面向工業(yè)應用的車間上下文感知計算模型研究

孫建華，夏侯士戟，徐 強

(電子科技大學移動計算中心 成都 610054)

隨著計算機、無線通信和傳感器等技術的發(fā)展與進步，普適計算、移動計算和可穿戴計算[1]研究中的各類計算設備變得功能更強、體積更小、通信帶寬更寬、功耗和成本更低，如Motorola公司開發(fā)的WT4000系列可穿戴計算機，配置了條形碼掃描器和W iFi芯片，在尺寸和重量方面均適合佩戴應用，基于其開發(fā)的大量應用已獲得了廣泛的關注。

在各種研究中，文獻[2]提出了上下文感知計算(context-aware computing)，將其定義為軟件能夠根據使用場合、鄰近人員和對象集合，以及時間變化等進行調整的能力。近年來，研究人員開展了大量有關上下文感知計算的研究，如文獻[3]重點關注了綜合應用信息新技術如何提高家居環(huán)境品質，提高人們的家居生活質量；文獻[4]研究了計算機能根據辦公室人員的活動及日程安排等上下文，自動安排和管理與外來訪問者的會見；文獻[5]研究了構建智能家居環(huán)境的原型體系結構及相關技術，如用戶定位跟蹤、設備通信和數(shù)據傳輸協(xié)議等。

1 工業(yè)應用領域的上下文感知計算

近年來，作為普適計算和移動計算領域重要拓展的可穿戴計算得到了迅速發(fā)展，在多個領域得到了廣泛的研究和應用，特別是在企業(yè)大型復雜技術設備維護和裝配中的應用呈現(xiàn)出實用化和產品化的良好趨勢，如文獻[6]運用可穿戴計算機為設備維修和維護人員提供遠程資料存取和專家遠程協(xié)助；文獻[7]研制基于可穿戴計算機的增強現(xiàn)實和圖像處理系統(tǒng)，被成功地應用于電力設備維護的操作訓練；文獻[8]開展可穿戴計算機協(xié)助工人進行飛機組裝的研究；文獻[9]開展可穿戴計算機在汽車生產線組裝人員崗前培訓方面的研究。

這些研究和應用都采用了上下文感知計算技術，使得可穿戴計算機能夠感知車間范圍內包括作業(yè)人員本身、設備和環(huán)境等在內的大量上下文，充分運用可穿戴計算機在持續(xù)可用、可穿戴、可移動、釋放用戶雙手、增強和介入等方面的優(yōu)勢，為用戶提供隨時隨地的個性化服務，輔助用戶高效作業(yè)。上述在工業(yè)應用領域上下文感知計算的研究中，上下文具有鮮明的特點，具體表現(xiàn)在：

(1) 多樣性，上下文多種多樣，如有溫度、濕度、位置和心率等；

(2) 復雜性，即獲取上下文所需的設備、設備的通信速率、方式和數(shù)據格式等；

(3) 時效性，即上下文隨時間變化而變化，有的只是暫時使用，有的需持久存儲；

(4) 個性化，即上下文和人員本身有關，如人員的生理、心理狀態(tài)和對應用程序用戶界面的喜好程度等。

目前，上下文感知計算在工業(yè)中的應用和研究工作都是面向特定領域，以單個研究項目為基礎進行的，應用的開發(fā)設計都緊緊圍繞應用的邏輯，缺乏對上下文感知計算模型的整體把握和全局考慮，存在一定的局限性和缺陷，具體表現(xiàn)為：

(1) 上下文采集基礎設施不統(tǒng)一、不完善；

(2) 上下文表示模型語義支持不夠；

(3) 缺乏統(tǒng)一高效的上下文訪問接口；

(4) 開發(fā)的應用可擴展性差，動態(tài)適應性弱。

基于以上分析，本文設計并實現(xiàn)了一種新的以語義服務為基礎的、面向工業(yè)應用的車間上下文感知計算模型。

2 車間上下文感知計算模型

如圖1所示，車間上下文感知計算模型(workshop context-aware computing model，WCACM)主要分為上下文傳感層、上下文中間件層和上下文應用層3層結構。

2.1 上下文傳感層

上下文傳感層主要由車間環(huán)境中的各類傳感器和支持其運作的無線傳感網絡、企業(yè)信息化網絡等組成，構成車間上下文主要的物理或邏輯來源，如光照、溫度、語音、視頻、設備信息、時間，任務日志、網絡帶寬等上下文，形成上下文采集基礎設施。以車間布置為例，上下文采集基礎設施示意圖如圖3所示。

