（计算机软件与理论专业论文）普适计算环境中上下文感知计算的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 皇曼曼皇皇皇曼皇皇! 寰! 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼苎曼曼皇蔓皇曼曼曼曼鼍皇o i iii i i 曼曼曼曼曼曼璺曼曼皇曼量 摘要 普适计算自2 0 世纪9 0 年代中期被提出以后得到了普遍的关注，上下 文感知作为实现普适计算的关键技术已成为重要的研究课题。正如人们能利 用环境上下文避免显示交互样，计算机也可利用所能感知到的上下文采用 蕴涵式的方式进行交互。这种蕴涵的交互方式正是普适计算实现透明交互的 重要途径，并也由此发展成为一个独立的研究领域上下文感知计算。显 然它的研究对普适计算设想的实现至关重要。 本文针对普适环境下上下文感知技术的应用需求，首先分析了上下文 感知计算的研究现状，给出了上下文和上下文感知计算的定义，通过对现有 上下文感知计算系统的分析和总结，建立了上下文感知计算的概念模型，并 对上下文感知计算的建模、系统框架等问题进行了讨论。 由于现有的上下文感知计算建模方法存在复杂度高、代价大、难于仿 真等问题，在分析上下文感知系统以及组成模块的基础上，借鉴软件方法学 中的快速原型模型思想，通过本体标记语言o w l 给出了系统中感应模块搭 建的实例。实例研究表明，该建模方法能方便快速地构建上下文感知计算系 统，并可为部分和完整地研究这类系统提供一个系统级的仿真环境。 系统框架是上下文感知计算能否被快速开发和广泛部署的关键指标。 本文以多a g e n t 技术为基础，给出了一种上下文感知计算系统框架。该框架 以环境a g e n t 为中心，利用感知和演化a g e n t 进行上下文的感知和推理，借 助管理a g e n t 实现安全与隐私策略。 通过对上下文感知计算建模、系统框架问题的研究，本文建立了上下 文感知计算的概念模型，讨论了若干适用于感知计算的关键技术。 关键词：普适计算；上下文感知计算；上下文；本体；多a g e n t 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r e a ta t t e n t i o ni sp a i dt op e r v a s i v ec o m p u t i n gs y s t e me v e rs i n c ei ti s p r o p o s e di nt h e1 9 9 0 s t h ec o n t e x t - a w a r ei so n eo ft h ec r i t i c a lp r o b l e m si nt h e s y s t e m l i k et h eh u m a nc a na v o i do b v i o u si n t e r a c t i o nu s i n gc o n t e x t s ，ac o m p u t e r a l s o m a y u s es e n s e dc o n t e x t sf o ri n t e r a c t i o nv i as o m e i m p l i c i t m e t h o d s o b v i o u s l y ，t h i si m p l i c i ti n t e r a c t i o nw a yi s av e r y i m p o r t a n tw a yt o r e a l i z e t r a n s p a r e n t i np e r v a s i v ec o m p u t i n ga n dn o wi tb e c o m eah o tr e s e a r c h t o p i c c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g a i m m i n ga tt h ed e m a n do fc o n t e x t - a w a r ea p p l i c a t i o n su n d e rp e r v a s i v e e n v i r o n m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s tg i v e sal i t e r a t u r er e v i e wo nt h es t a t e o f - t h e - a r t o fc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ；t h e nw ep r o p o s e st h ep r i n c i p l eo fd i v i s i o no f c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ；a f t e rt h a tw em a k ead i s c u s s i o no nt h ec o n t e x t - - a w a r e c o m p u t i n gm o d