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硕士论文基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 摘要 随着计算机硬件设备的低功耗、小型化、微型化和高宽带网络及无线移动网 络技术的不断成熟，将计算能力嵌入到各种设备中实现实时处理和联网使用成为 现实，并且越来越普遍。在这样的背景下，传统的计算模式延伸到了普适计算。 普适计算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，将注意的中心回归到要完成任务的本身。在此环境中，用户可以随时随 地、透明地访问提供的各种服务。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的研究领域。上下文感知是达到普适计算目标的一个必 要条件，已成为普适计算研究中极为活跃的核心技术之一。 本文将普适计算中上下文感知计算技术引入到嵌入式教学系统中，研究基于 上下文感知的智能教室模型，设计了智能教室系统的上下文感知模型。 本文从智能空间的发展和特点出发，在调查分析目前一些智能空间的研究计 划的基础上，分析智能空间的软件环境需求；其次介绍上下文感知的相关概念， 并由此出发研究目前的一些上下文感知应用的体系结构，综合总结出关于上下文 感知应用的体系结构，探讨上下文感知计算的关键技术；再次对智能教室的功能 做了一个总体设计，分析o w l 在上下文感知应用中的优势，结合分层结构模型设 计了智能教室系统的上下文感知模型，对模型中各功能子模块进行研究和设计； 最后分别从学生机终端和教师机终端对智能教室进行实现并给出实现结果。 关键词：普适计算，上下文感知，智能教室，嵌入式系统 a b s t r a c t w i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，m i n i a t u r i z a t i o n ，m i c r o a n dh i g h b a n d w i d t hn e t w o r k s o fc o m p u t e rh a r d w a r e e q u i p m e n t ，a n dm a t u r i t yt h eo fw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k t e c h n o l o g y , av a r i e t yo fd e v i c e sh a v et h ec o m p u t i n gp o w e rt or e a l i z er e a l - t i m e p r o c e s s i n ga n dn e t w o r k i n gt ob e c o m ear e a l i t y , a n dm o r ec o m m o n a g a i n s ts u c ha b a c k g r o u n d ，a ne x t e n s i o no f 。t r a d i t i o n a l c o m p u t i n g m o d e lt o t h e p e r v a s i v e c o m p u t i n g p e r v a s i v ec o m p u t i n g f o c u so n e m b e d d i n gt h ec o m p u t e ri n t o t h e e n v i r o n m e n to rc o m m o na p p l i c a t i o n st om a k et h ec o m p u t e rd i s a p p e a rf r o mo u r e y e s i g h ta n dt h em i n d so fp e o p l ec o n c e n t r a t e do nt h et a s ki t s e l f i nt h i se n v i r o n m e n t , u s e rc o u l da c c e s sa n ys e r v i c ew i t h o u ta n yo p e r a t i o na ta n yt i m ea n da n yp l a c e c o n c e n t r a t i n go nd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s ，i th a sd e v e l o p e dal o to fr e s e a r e hf i e l d s a b o u tt h ep 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 ei so n eo ft h en e c e s s a r yc o n d i t i o n s d e p e n d i n go nw h i c hc o u l df i n a l l yr e a c ht h et a r g e