（计算机软件与理论专业论文）普适计算环境中上下文信息服务系统研究与实现.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 普适计算环境中上下文信息服务系统研究与实现 摘要 随着计算机技术、无线网络技术、嵌入式系统的发展，传统的桌面计 算模式已经不能满足人们的需要，人们渴望能够随时、随地、透明、方便 的享受现有的计算能力和信息服务。普适计算的目标就是把人从计算机“仆 人”变为计算机的“主人”，使用户的注意力能够集中到任务本身。 察觉上下文计算是实现“以人为本”的关键技术。在充分利用上下文 信息的前提条件下，察觉上下文计算使应用程序能够“了解”当前的环境 和所发生的变化，进而采取相应的策略，改变自身的某些行为，来为用户 提供“体贴”的信息服务。然而，普适环境是一个开放的环境，上下文信 息众多而且复杂，如何能够利用上下文信息，为应用程序提供上下文服务 已经成为察觉上下文计算研究的重点，具有重要的理论意义和实用价值。 在普适环境中，由于体积、移动性等特殊要求，普适设备所能提供的 计算能力都很有限。因此，把环境中对硬件要求较高的公共服务放在高性 能的计算设备上显得十分必要。本文在深入研究了c o n t e x tt o o l k i t 等经典 察觉上下文计算模型，并对其特点和不足之处进行分析的基础上，研究和 建立了一个上下文信息服务系统c i s s ( c o n t e x ti n f o r m a t i o ns e r v i c es e r v e r ) 模型，并加以具体实现。 c i s s 模型主要由上下文管理器、上下文推理机、上下文查询器和事件 管理器四部分构成。c i s s 模型采用o w l 描述上下文本体信息；用结构化 的s p a r q l 一一标准r d f 查询语言进行上下文信息查询；采用基于o w l i 太原理工大学硕士研究生学位论文 和自定义规则的上下文推理机制，可以检查上下文模型中的不一致或者冲 突；建立了事件触发机制为察觉上下文应用系统提供事件服务。在分层设 计、a o p 、s o a 等设计思想指导下，c i s s 系统基本上实现了上下文管理、 上下文推理、上下文查询服务、上下文事件服务等功能。 通过c i s s 服务系统，察觉上下文应用系统能够共享传感器和上下文资 源，同时有效的降低了察觉上下文应用系统的各个模块之间的耦合度，使 开发人员可以专注于任务本身，极大的削减了系统开发的复杂度，从而提 高了察觉上下文应用系统的开发效率。 关键字：普适计算，上下文，察觉上下文计算，o w l 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 也s e a r c ha n di 田l e m 匝n t a t i o no fc o n t e x t i n f o r m a t i o ns e r v e ri np e r v a s i v ec 0 巴u t i n g a b s t r a c t w j t l lt h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , w i r e l e s sn e t w o r ka n d e m b e d d e ds y s t e m ，t h et r a d i t i o n a lc o m p u t i n gp a n e mc a nn o l o n g e rm e e tt h e n e e d so fp e o p l ew h od e s i r e sf o re n j o y i n gt h ee x i s t i n gc o m p u t i n gp o w e ra n d i n f o r m a t i o ns e r v i c e sa n y t i m e ，a n y w h e r e ，t r a n s p a r e n t l ya n dc o n v e n i e n t l y t h e g o a lo fp e r v a s i v ec o m p u t i n gi st om a k ep e o p l e sp o s i t i o ni n t om a s t e ro f c o m p u t e rf r o m “s e r v a n t a n da l l o wu s e r st of o c u st h e i ra t t e n t i o no nt h e i rt a s k s c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n gi sac r i t i c a l t e c h n o l o g y w h i c hi m p l e m e n t s “p e o p l e - o r i e n t e d ”b yt a k i n ga d v a n t a g eo fc o n t e x ti n f o r m 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 gm a k e sa p p l i c a t i o n s “k n o w t h ec