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        基于Android平臺的行為分析系統(tǒng)研究

        2016-05-09 07:07:38徐昕軍蘇劍臣
        計算機應用與軟件 2016年4期
        關鍵詞:監(jiān)護人軌跡聚類

        徐昕軍 袁 媛 蘇劍臣 楊 峰

        基于Android平臺的行為分析系統(tǒng)研究

        徐昕軍 袁 媛 蘇劍臣 楊 峰

        (中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院 北京 100083)

        針對中小學生上課玩手機下課去網(wǎng)吧的現(xiàn)象屢禁不止的問題,設計并研發(fā)了一種基于Android平臺的行為分析系統(tǒng)。系統(tǒng)基于監(jiān)護人客戶端、服務器和被監(jiān)護人客戶端的三層架構(gòu)設計,綜合運用百度地圖API、自適應DBSCAN聚類算法和專家系統(tǒng)等關鍵技術,實現(xiàn)了短信、通話、流量和軟件使用情況實時查看、軌跡聚類分析、專家系統(tǒng)分析等多項功能,使得監(jiān)護人可以直觀地了解到被監(jiān)護人的行為動態(tài)和問題并采用科學有效的方法進行教育和引導,解決了學生過度使用手機、上網(wǎng)成癮、沉迷游戲等問題,給作為監(jiān)護人的家長和老師帶來很大方便。

        Android 專家系統(tǒng) 百度地圖 行為分析

        0 引 言

        互聯(lián)網(wǎng)、博客、手機等是學生常常接觸的新媒體,以其獨特的功能和魅力強烈吸引著最易接受新生事物的學生群體,特別是手機具有便捷性、及時性、多功能性的特點,已成為當前學生必備的工具和最重要的伙伴[1]。Android手機以其獨特的魅力占據(jù)全球市場份額的60%以上,位居全球第一,大有壟斷中國市場的態(tài)勢。并且隨著無線通信技術和計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展,通過移動手持設備快速有效地接入互聯(lián)網(wǎng)成為廣大用戶的迫切需求,了解和分析手機用戶的行為模式也顯得十分必要。中小學生擁有手機的現(xiàn)象已非常普遍,然而中小學生沒有成年,處在朦朧的認知階段和接受階段,缺乏辨別是非的能力,有些學生還在上課時收發(fā)短信、上網(wǎng)甚至打游戲,因此手機對學生的生活和學習產(chǎn)生了負面影響[2-4]。針對這個問題,學校和家長往往采用禁止學生使用手機等強制性措施,但這反而容易激起正值叛逆期學生強烈的反抗情緒,并不能從根本上解決問題。因此,構(gòu)建一個針對中小學生手機使用的行為分析系統(tǒng)成為目前教育領域的迫切需求。

        本文針對這種現(xiàn)狀,首次提出并實現(xiàn)了一種基于Android平臺下的手機行為分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)綜合運用了MVC(Model-View-Controller)、數(shù)據(jù)庫、GPS等多種先進技術,通過軟硬件集成開發(fā),具備了短信數(shù)據(jù)分析,通話數(shù)據(jù)分析、流量數(shù)據(jù)分析、應用數(shù)據(jù)分析、軌跡數(shù)據(jù)分析等多項功能。其突出特點為數(shù)據(jù)全面、功能豐富、實用性和擴展性強。此外系統(tǒng)還整合了國內(nèi)教育學和心理學專家根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)得出的診斷結(jié)果和引導意見,形成專家系統(tǒng),方便監(jiān)護人對被監(jiān)護人進行教育和引導。手機行為分析系統(tǒng)可部署于操作系統(tǒng)為Android2.3.3及以上的手機和平板電腦,有助于監(jiān)護人全面掌握被監(jiān)護人的實時動態(tài)與行為特點,從而為被監(jiān)護人的學習引導、興趣培養(yǎng)等提供合理化建議。

        1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        基于Android平臺的行為分析系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設計[5],分別為被監(jiān)護人客戶端,監(jiān)護人客戶端和服務器端。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

        被監(jiān)護人客戶端程序是由Service寫成的后臺服務程序,程序主要由數(shù)據(jù)采集模塊、定位模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責收集被監(jiān)護人手機中的數(shù)據(jù),包括短信數(shù)據(jù)、通話數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、應用數(shù)據(jù)和軌跡數(shù)據(jù)。定位模塊利用移動定位技術定位出用戶的坐標,為數(shù)據(jù)采集模塊提供軌跡數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊調(diào)用服務器提供的WebService接口,通過WiFi或3G將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

