（计算机应用技术专业论文）可穿戴多人协同支撑软件系统研究.pdf

， - ， 一 一l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 么! 绳 日期：砷年f 月万日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 、 签名：给主要导师签名：二巡查 日期：。f 矿年歹月目 - p 一 釉 l 摘要 摘要 可穿戴计算是一种随着计算机不断向微型化、智能化发展而应运而生的一种 新颖的围绕“以人为本提出的一种崭新的概念和计算模式。本世纪以来，随着 材料工艺和计算机技术的飞速发展，可穿戴计算机以其可穿戴、环境适应性强、 人机交互能力突出等特点在军事、工业、航空、医疗等领域开始崭露头角并进入 了实用性阶段。但是，作为一种新兴的理念，可穿戴计算仍然面临较大的困难。 特别是在软件领域，由于可穿戴计算机本身存在硬件资源受限和网络环境复杂等 问题，传统的桌面计算软件的设计模式和支撑体系不能满足可穿戴计算的需要。 鉴于以上研究，本文以可穿戴计算机在企业现场作业辅助方面的应用为背 景，针对企业移动作业的工程技术人员所提出的远程多人协同需求，提出建立可 穿戴多人协同支撑软件系统( w e 础l b l ec o m p u t e rs u p p o r t e dm u l t i p l a y e r c 0 1 1 a b o r a t i v es o rs y s t 锄，w c s m c s s ) ，针对其具体实现研究相关的系统框架构建、 多设备高效协同以及多人协同模式等关键技术。主要内容和创新之处可概括为： 针对构建可穿戴多人协同系统在系统结构方面的特殊需求，将p 2 p ( p e 昏 t o p e e r ) 协议与o s g i ( 0 i p c l l s e r v i c e s g a t e w a y i n i t i a t i v e ) 等技术相结合，设计具 备自组织、模块化、可扩展等特征的软件框架，并以此框架为基础构建了以表现 层、服务层、中间层、网络层为核心的四层软件体系结构。 围绕设计出的四层软件体系结构，研究其具体实现。内容包括：以头戴显示器 和平板显示器两种模式下的界面设计构建表现层；以实际应用中提出的远程觉察、 远程列席、远程交流、远程指点、远程感知以及远程操控等需求为目标，开发出 各种远程协同功能( 在线人员列表、文字聊天、音视频协助、远程桌面协助、白 板协助) 构建服务层；以提升系统效率和节约系统资源为目标，通过对服务管理 器、资源管理器、事件管理器的实现构建中间层；针对系统的工业应用背景、以 车间的网络环境为基础构建网络层；最后，针对可穿戴计算机软件系统的特殊要 求，提出服务的动态加载、感知服务及服务预取两种系统优化策略。 针对多人协同任务的可靠性、可用性等评估需求，设计出以模拟车间环境为实 验场景，评估所实现的多人协同系统的实用性能，分析实验结果，完善系统设计， 提炼关键技术。 实验结果证明，本系统在功能上能较好的满足现场作业人员的远程协同需求， 摘要 且能在硬件配置较低的可穿戴计算机上良好的运行，整体层次架构合理、具有可 扩展性，在对于可穿戴计算机软件系统的设计上具有参考意义。 关键词：可穿戴计算，协同系统，o s g i ，p 2 p w b 删b l ec o m p u t i n gi sab r a n d n e wc o n c 印ta i l d 唧u t i n gm o d ef o s t e r e db yt l l e c 0 n s t a mc o m p u t c rm i c r o m a t i o n 肌di n t e l l i g e n t i z a t i o nw i ma p e o p l e - o r i 铋t e d i d e a i l l t h i sc e l l t i l r y ，w i mt l l er a p i d d e v e l o p m e n to fm a t e r i a l sa i l dc o m p u t e rt e c h n o l o 西e s ， w e a r a b l ec o r n p u t e r sh a sb e e i lu s e di nt h em i l i t a r y ，i i l d u s 研a l ，a e r o s p a c e ，m e d i c a la n d o t h e r 矗e l d sb e c a u s eo fi t s w e 砸b l e 翎啊r o n m e i l t a la d a p t a b i l i 戗a n db 甜e r h u m a i l c o m p u t e ri n t e r a c t i o na b i l i 