u r r e n te n v i r o n m e n ta n dt h ec h a n g e s t h a th a do c c u r r e d ，a n dt h e nt a k ea p p r o p r i a t es t r a t e g i e st oc h a n g es o m eo ft h e i r b e h a v i o rt o s u p p l y u s e r sf o ri n f o r m a t i o ns e r v i c e s c o n s i d e r a t e l y h o w e v e r p e r v a s i v ee n v i r o n m e n ti s a no p e ne n v i r o n m e n tw i t hm u c hc o m p l e xc o n t e x t i n f o r m a t i o n h o wt om a k eu s eo fc o n t e x tt o s u p p l yc o n t e x ts e r v i c e si sa n i m p o r t a n tr e s e a r c h i n gf i e l do fc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n ga n di so fi m p o r t a n t t h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e b e c a u s eo fs i z ea n d m o b i l i t y , p e r v a s i v ed e v i c e sh a v ev e r y l i m i t e d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o m p u t i n gp o w e ri np e r v a s i v ee n v i r o n m e n t p l a c i n gp u b l i cs e r v i c e st h a tr e q u i r e r u n n i n go np o w e r f u lh a r d w a r eo nh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gd e v i c e si s n e c e s s a r y b a s e d o nt h e d e e p l yr e s e a r c h i n g o nc l a s s i c a lc o n t e x t - a w a r e c o m p u t i n gm o d e l s ，s u c ha sc o n t e x tt o o l k i t ，a n da n a l y s i so f t h e i rc h a r a c t e r i s t i c s a n df l a w s ，t h i st h e s i ss t u d i e da n de s t a b l i s h e dac o n t e x ti n f o r m a t i o ns e r v i c e s e r v e r ( c i s s ) m o d e la n di m p l e m e n t e d t h ec i s sm o d e l c i s sm o d e li sc o m p o s e do ff o u rm a i nc o m p o n e n t s ，c o n t e x tm a n a g e r , c o n t e x tr e a s o n e r , c o n t e x tq u e r i e ra n de v e n tm a n a g e r t h i sm o d e l a d o p t so w l t o d e s c r i b ec o n t e x to n t o l o g ya n ds t a n d a r ds t r u c t u r e ds p a r q lr d fq u e r y l a n g u a g et oq u e r yc o n t e x t a tl a s t ，t h i sm o d e lu s e si n f e r e n c em e c h a n i s ma b o u t c o n t e x tb a s e do no w la n dc u s t o m i z e dr u l e st od e t e c tc o n s i s t e n c yo rc o n f l i c t i o n b e s i d e s ，t h ee v e n tt r i g g e r i n gm e c h a n i s mi sb u i l tt os u p p l ye v e n ts e r v i c e sf o r c o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o