        監(jiān)護人客戶端程序包括數(shù)據(jù)接收模塊、統(tǒng)計結(jié)果顯示模塊和專家建議模塊。數(shù)據(jù)接收模塊通過WiFi或3G網(wǎng)絡從服務器獲取被監(jiān)護人的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)[6]。統(tǒng)計結(jié)果顯示模塊將被監(jiān)護人各個時間段內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果顯示出來,包括短信統(tǒng)計、通話統(tǒng)計、流量統(tǒng)計、應用統(tǒng)計和軌跡聚類分析。專家建議模塊給出由服務器端專家系統(tǒng)的分析結(jié)果和相應的引導意見。

        服務器端由WebService接口、數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)三部分組成。WebService接口為客戶端程序提供數(shù)據(jù)交互服務。數(shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)存儲,保證用戶數(shù)據(jù)的準確性和安全性。專家系統(tǒng)對用戶數(shù)據(jù)進行綜合分析和評定,最終給出判定結(jié)果和專家意見。

        該系統(tǒng)的處理流程包括以下步驟:

        1) 被監(jiān)護人客戶端程序每隔一段時間將采集到的短信、通話、流量、應用和軌跡數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

        2) 服務器將被監(jiān)護人客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,然后統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為輸入進入專家系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析與綜合判定,最后將判定結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

        3) 監(jiān)護人客戶端從服務器端獲取統(tǒng)計結(jié)果和專家意見,顯示在相應的模塊中。

        2 關鍵技術

        2.1 手機地圖技術

        (1) 被監(jiān)控端定位技術

        百度地圖Android定位SDK是為Android移動端應用提供的一套簡單易用的LBS定位服務接口,通過使用百度定位SDK,可為應用程序?qū)崿F(xiàn)智能、精準、高效的定位功能[7]。本系統(tǒng)中被監(jiān)護人客戶端集成了百度地圖Android定位SDK,每隔一段時間定位SDK的接口向百度定位服務請求用戶的位置信息,并調(diào)用本系統(tǒng)中服務器提供的WebService接口將相關信息發(fā)送到服務器。其中定位模塊采用GPS定位、基站定位、Wi-Fi定位三種定位方式相結(jié)合的集成定位方式,會根據(jù)設備當前的實際情況,如是否開啟GPS,是否連接網(wǎng)絡,是否掃描到Wi-Fi信息等,來智能選擇定位策略。本系統(tǒng)為定位模塊共設計了三種定位策略,分別為高精度模式,低功耗模式和僅用設備模式。高精度模式會同時使用網(wǎng)絡定位和GPS定位,優(yōu)先返回最高精度的定位結(jié)果;低功耗模式不會使用GPS,只會使用Wi-Fi和基站定位;僅用設備模式不需要連接網(wǎng)絡,只使用GPS進行定位,這種模式下不支持室內(nèi)環(huán)境的定位。

        (2) 監(jiān)控端地圖顯示

        百度地圖 Android SDK是一套基于Android 2.1及以上版本設備的應用程序接口,通過調(diào)用地圖SDK接口,可以訪問百度地圖服務和數(shù)據(jù),開發(fā)適用于Android系統(tǒng)移動設備的地圖類應用程序[8]。本系統(tǒng)中監(jiān)護人客戶端嵌入了百度地圖 Android SDK,軌跡顯示模塊調(diào)用本系統(tǒng)中服務器提供的WebService接口獲取的進過聚類處理后的坐標集,并標記在地圖上,方便監(jiān)護人查看被監(jiān)護人在不同時間所在的位置。為了便于在不同移動終端上的應用,本系統(tǒng)采用LinearLayout、FrameLayout和RelativeLayout的混合布局模式,并利用Android中的Graphical Layout編寫了main.xml布局文件[9]。軌跡顯示模塊涵蓋了普通地圖、衛(wèi)星圖和實時交通圖等多種圖層,并支持通過手勢控制來實現(xiàn)地圖的點擊、雙擊、長按、縮放、旋轉(zhuǎn)、改變視角等操作。其中坐標標記功能充分利用百度地圖SDK支持多種地圖覆蓋物的優(yōu)勢,靈活使用自定義地圖標注將被監(jiān)護人的位置醒目地顯示在地圖上。

        2.2 DBSCAN自適應聚類算法

        實驗發(fā)現(xiàn),如果軌跡分析功能的軌跡點不經(jīng)過處理,在地圖上顯示會過于密集,為監(jiān)護人查看被監(jiān)護人位置帶來很多不便和干擾,這極大降低了用戶體驗。而且監(jiān)護人關心的往往是被監(jiān)護人都去過哪些地方,即停留點,并不需要全部的軌跡。所以本系統(tǒng)使用聚類算法提取出被監(jiān)護人的停留點,監(jiān)護人客戶端的軌跡分析模塊會根據(jù)地圖縮放比例智能調(diào)節(jié)停留點的顯示個數(shù),使得查看被監(jiān)護人不同時間所在地點變得簡單明了。

