（计算机应用技术专业论文）自适应情景感知中间件的情景数据预处理模型研究与实现.pdf

r e s e a r c ho ns e l f - a d a p t i v ec o n t e x t p r e p r o c e s s i n gm o d e l i nc o n t e x t a w a r e m i d d l e w a r e d e p a r t m e n t ：g q 堡卫坠丝s 曼i 星墼曼垫亟卫星丛q ! q 斟 m a j o r ：q 堡卫巫丛p p ! i 曼堑q 卫丝鱼虹q ! q 斟 r e s e a r c hd i r e c t i o n ：d i s t r i b u t e dd b & c o m p u t i n ge n v i r o m e n t a d v i s o r ： q q 坠丛! 些q 旦g m a s t e rc a n d i d a t e ：q i 垒q 圣h 曼亟兰坠g o c t 2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文础鹚狱蹲掏，禹烈日弼融晒哺理蝴 是在华东师范大学攻读谚生博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：刎。年fr 月“日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 燃取嘲垛蝴枞型菥杓蚍系本人在华东师范大学攻读学 位期间在导师指导下完成的硬左博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华 东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并 向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和 电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校 将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的 标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名煮，盈红至 纠。年i 月2 占日 幸“涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的 学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ， 未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论 文，均适用上述授权) 。 单 姓名职称单位备注 贺棵教授华东师范大学答辩主席 吕钊副教授华东师范大学答辩委员 杨静副教授华东师范大学答辩委员 摘要 到了越 研究领 域，它涵盖了中间件技术、移动计算、人机交互、嵌入式技术、传感器、网络 技术，等等。而情景感知中间件技术的发展，可以很好地解决异构性、跨平台 问题，为情景感知计算提供一个集成的服务应用有效平台。 情景感知中间件能够抽取情景感知计算中的共性技术融合于中间件中；屏 蔽情景源的异构性，增强情景信息的重用，减轻开发者的负担；提供更加准确 的高级情景信息，向智能化的方向发展，提升用户体验度。 然而，在现实的环境中，各种传感器以及移动设备所接触到的情景数据的 信息量非常大且信息的质量也到不到保障。这对建立在情景感知中间件之上的 应用如何获得高效的应用推理提出了巨大的挑战。因此，要获得高效的应用服 务就需要对情景数据做预处理。统计发现，在数据挖掘与知识发现的过程中， 数据预处理占到了整个工作量的6 0 。现实世界的数据往往是不完整的、含噪 声的和不一致的，数据预处理能有效提高数据质量，获得有针对性的可用数 据，不仅可以节约大量的时间和空间，而且为后续应用的开展能起到更好地决 策和预测作用。 基于上述的原因，本文首先提出了一种通用的自适应情景感知中间件模型 ( g a c a m ) ；在此基础上，提出了一种基于反射的多代理情景数据预处理模型 ( m c p m ) 。这是一种针对情景感知中间件的自适应的预处理模型，运用了 反射机制和多代理技术，使得预处理模型在实现过程中具有自主性、动态性、 智能性等特点。它实现了对通用的自适应情景感知中间件模型( g a c a m ) 的预 处理功能，从而提高了中间件对上层应用的服务效率与效果。r m a c p m 模型分 为四个代理模块：情景过滤模块、情景转换模块、情景融合模块以及预处理监 控模块。这四个代理模块分别实现了原始情景过滤、不规则情景转换、原子情 景融合以及预处理控制等功能。通过这四个模块的相互协调、相互作用，共同 实现了对g a c a m 所获取的情景数据的预处理。 