（计算机科学与技术专业论文）上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现.pdf

： a i l l ll liu l li ii ii i i ii il i7 6 0 2 0 7 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垦邋垫日期：逊q ：奎1 1 2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：捌q ：2 ：! 旦 日期： 丝l 壁：2 ：! 旦 - 叠 ，一 h 厶 ， 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 摘要 在b 3 g 4 g 的网络环境下，未来的通信业务将具有泛在、融合、 智能化协同工作的特征。业务平台可以根据用户的请求，捕获用户当 时的环境信息和个人数据信息，为用户提供量身定做的个性化服务。 上下文是指任何能够表征一个实体所处环境特征的信息。业务上下文 信息通常指的是会影响到业务行为的相关信息。 目前，上下文信息处理框架及建模方法是上下文感知系统的热点 问题。本文提出了一种支持上下文感知应用的上下文感知系统框架模 型，并使上下文感知应用的开发独立于上下文信息处理，而且支持上 下文信息的查询、存储、融合及推理，便于开发上下文应用并且提高 复用性。本文提出的上下文感知系统框架，使用语义w e b 语言建立 了一种o n t o l o g y 上下文模型去支持上下文共享和推理，使用j e n a 作 为本体的操纵接口。 本文首先对上下文的研究现状进行简要的介绍。随后简要介绍上 下文、本体等基础知识。之后对上下文处理平台的结构和基于本体的 上下文信息建模及存储机制进行介绍。此后将对上下文处理平台的采 集、建模及推理等功能模块进行详细的说明。最后将通过实验对上下 文处理平台的功能进行验证。 关键字：业务上下文信息本体采集建模推理 卜 曲 ，一 龟； 掣 - 一 r r e s e a r c ha n di m p l e m e n l ：f 盯i o no f i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gm o d e l i n g , i n f e r r i n gi nt h ec o n t e x tp r o c e s s i n gp l a t f o r m a b s t r a c t i nt h eb 3 g 4 gn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，t h ef u t u r et e l e c o m m u n i c a t i o n s e r v i c e sw i l lb ef e a t u r e dw i t ht h eu b i q u i t o u s ，i n t e g r a t e d ，a n di n t e l l i g e n t c o o p e r a t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ou s e r s r e q u i r e m e n t s ，t h es e r v i c e p l a t f o r mw i l lc a p t u r et h ec u r r e n te n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o na n dp e r s o n a l d a t ao ft h eu s e r st op r o v i d et h ep e r s o n a l i z e ds e r v i c e s c o n t e x ti sa n y i n f o r m a t i o nt h a tc h a r a c t e r i z e st h es i t u a t i o no fa ne n t i t ys e r v i c ec o n t e x t i n f o r m a t i o nu s u a l l yr e f e r st ot h ei n f o r m a t i o nt h a tw i l la f f e c tt h es e r v i c e e x e c u t i o n a tp r e s e n t ，b o t hc o n t e x ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n gf r a m e w o r ka n d m o d e l i n gm e c h a n