e l i n g ，c o n t e x t - a w a r es y s t e m i n f r a s t r u c t u r ea n ds oo n a f t e r r e v i e w i n gt h ee x i s t i n gc o n t e x t a w a r es y s t e m s ，w ep r o p o s eac o n c e p t u a lm o d e lo f c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g c o n c e p t u a l l y ，t h ee x i s t i n gc o n t e x t a w a r em o d e l sh a v et h ed r a w b a c k so fh i g h c o m p l e x i t y , h i g hc o s ta n dh i g hm o d e l i n gd i f f i c u l t y t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，w i t h i n t r o d u c t i o no ft h ec o n t e x t a w a r es y s t e ma n dt h em o d u l e si ni t ，t h er a p i d p r o t o t y p em o d e li ns o f t w a r em e t h o d o l o g yi su t i l i z e d i tg i v e sas i m p l ee x a m p l e u s i n go w ll a n g u a g et o s t a t et h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fs e n s o rm o d u l ew i t h i n t h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em o d e l i n gm e t h o d o l o g yc a n f a c i l i t a t ea n ds p e e du pt h ed e v e l o p m e n to fc o n t e x t a w a r es y s t e m s ，a n dc a n p r o v i d eas y s t e m - l e v e l s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rs t u d y i n gc o n t e x t a w a r e s y s t e mp a r t i a l l yo rc o m p l e t e l y s y s t e m i n f r a s t r u c t u r ei sak e yf a c t o ri nf a s t d e v e l o p m e n ta n dw i d e d e p l o y m e n to f c o n t e x t - a w a r e s y s t e m b a s e d o nm u l t i - a g e n t t e c h n o l o g y ，t h i s d i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n o v e ls y s t e mi n f r a s t r u c t u r ef o rc o n t e x t - a w a r es y s t e m t h e i n f r a s t r u c t u r et a k e se n v i r o n m e n ta g e n ta st h ec e n t e r , t h u sd e c o u p l i n gt h er e l a t i o n s l j f 东大学硕士学位论文 o fs e n s o r s 、i t l la p p l i c a t i o n s i tu s e st h es e n s o r sa n de v o l u t i o na g e n t st od o c o n t e x ts e n s ea n de v o l u t i o n t h em a n a g e m e n ta g e n t sa r eu s e dt or e a l i z es e c u r i t y a n dp r i v a c ys t r a t e g y ，w h i l et h eu s e ra n da p p l i c a t i o na g e n ta r eu s e dt oi n t e r a c t i v e 、加t hu s e ra n do t h e ra p p l ic a t i o n s o u rc o n