t so ft h ep e r v a s i v ec o m p u t i n g ，a n di t h a sb e c o m eo n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e st or e s e a r c hp e r v a s i v ec o m p u t i n g t h i sp a p e ra t t e m p t st oi n t r o d u c et h ec 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 yi n t ot h e e m b e d d e dt e a e h i n gs y s t e m ，a n dm a k ear e s e a r c ho i ls m a r t c l a s s r o o mm o d e lb a s e do n c o n t e x t - a w a r e ，a n dp r e s e n t s t h e d e s i g no fc o n t e x t - a w a r em o d e lo ft h e s m a r t c l a s s r o o m t h i sp a p e rf i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i si nt h ei n v e s t i g a t i o no fs o m es m a r ts p a c e r e s e a r c hp r o g r a m ，t h ea n a l y s i so ft h es o f t w a r ee n v i r o n m e n to fs m a r t s p a c en e e d i n g f r o mt h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fi t t h e n ，i ti n t r o d u c e st h er e l e v a n c eo ft h e c o n c e p to fc o n t e x t - a w a r e ，a n dt h es t u d yo fs o m eo ft h ec o n t e x to ft h ec u r r e n t a p p l i c a t i o na r c h i t e c t u r e i nt h i sp a p e r , t h ec o n t e x to ft h ea p p l i c a t i o n0 1 1t h ea r c h i t e c t u r e i s d e s i g n e d a f t e rt h e a n a l y s i s o fi t , a n di t e x p l o r et h ek e yt e c h n o l o g i e so f c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g a n dt h e n , i tm a d ead e s i g no fs m a r t c l a s s r o o m i ta n a l y s i s t h ea d v a n t a g e so fo w li nt h ec o n t e x t - a w a r ea p p l i c a t i o n s ，h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e m o d e lc o m b i n e dw i t ht h ed e s i g no ft h es m a r tc l a s s r o o ms y s t e mo fc o n t e x t a w a r e m o d e l ，t os t u d i e da n dd e s i g n e dt h ef u n c t i o no ft h es u b m o d u l e s i nt h ee n d ，t h ep a p e r p r e s e n t st h ei m p l e m e n t a t i o no fs m a r t c l a s s r o o ms y s t e mf r o mt e a c h e rt e r m i n a la n d s t u d e n tt e r m i n a lr e s p e c t i v e l y 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 e ，s m a r t - c l a s s r o o m ，e m b e d d e ds y s t e m 声明尸l ! j 了 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 口丁竹彤钼 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 。