够h o w e v a san e wc o n c e p t ，w e 砸b l ec o m p u t i n gi s s t i l lf a c i n g 缈a td i 伍c u l t i e s e s p e c i a l l yi nt h es o 脚a r ef i e l d ，d u et oi l l l l e l l tw e 出l e s s e s i i l1 i m i t c dh 鲫d w a r er e s o l l r c e sa l l dt h ec o m p l e xn e 呐o r k 既、，i r o n m e i l t ，t l l et m d i t i o n a l d e s k t o pc o m p u t i n gs o f t w a r ed e s i g np a t t e m sa i l ds u p p o r ts y s t 锄sc a nn o tm e e tt l l en e e d s o fw e a r a b l ec o m p u t i n g h lv i e wo fm ea b o v ep r o b l 锄s ，b a s e d0 nt h er e m o t ec 0 1 l a b o r a t i v ea p p l i c a t i o n so f w e a r a b l ec o m p u t e r 缸t h e 铋t e r p r i s e 矗e l d ，w eh a v ep r o p o s e dt l l ee s t a b l i s l l l l l e n to f w e a r a b l ec 0 m p u t e rs u p p o r t e di n u l t i p l a y e rc o l l a b o r a t i v es o rs y s t 锄( w c s m c s s ) h 1 廿l i sp a p w eh a v eb u i l tm es y s t e l ：i l 仔a m e w o r ka 芏l ds t u d i e de m c i e n tc o l l a b o r a t i v e t e c l l i l o l o 百e s t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n sc 弛b es u m m a r i z e da sf o n o w s ： h lo r d e rt 0s a t i s 匆t h en e e d so fw c s m c s s ，t h ep 2 p ( p e e r - 1 o p e e r ) p r o t o c o l 觚d o s g i ( o p e i l - s e 州c e s g a t c w a y - i i l i t i a t i v e ) t e d m o l o 舀e sh a v eb e e i lc o m b i n e dt od e s i 印a s o 脚a r e 舒锄e ，0 r k 蜥t l lc h a r a c t e r i s t i c so fs e l f o 曙a i l i z a t i o n ，m o d u l 撕t ) ra i l de x t 肋d a b l e b a s e do nm i s 觑i i i l e w r o r k ，w eh a v ed e s i 盟e df o u rl a y e r ss o 胁a r es y s t e m ，i n c l u d i n g p r e s e n t a t i o nl a y s e 而c el a y m i d d l el a y e ra n dn e 咐0 r kl a y 既 b a s e do nt 1 1 ea b o v es o 小a r em i l i l e w o r k ，w eh a v es t u d i e di t ss p e c i f i cr e a l i z a t i o n r w ok i l l d so fd i s p l a ym o d e l s ( h e a dm o u l l t e dd i s p l a ya n df l a tp 强e 1d i s p l a y ) h a v eb e e l l d e s i 印e dt ob u i l dm ep r e s e n t a t i o n1 a y 既b a s e d0 nt h e 谳n o t ec o l l a b o r a t i v ea p p l i c a t i