t r i b u t i o nl i e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h r o u g ht h es t u d yo nc o n t e x t - a w a r e c o m p u t i n gm o d e l i n g ，c o n t e x te v o l u t i o n ，s y s t e mi n f r a s t r u c t u r e ，t h i s d i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sag l o b a lv i e wo fc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ；i tp r o p o s e s m a n yk e yt e c h n o l o g i e sf o rc o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g 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 ；c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ；o n t o l o g y ； m u l t i a g e n t 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缢垂直日期：丝仝：2 翌：21 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互随导师签名： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 美国x e r o x 公司p a l o a l t o 研究中心的首席技术官m a r kw e i s e r n l 于1 9 9 1 年提出了普适计算的思想。在w e i s e r 看来，普适计算是一种环境，该环境中 的计算设备非常便宜，且是随时都可获得的。普适计算的本质不在于开发新 的计算设备，而在于开发新的计算模式以及与之相适应的人与计算机之间新 的交互方式。其核心概念是强调计算能力同环境融为一体，让计算机本身从 人们的视线里“消失”，让人们把注意力集中在要解决的任务上来，即用户 在潜意识上和周围环境进行交互。普适计算融合了分布式计算、通信技术、 传感功能等技术。它涵盖了广泛的研究课题，包括无线计算、嵌入式系统、 人机交互技术、传感器网络以及知识工程等，开拓了新型的应用空间，如智 能环境的应用、面向用户任务的计算支持等。目前，学术界与工业界已经掀 起了普适计算的研究和应用浪潮，使之成为一个极具活力和影响力的研究领 域。在普适计算环境中，用户可以随时、随地、透明地访问普适计算提供的 服务以及更加灵活地共享信息。围绕普适计算在不同层次上的需求，目前己 经在普适计算下形成了许多相对完备的研究领域。上下文感知计算就是其中 一个相对成熟和完整研究领域。 人类在交互过程中，常常会有意或无意地利用到诸如共同知识、氛 围、情境、环境状况等上下文信息来减少显示交互提高交互效率一样，在计 算环境中广泛存在的大量上下文信息也可以用于减少或避免人一机间和机一 机间的显示交互。这种蕴涵的交互方式正是普适计算实现透明交互的重要途 径，并也由此发展成为一个独立的研究领域上下文感知计算。上下文感 知计算是通过感知环境中的可用信息，并自动自主地进行推理、决策和计 算，从而大大降低需要人参与的程度，进而实现透明交互。因此，上下文感 知计算的研究对普适计算设想的实现至关重要。 上下文感知计算的应用范围十分广泛，它不断影响着人们的日常生 活，上下文感知计算的研究成果也将直接影响到人们所享受到的服务的程 山东大学硕+ 学位论文 度。在现代信息服务环境下，用户对信息和服务的需求日趋多元化和个性 化，标准化的产品和服务已很难满足需求。依据用户的喜好、行为习惯以及 当前环境状态等为用户提供独特和量体裁衣式的个性化服务和内容正日益变 得重要。上下文感知计算具有感知构成环境绝大部分知识的环境上下文以及 用户兴趣、趋势、行为习惯等用户上下文信息并有效加以利用的能力为服务 和内容的个性化提供了可能。它的出现和发展契合信息时代下个性化和多元 化的需求。上下文感知计算体现了一种以人为本的计算模式。相关技术的发 展以及应用的驱动，使得上下文感知计算成为当前学术界以及工业界的一个 研究热点和焦点。 1 2 本文研究的主要内容 1 上下文感知计算的建模 上下文感知计算系统都是复杂的大规模分布式混合系统，涉及到大量 不同种类的软硬件组件且结构复杂，其设计和开发的难度很大，预先构建原 型系统是减低风险的重要途径之一。但即使是原型系统，其开发周期也较 长，成本较高，还因受环境等其它因素影响大很难进行测验和验证。因此采 用建模和仿真方式进行上下文感知计算系统原型研究是低成本、高可信度的 方式之一。 上下文感知计算的建模研究主要包括： 如何对上下文信息进行建模。上下文信息的建模是上下文感知计算 建模的基础。首先上下文模型必须足够灵活，以满足上下文种类及 使用方式等的多样性。