面向服務(wù)構(gòu)架的智能環(huán)境研究

摘要：介紹了智能環(huán)境的概念，分析了其研究的相關(guān)問題，提出一個面向服務(wù)架構(gòu)的智能環(huán)境框架。結(jié)合面向服務(wù)架構(gòu)的特點(diǎn)，具體分析了智能環(huán)境中的智能感知、服務(wù)的描述、服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)機(jī)制，以及服務(wù)的動態(tài)調(diào)度和集成等相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：面向服務(wù)的架構(gòu)； 智能環(huán)境； 服務(wù)集成

中圖法分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01－0066－03

計(jì)算機(jī)發(fā)明以來，人們就一直在尋求利用計(jì)算機(jī)更好地為人類服務(wù)，從最初的計(jì)算機(jī)到PC機(jī)再到大型機(jī)系統(tǒng)，以及未來的普適計(jì)算環(huán)境；從多人共同使用一臺機(jī)器到一人使用一臺機(jī)器，以至未來的多臺機(jī)器協(xié)同為人類服務(wù)。具有計(jì)算和通信能力的信息設(shè)備已滲透到我們的工作、生活環(huán)境中，人們希望能隨時(shí)隨地、方便自由地享用計(jì)算能力和信息服務(wù)，由此帶來了智能環(huán)境（Ambient Intelligence，AmI）概念的提出。

智能環(huán)境的概念由歐洲研究團(tuán)體ISTAG (Information Socie￣ty Technology Advisory Group)[1] 在1999年提出，其基本目標(biāo)是在智能終端設(shè)備與環(huán)境之間建立一種共生關(guān)系，通過對環(huán)境的感知構(gòu)建一個統(tǒng)一平臺提供各種設(shè)備間的無縫連接，從而形成一個相互協(xié)作的工作關(guān)系，使得人—機(jī)和環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。目前，以無線局域網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將智能家庭、住宅社區(qū)信息化、醫(yī)療監(jiān)護(hù)與安全管理相結(jié)合的智能系統(tǒng)已經(jīng)初現(xiàn)端倪，如微軟的Easy Living[2]、美國MIT開發(fā)的House_n 項(xiàng)目[3]、PHILIPS的HomeLab[4]、日本的“未來之家”實(shí)驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)[5]以及IST Project的OZONE項(xiàng)目[1，6]等。

1智能環(huán)境研究中的相關(guān)問題 

智能環(huán)境是一個互交性很強(qiáng)的系統(tǒng)，環(huán)境必須能感知人的行動或狀態(tài)，并能正確地識別，從而提供智能服務(wù)。其中，自動感知和智能識別技術(shù)是研究的一個難點(diǎn)，人性化的嵌入式硬件設(shè)備、無縫的移動/固定通信機(jī)制、人類自然感覺的界面、可信任性和安全性等[1]都是構(gòu)成智能環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)。由于環(huán)境中計(jì)算組件的復(fù)雜性，也給系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來許多差異化的問題，為了屏蔽底層的差異化，必須在更高層次上進(jìn)行抽象和統(tǒng)一，在標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)描述、注冊、查詢和調(diào)用之上完成一系列自定義的自動化流程，體現(xiàn)智能環(huán)境的特點(diǎn)。

智能環(huán)境是信息技術(shù)為人類服務(wù)提供的一種新概念和新技術(shù)，這其中除了考慮技術(shù)因素之外還需要進(jìn)一步考慮個性化的、文化的、倫理的、社會的及法律等方面的因素，才能構(gòu)建成一個真正的智能環(huán)境[1]。因此智能環(huán)境涉及的相關(guān)學(xué)科較多，有分布式智能、數(shù)據(jù)信息的交流、軟件設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺、語言識別、機(jī)器人專家系統(tǒng)、信息聚合、硬件設(shè)計(jì)、可穿戴設(shè)計(jì)、社會學(xué)科、倫理及法律等[7~9]。