o n s ( 崩n o t ea w a r e ，r 锄o t ea t t e i l d a n c e ，r 锄o t ec 0 衄i c a t i o n ，崩n o t ep o i n t i n 岛r e i l l o t e s e n s i n ga n dr 锄o t ec o n 仃d 1 ) ，l d n d so fr e l n o t ec 0 1 1 a b o r a t i v ef l l i l c t i o n s ( o i l l i n e1 i s to f p e o p l e ，t e ) 【tc h a t ，a u d i o 觚dv i d e 0 船s i s t 柚r 锄o t ed e s k t o pa s s i s t a n c e ，w 1 1 i t e b o a r d 舔s i s t a i l c c ) h a v eb c e i ld e s i 朗e dt 0b u i l d 恤s e i c c1 a y 瓯础ma te l l l l a i l c i n gs y s t 锄 e m c i e i l c y 锄ds a _ 访n gs y s t e mr e s o u r c 姻，t l l es e r v i c em a l l a g r 豁o u r c cm a i l a g e ra n d i i i a b s t r a c t e v 朗tm a l l a g e rh a v eb e e i ld e s i 印e dt 0b u i l dt h em i d d l el a y 既t h en e 觚o r k1 a y e rh 勰 b e c nd e s i 朗e d 蛋叶m eb a c k 舢do fw o f k s h 叩n e 时o r ke 1 1 _ v i r o 】：1 1 t l e n t a c c o r d i n gt 0m e s p e c i a lr e q u i f 锄e i 晒，w eh a v ep r o p o s e ds o m eo p t i i i l i z es 仃a t e 百e s ，i 1 1 c l u d i n gd y n a m i c s e r v i c e sl o a d i l l & a w a r es e r v i c e sa n ds e r v i c e sp r e f e t c h i n g a c c 0 r d i n gt 0t 1 1 ec o l l a b o r a t i v et a s k sd e m a i l d s 矗d rr e l i a b i l i t ) r a i l da v a i l a b i l i 坝w e h a v ed e s i 弘e dm el a bs c e i l et os i m u l a t et l l ew o r k s h o p 锄啊r 0 衄e i l tt o 嬲s e s st l l e p r a i 。t i c a lp 晌a i l c eo ft h es y s t 锄n r o u 曲a 1 1 a 1 ) ，z i n g 廿1 ee x p 耐m 吼t a lr e s u l t s ，w e h a v eo p t i m i z e dt l l es y s t 锄d e s i 髓a i l dr e f i n e dk e yt e c l l n o l o 百铝 1 1 1 ee x p 谢m e l l t a lr e s u l t ss h o wt l l a t “ss o rs y s t e mc a i ln l nb e t t e rf o rr e l n o t e c o l la _ b o r 撕o n ，龇l dh a v eag o o dp e r f o m l a i l c eo nm el i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c 鼯t h e w p h 0 1 es o 脚a r e 舒a m e w o r ki sr e a s o n a b l ea i l de x t e i l s i b l e i t sv a l u a b l et 0g u i d em ed e s i 鲈 o f w e a r a b l ec o m p u t e rs o f 时a r es y s t e m k q 例o r d s ：w e a r a b l ec o m p u t i i l g c 0 1 l a b o r a t i v es y s t 锄s ，o s