（电路与系统专业论文）面向智能空间的上下文感知系统研究.pdf

摘要 2 0 世纪9 0 年代初，m a r kw e i s e r 提出了普适计算的概念，普适计算作为一 种继主机计算，桌面计算后的一种全新的计算模式，越来越受到人们的关注。普 适计算强调一种不可见的、无所不在的计算。从本质上来说，这是一种全新的人 与信息空间的交互方式。 建立物理空间与信息空间的交互接口、获取上下文信息以实现上下文感知计 算是普适计算的核心内容。上下文感知计算的出现使得充分利用环境上下文信息 进行人机交互成为可能。从人机交互的角度来看，上下文感知计算体现的是一种 “隐式”的交互模式，是未来计算模式发展的方向。 上下文感知计算所面临的主要问题是缺少一个统一的，普遍的支持上下文感 知计算的普适计算系统框架，本文在分析已有的几种上下文感知计算框架的基础 上，针对智能空间的特殊应用，提出了一种融合智能空间和上下文感知计算的系 统框架s 2 c a s ，为解决智能空间中的上下文信息处理和服务提供一种思路。 在s 2 c a s 的基础上，我们设计并实现了t h i n k m e e t i n g 原型系统，建立了一 个具有多模态传感器，嵌入了各种信息设备和多种无线网络覆盖的智能会议室环 境，并在这个具体的上下文感知应用场景中说明并验证s 2 c a s 的工作流程。在 t h i n k m e e t i n g 原型系统中，我们结合多种传感器，无线网络，数据库和控制服务 等技术，利用本体论建模，规范了上下文信息，设计了上下文事件处理的流程， 并建立了几类上下文规则，处理上下文服务。 关键词：普适计算，人机交互，上下文感知计算，智能空间，上下文服务 a b s t r a c t i nt h el a s tc e n t u r y , t h ee a r l y9 0 s ，m a r kw e i s e rp r o p o s e dt h ec o n c e p to f 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 ga s an e wc o m p u t i n gm o d e la f t e rm a i n f r a m e c o m p u t i n ga n dd e s k t o pc o m p u t i n g ，i sg a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n p e r v a s i v e c o m p u t i n ge m p h a s i z e san o n - v i s i b l e ，u b i q u i t o u sc o m p u t i n g i ne s s e n c e ，t h i si san e w i n t e r a c t i o nm o d e lo f p e o p l ea n di n f o r m a t i o ns p a c e t h ee s t a b l i s h m e n to ft h e p h y s i c a ls p a c ea n di n f o r m a t i o ns p a c ei n t e r a c t i o n i n t e r f a c ea n da c c e s st oc o n t e x ti n f o r m a t i o ni no r d e rt oa c h i e v ec o n t e x t a w a r e c o m p u t i n g ( c a c ) a r et w oc o r e so fp e r v a s i v ec o m p u t i n g t h ee m e r g e n c eo fc a c e n v i r o n m e n tm a k e sc o n t e x tb a s e dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ( h c i ) p o s s i b l e f r o m t h ep e r s p e c t i v eo fh c i ，c a ci se m b o d i e di nak i n do f ”i m p l i c i t i n t e r a c t i v em o d e l w h i c hi st h ef u t u r eo fc o m p u t i n gm o d e ld e v e l o p m e n t t h em a i np r o b l e m sf a c e dc a ci st h el a c ko fa u n i f i e d ，g e n e r a ls u p p o r tf o rc a c s y s t e mf r a m e w o r k t h i sa r t i c l ea n a l y z e sc 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 