（计算机应用技术专业论文）觉察上下文计算软件支持环境研究.pdf

摘要 计算技术的健康发展需要与之相适应的计算模式。随着计算技术、通信技 术和传感器技术的飞速发展，迫切需要一种全新的计算模式普适计算。普 适计算的目的是更完善和更方便地服务于人们的工作和生活，使计算“以人为 本”，所以充分觉察环境中的上下文是实现普适计算系统尽量少分散用户注意力 这一本质目标的重要途径。觉察上下文计算作为普适计算的核心技术，涉及多 学科的交叉和很多领域的知识。但其中的觉察上下文的软件支持环境是进行觉 察上下文计算研究和应用的重要前提和基础。因此本论文主要对普适计算环境 下的觉察上下文软件支持环境进行研究。 本论文的主要研究内容及研究成果包括： ( 1 ) 分析和总结了普适计算的概念、主要特征和内涵、国内外相关研究项 目。总结现有技术，明确了觉察上下文软件支持环境应该具有的功能、特征， 及其涉及的关键技术，为觉察上下文软件支持环境的实现提供了目标： ( 2 ) 从人机交互的角度研究了上下文的重要性和定义，并对上下文作了详 细分类：研究了觉察上下文计算的定义和觉察上下文计算中的上下文生命周期， 从上下文的获取，上下文的处理，上下文服务三个方面作了研究和论述，为建 立觉察上下文计算软件支持环境系统结构提供了详细的功能需求。 ( 3 ) 在详细研究分析了国内外已有的觉察上下文计算软件支持环境基础上 研究了一种新的觉察上下文计算的软件支持环境系统模型。 ( 4 ) 研究了上下文信息模型，建立了一种实体一类型上下文信息模型，实 现了一种通用的上下文数据结构，并可以用它来实现上下文的x m l 描述和通用 的上下文查询服务和上下文事件服务。 ( 5 ) 最后研究了基于觉察上下文软件支持环境的觉察上下文应用系统的设 计和开发。 本论文的研究工作对觉察上下文计算软件支持环境的进一步深入研究具有 一定应用价值。 关键词：普适计算；觉察上下文计算：软件支持环境：上下文信息模型 a b s t r a c t t op r o m o t et h ed 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 yi ti se s s e n t i a lt oa d o p ta h o m o l o g o u sc o m p u t i n gp a r a d i g m w i t l lr a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t i n gt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g y , n o wi ti sa nu r g e n tn e e dt o e x p l o r et h en o wc o m p u t i n gp a r a d i g mh o m o l o g o u sw i 也t h ee t a r e n td e v e l o p m e n t t r e n do fc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h a ti st h eu b i q u i t o u so rp e r v a s i v ec o m p u t i n g t h e m a i ni d e ao f p e r v a s i v ec o m p u t i n gi st oe m b e dc o m p u t e ri n t ot h el i v i n ge n v i r o n m e n t o rt o o lo fh u m a n ，s oa st om a k et h ec o m p u t e ri n v i s i b l ef r o mu s e r ss i g h ta n dt h e u s e sc a nf o c u so nt h e i rt a s ki t s e l f i no r d e rt or e a l i z et h i si d e a ，t h es y s t e mn e e d st o b ea w a r ec o n t e x ti n f o r m a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g t e c h n o l o g y a so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n p e r v a s i v ec o m p u t i n gi n v o l v e s m u l t i - d i s c i p l i n a r yi n t e g r a t i o na n dm a n yd o m a i n sk n o w l e d g e b u tt h es o f t w a r e s u p p o r te n v i r o n m e n tf o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gi