最后结合本人在研究所的项目实践，实现了自适应的情景感知中间件的情 l 摘要 h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fi n t e m e t ，s e n s o r sa n dm o b i l ed e v i c e s ，p e r v a s l v e c o m p u t i n g i sm o r ea n dm o r ep o p u l a r a sab r a n c ho fp e r v a s l v ec o m p u t l n g ， c o l l t e x t a w 即ec o r e p u t i n gb e c o m e sa h o tr e s e a r c hf i e l d ，i n c l u d i n gm i d d l e w a r e ，m o b i l e c 锄p u t i n g ，h u m a n 。c o m p u t e ri n t e r a c t i o n , e m b e d d e dt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c l l i l o l o g y , n e t w o r kt e c t l i l o l o 必e t c t h ed e v e l o p m e n to f c o n t e x t 。a w a r em i d d l e w a r ec a l ls o l v et h e p r o b l e mo fh e t e r o g e n e o u sa n dc r o s s - p l a t f o r m ，p r o v i d eai n t e g r a t e d c o n t e x ta w a r e a p p l i c a t i o np l a t f o r m c o n t e x t a w a r em i d d l e w a r ee x a c t st h ec o m m o np r o p e r t i e si n t om i d d l e w a r er o m c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ，s h i e l d i n g t h e h e t e r o g e n e i t y o fc o n t e x ts 0 1 h c e s 趾d 妇p r o v i n gt h e r e u s eo fc o n t e x ti n f o r m a t i o n ，r e l e a s i n gt h eb u r d e n o fd e v e l o p e r s ， p r o v i 咖gm o r e a c c u r a t ea d v a n c e dc o n t e x ti n f o r m a t i o n a n dm o r ei n t e l l i g e n c e r e a s o n i n gt e c h n o l o g y , a n du l t i m a t e l yi m p r o v i n g t h eu s e re x p e n e n c e i i lt h er e a lw o r l d ，t h e r ea r ef u l f i l l e do fc o n t e x t s ，w h i c hm a y b ep o o rq u a l i t ys oa s t or e d u c et h ee f f i c i e n c yo fa p p l i c a t i o n t h u s ，i t i so fv i t a li m p o r t a n c et op r o v l d e e 仃e c t i v ea 1 1 de f f i c i e n tr e a s o n i n gi nm i d d l e w a r e s ow en e e d t o p r e p r o c e s st h el a w c o n t e x t s f f o mt h e 删s t i c s ，w ek n o wt h a tt h ed a t ap r e p r o c e s sa c c o u n t s f o r6 0 o f d a t ad i s c o v e t h ed a t ap r e p r o c e s sc a ni m p r o v ed a t aq u a l i t y ，m a k et h em i d d l e w a r e m o r ee f f i c i e n c y d u et ot h ec o n c l u s i o na b o v e ，t h i sp a p e r p r o p o s e s ar e f l e c t i o n 。