（计算机科学与技术专业论文）基于本体的上下文感知计算模型的研究与应用.pdf

本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特另l j j n 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 武汉理工大学或其他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已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：拯象f t 期：幽臣强i 墨造 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢引鹤卜苏承靳湓釉：弘醐测帅m 性 创 独 摘要 普适计算已经成为当今世界的一个研究热点，国内外学者在普适计算方面已 经做了大量的研究工作。普适计算要求做到信息空间和物理空间的融合，用户可 以随时透明地获得需要的服务。上下文感知计算技术作为普适计算的一项关键技 术，已经成为普适计算研究中的重要环节。系统要为不同用户提供实时且适当的 服务就必须能够感知当前的上下文环境，根据当前的上下文环境来为用户提供个 性化的服务。然而环境和用户具有多样性和动态性，这就给上下文信息的表示、 获取、存储等带来了技术挑战。要想开发基于上下文感知计算的应用，那么必须 对上下文的建模、感知和处理等问题提出一种切实可行的解决方案。 论文在对已有的上下文感知技术进行研究和探索基础上，提出了一种基于本 体上下文感知计算的应用框架模型c a c f o ，并结合智能实验室系统讨论了基于 c a c f o 的具体应用设计，主要工作包括： 1 、介绍了普适计算和上下文感知计算等相关理论概念，分析了上下文感知 计算中的国内外研究现状、关键技术点和发展趋势。 2 、在对具有代表性的上下文感知计算技术进行分析和比较基础上，提出一 种基于本体的上下文感知计算的应用框架c a c f o 。该应用框架包括上下文适配、 上下文感知计算、服务管理和上下文应用四个层次结构和一个上下文的存储管理 模块，具有较好的通用性。 3 、设计了基于c a c f o 的智能实验室系统，详细介绍该智能实验室系统的运 作流程、本体构建方法、技术路线和部分功能的实现。 4 、结合实验对应用框架和系统进行分析，指出系统和框架的不足之处，并 对课题研究工作进行总结和展望。 论文在分析比较当今各种上下文感知技术的优缺点后，搭建了一种基于本体 的上下文感知应用框架，最后对此应用框架进行智能实验室系统的设计与部分实 现。 关键字：普适计算，本体，上下文感知，c a c f o ，智能实验室 a b s t r a c t p e r v a s i v ec o m p u t i n gi sah o t s p o ti nc u r r e n ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw o r l d ，a n d m a n yr e s e a r c h e r sh a dd o n es o m ew o r ko np e r v a s i v ec o m p u t i n ga l lo v e rt h ew o r l d t h ef u s i o no fi n f o r m a t i o ns p a c e sa n ds p a c ep h y s i c sa n dp e o p l ec a ng e ts e r v i c e s t r a n s p a r e n t l yw h i c ha r en e c e s s a r yc o n d i t i o n s i n t h e c o n c e p t i o n o fp e r v a s i v e c o m p u t i n g a sak e yt e c h n o l o g yo fp e r v a s i v ec o m p u t i n g , c o n t e x t a w a r eh a sb e c o m e a l li m p o r t a n tl i n ko fp e r v a s i v ec o m p u t i n gr e s e a r c h s y s t e mp r o v i d e sr e a l - t i m ea n d a p p r o p r i a t es e r v i c ef o rd i f f e r e n tu s e r sm u s tb ea b l et op e r c e i v et h ec u r r e n tc o n t e x t e n v i r o n m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o n