k s ，a n d p r o p o s e das m a r ts p a c eo r i e n t e dc o n t e x t a w a r es y s t e mc a l l e ds 2 c a si no r d e rt o p r o v i d ea ni d e at oh a n d l ec o n t e x t u a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n ds e r v i c e s i n t h es 2 c a so nt h eb a s i s ，w ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt h i n k m e e t i n g p r o t o t y p es y s t e m w eh a v ee s t a b l i s h e dm u l t i m o d a ls e n s o r s ，e m b e d d e di nav a r i e t yo f i n f o r m a t i o ne q u i p m e n ta n dav a r i e t yo fw i r e l e s sn e t w o r kc o v e r a g eo ft h es m a r t m e e t i n gr o o me n v i r o n m e n t i nt h i sp a r t i c u l a rs c e n a r i o ，w ed e s c r i b ea n dv e r i f yt h a t s 2 c a sw o r k f l o w t h et h i n k m e e t i n gp r o t o t y p es y s t e mc o m b i n e sa v a r i e t yo fs e n s o r s ， w i r e l e s sn e t w o r k s ，d a t a b a s e s ，a n dc o n t r o ls e r v i c e st e c h n o l o g y s y s t e mu s e so n t o l o g y m o d e l i n g ，s p e c i f i c a t i o no fc o n t e x ti n f o r m a t i o n ，d e s i g no fc o n t e x te v e n th a n d l i n g p r o c e s s ，a n dt h ee s t a b l i s h m e n to fs e v e r a lt y p e so fc o n t e x t u a lr u l e st od e a lw i t h c o n t e x t a w a r es e r v i c e s 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 ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c 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 m a r ts p a c e ，c o n t e x t a w a r es e r v i c e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝鎏盘堂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谢意。 学位论文作者签名：专专0 文签字日期：劢f 。年弓月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：袱 导师签名：丢詈17 导师签名：主至多毛主乏岛 签字日期：2 0 10 年弓月日 签字日期：动，p 年弓月 致谢 首先，我要衷心的感谢我的导师方志刚老师，在两年多的硕士研究生学 - 7 期 间，方老师在学 - - j 和工作方面给予我细心的指导和鼓励，在生活上也给予了无微 不至的关怀。方老师渊博的知识，踏实的作风，谦虚的品德，随和的待人处事和 生活方式都使我受益匪浅。 其次，感谢实验室的徐洁老师，鲍福良老师还有汤益军老师在项目研究上给 予许多的帮助，耐心解答我技术上的难题。同时也要感谢陈涛和刘振波师兄，在 研究生早期的学习和工作中得到了他们的帮助和指导，各种问题都能耐心地给我 解答，使我能顺利地开展各项工作；感谢董丹煌和蒋建勋，与他们在学习上的讨 论和交流给了我不少帮助和启发，另外特别感谢沈超工程师，为本文制作了部分 工程插图。 再次，感谢我的家人，他们为我付出了无数的汗水。他们的关怀和谆谆教诲 不断激励着我，没有他们这种无私的奉献，我也就不可能有现在的一切，在我迷 茫艰难的时候，他们一直给我鼓励和支持。 最后，感谢所有关心和帮助过我的所有老师、同学和朋友，他们给了我生活 上的关怀和精神上的鼓励。