2面向服務(wù)架構(gòu)的智能環(huán)境的組成

圖1描述了該模型下的一個智能環(huán)境實(shí)體圖。

在人—機(jī)和環(huán)境共生的系統(tǒng)中，從對人的活動和環(huán)境變化的感知、信息的解析和抽象，到上層自適應(yīng)的服務(wù)動態(tài)集成，一系列的動作都是更好地把計(jì)算資源隱藏到環(huán)境之中，使其更好地為人們服務(wù)。從中我們可以定義出一組智能環(huán)境實(shí)體及相關(guān)的功能：智能感知實(shí)體、服務(wù)注冊中心、服務(wù)提供者、服務(wù)請求者。一般一個實(shí)體對應(yīng)一個功能，但也可以看出，有時(shí)一個實(shí)體可能還集多種功能于一身。

2．1智能感知

智能感知技術(shù)除了包括對環(huán)境中活動實(shí)體的動態(tài)感知外，還應(yīng)包含對服務(wù)上下文的感知。首先是要能夠做到對活動實(shí)體的感知和識別，目前基于RFID技術(shù)的廣泛運(yùn)用，可以在活動實(shí)體上嵌入RFID芯片來對活動實(shí)體進(jìn)行身份識別和動態(tài)感知。在我們的項(xiàng)目中已經(jīng)開始投入對智能環(huán)境中RFID芯片的應(yīng)用研究。目前RFID芯片大多采用無源、中等頻率、被動式的設(shè)計(jì)方式，感知距離在一米到幾米，比較符合現(xiàn)實(shí)中的感知距離。借助大量的分布式RFID芯片還可感知并分析出環(huán)境中活動實(shí)體的行動蹤跡[10]，這些對進(jìn)一步分析活動實(shí)體的行為和動態(tài)協(xié)調(diào)環(huán)境中的服務(wù)均提供了有用的信息。

2．2服務(wù)描述

在面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，服務(wù)是豐富而動態(tài)的，最終一切的具體功能都以服務(wù)的形式呈現(xiàn)出來，因此服務(wù)的描述必須規(guī)范統(tǒng)一才能做到普適性。服務(wù)這個概念所包含的范圍是相當(dāng)廣泛的，從一般的打印服務(wù)、天氣查詢服務(wù)、視頻點(diǎn)播服務(wù)（Video On Demand， VOD）等數(shù)據(jù)單向流動的服務(wù)到數(shù)據(jù)交互性的服務(wù)，如IP電話服務(wù)（Voice over IP，VoIP）、視頻會議等。將服務(wù)描述抽象化，并形成一個松耦合的結(jié)構(gòu)，便于上層進(jìn)行服務(wù)集成；再通過服務(wù)注冊中心提供服務(wù)統(tǒng)一調(diào)度的平臺，完成各種服務(wù)之間的協(xié)調(diào)和動態(tài)組合。

從圖1中可以看到，服務(wù)請求先被服務(wù)中心受理后，服務(wù)請求就可以在獲得服務(wù)描述文檔之后動態(tài)綁定并調(diào)用服務(wù)。這種思想基本上繼承了Web Services 的架構(gòu)思想，但由于智能環(huán)境的特殊性，單純繼承Web Services 還不能完全滿足要求，如智能環(huán)境中設(shè)備的移動性、嵌入式的特點(diǎn)等都給服務(wù)執(zhí)行、描述等帶來很多困難，如嵌入式的設(shè)備就要考慮服務(wù)執(zhí)行的資源限制，移動實(shí)體的運(yùn)動會導(dǎo)致服務(wù)的動態(tài)遷移。但Web Services本身的架構(gòu)也給智能環(huán)境中的服務(wù)開發(fā)提供了一些基本的共性：通過URI的統(tǒng)一定位訪問，服務(wù)之間在本質(zhì)上容易協(xié)調(diào)，服務(wù)的調(diào)用可以穿透網(wǎng)絡(luò)的邊界，更重要的是它是構(gòu)建在完全異構(gòu)的平臺之上的；另外Web Services形成了一套比較完善的標(biāo)準(zhǔn)，如XML，SOAP（Simple Object Access Protocol），WSDL（Web Services Description Language）[16]，UDDI(Universal Description， Discovery and Integration)[17] 等。在這些基礎(chǔ)之上就可以開發(fā)我們自己的符合特定環(huán)境下的一些通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其中，文獻(xiàn)[11]中提出了一種基于Web Services的移動計(jì)算的智能環(huán)境解決方案，通過在WSDL的基礎(chǔ)上增加一些智能環(huán)境中服務(wù)的特性描述，特別是一些用來加強(qiáng)安全和提高性能方面的非功能性屬性，形成WSAMI(Web Services for Ambient Intelligence)語言；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了一個基于SOAP的WSAMI中間件平臺，實(shí)現(xiàn)通過對服務(wù)的動態(tài)選擇和綁定來完成用戶的請求（請求由WSAMI所描述，并匹配環(huán)境中相關(guān)的服務(wù)實(shí)例），并且支持服務(wù)命名、發(fā)現(xiàn)和查詢。智能環(huán)境中就依賴大量的中間件來處理服務(wù)的調(diào)度和集成，還包括用戶接口的智能感知、內(nèi)容過濾、Cache、安全等方面的內(nèi)容。

