支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)研究

摘要：介紹對(duì)網(wǎng)絡(luò)操作品平臺(tái)的機(jī)制、層次結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型的研究。并簡(jiǎn)要介紹基于該平臺(tái)模型實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：普適計(jì)算；上下文感知；中間件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001—3695(2007)03—0250—03

0引言

普適計(jì)算[1]是把計(jì)算機(jī)嵌入到環(huán)境或日常工具中去，讓計(jì)算機(jī)本身從人們的視線(xiàn)中消失，讓人們的注意力回歸到要完成的任務(wù)本身。普適計(jì)算所要研究的內(nèi)容包括智能環(huán)境和不可見(jiàn)的計(jì)算、無(wú)縫的可移動(dòng)性、普遍的信息訪(fǎng)問(wèn)、覺(jué)察上下文的計(jì)算和可穿戴的計(jì)算等。

網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)于一身的資源受限的嵌入式設(shè)備，是普適計(jì)算在微型嵌入式領(lǐng)域的一種重要應(yīng)用模式。

網(wǎng)絡(luò)傳感器的通信、計(jì)算和電源等資源均十分有限，而其運(yùn)行的環(huán)境又非常復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸和處理要充分考慮靈活的格式、高傳輸效率。本文以“863”基金項(xiàng)目為依托設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)。在其自行開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)編程語(yǔ)言AntC[2]及以AntC為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的超微型操作系統(tǒng)γOS[3]之上，設(shè)計(jì)SCUD-ML，ANTML，開(kāi)發(fā)了輕量級(jí)的XML解析器，實(shí)現(xiàn)服務(wù)調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸。

圍繞機(jī)制，也就是上下文感知的機(jī)制，這種計(jì)算使得系統(tǒng)能利用上下文向用戶(hù)提供與任務(wù)有關(guān)的信息或服務(wù)，這將極大地提高信息交互的效率。基于上下文的服務(wù)在交互空間中上下文具有重要意義：首先，在同樣的輸入條件下，上下文(如用戶(hù)的位置)不同可能具有不同的語(yǔ)義。其次，在人機(jī)交互中可利用上下文中蘊(yùn)涵的信息極大地提高交互的效率。從本質(zhì)上講，上下文是任何可用于表征實(shí)體狀態(tài)的信息，這里的實(shí)體可以是個(gè)人、位置、物理的或計(jì)算的對(duì)象。利用上下文信息向用戶(hù)提供與任務(wù)有關(guān)的信息和/或服務(wù)。

中間件則是位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的軟件層，它向各種應(yīng)用軟件提供服務(wù)，使不同的應(yīng)用進(jìn)程能在屏蔽掉平臺(tái)差異的情況下通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互通信。可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML)提供一種描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的方法。與主要用于控制數(shù)據(jù)的顯示和外觀(guān)的HTML標(biāo)記不同，XML標(biāo)記用于定義數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類(lèi)型。越來(lái)越多的應(yīng)用之間通過(guò)XML來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。XML的跨平臺(tái)性和強(qiáng)適應(yīng)性很快得到了中間件研究領(lǐng)域的肯定，XML中間件(XMLMiddleware)應(yīng)運(yùn)而生。傳感器數(shù)據(jù)多種多樣，非常復(fù)雜，在傳輸和處理數(shù)據(jù)時(shí)，如果不事先規(guī)定數(shù)據(jù)的格式，不僅大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也降低了可維護(hù)性。相反地，如果對(duì)數(shù)據(jù)格式規(guī)定得過(guò)于死板，又將大大減低系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。XML提供的工具，既可以方便地定義數(shù)據(jù)的格式，又具有靈活的可擴(kuò)展性。通過(guò)使用架構(gòu)，傳感器軟件的設(shè)計(jì)可以定義為在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中文檔中允許什么樣的元素名，以及在每個(gè)元素中允許什么樣的子元素、屬性和關(guān)系。

1支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)研究

支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)（圖1）以中間件軟件架構(gòu)形式提供，主要由兩層功能模塊組成，即支持傳感數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)中間件（A子層）和支持上下文感知服務(wù)的中間件（B子層）。

如圖1所示，A子層通過(guò)調(diào)用自動(dòng)路徑創(chuàng)建服務(wù)與傳感器通信，其中通信的數(shù)據(jù)格式用AntML定義。在獲得了需要的傳感器數(shù)據(jù)以后，A子層把收集到的傳感器數(shù)據(jù)以AntML定義的格式傳遞給B子層。