ns y s t e m i n s t r u c t e db yt h et h i n k i n go fl a y e r i n gd e s i g n ， a o pa n ds o a ，c i s ss y s t e mb a s i c a l l yi m p l e m e n t e dc o n t e x tm a n a g e r , c o n t e x t r e a s o n i n g ，c o n t e x tq u e r ys e r v i c e sa n dc o n t e x t e v e n ts e r v i c e s t h r o u g hc i s ss e r v e r , c o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o n sc a ns h a r ei n c o n t e x t r e s o u r c e sa n d s e n s o r s m e a n w h i l e ，c o u p l i n gb e t w e e nv a r i o u s m o d u l e si s r e d u c e de f f e c t i v e l y , s ot h a td e v e l o p e r sc a nc o n c e n t r a t eo nt h e i ro w nt a s k s a sa r e s u l t ，t h ec o m p l e x i t yo fs y s t e md e v e l o p m e n td e c r e a s ea n dt h ee f f i c i e n c yo f c o n t e x t - a w a r ea p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ti m p r o v e 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 ，c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ，o w l i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下。 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：三j 釜牛日期：率扯 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：j 墓均一e t i 暂i ：啤上扯一 导师签名：玉园宏日期：竺璺兰：堡 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 人们的日常生活总是与科学技术的发展息息相关的。而每一次重大的科技革命都会 给人们的生活带来日新月异的质的提高。随着分布式操作系统和嵌入式系统和通信技术 的发展，传统的计算模式已经不再能满足人们的需要，人们开始渴望能够随时、随地、 透明，方便快捷的享受现有的计算能力和信息服务由此，带来了计算模式的变革，普 适计算时代呼之欲出。 1 1 普适计算及其研究背景 对普适计算的最早研究可以追溯到上个世纪八十年代末期，x e r o x 公司的p a l o a l t o 研究中心( p a r c ) 电子和图像实验室( e l l ) 开始研制大型墙面平板计算机系统，它 也可用作电子笔以及图像扫描输入设备，这个项目被认为是普适计算研究的开端。这种 “计算机墙面”引入了与“一人一台计算机”模式截然不同的思想，即：将计算机无处 不在地、不可见地散布到整个的用户环境中。p a r c 的人类学家们已经意识到人们真正 利用技术的做法并非只是他们所声称利用技术的方法，很少过多的关注他们所使用的工 具，而是把注意力更多的集中到他们要完成的任务上。在这种思想指导下，1 9 8 8 年初， 以m a r kw e i s e r 为首的p a r c 计算机科学实验室( c s l ) 开始了普存计算( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ，简称u c ，普遍存在的计算) 的研究。现在又称为普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ，普遍渗透的计算) 。对于m a r k 而言，社会和技术、艺术和科学、工作和 娱乐之间没有明显的界限，他希望建立一种能展现人类和社会精神的技术世界，并坚定 不移地驾驭挑战计算机科学、人机交互、以计算机为媒介的工作环境等方面的现代概念。 m a r k 博士于l9 9 1 年在( s c i e n t i f i ca m e r i c a n ) 上发表了一篇名为4 ：t h ec o m p u t e rf o r t h e2 1 s tc e n t u r y ) ) ，系统的阐述了普适计算( p e r v a s i v e u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) i t i 的思想。