i s ma r eh o tr e s e a r c ht o p i c so fc o n t e x t a w a r es y s t e m s t h i sp a p e rp r o p o s e dam o d e lf o rc o n t e x t a w a r es y s t e mt oe n a b l et h e d e v e l o p m e n to fc o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o n t h i ss y s t e ms e p a r a t e s t h e c o n t e x t a w a r e n e s s a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t f r o mt h e a c q u i r i n g a n d m o d e l i n go fc o n t e x ti n f o r m a t i o n a n dt h i s m o d e ls u p p o r t st h ei n q u i r y , s t o r i n g ，f u s i o n ，r e a s o n i n go fc o n t e x ti n f o r m a t i o na n dm a k e si te a s yt o l l d e v e l o pc o n t e x t a w a r ea p p l i c a t i o n st oi n c r e a s er e u s a b i l i t y t h ep r o p o s e d f r a m e w o r ku s e st h es e m a n t i cw e bo n t o l o g yl a n g u a g et ob u i l dc o n t e x t i n f o r m a t i o no n t o l o g ym o d e l st o s u p p o r tt h es h a r i n ga n dr e a s o n i n go f c o n t e x t i n f o r m a t i o n ，a n du s e sh p sj e n a d e v e l o p m e n t t o o l k i tt o m a n i p u l a t eo n t o l o g ym o d e l s f i r s t l y t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fa c o n t e x t 。a w a r e n e s sc o m p u t i n g b r i e f l y t h e n ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no fr e l a t e d t e c h n o l o g i e s ，l i k ec o n t e x ti n f o r m a t i o n ，o n t o l o g y , i sp r o v i d e d i nt h e f o l l o w i n gp a r t ，t h es t r u c t u r eo fc o n t e x ti n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp l a t f o r m a n dt h em o d e l i n ga n ds t o r i n gs c h e m eo fc o n t e x ti n f o r m a t i o nb a s e do n o n t o l o g ya r ep r e s e n t e d t h e nt h i sp a p e rd e p i c t st h em e c h a n i s mo fc o n t e x t i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g ，m o d e l i n g ，a n di n f e r r i n g f i n a l l y , t h ef u n c t i o n so f t h i sp l a t f o r ma r ev e r i f i e dt h r o u g ha ne m e d i c a ls e r v i c es c e n a r i o k e yw o r d s m o d e l i n g ，i n f e