t e x te n v i r o n m e n tt op r o v i d eu s e r sw i t h p e r s o n a l i z e ds e r v i c e e n v i r o n m e n ta n du s e r sh a v ed i v e r s i t ya n dd y n a m i c , w h i c hi sa t e c h n i c a lc h a l l e n g et ot h ec o n t e x ti n f o r m a t i o nr e p r e s e n t a t i o n ，a c q u i s i t i o na n ds t o r a g e i no r d e rt od e v e l o pt h ea p p l i c a t i o nb a s e do nc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g , f e a s i b l e s o l u t i o no fc o n t e x tm o d e l i n g , a w a r e n e s sa n dp r o c e s s i n gm u s tb ep r o p o s e d t h i st h e s i sd o e ss o m er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o nw o r k so nt h ee x i s t i n gc o n t e x t a w a r e n e s st e c h n o l o g y , p r o p o s e sac o n t e x t a w a r ec o m p u t i n gf r a m e w o r kc a c f o ，a n d d i s c u s s e st h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nd e s i g nb a s e do nc a c f oc o m b i n e dw i t hs m a r t l a b o r a t o r ys y s t e m t h em a i nt a s k sa sf o l l o w s ： 1 d e s c r i b e st h ep e r v a s i v ec o m p u t i n ga n dc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g , a n do t h e r r e l a t e dt h e o r e t i c a lc o n c e p t s ，a n a l y s e sc o n t e x t a w a r ec o m p u t i n gi nt h ec u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o n ，t h ek e yt e c h n i c a lp o i n t sa n dt r e n d s 2 p r o p o s e sac o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gf r a m e w o r kc a c f o b a s e do no n t o l o g y a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et y p i c a lc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gt e c h n o l o g i e s ， t h i s a p p l i c a t i o nf r a m e w o r kc o m p o s e do fc o n t e x t o f a d a p t a t i o n ,c o n t e x t a w a r e c o m p u t i n g , s e r v i c em a n a g e m e n ta n dc o n t e x ta p p l i c a t i o ns t r u c t u r el e v e l sa n do n e c o n t e x ts t o r a g ea n dm a n a g e m e n tm o d u l eh a sg o o dv e r s a t i l i t y 3 d e s i g n e ds m a r tl a b o r a t o r ys y s t e mb a s e do nc a c f o ，d e t a i l e dd e s c r i b e st h e o p e r a t i o no ft h es m a r tl a b o r a t o r ys y s t e m ，o n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t e c h n o l o g y r o a d m a pa n dt h er e a l i z a t i o no fs o m eo ft h ef e a t u r e s 4 a n a l y z ea p p l i c a t i o nf r a m e w o r ka n dt h es y s t e mc o m b i n ew i t ht h ee x p e r i m e n t ， p o i n t e do u tt h a tt h ei n a d e q u a c yo ft h es y s t e ma n df r a m e w o r k , a n ds u m m a r i z et h e r e s e a r c hw o r ka n dp r o s p e c t s t h i st h e s i sa n a l y s e sa n dc o m p a r e sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u s p r e v a l e n t c o n t e x t - a w a r e t e c h n o l o g i e s ，b u i l d s a l l o n t o l o g y b a s e d c o n t e x t - a w a r e a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，t h el a s td e s i g n sa n dp a r t i a l l yi m p l e m e n t s t h es m a r tl a b o r a t o r y s y s t e mb a s e d o nt h i sa p p l i c a t i o nf r a m e w o r k k e y w o r d s ：p e r v a s i v ec o m p u t i n g , o n t o l o g y , c o n t e x t - a w a r e ，c a c f o ，s m a r tl a b o r a t o r y r l l 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论。 目录 1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 课题研究思路2 1 4 论文组织结构。3 第2 章上下文感知计算相关技术与理论综述 。4 2 1 普适计算4 2 1 1 普适计算的概念4 2 1 2 普适计算的特点5 2 2 上下文感知计算。6 2 2 1 上下文感知概述。6 2 2 2 上下文感知计算技术要点。7 2 3 上下文感知中的推理9 2 3 1 推理的分类1 0 2 3 2 推理的比较分析1 1 2 4 本体1 2 2 4 1 本体的概述1 2 2 4 2 本体的应用1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章基于本体的上下文感知计算框架 3 1 上下文建模方法1 5 3 1 1 传统的上下文建模方法1 5 3 1 2 基于本体的上下文建模。1 6 3 2 已有相关研究介绍1 8 3 2 1c o n t e x ts h a d o w ：】【8 3 2 2c o n t e x tf a b r i c 1 9 3 2 3c o n t e x tt o o l k i t 2 0 3 2 4c o n t e x tc u b e ：! 】【 3 2 5 框架比较分析2 2 3 3 基于本体的上下文感知计算框架c a c f o 2 2 3 3 1c a c f o 框架结构。o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o2 3 3 3 2c a c f o 框架功能分析2 4 3 3 3c a c f o 框架特点2 9 3 4 本章小结。3 1 第4 章基于c a c f o 的实验室系统设计 3 2 4 1 基于c a c f o 的实验室系统概述3 2 4 1 1 智能实验室系统的研究背景3 2 4 1 2 实验室系统的功能结构介绍3 2 4 2 实验室系统的本体构建3 4 4 2 1 上下文的本体建模3 4 4 2 2 本体的o w l 描述3 6 4 2 3 系统本体的存储3 8 4 3 基于上下文感知的实验室系统的结构解析与设计4 0 4 3 1 实验室系统的层次结构。