关 于普适计算目前尚未有明确定义，不同的研究者有不同的理解，其目标都是“要建立一 个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起， i ”。清华大 学徐光祜教授等国内研究者给出的定义是：“普适计算是信息空间与物理空间的融合， 在这个融合的空问中人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务”【2 1 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 1 计算模式的发展 技术的演化并不总是连续线性增长的，历史上的多次技术革命过程中许多重大革 新都从根本上改变了技术在我们生活中的位置，也就是说，这种革新实质上不是技术本 身，而是技术与我们的关系。从上个世纪4 0 年代计算机诞生至今，我们可清楚地看出， 计算模式( c o m p u t i n gp a r a d i g m ) 已经经历了主机计算( m a i n f r a m e sc o m p u t i n g ) 和桌 面计算( d e s k t o pc o m p u t i n g ) 两个时代。今天，i n t e r n e t 通过分布计算正把我们带向普 适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 时代。表1 给出计算机时代的变迁。 表1 1 计算模式的变迁 t a b l ei - ic h a a g eo f c o m p u t i n gp a t t e r n s 计算模式计算机和人的关系 主机计算模式多个人共享一台计算机 桌面计算模式一个人一台计算机 普适计算模式多台计算机共享一个人，一个人 拥有多台计算机 各个计算模式的特点： 主机计算模式：计算机是稀有资源。该计算模式的主要特点是以计算机为中心，计 算机由专家操作，其他大量用户只能共享一台计算机而且计算机的使用方法不符 合人的习惯；为了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于烦琐。 桌面计算模式：计算机与人是一种私有关系。用户要使用计算机，就需要坐在计算 机面前；难以适应一个用户可能在不同地点和环境，甚至在移动过程中使用多台计 算设备进行工作的情况。 普适计算模式：人与计算机的关系将发生革命性的改变，变成一对多、一对数十甚 至数百的关系。计算机不再局限于桌面，各种具有计算能力和联网能力的设备被嵌 入到我们工作、生活的空间中，变为手持或可穿戴的设备，甚至与我们日常生活中 使用的各种器具融合在一起。人们无论走到哪里，都被无所不在的具有计算能力的 普适设备包围着。获得普适环境所提供的信息服务将变得像现在的水、电、纸、笔 一样，随手可得，人们根本不需要知道所获得的服务是由哪里来的。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 2 普适计算的本质和特征 由普适计算的定义可知，信息空间和物理空间融合、随时随地、透明性是普适计算 的本质特征。 ( 1 ) 信息空间和物理空间融合 普适计算模式下，信息空间与物理空间将融合为一体。一方面，信息空间中的对象 与物理空间中的物体建立相互的对应。使这个物体成为访问信息空间中服务的直接入 口。另一方面，物理空间和信息空间之间无需人的干预与交互，即其中任一个空间状态 的改变可以引起另一个空间的状态的相应改变。要实现这样的对应变化，就必须使普适 设备能够动态的感知上下文环境的变化，并根据相应的决策策略，采取相应的动作，来 说适应环境的变化。 ( 2 ) 随时随地 是指人们可以在工作，生活的现场就可以获得服务，而不需离开这个现场而去端坐 在一个专门的计算机面前，即像空气一样无所不在m i t 的o x y g e n 计划【3 l 、c m u 的 a u r a 计划【4 】的目的就是要创造出像呼吸一样简单的普适计算环境。 ( 3 ) 透明性 指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的甚 至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互( i m p l i c i ti n t e r a c t i o n ) 。透明性是普适 计算的更本质的要求，是其与桌面计算模式最本质的区别。最具有深远意义的是那些从 人们注意力中消失的技术，这些技术已经渗透到人们的日常生活中以致与生活难以区分 1 1 1 。欧盟的“d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r ”计划5 1 的目标就是使计算设备融合在物理空间中， 让人们集中注意力做好自己的工作。 从普适计算的本质来看，“以人为本”是普适计算的核心内容。所有的努力都是要 将人从被计算机奴役的地位中解脱出来，使人能够集中精力完成任务。