9 年朋和e t 硕士论文基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 1 绪论 本章对课题的研究背景进行了阐述、提出了课题，说明了在研究本课题中所做的 主要工作及文章的组织结构。 1 1 课题研究背景 1 1 1 普适计算的相关背景 伴随计算、通信和内容的相互结合以及计算机微型化、嵌入式的发展趋势，计算 模式正向着以人为中心的普适计算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n go rp e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 模式发展。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 e c o m p u t e rf o rt h e2 1 s tc e n t u r y 川妇中提出的，强调把计算机嵌入到环境或日常的工具中 去，让计算机本身从人们的视线中消失，使人们注意中心回归到要完成的任务本身。 清华大学徐光祜教授等人对于普适计算的定义是：“普适计算是信息空间与物理空间 的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务。 这种 计算模式最终是将通信和计算机构成的信息空间与人们生活和工作的物理空间融为 一体，支持“随时随地并“透明地获得符合其个性化需求的信息服务口1 。 普适计算通常被认为是继主机计算和桌面计算之后计算模式的一次变革，每一种 计算模式都会带动适合其特点的计算机科学技术的发展。主机计算模式促进了分时操 作系统的发展，桌面计算模式则带动了个人操作系统、图形用户界面、多媒体等技术 的发展。同样，普适计算也要求与其相适应的计算机科学理论和技术发展。 普适计算的研究体系自底向上主要包括普适计算设备、普适网络、系统软件和人 机交互等多个层次，由于研究的侧重点和目标不同，形成了觉察上下文计算、智能空 间和可穿戴计算等多个热门研究领域。 图1 1 描述了普适计算研究的主要方面口1 。 普适计算应用 人机交互 系统软件 丝型型! 竺 语音输人。人脸识别，手写输 入、电子纸、眼镜显示器 分布式资源发现与管理，协同服 务，主动交互自适应服务 普适网络l 无笱墨筹粼瓣 普适设备 移动和手持设备，智能设备， 传藤器。可穿藏计算机r f i d 感 知 上 下 文 计 算 图1 1 普适计算主要研究方面 智 能 空 闻 可 穿 戴 计 算 l 绪论硕士论文 下面介绍普适计算研究体系中普适设备、普适网络、系统软件和人机交互等四个 主要层次： ( 1 ) 普适设备 普适计算环境由普适计算设备、系统软件和网络等部分构成，其中普适计算设备 根据功能不同可分为信息访问终端、感知设备和智能物体等。 分类功能描述实例 信息访问终通过无线或有线的方式连接网络，使用者可以随p d a 、p c 、智能手机、网络计 端 时随地按需获取各种信息和服务。 算机 感知设备用于标识对象身份和用于感知物理对象和环境状射频标签r f i d 、传感器、智能 态 灰尘、照相机、摄像机 智能物体将计算和通信能力嵌入到日常生活中的常见物体家具、家电、咖啡杯 中将其变为智能物体，从而实现计算机对这类设 备的感知和控制，建立物理世界与虚拟世界相互 联系的桥梁。 ( 2 ) 普适网络 普适计算的环境使用一些常见的计算机之间的互联方式，是一种普遍互连的环 境，各种物体通过不同方式与其他物体相连。普适计算环境下常见的网络环境有：无 线网络、互联网、电话网、电视网等。 ( 3 ) 系统软件 普适计算中的系统软件对计算环境中联网的信息设备、智能物体、计算实体进行 管理，完成数据交换、消息交互、服务发现、任务协调等系统级的工作。普适计算系 统软件的两个基本的特点是物理集成和自发的互操作，这也是不同于传统分布式系统 软件的地方。 ( 4 ) 人机交互 普适计算环境为人与之间提供更和谐、更高效的人机交互方式，典型的交互方式 有语音输入、手写输入等。普适计算的人机交互方式正在向隐式和多模式的人机交互 方式方向发展。 1 1 2 智能教室的发展趋势和研究现状 随着互联网的普及和校园网资源的进一步应用，传统的教学模式越来越不能满足 现代教学应用的需求。那么怎样发挥教学系统的数字化作用，怎样使校园网教学资源 与校园网相连并在教学上得以应用，做到无缝连接? 答案就是实现教学系统的数字化 和网络化。近几年来了，随着i t 技术的发展，尤其是网络技术的发展使得这个想法成 为现实，智能教室的概念也这样被提出来。 2 硕士论文 基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 数字化教学系统是现代教育技术的产物，是对传统教学模式的改进和补充。我国 的传统教学模式采用的是凯洛夫的五环节教学模式：组织教学一复习旧课一讲授新课 一巩固新知识一布置作业。这种以“教师、课堂、课本 为中心的教育教学模式，强 调教师对学生的管理和学习的控制，强调通过课堂教学手段对学生进行系统的文化知 识教育，这样的教学方法在学习内容上有局限性，学习方法上有单一性，学习方式上 有被动性。