感谢审阅本文并提出宝贵意见的专家和教授。 施竟成 2 0 1 0 年1 月于浙大玉泉 浙江大学硕士学位论文 1 引言 1 1 计算模式的发展 第一台计算机诞生至今已过去半个多世纪了，在这期间，计算机以惊人的速 度发展着，计算机的计算能力和计算规模迅速增加，。伴随着计算机软硬件系统、 包括计算机网络的极大发展，计算模式也就是人机交互方式都在这半个世纪多的 时间里发生了翻天覆地的变化。 从最早的完全集中计算的模式，即主机计算时代( m a i n f r a m e ) ，到后来的i b m 开创的个人电脑( p c ) 时代，再到今天的分布式计算模式( d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 。计 算模式的不断演变与发展一直影响并指导着计算机应用系统的体系结构和部署 实施，而计算机应用领域需求的发展变化反过来也深刻影响着计算模式的发展变 化。 在计算机发展早期的上世纪6 0 7 0 年代，当时以大型机集中计算、集中存储 的主机计算模式得以大量应用，在这种计算模式下，很多人共享一个主机。上千 人通过一个终端连线或t e l n e t 连接到一个大型机，结果好象上千人都同时拥有了 这台主机的计算资源。 上世纪8 0 年代以后，随着i b m 等众多厂商陆续推出拥有良好计算能力、而 且价格也能被大众市场接受的个人p c 机以后，主机计算模式逐渐淡出历史舞台， 一人一机的桌面计算模式( d e s k t o p ) 慢慢被大众接受并沿用至今。这一时期，通讯 技术和计算机相结合并快速发展，计算机网络互联技术日益成熟和i n t e m e t 应用 蓬勃发展，更使这种计算工作相对松散的计算模式的优势得以充分发挥。用户能 很便地组建一个计算机网络，每个人拥有自己相对独立的计算环境，并且利用一 些网络服务也能很方便共享一些资料。 上世纪9 0 年代初，m a r kw d s e r 【1 提出了“普适计算”( p e r v a s i v ec o m p u t i n g u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) i 均概念，普适计算也被称为“无处不在的计算”，这两个概 念是等价的，本文中，使用普适计算这个概念。普适计算作为一种继主机计算， 桌面计算后的一种全新的计算模式，越来越受到人们的关注。w e i s e r 预测计算模 式的发展将迎来两个重要变化，首先，人机交互的对应关系将由多人一机( 主机 计算模式) 、一人一机( 桌面计算模式) 转变成为一人多机，这里的“多机”不仅仅是 引言 指一个用户拥有的计算机数量增多，而是指计算机在形式和功能上的增加。比如， 用户用来记事或是涂鸦的笔，可以是一种等存储用户记事内容或是涂鸦图案的计 算机，用户的书或者便签可以是一种具有检索文本和提醒功能的计算机；第二个 重要变化是，计算机将要“消失”，计算成为一种隐性的，不可见的行为，渗透到 人们日常生活的各个角落。例如，嵌入式信息设备已经如此地深入到我们的生活 中，使我们的生活已经离不开这些嵌入式设备，家电，汽车，公共设施中集成了 成百上千个嵌入式设备，离开这些设备我们的生活将陷入瘫痪。但是，事实上， 我们并不认为这些设备是如同电脑，手机，个人数字助理( p d a ) 般的“计算设备”， 而我们确确实实每时每刻在享受这些设备的服务。 普适计算提出的时候，网络技术并没有像现在这样大规模地应用并且渗透进 人们生活的方方面面，随着万维网( w o r l dw i d ew e b ) 和因特( i n t e m e t ) 技术的发 展，基于t c p i p 协议连接的p c 和服务器构成了当今真正意义上的“网络计 算”m e 俩o r kc o m p u t i n g ) 模式。现在，网络计算模式还在飞速发展着，并且深入 到人类生活的方方面面。当然，网络计算绝不是计算模式发展的最终形态，各种 研究机构( m i t 的m e d i al a b 等) 一直致力于开发各种数字交互设备，包括可穿戴 计算机( w e a r a b l ec o m p u t e r ) 、纸片计算机( p a p e rc o m p u t e r ) 、智能空i 司( s m a r tr o o m ) 等。虽然这些产品还远未应用到日常生活中，但它们毕竟已经处于概念和研究开 发中，我们把这种计算模式称为“异化计算”( e x o t i cc o m p u t i n g ) 。 当计算模式由网络计算发展成所谓异化计算( e x o t i cc o m p u t i n g ) 前，需要经历 一个中间模式的阶段，即所谓的普适计算，这个阶段并不依赖所谓可穿戴计算机 ( w e a r a b l ec o m p u t e r ) 或是纸片计算机( p a p e rc o m p u t e r ) 这些概念设备，只需利用现 有的终端设备，比如手机、p d a 、机顶盒、数字电视、汽车导航系统、游戏机、 智能家电等。