b a s e d m u h i a g e n t sc o n t e x tp r e p r o c e s s i n gm o d e l ( r m a c p m ) i n t e r mo fg e n e r a la d 印t i v e c o n t e x ta w a r em i d d l e w a r em o d e l ( g a c a m ) t h i s i saa u t o n o m o u s ，d y n a m l ca n d i n t e l l i g e n tc o n t e x tp r e p r o c e s s i n gm o d e l ，w h i c hi s c o m p o s e do ff i l t e r i n gm o d u l e ， c o n v e n i n gm o d u l e ，f u s i o nm o d u l ea n dm o n i t o rm o d u l e t h r o u g hc o o r d i n a t l o na n d i 1 1 ：t e r a c t i o no ft h e s ef o u rm o d u l e s ，r m a c p m a c h i e v e sas e l f - a d a p t i v ep r e p r o c e s s m g m o d e l f i i l a l l y ，c o m b i n i n gw i t ht h ep r o j e c t si nl a b ，w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h i s p r e - p r 。c e s s i n g m o d e l t h r 。u 曲t h ed i s p l a y 。f c l a s s i c a ls e e n a r i 。s ，w eg e t 恤 c o n c l u s i o n s k e yw o r d ：c o n t e x t a w a r em i d d l e w a r e r e f l e c t i o n , m u l t i - a g e n t s ，p r e p r o c e s s i 华东师范大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外现状2 1 2 1 情景感知计算一2 1 2 2 中间件一6 1 2 3 数据预处理和情景数据预处理7 1 3 研究目的和意义8 1 4 本文的研究工作与组织结构1 0 第二章基本理论与关键技术1 2 2 1 基本理论12 2 1 1 情景感知1 2 2 1 2 中间件1 2 2 1 3 情景数据预处理1 4 2 2 关键技术17 2 2 1 反射机制17 2 2 2 代理技术18 2 3 本章小结l9 第三章通用的自适应情景感知中间件模型2 0 3 1 设计原则。2 0 3 2 结构设计2 1 3 3 实现原理2 4 3 3 1 多代理模型2 4 3 3 2 运行环境2 5 3 4 本章小结2 7 第四苹基于反射的多代理情景数据预处理模型2 8 4 1 设计原则2 8 4 2r m a c p m 模型描述2 9 4 2 1 情景过滤模块31 4 2 1 1 情景过滤的定义3 1 4 2 1 2 情景过滤模块的设计与实现3 2 4 2 2 情景转换模块3 6 4 2 2 1 情景转换的定义3 7 4 2 2 2 情景转换模块的设计与实现3 7 4 2 3 情景融合模块3 9 4 2 3 1 情景融合的定义一3 9 4 2 3 2 情景融合模块的设计与实现4 0 4 2 4 预处理监控模块4 4 4 3r m a c p m 的结构特性一4 5 i v 目录 4 5 4 6 4 6 5 2g a c a m 中间件系统应用功能演示4 6 5 3r m c p m 实现4 9 5 4i 龇气c p m 重要性证明51 5 4 1 实验环境。5 2 5 4 2 实验结果分析5 2 5 6 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 6 1 本文工作总结5 4 6 2 后续工作及展望5 4 参考文献5 6 致谢5 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文：5 9 v 第一章绪论 本章首先介绍了情景感知中间件以及情景数据预处理模型的研究背景和现 实意义，接着概述了它们在国内外的发展现状，以及这些领域的一些研究工作 和成果，最后给出了本文的主要工作和组织结构。 