统一的教学进度是不利于因材施教的，严重妨碍了学生个性的发展。传统 教学模式存在不利于创新型人才的培养的问题，而现代教育技术可以解决这些不足。 现代教育技术主要以信息技术为手段，通过对教与学的过程和资源的设计、开发、利 用和评价来促进教与学的最优化的理论与实践。 随着嵌入式技术的迅猛发展，智能教室教学系统的数字化发展方向已越来越向嵌 入式终端的方向发展。与通用的计算平台相比，嵌入式系统往往具有功能专一、体积 小、功耗低、可靠性高、可剪裁性好、软硬件集成度高、成本相对较低等特点。同时 其专用性、易用性、灵活性、互通性等特性也是发展数字化教学系统嵌入式终端的一 个重要因素。在这种背景下，各种智能教室教学系统的设计也相应展开，出现了各种 基于嵌入式的数字化教学终端的设计。目前各种嵌入式数字化终端的设计只涉及到智 能教室中学生机终端的软硬件设计与实现，针对软件方面的实现主要集中在音频文件 的播放等功能，对于数字化教学系统的概念并没有很好的体现。 1 1 3 课题的提出 通过对传统教学模式的剖析和对现代教育技术的理解，为更好满足分层次教学的 需要和用户的需要，本文在基于上下文感知技术的智能教室系统中设计了智能教室系 统的整体方案。该智能教室系统是采用数字音频、编解码、存储、液晶显示、网络通 信等高新技术的教学系统，教师机服务器采用p c 机，学生机终端采用自行设计的嵌入 式终端。在教师机服务器上运行服务程序，教师机和学生机不同的配置，实现高效的 智能组合，并且在保证双方高质量的数字化通信基础上对教师机可以对学生机之间的 通信加以控制。 目前，学生机终端的数字化嵌入式教学系统的设计是重点，是智能教室各种功能 实现的平台，软件设计方面是给出过程中一些关键技术的解决方案，并没有很好体现 数字化教学系统的整体过程。在实际教学过程中，由于教学常规及考核的需要，教师 会占用部分时间间歇性的处理一些烦琐的工作( 如上课的出勤率统计等等) ，这些工 作不但耽误正常的授课，更打断了教师的讲课激情与学生的学习激情；另一方面，教 师机服务器和学生机终端之间的设备交互显然不够。当前i t 界的发展越来越朝向以人 为本的方向，这样的数字化教学系统显然是不能满足要求的。针对目前数字化教学系 统研究方面的不足和目前计算模式的发展方向，就如何开发智能的数字化教学系统， 1 绪论硕士论文 将一些授课之外的事务交给智能系统处理，让教师和学生充分集中于教与学，形成更 好的课堂氛围，得到更好的教学效果，是需要进一步研究和探索的问题。 据前文所述，普适计算涉及到移动通信技术、制造技术、嵌入式操作系统技术及 软件技术等，这些都将为智能教学系统的发展注入新的活力。在智能数字化教学系统 方面，普适计算无处不在的特点将拓展传统教学系统的概念，普适计算中的人机交互 理论也将改变传统教学系统人机交互的模式，使人们从复杂的操作中解脱出来，将更 多精力集中于教学本身。具有上下文感知技术的系统可以实现无干扰计算，利用用户 与智能环境交互产生的各类动态上下文信息，最大程度地自动执行用户任务。这样， 用户只需关注自己的任务，不需要对计算过程过多的干预。 本文的工作正是在这样的背景下展开的，通过研究将普适计算中的上下文感知技 术引入到智能教室教学系统中，设计了基于上下文感知的智能教室模型，利用上下文 感知模型的智能性、协作性，使智能教室教学系统更加高效，更加以人为本。 1 2 研究内容及所做工作 1 2 1 智能空间软件环境需求分析 在智能空间中，计算不再被局限在桌面，而是嵌入到空间的基础设施和各种形态 的器具中。这些物体的异质性、日常空间的背景的动态变化、人的移动、设备的移动、 大量无线设备以及多种通讯信道的应用，都对系统的软件构架提出了新的挑战。智能 空间的软件平台也就是在这样一个背景中所提出的。综上所述软件平台为智能空间中 分布的各种设备、模块互连、协作提供了运行环境和基础服务，同时也为系统开发者 提供了开发时需要的模块封装抽象模型和接口原语，它是智能空间开发、实施和运行 的先决条件。 1 2 2 上下文感知计算 在普适计算环境中，人会连续不断地与不同的计算设备进行隐性的交互，在此交 互过程中，计算系统实际上是根据与用户任务相关的上下文信息来向用户提供服务 的。所以，上下文感知是实现普适计算环境中新型人机交互的基础。目前，上下文感 知已经成为普适计算研究的一个热点。本文对目前的上下文应用模型进行研究，再结 合学界的一些研究成果，得出上下文感知模型的分层结构模型。 1 2 3 智能教室模型 基于上下文感知的智能教室用来解决目前普通教室的不足，顺应发展趋势的一个 解决方案。本文结合提出的上下文感知模块的分层模型，利用了o w l 模型在上下文感 知应用中的优势，设计了具有o w l 决策层的上下文感知的分层模型，并以此作为智能 4 硕士论文基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 数字语音教室的模型，对上下文感知各关键技术的实现分别进行研究和设计，开发智 能教室程序架构，完成系统的实现。 1 3 本文组织结构 第一章，绪论。介绍课题研究的背景及课题的提出，阐述本课题的工作内容及文 章的组织结构。 第二章，智能空间软件环境的需求分析。由智能空间的发展和特点展开，在调查 分析目前一些智能空间的研究计划的基础上，分析智能空间的软件环境需求。 第三章，上下文感知及其关键技术研究。