g i ，p 2 p - 第一章绪论l 1 1 选题背景1 1 1 1 关于可穿戴计算1 1 1 2 可穿戴计算的工业应用研究现状3 1 1 3 国内外协同软件系统的调查4 1 2 研究内容及意义6 1 2 1 研究内容6 1 2 2 研究意义6 1 2 3 本文创新之处7 1 3 论文组织结构7 第二章w c s m c s s 分析与总体设计8 2 1 可穿戴机软件系统面临的特殊问题8 2 2 可穿戴机软件系统的设计要求l o 2 3w c s m c s s 模型的建立1 1 2 3 1 系统需求分析1 1 2 3 2o s g i 概述与动态自适应的软件体系架构1 4 2 3 3 系统模型建立1 6 2 4 本章小结1 8 第三章w c s m c s s 具体设计和实现1 9 3 1 表现层研究1 9 3 1 1 两种显示模式下的界面设计与置换策略1 9 3 1 2 基于t w i d d l e r 设备的输入设计2 4 3 2 服务层研究2 5 3 2 1 登录服务2 5 v 目录 3 2 1 即时通讯服务2 8 3 2 2 1 在线人员列表2 9 3 2 2 2 文字协助3 0 3 2 2 3 音视频协助3 1 3 2 2 4 远程桌面协助3 5 3 2 2 5 白板协助3 7 3 3 中间层研究3 9 3 3 1 服务管理器与动态的服务加载3 9 3 3 2 资源管理器与感知服务4 3 3 3 3 事件管理器4 6 3 4 网络层研究4 7 3 4 1 车间协同环境的网络拓扑结构4 7 3 4 2 无线传感网络与定位服务4 8 3 4 3p 2 p 网络的弓l 入5 0 3 5 本章小结5 2 第四章w c s m c s s 实验及测试5 3 4 1 系统实验环境设计5 3 4 1 1 硬件平台5 3 4 1 2 软件平台5 4 4 1 3 场景设计5 4 4 2 系统测试5 4 4 2 1 系统功能测试5 4 4 2 2 系统性能测试6 0 4 3 本章小结6 2 第五章总结及展望6 3 5 1 工作总结6 3 5 2 未来展望6 4 致谢6 6 目录 参考文献6 7 附录7 0 攻读硕士学位期间取得的研究成果7 8 v i l 绪论 绪论 可穿戴多人协同支撑软件系统( 后面简称为：w c s m c s s ) 是一个建立在移动 计算平台上的协同工作，对人机交互技术和方式、多媒体技术、网络通信技术有 着更新、更高的要求。本章将简要介绍可穿戴计算的概念以及发展概况，随后针 对本文的工业应用背景讨论可穿戴计算在工业方面的研究及计算机支持的协同系 统( c o m 】) u t e rs u p p o n e dc o n a b o r a t i v ew 6 r k ，c s c i w ) 的研究现状，以及存在的问 题。最后介绍本论文的总体结构和展开的工作。 1 1 选题背景 1 1 1 关于可穿戴计算 1 ) 可穿戴计算的概念 可穿戴计算是一种随着计算机不断向微型化、智能化发展而应运而生的一种新 颖的围绕“以人为本 提出的一种崭新的概念和计算模式【。而可穿戴计算机 ( w e a r a b l ec o m p u t e r ) 作为可穿戴计算理念的载体也以一种新型计算机的姿态出 现在多个领域，并引起了各界的高度关注。 可穿戴计算机是一类超微型、可穿戴的个人移动计算系统，它属于用户的个人 空间，通过人机之间的交互来实现信息的存取。可穿戴计算机强调以自然的穿戴 形式提供计算功能，弱化机器的概念。计算系统不是以机器形式出现，“机器 将 最终从我们的视线中消失，计算系统是嵌入在衣物、挎包、腰包、腰带、手表、 首饰或其他装饰物等物品中的，我们体验到的只是“服务 。而这种新的计算模式 以弱化“传统计算为主要任务，突出增强人的能力( 智能，感知能力和体能) ， 以辅助人为目的，将使我们产生“计算依赖，使我们需要计算就像需要衣物一样。 在学术上，根据加拿大多伦多大学的m 猢博士的观点，可穿戴计算可由三种使 用模式与六种属性来进行定义。 其中，对于三种使用模式的定义是持续性( c o n s t a i l c y ) 、增强性( a u g m e n t a t i o n ) 和介入( m e d i a t i o n ) 性。如图1 1 所示，持续性指的是可穿戴计算机总是处于工 作、待用、可存取状态；增强性指的是用户做其他事情的同时由计算机主动的提 电子科技大学硕士学位论文 供服务，增强的是人的智能和感知能力；介入性指的是计算机在用户与外界交流 过程中起到信息过滤的作用，使得用户得到的始终是自身渴望得到的信息。 图1 1 可穿戴机的三种使用模式 它的六种基本属性可定义为：非限制性( u n r e s 仃i c t i v et 0 廿1 eu s e r ) 、非独占性 ( u m o n 叩0 1 i z i n g ) 、可观性( o b s e a b l eb yu s e r ) 、可控性( c o n 们1 1 a b l eb yu s e r ) 、 环境感知性( a t t e n t i v et 0 虹l ee n v i r o 衄e n t ) 、交流性( c 锄m u l l i c a t i v et oo 廿l e r s ) 【2 1 。 