1 1 研究背景 随着异构通信方式、分布式系统、移动设备的蓬勃发展，各类软件希望能 够无缝融合，为人们提供更加便捷、有效的服务。传统的中间件作为分布式系 统的组成部分，存在于应用软件和操作系统之间，解决应用跨不同平台的互操 作问题。由于中间件技术可以屏蔽分布式环境的复杂性，因此对网络应用具有 重要意义。除了可以使不同的网络服务之间进行交互，中间件通常独立于网络 应用，在网络中透明存在，便于在不影响功能和性能的情况下提高系统的扩展 性。 另一方面，网络的普及使计算机计算进化到分布式计算时代，而移动技 术、嵌入式技术及传感技术的发展使情景感知计算成为计算模式新的进化方 向。情景感知计算是普适计算的重要研究分支，其目标是使计算机融入人的生 活空间，要求对环境信息具有高度的可感知性，人机交互更自然化，设备和网 络的自动配置和自适应能力更强。但是构造情景感知应用并非易事。在早期的 系统中，开发人员为了实现一个特定的情景感知应用，参与了从传感器环境建 设、情景数据的采集到应用编程的整个过程，而且应用逻辑和情景数据的采集 处理紧耦合，导致系统的复用性降低。 情景感知中间件就是将情景感知技术与中间件技术有机的结合起来，通过 将两者的优点融合在一起，而提出的一种新的系统平台。从而解决了设备以及 软件的异构性带来的互操作性问题以及情景感知应用定制的灵活性问题。 然而，科学技术的迅速发展以及新一代通信技术和互联网技术的迅速崛 起，给情景感知中间件技术的发展也带来了极大的挑战。由于人类社会信息量 的急剧增加，信息系统高效性与便捷性的提高受到了阻碍。如何从海量的原始 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 信息中提取有用的知识成为当前各类信息系统所必须解决的问题。在现实世界 中，充斥着大量的情景数据，对于中间件系统而言，有很大一部分数据是没用 的冗余的。获取情景数据的传感器并不能区分信息是否有用，所以就需要中间 件系统自身带有信息筛选错误处理的功能模块。数据挖掘就是为顺应这种需求 而发展起来，数据预处理作为数据挖掘的一个重要模块是知识发现的关键步 骤。统计发现，在数据挖掘与知识发现的过程中，数据预处理占到了整个工作 量的6 0 。因而，在实现情景感知中间件系统时，首先需要对原始情景数据进 行预处理。 1 2 国内外现状 1 2 1 情景感知计算 情景感知计算源于普适计算的研究，最早由s c h i l i t 与1 9 9 4 年提出。情景感 知计算是一种新的计算形态，与普适计算、移动计算和职能计算密切相关。作 为一种计算形态，情景感知计算具有适应性、反应性、响应性、就位性、情景 敏感性和环境导向性的特征【l 】。情景感知系统则是一种能够模拟人的能力去认 识和利用环境信息来推动其功能操作的系统，它能主动监视其工作环境或场 景，并按照该场景的变化调整其行为拉】。 就当前国内外现状来说，情景感知系统框架的研究已相当丰富，当前已有 大量的情景感知计算系统框架，也研发了很多产品。 ( 1 ) a c t i v eb a d g e a c t i v eb a d g e 3 】是o l i v e t t i 实验室的一个项目。a c t i v eb a d g e 是通过用户携带 一种小型计算设备作为用户身份的相关标志符，并且通过一种红外发送装置对 该设备进行检测。当在某个房间内检测到相关用户出现时，就会根据用户的兴 趣偏好做出响应。 2 绪论 图1 1a c t i v eb a d g e 系统 ( 2 ) e a s y l i v i n g e a s y l i v i n g 4 1 是微软公司研究部门开发的一个情景感知计算项目，其系统框 架如图1 2 。它包括用于用户跟踪定位和交互的计算机视觉技术、多模态传感器 融合、使用几何模型来提供计算情景、自动或半自动的传感器校准和建模、自 适应的人机交互接口等。 1 9 9 8 年，微软公布了e a s y l i v i n gp r o j e c t 的设计目标和原型环境。该环境可 以感知内部人、设备的位置，并根据人的位置提供最接近的输入输出设备以供 使用，在实现操作窗口的无缝移动下，同时考虑了保护用户隐私的问题，是一 个比较成熟的易于扩展的普适计算环境。 2 0 0 0 年，该项目组提出了将该项目融入人们同常生活所需要做到的目标， 包括大屏幕有效利用方法，协作，远程工作( 包括在厨房等舒适的地方工作) ， 在嘈杂人多的地方工作，工作项目的共享、建议支持，街头公共设施服务等应 用中会出现的问题与解决方案。 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1e a s y l i v i n g 系统框架 ( 3 ) s m a r tc l a s s r o o m 智能教室( s m a r tc l a s s r o o m ) 【5 1 是清华大学普适计算研究所的一个项目。