所有这些设备将会通过网络连接在一起，这里的网络主要是指以无 线通信为主的泛在网络( u b i q u i t o u s n e t w o r k ) ，一旦这种技术发展起来，将会使用 户能够轻松分享彼此的信息，上传或下载视频和音乐，体验高质量的数字媒体。 总之，能使网络的使用和信息的分享更为自由。 同时，我们正在经历一个移动计算和手持计算蓬勃发展的时代，便携式计算 设备的大量生产使用( 笔记本电脑，上网本) ，各种无线网络( i r d a 、w i f i 、蓝牙、 g p r s 、3 g 网络) 越来越宽的覆盖和融合，使用户能在起自身位置不断移动的情 浙大学碗士学位论文 篡沁鼍一7 和 ：9 江。吣，四l 竺j ：。b 7 。翟8 一 引言 应，例如，在电子屏幕上打出欢迎词等。固i - 2 gc o u l o u r i s ，jd o l l i m o r et 聒n d b 盯g ( 金蓓弘等译) 分布式系统：概念- 9 设计( 原书第4 版) ，北京，机械工业 出版社，2 0 0 81 ，p a g e4 1 9 表示了一个能对用户做出响应的房间。 红外传感器探钡9 用户3 崩司做出晌压 佩带标签避人房间 的用户 图1 - 2 对用户做出响应的房闻 另外，我们也可以通过语言或规则来描述一种上下支感知计算的概念，例如 “如果用户小李在早上8 点进入实验室，如果实验室内没有其他人，那么系统将 会把小李的手机屏幕映射到离他最近的电子屏幕上，如果实验室内有管理人员， 那么这种映射必须通过授权才能进行”。 当然，通过项目概念和语言规则描述并不能给出一个精确的上下文感知计算 定义，本文将在第二章详细讨论上下文感知计算的相关概念。 1 _ 3 国内外研究现状 上下文感知计算的应用非常广泛，在智能办公与家居旅游、移动计算、医 疗卫生等领域都得到了广泛应用。国内外有很多研究机构针对各个领域提出了许 多上下文感知计算的项目研究和应用方案，有的已经形成体系并逐渐投入商用， 现举例如下： ( 1 1 基于a c t i v e b a d g e 的应用项目 这是o l i v e t t i 实验室早期的一个项目，在各种文献中，这个项目作为一种上下 文感知计算的典型项目被频繁地提出。这是上下文感知计算在智能办公领域的一 个探索性项目。o l i v e t t i 实验室在a c t i v e 8 a d g e 系统上开发了一系列应用，其中包 括电话转接服务( c a l lf o r w a r d i n g ) 和资源跟随( f o l l o wm e ) t 8 两个项目。c a l l 浙江大学硕士学位论文 f o r w a r d i n g 项目为一幢大楼里的电话转接员提供了员工的 - 3 前位置信息，当有电 话要找他们时，转接员可以方便地将电话转接到距离这些员工最近的电话上。 f o l l o wm e 项目可以动态地将交互界面映射到用户附近的计算设备上或者通信设 备上，使交互界面能跟随着用户。另外，a t & t 实验室采用了结合射频信号和超 声波的位置追踪系统“b a t ”【5 1 来实现相似的功能。 ( 2 ) a c t i v em a p a c t i v em a p 是另一个用以说明上下文感知概念的经典项目，由w e i s e r 所在 的x e r o xp a r c ( x e r o xp a l oa l t or e s e a r c hc e n t e r ) 项目组开发【6 】【7 】【8 1 。a c t i v em a p 系统利用p a r c 标签直接获取员工的位置信息，p a r c 标签网络在每个房间都有 独立的无线基站，能直接获取标签发来的信号，并将员工的头像实时显示在地图 上。这项技术能使人们快速获取人员位置信息，并注意到有可能发生的会议。 ( 3 ) 智能导游系统( i n t e l l i g e n tt o u r i s tg u i d e ，i t g ) 相关项目 自从上个世纪9 0 年代提出了智能导游系统( i t g ) 概念，智能导游系统已经经 历了很大的发展。i t g 系统利用传感设备获取位置上下文信息，结合地理信息技 术将相应的旅游信息以多媒体的形式呈现给游客，目的是代替人工导游为游客提 供专业的导游服务。 c y b e r g u i d e 9 1 是佐治亚理工学院( g e o 唱i ai n s t i t u t eo f t e c l l l l 0 1 0 9 y ) 远程计算环境 项目组( f u t u r ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t s ，f c e ) 开发的导航系统，她同时支持室内 外定位，为游客提供当前位置信息，背景信息检索等服务，当游客在室外时，系 统利用g p s 定位，当游客在室内时，系统利用红外技术定位。如图1 3 ： 口圈l jl 二呈_ j 图1 - 3 室内外定位概念图 5 引言 类似的，g u i d e 系统1 q 为游客提供了英国某城市的上下文旅游信息；而在 更小的空间尺度上，文献 1 1 】【1 2 1 3 】提出了针对博物馆和展会的上下文感知导游 系统的设计。 