、普适a g e n t 、o s g i 等技 术等进行了深入研究基础上，整合这几项技术，针对普适计算应用程序需求，设计 了一种新的适应普适计算的开放的、轻量级的普适计算软件体系结构l c a s o a ( l i g h t w e i g h t c o n t e x t - a w a r e s e r v i c e - o r i e n t e d a r c h i t e c t u r e ) 。l c a s o a 体现了普适计算软 件体系结构的主要设计目标，特别在两个方面进行了许多研究和探索：首先在屏蔽 应用程序执行环境复杂性方面，设计了一种以s o a 计算环境为基础的屏蔽机制， 经过目标层、策略层、概念服务层、执行层四个层次的抽象，使得普适计算应用程 序开发者可摆脱需过分关注目标运行环境的细节的困境；其次在软件自适用性方面， 开展了针对特定领域的上下文建模技术的研究，设计了一种基于产生式规则推理技 第1 章绪论 术的、目标驱动的觉察上下文软件自适应性的机制。在此基础上，提出了一种普适 a g e n t - - l c a u a ( l i g h t w e i g h t c o n t e x t - a w a r e u b i q u i t o u s a g e n t ) ，它具有目标驱动、轻量 级、觉察上下文的特点。 1 2 2 基于o s g i 平台开发原型系统 在诸多有能力在网络中部署可管理服务的s o a 中，非盈利性组织o s g i 联盟 提出的轻量级o s g i 服务平台( 以下简称o s g i ) 影响比较大。o s g i 规范主要由两 部分组成，框架( f r a m e w o r k ) 和标准服务集合( 即应用程序接口a p l 9 ，并基于服务动 态绑定提供模块问协调及互操作机制。2 0 0 0 年5 月o s g i1 0 版本推出，最新发布 的o s g i4 0 聚焦于对移动设备的支持和安全性强化两个方面 o s g i 0 5 。作为一个轻 量级的、嵌入式s o a 平台，目前o s g i 在家庭网络、汽车电子、移动计算等领域得 到广泛应用，例如i b m 、通用汽车、福特汽车等公司都有基于o s g i 的研究项目或 者产品推出，开源集成开发环境e c l i p s e 也采用o s g i 构造其核心的插件系统。 o s g i 标准的主要功能是规范作为各类服务的操作平台( 服务网关) 。o s g i 服务 网关实质是连接外部服务和内部客户的内嵌式服务器，其核心技术是j a v a 平台。由 于采用j a v a 技术作为基础，o s g i 服务网关不仅具有独立于不同制造商的特点，并 且可以通过a p i 整合不同标准。o s g i 具有以下特点：开放式、平台及应用程序独 立、零管理、安全，多任务、兼容不同局域网协议( 如l o n w o r k s 和b l u e t o o t h 等) 、 与不同通信技术共存( 如h o m e p n a 、h a v i 和h o m e r f 等) 、支持多种设备提供设 备和服务发现技术( 如u p n p 和j i n i 等) 、鲁棒性好等优点。显然，o s g i 已经具备 普适计算软件体系结构所需几项重大技术，因此，本文选择o s g i 作为l c a s o a 的原型系统的基础，并对其进行了重大的扩展。首先，通过使用x m l 显示描述服 务动态依赖信息，增强其服务发现及依赖解析的自动化程度，改造了其服务管理模 式，从而为普适a g e n t 移动和服务自动复合提供支持其次，在o s g i 之上实现了 目标驱动的产生式子系统以及觉察上下文计算子系统。最后，在该原型系统上构建 了汽车信息平台的演示应用系统。 1 3 本文的主要贡献和创新点 本文的主要贡献和创新点如下： ( 1 ) 结合面向服务的体系结构、产生式系统和觉察上下文计算范式，提出了 一种个目标驱动的觉察上下文计算模式，设计了c f l ( c o n t e x tp a i rl a n g u a g e ) 描述上下 文信息，以及p j s ( f r o d u c t i o n r u l e b a s e d o n j a v a s y u t a x ) 厍j 以表示代表用户意图的目标 和目标解析的语义，同时，深入分析研究了目标达成和解析的流程及算法。