首先介绍上下文感知的相关概念，并从 相关概念出发，研究目前的一些上下文应用的体系结构；然后提出关于上下文应用的 体系结构；最后从体系结构模型出发，分别探讨上下文感知计算的关键技术。 第四章，上下文感知技术智能教室模型设计。首先对智能教室的功能做了一个总 体设计；其次分析o w l 在上下文感知应用中的优势，结合分层结构模型设计了智能教 室系统的上下文感知模型，最后对模型中各功能子模块进行研究和设计。 第五章，智能教室模型的实现。分别从学生机终端和教师机终端对智能教室进行 实现并给出实现结果。 最后一章，总结和展望。对本文的研究成果与贡献的总结，就未来的工作进行了 展望。 2 智能空间软件环境需求分析硕士论文 2 智能空间软件环境需求分析 智能空间( s m a r ts p a c e ) 是一类集成化的普适计算系统，常被当作普适计算研究 的实验床，它是一个嵌入了计算、信息设备和多模态传感装置的工作空间，用户可以 访问其中的信息、获得计算机的服务，从而高效地进行单独工作和与他人协同工作。 智能空间的应用价值体现在智能教室、智能会议室等。 2 1 智能空间发展阶段 目前国际上对智能空间的研究相当广泛，如麻省理工学院人工智能实验室( m i t a il a b ) 的i n t e l l i g e n tr o o m 、斯坦福( s t a n f o r d ) 大学的i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e 、佐治亚 技术理工学院( g i t ) 的a w a r eh o m e 、微软研究院( m i c r o s o f t r e s e a r c h ) 的e a s yl i v i n g 、 德国信息技术国家研究中心( g m d ) 的i l a n d ，清华大学的s m a r tc l a s s r o o m 等。这些 计划的研究成果证明了智能空间在普适计算研究中的重要作用。由此得出智能空间发 展的三个阶段。 首先，智能空间拥有立体的连续的交互通道。其次，用户带入空间的无线手持设 备可以充分利用其周围基础设施中的相对较强的设备的能力，同时其上运行的模块也 可以与空间中的其它模块进行交互和协作以共同为用户提供增强的服务。最后，智能 空间根据用户的要求向临近的空间发出请求来完成用户的任务。 图2 1 描述了智能空间发展的这三个阶段【5 l 。并说明了每一个阶段所重点关心和 研究的问题。 6 多计算结点协作 ( 通信模式、协调模型) 自然的人机交互接口 ( 实物用户接口、传感器、 多模态感知与融合、觉察上 下文) 持久性和透明性 ( 松散耦合、模块转移) 自发互操作 ( 资源管理、服务发 现、移动代理、异构 通信) 独立的 智能空间之阿的层次组织 智能空间之间的资源管理 智能社区的服务模式 图2 1 智能空间的发展阶段 开放的 智能空间 智能 社区 硕士论文基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 由上图可见智能空间的发展分为独立的智能空间、开放的智能空间、智能社区三 个发展阶段。 在独立的智能空间阶段，空间内模块的通信与协调方式、自然的人机交互接口和 系统的持久性、透明性是研究的主要内容。 在开放的智能空间阶段关注大量的移动设备。移动设备在计算环境中漫游，它们 能发现计算环境的存在，并与计算环境自发地发生交互。计算环境的发现、异构通信 信道的互通、资源管理、移动代理和复合服务等是研究主要内容。 就目前的研究现状而言，对智能空间内部的协作机制研究较多，即第一个阶段的 研究，目前研究的重点开始向第二个阶段转移，有少数的项目已经开始针对第三个阶 段的问题展开了一定程度的研究。 2 2 智能空间系统的特点 智能空间是一个分布式系统。基础设施、嵌入式设备和移动设备构成了智能空间。 由于计算能力被分布到智能空间的各种设备环境中，通过对单台计算机资源模块的协 作来完成整个系统的功能。 用户通过与嵌入式设备和移动设备的交互来利用环境中的服务，而嵌入式设备和 移动设备则利用基础设施提供的服务来交互与协作，最终完成用户的任务。 智能空间系统的一个本质特征是自发互操作，主要体现在环境的自发发现和加入 以及计算模块间的自发协作。 智能空间是一个异构系统，这是由它的特点决定的。参与计算的基础设施、嵌入 式设备和移动设备具有完全不同的形态。基础设施、嵌入式设备和移动设备的处理能 力会有差异。不同的设备可能会使用不同的c p u 架构，不同的操作系统，不同的设备 也会使用完全不同的通讯信道，而移动设备则可能使用无线局域网( w l a n ) 也可能 使用蓝牙( b l u e t o o t h ) 或者红外通讯。 2 3 软件平台的设计原则 根据智能空间的特点得出设计智能空间软件平台需要遵循的原则，其中一部分是 软件平台的一般性原则，另一部分是为支持移动设备提出的原则。 一般原则是指智能空间的软件平台应该具有良好的可扩展性并且应该和现有的 工业界以及学术界标准接轨。智能空间系统中的模块会随着时间的变化而变化，出现 错误，加入或者离开环境，相对应的系统的配置也会发生变化。智能空间的复杂性和 构成的异构性决定了计算环境的模块是在不同的语言或者平台上实现，软件平台能支 持不同的语言。 