4 0 4 3 2 实验室系统的概要设计4 2 4 3 3 实现实验室系统的技术路线4 6 4 4 本章小结4 9 第5 章总结与展望 5 1 论文的主要工作和创新点5 0 5 2 研究工作展望。5 1 致谢 参考文献 附录：在校期间发表的学术论文 5 2 5 3 5 6 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 是指物理空间和信息空间的融合，让计算 机成为人们日常生活和工作的一部分，人们可以随时随地透明地获得他们需要的 服务【1 1 。在以往人与计算机系统的交互中，人们必须学会如何使用计算机或者进 行一系列的设置后，才能获得需要的信息或服务，这使人类俨然变成一台坐在机 器旁边的另外一台机器。普适计算提供了一种全新的用户和系统之间的交互方 式，这种交互方式是以人为中心的，这和以往的以服务器和桌面计算机为中心的 交互方式完全不同。人们可以将注意力集中到自己需要的服务或者信息上，而不 是如何获得这些服务或信息的方式上。在普适计算模式下，用户和上下文环境具 有多样性和多变性，要实时而准确地为不同用户提供个性化的服务或信息，就必 须动态地获取当前上下文信息。而这些上下文信息的表示、获取、管理及其处理 的技术就显得尤为突出，这就是论文研究的主要课题。 随着计算机网络技术和嵌入式技术的飞速发展和普遍应用，自普适计算的思 想在1 9 9 1 年被提出以来，人们被普适计算中描述的美好生活深深吸引，为了早 日将普适计算应用于实际生活，国内外学者对普适计算极其关键技术上下文感 知计算做了大量研究工作。上下文感知计算作为普适计算中的关键技术，其技术 是否过关，是能否实现普适计算中描述的美好生活的关键。因此，深入研究上下 文感知计算对普适计算的应用具有深远的意义。 1 2 国内外研究现状 普适计算的思想出现于1 9 9 1 年，而在上个世纪后期此概念才开始在国际上 得到广泛关注，许多相关的研究项目在学术机构和企业被启动，目前已成为一个 具有相当影响力的研究领域。上下文感知计算作为普适计算应用中的关键技术， 在任何普适计算的研究与应用中都无法避开对它的研究，下面对这些项目或课题 中涉及到的上下文感知计算方面进行介绍。 在国外，佐治亚理工学院于1 9 9 8 年开展了c o n t e x tt o o l k i t 项目，此项目的目 标是构建一些方便开发上下文感知应用的基础工具，其功能有点像是程序设计中 的基础库。此工具包能够提供对传感器的封装、数据访问的网络a p i 、上下文数 据的提取、上下文数据的共享等功能【2 】；加州大学伯克利分校的c o n t e x tf a b r i c 项目主要在传感器管理服务、上下文事件订阅服务、上下文查询服务和上下文访 1 武汉理工大学硕士学位论文 问自动路由服务方面做了较多创新工作，期望这些工作能简化上下文感知应用的 创建和维护。项目在上下文访问方面第一次提出了一种类似s q l 的陈述性的数 据访问思想，这样上下文感知应用的开发者就不用过多的了解上下文的表示和存 储细节，从而方便应用的开发 3 1 ；瑞典皇家工学院的c o n t e x ts h a d o w 项目，此项 目的目标是给应用程序提供一个通往物理世界的窗口。系统能提供上下文访问接 口、从传感器中获取上下文信息的应用程序、提供服务发现机制、上下文信息筛 选提炼以及上下文信息的收集和服务组合功能川；i b m 于1 9 9 6 年启动的 d r e a m s p a c e 项目，在该项目中系统能够接受用户的声音命令，理解用户的手势 和动作命令，用户和系统的交互就像和人交流一样自然方便，这样用户就可以集 中精力到需要完成的任务，而不会为如何操作系统而花费过多的精力【5 j 。 在国内，清华大学于1 9 9 9 年启动的s m a r tc l a s s r o o m 项目实现了一个智能的 教学环境，教师在这个智能教室中可以给学生远程授课，教室可以感知教师的教 学动作，例如调用课件、在电子黑板上作注释、与远程的学生交流等。项目中使 用的上下文感知计算服务被称为c o n t e x tc u b e ，其中心设计思想有两个：第一个 是将应用对上下文信息的访问进行了统一且唯一的封装，第二个是上下文推理中 使用的知识表示为陈述性的方式。此项目把远程教育技术提高到一个新的水平 【6 l 。另外清华大学还有s a m e v i e w ，s m a r tp l a t f o r l n ，l a y e r p 2 p ，u t a b l e ，u b i b r o w s e r ， c e l t s ，e e s ，s e m i c 等项目；台湾淡江大学的h a r ds c o r m 项目实现了用户 通过手机、p d a 、数字电视添加基于s c o r m 标准课程资源的功能。 