r r i n g s e r v i c ec o n t e x t i n f o r m a t i o n ，o n t o l o g y , c o l l e c t i n g ， i i i 北京邮电大学硕j 仁学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 目录 第一章前言1 1 1 研究背景1 1 2 研究内容2 1 3 文章的组织结构3 第二章背景知识4 2 1 研究现状4 2 2 上下文5 2 2 1 上下文信息与感知5 2 2 2 上下文信息处理框架6 2 2 3 建模方式简介一6 2 3 本1 本8 2 3 1 本体的起源8 2 3 2 信息领域中的本体9 2 - 3 3 本体应用简介。9 2 3 4j e n a 简介1 1 第三章上下文处理平台结构设计1 3 3 1 系统目标一1 3 3 2 总体结构1 3 3 3 需求分析一1 4 3 4 运行环境1 5 3 5 实现框架。1 5 3 6 触发机制1 6 3 6 1 自下而上的触发机制1 6 3 6 2 自上而下的触发机制1 8 3 7 并发控制2 1 3 7 1 同类上下文信息处理间的并发控制2 1 3 7 2 信息处理与应用响应间的并发控制2 l 3 8 相关配置文件2 2 第四章基于本体的上下文信息建模及存储机制2 6 4 1 本体建模简介一2 6 4 1 1 本体描述语言简介2 6 i v 北京邮电大学硕士学位论文 ：下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 4 1 2 建模工具简介2 7 4 1 3 基于本体的推理2 7 4 1 4 平台相关本体简介2 9 4 2 本体的存储方式3 3 第五章上下文处理平台相关功能模块设计与实现3 5 5 1 采集器通信模块3 5 5 1 1 功能描述3 5 5 1 2j a d e 介绍3 5 5 1 3 设计说明3 6 5 2 请求分类模块3 7 5 2 1 功能描述3 7 5 2 2 使用技术；3 7 5 2 3 设计说明3 8 5 3 本体更新模块4 0 5 3 1 模块功能说明4 0 5 3 2 子模块说明4 0 5 3 3 处理流程说明j 4 1 5 4 推理模块4 3 5 4 1 模块功能说明4 3 5 4 2 子模块说明4 3 5 4 3 处理流程说明4 4 5 4 4 对推理结果处理的说明4 5 5 5 通知模块4 6 5 5 1 模块功能说明。4 6 5 5 2 子模块说明4 6 5 5 3 处理流程说明4 7 第六章上下文信息处理原型系统及测试4 9 6 1 实验环境4 9 6 2 业务场景5 0 6 3 测 式5 2 6 3 1 上下文信息更新5 2 6 3 2 推理5 4 6 3 3 通知5 5 6 4 测试结果分析。5 6 v ， v i 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 1 1 研究背景 第一章前言 在b 3 g 4 g 的网络环境下，移动计算技术与一些新技术( 如上下文感知、自 组织网络、自适应、智能传感器等) 的结合，通信网络逐步向移动泛在的智能化 计算时代迈进。另外，由于通信网络的i p 分组化，互联网和通信网的融合正在 加快，未来的b 3 g 4 g 通信业务环境将具有泛在、融合、智能化协同工作的特征， t z a h a r i a d i s l l l ，o b e n a l i l 2 1 ，z h a n gp i n 9 1 3 1 都赞成以上观点，认为目标就是提供具 有普遍访问、按需组合、上下文感知、跨域的无缝漫游的业务。用户可以随时随 地以合适的方式来使用业务。业务平台可以根据用户的请求，捕获用户当时的环 境信息和个人数据，组合周围环境提供的服务，完成服务的动态组装和执行，形 成能够随时随地为用户提供量身定做的和谐通信的业务环境。在这种业务无缝移 动的通信环境中，业务可以透明地适应于各种终端、网络和运营商。从而将计算 无声无息地融入到人们的日常生活中，形成以用户为中心的、支持人与人、人与 机器、机器与机器之间信息交换的、和谐的个性化服务环境。 智能化、个性化是未来b 3 g 4 g 业务的主要特征，而业务上下文信息的处理 是业务智能化、个性化的重要基石之一，是业务自适应的关键支撑技术。通常来 说，上下文是指任何能够表征一个实体，如人、位置或用户与应用交互相关的其 他对象，所处环境特征的信息。业务上下文信息通常指的是会影响到业务行为的 相关信息，具体来说，涉及的业务上下文信息有多种，如接入网络的类型、承载 网络的服务质量、应用层协议类型、网络带宽、终端的能力、用户的身心情况和 所处的物理环境以及社会化人文环境等。如何处理、这些多源异质或同质的上下 文信息，实现信息的融合，进而对业务的承载方式、呈现方式和提供的内容做出 动态的适配，是业务智能化机理中涉及到的一项关键技术。