st h ei m p o r t a n tp r e m i s ea n dt h e f o u n d a t i o nt oc a r r yo nr e s e a r c ha b o u tc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n ga n di t s a p p l i c a t i o n s oi nt h i st h e s i s ，r e s e a r c ho nb n i l d i n ga ns o f t w a r es u p p o r te n v i r o n m e n t f o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gi sf o c u s e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h er e s e a r c hr e s u i t so f t h i st h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) a n a l y z e da n ds u m m a d z e dt h ep e r v a s i v ec o m p u t i n gc o n c e p t ，m a i n c h a r a c t e r i s t i ca n dc o n n o t a t i o n , t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e l a t e dr e s e a r c hp r o j e c t s u m m a r i z e dt h e e x i s t i n gt e c h n o l o g y , c l e a r l y d e s c r i b e dt h ef u n c t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c ，a n di n v o l v e de s s e n t i a lt e c h n o l o g y w h i c hs o f t w a r e s u p p o r t e n v i r o n m e n tf o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gs h o u l dh a v e p r o v i d e dt h eg o a lf o r s o f t w a r es u p p o r te n v i r o n m e n tf o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n gt or e a l i z e ( 2 ) s t u d i e dt h ec o n t e x ti m p o r t a n c ea n dt h ed e f m i t i o nf r o mh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o na n g l e a n dc o n t e x td e t a i l e dc l a s s i f i c a t i o n s t u d i e dc o n t e x t - a w a r e c o m p u t i n gd e f i n i t i o na n dc o n t e x tl i f ec y c l ei nc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ，r e s e a r c h e d a n dd i s s e r t a t e df r o mt h r e ea s p e c t s ：c o n t e x ta c q u i s i t i o n ，c o n t e x tp r o c e s s i n ga n d c o n t e x ts e r v i c e p r o v i d e dt h ed e t a i l e df u n c t i o nd e m a n d sf o re s t a b l i s h i n gs o , w a r e s u p p o r te n v i r o n m e n ts y s t e mm o d e lf o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ( 3 ) s t u d i e d an e ws o f t w a r e s u p p o r t e n v i r o n m e n ts y s t e m m o d e lf o r c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n ga f t e rs t u d i