B子層結(jié)合上下文數(shù)據(jù)解析、構(gòu)造服務(wù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)作聚合推理，得到相應(yīng)的上下文數(shù)據(jù)，上下文數(shù)據(jù)以SCUD-ML定義的格式發(fā)布。B子層通過(guò)服務(wù)調(diào)度算法向上提供了各種上下文感知服務(wù)，服務(wù)以事件的形式發(fā)布，上層應(yīng)用可以征訂這些服務(wù)，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，上層應(yīng)用會(huì)得到相應(yīng)的通知。

圖1支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.1支持傳感器數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)中間件(A子層)研究

（1）傳感器數(shù)據(jù)格式定義

由于傳感器的應(yīng)用范圍很廣，種類(lèi)很多，獲取的傳感數(shù)據(jù)也是多種多樣，紛繁復(fù)雜的，如傳感器的身份數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)等。為了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，對(duì)此利用XMLSchema定義了一種規(guī)范地描述傳感器數(shù)據(jù)格式的模型語(yǔ)言AntML（AntModuleLanguage），既全面生動(dòng)地描述了各種常見(jiàn)的傳感器數(shù)據(jù)，又充分考慮到了數(shù)據(jù)格式擴(kuò)充的需求，預(yù)留了數(shù)據(jù)格式的可擴(kuò)充接口。AntML是用來(lái)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行描述的，其基本模型（圖2）包括傳感器模型、傳感器數(shù)據(jù)模型、CRS（參考坐標(biāo)系統(tǒng)）模型、被測(cè)物體模型和時(shí)間模型。

圖2AntML的基本模型

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)注冊(cè)/發(fā)現(xiàn)/查詢(xún)等服務(wù)研究

在傳感事件處理中，傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)、注冊(cè)、數(shù)據(jù)查詢(xún)等服務(wù)是基本功能。結(jié)合支持上下文感知服務(wù)的中間件（B子層），設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)查詢(xún)等服務(wù)。

A子層實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)注冊(cè)服務(wù)，該子層保存一張所有節(jié)點(diǎn)信息的表單，新增的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在此注冊(cè)登記。表單保存注冊(cè)節(jié)點(diǎn)的唯一地址。通過(guò)定期向節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息，驗(yàn)證有效的傳感器節(jié)點(diǎn)并刪除廢棄的節(jié)點(diǎn)。通過(guò)B子層的上下文解析服務(wù)得到目的節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)，實(shí)現(xiàn)了基于ID的傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)服務(wù)，并根據(jù)ID號(hào)定位節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的有效性。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，B子層和A子層協(xié)同合作，基于相關(guān)的路由算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑創(chuàng)建服務(wù)，獲取所查詢(xún)的傳感數(shù)據(jù)；同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自動(dòng)創(chuàng)建的路徑將數(shù)據(jù)查詢(xún)結(jié)果反饋回去，實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)查詢(xún)服務(wù)。

1.2支持上下文感知服務(wù)的中間件(B子層)研究

支持上下文感知服務(wù)的中間件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，B子層從A子層獲得原始的傳感器數(shù)據(jù)，A子層可以抽象為數(shù)個(gè)傳感器代理；傳感器代理用于橋接下層傳感器，將傳感器獲取的原始上下文信息匹配成上層可以理解和推理的數(shù)據(jù)；聚合推理器對(duì)接收到的傳感器代理數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合推理處理，消除不同上下文信息的沖突，并聯(lián)合多個(gè)上下文信息推理規(guī)則，為應(yīng)用層提供合適的決策信息。

1.3基于XML的支持上下文感知的數(shù)據(jù)格式和協(xié)議研究

在支持上下文感知服務(wù)的中間件中定義了一種模型語(yǔ)言SCUD-ML（SemanticContext-awareRe-configurableMiddleware-ModuleLanguage）。在SCUD-ML中對(duì)應(yīng)用于傳感器的上下文感知數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了定義，使之能夠與支持傳感數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)中間件(A子層)協(xié)同合作；SCUD-ML對(duì)上下文數(shù)據(jù)格式的定義基于AntML對(duì)傳感數(shù)據(jù)格式定義的基礎(chǔ)之上，一方面降低了上下文數(shù)據(jù)格式和傳感數(shù)據(jù)格式的復(fù)雜度和含糊性，另一方面減少了A子層和B子層之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，降低接口復(fù)雜度。另外，在SCUD-ML中利用基于概率統(tǒng)計(jì)理論對(duì)上下文計(jì)算數(shù)據(jù)的處理方式進(jìn)行改進(jìn)，提高了上下文數(shù)據(jù)本身的精確性、全面性和可靠性。

