摘 要： 軟件動態(tài)演化與環(huán)境變化緊密聯(lián)系,，軟件需要通過自我補足來適應(yīng)環(huán)境變化,，但是軟件所在的開放環(huán)境信息多樣、復(fù)雜難控,，雖然上下文感知技術(shù)能夠很好地解決這個問題,，然而上下文信息數(shù)量豐富、結(jié)構(gòu)多樣、難以被有效利用,。本文介紹了上下文感知技術(shù),、本體理論及相關(guān)技術(shù)，構(gòu)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(jìn)行統(tǒng)一建模，提高上下文的共享,。達(dá)到采用形式化的語言顯式表達(dá)環(huán)境的目的,，為建立環(huán)境適應(yīng)性準(zhǔn)則做準(zhǔn)備。并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建室內(nèi)舒適節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的本體模型,。
關(guān)鍵詞： 上下文感知,；本體；軟件動態(tài)演化,；環(huán)境適應(yīng)性準(zhǔn)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(nèi)部補償來應(yīng)對外部環(huán)境變化,，由于環(huán)境空間和計算空間的強關(guān)聯(lián)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(guān)系,，形成軟件適應(yīng)環(huán)境的交互準(zhǔn)則,。建立物理空間與信息空間的對偶關(guān)系[2]，顯式化表達(dá)環(huán)境[3],，軟件向現(xiàn)實物理空間中的環(huán)境上下文提供數(shù)據(jù),，并從中獲取數(shù)據(jù)，通過上下文感知計算,，將物理世界與軟件聯(lián)系起來,。實現(xiàn)軟件全面監(jiān)視、調(diào)控并適應(yīng)環(huán)境,。然而開放環(huán)境下上下文數(shù)量豐富,，結(jié)構(gòu)多樣，關(guān)系復(fù)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(xiàn)實世界的信息與軟件的上下文結(jié)合起來,，將環(huán)境顯式化表達(dá)并加以監(jiān)控,，便于考察環(huán)境變化時軟件的反應(yīng)。
據(jù)研究，人一生中大概有2/3的時間是在室內(nèi)度過的,，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量直接關(guān)系到人的心情,、工作效率，甚至影響人的健康,，因此室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量越來越受到人們的重視,。影響室內(nèi)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(xiàn)實中環(huán)境也經(jīng)常發(fā)生一些不能被預(yù)料的事，這些為考察軟件動態(tài)演化與環(huán)境變化的關(guān)系提供了條件,。通過對室內(nèi)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(gòu)建模型,。
1 上下文感知計算的相關(guān)理論
1.1 上下文感知計算的定義
上下文感知技術(shù)是普適計算的核心技術(shù)之一,，在普適計算的環(huán)境中，人和計算機時刻進(jìn)行著交互,，普適計算系統(tǒng)獲取與用戶需求相關(guān)的一切上下文信息并時刻為用戶提供服務(wù),，這就是上下文感知技術(shù)。最早提出上下文感知計算的是美國哥倫比亞大學(xué)的Schilit B.N博士以及Theimer M.M,，Schilit認(rèn)為上下文就是位置,、人和事物的標(biāo)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(rèn)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(wǎng)絡(luò)等虛擬實體。由此可知上下文就是軟件環(huán)境以及構(gòu)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(guān)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(yīng)用程序不可能收集和利用所有信息,，Abowd通過總結(jié)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(rèn)為建立物理空間與信息空間的對偶關(guān)系即將系統(tǒng)能感知的環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能理解的數(shù)據(jù),，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(shè)備上下文,。
1.2 上下文感知計算的研究內(nèi)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(guān),，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(jīng)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(yù)設(shè),，第三種是通過網(wǎng)絡(luò)獲取,，第四種是經(jīng)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(gòu)和動態(tài)的特性,，不能直接使用,，因此要對上下文進(jìn)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(biāo)記模型（Markup Scheme Model）,、圖模型（Graphical Model）,、面向?qū)ο竽Ｐ停∣bject 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(dá)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(dá)復(fù)雜的環(huán)境。因此本文采用基于本體的方法對上下文進(jìn)行統(tǒng)一建模,。
1.2.3 上下文存儲,、查詢和管理
上下文數(shù)量豐富、結(jié)構(gòu)多樣,，具有實時性并且不同上下文間關(guān)系復(fù)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(jù)重要地位,。
2 本體及相關(guān)技術(shù)
