普適計(jì)算環(huán)境下基于場(chǎng)景的可配置服務(wù)研究.pdf

1、從主機(jī)時(shí)代，到個(gè)人計(jì)算機(jī)時(shí)代，再到今天移動(dòng)計(jì)算時(shí)代，計(jì)算機(jī)已經(jīng)不僅僅是一種人們只在桌上看到的龐然大物。越來(lái)越多的傳感器、嵌入設(shè)備出現(xiàn)在我們的生活當(dāng)中。它們雖然體積很小，但是具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，經(jīng)常被放置在我們意想不到或者難以進(jìn)入的地方為我們提供信息服務(wù)。傳感器技術(shù)、嵌入式設(shè)備、無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽技術(shù)以及各種無(wú)線連接方案的日益成熟為越來(lái)越多的設(shè)備之間直接的交互提供了技術(shù)支撐。這些基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步將信息技術(shù)的發(fā)展逐漸引向馬克·威瑟提出的普適計(jì)算

2、。普適計(jì)算描繪了未來(lái)以人為中心的智能計(jì)算環(huán)境。在這樣一個(gè)環(huán)境中，計(jì)算設(shè)備與物理環(huán)境能夠有機(jī)地結(jié)合在一起，人們能夠像用筆寫(xiě)字一樣，將計(jì)算機(jī)作為工具來(lái)獲得計(jì)算服務(wù)。在獲得計(jì)算服務(wù)的過(guò)程中，人們只需要把注意力集中在他們要做的事情上面，而不需要關(guān)注作為工具的計(jì)算機(jī)。這樣一個(gè)嶄新的計(jì)算模式受到各界的廣泛關(guān)注。麻省理工、卡耐基梅隆、伊利諾伊斯大學(xué)、加州理工伯克利分校、微軟、惠普、IBM等著名高校與企業(yè)紛紛開(kāi)展了與普適計(jì)算相關(guān)的研究工作，建立了Oxy

3、gen、Aura、One.World、Whale等試驗(yàn)系統(tǒng)。但是目前的試驗(yàn)系統(tǒng)主要還是集中在對(duì)普適計(jì)算的普適性方面的研究。一方面，他們多數(shù)僅僅重復(fù)馬克·威瑟提出的智能辦公這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景；另一方面，他們的研究重點(diǎn)都局限于圍繞單個(gè)用戶(hù)實(shí)現(xiàn)背景感知、多通道信息獲取與信息呈現(xiàn)等流程相對(duì)固定的應(yīng)用場(chǎng)景。 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，Oxygen、Aura、One.World采用任務(wù)抽象等方法，通過(guò)反射機(jī)制實(shí)現(xiàn)普適環(huán)境下系統(tǒng)的可配置服務(wù)。

4、但無(wú)論是Aura采用的LuaOrb語(yǔ)言，還是Whale中采用的XML語(yǔ)言，都只是集中在代碼集層次上的功能可配置，很少把研究的重點(diǎn)放在如何從規(guī)范說(shuō)明書(shū)(Specification)就開(kāi)始實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可配置性。普適計(jì)算的以用戶(hù)為中心、面向任務(wù)、背景感知的特點(diǎn)決定了我們無(wú)法為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整的規(guī)范說(shuō)明書(shū)，也就無(wú)法以其為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。代碼集層次的可配置是通過(guò)在代碼運(yùn)行前對(duì)代碼進(jìn)行動(dòng)態(tài)組合與配置來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用擴(kuò)展的。因此，需要在規(guī)范說(shuō)明書(shū)的基礎(chǔ)上進(jìn)

5、行代碼分析、系統(tǒng)架構(gòu)與開(kāi)發(fā)。這樣的可配置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式，很難滿(mǎn)足普適計(jì)算環(huán)境下以用戶(hù)為中心、面向任務(wù)的要求。尤其對(duì)于世界杯、奧運(yùn)會(huì)、世博等大型社會(huì)活動(dòng)來(lái)說(shuō)，由于存在大量的人機(jī)交互和個(gè)性需求，加劇了建設(shè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。一方面，人們并不清楚需要提供怎樣的系統(tǒng)服務(wù)，因?yàn)槲覀冞€很難想象普適計(jì)算的“任何地方、任何時(shí)間、任何設(shè)備”都能獲取服務(wù)的計(jì)算模式會(huì)給我們的生活帶來(lái)怎樣的巨大變化。另一方面，設(shè)計(jì)系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)往往有很大的差異。因?yàn)樵谶M(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)

6、候，人們無(wú)法準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)有多少人、多少設(shè)備、多少服務(wù)會(huì)參與到這個(gè)系統(tǒng)中來(lái)，進(jìn)而也就很難保證運(yùn)行系統(tǒng)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的各種約束條件。所以，在這樣一個(gè)環(huán)境中設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有非常大的挑戰(zhàn)性。 場(chǎng)景(Scenario)，作為一種有效的描述表達(dá)方式，是人們對(duì)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行非形式化描述的重要手段。它通過(guò)頭腦風(fēng)暴、角色游戲等各種參與方法，讓人們勾勒出系統(tǒng)的輪廓。場(chǎng)景獨(dú)特的面向任務(wù)特性，使得其適合在普適計(jì)算環(huán)境下用于描述用戶(hù)需求。針對(duì)普適計(jì)算環(huán)境的特