支持移动设备是指智能空间软件平台的根据位置信息的环境自动发现机制。智能 7 2 智能空间软件环境需求分析 硕士论文 空间的游牧服务n 3 使得用户携带入空间的无线设备可以充分利用周围基础设施中计 算资源较多设备的能力，同时其上运行的模块与空间中的其它模块进行交互和协作使 用户获得与当地空间相关的各种服务。 智能空间自发互操作的一个特点是计算实体能够自发的发现计算环境，当移动设 备从一个智能空间移动到另外一个智能空间中时，设备应该从第一个智能空间的计算 环境中退出并加入到第二个空间的计算环境中。计算设备的异构性不仅仅体现在开发 语言以及平台的不同，由于移动设备的大量使用，需要发生交互的设备可能会具有完 全不同的通讯信道。 相对于移动设备来说，智能空间的资源是丰富的，但是一个空间所拥有的资源仍 然是有限的。当出现不同的应用模块同时竞争有限的资源时，通常采用集中式和分布 式两种策略竞争解决。 2 4 已有的相关研究 目前国际上对智能空间研究领域的一个重要方向是智能空间的软件平台，代表性 工作有s r i 的o a a 、m i t 的m e t a g l u e ，r a s c a lh y p e r g l u e 和s t a n f o r d 的e v e n t h e a p 等。我们 下面对这些工作作简单分析。 2 4 1m i tm e t a g l u e r a s c a l h y p e r g l u e m i t 的c s a i l 为a i r e l 6 项目开发了大量的支撑软件，包括m e t a g l u e ，r a s c a l ， h y p e r g l u e 等。 m e t a g l u e 是m i t a il a b 为智能空间系统的开发而专门设计的一个软件平台，已运 用在a i r e 项目中。 从结构上来说，在每个参与系统的计算设备上运行一个m e t a g l u em a n a g e ra g e n t ， 它为本地的其它a g e n t 提供服务和管理。另外，在全局运行一个c a t a l o ga g e n t ，它是 a g e n t 的注册机制，实现了一定程度的按能力查询a g e n t 的机制。 从协调模型上来说，m e t a g l u e 之间的a g e n t 采用直接协调模型，a g e n t 通信之前必 须获得对方的句柄。获得句柄后，a g e n t 之间的通信是基于j a v ar m i 完成的，但是 m e t a g l u e 对此作了增强，使得句柄所指的a g e n t 失效时，系统会尝试重新启动这个 a g e n t ，并保持原句柄的有效性，提高了系统对智能空间的动态性的适应。 r a s c a l 是与m e t a g l u e 配合的资源管理系统。它以一个m e t a 酉u e 的a g e r i t 的形式存在 系统中，为其他的a g e n t 提供系统级别的资源管理服务。简单的说a g e n t 是可以提供服 务和利用服务的软件实体。服务是a g e n t 为其他a g e n t 提供的功能，一个a g e n t 可以提 供一个或者多个服务，同一服务也可以由不同的a g e n t 提供。资源被定义为服务的提 供者，因此a g e n t 和设备都是资源。 8 硕士论文基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 h y p e r g l u e 是m i t 提出的跨空间的资源管理平台。h y p e r g l u e 所指的空间和我们通 常所指的智能空间略有区别。在这里一个h y p e 唱l u e 的空间可能是一个智能空间，也 可能是所有和某个用户相关的计算设备的集合。h y p e r g l u e 的提出主要为了是解决跨 空间的资源访问问题。 图2 2h y p e r g l u e 的工作原理 图2 2 ( 摘自 9 ) 描述- j h y p e r g l u e 的工作原理。当一个空间中的a g e n t 需要访问 一个服务时，它向当前空间中的资源管理模块( 图中i 蝴) 提出资源请求，r m 在当前 空间中查找合适的资源。如果当前空间中的资源无法满足a g e n t 的请求，r m 通过将资 源请求转交一个名为a m b a s s a d o r 的a g e n t ( 图中a 所示) 。从 利用h y p e r g l u e 的目录服 务器( h y p e r g l u ee n t i t yd i r e c t o r y ) 发现空间b ，并向b 的a m b a s s a d o ra g e n t ( 图中从8 ) 转交这一请求。然后由b 向本地的r m 提交请求，r m 参考本地的策略和资源来响应这一 请求，请求成功则请求的结果会沿图中的虚线逆向返回。 在这里h y p e r g l u e 弓l , k t - - + a m b a s s a d o ra g e n t 来协助跨空间的资源访问。这种方 式给系统代理的最大好处是空间的资源管理最终都被局限在本地，这使得对资源的安 全和访问控制比较方便。 