在此基 第1 章绪论 础上，建立了轻量级的觉察上下文软件体系结构l c a s o a 。l c a s o a 具有四个特 点：首先通过四个层次的抽象，应用程序开发者可摆脱需过分关注目标运行环境的 细节的困境。其次，采用s o a ，以松耦合的服务作为应用程序的动态构建块，使得 应用程序可以在运行期间调整其行为，以自动适应普适计算环境及用户需求的动态 变化。第三，应用程序的自适应性的基础是由软件体系结构保证的，即觉察上下文 的计算，主动性的产生式系统，以及两者决定的s o a 服务复合和绑定过程。因为 上下文库和规则库等知识在具体运行环境下是确定的，所以服务复合和绑定的结果 总是可预测的，即基于l c a s o a 的系统是可预测的自治系统。第四，l c a s o a 开 销小、轻量化，适用于普适计算环境中广泛部署的小型嵌入式设备。 ( 2 ) 以上技术为建立一种适合普适计算设备的a g e n t 提供了保障。据此，本 文提出了一种目标驱动的普适a g e n t 的模式，a g e n t 的任务以表示规划的目标树描 述，而a g e n t 的移动、互协作和通信手段由s o a 的松耦合服务协作和动态绑定机制、 以及l c a s o a 的动态服务缓冲模式提供。该a g e n t 模式充实了l c a s o a ，是 u 、a s o a 支持应用程序移动的主要手段。 ( 3 ) 对开放式标准o s g i 进行重大扩展，提出了o s g i 动态服务缓存模式，并 基于o s g i ，构建了l c a s o a 的原型系统和一个演示性的汽车信息平台。通过利用 o s o i 的标准化技术成果和l c a s o a 的特性，极大降低了开发可靠的普适计算系统 和应用程序的复杂性，同时也为o s g i 开辟了全新的应用程序领域。 1 4 论文结构 后续各章节内容安排如下： 第2 章对目前觉察上下文体系结构的研究进行了总结和回顾。 第3 章阐述了l c a s o a 的觉察上下文计算模式，包括基于主体属性值的上下 文模式及上下文表示语言c p l 第4 章讨论了目标驱动的l c a s o a 觉察上下文自适应性软件的实现技术。首 先确定目标及其产生式规则的表示方式，其次详细分析了达成代表用户意图高层目 标的流程及其算法，最后提出了p j s 以描述产生式规则。 第5 章提出了目标驱动的普适a g e n t 的模式，说明了a g e n t 的系统结构以及 l c a s o a 对多a g e n t 的支撑技术。 第6 章说明了以动态的服务缓存为核心对o s g i 扩展和改进的具体方法。 第7 章对l c a s o a 的体系结构进行了分析终结，设计了供试验的原型系统。 并分析了汽车信息平台主要需解决的问题和挑战，在此基础上，开发了一个演示性 的汽车信息平台 最后，第8 章总结全文并展望未来的工作。 第2 章觉察上下文体系结构研究概述 第2 章觉察上下文体系结构研究概述 觉察上下文计算是普适计算的关键技术之一，而应用程序对上下文的觉察 往往依赖于系统的软件基础设施，即软件体系结构。在具体的普适计算系统中， 觉察上下文的机制不尽相同，这也反应了觉察上下文计算的复杂性。 2 1 觉察上下文计算 普适计算希望能使计算机在人周围无所不在，人与信息以及计算能力也将 保持不问断的接触，这时需要计算机系统能觉察与交互的任务有关的周围环境中 的上下文信息，并据此做出自动决策、调整行为以便自发地为人服务。为此，人 们提出了觉察上下文计算范式。觉察上下文计算具有广泛的应用领域，应用上下 文也有助于解决信息超载( o v c m m ) 的问题。本质上，它是一种协助其他应用 程序提高性能的支持工具。 普适计算中，上下文最重要的特点是动态变化性和复杂性，例如上下文构 成任务的背景，对于不同的背景，同样行为的含义可能是不同的；反过来，同样 的背景对不同的任务也可能具有不同的语义。因此，开发觉察上下文计算系统是 个困难的问题，在建立觉察上下文计算的软件支持环境过程中需要解决的关键问 题是 x u 0 3 ： ( 1 ) 上下文模式。普适计算环境下上下文种类繁多、来源不稳定、数据格 式和精度也各不相同，因此如何获取上下文、表示上下文、理解上下文和共享上 下文、建立合理的上下文模式是急需解决的首要问题。 ( 2 ) 层次化的系统结构与中间件。上下文的获取、格式转换和翻译等都涉 及大量的工作，所以有必要把应用程序的开发与上下文的觉察相分开，这对建立 可适用于各种应用的通用系统来说也是至关重要的。