类似于人类的智能生 成机理，在b 3 g 4 g 的业务智能化处理机制中，业务上下文信息的处理流程为： 上下文信息感知和采集一上下文信息获取一上下文信息预处理一基于上下文信 息及相关知识的推理一目标决策一任务分解执行一服务的动态发现、组合和调 用，具体来说，通过各种业务上下文信息感知设备( 类似于人的感知器官) ，包 括可随身携带的传感器、用户周围环境部署的传感器以及用户移动终端和各种记 录用户行为的网络能力服务器，如呼叫服务器、位置服务器、p r e s e n c e 服务器等， 来感知与业务相关的各种上下文环境信息，然后经过初步处理后通过各种有线或 无线网络( 类似于人的神经系统) 传送给智能业务处理设施一智能业务平台( 类 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 似于人的大脑) ，智能业务处理设施根据感知到的信息和已有的知识，对当前的 业务上下文进行认知和推理，或者根据已有的上下文信息预测未来的上下文，完 成目标决策和任务规划，然后将执行策略通过各种有线或无线网络传递给相应的 执行设备，如终端或服务器( 类似于人的效应器官) ，从而为用户提供适合“此 时此地、此情此景 的业务。 从上面的分析可以看出，b 3 g 4 g 网络为了提供个性化、智能化和知识型的 业务，必须形成一套系统的、完整的业务上下文信息处理机制。因此，如何结合 b 3 g 4 g 网络“随时、随地、以任何方式提供业务 的目标，真实、完整地表征 当前通信业务环境的特点，以及对这些信息所形成的业务上下文环境进行推理和 认知，是业务智能化所面临的重要问题。 1 2 研究内容 业务上下文信息处理相关问题的具体研究内容为： 研究上下文信息的处理框架，以及支持业务的智能化处理机制。系统框架的 研究相当丰富，当前已有大量的上下文感知计算系统框架。针对项目的需要，及 信息处理的通用性，上下文处理系统框架包括如下四部分：上下文感知层、上下 文演化层、上下文通知层、应用程序接口层。上下文感知层从分布广泛的传感器 中采集原始上下文并进行初步处理，使上下文感知与实际使用相分离。上下文演 化层包括上下文的建模、过滤、推断、融合和存储。上下文通知层主要向应用通 知最新的上下文信息，触发应用。应用程序接口层提供程序开发接口，以方便开 发者充分利用框架的功能并快速构建感知应用。 研究业务上下文信息的建模方法：为了支持业务上下文信息的传递和处理， 需要解决业务智能化所涉及到的上下文的总体框架结构、上下文信息的语法结 构、上下文信息的语义表示以及上下文信息的质量信息( 如不确定性、新鲜度等) ， 从而形成统一的业务上下文信息抽象模型和建模方法，既支持确定性业务上下文 的建模，也支持不确定性业务上下文的建模，同时能够对上下文信息的质量进行 建模；另外能够支持业务上下文信息在异构系统间的共享和上下文信息的推理。 基于确定性及不确定性业务上下文信息的推理模型。基于确定性业务上下文 信息的推理，是指推理的信息依据都是可靠的、无二义性的；不确定性的推理是 指依据的信息可能不准确，需要在不确定的信息情况下，得出更加符合现实情况 的、合理的解释。 研究上下文信息的存储组织方式，这直接影响到上下文信息的处理及应用对 上下文信息的利用。这主要涉及到以下几个方面：本体库的设计，充分利用实验 2 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 室已有的本体库，并根据需要对本体库进行相应的扩展。本体实例的存储组织， 主要需要考虑两方面的要求，一、便于上下文处理平台的处理，二、便于上下文 感知类应用对上下文信息的利用。上下文处理平台对于上下文信息的处理是并发 的，既对底层传感器数据更新是并发处理的，对上层的应用调用也是并发处理的， 需要设计一套合理、高效的上下文并发处理机制。 1 3 文章的组织结构 本论文先是全面的介绍了上下文和本体理论的各个方面，在介绍了上下文处 理平台的基本结构及上下文信息处理流程后，讨论上下文信息的采集、建模和推 理的设计。其组织如下： 第二章，全面介绍了课题相关的背景知识，包括上下文信息的概念及处理框 架，及本体的相关概念及操纵工具j e n a 。 第三章，对项目组设计的上下文处理平台的结构、处理机制及其它相关方面 进行大体的介绍。 第四章，对基于本体的上下文信息建模方式及存储机制进行介绍，涉及本体 建模理论、工具及本体的存储特性等各方面的介绍。 第五章，本章主要对上下文信息的采集、建模及推理等功能模块及处理进行 详细的说明。 第六章，首先介绍一个远程医疗监控业务场景，通过这个业务场景验证上下 文处理平台的相关功能。 第七章，对项目工作进行总结，并对上下文信息处理的发展前景进行展望。 