圖3支持上下文感知服務(wù)的中間件體系結(jié)構(gòu)圖

1.4支持上下文感知計(jì)算的服務(wù)調(diào)度算法研究

在普適計(jì)算系統(tǒng)中，對(duì)于要解決的任務(wù)，根據(jù)其語(yǔ)義對(duì)應(yīng)為一個(gè)服務(wù)的組合，這些服務(wù)可以并行或串行地執(zhí)行，服務(wù)之間有優(yōu)先級(jí)關(guān)系。為了方便分析上下文感知服務(wù)調(diào)度算法，定義了支持上下文感知服務(wù)調(diào)度模型，其中包括上下文模型、任務(wù)模型以及調(diào)度系統(tǒng)模型。服務(wù)調(diào)度時(shí)，每個(gè)任務(wù)的完成時(shí)間包括兩部分，即服務(wù)進(jìn)程計(jì)算時(shí)間和服務(wù)進(jìn)程間的通信時(shí)間，由此提出了上下文感知的服務(wù)通信模型，分析證明了服務(wù)調(diào)度問(wèn)題的復(fù)雜度。

1.5上下文數(shù)據(jù)解析/征訂/構(gòu)造等服務(wù)研究

在支持上下文感知服務(wù)的中間件（B子層）中，上下文數(shù)據(jù)解析、構(gòu)造和征訂等服務(wù)是比較基本的，如圖4所示。

圖4上下文數(shù)據(jù)征訂

上下文數(shù)據(jù)解析服務(wù)結(jié)合聚合推理器，從A子層獲得各種基本的傳感數(shù)據(jù)信息，并在此基礎(chǔ)上利用基于規(guī)則的合成和基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的推導(dǎo)構(gòu)造出更高層次的上下文信息，并在構(gòu)造過(guò)程中考慮上下文的不確定性，融合不同來(lái)源的上下文信息，從而完成了上文數(shù)據(jù)的解析和構(gòu)造服務(wù)。

上下文數(shù)據(jù)征訂采用了多通道的發(fā)布/訂閱事件機(jī)制，允許多個(gè)客戶(hù)去“訂閱”事件，這些事件由各種組件對(duì)象“發(fā)布”。上下文征訂服務(wù)維護(hù)一個(gè)事件數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包含各種事件、發(fā)布者、訂閱者以及所有的訂閱信息。當(dāng)發(fā)布者激發(fā)事件時(shí)，事件服務(wù)對(duì)事件數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)的訂閱信息進(jìn)行查詢(xún)，通知對(duì)應(yīng)的訂閱者。

2應(yīng)用成果

在支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)基礎(chǔ)上展開(kāi)基于智能汽車(chē)空間[4]的應(yīng)用研究。在這一應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定的成果，開(kāi)發(fā)了支持實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的、利用上下文感知和知識(shí)管理實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)汽車(chē)控制的語(yǔ)義適應(yīng)中間件SAM[5］(SemanticandAdaptiveMiddleware)。

智能汽車(chē)空間是在汽車(chē)這一重要的交通工具上安裝嵌入式的控制設(shè)備和傳感器，傳感器感知車(chē)內(nèi)環(huán)境、車(chē)輛/人員狀況、車(chē)輛控制等上下文，將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，啟動(dòng)相關(guān)的應(yīng)用模塊管理數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)車(chē)輛的控制作出智能的反應(yīng)。

支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)為智能汽車(chē)空間的應(yīng)用提供了平臺(tái)支撐、封裝數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)調(diào)度和時(shí)間響應(yīng)等細(xì)節(jié)，讓?xiě)?yīng)用層更多地關(guān)注于上下文數(shù)據(jù)處理和服務(wù)提供，有助于應(yīng)用層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)層次化/模塊化的框架結(jié)構(gòu)和應(yīng)用中間件架構(gòu)。

3結(jié)束語(yǔ)

支持上下文感知計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)提出了一種可行的平臺(tái)。這種計(jì)算平臺(tái)可以為基于新一代互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的信息化提供支持，為用戶(hù)提供基于場(chǎng)景和上下文的服務(wù)，如可以建立無(wú)所不在的電子商務(wù)系統(tǒng)。未來(lái)向用戶(hù)提供的服務(wù)將是無(wú)所不在的計(jì)算環(huán)境下的主動(dòng)伺候式的上下文感知服務(wù)。

對(duì)這一操作平臺(tái)，未來(lái)的工作包括：①改進(jìn)AntML/SCUD-ML，增加對(duì)更多傳感器和上下文的支持；②研究改進(jìn)服務(wù)調(diào)度算法；③研究改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)更多傳感器和嵌入式硬件設(shè)備的支持；④對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高運(yùn)行效率。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。