2．3服務(wù)發(fā)布

智能環(huán)境提供服務(wù)的前提是必須對多種服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行集成，建立一個能在各種服務(wù)功能間進(jìn)行互相調(diào)用和協(xié)作的平臺，以便完成更智能的服務(wù)，各種服務(wù)在這里匯聚、分類，同時(shí)在更大范圍內(nèi)必須考慮分布式的架構(gòu)。目前Web Services的注冊中心也是一個分布式的對等結(jié)構(gòu)模型，Microsoft，IBM和SAP等幾大軟件廠商均建立了自己的全球服務(wù)注冊中心，同時(shí)他們之間又連接成一個對等的網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成了目前全球的Web Services注冊中心。另外在單獨(dú)的區(qū)域中也可建立自己獨(dú)立的服務(wù)注冊中心。

2．4服務(wù)查詢

在服務(wù)的發(fā)布和注冊平臺之上必須要提供高效甚至是智能的服務(wù)查詢。對一個智能系統(tǒng)而言，更有效的服務(wù)搜索技術(shù)是一個核心問題。目前的搜索服務(wù)基本上基于關(guān)鍵字或表結(jié)構(gòu)的查詢，在語法上和語義上對關(guān)鍵字的解釋存在不一致的現(xiàn)象。這也是由于查詢匹配分值的計(jì)算只來源于用戶輸入的和服務(wù)描述中的關(guān)鍵字，對這些關(guān)鍵字間的關(guān)系及分類考慮得較少。文獻(xiàn)[12]提到了一種新的服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法，使用Ontology（本體論）

（Ontology是用來定義描述某一領(lǐng)域知識的術(shù)語，廣泛用于需要共享某一領(lǐng)域信息的應(yīng)用（該領(lǐng)域有特定的主題和知識范圍）。Ontology是概念化的詳細(xì)說明，也可以說成是一個正式的詞匯表，其中定義了某一領(lǐng)域（或多個領(lǐng)域內(nèi)）專業(yè)詞匯的含義及它們之間的關(guān)系）

來解釋用戶查詢條件、服務(wù)描述和上下文信息的語義，而這些就構(gòu)成了整個匹配過程。這種方法介于基于概念的方法和推演的方法之間 （推演的方法是形式化的，實(shí)現(xiàn)困難且運(yùn)行費(fèi)時(shí)）。其中，查詢搜索組件有四個輸入：用戶查詢（服務(wù)請求）、服務(wù)描述、上下文支持和本體（Ontology，供上述三種輸入使用 ），使用基于域的詳細(xì)描述的Ontology，這樣來自某特殊域的概念可以做到更精確描述。比如用戶查詢“音樂產(chǎn)品”，當(dāng)在語句結(jié)構(gòu)上沒有匹配時(shí)可根據(jù)該域內(nèi)“音樂CD”是“音樂產(chǎn)品”，從而在語義上擴(kuò)展查詢。