根据学术界对可穿戴计算的普遍观点，我们可以认为可穿戴计算机的实质是为 用户建立起物理空间到计算空间的映射关系并且使用户的计算空间能够感知、理 解、预判用户的行为。通过人机交互在恰当的时候给予用户准确的反馈和协助以 实现人机一体的关系。 2 ) 可穿戴计算机的研究历程与现状 自上世纪6 0 年代开始，可穿戴计算机在实验室中就开始萌芽。9 0 年代后期， 可穿戴计算机开始走出实验室进入商业化阶段，在军事、工业、消费电子、医疗 等领域中开始崭露头角。下表是可穿戴计算机的发展历程。 表1 1 可穿戴计算机的发展历程 年代国家 发起人 主要贡献 2 0 世纪6 0 年代美国 e d w 砌o 1 1 1 唧 为研究“轮盘赌”游戏而研制的包含4 个按键的模拟计算机系统【3 】 2 0 世纪7 0 年代加拿 s t e v e n m a n n 以现代计算机为核心、由c r t 为头戴显 大 示设备且由电池作为供电的可穿戴计 算设备 2 0 世纪9 0 年代美国卡耐基梅隆大学v u m 跹系列可穿戴计算机并开始应用 于军事系统的设备维护 本世纪以来全球 著名高校实验室、 可穿戴计算机开始应用于军事以及民 美国军方等 用电子领域，并开始了飞速发展期 随着以嵌入式、w 曲技术等为代表的后p c 和w 曲2 o 时代的到来，可穿戴计 算作为一门交叉性学科伴随着移动计算和微电子、多通道交互技术的快速发展已 2 第一章绪论 经面临着巨大的挑战和发展机遇。就国内外研究现状来看，以美国为首的发达国 家无论是从国家投资还是大学实验室研究项目来看都已经走到了前列。我国也于 2 0 世纪末开展了可穿戴计算的研究，但是与发达国家相比还有不小的距离。 3 ) 可穿戴计算机的软件研究与现状 国外的可穿戴计算机的软件研究还没有形成一套成熟的研究模式和软件支撑 机制，大部分的软件系统仍然以桌面计算机和嵌入式计算机的软件系统为主，但 是无论是桌面计算机系统还是嵌入式系统都无法满足可穿戴计算机软件的独特需 求。就目前来看，国外许多大学和研究机构对可穿戴计算机的软件系统的研究还 处于探索阶段，研究成果层出不穷【4 】。现在国外比较有代表性的软件体系结构包括： 美国o r e g a l l 大学的n e t m 锄体系结构、英国e s s e x 大学的s u l a w e s i 体系结构、英 国b r i s t 0 1 大学的节能事件驱动模型结构、芬兰n o k i a 研究中心的m e x 软件模型以 及英国l e e d s 大学的交互式可穿戴计算机软件体系结构等。这些软件体系结构的研 究侧重点和硬件平台都不相同，但是对探索适合可穿戴计算机的软件系统有了开 拓性的成果。国内的可穿戴计算机软件系统的研究还处于起步阶段。 1 1 2 可穿戴计算的工业应用研究现状 基于可穿戴计算理念开发的可穿戴计算机具有移动性强、隐蔽性高、解放双手 等许多功能，所以它在军事、工业、新闻、医疗、抢险救灾等领域都有广阔的应 用前景。特别是在工业领域，特殊的工作场合和环境条件直接促使了工业生产活 动对可穿戴计算机的应用需求。本世纪以来，工业领域的研究成果层出不穷，概 括起来主要集中在以下方面。 1 ) 技术信息辅助 使用可穿戴计算机为作业人员提供相关的技术信息，包括生产计划、技术资料、 物流信息等【5 】。比较有代表性的应用是匹兹堡国际机场的设备维护和诊断系统，工 作人员通过可穿戴计算机提供的电子手册查阅设备信息并通过增强现实技术对精 密仪器进行内部结构检查。 2 ) 操作训练和绩效支持 通过对可穿戴计算的机器视觉、增强现实、位置姿态估计等技术的应用，设置 一个现实工厂车间的虚拟环境，提供仿真的工作环境对作业人员进行操作训练。 穿戴在身上的计算机系统能通过传感器等设备有效的检测作业人员身体状态和操 作技巧，实现对作业人员的绩效评估。比较有代表性的应用是日本东京电力工业 3 电子科技大学硕士学位论文 中心研究所基于可穿戴计算机构建的企业消防和电力设备维护作业训练系统【6 j 。 3 ) 环境及设备监控 在可穿戴计算机提供的互联网、无线传感网络等支持下，通过可穿戴计算机对 环境与设备信息的自动获取并经过相应的技术处理后反馈给用户，实现人对环境 及设备的实时监控【刀。目前比较有代表性的应用是核电站的设备维护和监控系统。 钔专家指导和团队协作支持 在可穿戴计算机提供的网络条件的支持下，为现场作业人员提供专家指导及团 队协作功能，给作业人员带去和传统桌面计算机不一样的体验【8 】。目前比较有代表 性的应用是美国o r e g o n 大学基于可穿戴计算机开发的n e n 儿系统在校园网的 设备维护上的应用。 