e da n da n a l y z e dd o m e s t i ca n df o r e i g ns o t b m a r e s u p p o r te n v i r o n m e n tf o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ( 4 ) s t u d i e dt h ec o n t e x ti n f o r m a t i o nm o d e la n de s t a b l i s h e dak i n do fe n t i t y - t y p e c o n t e x ti n f o r m a t i o nm o d e l ，r e a l i z e dak i n do fg e n e r a lc o n t e x ti n f o i t n a t i o nd a t a s t r u c t u r ea n du s e di tt or e a l i z ec o n t e x tx m l d e s c r i p t i o na n dt h eg e n e r a lc o n t e x t q u e r ys e r v i c ea n dt h ec o n t e x te v e n ts e r v i c e ( 5 ) f i n a l l ys t u d i e dt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc o n t e x t - a w a r ea p p l i c a t i o n s y s t e mb a s e do ns o f t w a r es u p p o r te n v i r o n m e n tf o rc o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g t h i st h e s i si sw o r t h yf o rf u r t h e rr e s e a r c hi ns o f l w a r es u p p o r te n v i r o m e n tf o r c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g k e yw o r d s ：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 ；c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ；s o g ：w a r e s u p p o r te n v i r o n m e n t ；c o n t e x ti n f o r m a t i o nm o d e l ； n l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 计算机的健康发展需要有与之相适应的计算模式。二十世纪8 0 年代，计算 模式由主机计算变为了桌面计算，这使得计算机从实验室进入了办公室和普通 家庭，极大的推动了计算机技术和产业的发展。那么近2 0 年来计算技术的飞速 发展，是否蕴育了新的计算模式呢? 为此，我们首先分析一下当前计算机技术 发展的特点：( 1 ) 计算、通信和数字媒体技术的互相渗透和结合，其集中的体现 就是互联网的发展。互联网已成为人们在工作、生活、娱乐和学习中获取信息、 进行交互的主要途径。( 2 ) 计算机在计算能力和存储容量提高的同时体积也越来 越小，其发展趋势是把计算能力嵌入到各种设备中去，而且这些设备可联网使 用。与这样的发展形成鲜明对照的是传统的计算模式以及与此相应的计算机使 用方式：( 1 ) 以计算机为中心的计算：计算机的使用方法不符合人类的习惯；为 了完成一项任务，需要与计算机进行的对话过于烦琐。这使得计算机本身吸引了 太多注意力，而不是需要解决的问题本身。( 2 ) 基于桌面的使用模式：用户要使用 计算机，就需要端坐在计算机面前：而人是生活在一个相对自由的三维空间中 的。因此计算机并没有与人们的生活环境融合在一起“1 。限于上述这样的计算 模式，计算机还只是一种不太好用的工具，无法真正融入人们的工作和生活，更 谈不上成为如空气、水、电这样的生活必需品。这是当前计算机产业和应用领 域进一步发展的主要障碍。因此，计算机技术进一步发展迫切地需要全新的计算 模式，这就是普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) “1 。 1 1 研究课题的提出与背景 普适计算环境是信息空间与物理空间的融合，其追求的目标可以用“随时 随地”和“透明”两点来概括”1 。其中“随时随地”是指人们在工作、生活的 现场就可以获得数字化的服务，而不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计 算机面前：而“透明”是指获得这种服务时用户不需要花费很多注意力。相对“随 时随地”的特性，“透明”是普适计算更本质的要求，是其与桌面计算模式最本 质的区别。