从当前的国内外研究状况看，国外在上下文感知计算的研究主要是企业和大 学，而国内很少有商业公司涉足这一领域的研究，主要是学术机构在做这方面的 研究，相信随着相关技术的发展与成熟，会有越来越多的商业机构加入到上下文 感知计算的研究和应用领域中。 1 3 课题研究思路 上下文感知计算作为普适计算中的关键环节，经过近十多年的研究和发展， 已经产生了一些比较好的原型系统及理论。前期出现的一些系统和应用都是比较 专一，并且方法和应用的软硬件紧密相关，一个系统的设计方式要想推广到其他 项目中去比较困难。这里代表性的系统有惠普公司的c o o l t o w n 项目、佐治亚理 工学院的c y b e r g u i d e 项目等。随着科学技术的发展，特别是嵌入式和计算机网 络技术的飞速发展，基于上下文感知的普适服务的应用需求越来越迫切。为了将 现有的研究成果运用到多样化的普适服务当中去，减少系统研究的成本，上下文 感知计算的通用应用框架研究十分迫切，一些机构在通用框架的研究方面已经取 得一些成果。 2 武汉理工大学硕士学位论文 论文在对比研究前人的研究成果的基础上，提出了一个基于本体的上下文感 知计算系统应用框架。此系统实际上是一个基于本体的上下文服务模块，模块集 中管理环境中的各种上下文传感器，然后对获得的原始数据进行抽象和推理，使 得各种应用可以通过其提供的访问接口以统一的方式获取应用中需要的上下文 信息。系统主要是利用本体的特点，力求使系统具有更大的通用性。 1 4 论文组织结构 论文共分为五个章节对研究课题进行介绍，各章节的主要内容如下： 第一章主要介绍课题研究的背景和意义，国内外研究现状以及研究的思路和 主要内容。 第二章主要介绍在课题研究中要涉及到的一些理论和技术，以及对相关技术 的特点进行综合比较分析。 第三章在认真研究和分析前人的研究成果后，提出基于本体的上下文感知计 算系统框架，对系统框架进行详细的阐述。 第四章设计了基于新框架的实验室系统，详细描述了此系统的功能、概要设 计、技术路线和部分功能实现。 第五章是对全文的总结，主要是对研究工作进行总结，并指出此上下文感知 计算系统框架和仿真实验有待改进之处，最后对下一步工作进行了展望。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章上下文感知计算相关技术与理论综述 2 1 普适计算 普适计算( u b i q u i t o u s p e r v a s i v e u n i v e r s a l i t yc o m p u t i n g ) 的思想是由m a r k w e i s e r 于1 9 9 1 年在刊物s c i e n t i f i ca m e r i c a n ) ) 上提出【7 1 ，在上个世纪9 0 年代后 期受到人们的普遍关注，目前普适计算已经成为国际上的一个研究热点。随着计 算机技术特别是像以嵌入式为代表的小型化计算设备的迅速发展，国内外很多关 于普适计算的研究项目纷纷上马，前文已经提到一些普适计算的方面具有代表性 的项目。 2 1 1 普适计算的概念 普适计算的概念至今没有一个统一的定义，因为人们对普适计算理解的侧重 点和角度各不相同，所以最终的定义也就不尽相同。论文从计算机科学领域给出 如下定义，“普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们 可以随时随地、透明地获得数字化的服务”【6 】。从这个定义中不难看出，普适计 算的两个重要的特点，它们是信息空间和物理空间的融合以及计算的透明化。 普适计算的定义要求信息空间和物理空间的融合。首先，物理空间中的各种 实体必须能够在信息空间中可区分地表示出来，即物理空间中的实体要能够以一 种方式映射到相应的信息空间中去，例如可以将物理空间中的实物用类似商品标 签的形式进行绑定，每个实物必须有唯一的标示，这样就可以利用信息空间技术 来对这些实物进行信息提取，然后再进行计算处理等操作；其次，信息空间系统 能够在提取了物理空间中实物信息后，充分利用这些信息化的实物信息，再根据 当前和历史的上下文信息，为用户提供信息服务或者展示可用服务列表等。这样 就将物理空间和信息空间融合在一起。 计算的透明化也是普适计算的一个重要的特性。这里的透明是对用户而言 的，它包含三个方面的含义。首先，用户在普适计算的环境下，不应该为获得信 息服务而四处寻找具有计算设备，获得服务应该是很自然的。比如在普适环境下 的汽车可能是这样工作的，当用户走进自己的汽车，在还没有发动引擎的时候， 汽车里面的某些显示设备就应该已经启动，如显示设备上展现一些必要的信息。 其次，普适环境中的计算设备应该能够根据当前的上下文环境主动的为用户提供 服务，而不是被动地等待用户的输入。最后，普适环境下用户不应该将太多的精 力花费在如何使用系统上，用户不需要太多的专业知识就能够轻松获得需要的服 4 武汉理工大学硕士学位论文 务。如c m u 的a u r a 项目的一个目标就是研究如何减少人们对计算设备的关注， 这样人们就可以将注意力转向人们自己擅长的工作上去。 