今年来，具有上下文感知能力的智能导游系统的发展与地理信息系统 ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ，g i s ) 的发展具有密切的联系，我们可以看到， g i s 的计算向两个方向发展，一个方向是各类传感器和可穿戴的客户端设备，另 一个方向则是大型的集中服务器设备【1 4 1 。而g i s 的应用也呈现了两极趋势：一 端是大型宏观全球范围的应用，一端是个人，家庭的消费者。某种意义上来说， g i s 已经从一种软件变为一种方法，g i s 的发展也促进了基于空间位置的上下文 感知计算的发展。 ( 4 ) e a s y l i v i n g 1 5 】 e a s y l i v i n g 是微软研究院的v i s i o n 项目组开发的一个普适计算项目。它包括 用于用户跟踪定位和交互的计算机视觉技术、多模态传感器融合、使用几何模型 来提供计算上下文、自动或半自动的传感器校准和建模、自适应的人机交互接口 等。微软在1 9 9 8 年公布了对e a s y l i v i n g 项目的设计目标和原型环境，该环境可 以感知用户、设备的位置，并根据用户的位置提供物理上最接近的i o 设备以供 使用；另外，该项目实现了资源以及人机界面的无缝移动；同时，保护用户隐私 的安全性问题也在系统考虑的范畴内，总体来说，e a s y l i v i n g 是一个比较成熟且 易于扩展的上下文感知计算系统。 ( 5 ) s m a r tc l a s s r o o m t l 6 】 远程智能教室( s m a r tc l a s s r o o m ) 是清华大学普适计算实验室的一个研究项 目，这是一个基于多智能体( m u l t i a g e n t ) 中间件构成的分布式计算系统，提供隐 显式共存的交互方式，利用多模态传感设备提供上下文事件检测，为本地或远程 的学生提供服务，支持远程协作等。 ( 6 ) 在医疗卫生领域的应用 随着嵌入式传感器件的日益微型化，可穿戴计算以及无线个人网( w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，w p a n ) 的发展，上下文感知计算在医疗卫生领域的应用也 更加广泛和深入【1 7 1 。比如h s a u d e ( h e a l t hs u p p o r ti na w a r ea n du b i q u i t o u s d o m e s t i ce n v i r o n m e n t s ) 就是一个典型的用于医疗卫生服务的上下文感知系统框 浙江大学硕士学位论文 架，其包含上下文管理，推理以及学习等功能，被用于实时监测和预判病人的身 体状况和血压等指标【1 8 1 。 1 4 本文的研究工作 基于普适计算的基本理论，本文讨论了其重要子领域上下文感知计算， 在智能空间中的应用和系统的实现，提出了面向智能空间的上下文感知系统框架 s 2 c a s ，并给出了基于此框架的原形系统t h i n k m e e t i n g ，本文的主要工作如下： ( 1 ) 探讨了上下文感知计算的定义和应用范畴，分析了层次化上下文感知计算 系统的基本框架和各层次功能。 ( 2 ) 探讨了智能空间的概念和特点，并结合上下文感知计算的层次化特点，提 出了一种面向智能空间的上下文感知计算框架s 2 c a s 。 ( 3 ) 设计了针对会议场景的原型系统t h i n k m e e t i n g 。利用v i s u a lc + + ，v i s u a l s t u d i o2 0 0 5 ，o d b c ，m f c 工具完成t h i n k m e e t i n g 的系统软件开发，利用嵌入 式微控制器，z i g b e e 等无线通信模块，各类传感器等完成系统硬件开发。 本文的基本结构如下： 第一章讨论了上下文感知计算的背景，包括计算模式的发展，普适计算与上 下文感知计算的关系，上下文感知计算的应用领域以及国内外的研究现状。 第二章探讨了上下文的定义，给出了精确的上下文感知计算定义，并分析了 现有的几种上下文感知计算框架，分析了智能空间的概念和应用，以及在普适计 算中的地位，在此基础上抽象出了面向智能空间的上下文感知计算的层次化概念 模型。 第三章结合上下文感知计算的层次化特点，提出了一种面向智能空间的上下 文感知计算框架s 2 c a s ，分析了其中各模块的作用，并比较了s 2 c a s 与普遍的 上下文感知计算框架间的区别和联系。 第四章在s 2 c a s 框架的基础上提出了针对智能会议室应用的原型系统 t h i n k m e e t i n g ，分析了t h i n k m e e t i n g 的系统结构，在此基础上讨论了t h i n k m e e t i n g 的上下文建模方式以及数据组织形式。给出了t h i n k m e e t i n g 的几类典型服务， 并建立和设计了上下文规则，给出实例加以说明讨论。 第五章说明了t h i n k m e e t i n g 的具体实现技术，涉及到无线传感网络，网络层 相关技术，分布式数据库技术，控制模块相关技术，管理接口使用的相关技术五 7 引言 方面，最后给出了测试运行结果 第六章则对本文的创新点和可开展的后续工作做出说明。 