        傳統(tǒng)的DBSCAN聚類算法對用戶定義的參數(shù)很敏感,細微的不同都可能導致差別很大的結(jié)果,而參數(shù)的選擇無規(guī)律可循,只能靠經(jīng)驗確定[10]。本系統(tǒng)中是根據(jù)軌跡點的經(jīng)緯度計算點之間的距離,然后根據(jù)選定的Eps和MinPts兩個參數(shù)進行聚類。在不同縮放級別的地圖上要顯示不同密度的點,這就需要Eps和MinPts兩個參數(shù)能根據(jù)數(shù)據(jù)集的特點進行自適應調(diào)節(jié)。鑒于此,本系統(tǒng)采用一種通過分析數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計特性來自適應確定Eps 和MinPts 的改進DBSCAN聚類算法,以實現(xiàn)聚類過程的全自動化[11]。MinPts的計算公式為:

        (1)

        其中,pi為點i的Eps領域內(nèi)點的個數(shù)。Eps的計算公式為:

        (2)

        其中,xi為第i個距離值。

        筆者對傳統(tǒng)DBSCAN算法和改進的自適應DBSCAN算法進行了對比實驗,對算法的評價以其有效性和對聚類結(jié)果的好壞來衡量。首先選定了一組790個軌跡點的小數(shù)據(jù)集分別應用兩種算法進行實驗。對傳統(tǒng)DBSCAN算法采用控制變量法選擇Eps和MinPts兩個參數(shù)進行聚類,而自適應DBSCAN算法根據(jù)數(shù)據(jù)集自動生成參數(shù)進行聚類。然后再選定一組13 954個軌跡點的大數(shù)據(jù)集進行同樣的實驗。得到的結(jié)果如表1所示。

        表1 自適應DBSCAN與DBSCAN算法聚類準確性比較

        從表1可以看出,改進后的自適應DBSCAN聚類算法在處理坐標點的聚類時準確度上確實優(yōu)于傳統(tǒng)的DBSCAN聚類算法。這是由于傳統(tǒng)DBSCAN 算法進行聚類時根據(jù)經(jīng)驗選擇的固定的參數(shù)對結(jié)果的準確度產(chǎn)生影響,自適應DBSCAN算法會根據(jù)數(shù)據(jù)集的特征對Eps 和MinPts 參數(shù)進行自動生成而不是取固定值,因此相對而言進行聚類所得到結(jié)果的準確度較高。

        2.3 專家系統(tǒng)

        專家系統(tǒng)是一類具有專門知識和經(jīng)驗的程序系統(tǒng),通過對人類專家的問題求解能力的建模,采用人工智能中的知識表示和知識推理技術來模擬通常由專家才能解決的復雜問題,達到具有與專家同等解決問題能力的水平[12]。為了充分利用專家的豐富資源,令監(jiān)護人有效及時地掌握被監(jiān)護人的行為動態(tài),實現(xiàn)對被監(jiān)護人正確的教育和培養(yǎng),建立了基于手機數(shù)據(jù)的行為分析專家系統(tǒng)。行為分析專家系統(tǒng)可以根據(jù)用戶手機的短信使用情況、通話情況、流量使用情況、軟件使用情況以及用戶軌跡分析出用戶的行為特點和性格特征等,并進一步給出專家意見,從而解決一些需要教育學和心理學專家才能解決的對學生教育和心理輔導的問題。專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)提取模塊、知識獲取模塊、行為分析知識庫、分析推理模塊和解釋模塊。專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 行為分析專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        數(shù)據(jù)提取模塊負責與服務器端存儲手機行為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進行交互,提取所需要的數(shù)據(jù),存入分析結(jié)果和專家意見;知識獲取模塊是為通過數(shù)據(jù)提取模塊不斷補充、修改、完善行為分析知識庫提供的手段;行為分析知識庫作為專家系統(tǒng)的核心,主要用來存儲工作過程中的流程控制知識、行為分析知識、模型和方法知識、診斷原則等教育學和心理學領域?qū)<抑R;分析推理模塊是專家系統(tǒng)的執(zhí)行關鍵,它根據(jù)行為數(shù)據(jù)提取模塊的輸入數(shù)據(jù)或信息,利用知識庫按一定的推理策略分析行為特點,實現(xiàn)手機行為分析的智能化;解釋模塊負責對分析推理模塊的分析過程和結(jié)果進行說明,并給出專家的教育和引導意見。