2 1 2 普适计算的特点 可以将普适计算理解成无处不在处处在无时不在时时在的计算，任何人可以 在任何时间、任何地点获得他需要的服务。从这个角度来看，普适计算具有普适 性，这里的普适性具有下面的几个特性。 ( 1 ) 普适计算具有多样性。在巨型机时代，计算机的应用受到很多制约， 比如人们要能够操作计算机必须具有相当的专业知识，而且计算机也只是少数大 型企业或者研究机构有能力拥有的，计算机的应用受到极大的束缚。随着计算机 步入p c 时代，普通人拥有自己的计算机，人们要想获得他们想要的功能或者服 务，必须自己购买或制作相应的软硬件。此时很多功能的获得是通过软件实现的， 人们只需要掌握自己专业领域的软件操作即可，计算机的应用得到了相当的发 展。在随后的网络计算时代，计算的重点从个人微电脑转移到网络上。这个时代 计算的主要特点是，人们通过因特网获得自己想要的服务，服务可以给多人共享。 这时的计算服务已经转移到因特网上，充分共享了计算资源，这也标志了因特网 时代的到来。计算的第四个时代一普适计算，这个时代的特点是许许多多的设备 通过全球网络为许多人提供个性化的服务。这里的设备是具有特定用途的专用设 备，设备是针对特定的应用场合来设计的。因为设备具有针对性，所以在各种场 合下都能找到或者开发符合要求的设备，这也凸显出普适计算的多样性和普适 性。 ( 2 ) 普适计算具有分散性。计算的集中到计算的分散的转变是普适计算区 别于其他计算的一个重要特征。无论是在巨型机时代还是个人计算机时代或者是 后来的网络计算时代，他们都没有将计算分散化，具有强计算能力的大型设备还 是占有统治地位。而普适计算是将计算的重点转移到各个小型设备上，这些设备 是具有较强计算能力的，它们负责接管特定的任务和提供功能。各种具有自治能 力的计算实体是构造一个全局性的计算服务系统的基础，而在各个不同的应用区 域又可以合作建立动态的网络。设备的分散性也是体现普适计算的普适性一个方 面。 ( 3 ) 普适计算具有连通性。从普适计算的含义上可以看出来，用户可以随 时随地的获得需要的服务。要想获得这样的随时随地的服务，普适环境必须是一 个全球性的系统，而普适环境中的设备又是大量的具有分散的专用设备，所以这 就存在一个如何将各个设备连接起成一个系统的问题。从当前的研究来看，要实 现连通性就必须使用基于共同的标准协议。所以要建立一个开放的连接协议标 5 武汉理工大学硕士学位论文 准，必须能将这些专用设备连接成为具有全球性和互操作性的普适环境。连通性 是普适计算的一个基本特性，并且也是普适计算的基本要求。 ( 4 ) 普适计算具有简单性。从普适计算环境的实现来看，普适计算是比较 复杂的，但是从用户的角度来看它又具有简单性。用户不需要太多甚至不需要关 于系统的知识，就能够获得他们想要的服务。普适环境里面的技术复杂性对用户 来说是透明的，对用户可见的只是又友好的界面和实用的服务。简单性其实是普 适性的另一种描述，因为在普适环境下任何人可以获得自己需要的服务，对用户 来说它必须具有简单性。 2 2 上下文感知计算 信息空间和物理空间的融合是普适计算的要求，在这种处处充满计算的环境 下，物理空间的实体和具有相当计算能力的信息系统不断进行交互，这种交互方 式是一种全新的交互模式，计算机不再是少数专业人士才能使用过的高级工具， 人和计算机的交互越来越像人与人之间的交流。这种新的交互模式具有一定的主 动性，不像现有的大多数人机交互，用户在获得需要的服务前，必须做一些前期 的配置工作，然后输入必须的指令才能获得服务。而要让系统主动的为用户提供 服务，系统必须能够感知当时的上下文信息，通过这些上下文信息，系统才能做 出相应的动作。在普适环境下上下文信息是动态且复杂的，特别是普适环境应用 场景各不相同，其动态性和复杂性就表现的更为突出。 上下文感知是普适计算的关键技术，但其应用不仅限于普适计算环境，在经 验共享、事件记忆以及行为模式优化等领域也有广泛的应用。上下文感知计算的 重要性也越来越得到国内外的认可，惠普公司就将上下文感知应用作为公司的关 键技术，第一财经周刊在“未来九大智能技术”中将上下文感知计算作为九大技术 专一f 8 】 j 一 o 2 2 1 上下文感知概述 在谈上下文感知计算前，必须先阐述一下上下文的概念。在普适计算中上下 文是指任何可以表征实体状态的信息。实体是包含人在内的一切对象，即构成普 适计算环境中所有对象。现在的上下文研究一般将上下文进行分类研究，从上下 文的角色上划分为下面的四类。 第一，计算上下文。它一般是指如信息空间的网络状态、物理空间的用户当 前可利用资源等。 第二，用户上下文。这里主要是指当前服务对象的信息，如用户身份、他周 6 武汉理工大学硕士学位论文 围的环境信息、时间、位置等。 一 第三，物理上下文。这里主要指的是基本的物理环境信息，如声音强度、光 线强度、温度高低、空气湿度等。 第四，历史上下文。这个很好理解就是指以前的上下文信息，因为历史的上 下文信息往往对用户的兴趣爱好的推断等推理上具有参考价值。 上下文的分类方法多种多样，只是分类的角度不同而已，但是上下文的内容 是不变的。 