其次模型必须足够简单高效，复杂的上下文 信息模型必将带来整个系统的高度复杂性，进而影响建模方法的可 用性。 采用什么样的建模方式和手段来构建系统。感知计算系统是一个复 杂系统，其中既有硬件组件也有软件组件，既有复杂组件也有简单 组件。组件之间的结构和交互也是复杂的。因此采用何种手段和方 法构建这些组件并组合成完整的上下文感知计算系统是上下文感知 计算建模的关键问题。好的建模方法和手段可以降低系统建模和仿 真的难度，加速原型系统的构建。 2 山东大学硕士学位论文 如何支持移动建模。移动是上下文感知计算系统的重要特征之一。 移动不仅带来了环境和上下文的动态性，也增加了系统建模与仿真 难度。如何在基本建模和仿真方法的基础上增加移动建模支持是需 要解决的一个重要问题。 如何支持混合系统建模。感知计算系统通常是混合系统，这主要是 因为在原始上下文感知过程中既包括离散域的感知设备也包括连续 域的感知设备，因此如何处理由此带来一些问题是值得关注的。 2 上下文感知计算系统框架及应用研究 构建可用于上下文感知计算的系统框架是研究的重点。目标是建立一 种轻量级的系统框架，借助于该系统框架，能更快速的开发和部署感知应 用。大致来说，该框架主要解决如下问题： 系统框架体系结构。主要解决的问题包括系统框架由哪些组件构 成，这些组件是如何交互并协作完成指定的任务的，系统与环境间 通过什么方式交互的等问题。 如何将系统框架结构应用于特定的应用，即如何使用系统框架所提 供的服务和接口构建应用系统。 本文以上下文感知计算为主要的研究对象，研究范围包括上下文感知 计算的建模、系统框架等问题。通过对这些问题的研究，能有利地促进上下 文感知计算关键技术的解决，进而促进普适计算设想的实现。本文所做的主 要工作包括： 建立了一个通用的上下文感知计算概念模型，并对该概念模型所涉 及的关键问题和技术进行了分析和讨论。 在分析上下文感知系统以及组成模块的基础上，借鉴软件方法学中 的快速原型模型思想，通过本体标记语言o w l 给出了系统中感应 模块搭建的实例。 系统框架的研究一直是上下文感知计算的关键问题，为此，本文研 究了一种基于多a g e n t 技术的上下文感知计算系统框架。该系统框 架提出了环境a g e n t 的概念，这是对上下文信息所构成的计算环境 的抽象。直接感知的上下文和演化后的上下文信息都保存在环境 3 【i 东大学硕士学位论文 a g e n t 中，并被其它相关的a g e n t 所使用。而框架中存在的管理 a g e n t 则为困扰感知计算的隐私和安全问题提供了可能的解决途 径。 1 3 论文组织 全文共分为6 章。 第二章介绍了上下文及上下文感知计算的定义，综述上下文感知计算 系统的建模问题，最后分析了上下文感知计算的系统框架，指出了系统框架 所要解决的主要问题。 第三章首先对上下文感知计算概念模型的各组成部分进行了详细的阐 述，之后以概念模型为基础对上下文感知计算所涉及的关键问题及其关键技 术进行了综合论述。 第四章在对上下文感知系统和本体库研究分析的基础上，利用本体标 记语言o w l 进行了上下文感知系统中感应模块的搭建。 第五章在上下文感知计算概念模型的基础上研究了一种基于多a g e n t 的 感知系统体系结构，并对该体系结构及各a g e n t 的主要工作流程进行了详细 描述。 第六章是结论，对全文进行总结并对下一步研究进行展望。 4 山东大学硕士学位论文 第2 章关键技术 随着计算设备和网络技术的不断发展以及移动设备的广泛普及，随时 随地获得服务成了用户的普遍需求，这就需要系统能够感知当时的情景中与 交互的任务有关的上下文，并基于上下文信息做出决策和自动地提供相应的 服务，这种计算模式称为上下文感知的计算。上下文感知计算作为一种独立 的计算模式还是得益于普适计算概念的提出。自9 0 年代初m a r kw e i s e r 提出 普适计算的概念以后，作为该计算模式的重要分支的上下文感知计算就不断 得到发展。而普适计算概念的提出主要源于计算技术的发展乜1 。在普适计算 环境下，物理空间与信息空间成为了两个相互融合，同等重要的对象。因此 以传感器为主要手段对物理空间的状态也即上下文进行感知就必不可少。当 前，上下文不仅能以前所未有的简便方式被获取，其种类和数量也比过去要 丰富得多。这不仅为上下文感知计算的提出准备了物质环境基础，也带来了 上下文感知计算研究的必要性。此外上下文感知应用的不断丰富和对计算智 能的需求也激发了对上下文感知计算这一计算模式的系统性研究。上下文感 知的计算可以减轻用户使用上的负担，并允许用户专注于任务层次，这是由 于上下文感知的应用与服务可以自动地获知上下文变化的情况，并根据上下 文的变化自适应地进行调整。 本章主要介绍了上下文及上下文感知计算的定义，综述上下文感知计 算系统的建模问题，最后分析了上下文感知计算的系统框架，指出了系统框 架所要解决的主要问题。 2 1 上下文感知计算 2 1 1 上下文 在上下文感知计算这一领域，研究者对于上下文的定义大致可以分为 两类：类是对上下文信息进行列举，另一类则是采用分类的方法。下面将 一些比较好的定义列举出来。 1 s c h i l i t 就将上下文分为3 类来定义。，： 计算上下文，如网络的可用性，网络带宽，通讯开销，周边的打印 5 l i 东大学硕士学位论文 机，显示器等资源。 