圖1 上下文感知計算模型

圖2 上下文采集基礎設施示意圖

2.2 上下文中間件層

上下文提供者、服務管理器和上下文推理3部分構成WCACM的上下文中間件層，是模型的核心部分，完成上下文的采集、表示和推理，并提供上下文訪問接口及上下文服務管理等功能。

2.2.1 基礎平臺

OSGi(open services gateway initiative)平臺[10]是一種面向服務的架構，近年來，它獲得了研究人員的廣泛關注和應用，如文獻[11]開展的以OSGi平臺為基礎的動態(tài)普適計算服務執(zhí)行環(huán)境研究；文獻[12]開展的通過擴展OSGi平臺實現(xiàn)移動計算環(huán)境下上下文感知服務的遷移與擴散的研究。OSGi平臺中，運行在其上的應用邏輯單元Bundle可以動態(tài)地裝載和卸載，擁有INSTALLED、RESOLVED、STARTING、ACTIVE、STOPPING、UNINSTALLED 6種生命周期狀態(tài)?；谄溟_發(fā)的服務或應用具有很強的可擴展性、可復用性、可維護性、動態(tài)適應性和穩(wěn)定性。因此，選擇OSGi作為構建WCACM的基礎平臺，并使用服務管理器完成對OSGi平臺上各類服務或應用的管理。

2.2.2 上下文提供者

上下文復雜多樣，選擇一種合適有效的表示模型十分重要，為此研究人員開展了大量的研究，先后提出了鍵-值、標記分類、圖形、面向對象、邏輯、本體等表示模型。由于基于本體的上下文表示具有能夠明確形式化的定義領域知識、高度的知識可表達性和能夠進行邏輯推理獲得新的知識等優(yōu)勢，因此在上下文感知計算研究中獲得廣泛的研究和應用[13-14]。

本文模型中，選擇基于OWL[15]描述的本體表示上下文，實現(xiàn)上下文的語義描述。上下文采用<主體，謂詞，客體>RDF三元組的形式表示，其中主體subject∈S，S表示對象名稱的集合，如人名、位置名和設備名等；謂詞predicate∈P，P表示謂詞名稱的集合，P依賴于S，如位于、參與等；客體object∈O，O表示S中主體值的集合，如工作正常、溫度高等。(Wanggong，Location at，Maintenance Area)表示“王工位于維修區(qū)”。

本文模型中，構建在OSGi 平臺上的上下文提供者由一系列Bundle實現(xiàn)，不同Bundle完成對不同上下文的采集和表示，并使用OWL描述Bundle提供的上下文服務，實現(xiàn)對上下文服務的語義描述，以便更好地支持上下文服務的發(fā)現(xiàn)、獲取和調用。上下文服務的語義描述OWL片斷如圖3所示。

圖3 上下文服務的語義描述OWL片斷

2.2.3 上下文推理

通過上下文傳感層獲取的原始上下文，如溫度、心率等，語義層次較低，對上層上下文應用支持不夠，而一些具有較高語義層次、隱性的上下文，如工人是否處于疲勞狀態(tài)等，不能通過傳感器直接獲得。基于本體構建的上下文表示使用推理機制能夠解決這類問題。推理分為本體規(guī)則推理和自定義規(guī)則推理兩部分。

(1) 本體規(guī)則推理主要解決上下文沖突檢測、一致性驗證和表達優(yōu)化融合等問題。常用的本體規(guī)則主要包括概念的可滿足性檢查，以及類之間的包含、傳遞、等價、不相交和互逆等。

(2) 自定義規(guī)則推理實質上與IF-THEN結構相似，根據定義的前提條件得出相應的動作、結論和新的上下文。自定義規(guī)則推理能夠對本體規(guī)則推理進行很好的補充，滿足實際應用領域中的個性化需求。圖4列舉了一個自定義規(guī)則，該規(guī)則表示王工維修完1號車間1號床車后，由于無線網絡連接故障，應把維修日志暫存在自己所佩戴的穿戴計算機中，而不是上傳至企業(yè)設備維修日志數(shù)據庫中。

圖4 自定義規(guī)則

本文模型中，上下文推理由一系列Bundle實現(xiàn)，不同的Bundle根據上層應用的需求可加載不同的推理引擎、本體庫和自定義規(guī)則，實現(xiàn)推理和決策，它們既是上下文服務的提供者，也是上下文服務的消費者。