2．5服務(wù)調(diào)用

通過服務(wù)注冊中心獲得服務(wù)的接口描述之后，就可以向服務(wù)提供者發(fā)起服務(wù)的綁定調(diào)用。根據(jù)獲得的服務(wù)描述文件信息，生成調(diào)用的服務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)包。目前Web Services框架內(nèi)的SOAP 就是為統(tǒng)一服務(wù)的調(diào)用而定義的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；基于HTTP之上（也可以在其他合適的協(xié)議之上）的通信機(jī)制和基于XML之上的數(shù)據(jù)格式，為協(xié)議的開發(fā)帶來了一定的易讀性和簡單性。

2．6服務(wù)集成

最上層就是服務(wù)間的智能協(xié)調(diào)機(jī)制，稱為服務(wù)的集成。這里服務(wù)的集成應(yīng)該是面向主題的，在一定的流程下，協(xié)調(diào)響應(yīng)某一被環(huán)境所感知的觸發(fā)動作或者是狀態(tài)，也可以稱為對服務(wù)的計(jì)劃安排，按照一定的算法形成統(tǒng)一查詢和調(diào)度。文獻(xiàn)[13]提出了一個智能環(huán)境中的基于DHTN（分布式的層次任務(wù)網(wǎng)絡(luò)方法）的計(jì)劃系統(tǒng) （Planning System），對既定的目標(biāo)可以產(chǎn)生出一系列的輸出動作（動作可以轉(zhuǎn)換為服務(wù)調(diào)用），其中的難點(diǎn)是分布式協(xié)作，如設(shè)備感知主人病了，則自動安排電話通知家庭醫(yī)生。

此外，還有對服務(wù)管理方面的要求，從上面的分析中我們可以得到一個功能層次圖，從不同方面說明面向服務(wù)架構(gòu)的智能環(huán)境的層次關(guān)系，如圖2所示。

3智能環(huán)境中服務(wù)平臺的搭建

目前面向服務(wù)架構(gòu)的企業(yè)業(yè)務(wù)集成開發(fā)和基于Web Ser￣vices的開發(fā)都有相當(dāng)?shù)那熬埃⑶疫@些方面的開發(fā)包也較為完善，因此智能環(huán)境下服務(wù)平臺的搭建選在Web Services 的框架下進(jìn)行。這并不表明面向服務(wù)的架構(gòu)一定遵循Web Services的設(shè)計(jì)規(guī)范，只不過Web Services是一個面向服務(wù)架構(gòu)的典型應(yīng)用，而且發(fā)展得相對成熟些，在其所提供的開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的架構(gòu)更加方便與快捷，避免了從底層開發(fā)做起的煩瑣。在Microsoft的Visual Studio.NET開發(fā)環(huán)境下開發(fā)Web Services是相當(dāng)方便的（本身就集成了Web Services的開發(fā)），下載MS SOAP Toolkit(目前版本為3.0，附帶了XML Parser，XML解析器）[14]，可以讓W(xué)eb Services服務(wù)自動處理SOAP數(shù)據(jù)包。通過安裝 Microsoft UDDI 的開發(fā)包（SDK）[15]，可以在該集成環(huán)境下做到服務(wù)的發(fā)布和查詢、服務(wù)的描述，在.NET的開發(fā)過程中自動根據(jù)目前的WSDL規(guī)范進(jìn)行生成，供其他調(diào)用該服務(wù)的程序使用。這樣，一個面向服務(wù)的框架開發(fā)環(huán)境就搭建好了，同時(shí)各種服務(wù)之間也可以互相調(diào)用，就像調(diào)用本地資源一樣方便。