否则，如果仅仅要求“随时随地”性，一人一台无线联网的笔记本 或许就可以了，但这显然不是普适计算。m a r kw e is e t 在文献”1 中这样描述“透 武汉理工大学硕士学位论文 明”的本质性：“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至与生活难以区分。”人们在写字时，笔和纸 本身不会分散我们的注意力，因此对于我们的注意力而言是透明的：又如雕刻家 创作时，手中的刻刀对于其注意力而言也是透明的。m a r kw e i s e r 以此来比拟 普适计算所希望的服务访问过程或手段的透明性。 与此相似的有d o nn o r m a n 的“i n v i s i b l ec o m p u t e r ”。、c m u 的a u r a 计划 5 1 和欧盟的“d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r ”研究计划，它们都表达了同样的思想。 m i t 命名o x y g e n 计划”1 的另层含义，也就是想让计算成为像氧气一样既看不 见但又必不可少。实现其“透明”性，要求计算和服务的访问方式是十分自然 的，甚至以用户本身注意不到的、蕴涵( i m p l i c i t ) 的方式进行”1 。这需要计算 设备能够更好地理解环境状态和用户需求，对不同的环境状态和用户需求，提 供不同的多样化服务，实现计算的以“人为中心”的目标。并且通过蕴含的状 态信息提高计算和服务的效率。所以充分觉察环境中的上下文是实现普适计算 系统尽量少分散用户注意力这一本质目标的重要途径。 觉察上下文因此成为实现普适计算目标的关键性技术。虽然在桌面计算中 已开始使用上下文这一概念，但与桌面计算模式下上下文相比，普适计算环境 中韵上下文具有更广泛的含义( 如：不仅包括计算韵上下文，还包括环境、用户 等信息) 和更复杂的特征( 如：上下文随任务、环境、用户而不断变化) 。普适计 算的目标是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逐渐的 融合在一起。人与环境融合是指人们可以随时随地的、透明的获得数字化的服 务。人们在生活工作的现场就可以获得服务，而不需要离开当前的环境坐在一 个机器前；人们也不需要注意到这种服务的访问方式等等，服务的获取是十分 自然的。普适计算把计算和信息融入到物理世界，这不仅是使计算机无所不在， 由于人与信息以及计算能力将保持不问断的接触，它还提供了一种新的交互方 式的可能，这就是一种蕴涵的交互方式。这时需要系统能觉察在当时的情景中与 交互的任务有关的上下文，并据此做出决策和自动地提供相应的服务。虽然在 桌面计算中己开始利用上下文信息，但与桌面计算模式下上下文是固定或人为 设定的情况不同，在普适计算模式下上下文将随任务而变化，而且由于工作环境 是现场，其中的背景情况不但复杂而且是动态变化的，使上下文的动态性问题更 加突出。 而且，觉察上下文的计算( c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ) 在人机交互中尤其 武汉理工大学硕士学位论文 重要。有人认为觉察上下文计算概念的引入将需要对现有的人机交互理论做全 面的重新考虑。觉察上下文计算具有广泛的应用领域，其中包括：对用户提供主 动启动( p r o a c t i v et r i g g e r i n g ) 的服务“，即利用用户当前的上下文来启动有关 的操作和显示有关的信息。人们可利用交谈时蕴含的状态信息，也即利用上下文 信息来提高交谈的效率“”：阻往事件的记忆：优化行为的模式：麸享经验等。觉察 上下文计算的重要性已为越来越多的研究者所认识。h p 公司的年度报告中认为 觉察上下文计算是公司未来的关键技术，因为应用上下文是解决信息超载最有 希望的途径。目前察觉上下文计算是普适计算领域里的一个研究热点。 1 2 课题研究的现状 普适计算的思想最早是1 9 9 1 年m a r kw e i s e r 在 s c i e n t i f i ca m e r i c a n 的“t h ec o m p u t e rf o rt h e2 1 s tc e n t u r y ”一文中提出的。1 。该文强调把计算 机嵌入到环境或日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中消失，让人们的 注意力回归到要完成的任务本身。他的思想在9 0 年代后期开始在国际上得到 广泛关注和接受，许多相关的研究计划纷纷启动，国际上有影响地主要研究团 体都相应开展了大规模的研究计划，如m i t 的o x y g e n 、c 删的a u r a 、欧盟的 d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r 等等。