基于SOA的圖書館情境感知中間件架構研究

周玲元，段隆振（1．南昌航空大學經管學院；．南昌大學信工學院）

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基于SOA的圖書館情境感知中間件架構研究

周玲元1,2，段隆振2（1．南昌航空大學經管學院；2．南昌大學信工學院）

摘要：無線網絡環境下，移動智能終端及網絡設備存在異質性、不一致性現象。本文提出使用中間件屏蔽底層網絡差異性的情況；針對移動環境下情境動態變化特點，設計了基于SOA的圖書館情境感知中間件架構模型；該中間件模型能夠感知用戶情境，同時具有組合自適應機制，將服務單元通過信道連接起來動態組合完成預定服務功能。

關鍵詞：智慧圖書館；情境感知；個性化服務；中間件

中間件技術在分布式應用中發揮著重要作用，依靠中間件技術的規范能夠屏蔽軟件和硬件的復雜性和異構性，降低系統資源管理的難度，提高應用系統執行結果的可預見性，透明地提供Web服務。其次，中間件技術能夠提供應用服務的重復使用，有利于提高應用系統的整合、監控及安全性要求。

中間件在分布式計算系統中取得了不錯的研究成果，然而在移動操作環境下，傳統中間件的發展遇到了新挑戰。不同于固定網絡環境，抽象整合分布式服務滿足所有狀態下的應用變得難以實現，移動環境下異構的設備、網絡協議、操作系統顯得更為復雜；獲取用戶的情境才能提供合適服務，中間件系統獲取情境信息自適應提供合適的服務成為當下研究熱點。本文提出一種基于SOA和普適計算相融合的中間件架構，稱之為圖書館情境感知服務中間件架構，用以支撐圖書館情境感知服務模型構建。該架構融合服務計算和普適計算兩者優點，不僅能夠很好地屏蔽圖書館應用信息系統分布式、異構性問題，而且能夠實現圖書館范圍內的智能化環境，實時感知用戶情境信息進而提供合適的服務。

1　相關技術

（1）中間件研究。中間件技術根據任務的需要及在系統中所起的作用可以大致分為數據訪問中間件、遠程過程調用中間件、面向消息中間件、面向對象的中間件、事務處理中間件、網絡中間件和終端仿真/屏幕轉換中間件等類型。按照功能劃分可以將中間件劃分為通信類中間件、模塊類中間件、自適應中間件、情境感知中間件等類型。［1］

其中通信類中間件主要是集成分布式計算系統為一個整體資源對外服務，降低系統開銷；模塊化中間件利用模塊化設計思想，使可重用的服務組件被應用系統有效地組織，配置和使用。模塊化中間件提供標準化的接口和應用技術支持服務重組，同時有效降低軟件升級的復雜度，從而提升了分布式應用的可重用性及可擴展性；自適應中間件通過物化過程實時監測內部構建狀態，也允許內部構建動態重組以改變其功能性和非功能性性能；情境感知中間件通過測量系統所處環境情境信息，動態實時調整應用系統性能，即能夠監控并評估實時情境數據并作出適時調整從而提高服務質量。

（2）面向服務研究。SOA是一種追求敏捷性的面向對象的體系結構，在商業領域被譽為企業服務總線（ESB）或信息代理人。［2］遵循該體系架構開發的應用系統能夠覺察業務的實時動態變化，其模塊化業務服務思想對于應用系統集成、重構和應用都相對簡單。同時，應用系統在可擴展性和可復用性方面的表現也很出色，許多企業正在利用SOA思想創建一個靈活且適應性強的信息系統環境。至今有許多文獻詳細地論述了SOA，歸納起來可以細分為實時SOA、事件驅動SOA、服務組裝、分散式處理等。

2　面向服務情境感知中間件

（1）情境感知自適應中間件。研究結果表明，應用系統需要一個中間件層以自適應動態情境變化，許多有代表性情境感知服務系統提供中間件層。［3］這些系統根據封裝的底層機制提供自適應決策。自適應決定可以在應用層也可以在中間件層作出。在應用層作出自適應決定又稱應用感知方式，能夠提高應用系統提供商足夠靈活性獲取所需信息，同時也會增加應用系統提供商預測所有潛在場景的負擔。而在中間層作出自適應決定又稱為應用傳輸方式，這種方式把應用系統提供商從何時、什么方式去適應場景等問題中解脫出來，從而專注于應用系統的功能性結構。