Microsoft的集成開發(fā)環(huán)境為現(xiàn)有Web Services的開發(fā)提供了快速的方式，但目前它主要是采用在項(xiàng)目中添加Web引用（遠(yuǎn)程服務(wù)的WSDL文檔）來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的方法調(diào)用。這是通過一個代理類來實(shí)現(xiàn)的，通過將Web Services 的調(diào)用實(shí)例化到一個代理類中，以消除與本地方法調(diào)用的差異，這種靜態(tài)的調(diào)用方式妨礙了服務(wù)的動態(tài)集成。智能環(huán)境中各種服務(wù)的調(diào)用必須要做到動態(tài)性，如在有新的服務(wù)添入時(shí)，可以馬上在原有的軟件環(huán)境中進(jìn)行調(diào)用，而不需要另外編寫程序。這在本質(zhì)上就是根據(jù)即時(shí)發(fā)現(xiàn)的服務(wù)描述動態(tài)生成服務(wù)調(diào)用的消息。在這樣的思想下，我們直接利用SOAP SDK中的客戶端類（SoapClient30）來動態(tài)集成框架下的Web Services，實(shí)現(xiàn)了一個動態(tài)Web Services的調(diào)度框架：程序根據(jù)輸入的服務(wù)描述查詢，連接到Microsoft的UDDI注冊中心(UddiConnection 類進(jìn)行連接)，返回服務(wù)列表，保存在ServiceList類中；根據(jù)ServiceList中的ServiceKey再次向UDDI注冊中心查詢相應(yīng)服務(wù)的詳細(xì)描述，保存到ServiceDetail類中；根據(jù)ServicesDetail類中的TMo￣delKey再次向UDDI注冊中心獲得相應(yīng)服務(wù)的TMo￣del 詳細(xì)描述，保存在TModelDetail類中，從中獲得服務(wù)的WSDL文檔的URL；調(diào)用SoapClient30類獲得該服務(wù)的WSDL文檔，進(jìn)而獲得提供服務(wù)類的類型，根據(jù)類型調(diào)用服務(wù)方法（方法在WSDL文檔中有描述）就實(shí)現(xiàn)了動態(tài)調(diào)用。但同一個服務(wù)描述文檔也可能提供多種服務(wù)調(diào)用功能，而一個完整的服務(wù)有時(shí)需要多個相關(guān)服務(wù)文檔的協(xié)調(diào)才能完成，這些為服務(wù)的有效集成帶來了一定的困難。該過程的流程大致如圖3所示。

這種動態(tài)調(diào)度的機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)為一個Web服務(wù)動態(tài)調(diào)度和管理的中間層，其中還可以提供服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)計(jì)費(fèi)等一系列復(fù)雜的、貼近實(shí)際應(yīng)用的功能。在OZONE項(xiàng)目[22] 中，提供的WSAMI中間件平臺可以搭建一個基于智能環(huán)境的開發(fā)平臺，在其上再進(jìn)行開發(fā)。

4進(jìn)一步的研究工作

本文基于智能環(huán)境的研究特點(diǎn)，結(jié)合面向服務(wù)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一個面向服務(wù)架構(gòu)的智能環(huán)境框架，并借助Web Services的實(shí)現(xiàn)方法給出了一個初略的描述。在智能環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺中，我們更強(qiáng)調(diào)的是計(jì)算的嵌入式特性和普適性等，而不僅僅是像Web Services那樣做到一個集成的平臺。因?yàn)樵谥悄墉h(huán)境中，服務(wù)更加特性化，如自動呼叫、語音，甚至視頻的交互、虛擬現(xiàn)實(shí)等，因此單獨(dú)在Web Services的基礎(chǔ)上是不能完全實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境全部要求的，必須還要配合相關(guān)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其中對服務(wù)的描述也需要進(jìn)一步符合智能環(huán)境本身的要求，加入一些實(shí)時(shí)性和流式數(shù)據(jù)傳輸方面的特性。這些將進(jìn)一步指導(dǎo)項(xiàng)目的開展，從而實(shí)現(xiàn)提供一個面向服務(wù)架構(gòu)的智能環(huán)境平臺。

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作者簡介：

凌慶華（1980），男，湖南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；程偉明（1954），男，江蘇溧陽人，研究員，主要研究方向?yàn)镮P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動通信網(wǎng)絡(luò)和多媒體傳輸技術(shù)。

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