摘  要： 軟件動態(tài)演化與環(huán)境變化緊密聯系,，軟件需要通過自我補足來適應環(huán)境變化,，但是軟件所在的開放環(huán)境信息多樣、復雜難控,，雖然上下文感知技術能夠很好地解決這個問題,，然而上下文信息數量豐富、結構多樣,、難以被有效利用,。本文介紹了上下文感知技術、本體理論及相關技術,，構建了上下文本體元模型,，采用層次化的上下文本體方案,，對不同上下文進行統(tǒng)一建模，提高上下文的共享,。達到采用形式化的語言顯式表達環(huán)境的目的,，為建立環(huán)境適應性準則做準備。并在此基礎上構建室內舒適節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的本體模型,。

　　關鍵詞： 上下文感知,；本體；軟件動態(tài)演化,；環(huán)境適應性準則

0 引言

　　在開放環(huán)境[1]下,，環(huán)境對軟件運行的影響日益明顯，軟件需要內部補償來應對外部環(huán)境變化,，由于環(huán)境空間和計算空間的強關聯性,、非確定性和高度混雜性，迫切需要建立環(huán)境要素到軟件空間的映射關系,，形成軟件適應環(huán)境的交互準則,。建立物理空間與信息空間的對偶關系[2]，顯式化表達環(huán)境[3],，軟件向現實物理空間中的環(huán)境上下文提供數據,，并從中獲取數據,，通過上下文感知計算,，將物理世界與軟件聯系起來。實現軟件全面監(jiān)視,、調控并適應環(huán)境,。然而開放環(huán)境下上下文數量豐富，結構多樣,，關系復雜,，如何獲取、處理,、存儲上下文是上下文感知系統(tǒng)的難點,。

　　本文通過基于本體的建模方式，將現實世界的信息與軟件的上下文結合起來,，將環(huán)境顯式化表達并加以監(jiān)控,，便于考察環(huán)境變化時軟件的反應。

　　據研究,，人一生中大概有2/3的時間是在室內度過的,，室內環(huán)境質量直接關系到人的心情、工作效率,，甚至影響人的健康,，因此室內環(huán)境質量越來越受到人們的重視,。影響室內環(huán)境的因素多種多樣，人也具有主觀感受,，每個人的舒適度感受也因人而異,，現實中環(huán)境也經常發(fā)生一些不能被預料的事，這些為考察軟件動態(tài)演化與環(huán)境變化的關系提供了條件,。通過對室內舒適節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的建模,，來驗證理論的正確性。

　　本文建立了一種統(tǒng)一的上下文信息模型,，然后使用層次化模型,，同時將概念映射成層次模型，使用本體的建模方法構建模型,。

1 上下文感知計算的相關理論

　　1.1 上下文感知計算的定義

　　上下文感知技術是普適計算的核心技術之一,，在普適計算的環(huán)境中，人和計算機時刻進行著交互,，普適計算系統(tǒng)獲取與用戶需求相關的一切上下文信息并時刻為用戶提供服務,，這就是上下文感知技術。最早提出上下文感知計算的是美國哥倫比亞大學的Schilit B.N博士以及Theimer M.M,，Schilit認為上下文就是位置,、人和事物的標識，以及它們的變化,，并且將上下文分為三大類[4]：計算上下文,、用戶上下文和物理上下文。Ryan等把上下文定義為用戶的位置,、環(huán)境,、特征以及時間。而Dey[5]認為上下文是所有能夠描述用戶和軟件交互所涉及到的實體（如人,、物體等）的狀態(tài)信息,，其中包括用戶和軟件本身。目前,，研究人員對上下文有個共性的理解：上下文即環(huán)境本身以及環(huán)境中個體所包含的或者隱含的可用于描述其狀態(tài)和歷史狀態(tài)的任何信息,，其中的個體既可以是人、地點等物理實體,，也可以是軟件,、程序、網絡等虛擬實體,。由此可知上下文就是軟件環(huán)境以及構成環(huán)境的各實體及其狀態(tài),。上下文包含的范疇非常廣泛，用戶所處環(huán)境中任何與系統(tǒng)相關的信息都可以是上下文,，但是從軟件交互的角度來看,，所有能被系統(tǒng)感知或者潛在地影響系統(tǒng)行為的因素都屬于上下文的范疇,。但是由于條件限制，應用程序不可能收集和利用所有信息,，Abowd通過總結將上下文感知看做“誰,，在哪，什么時間,，在做什么”作為實體,，并且用這些信息定義為什么這個情景正在發(fā)生，即“who′s,，where′s,，when，what′s and why”,。