该 项目将普适计算和远程教育相结合，建立智能远程教室，把交互空间的概念引 入远程教育系统。如图1 3 所示，是智能教室的一个场景，教师可以像在普通课 堂一样通过远程方式给学生授课。 图l 一3 智能教室的场景 ( 4 ) o x y g e n o x y g e n 6 】项目是由麻省理工学院计算机系主任m i c h a e ld e r t o u z o s 教授发 起。其寓意是：未来计算像氧气一样无处不在并可自由获取。该项目将固定计 算设备和移动设备通过可自动配置的网络连接起来。系统采用了包括休眠环境 的自动转换等8 种环境驱动技术，运行于两个设备上：e n v i r 0 2 1 和h a n d y 2 1 。 e n v i r 0 2 1 是类似于工作站的计算机，它将用作遍布于家中或者办公室中的摄像 4 华东师范人学硕士学位论文第一章绪论 机、电话、麦克风、以及扬声器的命令和控制中心。h a n d y 2 1 是e n v i r 0 2 1 的用 户界面，是一种具有摄像机、麦克风、以及彩色屏幕的个人数字助理，主要用 语音命令进行控制。而n e t w o r k 2 1 这种智能网络设备，可以把这一切都联结起 来。在家中或者办公室中，它将作为通用远程控制器，而在路上，它又可以作 为与e n v i r 0 2 1 保持不问断联系的个人数字助理。 民9 圆宅慧a h a n d h e l d 镑 d e v i c e 口挚 d e v i c e s a e t u a t o r s s e n s o r s 图l - 4 0 x y g e n 系统 ( 5 ) a u r a 卡耐基梅隆大学的a u r a 7 】【8 】项目一个基于多代理的框架。当环境、任务或 情景信息改变时，任务管理器将在无需用户干预的前提下进行资源映射并有效 使用资源，其旨在构建一个可以释放人们注意力的普适计算基础设施。 a u r a 的软件部分由资源监视和适应、移动文件存取、远程执行、用户意图 捕捉和高层自适应等部件组成，采用分层结构并强调各层的主动性和自调整。 其特点是通过无线网络传输，语音识别控制，基于不可见软件和计算服务实现 多种控制。可以让用户随时随地的工作和交流；将繁多的信息进行处理，用户 可以高效的工作和思考。 o p e r a t i n gs y s t e m 图1 5 a u r a 系统模型 她纛 影 9 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 中间件 中间件，是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软 件在不同的技术之间共享资源，在现代信息技术应用框架如w e b 服务、面向服 务的体系结构等中应用比较广泛。如数据库、a p a c h e 的t o m c a t ，i b m 公司的 w e b s p h e r e ，b e a 公司的w e b l o g i c 应用服务器以及k i n g d e e 公司的a p u s i c 等都 属i 于中间件【9 】。如图1 - 6 ，是三层c s 结构的中间件应用框架。 m i d 图l - 6 三层c s 结构中的中间件 中间件作为基础软件的重要组成，已与操作系统、数据库齐头并进，成为 软件技术发展的一种潮流，被誉为发展最快的软件品种，已经形成一个巨大的 产业。日前国内外有不少厂商都是中间件技术的开发商和产品提供商。包括 i b m ，o r a c l e ，h p ，i o n a 等。全球最大的中间件厂商b e a 公司已开发出许多 中间件产品，如面向消息中间件b e ae l i n k ，事务处理中间件b e at u x e d o 等。 i b m 在9 0 年代及时调整了其产品的策略，将中间件产品作为其今后开发的重中 之重，并且推出了面向消息的中间件产品m qs e r i e s 。o r a c l e 公司也正式发布了 o r a c l e 9 i 应用服务器无线版，这是专门针对通信公司、消费类门户、应用服务提 供商( a s p ) 及相关公司开发和部署的无线i n t e m e t 内容及应用服务的全套中间 件。 同国外厂商比较，国内中间件产商的整体实力还存在着很大的差距，同国 外优秀中间件产品相比，我们还有大量需要借鉴和学习的地方。即便如此，国 6 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 内一些规模较大的软件公司也开始进入此领域，形成了包括中创软件商用中间 件、金蝶a p u s i c 、东方通科技、中关村科技、中和威等在内的一批中间件专业 厂商。