用户上下文，包括用户的个性，位置，周围的人员，甚至社会关系 等。 物理上下文，如光线的明暗，噪声的大小，交通状况，气候，温度 等。 2 d e y 将c o n t e x t 定义为用来描述任一实体上下文的信息，这里的实体 可以是人、地点以及对象，这些信息与用户和应用之间的交互有关，包括用 户和应用本身。典型的c o n t e x t 包括地理位置、身份、人的状态以及计算对 象等。 3 s c h m i d t 将c o n t e x t 定义为有关用户和i t 设备状态的知识。包括环 境，情形，在最小程度上应包括地理位置。 2 1 2 上下文感知计算 上下文感知计算就是如何有效利用环境中的上下文辅助决策优化的一 种计算模式。它主要要解决的问题主要有：上下文是如何采集和感知的：上 下文存储在何处以及如何管理；上下文如何得到有效利用等方面。 s c h i l i t 和t h e i m e r 于1 9 9 4 年第一次提出上下文感知计算的概念，他们 认为上下文感知计算是指能够根据下列情况做出适应性反应的软件：使用的 位置、邻近人和物的集合以及这些对象的变化。 s c h i h t 将上下文感知的应用加以分类，从而对上下文感知计算提出如下 定义： 邻近选择：是一种用户界面技术，将位于附近的对象加以强调。 自动上下文重配置：是一个在上下文发生变化时添加新组件、移除 旧组件或改变组件间连接的过程。 上下文信息及命令：根据不同的上下文产生不同的结果。 由上下文触发的行为：简单的i f - t h e n 规则。 简单地说，上下文感知计算系统是指系统能发现并有效利用上下文信 息( 如用户位置，时间，环境参数，邻近的设备和人员，用户活动等) 用于 6 l 【j 东大学硕士学位论文 计算的一种计算模式。这可以从如下几方面理解： 第一、上下文构成了上下文感知计算的基础。上下文感知计算主要就 是围绕上下文来展开的，这不仅包括上下文的感知、还包括上下文的过滤、 融合、推断和演化，上下文的有效利用等。其中，又以上下文的感知为前 提，以上下文的有效利用为归宿。 第二、上下文的种类丰富，数量众多。上下文不仅包括物理实体的上 下文，还包括虚拟实体的上下文；不仅包括当前上下文，还包括历史上下 文。其感知方式也千差万别，甚至有些上下文很难直接感知。上下文之间的 差异性和多样性必然带来上下文处理上的困难。 第三、利用上下文辅助应用优化性能是上下文感知计算最根本的目 的。上下文的运用显然不能脱离应用的本来目的。如智能教室中上下文的应 用应该以辅助教学和优化师生协作为主要目标。此外，任何计算都是有代价 的，既然感知计算以优化性能为目标，就存在代价与收益的平衡，显然，计 算的代价必须小于性能优化的收益。 2 2 上下文感知计算的建模 上下文是上下文感知计算的基础，对上下文感知计算系统进行建模首 先就必须解决上下文的建模问题。 2 2 1 上下文的建模 由上下文的定义可知上下文可以是描述实体状态的任何信息，其种类 丰富、数量众多。在所有这些上下文中，位置上下文是使用频率最高的，其 建模方式主要有坐标位置模型，符号位置模型和混合模型。坐标位置模型是 指通过将物理空间划分为区格来建立坐标系统并使用元组来唯一精确地表示 特定位置的方式，如全球定位系统通过经度，纬度，海拔来表示位置信息； 符号位置模型则是通过抽象的位置符号以及位置之间的相对关系来表示位置 的一种方式：混合模型则是结合上述两种模型来表示位置的方式，它的产生 是因为坐标位置模型虽然可以精确地表示位置，但很难直接推导出空间关 系，某些环境下甚至失效( 如g p s 不能在室内使用等) ；而符号位置模型又 缺乏精确的位置信息所致。 7 山东大学硕士学位论文 除位置上下文外如温度等物理上下文、时间上下文、虚拟上下文等都 可以建模，但建模方法依据种类和应用的不同而不同。与此对应，上下文的 表示也依据应用的不同而有所不同，主要方法包括键值对、标记语言、面向 对象的模型、逻辑模型等。显然，上下文的建模和表示与应用的相关性不利 于上下文信息的交互和共享。因此，对不同种类的上下文进行统一建模是上 下文感知计算建模的内在要求。 2 2 2 上下文感知计算系统的建模 上下文感知计算系统建模的研究是上下文感知计算研究的一个重要组 成部分。该问题的解决将有助于以低成本、低风险、高信度、高可控的方式 对上下文感知计算的方方面面进行研究。目前上下文感知计算系统的建模与 仿真仍处于初步研究阶段，现有的建模仿真方法、工具、手段等都存在一定 的缺陷。当前主要的建模方法主要有如下四种：u m l “1 建模、p e t r i 网建模、 形式化描述和有限状态机。 2 3 上下文感知计算的系统框架 上下文感知计算的系统框架主要负责对设备，上下文，物理环境等构 成的计算环境进行管理，协调和调度，建立实体对象间互操作 ( i n t e r o p e r a t i o n ) 的基础，屏蔽计算环境的复杂，多样和动态性，为应用开 发提供统一的框架和应用程序接口( a p i ) 。系统框架通过对上下文的感 知、采集、过滤、演化等功能的抽象，减低了感知应用开发的难度，能较大 地缩短开发周期。 系统框架的研究很丰富，当前己存在较多的上下文感知计算系统框 架。因框架的研究者在应用环境、关注点、研究基础等方面的不同，提出了 许多不同的体系结构，但大致可以分为如下几种：类o s 。