1 1 3 国内外协同软件系统的调查 协同，是指协调两个或者两个以上不同资源或者个体，协同一致的完成某一目 标的过程或者能力【9 】【1 0 】。计算机支持的协同工作( c o n l p u t e rs u p p o n e dc 0 0 p e r a t i v e w ，o r k ，缩写为c s c w ) 最早由美国麻省理工学院的i r 饥eg r e i f 和d e c 公司的p a u l c a s l 皿a n 在1 9 8 4 年提出来的，用于描述他们所组织安排的如何用计算机支持来自 不同领域与学科的人们共同工作的课题，并缩写为c s c w 。它代表的是一个群体 协同的完成一项共同的任务。c s c w 是一门综合学科，它融合了计算机科学、软 件工程、社会学等多个学科，并经过了2 0 多年的发展，受到日益广泛的重视。c s c w 的意义在于给不同时间不同地点的人提供一个统一的平台来完成一个共同的任 务，这个平台就是一个协同工作环境，它使得人们可以“面对面”的来处理某一 问题。从提高工作效率的角度来看，它使得计算机的功能从提高某一成员个体工 作效率转变到提高整个团队的工作效率上来。 1 1c s c w 的工作模式 表1 2c s c w 的主要工作模式 磊广时回 同步 异步 本地局域网会议室 电子布告栏 远程实时分布式视频会议电子邮件 人们在协作的完成某一特定任务的过程中，分为同时同地、同时异地、异地同 时、异地异时四种情况。从计算机的任务角度来讲，上面四种情况可以总结为四 种工作模式：同步模式、分布式同步模式、异步模式、分布式异步模式。表1 2 4 第一章绪论 是目前较典型的四种工作模式案例。 2 ) c s c w 的体系架构 目前有三种常见的c s c w 体系架构：集中式( c s 或b s ) 、全复制式( 纯p 2 p ) 、 混合型( 图1 2 ) 。目前大多数的协同体系架构都采用的集中式的架构，这种架构 需要预先安装服务器并配置服务器软件，很难适应可穿戴计算机的移动协同的需 要【1 1 1 。所以，需要研究p 2 p 网络下的协同机制是当今协同系统的发展趋势，它可 以用更自然和更现实的方式来解决当前协同工作系统存在的问题。就目前国外的 研究来看，基于p 2 p 协同机制的系统主要有c r o q u e t 和e up r o j e c tm o t i o n 。 集中式 图l - 2 c s c w 体系结构 x 3 ) 国内外典型的c s c w 系统 目前，国内外基于c s c w 的成熟的应用系统比较多，包括i b m 、微软、o r a c l e 等公司都纷纷推出自己的c s c w 产品，虽然不同产品的软件功能不同但是大多采 用b s 架构。比较有代表性的产品有： a ) 竟开协同之星协同办公系统( g k s 吖浓) 这是目前国内比较有代表性的一款产品，它以敏捷协同架构与引擎为基础平 台，针对企业和政府组织协同办公的实际需求，研制开发的第一套真正具备敏捷 协作功能的跨部门跨区域实时办公系统。也是国内第一套跨越了有线、无线、局 域网和互联网信息和通讯平台的办公系统。 b ) k a z a a k a z a a 是一款采用混合型架构的优秀协同软件系统，它的服务器只用与保存 用户资料和支持登录服务，不会干预协同客户端之间的协同活动。它同时是一款 非常优秀的点对点文件共享工具，提供用户下载分享出来的资源，简易的搜寻， 并快速的找到想要的文件，包括音乐、影片、软件、游戏、图片以及文件。 c ) g r o o v e o v e 是l 0 t u s 的创始人r a yo z z i e 的作品。它的工作原理就是基于p 2 p 来实 现协作，其方法就是在项目内各个团队成员的计算机上创建一个完全同步的区域， 在这个区域内所有的讨论、文件、事件、表格、日历将完全自动与项目其他成员 5 电子科技大学硕士学位论文 同步，而且还提供了仿似即时通讯的功能，g r o o v e 还可扩展提供到后台的链接， 适应性极强。 1 2 研究内容及意义 1 2 1 研究内容 本课题以可穿戴计算机在工业现场作业辅助方面的应用为背景，针对工业移动 作业的工程技术人员所提出的远程多人协同需求，提出建立可穿戴多人协同软件 支撑系统，针对其具体实现研究相关的系统框架构建、多设备高效协同以及多人 协同模式等关键技术。具体研究内容包括以下方面： 1 ) 针对构建可穿戴多人协同系统在系统结构方面的特殊需求，将p 2 p ( p e 昏 t o p e e r ) 协议与0 s g i ( c 巾e 1 1 s e 州c e s g a t e w a y - i i l i t i a t i v e ) 等技术相结合，设 计具备自组织、模块化、可扩展等特征的软件框架，支持软件模块的动态交互、 动态插拔、积累、动态改变。 