8 浙江大学硕士学位论文 2 面向智能空间的上下文感知计算综述 2 1 上下文感知计算概述 当人们在同一个环境中进行交互时，常常会不自觉地利用彼此的共同知识、 氛围、情境等上下文信息来调整自己的行为，提高交互效率。比如，两个人交谈 时的音量往往会随着环境噪声的情况而改变，在嘈杂的公共环境中，人们会不自 觉的提高说话的音量，而在诸如图书馆、医院病房等安静的环境中，人们又会不 自觉地压低说话的声音。遗憾的是，在传统的人机交互模式中，计算机往往不能 有效利用这些交互环境中的信息。 2 0 世纪9 0 年代初，m a r k w e i s e r 提出了普适计算的概念，上下文感知计算作 为其研究的核心内容之一受到了充分的关注。上下文感知计算的出现使得充分利 用环境上下文信息进行人机交互成为可能。用户可以在所谓的普适环境中根据自 身的位置( 在家中，在办公室或是在公共场合) 、偏好以及其他上下文信息与各种 多媒体器件( p d a ，p c ，g p s 终端等) 进行自然交互，从而完成日常工作或是任务。 现阶段国内外对于上下文感知计算的主要研究集中在上下文感知计算的建 模，上下文感知计算的系统框架以及上下文感知计算的应用等方面。 2 1 1 上下文的定义 我们所使用的“上下文”这个概念，通常意义上来说，是指用户所处的环境信 息( 物理，硬件或者软件) ，但是要给上下文做出一个通用的，精确的定义却相当 困难。参照各种文献，可以看到对于上下文，有以下一些定义： p r e k o p 和b u m e t t 1 9 3 还有d e y t 2 0 1 将上下文定义为“任何可以表征一个实体状态 的信息”。其中，实体被定义为人、地点或物体，这些人、地点或物体与用户和 应用间的交互相关，同时也包含这些用户和应用本身。 c h e n 和k o t z 2 1 】对d e y 的定义做了补充，认为“上下文是环境状态的集合，这 些状态的集合或是决定了应用的行为，或是其中有用户感兴趣的应用事件”。 d e y 的定义在普适计算系统研究领域获得了广泛的认同，但是，t a d j 和 n g a n t c h a h a t 2 2 】认为，根据d e y 的定义，一些对普适计算系统并没有起作用的实体 特征也会被认为是上下文信息。另外，以上两种定义忽视了事件发生时环境信患 面向智能空间的上下文感知计算综述 状态的历史信息，因此，修正d e y 的定义为“上下文是表征实体状态( 包含历史状 态) 的环境信息的最小集合”。 其中实体既可以是物理实体( 人、杯子、硬件等) ，也可以是虚拟实体( 软件、 心理状态、社会关系等) ；实体的状态既可以是当前状态，也可以是历史状态； 实体的状态可以在任意时间改变无论系统运行与否；所谓最小集合就是指，改变 集合中任意一个环境信息就会影响系统的反映和决定，而再加入任意一个环境信 息都不会影响系统行为。 2 1 2 上下文感知计算的定义 如何发现并有效地利用上下文信息( 用户位置、时间、临近的设备人员、用户 活动等) 进行计算是应用领域中一项富有挑战性的课题。 研究者通常将上下文感知计算进行分类以说明上下文感知计算所支持的应 用领域，s c h i l i t t 2 3 1 通过将上下文感知应用分成以下四类来定义上下文感知计算： 临近选择、上下文自配置、上下文信息指令和上下文触发事件。而p a s c o e 建议 根据上下文特征将上下文感知计算分为上下文感知、上下文白适应、上下文资源 发现以及上下文增强( 数字信息与用户上下文进行关联的能力) 。d e y 2 0 】综合了以 上观点，提出上下文感知计算的定义为：利用上下文信息提供与用户任务相关的 信息和服务。具体而言则分为三个方面：适时地显示信息和服务，自动执行服务， 标记上下文信息。 c h e n 和k o t z 2 1 1 对于系统如何应用上下文信息有不同的看法，他们认为从本 质上来说，上下文感知计算可以分为主动上下文感知和被动上下文感知两类。其 中，主动上下文感知是指，通过改变应用( 程序) 的行为，自适应已发现的上下文 信息；被动上下文感知是指，应用( 程序) 罗列出新的或者已改变的上下文信息， 供对此感兴趣的用户当前或以后使用，但此并不会影响应用( 程序) 的行为。 文献 2 4 将上下文感知计算分为广义和狭义两个概念。从广义上来说，任何 对上下文加以运用的程序( 应用) 都可以称之为上下文感知应用；从狭义上来说， 我们则只将其中包含有显著成形的感知计算框架的上下文感知计算应用纳入其 范畴。 浙江大学硕士学位论文 2 1 3 上下文感知计算概念模型与框架 尽管上下文感知计算的定义已然相对明确和统一，但是构建一个上下文感知 计算的系统框架并非易事。现阶段国内外研究中存在的一个主要问题就是缺少一 个统一的，普遍的支持上下文感知计算的普适计算系统框架。本节将首先讨论几 种支持上下文感知计算的普适计算结构，然后讨论上下文感知计算的概念模型。 ( 1 ) c o n t e x tm a n a g i n gf r a m e w o r k ：由k o 印i p 泌等人【2 5 宅e 2 0 0 3 年提出。