普适计算具有如 下特征川： ( 1 ) 无所不在的( p e r v a s i v e ) ：用户可以随地以各种手段进入同一信息世界； ( 2 ) 嵌入的( e m b e d d e d ) ：计算和通信能力存在于我们生活的世界中，用户能够感觉到 它和作用于它； ( 3 ) 游牧的( n o m a d i c ) ：用户和计算均可按需自由移动； ( 4 ) 自适应的( a d a p t a b l e ) ：计算和通信服务可以按照用户需要和运行调剂提供充分的灵 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 活性和自主性； ( 5 ) 永恒的( e t e r n a l ) ：系统在开启以后再也不会死机或需要重新启动；部件可以因需要、 出错或升级暂时停止，但整个系统则永远可用： 1 1 3 普适计算的内涵及挑战 ( 1 ) 消失( d i s a p p e a r i n g ) w e i s e r 博士提出了一个著名论述i ”，“最深奥的技术是那些消失了的技术。这些技 术将它们的自身交织于日常生活中，直至不可区分”。从社会影响来讲，在我们生活中 有两种这样的技术是普遍存在的。一种是“纸”和“笔”纸和笔的出现，使人类文明 得以传承下来使历史发展的车轮滚滚向前然而，纸和笔本身确不会引起人们多大的 兴趣另一种是“电”，人们在使用从插头“流”出的电时，根本不知道也无需知道电 究竟是从哪里来的。“纸”、“笔”、“电”是如此的平淡无奇和不显著，以至于人们忘记 了这些技术对日常生活的巨大影响，犹如消失于人们的日常生活中普适计算也将是 那样一种被消失的计算。 ( 2 ) 不可见( i n v i s i b l e ) 一种好的工具是不可见的工具，其含意是这一工具并不进入你的意识，你只是专注 于任务而非工具本身。当然工具本身不是不可见的，它只是使用工具这一场景中的一个 部分。好工具应增加其不可见性。普适计算也将是那样一种不可见的工具。信息技术还 远远设有成为环境的一部分，与计算机打交道要通过复杂难懂的语言，而不是任务，人 实际上只是在使用计算机。普适计算试图对计算机提出一种新思路，考虑自然的人类环 境，让计算机自身消失在这种环境中这种消失不是技术上的，而是人类心理学上的消 失，也就是当我们使用计算机时，能超越计算机，专注于任务本身，而不必理会为我们 提供服务的计算机的存在。 普适计算的本质就是力图真正全面实现计算技术的“以人为本”，它对计算机科学 的各个层次的研究都提出了新的要求和技术挑战。 ( 】) 在硬件或接入层次上，需要研究和开发出新的嵌入环境的和便于携带的计算设 备、传感设备和显示设备； ( 2 ) 在网络层次上，当具有计算、感知能力的物体变得无所不在时，这些物体间的 互联通过有线网络进行显然是不够的，所以无线网络将成为普适计算的重要基础设施； 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 在系统软件( i n f r a s t r u c t u r e ) 层次上，各种异质的具有计算、传感能力的物体间 的交互的需求对系统软件提出了前所未有的挑战，需要解决如何使它们实现数据的交 互、任务的协作；在传感设备无所不在时如何保护用户的隐私等等一系列问题； ( 4 ) 在人机交互层次上，普适计算要求交互方式从困难烦琐的显式交互转变为透明 的蕴涵式交互，这就需要研究新的交互模式和感知接口。 1 2 研究背景及现状 在普适计算概念的提出之初，x e r o xp a l o a l t o 研究中心就实现了一个原型，但是， 由于当时硬件技术基础的限制，阻碍了普适计算研究的进展。在随后的十年里，随着技 术的进步，普适计算的许多关键原件和技术支持有了极大的发展。例如，手持和可穿戴 计算机、无线局域网、传感和控制家用电器的原件等。因此，普适计算逐步受到广泛关 注，目前在国际上已发展成为一个研究热点众多国际知名大学和科研所都纷纷成立研 究机构或启动研究项目，其中，较著名的包括：麻省理工大学的o x y g e n 计划；卡耐基 梅隆大学的a u r a 计划；i l l i n o i s 大学的g a i a 计划；欧盟的“d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r ”计 划：华盛顿大学的p o r t o l a n o 计划；斯坦福大学的i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e s 计划：i b m 的 d r e a m s p a c e 项目；m e r l 实验室的i n t e r a c t i v et a b l e 计划；麻省理工大学多媒体实验室 的t h i n g st h a tt h i n k 项目；惠普的c o o lt o w n 计划；麻省理工大学智能实验室的 “i n t e l l i g e n t r o o m ”计划；m i c r o s o f t 的e a s y l i v i n g 计划等等。目前，这些项目都有 些已经完成预定的目标，而有些还正在进行中。有些国外的大公司已经从普适计算的研 究中获得丰厚的利润。1 9 9 9 年开始的u b i c o m p 国际会议、2 0 0 0 年开始的p e r v a s i v e c o m p u t i n g 国际会议以及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，标志着普适计 算已经成为倍受瞩目的而且极具活力的研究领域。 与国外相比，国内对普适计算的研究起步相对较晚。由于普适计算所描绘的未来场 景具有强大的诱惑力，国内大学和科研机构自2 0 0 3 年前后也掀起了普适计算研究的热 潮。