2 ) 适应实际应用中提出的远程觉察( r e m o t ea w a r e n e s s ) 、远程列席( r e m o t e p r e s e n c e ) 、远程交流( r e m o t ep r e s e l l t a t i o n ) 、远程指点( r e m o t ep o i n t i n g ) 、远 程感知( r e m o t es e n s i n g ) 以及远程操控( r e m o t em a l l i p u l a t i o n ) 等需求【1 z j ，针 对实际应用中面临的可穿戴计算系统交互设备的多样性和异构性，以上述构建 的可穿戴多人协同系统框架为基础，研究设备层次上的远程协同模式，并提出 具体的技术实施方案。 3 ) 研究多场景、多设备、多界面下的多人协同应用，在设备层次的远程协同机制 支撑下，结合j m f ( j a v a - m e d i a - f r 锄e 、釉r k ) 、e q u i n o x 、s w i n g 等软件开发环 境和工具，基于可穿戴多人协同系统框架构建实用系统，以辅助人员在多人协 同下完成各种复杂的现场级设备作业任务。 钔针对多人协同任务的可靠性、可用性等评估需求，设计实用实验，评估所实现 的多人协同系统的实用性能，分析实验结果，完善系统设计，提炼关键技术， 形成相关技术方案，就研究成果撰写学术论文。 1 2 2 研究意义 可穿戴多人协同软件支撑系统的研究，将能有效的适应工业、企业等移动作业 的工程技术人员所提出的各种远程协同需求，为构建各种实用的远程协同应用功 6 第一章绪论 能( 如文本语音视频交互，文件共享，远程桌面，电子白板等) 提供系统基础 结构上的有效支持，从而能为人员提供适时、适地、适需的技术指导和信息支持， 达到缩短工作时间、提高协助效能、降低技术资料管理费用之目的。研究技术先 进、结构开放且可适应当前和今后作业的可穿戴设备系统的协同软件支撑系统， 对于提高企业人员现场工作效率具有重要意义。 1 2 3 本文创新之处 结合目前国外典型的可穿戴计算机软件系统和具有代表性的协同软件系统，本 文的主要创新之处可概括为： 1 ) 将协同系统与可穿戴计算机在工业方面的应用有效的结合起来，针对现场作业 人员的各种远程需求构建出相应的协同功能。与传统的协同软件相比，更具有 适合现场作业的专业性的特征。 2 ) 提出了一种基于服务的可穿戴计算机软件体系结构模型，该软件体系结构具有 动态性、自适应性和开放性等特点。并且通过对服务管理器的设计支持了服务 的动态加载，通过对资源管理器设计支持了服务的感知与预取。 3 ) 引入了p 2 p 技术实现了基于i p 组播的协同工作模型。 1 3 论文组织结构 整个论文可分为五章，第一章从宏观上讲述可穿戴计算机软件系统的研究背 景、现状和论文总体结构；第二章首先分析了系统需求并引入了o s g i 的面向服务 的软件设计方法，随后建立了系统模型。第三章以系统模型为基础，分层对系统 开发工程中的关键问题和解决方案进行了分析和阐述。第四章设计了实验场景， 分别对系统的功能性和非功能性需求进行了测试。第五章为总结部分，介绍了系 统存在的不足和未来的研究方向。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章w c s m c s s 分析与总体设计 作为一种崭新的计算模式，可穿戴计算软件系统在运行方式( 移动性、持续性) 和交互方式( h a l l d 能e 、增强现实、环境感知) 上的特殊性决定了它要打破传统 桌面计算软件的框架，采用一种全新的软件支撑机制。为了克服可穿戴计算机在 硬件资源、通信、能源上的受限性，并发挥其在移动计算、适应异构环境、人机 交互能力突出上的优点，本章结合可穿戴计算机的特点介绍和分析了可穿戴软件 系统所面临的特殊要求和需要解决的特殊问题，并以可穿戴计算机在企业现场作 业辅助方面的应用为背景，针对企业移动作业的工程技术人员所提出的远程多人 协同需求，提出建立w c s m c s s ，针对其具体实现研究相关的系统框架构建。 2 1 可穿戴机软件系统面临的特殊问题 1 ) 资源受限性 a ) 计算能力受限 可穿戴计算机在硬件表现上是一种微型化、轻型化的计算机系统，这同时也决 定了它是一种资源非常受限的计算平台。在硬件设计时，需要充分考虑到它体积 和重量上的特点，因此设计应该非常紧凑，而由此衍生出来的电源续航能力、系 统散热、存储能力等参数就会比普通的桌面计算机小，从而大大的限制了可穿戴 计算机硬件的功能和计算及存储能力。 但同时，作为一种移动计算平台和交互方式上的特殊性，可穿戴计算机往往需 要处理大量的计算，比如环境感知、增强现实等等。因此，可穿戴计算机的软件 系统设计就变得尤为重要。一个适合可穿戴计算机的软件系统必然是做到了能有 效的管理硬件资源，能够通过网络系统合理的借助外界资源。 b ) 通信受限 可穿戴机是一种移动计算平台，所以通信方式上往往采用无线通信模式，这与 传统p c 基本依靠i n t e m e t 通信有很大不同。