上下文感知计算是指在用户需要的时候，根据当前上下文信息为用户提供实 时的信息或者服务。上下文感知计算包括以下内容：上下文信息的筛选、聚合、 推理以及延伸和存储等。由于上下文信息一般都是通过各种传感器获得，而信息 的种类和格式又各不相同，所以要处理这些信息，建立一个统一的上下文模型就 很有必要。 一般的上下文处理是这样的过程。首先，要将从各个传感器获得数据进行比 较以提取重要的信息，这样可以提高信息的利用率，减轻上层结构的数据处理量。 其次，将上下文信息打包成规定好的格式，然后提交给上层结构进一步处理。上 层的处理主要包括上下文的推理、融合和存储管理。上下文处理的最终目的是利 用这些上下文开发应用，而上下文处理要花费时间并消耗计算资源，如何减小处 理时间合理分配计算资源，这些都是上下文感知计算应用必须要考虑的问题。 2 2 2 上下文感知计算技术要点 从上下文感知计算的定义上可以看出，要将上下文感知计算应用于实际的普 适计算环境，必须解决下面几个关键问题。这几个问题分别是上下文的合适表示、 上下文的准确获取、上下文的存储和管理、上下文的充分利用。下面分别从这几 个方面介绍上下文感知计算的技术要点。 ( 1 ) 上下文的合适表示。上下文信息具有多样性，这一特性就给上下文的 表示提出了挑战，但是上下文信息的表示应该尽量使得信息易于获取和处理。上 下文信息的复杂性，表现在上下文信息本身的多样性和同一个信息描述的多样性 上面。常用的上下文信息有位置、时间、温度、湿度等，这些都是比较容易量化 且相对简单的信息。但是诸如用户的情绪用户和周围环境中人员之间的关系，这 类信息就比较难以量化和表示了，因此也就给上下文的感知带来困难。即使是像 比较简单的位置信息，也有不同的表示方法。目前，最常用的室外位置表示方法 就是比较成熟的g p s 表示了，但是在室内的话就不合适了使用这种表示方法， 要想精确的表示位置就要使用辅助手段或者使用新的定位方法，这都会造成位置 表示的不统一。 7 武汉理工大学硕士学位论文 在上下文的表示上，学者已经做出相当的研究了。以前人们主要研究的是如 何将具体应用中的上下文信息表示得尽量合理，随后研究的重点主要集中到尽量 让信息的表示有利于信息的交换和共享。在所有的表示方法中，基于本体的上下 文表示( 建模) 已经成为研究的热点，也是所有表示方法中最具希望的方法。这 是由于本体具有以下特点：本体可以选择较丰富的本体语言进行描述，它可以用 来描述实体的上下文语义，可以极大地提高上下文表达能力和快速搭建上下文原 型，本体的层次结构使开发者能够重用上下文本体，形式化的表示方法也有利于 后续的推理。 ( 2 ) 上下信息的获取。从上下文的获取来源上看，一般有以下几个来源。 最常用的是直接从各种物理或逻辑的传感器获取，这也是最原始的上下文信息； 从系统中已有的信息中获得，如系统的时间和系统存储的历史上下文信息；有些 信息是上层直接通过下层提供的上下文访问接口来获得；还有些上下文信息是由 用户自己设定输入等。 一般上下文的获取方法和上下文信息的种类直接相关，一种上下文的分类方 法是将上下文分为底层和高层两类。一般来说底层的上下文信息获取比较简单， 可以直接从各种传感器中获得。底层的上下文信息具有准确性不足、模糊性和冗 余性的特点，底层的上下文信息一般是不能直接被利用，要通过去噪、过滤等处 理后再交给上层模块处理或使用。底层的上下文和高层的上下文一般是有联系 的，可以从底层的上下文信息推理出上层的上下文。比如一个房间的门和灯都是 开着的，但是里面没有人，而且长时间的没有人，那么可以根据历史上下文进行 推断，可能是用户忘记了出门忘记关门和水电，也可能是用户到另一个房间办事 了。高层的上下文信息，一般需要更多更复杂的技术来获得，比如利用计算机视 觉来对用户的情绪进行识别和判断。 ( 3 ) 上下文信息的存储和管理。上下文信息往往不是孤立，前后上下文信 息都是相互联系的，不能简单的就当前的上下文信息，对当前用户的行为和活动 状况进行最终推理，否则可能会造成推理的误差较大。要为用户提供实时的具有 个性且合适的信息或服务，就需要比较深层次的推理了，而深层的推理的基础是 要有足够的上下文信息。这些上下文信息包括当前的和历史的，因此对上下文信 息的存储就很必要。然而，上下文的存储又有存储量的多少和如何利用这些存储 的历史上下文信息等问题。存储的历史上下文信息过多，会对存储空间带来压力， 也会给上下文推理造成较大的计算负荷，增加系统的时间开销：存储的过少，会 造成信息的容量不够，从而可能导致推理的误差偏大。这里就需要寻求一个平衡 点，使得上下文信息获得最大化的利用率，同时也不会消耗太多的计算资源。另 外，上下文的存储形式和方法也是一个技术难题。因为上下文的存储的最终目的 8 武汉理工大学硕士学位论文 是使用这些上下文信息，这里就必定存在大量的读写、查询等操作，如何提高这 些操作的效率，从而增加系统的实时性，这些都是必须深入研究的问题。有的系 统针对应用的特点，设计一个专用的存储策略。