目前国内的主要项目只有清华大学的s m a r t c l a s s r o o m 。清华大学于1 9 9 9 年开始普 适计算及智能空间的研究，成立了普适计算机教育部重点实验室，建立了基于智能空间 的远程智能教室实验系统。北京大学目前己开始开设普适计算的相关课程，并设立了一 个普适计算实验室。2 0 0 3 年国家自然科学基金信息科学部2 0 0 3 年资助的1 8 个重点项 目就包含了一个普适计算的基础问题的研究项目，项目中确立的普适计算的研究内容分 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 为四点：透明的人机交互、察觉上下文的计算、支持普适计算的系统软件体系结构、建 立普适计算的集成试验环境。普适智能和计算国际会议成为国内主要的关于普适计算研 究的国际会议。国内的学者更多的从事普适计算的某个方面的研究，如可穿戴计算、察 觉上下文计算、系统软件架构，并且取得了一定的成果。 上下文虽然很早就进入了学者的研究视线，但是，只有在普适计算时代它才能够显 示出其强大的核心作用，关于上下文的相关内容将在下一章中详细阐述。察觉上下文计 算作为普适计算的核心技术和核心内容，能够使计算实体根据上下文环境的变化。及时 的调整和改变自身的行为，把人从与计算设备的交互中解放出来。因此，可以说，察觉 上下文计算是提高普适计算智能性、真正实现“以人为本”的重要途径和方法。 察觉上下文计算直到普适计算时代才受到普遍的关注与重视。上下文所包含的范围 十分宽泛。起初，对察觉上下文计算的研究主要集中于室内和室外位置感知，一般使用 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 进行室外定位，使用红外线、射频、超声波等进行室内定 位，但还没有统一的方法来感知室内和室外的位置信息。c r i c k e tl o c a t i o n - s u p p o r ts y s t e m 嘲是使用红外线和超声波定位的典型的室内位置感知系统；k a yr o m e r 在s m a r t i d e n t i f i c a t i o nf r 锄e w o r k s l 7 l 中采用了基于射频技术的r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术，同时采用条形码作为辅助的定位技术。除了对位置、温度、网络带宽这些上下文 信息感兴趣，我们也对高级别的上下文信息如用户当前正在进行的活动感兴趣，然而， 感知这些社会上下文比较困难。一个方法是使用照相机技术和图像处理技术，还可以通 过人工智能技术将几个单个简单的低级别的传感器结合起来获知复杂的上下文。但这些 感知高级别的上下文的应用的模型不具有确定性，系统无法确定边界条件察觉上下文 计算涉及的内容十分广泛，目前在这一领域中已经取得一些研究成果，比较典型的有g a t e c h 的c o n t e x tt o o l k i t ，k t h 的c o n t e x ts h a d o w 和u cb e r k e l e y 的c o n t e x tf a b r i c 。 1 3 研究课题的提出 任何科学技术的发展都必须要有坚实的理论为基础。桌面计算模式正是在个人操作 系统、图形用户界面、多媒体、网络等多种技术之上发展起来的。同样地，普适计算势 必要求发展与其相适应的计算机科学理论和技术，而这绝不是对目前桌面计算模式孕育 的现有理论和技术的简单线性扩展，因为现有的计算机技术还存在一些不足【。】，因此难 以满足普适计算模式的要求。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 以计算机为中心而不是以人为中心 在桌面计算模式下，计算机占据主导地位，从某种程度上说，人是计算机的“仆人”， 人必须主动使用计算机才能获得计算和信息服务；人机之间的交互方式更适合机器而不 是人；人必须处理各种计算任务的细节才能获得所需结果然而，在普适计算时代，这 种人机关系将是不可忍受的。人的注意力与计算资源不同，它不受摩尔定律的支配，所 以在普适计算时代，人的注意力将成为计算机科学需要关注的稀缺资源。因为到那时， 人很可能需要同时面对数十台普适计算设备，如果每台机器都需要人投入如此多的精 力，那么人的注意力将完全被计算设备而不是要完成的任务所占据。普适计算的研究就 是要解放计算机的“仆人”。 ( 2 ) 计算资源是私有的，而不是共享的。 在桌面计算模式下，用户与计算机是一对一和直接占有的关系，甚至是私有关系。 此外，一台计算机的计算环境( 所连接的设备、可利用的服务) 是事先绑定和固定的， 由此发展起来的各种计算机技术也都以此为隐含假设。而在普适计算模式下，计算资源 和各种设备将趋向于公用和共享化，就像放在办公室里的纸和笔一样，谁都可以拿起来 就用。为了充分地利用这些无所不在的服务和资源，计算机科学必须建立与之相适应的 新计算环境模型，这种模型没有固定形态和边界，可以随着用户所在环境中可利用设备 和服务的变化而动态调整，同时又能保证安全性和私密性。 ( 3 ) 计算是固定的，而不是随时可移动的。 移动性的提高是人类文明进步的重要标志，但目前的桌面计算模式对移动性的支持 甚少。这包括缺乏对任务上下文在不同计算环境中迁移的支持，以及缺乏对网络条件、 计算能力、输入输出能力的变化和差异的处理机制。