东方通科技有限公司率先推出了国内第一个企业及的网络商务中间件平 台t o n g w e b ，而后有推出了消息中间件t o n g l i n k q 、交易中间件t o n g e a s y 等 中间件产品。2 0 0 0 年7 月底，金蝶公司宣布进军中间件市场。经过十年的发 展，金蝶公司在中间件领域取得了巨大的成功，形成了一系列具有自主知识产 权的中间件产品，包括金蝶a p u s i c 应用服务器和金蝶a p u s i c 消息中间件等。此 外，一些国内高校以及研究单位也在做中间件方面的工作，并且也取得了一定 的成果。 1 2 3 数据预处理和情景数据预处理 情景感知中间件通过对情景数据的挖掘处理为上层应用提供服务。然而， 由于科技的发展，中间件能够捕获的情景数据量剧增且包含了大量不安全、错 误数据，从而阻碍了中间件技术的发展。为了解决这一问题，需要在情景感知 中间件中引入情景数据预处理。情景数据预处理能够抽取原始情景数据中的高 质量数据，组成中间件所需的情景信息，从而提升后续的应用效率效果。下面 我们将介绍数据预处理和情景信息预处理的研究现状。 数据预处理是数据挖掘( 知识发现) 过程中的一个重要步骤，尤其是在对包 含有噪声、不完整，甚至是不一致数据进行数据挖掘时，更需要进行数据的预 处理，以提高数据挖掘对象的质量，并最终达到提高数据挖掘所获模式知识质 量的目的。2 0 0 5 年8 月，在第1 1 届a c ms i g k d d 国际会议上，怀卡托大学的 w e k a 小组荣获了数据挖掘和知识探索领域的最高服务奖，w e k a 系统得到了广 泛的认可，被誉为数据挖掘和机器学习历史上的里程碑。统计发现，在一个完 整的数据挖掘过程中，数据预处理通常要花费6 0 左右的时间，而挖掘工作仅 占整个过程的1 0 左右。数据预处理作为数据挖掘的一部分，随着数据挖掘技 术的发展而发展【l o 】【l l 】。 目前，对数据预处理领域的研究较少。这是因为：一方面数据预处理技术 需要根据应用来实现不同的过滤、转换以及融合的规则，需要对应用有合理清 晰的定义；另一方面数据清理的难度很大，对中文语言的处理更是难上加难 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 【1 2 1 。 现阶段数据预处理技术研究中最多的是数据清洗和数据规约技术，国外对 数据清洗技术的研究主要涉及以下方面： ( 1 ) 对数据集进行异常检测。 ( 2 ) 识别并消除数据中的近似重复对象。 ( 3 ) 对确实数据清洗，研究者大多采用近似值替换缺失值的方法，包括贝叶 斯网络、神经网络等。 数据规约的研究现状是：在海量数据上进行复杂的数据分析和挖掘，需要 很长的时间。其研究内容主要涉及： ( 1 ) 高纬度数据的降维处理，主要用删除冗余属性的方法。 ( 2 ) 从数据集中选择较小的数据表示形式来减少数据量，需要用到数值规约 技术，采用直方图、聚类等技术。 ( 3 ) 离散化技术减少给定连续属性值的个数。这种方法大多是递归，大量的 时间花在每一步的数据排序上。 不同于传统的数据预处理，情景数据预处理的处理对象是情景。相对于一 般数据，情景数据包含范围更加广泛，并且包含了丰富的语义数据。所以对情 景数据预处理不能仅使用一般数据预处理的方法，而是需要考虑到情景的特征 来实现其预处理过程。 由于情景包含了丰富的语义数据，所以在对情景数据做预处理时要考虑到 当前情景的上下文。针对当前情景所展现的语义信息、上下文的特点以及本身 的一个特征来做预处理。 目前，在学术界主要都是在研究一般的数据预处理的方法，而很少有研究 情景数据的预处理。由于情景数据的复杂性、多变性以及语义丰富性，所以对 情景数据的预处理研究难度更大，要求也更多。 1 3 研究目的和意义 在网络技术发达，知识和信息爆炸的现代，各行各业有着各种各样的数据 需要处理。各种应用系统都依托于大量可获取信息，如何对海量数据进行处 理，对于应用系统的实现是至关重要的。而在以往的软件开发历史中，人们对 8 华东师范大学硕士学位论文第一章绪论 数据预处理的投入远远不如其后期的数据挖掘，但是数据预处理工作却往往能 够起到事半功倍的效果。因为现实世界上数据往往是不完整的、含有噪声的和 不一致的，数据预处理能够帮助改善数据质量，从而提高数据推理的有效性和 准确性。高质量的决策推理取决于高质量的数据，因而数据预处理对于情景感 知中间件系统十分重要【1 2 】。 本文的目的是通过反射机制和代理技术来实现情景感知中间件情景数据预 处理模型，该模型主要是结合了这两种技术实现了预处理模型的自适应性、自 组织性以及可扩展性，是系统能够根据情景信息自我调整，为后续的情景信息 的存储以及推理等应用提供有效的数据模型。 与传统的数据预处理模型相比本文提出的模型具有以下优点： ( 1 ) 自组织性，能够运行时自我调整，从而满足了中间件系统的要求。满足 不同应用的需求。 ( 2 ) 系统执行逻辑与具体功能实现相分离，有利于功能模块的复用性。