孫建華，夏侯士戟，徐 強

(電子科技大學(xué)移動計算中心 成都 610054)

隨著計算機、無線通信和傳感器等技術(shù)的發(fā)展與進步，普適計算、移動計算和可穿戴計算[1]研究中的各類計算設(shè)備變得功能更強、體積更小、通信帶寬更寬、功耗和成本更低，如Motorola公司開發(fā)的WT4000系列可穿戴計算機，配置了條形碼掃描器和W iFi芯片，在尺寸和重量方面均適合佩戴應(yīng)用，基于其開發(fā)的大量應(yīng)用已獲得了廣泛的關(guān)注。

在各種研究中，文獻[2]提出了上下文感知計算(context-aware computing)，將其定義為軟件能夠根據(jù)使用場合、鄰近人員和對象集合，以及時間變化等進行調(diào)整的能力。近年來，研究人員開展了大量有關(guān)上下文感知計算的研究，如文獻[3]重點關(guān)注了綜合應(yīng)用信息新技術(shù)如何提高家居環(huán)境品質(zhì)，提高人們的家居生活質(zhì)量；文獻[4]研究了計算機能根據(jù)辦公室人員的活動及日程安排等上下文，自動安排和管理與外來訪問者的會見；文獻[5]研究了構(gòu)建智能家居環(huán)境的原型體系結(jié)構(gòu)及相關(guān)技術(shù)，如用戶定位跟蹤、設(shè)備通信和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等。

1 工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的上下文感知計算

近年來，作為普適計算和移動計算領(lǐng)域重要拓展的可穿戴計算得到了迅速發(fā)展，在多個領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，特別是在企業(yè)大型復(fù)雜技術(shù)設(shè)備維護和裝配中的應(yīng)用呈現(xiàn)出實用化和產(chǎn)品化的良好趨勢，如文獻[6]運用可穿戴計算機為設(shè)備維修和維護人員提供遠程資料存取和專家遠程協(xié)助；文獻[7]研制基于可穿戴計算機的增強現(xiàn)實和圖像處理系統(tǒng)，被成功地應(yīng)用于電力設(shè)備維護的操作訓(xùn)練；文獻[8]開展可穿戴計算機協(xié)助工人進行飛機組裝的研究；文獻[9]開展可穿戴計算機在汽車生產(chǎn)線組裝人員崗前培訓(xùn)方面的研究。

這些研究和應(yīng)用都采用了上下文感知計算技術(shù)，使得可穿戴計算機能夠感知車間范圍內(nèi)包括作業(yè)人員本身、設(shè)備和環(huán)境等在內(nèi)的大量上下文，充分運用可穿戴計算機在持續(xù)可用、可穿戴、可移動、釋放用戶雙手、增強和介入等方面的優(yōu)勢，為用戶提供隨時隨地的個性化服務(wù)，輔助用戶高效作業(yè)。上述在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域上下文感知計算的研究中，上下文具有鮮明的特點，具體表現(xiàn)在：

(1) 多樣性，上下文多種多樣，如有溫度、濕度、位置和心率等；

(2) 復(fù)雜性，即獲取上下文所需的設(shè)備、設(shè)備的通信速率、方式和數(shù)據(jù)格式等；

(3) 時效性，即上下文隨時間變化而變化，有的只是暫時使用，有的需持久存儲；

(4) 個性化，即上下文和人員本身有關(guān)，如人員的生理、心理狀態(tài)和對應(yīng)用程序用戶界面的喜好程度等。

目前，上下文感知計算在工業(yè)中的應(yīng)用和研究工作都是面向特定領(lǐng)域，以單個研究項目為基礎(chǔ)進行的，應(yīng)用的開發(fā)設(shè)計都緊緊圍繞應(yīng)用的邏輯，缺乏對上下文感知計算模型的整體把握和全局考慮，存在一定的局限性和缺陷，具體表現(xiàn)為：

(1) 上下文采集基礎(chǔ)設(shè)施不統(tǒng)一、不完善；

(2) 上下文表示模型語義支持不夠；

(3) 缺乏統(tǒng)一高效的上下文訪問接口；

(4) 開發(fā)的應(yīng)用可擴展性差，動態(tài)適應(yīng)性弱。

基于以上分析，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種新的以語義服務(wù)為基礎(chǔ)的、面向工業(yè)應(yīng)用的車間上下文感知計算模型。

2 車間上下文感知計算模型

如圖1所示，車間上下文感知計算模型(workshop context-aware computing model，WCACM)主要分為上下文傳感層、上下文中間件層和上下文應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)。

2.1 上下文傳感層

上下文傳感層主要由車間環(huán)境中的各類傳感器和支持其運作的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)等組成，構(gòu)成車間上下文主要的物理或邏輯來源，如光照、溫度、語音、視頻、設(shè)備信息、時間，任務(wù)日志、網(wǎng)絡(luò)帶寬等上下文，形成上下文采集基礎(chǔ)設(shè)施。以車間布置為例，上下文采集基礎(chǔ)設(shè)施示意圖如圖3所示。