1 型、多代理型“3 、 客户j j l 务器型盯，、安全型协，等。 总的来说，系统框架要解决的问题主要有三个： 第一、系统框架所提供的接口和服务。即系统框架提供哪些服务和接 口用于上下文感知应用的创建。通过这些接口和服务，感知应用的创建者能 忽略掉绝大部分上下文之间的差异，以一种一致、统一的方式有效地利用上 8 山东大学硕士学位论文 詈! 皇皇曼皇曼量曼曼曼皇曼曼! 曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼i 一| n n mm = m _ l 皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼 下文。 第二、系统框架与0 5 的交互。通常来说，系统框架一般都是建立在 0 5 之上的，加上上下文感知中涉及到许多非标准硬件，因此框架必须解决 如何与o s 进行交互的问题。 第三、框架实体间的交互问题。上下文感知计算通常被认为是一种分 布式的系统，因此框架也必须处理实体间如何进行互操作的问题。 2 , 4 小结 上下文的应用由来已久，但是上下文感知计算作为一种独立的计算模 式为时尚短，其中的许多关键问题仍有待进一步研究。本章首先介绍了上下 文及上下文感知计算的定义，其后讨论了上下文感知计算系统的建模问题， 最后分析了上下文感知计算的系统框架，指出了系统框架所要解决的主要问 题。 9 山东大学硕士学位论文 量量曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼舅量量鼍量曼曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍罡曼鼍鼍量曼i _ mi l 皇! 曼曼 第3 章上下文感知计算概念模型 普适空间上下文包含上下文管理和推理两个部分，是上下文感知系统 的基本模块。上下文感知计算系统都会具有很多的共同特征，系统都包含原 始上下文感知与获取功能，都需要对感知的上下文进行定的推演，需借助 上下文提高性能或增强用户体验等。在此建立一种简略的上下文感知计算概 念模型，在该模型中，由原始上下文感知、上下文演化、智能执行以及应用 程序接口等构成的上下文感知计算概念框架与操作系统、感知应用一起组成 完整的上下文感知计算系统。上下文建模是上下文感知的基础，上下文由哪 些信息组成以及采用什么方式描述是上下文建模中首要关注的问题。由于本 体在形式化能力、语义表达能力和推理能力方面所具有的优势，使得本体论 成为描述上下文的有效工具。本章首先将详细地对该概念模型进行描述；借 助于该模型，将指出上下文感知计算中存在的若干关键问题，并对这些问题 所依赖的若干关键技术进行介绍。 3 1 概念模型 上下文感知计算通常都会包含上下文感知、上下文推演、触发执行等 部分。为了更好地了解系统框架的组成结构及各部分的功能划分，现给出了 一个通用的系统框架概念模型( 如图3 1 所示) 。 a p p l i c a t i o n s a p i 吲 i n t d l i g c n te x e c u t e r 孽莒 c o n t c x te v o l u t i o n 菱 g 汴 ( m o d d i n g ，i n f e , f i r e , f u s i o n ，s l o r e ) r a wc o n t e x ts e n s e o s 图3 - i 上下文感知计算概念模型 1 0 山东大学硕士学位论文 曼皇曼曼皇曼量曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i 一一i i m 量皇皇寰皇皇 3 1 1 原始上下文感知与采集 上下文在人与人的交互过程中扮演着十分重要的角色，它可以大大提 高交互的效率和准确率。但在目前的桌面计算模式中，应用程序很难获得关 键的上下文信息，诸如用户是谁、用户的喜好、用户在做什么、用户现在所 处的位置和场合等，因此这些应用基本上不考虑上下文因素。 在未来普适计算环境下，无处不在的传感器和感知模块完全可以提供 这些上下文信息，从而为上下文感知应用的开发提供便利。但必须注意的是 这些无处不在的传感器和感知模块所感知的通常是原始的上下文，它们很少 或基本上没有经过处理。表面上来看，借助种类丰富的传感器和感知模块就 可轻易实现原始上下文的感知和采集，但实际上，这其中也存在不少困难。 首先，上下文的感知方式非常丰富，异构性很强。上下文种类丰富，其提供 者可以是很小的传感器件，也可能是大型工作站；既可以是硬件也可以是纯 粹的软件系统；支持的通信协议、部署方式也可能不同，因此感知框架必须 具有很好的扩展性以克服异构带来的问题。 从目前的技术手段来看，上下文的感知与采集方法主要包括如下几 类： 通过传感器或其它设备直接感知和采集的。这种方式感知的上下文 一般都是物理上下文，如位置、温度、速度、湿度、噪声、光照 等。通过摄像头进行的图像采集也属此类。 从信息世界内部直接感知的。这种方式感知的上下文一般为虚拟上 下文，如带宽、内存大小、日程、用户配置等。 从上下文感知代理处获取的。这种方式较前两种方式复杂，如通过 w e b 访问获取上下文多属于此类。其次，上下文环境是动态的。