这是一 种常见的分布式上下文感知计算框架，采用分层结构，4 个主要的功能实体构成 了上下文感知框架，分别是：c o n t e x tm a n a g e r 、r e s o u r c es e r v e r s 、t h ec o n t e x t r e c o g n i t i o ns e r v i c e s 和t h ea p p l i c a t i o n 。 ( 2 ) s e r v i c e - o r i e n t e dc o n t e x t a w a r em i d d l e w a r e ( s o c a m ) ：s o c a m 是客户服 务器型的系统框架，该框架可高效地支持上下文的获取、发现、解释和访问等， 支持快速的移动应用，整个框架主要包含上下文提供者、上下文解释器、上下文 数据库、上下文感知服务和服务定位服务等部分。由g ut a o 2 6 】等人在2 0 0 4 年提 出。 ( 3 ) c o n t e x t a w a r e n e s ss u b s t r u c t u r e ( c a s s ) ：是一种基于中间件的上下文感知 系统框架，由f a h y 和c l a r k e 【2 刀在2 0 0 4 年提出。 中间件包含解释器层( i n t e r p r e t e r ) ，上下文索引层( c o n t e x t r e t r i e v e r ) ，规则引 擎) ( r u l ee n g i n e ) 和传感器监听层( s e n s o r l i s t e n e r ) 。传感器监听层监听分布式计算 机上的传感器信息，即所谓“传感器节点”( s e n s o rn o d e ) ，然后将采集来的信息存 储在数据库中。上下文索引层负责调用数据库中的上下文信息。客户端的手持式 设备的变化监听层( c h a n g e l i s t e n e r ) 整合了无线通信能力，使之能够随时感知到事 件的变化。 ( 4 ) h y d r o g e np r o j e c t t 2 8 1 ：h o f e r 等人在2 0 0 2 年提出的另一种分层结构的上下文 感知计算架构。该架构特别支持移动设备的上下文信息获取，区分本地( 1 0 c a l c o n t e x t ) 和非本地上下文( r e m o t ec o n t e x t ) 。非本地上下文是指其他终端获取的信 息。本地上下文是指自己个人终端获取的信息。当这些终端彼此在物理上接近的 时候，就能通过p e p 方l ( w l a n ，b l u e t o o t h ，e t c ) 交换( e x c h a n g e ) 并分( c o n t e x t s h a r i n g ) 各自的上下文信息。图2 1 展示了客户终端获取和分享交换上下文的机 制。 1 1 面向智能空间的上下文感知计算综述 图2 - 1h y d r o g e n 面向对象的上下文模型 这是一种面向对象的机制，本地和非本地的上下文组成了上下文对象( c o m e x t o b j e c t s ) 超类c o n t e x t o b j e c t 被扩展成各种不同的上下文类，；女口l o c a t i o n c o m e x t ， d e v i c e c o m e x t 等。这种机制允许添加新的上下文类。 具体h y d r o g e n p r o j e c t 是三层架构，三层结构都在同一个终端上，分别是适 应层( a d a p t o rl a y e r ) ，管理层( m a n a g e m e n tl a y e r ) 和应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。适 应层采集原始上下文数据( r a wd a t a ) ，管理层( m a n a g e m e n t l a y e r ) 进行数据的存 储，接收，传送等管理工作。应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 执行具体的应用类操作。 ( 5 ) g a i a p r o j e c t 2 9 ：由r o m a i l 等人在2 0 0 2 年提出，其目标是提供合适的中间件 来满足智能空间的应用需求。所谓智能空间是指普适计算和感知计算在特定空间 范围的一类应用，尤其是指在房间和建筑物中。g a i a 可管理智能空间中的各类资 源和服务，同时为智能空间应用开发提供支持。整个g a i a 由3 大部分组成，依次 是g a i a 核心，g a i a 应用框架和智能空间应用。其中，g a i a 核心由事件管理服务 ( e v e n tm a n a g e rg a i a ) ，上下文服务( c o n t e x ts e r v i c e ) ，表示服务( p r e s e n c e ) ，空间 存储服务( s p a c er e p o s i t o r ys e r v i c e ) p 2 及上下文文件系统( c o n t e x tf i l es y s t e m ) 等5 浙江大学硕士学位论文 部分组成。