圖1 上下文感知計算模型

圖2 上下文采集基礎(chǔ)設(shè)施示意圖

2.2 上下文中間件層

上下文提供者、服務(wù)管理器和上下文推理3部分構(gòu)成WCACM的上下文中間件層，是模型的核心部分，完成上下文的采集、表示和推理，并提供上下文訪問接口及上下文服務(wù)管理等功能。

2.2.1 基礎(chǔ)平臺

OSGi(open services gateway initiative)平臺[10]是一種面向服務(wù)的架構(gòu)，近年來，它獲得了研究人員的廣泛關(guān)注和應(yīng)用，如文獻[11]開展的以O(shè)SGi平臺為基礎(chǔ)的動態(tài)普適計算服務(wù)執(zhí)行環(huán)境研究；文獻[12]開展的通過擴展OSGi平臺實現(xiàn)移動計算環(huán)境下上下文感知服務(wù)的遷移與擴散的研究。OSGi平臺中，運行在其上的應(yīng)用邏輯單元Bundle可以動態(tài)地裝載和卸載，擁有INSTALLED、RESOLVED、STARTING、ACTIVE、STOPPING、UNINSTALLED 6種生命周期狀態(tài)?；谄溟_發(fā)的服務(wù)或應(yīng)用具有很強的可擴展性、可復(fù)用性、可維護性、動態(tài)適應(yīng)性和穩(wěn)定性。因此，選擇OSGi作為構(gòu)建WCACM的基礎(chǔ)平臺，并使用服務(wù)管理器完成對OSGi平臺上各類服務(wù)或應(yīng)用的管理。

2.2.2 上下文提供者

上下文復(fù)雜多樣，選擇一種合適有效的表示模型十分重要，為此研究人員開展了大量的研究，先后提出了鍵-值、標(biāo)記分類、圖形、面向?qū)ο?、邏輯、本體等表示模型。由于基于本體的上下文表示具有能夠明確形式化的定義領(lǐng)域知識、高度的知識可表達性和能夠進行邏輯推理獲得新的知識等優(yōu)勢，因此在上下文感知計算研究中獲得廣泛的研究和應(yīng)用[13-14]。

本文模型中，選擇基于OWL[15]描述的本體表示上下文，實現(xiàn)上下文的語義描述。上下文采用<主體，謂詞，客體>RDF三元組的形式表示，其中主體subject∈S，S表示對象名稱的集合，如人名、位置名和設(shè)備名等；謂詞predicate∈P，P表示謂詞名稱的集合，P依賴于S，如位于、參與等；客體object∈O，O表示S中主體值的集合，如工作正常、溫度高等。(Wanggong，Location at，Maintenance Area)表示“王工位于維修區(qū)”。

本文模型中，構(gòu)建在OSGi 平臺上的上下文提供者由一系列Bundle實現(xiàn)，不同Bundle完成對不同上下文的采集和表示，并使用OWL描述Bundle提供的上下文服務(wù)，實現(xiàn)對上下文服務(wù)的語義描述，以便更好地支持上下文服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、獲取和調(diào)用。上下文服務(wù)的語義描述OWL片斷如圖3所示。

圖3 上下文服務(wù)的語義描述OWL片斷

2.2.3 上下文推理

通過上下文傳感層獲取的原始上下文，如溫度、心率等，語義層次較低，對上層上下文應(yīng)用支持不夠，而一些具有較高語義層次、隱性的上下文，如工人是否處于疲勞狀態(tài)等，不能通過傳感器直接獲得?；诒倔w構(gòu)建的上下文表示使用推理機制能夠解決這類問題。推理分為本體規(guī)則推理和自定義規(guī)則推理兩部分。

(1) 本體規(guī)則推理主要解決上下文沖突檢測、一致性驗證和表達優(yōu)化融合等問題。常用的本體規(guī)則主要包括概念的可滿足性檢查，以及類之間的包含、傳遞、等價、不相交和互逆等。

(2) 自定義規(guī)則推理實質(zhì)上與IF-THEN結(jié)構(gòu)相似，根據(jù)定義的前提條件得出相應(yīng)的動作、結(jié)論和新的上下文。自定義規(guī)則推理能夠?qū)Ρ倔w規(guī)則推理進行很好的補充，滿足實際應(yīng)用領(lǐng)域中的個性化需求。圖4列舉了一個自定義規(guī)則，該規(guī)則表示王工維修完1號車間1號床車后，由于無線網(wǎng)絡(luò)連接故障，應(yīng)把維修日志暫存在自己所佩戴的穿戴計算機中，而不是上傳至企業(yè)設(shè)備維修日志數(shù)據(jù)庫中。

圖4 自定義規(guī)則

本文模型中，上下文推理由一系列Bundle實現(xiàn)，不同的Bundle根據(jù)上層應(yīng)用的需求可加載不同的推理引擎、本體庫和自定義規(guī)則，實現(xiàn)推理和決策，它們既是上下文服務(wù)的提供者，也是上下文服務(wù)的消費者。