上 下文提供者随时可能加入或者退出环境，导致上下文环境发生改 变，此外设备的移动加剧了这种动态特征。因此在原始上下文感知 与采集时要能检测到环境发生改变这一事实，且还应为上下文提供 者的加入和退出提供支持。 总之，原始上下文感知与采集负责原始上下文的采集和初步处理，并 将上下文感知与实际使用相分离。许多情况下，上下文感知需要同时处理物 山东大学硕士学位论文 理上下文，用户上下文和虚拟上下文等。 3 1 2 上下文演化 上下文演化是上下文感知计算中的核心过程。经过上下文演化后，粗 糙的低层原始上下文被演化成更有价值的信息，通俗地说这是针对上下文的 一个去伪存精、取其所长的过程。 上下文的过滤、推理、融合和存储构成了上下文演化的主要内容，其 目标是通过对原始上下文进行过滤、推演和融合等得到各应用所需的高层上 下文。上下文演化的另一个目标是转换成统一的上下文格式以支持上下文互 操作，并允许上下文以统一格式自由传输。 原始上下文是传感器感知的未经处理或仅经很少处理的低层上下文， 因此信息可能是模糊、不精确、不稳定的，甚至包含矛盾、冲突和错误等， 这就需要对所获取的原始上下文进行过滤。过滤最主要的目的就是去除上下 文中的不合理值，在一定程度上提高上下文信息的精度等。而上下文的融合 与推理的主要原因是直接感知的低层上下文提供的信息有限。上下文之间存 在冲突也是需进行上下文推演的原因之一。原始上下文在经过过滤、推理和 融合等演化过程后将形成更有价值的高层上下文，从对物理和信息世界的直 观反映转换为同人对物理和信息世界的看法相类似的判断。 3 1 3 应用程序接口 应用程序接口负责提供程序开发接口，以方便开发者充分利用框架的 功能并快速构建感知应用。应当注意的是，应用程序接口不仅包含框架所能 提供的服务也包含应用开发所应遵循的规范。 在感知系统框架中，应用程序接口提供的功能主要有： 上下文提供者的注册及反注册。 上下文的注入。 上下文的订阅和退订。 上下文的查询和管理。 其它的上下文服务。 3 1 4 智能执行体 1 2 山东大学硕士学位论文 智能执行是感知计算优越性的主要体现。借助智能执行，系统可以 “聪明地”自动执行决策和行动，减少用户的输入，避免转移用户的注意 力，使用户获得增强的用户体验。智能执行主要包括对感知触发、互操作、 自适应策略、自配置和自组织技术等的支持。例如在精细农业应用中，通过 对环境参数的检测以及农作物生长态势的分析将做出农作物是否需要浇灌的 判断，当农作物需要浇灌时系统将自动触发自控喷头对需要浇灌的作物实施 灌溉。又如在智能数字助理上通过对外部环境的感知自由地切换键盘、手 写、语音等输入方式方便用户录入和交流。在某些情况下还可利用感知的环 境上下文自行对系统进行配置或对结构进行组织，这在普适计算中一人多机 环境下显得非常重要。 3 2 系统框架的研究 上下文感知计算己逐渐成为普适计算领域中的热门研究方向。上下文 感知使普适系统能够基于上下文为用户提供适当的服务。在一个开放、动态 的普适环境中建立上下文感知系统，需要解决上下文的建模和管理问题，以 及在上下文基础之上的感知系统构建。通过上下文感知计算概念模型的建立 以及对该模型的分析，初步认为当前在上下文感知计算的研究中尚存在如下 关键问题。 1 上下文的建模和表示 对各类上下文独立进行建模几乎不存在问题，但问题是上下文感知计 算需处理各式各样的上下文，对不同的上下文采用不同的建模方式显然不能 满足互操作的要求。因此当前上下文建模和表示的主要问题是如何建立统一 的上下文模型和表示。从现状来看，上下文统建模可以分为两个层面：其 一是形式上的统一，不同的上下文采用相同的表示方式，如键值对、标记语 言等。这可用于解决上下文的高效存储、查询等问题，但不涉及上下文的语 义；其二是支持语义的统一，如本体，u m l ( 可部分支持语义) 等，通过 对语义的支持可以使上下文的有效利用达到一个更高的水平，但同时也增加 了实现上的难度。 2 上下文过滤、推演和融合 上下文的过滤、推演和融合构成了上下文演化的主体，其关键问题是 1 3 山东大学硕士学位论文 如何甄别有效的上下文，如何利用上下文演绎出有用的结论以及如何进行联 合演绎等。这些问题的产生与所感知的原始上下文所具有的单一、低层、不 稳定、不精确等特点有关。当前，上下文过滤、推演和融合多采用b a y e s i a n 网络、模糊推理和人工神经网络等方法解决。 3 上下文存储、查询和管理 上下文的有效存储和管理是上下文感知计算实用化的关键基础之一， 但当前其研究尚未得到足够重视。上下文有效存储的困难不仅来源于上下文 的瞬时性、关联性等特点，还与上下文的建模和表示息息相关。 4 互操作 互操作的含义相当广泛，既包括人与设备间的交互，也包括设备与设 备之间，服务与服务之间的交互。人与设备的交互( 人机交互，h c i ) 一直 是该领域研究的重点，如设备的剧增( 各类感知设备的大量部署) 导致手工 配置设备变得不切实际，这就有赖于新的自配置、自组织技术曲1 来解决；日 益丰富的人机交互方式则要求多通道用户界面技术来统一和协调。设备间互 操作同样也是难点之一，这主要源自设备间的互操作的自发执行。服务间互 操作则相对比较简单，可通过共享空间n 们或消息传递等来解决。 5 智能执行 智能执行是上下文感知计算的主要体现，它是一个范围相当广泛的概 念，包括如设备间自发的互操作，内容和表示的自适应等，因此，智能执行 不是一个单一的问题，与感知应用的目标关系密切，也有赖于丰富的技术手 段来解决。 