3 北京邮电大学硕士学位论文 上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 2 1 研究现状 第二章背景知识 2 0 世纪9 0 年代初，w e i s e r 提出了普适计算i 引，作为其核心子领域之一的 上下文感知计算开始得到充分关注，其研究主要包括如何获取上下文；如何对上 下文进行建模和表示；如何有效利用上下文；如何构建支持上下文感知的系统框 架等，许多大学和研究机构都提出了专门项目并对此进行了深入研究。 早期对上下文感知应用研究的成果，例如1 9 9 2 年w a n t r s c h i l i t b 和s c h i l i t b 等人所从事的o l i v e t t ia c t i v eb a d g e 项目，以及微软研究院的e a s yl i v i n g 系统等， 主要是集中在普适办公、家具、导游等具体的应用服务领域，没有提出上下文信 息处理的通用架构。对于上下文感知应用的架构模型的研究，具有代表性如s t i c k - - en o t e s 、c o o l t o w n 、c y b e r d e s k 、c o n t e x tt o o l k i t 等。但这些原型系统都局限于 特定的实验环境，都只是针对某些具体的应用场景设计的，并不适用于下一代网 络环境中上下文感知类业务的提供，所以不能在市场中规模化、工程化开发和部 署。为了克服上述上下文感知应用框架模型的不足，本论文提出了一种用于普适 计算的上下文感知系统框架模型，该模型不仅支持上下文感知应用，使上下文感 知应用的开发独立于上下文信息的获取和表示，而且支持上下文信息的查询、存 储、融合及推理，便于开发上下文应用并且提高复用性。本文提供的上下文感知 系统框架，使用语义w e b 语言建立了一中o n t o l o g y 上下文模型去支持上下文信 息共享和推理，使用j e n a 作为本体操纵接口。 目前关于上下文建模方面的研究文献中，在上下文信息的表示和基于这些信 息的高层上下文推理方面，大多直接采用基于标准的谓词逻辑( 即二值逻辑，非 o 即1 ) 的本体建模语言o w l 5 】来建模上下文【6 , 7 1 。本体所体现的是共同认可的知 识，反映的是相关领域中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。本体的 目标是捕获相关领域的知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同 认可的术语( 词汇) ，并从不同层次的形式化模式上给出这些术语和术语之间相互 关系的明确定义。因此创建一个内容丰富、结构合理的本体库，对于上下文信息 用本体建模十分关键，但目前业界缺乏统一的标准本体库，在遵循相关标准和本 体设计准则的基础上，本文在实验室之前设计的通信领域本体库基础上进行了扩 展，增强了本体库的描述能力。 上下文信息一般用传感器或用户终端等设备采集，这些信息都是原始的信 息，在很多情况下，原始的上下文信息对于应用来说作用有限。底层的上下文信 4 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 息通常并不是上下文感知类应用所关心的，而一些隐藏的高层上下文信息才是应 用所感兴趣的，而本体推理则提供了获取高层上下文信息的途径。用本体建模上 下文信息的一大优点的是：可以利用支持本体的推理机推理出其它上下文信息， 扩展了信息量。本文提出的上下文处理平台，基于本体的上下文信息的推理是上 下文处理的一个重要的环节。本体推理通常分为基于本体语言的推理和基于规则 的推理两类。基于本体语言的推理，是基于本体定义中各种属性之间的关系推理 出隐含信息，是基于本体定义的良好性、完备性。基于规则的推理，相对基于本 体语言的推理更加灵活，上下文感知类应用可以动态地定制规则，让推理机依据 底层上下文信息推理出应用感兴趣的高层上下文信息。 2 2 上下文 2 2 1 上下文信息与感知 上下文是指任何能够表征一个实体，如人、位置或用户与应用交互相关的其 他对象，所处环境特征的信息。业务上下文信息通常指的是会影响到业务行为的 相关信息，具体来说，涉及的业务上下文信息有多种，如接入网络的类型、承载 网络的服务质量、应用层协议类型、网络带宽、终端的能力( c p u ，内存，显示 格式，支持的媒体格式等) 、用户的身心情况( 如体温、血压、心情等) 和所处 的物理环境( 如位置、天气情况等) 以及社会化人文环境( 与周围的群体以及各 种活动的关系) 等。 上下文感知是获取外部物理空间、计算空间和用户状态等上下文信息的能力， 以及利用此上下文信息对系统行为进行适配的能力。上下文感知的最早形式是感 知简单的上下文信息，如位置感知、身份感知等。业务的上下文感知机制可以通 过以下三个步骤来实现：获取原始的上下文信息，包括用户的物理信息和偏好 信息等；对原始信息进行解释，建立与业务相关的高级上下文信息；将解释 过的上下文信息应用到业务中。 