2.2.4 上下文使用及存儲

本文模型中，上下文中間件層提供發(fā)布/訂閱(主動服務)和請求/應答(被動服務)兩種統(tǒng)一高效的上下文訪問接口供上層上下文應用使用。

(1) 發(fā)布/訂閱提供同步、異步、多點等多種服務通信方式，以發(fā)布/訂閱的方式與上層應用進行交互。上下文提供者和上層應用消費者之間交互的信息稱為事件。上層應用向基礎平臺的通知服務發(fā)出一個訂閱條件，訂閱自己感興趣的事件，如果不再需要，則可以取消訂閱。當提供者產生已訂閱的事件時，通知服務將保證提供者發(fā)布的事件及時、可靠和有序地傳送給已訂閱的上層應用。

(2) 請求/應答提供一種輪詢服務通信方式，上下文提供者向基礎平臺注冊自己提供的上下文服務，上層應用在需要時向這些服務請求獲取所需的上下文。

上下文提供者在提供上下文服務的同時，根據需要把一些獲得的上下文持久存儲到嵌入式關系數(shù)據庫(如Derby)中，供上層應用后續(xù)模擬和分析使用。

2.3 上下文應用層

在車間上下文感知計算應用(如設備維修作業(yè))中，維修資料的自動獲取和遠程專家協(xié)助、裝配作業(yè)中對裝配步驟的監(jiān)控和及時提醒、應用程序根據環(huán)境和人員自動調整行為狀態(tài)等，不同行業(yè)、不同場景和不同應用對上下文服務有不同的需求；同一類型上下文服務提供的信息質量也不同，如位置服務可以通過GPS、WiFi和RFID等方式實現(xiàn)，而它們所能提供的位置信息精度是不同的，因此選擇合適有效的上下文服務顯得尤為重要。

圖5 上下文服務選擇流程圖

以往的上下文服務研究中，服務的選擇大多是基于語法的，存在靈活性差，難以選擇出合適有效的上下文服務的問題，受語義Web服務的啟發(fā)。本文模型中，運用OWL描述OSGi平臺中Bundle提供的上下文服務，建立上下文服務本體庫，通過自定義規(guī)則推理決策實現(xiàn)基于語義的服務選擇，配合OSGi平臺實現(xiàn)上下文服務的動態(tài)加載和卸載，從而較好地解決了此類問題，其流程圖如圖5所示。

3 模型實現(xiàn)及典型應用場景分析

模型和應用全部基于Java實現(xiàn)，采用JDK1.6編程，選擇Eclipse作為開發(fā)工具，Equinox框架作為基礎平臺OSGi的實現(xiàn)，使用Protégé2000編輯車間應用領域本體和上下文服務本體庫。實際傳感器構建了位置感知、設備的標識和狀態(tài)、網絡連接狀態(tài)、光照強度、溫度和濕度上下文傳感層，并實現(xiàn)了這些上下文提供者，模擬了人員活動、時間、日期和人員數(shù)目等上下文提供者；運用Jena庫[16]操縱RDF、OWL本體并實現(xiàn)上下文推理。

本文設計了一個具體的車間狀態(tài)監(jiān)視應用作為上下文感知計算應用實例。硬件系統(tǒng)包括自制主機、M icro Optical公司的頭戴顯示器SV6、自制單手鍵鼠等。主機通過USB接口連接基于Atmegal+CC2420設計的射頻收發(fā)模塊；利用可穿戴計算機主機、服務器和工作站的無線網絡適配器等構建無線網絡；借助可穿戴計算機無線網絡適配器感知各接入點無線信號強度值(RSSI)實現(xiàn)車間內人員位置感知；通過布置在車間內的無線傳感模塊收集溫度、濕度、光照、設備的標識和狀態(tài)等上下文。通過運用WCACM開發(fā)出的車間狀態(tài)監(jiān)視應用原型，如圖6所示。

圖6 車間狀態(tài)監(jiān)視

4 結 論

本文分析了工業(yè)應用領域上下文感知計算所面臨的問題和挑戰(zhàn)，設計了一種新的以語義服務為基礎的面向工業(yè)應用的車間上下文感知計算模型，將可穿戴計算、無線傳感網絡、領域知識本體表示與推理和OSGi等技術結合起來，構建語義上下文服務，為快速開發(fā)上下文感知計算應用提供支持，并通過應用實例闡述了該模型的具體實現(xiàn)過程，結果表明，本文提出的模型是行之有效的。

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編 輯 蔣 曉