2.1 本體的定義
本體（Ontology）原是一個哲學(xué)名詞,，指事物的本身，是人類思想認(rèn)識活動產(chǎn)生的必然結(jié)果,。近年來,，本體的概念被應(yīng)用于計算機領(lǐng)域，被用于對現(xiàn)實世界進(jìn)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(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系,，以及利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”,。Neches認(rèn)為：“本體定義了組成領(lǐng)域詞匯表的基本術(shù)語及其關(guān)系，以及結(jié)合這些術(shù)語和關(guān)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(rèn)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(nèi)涵上講,，都是把本體看做某個領(lǐng)域內(nèi)不同主體（人、機器等）之間進(jìn)行交流的一種語義基礎(chǔ),。即在不同主體之間共享確定的概念以及概念間的相互關(guān)系,，以達(dá)到溝通的目的。
對于本體的具體構(gòu)造,，目前公認(rèn)的是一個本體是由概念（類）,、關(guān)系、函數(shù),、公理和實例等5種元素組成,。
2.2 本體的構(gòu)建
2.2.1 本體描述語言
從本體被引入計算機領(lǐng)域以來，大量研究者為本體的使用發(fā)展做出了貢獻(xiàn),，因此誕生了很多本體描述語言,，如與Web相關(guān)的RDF、RDF-S,、OIL,、DAML、OWL,，與具體系統(tǒng)相關(guān)的Ontolingua,、cycl、loom,。其中OWL是W3C推薦的語義互聯(lián)網(wǎng)中本體描述語言的標(biāo)準(zhǔn),，是由DAML和OIL結(jié)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(chǔ)之上,，采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ妙惡蛯傩悦枋鲱I(lǐng)域的結(jié)構(gòu),，用公理來聲明類和屬性,。
2.2.2 本體構(gòu)建方法
目前本體構(gòu)建還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)合來構(gòu)建本體,。
3 基于本體的室內(nèi)舒適節(jié)能監(jiān)控模型
基于上述技術(shù),，用上下文感知技術(shù)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(dá)上下文，使系統(tǒng)與環(huán)境間的關(guān)系清晰可見,。并構(gòu)建了室內(nèi)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(gòu)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(yīng)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(jìn)行處理,。Jena是基于Java的開源語義網(wǎng)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)獲取以及系統(tǒng)預(yù)設(shè)來感知環(huán)境,，得到上下文的初始數(shù)據(jù),，經(jīng)過上下文建模和預(yù)處理得到低層上下文，經(jīng)過推理等方式得到高層上下文,。
本文設(shè)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(guān)系的集合,，而MateAttributes是與概念相關(guān)的屬性集合,。上下文元本體模型如圖2所示。
對于本論文設(shè)計的系統(tǒng)來說,，本體模型的構(gòu)建就是系統(tǒng)概念及概念間關(guān)系的確定描述,。
基于上文所述的方法，通過構(gòu)建室內(nèi)舒適節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的本體模型將現(xiàn)實世界與上下文結(jié)合起來,，顯式化表達(dá)環(huán)境,。
通過構(gòu)建系統(tǒng)，采用Protégé創(chuàng)建,、可視化,、操作本體,，使用Jena2對本體進(jìn)行解析、存儲,、查詢,、進(jìn)行基于規(guī)則的推理。
3.3 系統(tǒng)中概念的確定
根據(jù)上下文的本體元模型,，分析系統(tǒng)的需求,。由于是室內(nèi)環(huán)境舒適度節(jié)能監(jiān)控平臺，系統(tǒng)選取與之相關(guān)的環(huán)境概念,。對系統(tǒng)進(jìn)行本體建模,，建立系統(tǒng)領(lǐng)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(shè)備上下文：設(shè)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(wǎng)絡(luò)類型,、寬帶,、通信成本；
?。?）位置上下文：位置,、光照、濕度,、溫度,、空氣質(zhì)量、噪音,；
?。?）活動上下文：感覺,。
3.4 模型的實現(xiàn)
將概念采用自頂向下的方式進(jìn)行分類分層，用于描述領(lǐng)域概念間的類屬關(guān)系,，并將本體中的概念模塊化,。系統(tǒng)本體的部分概念間關(guān)系如圖3所示。
在圖3所示框架的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)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(jié)
本文介紹了上下文感知技術(shù),、本體理論及相關(guān)技術(shù)，構(gòu)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(jìn)行統(tǒng)一建模，提高上下文的共享,。并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建室內(nèi)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(dá)，易于觀察環(huán)境的變化,。下一步的工作是構(gòu)建環(huán)境適應(yīng)性準(zhǔn)則,，通過Jena2構(gòu)建演化規(guī)則。
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