上下文感知和适配是紧密联系在一起的，在某种环境下，两个术语还可以作为 同义词使用，但实际上它们表示两种不同的能力。上下文感知是获取上下文信息 的能力，而适配是系统根据终端能力、网络特征、用户偏好等上下文信息的变化 而灵活、自动地进行相应变化的能力，即为了满足用户、环境、设备等的需求而 提供不同业务的能力。因此，适配是上下文感知的目标，而且这种感知与适配对用 户是完全透明的。 5 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 如果一个业务能够使用上下文来适配它的行为到用户的事务，那么这个业务 就被认为是上下文感知的( c o n t e x t - a w a r e ) 。上下文感知计算是指系统能发现并有 效利用上下文信息( 如用户位置、时间、环境参数、邻近的设备和人员、用户活 动等) 进行计算的一种计算模式。 2 2 2 上下文信息处理框架 系统框架的研究相当丰富，当前已有大量的上下文感知计算系统框架。针对 项目的需要，及信息处理的通用性，上下文处理系统框架包括如下四部分：上下 文感知层、上下文演化层、上下文通知层、应用程序接口层。上下文感知层从分 布广泛的传感器中采集原始上下文并进行初步处理，使上下文感知与实际使用相 分离。上下文演化层包括上下文的建模、过滤、推断、融合和存储。上下文通知 层主要向应用通知最新的上下文信息，触发应用。应用程序接口层提供程序开发 接口，以方便丌发者充分利用框架的功能并快速构建感知应用。 对应于上下文处理框架，业务上下文信息的处理流程为：上下文信息感知和 采集一上下文信息获取一上下文信息预处理一上下文信息建模或更新一基于上 下文信息及相关知识的推理一通知触发业务或被业务使用。 ef 童黪妒瀵；麓溺 一k凌瑙程i 筝接一1 聪 下 室 l ：交磁翔笼 绥 崽 i 熏麓 乳鬟 处 缝 上“笋空绣怒 滋 黪渗嚣 2 2 3 建模方式简介 图2 - 1 上下文处理框架 上下文建模的目的是刻画用户所处的环境或情形，在构建上下文感知系统中 具有极其重要的作用。中间件对建模的支持主要是提供建模的手段或工具，辅助 开发人员开发面向应用的上下文模型。斯特朗( t s t r a n g ) 等人总结了以下几种 上下文模型： 1 键值对模型：键值对在操作系统领域很早就开始使用了，环境变量就是典型 6 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 的键值对。早期系统常使用键值对作为上下文模型，其优点是简单，但是表 达复杂上下文时显得非常繁琐，甚至不可能。c o n t c x t t o o l k i t 使用属性组表示 上下文，属性组可以认为是键值对的改进，它允许一个键可以有多个属性值。 2 标记配置模型：标记配置模型使用具有层次结构的标记语言如x m l 或r d f 表达上下文信息。著名的s t i c k e 项目使用基于x m l 的上下文描述语言 c o n t e x t m l 作为上下文信息交换协议。w 3 c 的设备能力和用户偏好描述规 范c c p p 则使用r d f 作为描述语言，用于表示设备的软硬件参数以及基本 的用户偏好等上下文信息，为w e b 内容协商提供一个可行的解决方案。相对 于键值对而言，标记配置模型可以方便且精确地描述上下文信息的类型和数 据结构，缺点是标记配置模型很难定义上下文信息间的关系。 3 图模型：由于图具有直观、表达能力强的优点，往往被用于建模。一个图模 型的代表例子是亨里克森( k h e n r i k s e n ) 等人开发的图形上下文建模语言 ( c m l ) ，c m l 以对象角色模型( o r m ) 为基础，针对上下文信息的特点 作了一定的修改和扩展，并用于p a c e 中问件中。 4 面向对象模型：面向对象方法其实是一种建模的方法，抽象和封装是手段， 重用和多态是效果。上下文感知计算可以在多个层次上引入面向对象的建模 方法，在项目t e a 中使用c u e 作为传感器的抽象。c u e 屏蔽底层传感器的信 息采集细节及原始上下文信息的处理解释过程，向上层提供更易使用和理解 的接1 2 1 ，c o n f a b 则在更高一层上下文信息空间( i n f o s p a c e ) 进行抽象。信息 空间是对某个实体拥有的上下文空间的抽象，负责维护实体的上下文信息， 每个信息空间对外呈现三种算子：a ) i n 算子：管理上下文信息的流入；b ) o u t 算子：管理上下文信息的流出；c ) o n 算子：定期执行的算子，类似守 护进程； 5 基于逻辑模型：逻辑模型往往具有很强的形式化。在基于逻辑的上下文模型 中，上下文信息表达成一系列的事实、公式和规则。麦肯锡( j m c c a a h y ) 等人首先使用逻辑表达上下文信息，通常基于逻辑的系统对推理的支持多于 对建模的支持。 