因此，为了满足普适计算的要求， 真正实现任何地点、任何时间、任何设备访问任何服务和信息，就应把移动性作为一个 基本因素进行考虑。 ( 4 ) 应用程序缺乏互通性。 在应用程序中，功能层往往被隐藏在表示层之下，没有直接的对外接1 ：3 ，应用之间 缺乏互相发现和利用其他应用程序的功能和服务的机制。为了完成一个任务，用户往往 需要在多个设备上启动多个应用，然后分别与它们进行交互，以便把它们组织到一个工 作流中，这种模式不适合普适计算。为了充分利用无所不在的计算资源和服务，应用程 序在开发时就必须考虑到与其他应用程序和服务的交互。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 桌面计算模式无论是在硬件还是在软件层面上都不能很好的适应普适计算的要求 对普适计算环境中的硬件设备或接入、网络服务、系统软件以及人机交互等各个层次的 研究势在必行。目前，研究领域主要包括：智能空间( s m a r ts p a c e ) 、可穿戴计算( w e a r a b l e c o m p u t i n g ) 、系统软件( s o f t w a r ei n f r a s t r u c t u r e ) 、察觉上下文计算( c o n t e x t a w a l _ e c o m p u t i n g ) 、游牧计算( n o m a d i cc o m p u t i n g ) 、平静计算( c a l mc o m p u t i n g ) 、日常计算 ( e v e r y d a yc o m p u t i n g ) 、主动计算( p r o a c t i v ec o m p u t i n g ) 、情感计算( s e n t i e n tc o m p u t i n g ) 。 目前，对普适的软件系统研究远远落后于硬件系统的研究由于普适计算环境具有 开放性、不确定性、间断性、动态性、异构性、资源受限等特点，使得传统的软件体系 结构和开发方法根本无法满足普适环境下的软件需求。为此，研究人员纷纷提出了许多 软件体系结构层次模型，通过层次化的方法隐藏下层功能的实现细节，并向上层提供服 务。后来，又有人把软件体系结构中关于构件和s o a ( 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 ) 的思 想引入到普适计算软件体系结构研究，提出了基于构件的普适计算软件体系结构。 1 4 本文的内容与意义 1 4 1 主要研究内容 当前，察觉上下文计算正面l 临着严峻的挑战 9 1 ： ( 1 ) 察觉上下文计算所固有的困难。 如何获取、使用和存储上下文，如何建立察觉上下文的应用程序，在理论研究方面 还存在很多不完善的地方；在实践方面。工程人员更是面临巨大的挑战，这是由于开发 中必须解决所遭遇的上下文种类的多样性、数据格式和精度各不相同、上下文获取、上 下文抽象、上下文数据的集成，以及多变的环境特点等多方面的难题。尽管存在着以上 的困难，研究者们仍然建立起了各种各样的上下文感知的应用；但是这些系统都专注于 某个特定的领域和特定的过程，他们的成果很难被其他的系统所重用。 ( 2 ) 察觉上下文系统要求向通用过渡。 传统的察觉上下文系统一般是专有系统。这些系统的应用程序通常直接和硬件设备 交互，这虽然在一定程度上有利于效率的提高，但同时也限制了系统的发展和对环境的 应变能力，而察觉上下文系统恰巧常常面向的是感知动态和多变的环境。相关的研究工 作者开始意识到这样的问题，因此，开展了如何提高系统的通用性，以简化应用的开发 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 过程。 ( 3 ) 察觉上下文应用的规模日益扩大 察觉上下文应用的规模不断扩大，大规模分布式察觉上下文应用不仅使其固有的困 难更加难于解决，同时也面临其它任何大规模软件系统所遇到的问题，如开发困难、维 护困难等。传统的察觉上下文应用的规模通常较小，它一般都经过精心定制以便能在专 用系统上运行。虽然这些定制为系统高效运行提供了所需条件，但是它创建了一个不灵 活的结构，存在不容易修改、升级和与第三方产品集成等缺点。唯一的解决办法是使用 开放系统技术解决大规模察觉上下文系统所面临的问题。 为了解决以上问题，建立一个开放的、通用的、统一的察觉上下文服务系统显得尤 为重要。本论文的主要目标是研究并建立一个通用的察觉上下文服务系统c i s s ( c o n t e x t i n f o r m a t i o ns e r v i c es e r v e r ) 基于c i s s 的上下文应用系统就可以不必自己维护上下文信 息，同时还可以获得事件通知、上下文查询、上下文推理等服务。这样，有效的降低了 察觉上下文应用系统的各个模块之间的耦合度，使开发人员可以专注于任务本身，减少 察觉上下文应用系统开发的复杂度 1 4 2 研究的意义 通过建立通用的察觉上下文服务系统平台，在它之上可以更全面地探索察觉上下文 相关的问题，更迅速构建察觉上下文应用系统。因此，开放的察觉上下文服务系统的建 立具有基础性意义，会直接影响到研究的开展和应用的推广 由于察觉上下文软件平台采用开放系统技术，容易构建、维护和升级，因而极大地 降低了开发的费用，缩短了开发的时间，相应地提高了生产效率。