6 应用程序接口 应用程序接口需提供对应用程序开发的完整支持，目前对应用程序开 发多通过编程框架和函数接口等来实现。尽管应用程序接口并不影响框架的 独立运行，但接口的好坏对应用开发的影响极大。好的接口可为应用的快速 安全构建、测试等提供有效帮助；坏的接口则不利于应用开发甚至导致框架 崩溃，因此，应用程序接口设计也是软件框架设计时应考虑的一个关键问 题。 7 鲁棒性 1 4 山东大学硕士学位论文 曼皇蔓曼蔓鼍曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼曼鼍曼鼍曼皇鼍ij i i 一_ 一一一ii 鼍曼曼量曼 鲁棒性是指设备和用户免受临时故障或错误干扰的特性。与分布式计 算相比，上下文感知计算环境中的资源受限、移动性大、环境易变、设施不 可靠等特点使这个问题变得更为突出，分布式计算中基于资源冗余的容错策 略也不再适合，因为感知计算下该问题的本质是资源失效下的容错n 。 8 安全与隐私 安全与隐私问题一直伴随着信息技术的发展，而上下文感知计算给安 全、信任和隐私提出了更大的挑战，这源于感知计算的开放性，自发的互操 作，智能执行等特点。由于环境的动态性，传统的基于角色和访问控制等静 态的安全解决方案已不在适用。为保证安全与隐私l a n 曲e i n r i c h 提出了若干 指导性原则n 刳。需要注意的是，安全与隐私不仅仅是技术问题，其解决有 赖于政策和法律的帮助。 9 标准化 随着上下文感知计算研究的兴起，许多的企业，科研机构从各自不同 的方面进行了研究，但协调机构和技术标准的缺乏致使上下文信息无法交 互，应用难于集成。现在，部分标准化组织已开始关注此领域，如美国国家 标准和技术协会下属的信息技术实验室( n i s t f l t l ) 通过联合企业和研究 机构制定了普适计算包括上下文感知计算领域的详细研究计划，并负责协 调，标准制定和测试等工作n 副。o s g i 则是一个潜在的可支持家庭环境下感 知计算构建的工业标准之一m 3 。然而，标准化工作仍任重而道远。 通过有效地利用上下文信息来模拟人类在潜意识下的交互，上下感知计 算将使应用具备智能感知、启动和执行等特点，应用将更人性化，也更方便 人们的使用。特别是在移动领域以及普适计算领域，由于用户需求和环境的 快速变化，上下文信息的利用显得更具价值n 引。但上下文感知计算不是一 蹴而就的，其最终的实现依赖于许多技术的发展，如： i 江i d n 制。r f i d 是弥补物理与虚拟世界鸿沟简单而有效的技术。目 前，r f i d 至少可以从两方面帮助构建感知计算：第一，唯一标识参 与感知计算的物理对象，建立物理与虚拟世界间的关联；第二，存 储少量的历史上下文信息。随着技术的发展，r f i d 将可以与环境中 的传感器以及数据源进行接口或直接感知环境参数，构建物理与虚 1 5 山东大学硕士学位论文 拟世界更紧密的联系离不开r f i d 的帮助。 本体论n 利。本体论用于指代物质存在在哲学上已经有很长的历史 了，在人工智能领域，本体则是对领域概念的形式化描述，它采用 词汇表示领域知识并通过它描述该领域的特殊情形。使用基于本体 的方法建模上下文最大的好处在于可采用语言无关的方式描述上下 文，并可对领域知识进行形式化分析，如在感知计算中可使用一阶 谓词逻辑进行上下文推断n 副。 多通道用户界面技术n 引。从人机交互技术的角度看，多通道用户界 面技术是其关键之一，也一直是研究关注的焦点。多通道用户界面 技术主要研究如何包容人机交互的多种方式，以达到超越单一方式 的协同效果，其目标是使普通用户能非常自然地使用计算机。 自适应、自配置、自组织技术。感知计算中设备种类丰富、数量众 多以及环境的限制是产生这类技术需求的主要原因。自适应技术通 过提供与环境相适应的信息和行为可帮助感知计算达成部分智能目 标，而自配置、自组织技术则能借助对象间的分布与协作等帮助实 现系统零配置和零管理的目标。 认知模型。感知计算需要象人类一样处理环境中隐含的上下文( 知 识) ，这就需要认真地研究人类认知的方法、过程并提出适合计算机 采用的认知模型。认知模型可以深层次地帮助对上下文进行感知、 处理和合理利用。但当前，认知模型的研究成果非常有限，整个研 究仍处于起步阶段心引。 人工智能技术。通过将人工神经网络、b a y e s i a n 网络、机器学习等 人工智能技术用于信息过滤、推论、融合以及智能执行等领域可帮 助感知计算实现智能化目标。 系统建模和仿真技术。上下文感知计算系统是一个嵌入、自治、自 适应、强大、高效、智能、目标驱动的系统，其系统建构具有很强 的复杂性和动态性，给研究带来了很大的困难和很高的研究成本。 研究和建立满足感知计算系统建模和仿真、原型评价要求的工具软 1 6 山东大学硕士学位论文 件，允许对感知系统的各特定方面进行建模、仿真、评测和比较研 究，将极大地推动感知计算的研究和发展。 随着研究工作的不断深入和技术的不断发展，上下文感知计算所涉及 的各种问题最终必将得到解决，并且将影响包括日常生活、工作和学习在内 的人类生活的每一个角落，计算机将以前所未有的密切程度来为人们提供更 有效的帮助。 3 3 小结 上下文感知计算的系统框架通常都包含上下文感