比如伊利诺斯大学的g a i a 项目， 这里就专门为上下文信息建立了一个存储文件系统c f s 9 i 。在这个上下文存储系 统中，可以使用谓词来查询上下信息，而且还支持高级的组合查询。还有一种比 较有吸引力的方式，就是将上下文信息存储到数据库中。利用数据库强大的查询 和搜索能力，但是这会对上下文的表示方法上具有一定的要求。 ( 4 ) 上下文信息的利用。系统利用上下文信息，进行适当的推理后会展示 出适当的行为，比如在显示设备上打印出提示信息、播放出操作的语音提示、自 动打开或者关闭空调电灯等。有研究者将上下文感知计算按照行为方式划分了几 个类型，如即时的显示服务或信息、服务的自动执行和信息的标记等1 1 0 l 。由于 上下文的信息具有多样性和复杂性，所以各种上下文分类方法都不能完全表达出 上下文信息的作用。同一个上下文信息在不同的应用系统中作用也不尽相同，比 如室内温度信息，在不同季节温度的范围以不同的；同一天不同的时间段温度值 也不同；花卉培养的温室与起居室的温度又不一样等等。如何合理充分有效地利 用上下文信息，已经是很多学者研究的课题。有学已经提出将计算上下文和物理 上下文结合起来的方法，这样更加有利于推断用户的状态和行为方式。 综上所述，上下文感知计算的技术要点主要表现在上述四个方面，每个方面 都有相应的解决方案，但是也都存在一些技术挑战。要将上下文感知计算应用到 实际生活中去，必须综合运用上下文感知计算的相关技术点。目前比较流行的研 究方法是，先建立一些上下文感知计算的框架，再在这个框架中集中解决相关技 术难点，最后创建一个基于上下文感知的应用系统，本课题正是按照这种研究思 路完成的。 2 3 上下文感知中的推理 上下文信息可以粗略地分为底层和高层两种。一般直接从传感器获得的信息 往往就是底层的上下文信息，比如室内的温度、光强、噪音强度、门窗的开合等 常用上下文信息，这些信息具有不确定性、多样性和冗余性等特点。但是应用中 常常对高层的上下文信息更加关注，诸如用户的当前情绪、用户的兴趣爱好、用 户是在休息还是工作等。这些比较复杂的高层的上下文信息可能会难以直接获 得，不过要获得这些高层的信息并不是没有办法，一般是以低层的上下文信息作 为基础再综合运用其他的一些知识和技术手段，可以在一定精度上获得高层上下 文信息。这种以已有的上下文信息为基础，综合运用已有知识推演出未知的上下 文信息的过程被称为是上下文推理l l 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 推理的分类 现在的上下文推理研究，一般将上下文推理分为基于规则的推理、基于本体 的推理和基于概率统计的推理三类来研究。 ( 1 ) 基于规则的推理 基于规则的推理是上下文推理比较普遍的方法，其实上面的数据翻译和高层 的上下文推理都是一种规则的推理方法，不过这里的规则是广义的，知识也是规 则的一种表现形式。基于规则的推理的原理是通过现有的上下文信息和知识与已 经存在的规则进行组合匹配，从而根据规则中的谓词逻辑推演出新的上下文信息 或知识的过程。从编程的角度来看，这种过程很像嵌套的条件判断语句，理论上 总能推理出一个新的知识或信息。图2 1 是基于规则的推理的结构图。 图2 1 基于规则的推理结构图 从图2 - 1 中我们不难看出，底层上下文代理从信息w r a p p e r 中获得底层信息， 然后将信息一份作为推理机的输入送给推理机，一份作为新的知识进行储存。推 理机在获得输入的上下文信息后，判断信息的类型来源，再根据规则执行相关的 推理过程，最后生成高层的上下文信息。作为输出的结果，高层的上下文信息会 被存储到信息库中，但是在存储之前必须进行一次数据融合操作。由于知识的不 完备性、传感器数据的误差等，都可能导致推理的结果不正确。数据融合操作主 要是要检查数据是否存在逻辑错误、信息是否完整等，经过处理后的数据才能储 存到信息库中去。 ( 2 ) 基于本体的推理 在上下文的建模中有一种颇具吸引力的建模方法一本体建模。基于本体的上 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 下文模型是一种将哲学研究的本体思想运用到上下文表示的具体应用和大胆尝 试，由于本体自身具有较强的关系表达和描述能力、很强的形式化的方式、可以 利用现有的比较成熟的推理机进行高层信息的推理以及很好的重用性，目前已经 成为上下文建模的研究热点。本体的描述方法比较流行的有c l a s s s l o t ， r d f i n l o w l 等，它们具有语法严格、语义明确、推理成熟、描述方便和表达能 力强大的特点。上下文的本体建模特点和使用的建模语言有一定的联系，但通常 都会对本体的各种属性及本体之间的关系进行描述。计算系统会通过本体的定义 文件解析本体的内容和它们之间的关系，最后依据建立的推理规则进行推演，这 就是基于本体的推理过程。图2 2 为基于本体的推理机结构图。 图2 2 基于本体的推理机结构 ( 3 ) 基于概率统计的推理 某些情况下很难获得充分的上