另一方面，开放系统 技术对察觉上下文的支持，拓宽了它所支持的应用和服务的范围，也就扩展了开放系统 技术的市场。 因此，本文旨在建立通用的察觉上下文计算服务系统平台，能够降低普适环境中各 种察觉上下文应用的开发、维护和演进的难度，也可以共享传感器资源和上下文信息， 集中管理空间中的各种上下文传感器，并对获得的数据进行过滤，抽象和推理，使得各 种应用可以通过其提供的查询接口，用统一的方式获取应用所需的各种上下文信息。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 3 本文的组织结构 本文后续章节将按下面的顺序展开 论文第二章主要是对察觉上下文计算作详细的阐述，包括上下文的基本概念和上下 文的各种分类方法；察觉上下文计算的定义；重点介绍了察觉上下文计算的研究内容； 对已有的经典察觉上下文计算模型进行了研究，指出了其中的优点和不足之处。 第三章主要对c i s s 模型、c i s s 应用框架、c i s s 模型的上下文模型与本体表示进 行了详尽阐述，并对c i s s 模型设计与实现过程中所用的关键技术进行了介绍，包括 r d f 、本体、o w l 。 第四章主要是按照c i s s 设计目标，在设计思想的指导下对c i s s 服务系统进行实 现，分别对c i s s 的四个主要模块( t - 下文管理器、上下文推理机、上下文查询器、事 件管理器) 进行了详尽的说明。 第五章以智能居室为c i s s 系统试验应用环境，验证c i s s 系统提供的上下文查询和 事件服务功能。 第六章对论文所做的研究和实践工作进行了总结和回顾，阐述了作者在本文的研究 中所做的一些相关工作，指出目前工作中所存在的不足。最后对今后应进一步收入开展 的工作进行了展望。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章察觉上下文计算 在当今这个信息爆炸的时代，普适计算把计算和信息与物理世界相融合，这不仅使 计算机无处不在、使信息大量涌现，而且由于人、信息、计算、环境之间保持断断续续 的彼此间的交互，由此，开创了一个崭新的计算模式：察觉上下文的计算( c o n t e x t a w a r c c o m p u t i n g ) 。在普适计算时代，人们被各种各样的普适计算设备所包围着，察觉上下文 计算的一个重要目的是使我们的生活更加的容易即：更具有透明性，而达到这种理念 的一个重要的部分是根据上下文自动地调整计算。应用程序通过对上下文的感知，了解 到上下文环境的变化，从而调整计算服务的行为，同时人们也能够根据上下文调整自己 的行为。总之，我们希望计算因环境而改变，并且以更加。体贴”的方式服务于人们。 因此，普适计算需要系统能够察觉上下文的变化，并做出相应调整。 2 1 上下文的概念 2 1 1 上下文的定义 人们对上下文的研究虽然在桌面计算时代就已经出现，但它在其中的作用却没有突 出的体现。到了普适计算时代，上下文的作用逐渐显现上下文的研究最早开始于对位 置信息的关注。美国哥伦比亚大学的s c h i l i t 博士对位置上下文进行了较早研究，并在他 的博士论文1 1 0 中，首先提出了上下文这个术语，并且提出了移动计算系统的上下文感知 模型。后续的很多研究继承了这种通过独立智能体对上h 文信息进行检测的思想。但上 卜文所包含的范畴远比位置宽泛的多，任何可能对系统行为产生影响的因素都属于上下 文的范畴，种类的增多给系统对上下文的感知增加了困难。为此s a l b e r 提出了对上下文 进行预处理的基础之上，提出了c o n t e x tw i d g e t s 的概念i l l 】，消除上下文在具体数据格 式上的差异，突出其所具有的语义信息。s c h m i d t 沿用和发展了这种方法，提出了一个 完整的体系结构，并将其成功的应用于实践。 那么，究竟何谓上下文? 人们根据使用的不同环境和不同目的，给出了很多定义。 s c h i l i t 和t h e i m e r l l 2 1 认为，上下文是位置、人和事物的标示，以及这些对象的改变。 b r o w n 、b o v e y 和c h e n 【l 习的实践主要集中在基于位置信息的感知，特别是用g p s 获得户外位置信息，所以他们将上下文定义为人的位置和特征、时间、季节和温度等。 1 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 r y a n 、p a s c o e 、m o r s e i 】定义上下文是用户的位置、环境、特征和时间。 b m w n 【1 5 】定义上下文是计算机了解的用户环境元素。 f r a n k l i n 和f l a s c h b a r t 16 】认为上下文是用户所处的环境( s i t u a t i o n ) 。 w a r d ，j o n e s 和h o p p e f l 1 认为上下文是应用程序环境的状态 p a s c o c 1 8 1 对上下文进行了狭义的定义：上下文是特定实体的物理和概念的状态。 a b o w d 和a n i n dd e y 1 9 】【2 0 】对上下文进行了更加通用的定义：“上下文是所有能够描 述用户与应用程序之间交互所涉及的实体( 包括人、位置、物体等) 状态的信息。其中 包括用户和应用程序自身”。 不同的人对上下文有不同的理解，要想准