Odyssey屬于應用層自適應方法的早期嘗試，中間件檢測感興趣的情境信息，提供服務的所有變化給應用系統；底層程序負責解釋情境信息并作出最佳決定以適應情境變化。這種方式為應用系統提供情境感知服務成為可能。這種自適應存在的問題就是計算強度太大，應用系統需要實時獲取所有可能的情境變化數據，并隨時給出自適應決策方案。同時，基于Odyssey的應用系統需要為新的情境信息修改或重編譯代碼已產生相匹配的策略。為了防止類似于Odyssey的重編譯需求，許多情境感知中間件系統［4,5］引入一種反射式機制動態配置應用服務，然而在動態環境下，并不能很好地解決情境自適應計算量大帶來的挑戰。Rocks屬于中間件層傳輸自適應方法，通過構建中間層來協調服務配置從而適應情境的變化。通過這種方式，應用層軟件不需要考慮如何適應、何時適應情境信息的問題，完全交由中間件去解決，進而集中精力關注應用服務功能結構即可。

（2）面向服務計算中間件。近年來，無線網絡服務計算領域涌現出了許多研究成果。其中，大多數成果是基于中間件技術，依靠中間件技術能夠很好地解決異構、分布性及應用異質等問題。然而傳統的中間件體系結構如Java RMI，CORBA，JINI，EJB等需要建立在大的計算、存儲能力和通信量基礎上，并不適合在無線網絡環境下推廣。

RUNES是一種基于組件的中間件，能夠在異構環境下提供動態重組服務。涉及的服務包括網絡服務下通知、發現及協調服務。Reyes和Wong提出了一種面向服務中間件應用于智能家居系統中，中間件對傳感器及底層硬件系統負責，封裝使之成為服務的一部分。Misence是一種普適的面向服務中間件系統，［6］這種架構定義資源管理層協調底層設施資源信息共享的任務，Misence是一個開放性的中間件模式，新的服務可以實現“即插即用”。

（3）基于本體的情境感知自適應機制。使用本體來實現情境感知并不新鮮，一些基于本體的情境感知模型應用于眾多領域。如，CONON是一個基于OWL編碼的情境本體模型應用在普適計算環境中，支持邏輯推理。同樣，COOL和SOUPA使用本體對情境實體進行概念化抽象，即情境建模。然而已有的本體情境感知應用中沒有能夠直接提供自適應決策服務的案例，本文認為在情境感知領域應用本體獲取知識外，還可以輔助應用系統作出自適應決策。這樣有利于發現情境信息和應用系統之間的匹配關系，從而幫助中間層理解這些實體之間的關系，作出合理的決策。

3　基于SOA的圖書館服務中間件架構研究

本節在分析現狀及相關研究工作基礎上，融合面向服務和普適計算的雙重特點，為智能圖書館情境感知服務系統設計了一種面向服務的中間件架構。該中間件基于分層的模式設計，該模式主要以橫向分層形式構建，同時輔以縱向結構作為補充。其中橫向主要結構有。資源層、適配層、基礎服務層、組合服務層和應用層；縱向結構由情境感知管理、知識庫、可使用性和實時支持等功能模塊組成。具體描述如下圖所示。

（1）資源層。指部署各種圖書館信息服務的所有資源，包含被動和主動的對象。如，由應用系統服務商提供的信息服務、底層硬件設備（RFID傳感器、讀寫器、智能終端設備、無線網絡設備）、軟件資源（操作系統、網絡協議、通信協議等）、外部資源（圖書館智能空間知識庫系統、用戶情境本體庫設計）和其他資源（RFID標簽及二維碼附著物、圖書音像等）。通常而言，圖書館數字化過程中會存在多個異構網絡，不同網絡設備基于不同的方式連接，如，有線網絡、無線網絡，高速多媒體網絡、傳感器網絡等；造就了物理層存在大量的私有通信協議和不同的硬件接口規范，這些協議和接口的異構性，使得物理層各資源之間的互聯互通成為數字圖書館信息技術領域一個急需解決的難題。資源層一般通過傳感器和執行器，主動觀察、控制和捕捉服務層所需的對象數據。