目前已经成为一个极具活力和影响力的研究领 域其重要标志是分别从1 9 9 9 年和2 0 0 0 年开始的u b i q u i t o u sc o m p u t i n g 国 际会议和p e r v a s i v ec o m p u t i n g 国际会议、2 0 0 2 年i e e ep e r v a s i r ec o m p u t i n g 期刊的创刊 1 9 9 5 年s c h i l i t 在他的论文ac o n t e x t - a w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r m o b i l ed i s t r i b u t e dc o m p u t i n g 中首先实现了一个上下文可察觉的系统底层结 构3 。伯克利分校的j a s o ni h o n g 在他的论文中也提出了一个上下文可察觉系 统的底层结构，该文在一般的底层结构中加入上下文信息的存储和安全机制有 关的内容，还提出了一个上下文规范语言( c o n t e x ts p e c i f i c a t i o nl a n g u a r e ) ， 该语言可以使用自然语言的形式查询环境信息“。m a r t i nj o n s s o n 和他的研究 小组将面向服务的软件体系结构与普适计算环境下可察觉上下文的计算相结 合，提出了一套普适环境下软件建模的方法和硬件部署的工具，并实现了一个 管理会议文档的应用程序“。目前研究者已经提出了一些上下文服务的实现模 型，如g at e c h 的c o n t e x tt o o l k i t “，瑞典k t h 的c o n t e x ts h a d o w “”和u c 武汉理工大学硕士学位论文 b e r k e l e y 的c o n t e x tf a b r i c “。 普适计算中信息空间和物理空间的融合可以在不同尺度上得到体现，其在 房间、建筑物这个尺度上的体现就是智能空间，并且它可以不断连接扩大至全球 美国国家标准和技术学会( n i s t ) 给出的智能空间的定义是“一个嵌入了计算、 信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用户能非常方便地在其中 访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作” i t i o 目前国际上对智能空间的研究开展得相当广泛，如m i ta il a b 的i n t e l l i g e n t r o o m ”“，s t a n f o r d 的i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e “，g e o r g i at e c h 的a w a r eh o m e 】_ m i c r o s o f tr e s e a r c h 的e a s yli v i n g ，i b m 的b l u e s p a c e 。“，g m d 的i l a n d ” 等等。 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 前已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。 尽管觉察上下文的思想较早就提出了，而且其应用价值也是显而易见的。 但是目前大规模使用和产品化的系统仍然不多见。这里一个重要的原因是觉察 上下文应用的开发和实施相对传统的桌面应用要困难许多。目前国际上已经提 出了的几种上下文服务的解决方案中，无论是c o n t e x tt o o l k i t 还是c o n t e x t s h a d o w 它们提供给应用的上下文访问接口都是过程式的，即应用开发者需要知 道上下文信息在上下文服务中如何组织、如何存储的细节。这种过程式的访问 接口方法不仅增加了应用开发者需要了解上下文服务的底层细节的负担，同时 也使应用与上下文服务的耦合过紧，如果上下文服务中的存储方式改变，应用 必须重新编码。尽管c o n t e x tf a b r i c 也强调了需要陈述式的访问接口，但目 前为止并没有给出一个实际的方案。 1 3 课题研究内容与意义 觉察上下文计算作为一种崭新的计算模式，经过诸多研究者的不懈努力正 武汉理工大学硕士学位论文 逐步从实验室迈向市场。但如何实现觉察上下文应用，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，这些问题阻碍 了觉察上下文应用的建立和使用。以下几种现状是实现觉察上下文计算所面临 的棘手问题。 ( 1 ) 感知上下文所固有的困难 如何获取、使用和存储上下文，如何建立上下文感知的应用程序，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 ) 觉察上下文系统要求向通用过渡 传统的觉察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，而觉察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，以简化应用的开发过程。 ( 3 ) 觉察上下文应用的规模e t 益扩大 觉察上下文应用的规模不断扩大，大规模分布式觉察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。