降低 了各个模块的耦合度。有利于后续的扩展与维护。 ( 3 ) 结合多代理技术，使得预处理模型具有以下特征：自治性，代理可以在 没有人或其它代理直接干预的情况下运作，而且对自己的行为和内部状 态有某种控制能力；社会性，代理和其它代理通过某种代理语言进行信 息交流；反应性，代理能够理解周围的环境，并对环境的变化做出实时 的响应；能动性，代理不仅简单地对其环境做出反应，而且能够通过接 受某些启动信息，表现出有目标的行为。 数据预处理模型对于情景感知中间件系统的重要性： ( 1 ) 原始数据中可能存在不完整、不一致的数据，会影响后续的应用推理过 程。 ( 2 ) 原始数据中可能存在不规范的数据，系统不可认知。 ( 3 ) 对于原始数据的预处理可以提高后续应用的实现效率，从而实现高效的 决策。 本文的主要创新点如下： ( 1 ) 本文结合反射机制实现了一种自组织的情景数据预处理模型。该预处理 模型具有较为开放的结构，使得外界能获悉系统内部相关成分，从而能 根据外部环境变化对系统相应部分的结构行为做一定的调整与改变；同 9 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 时，系统具有配置和动态重配置的能力，即能在运行过程中进行动态调 整、定制和改变自身相关的结构行为且不影响系统的整体的运行。 ( 2 ) 本文在反射的基础上结合代理技术实现了一种基于反射机制的多代理情 景数据预处理模型。这种既分散又集中的体系结构，相对而言比较灵活 简单而且能更好的保证数据的完整性，可用于分布式结构形式。而且多 代理技术的应用使得系统具有一定的自治性和智能性，将预处理模型以 多代理的模型实现，有几个优势：第一，各个代理分而治之，各自实现 不同的功能，从而避免了数据过大过多造成的系统假死，提高实现效 率。第二，使得预处理模型更加灵活，更好的适应多变的普适计算环 境。 1 4 本文的研究工作与组织结构 基于情景感知中间件系统，本文提出了其实现过程中的一个重要模块一数 据数据处理模型。本文主要工作如下： ( 1 ) 探讨了情景感知中间件的定义和应用范畴，分析了情景感知中间件系统 的基本框架和功能。 ( 2 ) 探讨了情景感知中间件模型的概念与特点，提出了一种通用的自适应情 景感知中间件模型( g e n e r a l i z e da d a p t i v ec o n t e x t a w a r em i d d l e w a r e m o d e l ，g a c a m ) 。 ( 3 ) 探讨了反射机制、代理技术的概念与特点，提出了基于反射机制的多代 理情景数据预处理模型( r e f l e c t i o nb a s e dm u l t ia g e n tc o n t e x t p r e p r o c e s s i n gm o d e l r m a c p m ) 。 ( 4 ) 实现了g a c a m 以及r m a c p m 原型系统，利用j a v a 、c 撑以及s q l s e r v e r 等实现系统的软件开发。 本文基本结构如下： 第一章为绪论，主要从情景感知中间件和数据预处理模型两方面介绍了本 文的研究背景，阐述了国内外研究现状。并且提出了本文的研究目的和意义， 阐述了本文的研究工作，介绍了组织结构。 第二章对情景感知中间件数据预处理模型的重要理论以及关键技术做详细 1 0 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 的论述与分析。引入了反射机制以及代理技术，提升了数据预处理模型的自适 应性、可扩展性以及能动性。 第三章设计并实现了一种通用的自适应情景感知中间件模型，并对其结构和 功能进行说明。 第四章设计并实现了一种基于反射机制的多代理情景数据预处理模型来解 决情景感知中间件系统的数据预处理。 第五章是系统实现与结果分析。 第六章为总结与展望。 华东师范大学硕士学位论文第二章基本理论与关键技术 2 1 基本理论 2 1 1 情景感知 第二章基本理论与关键技术 2 0 实际9 0 年代，w e i s e r 提出了普适计算【1 3 】，作为其核心子领域之一的情景 感知计算开始得到了广泛的关注。许多大学以及研究机构都提出了专门项目对 其进行深入研究。我们所指的“情景”，也可以称为“上下文”，是指用户所 处的环境信息( 包括硬件、软件或者物理信息) 。 情景感知是指利用情景信息( 如天气、时间、地点、用户活动等) 对未来事 情进行判断【1 4 】。情境感知技术的一个重要的方向是“主动服务设计”，即计算 机( 特别是可移动计算机) 可以通过情境感知，自适应地改变，特别在用户界面 的改变，为用户提供推送式服务。比如，可以根据室内的光线的强度，会议室 内的百叶窗可以自动调节开关。 情景感知计算是一种新的计算形态，与普适计算、移动计算和智能计算密 切相关【1 5 】。