2.2.4 上下文使用及存儲

本文模型中，上下文中間件層提供發(fā)布/訂閱(主動服務(wù))和請求/應(yīng)答(被動服務(wù))兩種統(tǒng)一高效的上下文訪問接口供上層上下文應(yīng)用使用。

(1) 發(fā)布/訂閱提供同步、異步、多點等多種服務(wù)通信方式，以發(fā)布/訂閱的方式與上層應(yīng)用進行交互。上下文提供者和上層應(yīng)用消費者之間交互的信息稱為事件。上層應(yīng)用向基礎(chǔ)平臺的通知服務(wù)發(fā)出一個訂閱條件，訂閱自己感興趣的事件，如果不再需要，則可以取消訂閱。當(dāng)提供者產(chǎn)生已訂閱的事件時，通知服務(wù)將保證提供者發(fā)布的事件及時、可靠和有序地傳送給已訂閱的上層應(yīng)用。

(2) 請求/應(yīng)答提供一種輪詢服務(wù)通信方式，上下文提供者向基礎(chǔ)平臺注冊自己提供的上下文服務(wù)，上層應(yīng)用在需要時向這些服務(wù)請求獲取所需的上下文。

上下文提供者在提供上下文服務(wù)的同時，根據(jù)需要把一些獲得的上下文持久存儲到嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(如Derby)中，供上層應(yīng)用后續(xù)模擬和分析使用。

2.3 上下文應(yīng)用層

在車間上下文感知計算應(yīng)用(如設(shè)備維修作業(yè))中，維修資料的自動獲取和遠程專家協(xié)助、裝配作業(yè)中對裝配步驟的監(jiān)控和及時提醒、應(yīng)用程序根據(jù)環(huán)境和人員自動調(diào)整行為狀態(tài)等，不同行業(yè)、不同場景和不同應(yīng)用對上下文服務(wù)有不同的需求；同一類型上下文服務(wù)提供的信息質(zhì)量也不同，如位置服務(wù)可以通過GPS、WiFi和RFID等方式實現(xiàn)，而它們所能提供的位置信息精度是不同的，因此選擇合適有效的上下文服務(wù)顯得尤為重要。

圖5 上下文服務(wù)選擇流程圖

以往的上下文服務(wù)研究中，服務(wù)的選擇大多是基于語法的，存在靈活性差，難以選擇出合適有效的上下文服務(wù)的問題，受語義Web服務(wù)的啟發(fā)。本文模型中，運用OWL描述OSGi平臺中Bundle提供的上下文服務(wù)，建立上下文服務(wù)本體庫，通過自定義規(guī)則推理決策實現(xiàn)基于語義的服務(wù)選擇，配合OSGi平臺實現(xiàn)上下文服務(wù)的動態(tài)加載和卸載，從而較好地解決了此類問題，其流程圖如圖5所示。

3 模型實現(xiàn)及典型應(yīng)用場景分析

模型和應(yīng)用全部基于Java實現(xiàn)，采用JDK1.6編程，選擇Eclipse作為開發(fā)工具，Equinox框架作為基礎(chǔ)平臺OSGi的實現(xiàn)，使用Protégé2000編輯車間應(yīng)用領(lǐng)域本體和上下文服務(wù)本體庫。實際傳感器構(gòu)建了位置感知、設(shè)備的標(biāo)識和狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、光照強度、溫度和濕度上下文傳感層，并實現(xiàn)了這些上下文提供者，模擬了人員活動、時間、日期和人員數(shù)目等上下文提供者；運用Jena庫[16]操縱RDF、OWL本體并實現(xiàn)上下文推理。

本文設(shè)計了一個具體的車間狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用作為上下文感知計算應(yīng)用實例。硬件系統(tǒng)包括自制主機、M icro Optical公司的頭戴顯示器SV6、自制單手鍵鼠等。主機通過USB接口連接基于Atmegal+CC2420設(shè)計的射頻收發(fā)模塊；利用可穿戴計算機主機、服務(wù)器和工作站的無線網(wǎng)絡(luò)適配器等構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)；借助可穿戴計算機無線網(wǎng)絡(luò)適配器感知各接入點無線信號強度值(RSSI)實現(xiàn)車間內(nèi)人員位置感知；通過布置在車間內(nèi)的無線傳感模塊收集溫度、濕度、光照、設(shè)備的標(biāo)識和狀態(tài)等上下文。通過運用WCACM開發(fā)出的車間狀態(tài)監(jiān)視應(yīng)用原型，如圖6所示。

圖6 車間狀態(tài)監(jiān)視

4 結(jié) 論

本文分析了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域上下文感知計算所面臨的問題和挑戰(zhàn)，設(shè)計了一種新的以語義服務(wù)為基礎(chǔ)的面向工業(yè)應(yīng)用的車間上下文感知計算模型，將可穿戴計算、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、領(lǐng)域知識本體表示與推理和OSGi等技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)建語義上下文服務(wù)，為快速開發(fā)上下文感知計算應(yīng)用提供支持，并通過應(yīng)用實例闡述了該模型的具體實現(xiàn)過程，結(jié)果表明，本文提出的模型是行之有效的。

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編 輯 蔣 曉