传统的觉察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觉察上下 文系统所面临的问题。”。 总体说来，通过建立通用的觉察上下文软件支持环境，创造出一种研究和 开发平台，在它之上可以更全面地探索察觉上下文相关的问题，更迅速构建觉 察上下文应用。同时跨越大范围环境的快速装配，增加了觉察上下文计算应用 一 一一些婆婆点鑫鬟塑圭堂壁鲨奎一 一 于蜜际的机会。黼此，开放的觉察上下义支持环境的建纛其有基础性意义窘 直接影响到研究的开展和应用的推广。 由此可见，貔们有必要对如槲建立觉察上下文软件支持环境技术中的开放 性进行深入懿珊究。由于觉察土下文软彳牛支持环境它采援开放系统技术，容易 构建、维护鞠升缀，因露摄大通辫低了开发的赞同，缩短了秀发的时赫，稳斑 地捷离了生产薮率。另一方蠢，开艘系统技术对黉察下文瓣支持，拓宽了意 所支持的应用和服努的范围，也就扩展了开放系统技术的市场。 因此，本论文旨在研究如何姥立觉察上下文计算的软件支持环境，使其能 够降低智能空间中的各种觉察上下空的应用的开菠、维护和演迸的难度，同时 也可鞋共察传感嚣蛰湃和上下变糖患该模块集中替理空间中的各种 下支镭感 器，并对获褥鹁数据进行过滤，抽象靼搂理，使得各种驻爆可观透过其提供髂 查诲接日，用缝一的方式获取应用掰爨鲍各种上下文位惑。 1 4 课题的研究思路及论文的组织 本论文是作者从理论和实践两矗谶对觉察上下文技术避行了较先深入的研 究和探索的憨螭。柞者的主要工惟始下： ( i ) 总结躐寄援寒，分析了饕邋计算静特点，蹙察上一f 文豹生伶弼期过程、 眺厦开放的耍求，明确了堂察上f 寰较件支持环境应该羹有的功能、特衽，爰 其涉及的关键撩米为建立开放觉察上下文计算软件支持环境的实现提供了目 标。 ( 2 ) 将开敞蒙缆技术引入罄避计黧中觉察上下文应用的构建。为普适计算 巧境中建纛鲎黎主下文的较 牛支持珲境键尚了一个垒新豹恿路；辩研究了綦手 层次豹赏察上下文计算豹的软件支特拜境系统摸型，使其巍够降低智能空闯中 的各种觉察上下文的应用的开发、维护和演进的难度，网时也可蚍共享传感器 资源和上下文信息该模块集中管璐空间中的各种上下文传感器，并对获得的数 据进行过滤，解释，抽象和推理，使得各种应用可咀通过其提供的查、向接口， 用统一纳方式获取应用所瓣的各种土下文信息。 ( 3 ) 礤究了土下文信患模型，建立了一瓣实钵一类型上下文镤翌，实现了 一静通用的土一f 文数据结构，赫唾阻塌宅来实现土下文豹粼l 描述和通用酶上 下文查询暇务辎上下文事件服磐。 6 武汉理工大学硕士学位论文 本文菇一章为绪论，后续篇章将按如下方式展开： 第二章主要轨分辑和总结了普逶计算瓣概念，主簧特捱鞫蠹涵，国癌外研相 关研究项日，总结现有技术，基于普适计弊环境下对赏察上下空软件支持环境 做了详细需求分析。 第三章扶人枫交互的角度研究了上下文的定义和上f 文的重要性，并对上 下文作了详细分类；研究了觉察，b f 文计薄的定义和觉察上下室计算的生命周 期，献上下文麴获取，上下文的娃理( 上下文过滤，上下文解释，上下文推瑾 和融合) 。lf 文服务兰平方面作了研究和论述，为建立觉察上下文计算软件立 持环境系统结构提供了详细鲍功舷褥求。 第四牵详细研究分析了国内外已有的觉察上f 文计算软件支持环境，指出 了其中的不足，进而研究了一种新的赏察上下文计算的软件支持环境系统模型。 第嚣章研究了上下文傣惠楱蘩，建立了一种实髂一类型上下文信息模型，实 现了一种通用的上下文数据结构。最后研究了基于觉察上下文软件支持环境的 觉察上下文应用系统的设计和开发。 第六章对论文的研究和实践工作进行总结和驷颁，阐述了作者在本文的研 究过程中所做的一些相差王作厦对将来工作的展望。 武汉理工大学磺士学位论吏 第2 章普适计算及其软件支持环境 计算技术的发展需要与之适戚的计算模式。计算技术在裳丽计算模式下经 历韵2 0 年的遽爱屣蔗蕴育着一种革薪牲靛计算模式一蔷适计嚣。酱适计 算是信息空间与物理空问的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地和透 明地获得数字纯的服务：计算枫本鸯将双人们的税线中消失，人们注意力鲍中由 可啦嘲归到要完成构 壬务本身。普适计算将从辊率上改变 们对什么蹙计算的 思考，也改变我们整个生活和工作的方式。 2 1 普适计算的概念的提出及背景 1 9 8 7 年。x e r o x 公司p a l oa l t o 研究中心( p a r e 的电子和图像蜜滁室开 始研制大型墙顽平板计算机系统。它可以用作电子镶以及图像扫描输入设备。 这种赣黧诗算飙系统在接俦统臼授方式蠢便镬用静搿时，叉扩展了计算熊力，特 别是在与其他避类设备联网的时候。这种“计算机墙丽”引发了一种与目前“一 一台案亟计算瓤8 耩炎+ 特不黼的研究憨恕：将诗算视无她不在尴、不可见地 散布到攥个环境中。当时，? a r c 。”的一些人类学专家观察到：入们真正刊用社术 的做法并非只是他们所声称利用技术的方法。例如计弊枫，有些技术人员往往穰 多去考虑诸如尊储嚣、像索数、频率等q 。算机艚特性，面更多豹蹩考虑懿怵情景 下计算机的利用。