为此，在觉察上下文系统应 引入中间件技术，它的作用是获取原始的上下文数据，并进行数据格式转换和翻 译，使得应用程序能理解和使用上下文，同时，中间件还需把上下文分发给对它 们感兴趣的应用程序。因此，觉察上下文软件体系结构设计要点如上文1 1 2 小 节所示，即感知用户意图、屏蔽设备和应用程序执行环境的复杂性、提供动态的 觉察上下文机制、支持应用程序的移动、轻量化和实时性总而言之，觉察上下 文软件体系结构应可以实现觉察上下文和运行环境对开发者透明的平衡。 第2 章觉察上下文体系结构研究概述 2 2 觉察上下文体系结构 上下文的动态变化性和复杂性决定了上下文处理的困难，如果应用程序直 接进行上下文处理，那么对其开发者是一个巨大的挑战。因此，需要把应用程序 的开发与上下文的觉察相分开，由软件体系结构在系统一级提供上下文的处理， 以简化和方便觉察上下文应用程序的开发和使用。 公认最早的觉察上下文系统是在1 9 9 2 年w a n t w a n t 9 2 等人设计的“有源胸 卡定位系统”( a c t i v eb a d g el o c a t i o ns y s t e m ) ，该系统利用红外线技术来确定用 户位置，据此将呼叫该用户的电话转移到离用户最近的电话上。而觉察上下文作 为一个术语最早是在1 9 9 4 年由s c h i l i t 和t h e i m e r 提出的，他们把上下文视为用 户旁边的人、事物，以及他们的位置、标识、状态变化等等 s c h i 9 4 。上世纪9 0 年代，a b o w d a b o w d 9 7 】、s u m i s u m i 9 8 、c h e v e r s t c h e 0 0 等人分别进行了几个 觉察位置的旅游向导f r o wg u i d e ) 项目的研发，可认为是觉察上下文计算研究的 延续，迄今为止，“位置”也一直被视为最重要的一类上下文。2 0 0 0 年前后，觉 察上下文随着普适计算兴起而进入研究的繁荣期，在不同的研究分支领域，例如 周边智能( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ) 、分布式移动计算、智能空间等，有很多学者对 觉察上下文计算进入不同程度的研究，提出了很多觉察上下文系统。这些系统规 模不一，有些只有一个简单的实现原型，有些却已经进入大规模商业试验阶段。 本节回顾和分析几个和本文内容相关的觉察上下文系统的体系结构，以了 解国内外在觉察上下文计算的研究中，体系结构所使用的关键技术，以及它是如 何为觉察上下文应用程序提供支持的。 2 2 1d y n a m i t e d y n a m i t e ( d y n a m i cm u l t i m o d a li te n s e m b l e s ) e n d r e s 0 3 。e n d r e s 0 5 是德 国f r a u n h o f e ri g d ( i n s t i t u t ef o rc o m p u t e rg r a p h i c s ) 主导的一个智能空间的开源 研究项目，开始于2 0 0 3 年1 0 月，目前还在推进中，项目大约有1 0 个研究者参 加。该项目目的是为一个智能空间范围( 例如会议室) 的各种异构的设备及软件 的互操作提供一个开放式的、分布式的基于j a v a 的体系结构以d y n a m i t e 为 基础，用户的意图能够以目标表示，系统翻译用户目标为策略( s t r a t a g e m ) ，以 此为指导，组织空间内的设备和软件，从而自发地协同工作，达成用户目标。典 型的应用程序为智能会议室，它能够根据用户的偏好( p r e f e m e c e ) ，调节灯光和投 影仪，并自动播放演讲者的幻灯片。用户目标的获取可通过语音识别设备、图形 界面的输入、对话管理程序( d i a l o gm a n a g e m e n t ) 等等。目标及设备和软件的互 第2 章觉察上下文体系结构研究概述 操作规则以本体表示在d y n a m i t e 中，分布式的基于构件的软件称为协助者 ( a s s i s t a n t ) ，其含义为它们互相协作，共同为用户目标服务。 、 图2 1d y n a m i t e 系统的体系结构 季 表 警 窆 富 曼 2 图2 1 为d y n a m i t e 的一个针对家庭的原型系统的体系结构框图从图中 可