圖　圖書館服務中間件結構

（2）適配層。處于物理層和服務層之間，主要用于屏蔽物理層各個資源的異構性特征，以統一標準化的接口形式和服務層進行交互。適配層的主要目的是為了解決物理層基礎軟件異構帶來的底層資源交互困難以及服務相互調用難以匹配的問題。具體的方式是引入面向服務思想，結合web服務相關技術標準以一定的適配方式把底層資源抽象為web服務，從而實現圖書館各設備間的資源共享及互操作。通常采用基于代理的方式將物理層的資源按照web服務標準進行封裝。本文認為在網絡協議中植入服務代理軟件、應用軟件及基礎設備提供商在不改變現狀的基礎下，可以在一定程度上實現設備web服務化和服務集成。

（3）基礎服務層。處于適配層之上，基礎服務由應用系統提供，所有資源都能獲取并共享，基礎服務提供已定義好的基本服務，管理并保障應用信息及情境感知服務系統的運行；對系統的通信和計算進行抽象，用以支持服務重組和應用需求；在普適環境下負責服務發現、服務重組和服務傳輸等工作。不同于單一應用提供的固定服務，組合服務可能來自多個應用系統或終端設備的組合，所以系統應該具有對服務進行管理的能力。具體包括：發現其他設備及其功能；封裝遠端設備成為服務組件并與之保持聯系；發布已知服務特點并允許遠端設備訪問；監測資源狀態等功能。服務管理主要由三部分組成：服務發現、服務組合和服務獲取。同時還需要對底層資源進行相關管理，包括：①節點管理，在動態環境下對接入退出網絡的移動智能終端及節點進行管理；②數據管理，主要負責數據獲取、存儲、一致性檢測、分析及數據挖掘等任務；③資源發現，主要負責發現新接入的服務節點并對其進行規范化描述；④資源管理，負責管理各基礎節點資源；⑤資源整合，以某種方式對各個資源進行整合并完成具體任務。

（4）組合服務層。組合服務層主要是根據外部情境變化或外部服務組件可用性約束對現有服務進行適當調整。情境數據變化由情境模塊獲取，外部服務組件可用性由基礎服務層進行檢測。組合服務層主要由自適應模型、自適應解釋器、服務配置設計、服務配置實施和自適應控制器等模塊組成。其中，自適應建模是用戶按照自己的偏好進行設置的，如，基于時間、空間、溫度的需求對所提供的服務進行預置性設置。自適應建模闡述了用戶類型和計劃；自適應控制器協調自適應建模和實際情況的匹配度，它首先通過自適應解釋器尋找最可能匹配當前情境的服務配置，如果該配置和正在運行的服務組合模式不符，則會觸發服務配置設計模塊，服務配置設計模塊會按照最優匹配模式進行規劃，最后由服務配置實施模塊負責執行。為了防止服務配置被另一個自適應規劃替代的頻繁出現，自適應控制器可以設置一定時間范圍內免于觸發自適應解釋器。

（5）應用層。應用層處于中間件的最高層，提供了訪問軟件涉及的傳感器、執行器或其他服務組件的接口。依靠中間件的輔助實現了應用服務于物理層終端設備的分離；依靠中間件提供的特定端口連接，實現了包含監視和控制情境感知服務中的實際應用和組合服務應用功能。在圖書館領域，能向讀者提供圖書館智能空間的各種數字化信息服務，如，自習室位置預定、溫度濕度調節、燈光設置、安防監測等服務。這些應用依靠應用層提供的IDE接口進行開發，應用層主要提供的可編程接口包括情境數據管理接口、知識庫管理接口、規則庫管理接口、應用服務管理接口。其中，情境數據、知識庫、規則庫接口由其相對應的管理引擎提供，應用服務接口用于管理服務層發現的服務及中間件對服務進行適當管理。

（6）情境支持。情境輔助于基礎服務層，用以支持組合服務層的實時決策。主要是負責對情境數據的獲取、存儲、建模、推理、抽象為更高層次的情境數據；對多樣化的情境信息建模，存儲和提供規范化的歷史和即時信息。一般分為三個模塊：情境獲取、情境建模和情境推理。其中，情境獲取指的是從不同的終端收集原始情境數據，既可以從單一傳感器單元也可以從多個傳感器組合而成。收集到的數據存儲起來以便進一步使用，由于原始情境數據存在噪聲數據及不一致情況，需要進行預處理操作，剔除不一致及噪聲數據，然后以特定的模式形式化表述情境，即情境建模；情境推理模塊為將底層情境數據歸納抽象為上一層情境數據，以便萃取潛在有價值的情境信息。當情境模塊檢測到特定數據變化有必要觸發原有既定服務進行調整時，情境模塊會依照規則庫為自適應模塊提供必要輔助。此時自適應模塊作出及時調整并將信息反饋回情境模塊。