2 4 2s r io a a o a a 是s r i 开发的一个多a g e n t 系统，目前已经应用在s r i 开发的多个智能空间系 统中，如a u t o m a t e do f f i c e 、o f f i c em a t e 等。o a a 与分布式问题求解和p r o l o g 语言有 着紧密的关系。a g e n t 之间的通信被抽象为提出问题和解决问题的过程，a g e n t 之间 的通信过程模拟了一个用b a c k w a r dc h a i n i n g 方法求解一个p r o l o g 查询的过程。 9 2 智能空间软件环境需求分析 硕士论文 图2 3o a a 结构 图2 3 ( 摘自 5 ) 给出了o a a 系统的结构。其中心是f a c i l i t a t o r 进程，每个a g e n t 启动后必须向f a c i l i t a t o r 注册自己能解决的问题。当一个a g e n t 向f a c i l i t a t o r 提出一个问 题后，f a c i l i t a t o r 把此问题与先前系统中各个a g e n t 注册的能解决的问题一一进行归一 操作，如果能够归一，表示这个问题能被相应的a g e n t 解决，那么归一后的新问题将 发送到相应a g e n t ，相应a g e n t 在计算这个问题的答案时，可能会产生若干子问题，那 么它把这些子问题递交至u f a c i l i t a t o r 。上述过程递归进行，直到最终返回答案给原 a g e n t 。 2 4 3s t a n f o r de v e n t h e a p e v e n t h e a p 是s t a n d f o r d 为其i n t e r a c t i v ew o r k s p a c e t l o 】项目开发的一个智能空间的软 件平台。它相对比较简单，采用了l i n d a 类型的协调模型。核心是一个称为e v e n t h e a p 的数据存储空间，不同的应用程序通过往这个数据存储空间中写t u p l e 和提取所需的 t u p l e 完成应用之间的协调。图2 4 给出e v e n t h e a p 的结构。红色的部分是各种语言版 本的e v e n t h e a p 的客户端开发接口，应用程序通过它们实现对e v e n t h e a p 的访问。 l o 碰i j 论文 甚于下立感如技术的智能教室模型研究及应用 ”、4 m 十_ l 十i k 、l i ”1 1 ，n 2 5 本章小结 图24e v e n t h e a p 结构 智能空间是由基础设施、嵌入式设备以及移动设备组成的分布式计算系统，这个 系统具有自发互操作性，异构性，持久性以及整合性的特点。据此奉文总结了在设计 智能空间的软件平台时所需要考虑的般性原则和支持移动设备原则，列举了目前国 际上对智能空间研究的软件平台。 3 上下文感知及其关键技术研究 硕士论文 3 上下文感知及其关键技术研究 普适计算经过十几年的发展，各研究团队在一个或者多个层次上进行研究开发， 目前形成了相对完备的研究领域，比如智能空间( 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 ) 、上下文感知计算( c o n t e x t - a w a r ec 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 ) 等等。在普适计算环境中，人会连续不断地与不同的计算设备进行交互，在此交互过 程中，计算系统会根据与用户任务相关的上下文信息来向用户提供服务。所以，上下 文感知是实现普适计算环境中新型人机交互的基础。本章将对上下文感知计算中的关 键技术进行讨论。 3 1 上下文感知的相关概念 上下文感知计算是从支持主动感知和应用上下文的目标出发研究普适计算，牵涉 从硬件到交互和应用的各个层次；上下文感知计算的研究牵涉到如何在普适系统软件 中提供相应的支持；上下文感知计算和系统软件的典型问题将在智能空间中得到充分 体现，同时它们也是智能空间系统的一个组成部分。 3 1 1 上下文 随着科技的发展和生活方式的改变，上下文的概念内涵也在不断演化，研究人员 在不同阶段对上下文信息有不同的理解。g r e g o r yd a b o w d 和e l i z a b e t hd m y n a t t 将 “5 硼r 砒o ，w h a t ，w h e r e ，w h e n ，w h y 作为在普适计算环境中必需上下文信息的 最小集创1 1 1 。s c h i l i t 则将上下文分类为用户上下文、计算上下文和物理上下文【12 1 。 徐光佑等对上下文信息的内涵进一步扩展，主要包括：计算的上下文、用户的上下文、 物理的上下文和上下文的历史【1 3 1 。此外还可以根据对象的不同分为用户上下文和环境 上下文。 普适计算中关于上下文的定义很多，比较普遍采用的一个定义是：上下文是用来 表征实体状态或情形的任何信息，实体可以是人、位置以及与用户应用之间交互的有 关对象( 包括用户和应用本身) 。 从上述定义可以得出，上下文指的是环境以及构成环境的各实体的状态。上下文 的种类和数量是非常丰富的，其感知的方式也千差万别，如风速、温度等可以通过传 感器直接感知，网络连接状态和带宽可以从操作系统提供的接口获得。