普適計算環(huán)境下基于場景的可配置服務研究.pdf

1、從主機時代，到個人計算機時代，再到今天移動計算時代，計算機已經不僅僅是一種人們只在桌上看到的龐然大物。越來越多的傳感器、嵌入設備出現在我們的生活當中。它們雖然體積很小，但是具有較強的計算能力，經常被放置在我們意想不到或者難以進入的地方為我們提供信息服務。傳感器技術、嵌入式設備、無線射頻識別標簽技術以及各種無線連接方案的日益成熟為越來越多的設備之間直接的交互提供了技術支撐。這些基礎技術的進步將信息技術的發(fā)展逐漸引向馬克·威瑟提出的普適計算

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

3、gen、Aura、One.World、Whale等試驗系統(tǒng)。但是目前的試驗系統(tǒng)主要還是集中在對普適計算的普適性方面的研究。一方面，他們多數僅僅重復馬克·威瑟提出的智能辦公這樣一個簡單的場景；另一方面，他們的研究重點都局限于圍繞單個用戶實現背景感知、多通道信息獲取與信息呈現等流程相對固定的應用場景。 為了實現系統(tǒng)的動態(tài)適應性，Oxygen、Aura、One.World采用任務抽象等方法，通過反射機制實現普適環(huán)境下系統(tǒng)的可配置服務。

4、但無論是Aura采用的LuaOrb語言，還是Whale中采用的XML語言，都只是集中在代碼集層次上的功能可配置，很少把研究的重點放在如何從規(guī)范說明書(Specification)就開始實現系統(tǒng)的可配置性。普適計算的以用戶為中心、面向任務、背景感知的特點決定了我們無法為整個系統(tǒng)設計完整的規(guī)范說明書，也就無法以其為基礎進行系統(tǒng)開發(fā)。代碼集層次的可配置是通過在代碼運行前對代碼進行動態(tài)組合與配置來實現應用擴展的。因此，需要在規(guī)范說明書的基礎上進

5、行代碼分析、系統(tǒng)架構與開發(fā)。這樣的可配置系統(tǒng)開發(fā)方式，很難滿足普適計算環(huán)境下以用戶為中心、面向任務的要求。尤其對于世界杯、奧運會、世博等大型社會活動來說，由于存在大量的人機交互和個性需求，加劇了建設系統(tǒng)的復雜性。一方面，人們并不清楚需要提供怎樣的系統(tǒng)服務，因為我們還很難想象普適計算的“任何地方、任何時間、任何設備”都能獲取服務的計算模式會給我們的生活帶來怎樣的巨大變化。另一方面，設計系統(tǒng)與運行系統(tǒng)往往有很大的差異。因為在進行系統(tǒng)設計的時

6、候，人們無法準確地預計有多少人、多少設備、多少服務會參與到這個系統(tǒng)中來，進而也就很難保證運行系統(tǒng)符合系統(tǒng)設計時的各種約束條件。所以，在這樣一個環(huán)境中設計系統(tǒng)具有非常大的挑戰(zhàn)性。 場景(Scenario)，作為一種有效的描述表達方式，是人們對系統(tǒng)功能需求進行非形式化描述的重要手段。它通過頭腦風暴、角色游戲等各種參與方法，讓人們勾勒出系統(tǒng)的輪廓。場景獨特的面向任務特性，使得其適合在普適計算環(huán)境下用于描述用戶需求。針對普適計算環(huán)境的特

7、點，我們尋求一種新的采用場景的解決方法，實現從規(guī)范說明書層開始的系統(tǒng)配置，期望通過動態(tài)組合不同的場景來產生新的系統(tǒng)應用，滿足不同用戶的需求。 在整個研究中，我們關注兩個方而：一方面是系統(tǒng)如何滿足個性需求的動態(tài)變化；另一方面是在大量人機交互的情況下，如何通過智能代理減少直接交互。本文提出一個基于場景的可配置系統(tǒng)架構，通過使用場景來建立任務的片斷描述，并以這些場景描述作為系統(tǒng)功能實現的基礎。由于場景與功能實現是一一對應的，我們可以通

8、過改變場景的組合方式，實現各種不同功能的組合，形成新的應用，進而滿足普適環(huán)境下動態(tài)的用戶需求變化。作為這個架構的基礎，我們提出了一個參與式設計的方法，通過統(tǒng)一設計接口，讓領域專家、系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)運營商等系統(tǒng)干系人(Stakeholder)，共同參與到系統(tǒng)設計中去。在介紹設計方法之前，我們首先介紹了一種人與代理交互的描述語言。我們在將人們的需求進行分類、細化為各種行為規(guī)則的基礎上，采用這種語言的標準化語法對這些規(guī)則進行描述，建立標準的描述

9、腳本。然后使用形式化的手段和工具，對腳木進行形式化描述和驗證，這樣能夠克服場景非形式化的弱點。這些腳本和實現代碼是一一對應的，腳本和代碼可以在系統(tǒng)運行時結合在一起。因此腳本既可以作為獨立的服務內容存在，也可以用不同的組合方式結合在一起，來組合不同代碼，實現不同的系統(tǒng)功能，從而實現從規(guī)范說明書層次開始的系統(tǒng)配置。 在我們提出的基于場景的設計方法中，我們將系統(tǒng)模型拆分為專業(yè)模型(DomainModel)和設計模型(DesignMod

10、el)。專業(yè)模型是指與業(yè)務流程、領域知識相關的內容的模型。它是在場景設計人員的幫助下，由具有專業(yè)知識和專業(yè)經驗的領域專家、系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)運營者通過標準的人機交互設計接口來創(chuàng)建的。專業(yè)模型與實現代碼分開，與實現語言無關，很好地抽象了人們的功能需求、協(xié)作協(xié)議等等。設計模型則是指與系統(tǒng)的架構、軟件模塊之間的通訊協(xié)議等相關的內容的模型。它由計算機專家與程序設計人員根據技術需要來創(chuàng)建。在這兩種模型中，設計模型采用計算機系統(tǒng)設計的傳統(tǒng)方法來描述，而

11、專業(yè)模型采用場景作為描述手段。描述專業(yè)模型的場景都作為具有背景感知功能的獨立單元存在，我們可以對場景進行驗證后將它們組合在一起.構建成一個多任務單元來滿足不同的應用需求。為了保證其組合的有效性，我們在π演算的基礎上，引入互連接(bilink)和兼容性關系來定義場景組合的形式化描述，進而對場景組合進行驗證。 為了保證系統(tǒng)設計與系統(tǒng)實現之間的銜接，我們設計并實現了一個與FIPA標準兼容的多代理開發(fā)平臺describer。它除了具有F

12、IPA標準的代理管理服務(AMS)、目錄服務(DF)和消息隊列服務(MTS)之外，還具有解析場景、實現場景與功能代碼綁定機制的模塊，保證這個平臺能夠在動態(tài)、分布式環(huán)境中正常工作。 奧運會、世博上海等大型的社會活動往往具有強大而豐富的網絡和硬件支持，這些支持實際上也為在室外的廣域范圍內建立普適計算環(huán)境提供了基礎保障。我們將提出的模型和框架應用在DemandBus實驗平臺基礎上，設計并實現了一個上海地區(qū)的DemandBus服務原型模