　　本文認為建立物理空間與信息空間的對偶關系即將系統(tǒng)能感知的環(huán)境信息轉化為系統(tǒng)能理解的數據,，即“誰什么時間在哪在什么樣的情況下在做什么”。因此本文將所需上下文分為五類,，即用戶上下文,、位置上下文、時間上下文,、活動上下文以及設備上下文,。

　　1.2 上下文感知計算的研究內容

　　上下文感知計算主要研究上下文信息的獲取，上下文信息的融合處理以及上下文信息的存儲,、查詢和管理,。

　　1.2.1 上下文信息的感知獲取

　　上下文的感知和獲取是上下文感知計算的前提，是系統(tǒng)了解環(huán)境的第一步,。一般上下文的獲取方法與上下文的種類直接相關,，上下文可以簡單分為低層上下文和高層上下文,。低層上下文信息的獲取比較簡單,，可以從各種傳感器直接獲得，但是低層上下文信息具有不確定性,、模糊性和冗余等特點,，一般要經過初步清洗來獲得更高層次的上下文。

　　上下文信息獲取主要有幾種方法,，一種是底層傳感器感知采集獲得,，第二種是用戶預設，第三種是通過網絡獲取,，第四種是經過系統(tǒng)處理得到能夠使用的高級上下文,。

　　1.2.2 上下文信息的融合及處理

　　由于底層傳感器的多樣性，使得獲取的信息具有分布,、異構和動態(tài)的特性,，不能直接使用,，因此要對上下文進行建模，從而獲得可以直接用于后期使用的高層上下文,。

　　目前上下文建模的方法主要有6種[6],，即：鍵值對模型（Key-value Model）、標記模型（Markup Scheme Model）,、圖模型（Graphical Model）,、面向對象模型（Object Oriented Model）、基于邏輯的上下文模型（Logic Based Model）以及基于本體的上下文模型（Ontology Based Model）,。綜合比較集中建模方法,，基于本體的建模方法具有形式化程度高，具有較強的表達能力,，能夠較好地支持上下文的推理,，易于信息的共享等特點能夠較好地表達復雜的環(huán)境。因此本文采用基于本體的方法對上下文進行統(tǒng)一建模,。

　　1.2.3 上下文存儲,、查詢和管理

　　上下文數量豐富、結構多樣,，具有實時性并且不同上下文間關系復雜,，因此對上下文的存儲、查詢以及管理在上下文感知計算中占據重要地位,。

2 本體及相關技術

　　2.1 本體的定義

　　本體（Ontology）原是一個哲學名詞,，指事物的本身，是人類思想認識活動產生的必然結果,。近年來,，本體的概念被應用于計算機領域，被用于對現實世界進行系統(tǒng)化的描述,，方便知識的共享和重用,。最早給出Ontology定義的是Neches等人，他們將Ontology定義為“給出構成相關領域詞匯的基本術語和關系,，以及利用這些術語和關系構成規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”,。Neches認為：“本體定義了組成領域詞匯表的基本術語及其關系，以及結合這些術語和關系來定義詞匯表外延的規(guī)則,?！盙ruber提出“本體是概念化的明確的規(guī)范說明”，Studer認為本體是“共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說明”,。

　　雖然不同研究者對本體有不同的定義,，但是從內涵上講，都是把本體看做某個領域內不同主體（人,、機器等）之間進行交流的一種語義基礎,。即在不同主體之間共享確定的概念以及概念間的相互關系,，以達到溝通的目的。

　　對于本體的具體構造,，目前公認的是一個本體是由概念（類）,、關系、函數,、公理和實例等5種元素組成,。

　　2.2 本體的構建

　　2.2.1 本體描述語言

　　從本體被引入計算機領域以來，大量研究者為本體的使用發(fā)展做出了貢獻,，因此誕生了很多本體描述語言,，如與Web相關的RDF、RDF-S,、OIL,、DAML、OWL,，與具體系統(tǒng)相關的Ontolingua,、cycl、loom,。其中OWL是W3C推薦的語義互聯網中本體描述語言的標準,，是由DAML和OIL結合發(fā)展起來的，集成了其他各本體描述語言的優(yōu)點,，建立在RDF的基礎之上,，采用面向對象的方法，利用類和屬性描述領域的結構,，用公理來聲明類和屬性,。

　　2.2.2 本體構建方法

　　目前本體構建還沒有一個統(tǒng)一的標準，主要有以下幾種方法：（1）骨架法,；（2）TOVE企業(yè)建模法,；（3）元本體法；（4）循環(huán)獲取法,；（5）七步法[7],。綜合考慮研究，本文采用元本體法和七步法相結合來構建本體,。

3 基于本體的室內舒適節(jié)能監(jiān)控模型

　　基于上述技術，用上下文感知技術將物理空間與信息空間[8]連接起來,，用本體的方法形式化顯式表達上下文,，使系統(tǒng)與環(huán)境間的關系清晰可見。并構建了室內舒適節(jié)能監(jiān)控本體模型,。