（7）知識庫支持。相對于動態情境而言，知識庫是靜態的知識。由情境本體庫、服務規則庫、工作流程規則集、服務簡要描述等模塊組成。其中，情境本體庫指的是情境感知服務涉及的客觀實體和客體所包含的本體資源描述；服務規則庫包含了業務應用或是組合服務必須遵循的規則；工作流程規則指的是組合服務的工作流程控制涉及的相關規則；服務簡要的描述指的是對情境感知服務中應用系統的靜態、簡明扼要描述。本文認為基于用戶情境的本體規則推理能夠更好地契合用戶偏好的突變情況，結合面向圖書館情境服務規則庫自動生成工作流程提供給用戶，從而實現動態環境下的個性化智能服務。

圖書館情境感知服務中間件架構除了以上主要模塊外，還需要考慮跨層支持管理，如，可靠性、隱私性和安全性功能設計。普適應用往往以人為中心實時提供服務支持，基于普適服務特性，服務的可使用性應該建立在情境不斷變化的基礎上。如，火災預警、安全監控等服務系統的可使用性必須安全可靠，否則極有可能釀成大禍。所以，應用系統的可使用性和可靠性是普適應用必須重點關注的話題。安全性是另一個值得關注的，其中，容錯性主要涉及底層設置相關的以及軟件和服務本身相關的，安全性支持和隱私性相互制衡。跨系統架構服務設計允許創建一個執行框架對服務組件提供了強大的生命周期和運行風險分析管理。主要包括咨詢服務、運行管理服務、安全性控制和節點配置服務功能。咨詢服務指服務組件獲取所需參數，保障各組件之間的通信暢通。運行管理服務負責運行過程中組件的加載和卸荷；安全性控制提供眾多安全議題的處理操作，主要針對情境感知和服務組合管理的容錯性和安全性支持。節點配置服務允許對運行的網絡協議、無線信號強弱、資源配置、組件示例、通信安全級別設置等。

［參考文獻］

［1］周園春，等．中間件技術綜述［J］．計算機工程與應用，2002（15）：80－86.

［2］張廣勝，等．面向服務的企業應用集成系統描述與驗證［J］．軟件學報，2007，18（12）：3015－3030.

［3］岳瑋寧，等．普適計算的人機交互框架研究［J］.計算機學報，2004，27（12）：1657－1664.

［4］ATChan，SNChuang．MobiPADS：areflectivemiddlewareforcontext-awaremobilecomputing［J］．IEEE Transactions on Software Engineering，2003，29（12）: 1072－1085.

［5］L Capra，et al．CARISMA：context-aware reflective middleware system for mobile applications［J］．IEEE Transactions on Software Engineering，2003，29 （10）：929－944.

［6］K Khedo，R K Subramanian．A Service-Oriented Component-Based Middleware Architecture for Wireless SensorNetworks［J］．InternationalJournalof Computer Science and Network Security，2009，9（3）：174－182.

Design of Library Context Awareness Middleware Based on SOA

Zhou Ling-yuan，Duan Long-zhen

Abstract：In order to solve the heterogeneity and inconsistency among mobile intelligent terminals and network equipment, this paper suggests applying a middleware to shield the difference of terminal equipment.Considering the dynamic mobile environment, it proposes a middleware adaptive mechanism which is self-adaptive and can perceive library context.Meanwhile, the middleware is self-adaptive and can complete reservation service functionby connecting service unit with channel.

Keywords：Smart Library；Context Awareness；Personalized Service；Middleware

［收稿日期］2015－05－15［責任編輯］徐娜

［作者簡介］周玲元（1982－），南昌大學博士研究生，南昌航空大學講師，研究方向：信息管理與信息系統；段隆振（1964－），南昌大學信工學院教授，博導，研究方向：數據挖掘與知識發現。

［基金項目］本文系江西社會科學課題“社會網絡環境下的用戶信息行為研究”（項目編號：14TQ12），江西省高校人文課題“數字博物館場景感知微型學習模式研究”（項目編號：DB201409089），江西省教育科學規劃課題“移動情境感知微型學習模式研究”（項目編號：15ZD3L021），國家自然科學基金項目“規模養種低碳循環農業系統深度開發對策反饋仿真應用研究”（項目編號：71361022）的研究成果。

中圖分類號：G250.7

文獻標志碼：A

文章編號：1005－8214（2016）02－0061－04