在这种背景下，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 魂秘晕实验室歼始了普存诗算秘b i q u i t o u sc o p u t i a g ，衡称u c ) 靛研究，现在 叉称为普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ，简称p v c ) 。对于m a r k 而言，社会和 拽求、艺术和科学、工佟和娱乐之闽没有明最纳界限，控幕望建立一种s 展现 类鄯社会精神的技术世界，并坚定幂移地驾驭和挑战计算机辩学、人机交互、以 计算机为媒介的工作环境肄方面的现代概念。p a r c 的普适计冀计划最栅只是想 回答个人计算胼存在的一些根本目蘧：过分复杂丽雉戳使用：过分要求入的注意 力：过分隔绝于他人和现塞括动：过分的支配作用使我们的桌面和牛活犹如殖民 琏。u c 希望把计算机敖翻到它应有瓣短置：薰新定镜子环境这一背景，冀雾集中 于人与 的交瓦，而不是a 与机器的叟互。1 9 9 2 荦，p r e 完成了第一个 “u b i o o m p ”实验系统。它塞际上实现了对后p c 机时代重新定里太粪、工作、 技术的垒部关系。 武援理王大学硕士学艘凳文 2 1 1 计算模式的发展 技术的演化并小总是连续线性增长的，技术变迁过程中许多重太波动都从 根本上改变了技术在我们生活中扮证甓，即这种波动的实膜不是技术车身，而是 技术与我们的关系。在过去5 0 多鬻中，计算与凡类里现过嚣种主要关系：主橇 关系和个太麓1 冀机关系。今天，籀赣睡避过势森诗算正把我们带i 驽普遗骨募关 系。鲡f 绘出了计淖机时代曲变迁。 ( 1 ) 主机时代：计算机是稀有蜣源，一般放在密闭房予里由专家操作，其他 大量用户共享一臼计算机。 ( 2 ) p c 帆时代：计算机与人照一种个人关系甚至怒私人关系，像可以有臼 d 的 算壤，强遴褥令大计霉时，髂瓶不娩再链其他事了，你霹鲶它起名字，碰鞋 咒骂或抱怨它。个a 计算机就像栽家汽车，铬可以拥有若干辆汽车，带蟊到想去 的地方去。组鬻强褶当注意地操纵。 ( 3 ) 圈特网和静布计算过渡焖：因特阏深深地影响着人们的生活成百万新 的用j 广| 及瑟餐料杂被相互连接。同时谯将主机时代和p c 机时代韵支量设各连在 一起。因特潮是一种深刻的现象，出现丁最好的甸造发明家、最多的革新金融家 穗最大的多瓣合作。今后，大蠹静馕患联鼹结果将会浮现出耨戆诗算关系。 旺) 瞢迸计冀对找：这是计簿麴第三波，宅与十入计算的援叉点大约在 2 】【。5 2 0 2 0 华姆e i s e r 在1 9 9 6 年瀚的镛计) 。普遁计算酣钱特有太嚣计算机 共享我们每一个人，其中数百台计算枫可以在几升神的因特网浏览中被访问，其 他计算机则嵌 在墙壁、椅子、衣服、电灯开关、汽车等一切东西中。普适计 算的基本特征悬深度的嵌入计算，卵连接现实世界中一切其奄计算能力但规模 大小不弼的东镬。窿a 式疆簦鲤嚣鞠麟将网蒋是普渣i 。算豹援个先驱，最有籍啬 有徽处理嚣的务种设薯加强联嘲。蒋适诗算蠢有可能实璃。懿簿判断技术成为一 个基本的时代骝? 第一，它j 涉及到蕊率的与人类的关系，对我们至燕重要且不 可回避。第= ：二，它 1 以其他技术为基础。显然，在下一时代主机和p c 机都不会 淘汰。第三，宦们悬创新的源泉。澎假设需要重新定义，老技术需妥赋予新的含 里。 酱适计冀辩 e 鼹具潜在兴趣、耨撼战稳深奥的变让将集中予“平静”。如鬃 囊处都是褚辣机，爝好诖它韵齄予嚣妨碍状态，也就是当入援被指定麴计算撼共 享时，夫依i 鞲处干安定帮箍割老中。主枫虫专家使用髓，平静相对是很少的。计 算机供个人使用时，已集中在交瓦柞嗣的激励。但是，肖周围都婕计算机时，我们 武汉毽互太攀硬士学位论文 要求计算的嗣时能做其他事情，键戡们t 霸更多的时间是完垒的人。我们必须从根 本上重新思考两标、计算机的背景和技术以及充满我们生滔中的所有其他技术。 平静技术( c a l mt e c h n o l o g y ) ”1 摄下一个5 0 年耐所有技术设计的根本挑战。 一个设计使a 选到平静或透虢燕满足人类的蘸种需要，键一般不会同时满 是。信患技米受蜜瓣候是平嚣的馥太；睡撬、手规，额阉鼹务、w 刺、e - m a i l 、 电视和收誊极翱繁地轰击魏稍。魈避，有些技术蘸等黢褰援的平静和舒适，如设 计一双舒服的鞋予、星期扫早晨邀= 采一份晨报那样的技术，萁麓别在于技术是如 何吸引我们的注意力。 平静技米从中心和边缘两个角虚暧s l 我们的注意力安繇上蹙在甄者之回来 隧蒋动。袋l 娌婀“遗簌”表示我】被调_ 警剿没有咀显昀注意力。通常，在驾驶汽 车时，鼗们将注意力集中在道路、收蜜瓤藉乘客上，而不蹙s | 颦豹噪音上。毽一 个异常的臻膏会立即被提醒，即舔来我 f j 被调节到嗓音，烛予边缘，并可迅速调 节回来注意遮一噤啻。 平静撞术将使巍们的注意力在中心和边缘之同很容驺键移动。有如下两个 原因：第一，遥进把一些事情放在边绦。使我们有能力调节鼹多的事橇：第二，通 过将覆先是边缘麴事情重薪调节尚中心，我们裁可隧控裁它。我髑磐颁学会对边 缘弱设计，这样w 姒充分遗掌握技术两甭被技术掰支配。乎静技术膏三个特征： 荒一，中心帮迭缝之闾可；! 程窖彝咎霸：篱二，通过把受雾鳇细节教 边缘。可以 增强边缘的延伸：第三，边缘可以辍翳地把我们与大量熟悉的细节相连接，即所 谓的定位。 