通常在室内或者小范围内工作，可采 用w i 通信，但是在环境恶劣或者是无线通讯受限的情况下如何依靠自身资源完 成通信任务便是可穿戴计算机需要解决的一个技术难题【1 3 】【1 4 1 。 曲能源受限 8 第二章w c s m c s s 分析与总体设计 从第一台被认可的以现代计算机为核心的可穿戴计算机的出现到现在，可穿戴 计算机所依靠的主要电源都是电池。随着电子器件微型化和计算机轻型化发展的 趋势，电池在可穿戴计算机中的比重也是越来越大。现在一套实验室用的可穿戴 计算机大约是5 公斤，其中一半的重量来自电池。从另一方面来讲，为了实现可 穿戴机持续性的特点，它注定了要比目前的掌上电脑、智能手机消耗更多的电能， 由此可见能源已经成为可穿戴计算机不断向微型化、轻型化发展的主要障碍。如 何设计一套高效节能的计算机软件系统，实现用电方式的最佳管理也是可穿戴机 的软件系统必需解决的一个问题。 2 ) 硬件平台及设备多样性 不同于传统的桌面p c 有标准的硬件设备标准，可穿戴计算机常常表现出硬件 平台及设备的多样性( 图2 1 ) 。围绕着“机器以人为本的设计思想，目前世界 上的可穿戴机研发团队有着各种各样的设计思想和方法，从单一的笔记本式的设 计到分散到人全身装备的分布式设计都可叫做可穿戴机。因此，如何设计出一套 开放、可扩充、有不同平台解决方案的软件系统就成为了可穿戴机软件研发工程 师所必需关注的问题。 曩汐蕊圈 一露圈 图2 1 各种各样的可穿戴机设备 3 ) 计算环境的动态性和异构性 可穿戴计算机在移动通信的过程中，与之通信的实体都是周围环境中的智能设 备的一个子集，这个子集是动态决定的，随着穿戴用户的移动而不断改变的。所 以，可穿戴计算机的计算环境可以看作是具有自我改变的一个拓扑网络结构，而 穿戴机本身就是上面的一个访问节点【1 5 】。这张拓扑网上面的设备也是多种多样的， 它们有独立的硬件平台和异构的操作系统，提供各种不同的服务。同时，网络节 点之间的通信手段也是多样的，比如8 0 2 1 1 无线、红外、蓝牙等等。不同的通信 手段有不同的通信特点和带宽、安全机制、容错率等等。因此，可穿戴计算机需 要一套能提供对动态异构环境具有自适应性的软件支撑体系，使得可穿戴机用户 能够在异构的计算环境中无缝移动和有效运行，并提供设备和服务的抽象模型， 9 电子科技大学硕士学位论文 屏蔽服务提供者，建立统一的服务空间。 2 2 可穿戴机软件系统的设计要求 1 ) 对计算环境的开放性 可穿戴计算虽然处于移动计算的范畴，但是它周围的环境是异构的，是由普适 的计算环境构成的。可穿戴计算机在运动过程中，需要动态的感知周围的环境， 需要与异构的环境设备进行通信，这也是它区别与其他桌面计算机和移动计算设 备的最主要的特点。因此，需要设计一个开放的计算环境来满足可穿戴计算机移 动性的需要。 2 】动态自适应的软件快速重构 我们知道，可穿戴计算机的硬件资源和支撑能源都是十分有限的，如何最大限 度的发挥计算机的性能、增强计算机的持续性都是设计软件系统的必须要注意的 问题。可穿戴计算机用户在某一时刻只会用到特定的软件模块和硬件资源，因此， 设计一套具有动态自适应的软件快速重构系统，针对不同的应用场合，让软件智 能的模块化动态重组是解决可穿戴计算机计算和资源能力受限问题的重要途径 【1 6 】 o 3 ) 支持特殊的交互方式 可穿戴计算机有三大交互方式上的特点：h a l l d f r e e 、增强现实、环境感知。 它的人机交互理念是“人机一体 、“计算机围着人转 ，由计算机充当人体的一部 分，实现人机功能的扩充，以此提高人的整体计算和交互能力。可穿戴计算机的 人机交互中要求由计算机来感知人，对穿戴者的知识、行为、目的甚至是情绪和 情感来进行建模，预测用户的需求，并且自动的改变界面和交互方式来适应人的 需求。这种特殊的交互方式需要设计一套特殊的软件支撑体系。 4 ) 支持实时任务处理 可穿戴计算机用户的环境是实时的，任务也是实时的，计算机需要实时的感知 周围的环境，调用相应的服务( 语音服务、视频服务、定位服务等) 来满足穿戴 者的要求。因此，可穿戴计算机的软件系统需要能支持实时任务处理，可以动态 的反应环境变化，能支持实时多通道交互和增强现实交互，支持实时音频数据处 理。 5 ) 可靠性要求 用户使用可穿戴计算机的过程中，运动姿态的操作占据了大部分的使用时间， l o 第二章w c s m c s s 分析与总体设计 在用户运动过程中，机器难免有碰撞、抖动、电磁干扰、通讯中断等引起的故障 发生，因此可穿戴计算机的软件系统还需要有一定的容错能力和意外处理机制。 2 3w c s m c s s 模型的建立 2 3 1 系统需求分析 可穿戴计算机具备高移动性、便利的人机交互方式，它的潜在应用价值在穿戴 机研究的早期就被工业界所看中。结合工业生产特点开发的可穿戴机具备持续 ( c o n s t a l l c y