        3 系統(tǒng)演示

        3.1 演示環(huán)境

        手機行為分析系統(tǒng)是基于Android移動設備的應用系統(tǒng),其手機客戶端程序以Java作為開發(fā)語言,并結(jié)合Android平臺提供的組件,使用Eclipse作為開發(fā)工具進行開發(fā)。本系統(tǒng)的服務器端程序以C#作為開發(fā)語言,并結(jié)合.net平臺下的MVC開發(fā)框架,使用Microsoft Visual Studio 2010作為開發(fā)工具進行開發(fā)。

        監(jiān)護人客戶端部署設備為魅族MX,4英寸屏幕,960x640分辨率,主頻1.4 GHz,雙核,運行內(nèi)存1 GB,操作系統(tǒng)為Android 4.1。被監(jiān)護人客戶端部署設備為三星SCH-I829,主頻1.2 GHz,雙核,運行內(nèi)存1 GB,操作系統(tǒng)為Android 4.1。服務器端程序部署在戴爾2U服務器上,內(nèi)存容量為2 GB ECC DDR3,硬盤容量為300 GB,服務器操作系統(tǒng)為Windows 2008 Server。

        3.2 演示內(nèi)容

        (1) 軌跡聚類分析

        將被監(jiān)護人客戶端程序部署完畢后,在開啟GPS的情況下進行了戶外測試,同時在部署了監(jiān)護人客戶端的測試機上查看被監(jiān)護人的軌跡。在沒使用自適應聚類算法的情況下,被監(jiān)護人的軌跡過于密集,很難體現(xiàn)出用戶的停留點,如圖3、圖4所示。在使用了聚類算法以后,聚類結(jié)果清晰地表明用戶去過的三個主要地點。

        圖3 聚類前軌跡圖 圖4 聚類后停留點圖

        (2) 分析數(shù)據(jù)查看

        在監(jiān)護人客戶端可以查看到被監(jiān)護人的流量使用情況、應用程序使用情況、通話情況、短信使用情況等,在每個模塊以列表的形式展現(xiàn)出在不同時段用戶的手機使用情況。以查看應用程序使用情況為例,如圖5所示,每一個列表項給出了該款應用在這個時間下的使用時間和使用次數(shù)。

        (3) 專家意見

        服務器端的專家系統(tǒng)進過對被監(jiān)護人手機數(shù)據(jù)的綜合分析后會得出分析結(jié)果,并給出專家的教育和引導意見,在監(jiān)護人手機進行顯示。如圖6所示。

        圖5 應用分析模塊 圖6 專家系統(tǒng)分析結(jié)果

        4 結(jié) 語

        本文設計的基于Android平臺的行為分析系統(tǒng)融合了移動地圖技術、自適應DBSCAN聚類算法和專家系統(tǒng)等技術,實現(xiàn)了短信使用統(tǒng)計、通話情況統(tǒng)計、流量使用統(tǒng)計、軟件使用統(tǒng)計、軌跡聚類分析和專家系統(tǒng)分析等多項功能,為教師和家長對學生的教育和引導提供了有力的信息支持。該系統(tǒng)創(chuàng)建了一種對學生的新型教育模式,使得監(jiān)護人在對被監(jiān)護人的培養(yǎng)和教育過程中從被動變得主動,方法更加科學和有針對性。

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        RESEARCH ON BEHAVIOUR ANALYSIS SYSTEM BASED ON ANDROID PLATFORM

        Xu Xinjun Yuan Yuan Su Jianchen Yang Feng

        (SchoolofMechanicalElectronicandInformationEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing100083,China)

        Aiming at the problem that the phenomenon of pupils playing mobile phone in class and going to internet cafes after school is a constant resurgence after repeated prohibitions, we designed and developed an Android platform-based behaviour analysis system. The system is based on a three-tier architecture design which consists of the guardian client, the wards client and the server. It employs comprehensively the key technologies such as Baidu map API, self-adaptive DBSCAN clustering algorithm and expert system, etc., and realises multiple functions of real-time examining the usages of SMS, calls, traffic and app, track clustering analysis, expert system analysis and so on, which enables the guardians to intuitively understand the behaviours and moving as well as questions of the wards, and adopts scientific and effective method in education and guidance, thus solves the problems of pupils in overusing mobile phone, addicting to internet access and obsessing in playing games, etc., this brings great convenience for parents and teachers as the guardians.

        Android Expert system Baidu map Behaviour analysis

        2014-12-25。國家重大科學儀器設備開發(fā)專項(2012 YQ030126);“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAK06B01-06)。徐昕軍,碩士生,主研領域:物聯(lián)網(wǎng)技術。袁媛,碩士生。蘇劍臣,碩士生。楊峰,教授。

        TP3

        A

        10.3969/j.issn.1000-386x.2016.04.052

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