作为一种计算形态，情景感知计算具有适应性、反应性、响应性、 就位性、情景敏感性和环境导向性的特征。 为了支持情景感知的应用，各种或专用或通用的情景感知模型应运而生， 用于对与应用有关的数据进行挑选，以提高信息搜索的精确度以及自动地对外 界的刺激做出反应。 情景感知系统通常包含情景数据的获取、情景数据的抽象以及理解、情景 数据的推理响应。由于用户的行为以及位置在很多情景感知应用中都起到了关 键的作用，因而情景感知更多的被用于位置感知以及行为识别等相关领域。 2 1 2 中间件 为解决分布异构问题，提出了中间件的概念。中间件是基础软件的一大 类，是位于平台( 硬件和操作系统) 和应用之间的通用服务，如图2 一l 所示。中间 件在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，其作用是为处于自己上 1 2 华东师范大学硕上学位论文第二章基本理论与关键技术 层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂 的应用软件【9 1 。 a p p l i c a t i o n a p p l i c a t i o n m i d d l e w a r es y s t e m o p e r a t o ro p e r a t o ri s y s t e ms y s t e mj 图2 - 1 中间件 中间件的应用范围十分广泛，根据不同的目的和实现机制，中间件平台主 要可分为以下几类【16 】： 远程过程调用( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ) 面向消息的中间件( m e s s a g e 。o r i e n t e dm i d d l e w a r e ) 对象请求代理( o b j e c tr e q u e s tb r o k e r s ) 它们可向上提供不同形式的通讯服务，在这些基本的通讯平台之上构筑各 种框架，为应用程序提供不同领域内的服务。中间件平台为上层应用屏蔽了系 统的异构性以及网络差异。用户只需要发送所需要的请求，中间件平台就会根 据请求获得相应从处理代码来完成请求响应，所有这些由框架负责完成。因 此，基于中间件开发的应用具有良好的可移植性、可扩充性、高可用性和易管 理性。 中间件能够屏蔽操作系统和网络协议的差异，提供相应的平台以满足不同 领域的需要，为应用程序提供了一个相对稳定的高层应用环境。但是中间件也 并非万能。至今为止，还没有关于中间件的统一规范。绝大多数基于中间件的 应用都有专门的协议以及接口，使得不同厂商的中间件难以实现互操作，从而 限制了应用的可移植性。因此，对于应用开发者来说，在这些中间件之上建立 相应的应用还要承担相当大的风险，随着技术的发展他们往往需要对系统进行 重写。因此，虽然中间件技术屏蔽了底层异构性，实现了计算的高度抽象化， 但同时也给开发带来了设计选择方面的困难。 华东师范大学硕士学位论文第二章基本理论与关键技术 2 1 3 情景数据预处理 信息技术以及存储技术的高速发展使得人们面对的信息量越来越大，需要 处理的信息也呈现了指数形式的发展。对于这浩瀚如烟的海量数据，一方面使 得信息化的程度越来越高，另一方面也严重影响着信息处理的效率与效果。如 何在保证不失真情况下对信息进行缩减、瘦身就成为信息技术领域一个非常具 有现实意义的研究方法。而这个过程即是所谓的情景数据预处理( c o n t e x t p r e p r o c e s s i n g ) 。情景数据预处理其实就是一般数据预处( d a t ap r e - p r o c e s s i n g ) 的一个变种，其作用的对象不同j 且情景数据具有一般数据所不具有的特征。 但是，本文所提出的情景数据预处理模型是由一般数据预处理模型演化过来 的。本节主要介绍一般的数据预处理理论，通过对其介绍为后面章节提出情景 数据预处理模型做理论铺垫。 数据预处理是数据挖掘( 知识发现) 过程中的一个重要步骤，尤其是在对包 含有噪声、不完整，甚至是不一致数据进行数据挖掘时，更需要进行数据的预 处理，以提高数据挖掘对象的质量，并最终达到提高数据挖掘所获模式知识质 量的目的。数据预处理流程图如下【1 7 】 图2 - 2 数据预处理流程图 从图2 2 我们清晰可知数据预处理一般包括下列内容： ( 1 ) 数据清理 数据清理通过填写空缺值，平滑噪声数据，识别、删除鼓励点，并解决 “不一致”来清理数据，是数据准备过程中最花费时间、最乏味，但也是最重 要的步骤。数据清理不仅要检查数据的每个属性的格式，还要检验其内容是否 符合规范。数据清理的对象主要分以下几种，如表2 1 所示。 1 4 华东师范人学硕士学位论文 第二章基本理论与关键技术 表2 - 1 数据清理的方法分类 清理对象处理方式 目前最广泛的是应用数据平滑技术。主要有：分箱技术。利用聚 含噪声数据 类技术。利用同归函数或时间序列分析的方法