　　綜合考慮,，用OWL語言作為本體建模語言,，并且采用Protégé工具構建本體，Protégé提供了簡單易用的圖形化界面,，提供了優(yōu)良的可擴展的大量插件應用,，支持豐富的本體描述語言，支持知識的集成及本體的持久化存儲,。用Jena2建立本體模型對本體進行處理,。Jena是基于Java的開源語義網開發(fā)工具包，為解析RDF,、RDFS和OWL本體提供了一個集成環(huán)境,，配備了完善的對本體進行解析、存儲,、查詢和基于規(guī)則的推理引擎,。

　　3.1 上下文感知系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)通過傳感器、網絡獲取以及系統(tǒng)預設來感知環(huán)境,，得到上下文的初始數據,，經過上下文建模和預處理得到低層上下文，經過推理等方式得到高層上下文,。

　　本文設計的上下文感知系統(tǒng)框架如圖1所示,。

　　3.2 基于本體的上下文元模型

　　上下文元本體是一個三元組（MetaContexts，MetaRelations,，MateAttribute）,。其中MetaContexts是上下文概念集合，MetaRelations是關系的集合,，而MateAttributes是與概念相關的屬性集合,。上下文元本體模型如圖2所示。

　　對于本論文設計的系統(tǒng)來說,，本體模型的構建就是系統(tǒng)概念及概念間關系的確定描述,。

　　基于上文所述的方法，通過構建室內舒適節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的本體模型將現實世界與上下文結合起來,，顯式化表達環(huán)境,。

　　通過構建系統(tǒng)，采用Protégé創(chuàng)建,、可視化,、操作本體，使用Jena2對本體進行解析,、存儲,、查詢、進行基于規(guī)則的推理。

　　3.3 系統(tǒng)中概念的確定

　　根據上下文的本體元模型,，分析系統(tǒng)的需求,。由于是室內環(huán)境舒適度節(jié)能監(jiān)控平臺，系統(tǒng)選取與之相關的環(huán)境概念,。對系統(tǒng)進行本體建模,，建立系統(tǒng)領域的概念模型。

　　本文所涉及上下文概念主要被分為四個部分：

　?。?）用戶上下文：用戶姓名,、年齡、健康狀況,、個人喜好,；

　　（2）時間上下文：時間,、日期,、季節(jié)、年份,；

　?。?）設備上下文：設備名稱、計算能力,、操作系統(tǒng)版本,、功率、已使用時間、使用壽命、耗電量,、網絡類型,、寬帶,、通信成本；

　　（4）位置上下文：位置、光照,、濕度、溫度,、空氣質量,、噪音；

　?。?）活動上下文：感覺,。

　　3.4 模型的實現

　　將概念采用自頂向下的方式進行分類分層，用于描述領域概念間的類屬關系,，并將本體中的概念模塊化,。系統(tǒng)本體的部分概念間關系如圖3所示。

　　在圖3所示框架的基礎上再將概念具體化,，最后用Protégé工具創(chuàng)建本體類,。本體類圖如圖4所示。

　　本體類創(chuàng)建完成后,，為類添加數據屬性和對象屬性,。生成的OWLViz圖如圖5。

　　同時生成IndoorEnvironment.owl文件,，部分代碼如下：

　　<,？xml version="1.0"？>

　　<!DOCTYPE Ontology [

　　<!ENTITY xsd http://www.w3.org/2001/XMLSchema#">

　　<!ENTITY xml ttp://www.w3.org/XML/1998/namespace">

　　<!ENTITY rdfs http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#">

　　<!ENTITY rdf http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-

　　ns#">

　　]

　　<Ontology xmlns="http://www.w3.org/2002/07/owl#"     xml:base="http://www.semanticweb.org/wqy/ontologies/2014/7/IndoorEnvironment" xmlns:rdfs="http://www.w3.org/2000/01/rdf-schema#"

　　xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#"     xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"     xmlns:xml="http://www.w3.org/XML/1998/namespace" ontologyIRI="http://www.semanticweb.org/wqy/ontologies/2014/7/Indoor Environment">

4 總結

　　本文介紹了上下文感知技術,、本體理論及相關技術,，構建了上下文本體元模型，采用層次化的上下文本體建模方案,，對不同上下文進行統(tǒng)一建模,，提高上下文的共享。并在此基礎上構建室內舒適節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的本體模型,，使環(huán)境能夠顯式化表達,，易于觀察環(huán)境的變化。下一步的工作是構建環(huán)境適應性準則,，通過Jena2構建演化規(guī)則,。

參考文獻

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