7、點(diǎn)，我們尋求一種新的采用場(chǎng)景的解決方法，實(shí)現(xiàn)從規(guī)范說(shuō)明書(shū)層開(kāi)始的系統(tǒng)配置，期望通過(guò)動(dòng)態(tài)組合不同的場(chǎng)景來(lái)產(chǎn)生新的系統(tǒng)應(yīng)用，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。 在整個(gè)研究中，我們關(guān)注兩個(gè)方而：一方面是系統(tǒng)如何滿(mǎn)足個(gè)性需求的動(dòng)態(tài)變化；另一方面是在大量人機(jī)交互的情況下，如何通過(guò)智能代理減少直接交互。本文提出一個(gè)基于場(chǎng)景的可配置系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)使用場(chǎng)景來(lái)建立任務(wù)的片斷描述，并以這些場(chǎng)景描述作為系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。由于場(chǎng)景與功能實(shí)現(xiàn)是一一對(duì)應(yīng)的，我們可以通

8、過(guò)改變場(chǎng)景的組合方式，實(shí)現(xiàn)各種不同功能的組合，形成新的應(yīng)用，進(jìn)而滿(mǎn)足普適環(huán)境下動(dòng)態(tài)的用戶(hù)需求變化。作為這個(gè)架構(gòu)的基礎(chǔ)，我們提出了一個(gè)參與式設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)統(tǒng)一設(shè)計(jì)接口，讓領(lǐng)域?qū)＜?、系統(tǒng)用戶(hù)與系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商等系統(tǒng)干系人(Stakeholder)，共同參與到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去。在介紹設(shè)計(jì)方法之前，我們首先介紹了一種人與代理交互的描述語(yǔ)言。我們?cè)趯⑷藗兊男枨筮M(jìn)行分類(lèi)、細(xì)化為各種行為規(guī)則的基礎(chǔ)上，采用這種語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)法對(duì)這些規(guī)則進(jìn)行描述，建立標(biāo)準(zhǔn)的描述

9、腳本。然后使用形式化的手段和工具，對(duì)腳木進(jìn)行形式化描述和驗(yàn)證，這樣能夠克服場(chǎng)景非形式化的弱點(diǎn)。這些腳本和實(shí)現(xiàn)代碼是一一對(duì)應(yīng)的，腳本和代碼可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)結(jié)合在一起。因此腳本既可以作為獨(dú)立的服務(wù)內(nèi)容存在，也可以用不同的組合方式結(jié)合在一起，來(lái)組合不同代碼，實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，從而實(shí)現(xiàn)從規(guī)范說(shuō)明書(shū)層次開(kāi)始的系統(tǒng)配置。 在我們提出的基于場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方法中，我們將系統(tǒng)模型拆分為專(zhuān)業(yè)模型(DomainModel)和設(shè)計(jì)模型(DesignMod

10、el)。專(zhuān)業(yè)模型是指與業(yè)務(wù)流程、領(lǐng)域知識(shí)相關(guān)的內(nèi)容的模型。它是在場(chǎng)景設(shè)計(jì)人員的幫助下，由具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域?qū)＜?、系統(tǒng)用戶(hù)、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)接口來(lái)創(chuàng)建的。專(zhuān)業(yè)模型與實(shí)現(xiàn)代碼分開(kāi)，與實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言無(wú)關(guān)，很好地抽象了人們的功能需求、協(xié)作協(xié)議等等。設(shè)計(jì)模型則是指與系統(tǒng)的架構(gòu)、軟件模塊之間的通訊協(xié)議等相關(guān)的內(nèi)容的模型。它由計(jì)算機(jī)專(zhuān)家與程序設(shè)計(jì)人員根據(jù)技術(shù)需要來(lái)創(chuàng)建。在這兩種模型中，設(shè)計(jì)模型采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法來(lái)描述，而

11、專(zhuān)業(yè)模型采用場(chǎng)景作為描述手段。描述專(zhuān)業(yè)模型的場(chǎng)景都作為具有背景感知功能的獨(dú)立單元存在，我們可以對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行驗(yàn)證后將它們組合在一起.構(gòu)建成一個(gè)多任務(wù)單元來(lái)滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。為了保證其組合的有效性，我們?cè)讦醒菟愕幕A(chǔ)上，引入互連接(bilink)和兼容性關(guān)系來(lái)定義場(chǎng)景組合的形式化描述，進(jìn)而對(duì)場(chǎng)景組合進(jìn)行驗(yàn)證。 為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之間的銜接，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)與FIPA標(biāo)準(zhǔn)兼容的多代理開(kāi)發(fā)平臺(tái)describer。它除了具有F

12、IPA標(biāo)準(zhǔn)的代理管理服務(wù)(AMS)、目錄服務(wù)(DF)和消息隊(duì)列服務(wù)(MTS)之外，還具有解析場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景與功能代碼綁定機(jī)制的模塊，保證這個(gè)平臺(tái)能夠在動(dòng)態(tài)、分布式環(huán)境中正常工作。 奧運(yùn)會(huì)、世博上海等大型的社會(huì)活動(dòng)往往具有強(qiáng)大而豐富的網(wǎng)絡(luò)和硬件支持，這些支持實(shí)際上也為在室外的廣域范圍內(nèi)建立普適計(jì)算環(huán)境提供了基礎(chǔ)保障。我們將提出的模型和框架應(yīng)用在DemandBus實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)上海地區(qū)的DemandBus服務(wù)原型模