这种类型的框架认为上下文具有极端重要的地位，其架构非常类似于 传统的o s ，并提供类似传统o s 的服务。 各种上下文感知系统架构的各方面比较，具体见表2 1 。 表2 1 已有的各种上下文感知系统架构比较 框架名称感知方式上下文模型资源发现机制是否支持 历史上下 文数据 c a s s 中间件传感器节点基于知识的推理 否 引擎 c o n t e x t基于b l a c k b o a r d资源服务型上下文识别服务支持 m a n a g e m e n t技术 f r a m e w o r k g a i am v c上下文提供上下文识别服务 支持 型 ( 一阶逻辑) h y d r o g e n 三层结构自适应只解释原始数据 否 s o c a m分布式结构上下文提供上下文推理引擎支持 型 系统框架的研究相当丰富。由于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，目前已经有许多分层结构的上下 文感知系统和框架，它们的各个层次的功能范围，在系统中的位置以及各层次的 名字都不相同。但是，一个共同的现代上下文处理概念结构框架还是可以确定的。 如表2 2 。 表2 2 上下文感知计算概念框架 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。 存储和管理层( s t o m g ea n dm a n a g e m e n t ) 上下文处层( p r e p r o c e s s i n g ) 原始数据预处理层( r e t r i e v a lo f r a wd a t a ) 传感器层( s e n s o r s ) 1 3 面向智能空间的上下文感知计算综述 ( 1 ) 传感器) 昙( s e n s o r s ) 不只是指硬件传感器，包括一切可以提供上下文信息的数据源。主要分三种。 物理传感器 主要指硬件传感器，具体如表2 3 所示： 表2 - 3 上下文类型与相应的硬件传感器 上下文类型可利用的传感设备 视觉上下文各种相机 音频信号麦克风 动作行为上下加速度传感器 、 又 位置上下文室外：g p s 室内：r f i d 等 压力压力传感器 温度 温度计 生理特性血压计，皮肤电导设备等 - 虚拟传感器 主要来源于应用软件和服务信息。比如，要知道雇员的位置不必只能利用位 置追踪系统( 例j w g p s ) ，可以浏览其电子日程，邮件收发信息等，从而得到其位 置信息。 逻辑传感器 由物理和虚拟信息系统结合数据库信息和其他信息而成，是以上两种“传感 器”的混合应用。 ( 2 ) 原始数据预处理层( r e t r i e v a lo f r a wd a t a ) 对物理传感器使用合适的驱动，对虚拟传感器和逻辑传感器使用合适的a p i 函数，例如，提供一种抽象的获取函数诸如g e t p o s i t i o n ( ) 之类，来获取低层上下 文信息。对于相同类型的上下文，这类函数可以复用。比如，用r f i d 获取用户 位置信息的方法改成用g p s 方式获取用户位置信息。使g e t p o s i t i o n o i 函数同样有 效。 ( 3 ) 上下文处理层( p r e p r o c e s s i n g ) 推理和处理上下文信息，“传感器”获取的往往是技术性的数据，而不能被应 1 4 浙江大学硕士学位论文 用程序的设计者所利用，因此需要这个层次将前两个层次所获得的信息转化为更 高抽象级别的信息。比如，一个精确的g p s 用户坐标位置对于一个应用程序来说 并不是非常有价值，而当我们知道该用户所处的具体地点( 浙江大学城市学院， 理工楼5 a ，4 0 9 房间) ，则更有其应用价值。 另外，在一个上下文感知系统中包含了多个不同的上下文数据源，单个的上 下文数据源可以通过所谓“聚合”( a g g r e g a t i o n ) 和“组合”( c o m p o s i t i o n ) 的过程结合 成为高层次的信息，从而得到更为精确的结果。比如：通过分析多个物理数据( 温 度、光照等) 可以知道客户端是处于室内还是室外。而分析噪音等级和位置信息， 则可以知道用户当前是否在开会。 ( 4 ) 存储和管理层( s t o r a g ea n dm a n a g e m e n t ) 组织已获取的数据( 包括历史上下文信息) 并使他们访问应用程序。 ( 5 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 具体执行系统对上下文实例和事件改变所做出的反应。 2 2 智能空i 司( s m a r ts p a c e ) 概述 本节将从普适计算的另一个核心问题：虚拟世界与现实物理的接口问题开始 讨论，探讨了“智能物体”( s m a r tt h i n g s ) 的概念及其发展现状，并将其在物理 层面和虚拟层面进行概念上的扩展和延伸，从而引入具有接口功能的智能空间的 概念，在此基础上，讨论了智能空间的所具有的基本功能特性以及应用。