面对经常拖勰的信息过载，实际上更多信息可以使其平静，这戗乎是矛盾的。 但是，当避入蒈遗计算时代，早静设计蹙至关幕要灼。选不仅会丰富我# 强物 蕊空闻，瞧整我稍谢受多戆骞t 会与翘凡籀缝。当瑰稍的世舞充满了糍强连接鼢诗 弊枫，平静按术蒋在更能够人性他的2 l 世纪起到中心角色的作用。当然，所有 这些最后都必须通过觉察上下文计算来实现。 2 1 2 普遭计算的定义 普适 十算凇确构定义，不礴骢研究者有不网鲍理解，其鼹标都是“要建立 一个充满 中葵蠲通信能力静臻璇，网时经这个环境与人们逐濒地融台在一起” “。清华大学终醢的定义是：“普漪诗算楚信息空间葛物瑾窝阔姻融台，在这个 融音豹空间中 ；：j 可班随时随地、遮翻地获得数字似的勰务”“1 。 0 武汉理工大学硕士学位论文 其中“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；这也是普适计算的英文 中u b i q u i t o u s 或p e r v a s i v e 的含义，即像空气一样无所不在。m i t 的普适计 算研究计划命名为o x y g e n 的原因也在此。而“透明”是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 ) 。相对“随时随地” 的特性，“透明”是普适计算更本质的要求，是其与桌面计算模式最本质的区别。 否则。如果仅仅要求“随时随地”性，一人一台无线联网的笔记本或许就可以 了，但这显然不是普适计算。w e i s e r 在文献。1 中这样描述“透明”的本质性： “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。”人们在写字时，笔和纸本身不会分 散我们的注意力，因此对于我们的注意力是透明的：又如雕刻家创作时，手中的 雕刀于其注意力是透明的。w e i s e r 以此来比拟普适计算所希望的服务访问过程 或手段的透明性。与此相似的有d o nn o r m a n 的“i n v i s i b l ec o m p u t e r ”、c m u 的 a u r a 计划和欧盟的“d i s a p p e a r i n gc o m p u t e r ”研究计划，它们都表达了同样 的思想。m i t 命名o x y g e n 计划的另一层含义也是想让计算成为像氧气一样看 不见又必不可少的东西。 2 2 普适计算的主要特征与内涵 普适计算具有以下两个本质： ( 1 ) 信息空间与物理空间融合。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，物理空间中的实体与信息空间中的对象将以各种形式发生 绑定，比如h p 的c o o lt o w n 试图为每个物理实体和空间附着一个编码有u r l 的标签，u r l 指向与这个物体相关的信息或者控制网页9 1 。另一方面，计算机 系统将充分的识别和利用物理空间中各种上下文信息，如位置、空间中有谁、 旁边有哪些设备可用、用户是否忙等等，进而展现不同的行为。这种特性被称 为觉察上下文计算( c o n t e x t a w a r ec o m p u t i n g ) “。 ( 2 ) 计算对人透明。如c m ua u r a 计划强调的，人的注意力不满足摩尔定律， 它始终是一个稀缺资源，需要研究尽量少需要人注意力的( d i s t r a c t i o n f r e e ) 计算机制“，使人可以集中精力处理人擅长的推理、综合、分析等工作，而不 武投露工夫学硬圭学位论文 是妻n 何操作计爨机。对人透明有多宵面的台义，首先人茺需特意击寻找计算j 9 l ， 计算机的交互点应是嵌入或移动的；箕敬计算机应有主幼( p r o h cl i v o ) 提供服 务的能力，而不只是被动等待命令，这里觉察上下文是一个霪要实现途径；最 后在提供对人的服务时所需的计算搂块静缀织、撩调等过程废该更自主纯。需 要指出韵燕，蒋遮诗算与桌面计镍桷燕系不是篱单熊敬箍代乏，窑繇h 对于一 些泉面环境下究蕊韵事务，如文辅处理、平瑶i 设甘等，寮霸计葬仍是好削姻橙 式僵是在更多不在桌面环境上菠生的人们的生活、工作、社交等话动中，普 适计算将成为一种主流的计算模式。 普适计算的内涵如下： ( 1 ) 溺失；它恳w e i s e r 的一个蔫名论述，印“最攥蹙麴技术盛郅些消失 了钧技术，这缝授术将它翻的自身燮嘏予墨霞生活中，蠢黧不可区分。”扶社会 影畴来讲，在我鄂】生活中有两种选样的技术是普遍存在浆。一种是“书写”， 用符号来记载人粪口语的文字技术是最早的信息技术。现在不仅仅是书刊报纸。 从商店标惑到广告牌已无处不在。它们往往并不要求我们主动去注意，而是通 过我们一瞥来传递信息。另一种是“电”。在每个房婀的墙蹙中涌流着，通过插 头我们随时可利用龟。所以，现在书写和电已变褥菲常平淡弱不显著，以至忘记 了这些技术瓣觋常生活靛巨大辫蛹，巍鲤消失予a 识髑鲤常坐嫒中。替适诗算逝 将漫郡群一静被消失静计算。 ( 2 ) 不甜见：一种好的工典艇不可见的工具。其古意是逯一工具并小进入 你的意识，你只是专注于任务而非工具。例如，眼镜是一个好工具，你是通过它 在看世界而非嚣眼镜；盲人通过竹竿在感觉街道丽非感觉竹竿。当然，