除了这些能直 接获取的上下文之外，也有些上下文很难直接感知，如用户关系、用户当前的活动等， 这些上下文通常需要通过直接感知到的相关上下文推演后得出。 3 1 2 上下文感知计算 上下文感知计算是指计算系统自动的对上下文、上下文变化以及上下文历史进行 1 2 硕士论文基于上下文感知技术的智能教室模型研究及应用 感知应用，并据此做出决策和自动提供相应的响应或操作服务。上下文感知计算包括 主动上下文感知( a c t i v ec o n t e x t ) 和被动上下文感知( p a s s i v ec o n t e x t ) 。主动上下文 是与系统行为密切相关，并且直接决定系统行为是否改变；被动上下文是与系统相关， 但是不能直接改变其行为的上下文。主动上下文使得系统主动适应变化，被动上下文 则呈现给用户，由用户决定下一步做什么。 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用户位置、时间、环 境参数、邻近的设备和人员，用户活动等上下文信息，并用于计算的一种计算模式。 这主要是以下几方面原因： ( 一) 上下文的种类丰富，数量众多。上下文包括物理实体的上下文和虚拟实体的 上下文，当前上下文和历史上下文。其感知方式也有区别，而有些上下文甚至很难直 接感知。上下文之间的差异性和多样性也带来上下文处理的困难。 ( 二) 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是围绕上下文进 行的，包括上下文的感知、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。 ( 三) 上下文感知计算最根本的目的是应用优化上下文辅助性能。上下文的运用显 然不能脱离应用的本来目的。智能教室中上下文的应用以辅助教学和优化师生协作为 主要目标。 3 2 上下文感知计算系统框架的研究现状 目前上下文的应用十分广泛，但构造上下文感知应用并不是容易的事情。在早期 的系统中，开发人员为了一个特定上下文感知应用的实现，需要从感知环境搭建、上 下文信息采集到应用编程的全程参与，而且应用逻辑和上下文的采集处理具有紧耦合 的特性，导致整个系统的复用性降低。随后，开发人员把上下文感知应用中的共同功 能抽象出来，形成上下文感知计算的系统框架。 上下文感知计算的系统框架将屏蔽计算环境的复杂性，建立对象间的互操作性， 多样性和动态性，同时管理、协调和调度各种设备、上下文、物理环境等构成的计算 环境，为顶层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 文的采集、过滤、演化、推理、应用等功能的抽象，降低了上下文感知应用的难度， 大大缩短了开发周期。对系统框架的研究标志着上下文感知计算已经成为一种独立计 算模式。 3 2 1 系统框架的研究现状 目前的上下文感知计算系统框架已经有很多，但是系统框架的研究在研究基础、 计算环境、关注面等方面不同，不同体系结构的系统框架也很多，但大致可以分为如 3 上下文感知及其关键技术研究 硕士论文 下五种【1 4 j ： ( 一) 类o s 型 上下文在这种类型的系统框架中具有重要地位，其架构非常类似于传统的0 s ， 并提供类似传统o s 的服务，g a i a 是其主要代表【1 6 1 。 ( 二) 多代理( m u l t i a g e n t ) 型 上下文感知计算系统框架中数量最多的是多代理型框架，a u r a 是其典型代表。 a l 肛a 由c m u 创建的一个基于多代理技术的系统框架。其他基于多代理的框架还有 b e r l i n t a i n m e n t 1 7 1 ，c a r m e n 18 】等。 ( 三) 客户，服务器型 上下文感知计算系统框架中的一个重要类型是客户绡艮务器型，这种类型以成熟 的客户朋艮务器模式为基础建立。其q 口a c t i v e c a m p u s 就是一个典型的基于客户朋艮务器 架构的框架，该框架的显著特点是支持组件间的职责划分和服务间的高度整合【1 9 1 2 0 l 。 ( 四) 安全型 以上下文感知计算中的隐私和安全问题为研究目标的是安全型框架，c a s a 就是 其中之一。 ( 五) 其它类型 除以上类型外，还有一些其它类型的框架，如c a p p e l l a 框架【2 1 1 、还有k o r p i p a a 提出的基于黑板模式并能提供终端用户开发支持 2 2 1 的框架。 3 2 2 相关上下文感知应用系统 常见的上下文感知应用系统种类繁多，如c o m e x tt o o l k i t 模型。该模型是由a n h a d k d e y 提出的一个系统框架项目，该系统框架的目的是为上下文感知计算应用的开发 和部署提供支持。上下文感知组件和支持该组件驻留的分布式基础设施如上下文聚合 组件和上下文转换组件构成此框架，其中上下文感知组件将封装上下文感知的具体细 节，提供上下文感知与上下文实际使用的分离；上下文聚合组件负责收集特定对象的 上下文信息；上下文转换组件负责上下文的推论和格式转换等。 中科院提出一个基于上下文触发的事务模型，即c t m p c 模型( c o n t e x t -