6 基于本体模型：在计算机领域，本体指的是共享概念模型的明确的形式化规 范说明，用于描述概念以及概念间的关系。目前应用广泛的本体描述语言是 w 3 c 的w e bo n t o l o g yl a n g u a g e ( o w l ) 。采用o w l 进行上下文建模的代表 性中间件有g a i a 、c o b r a 和s o c a m 等。值得一提的是在语义网络社区， h a z yc h e n 等人发起成立了普适计算特别兴趣组，目的是定义普适计算领域 的标准本体( s o u p a ) 。目前最新的版本是2 0 0 4 年6 月发布的，包括两部分： a ) s o u p a 核心：定义了普适计算领域的通用本体；b ) s o u p a 扩展：定义 7 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 某些特定普适计算应用场景的本体。 本体相比其它建模方式有诸多的好处，主要的优点如下： 1 本体是对某一领域概念采用类和属性的方法描述的，是采用了面向对象的方 式，表述明确，清晰，概念之间没有二义性； 2 支持逻辑推理：可以使用本体语言提供的推理机制进行上下文推理： 3 便于上下文信息的查询和推理，能过容易的检查上下文信息的不一致性； 4 易于知识共享：上下文信息不再作为单独的一块，而是作为整个语义系统的 一部分； 5 便于知识重用：上下文建模无需从头做起，可以利用现有的成熟的本体库。 本文综合考虑项目的需求，及各种建模方式的特点，使用本体来对上下文信 息建模。 2 3 本体 2 3 1 本体的起源 本体最早出现在西方哲学史中，本体论作为一门学问，起源于对万物本原的 追问。本体是一个源自哲学的概念，是对“存在”的系统化解释，用来描述事物的 本质。早在1 7 世纪，这个词就已诞生，其派生于希腊语的“o n t o ( 存在) ”和“l o g i a ( 箴言录) ”。从哲学角度上看，本体论关注的是“存在”，即世界在本质上有什 么样的东西存在，或者世界存在哪些类别的实体，所以哲学上的本体论是对世界 任何真实存在所做出的客观性描述，并且这种描述并不完全建立在已有的知识基 础上，还包括“求真”的过程。人类对“存在”问题的探讨已有很长的历史，哲学的 起源离不丌哲学家亚里士多德早在公元前四世纪所确立的重要哲学分支 “m e t a p h y s i c s ”就是“关于存在的科学”。后来，随着近代科技革命，m e t a p h y s i c s 逐 渐包纳了更多的研究领域( 如意识、事实、价值等) ，并且本体论继续承担着哲 学中对世界“存在”的研究，成为现代哲学体系的根基。 此来，“本体论”被引入到人工智能领域，被用来做概念化的本质表示，即用 正规的形式且最好是机器可读的方式来定义相关领域术语和关系，并用这些术语 和关系来构成该领域规则的集合。j a m e sh e n d l e r 认为，本体是一套知识术语集， 包括词汇、语义关联和一些简单的逻辑推导规则。本体中定义的概念在各个专门 领域的实际运用与本体一起构成概念的基础。 8 北京邮电大学硕士学位论文 = 下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 2 3 2 信息领域中的本体 信息系统领域几乎又从头发展了本体论的思想。首先是m c c a r t h y 受到学者 q u i n e 的启发，认识到哲学本体论与人工智能的逻辑理论构建活动之间的重叠， 于1 9 8 0 年提出：基于逻辑概念的智能系统必须“列出所有存在的事物，并构建一 个本体描述我们的世界”。但当时大多数的人工智能逻辑学者都认为对某个世界 所获取的信息和人们的“常识”是一致的。因而，s o w a 也提出了要构建“一个可能 世界的本体”：来尽可能地包含世界所有的事物、它们之间的联系以及相互影响 的方式。 本体的概念和方法此后被应用于信息领域，用于知识表示、知识共享和重用。 简单地说，本体是一个实体，是对某领域应用本体的方法进行分析、建模的结果， 即把现实世界中的某一个领域抽象为一组概念及概念之间的关系，本体的本质是 概念模型。 本体所体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，它所 针对的是团体而不是个体。本体的目标是捕获相关领域的知识，提供对该领域知 识的共同理解，确定该领域内共同认可的术语( 词汇) ，并从不同层次的形式化模 式上给出这些术语和术语之间相互关系的明确定义。从本质上来看，本体是某个 领域内不同主体( 人，机器，某个系统等) 之间进行交流( 对话，互操作等) 的一种 语义基础，即由本体提供一种明确定义的共识，大家共同遵守。 尽管目前各种文献中对本体的解释和用法仍存在着一些差异，但t r g r u b e r 等人对本体给出的定义被公认为比较适用于信息领域的：本体是一种明确的共享 概念化的形式化说明。概念化指对现实世界中的一些事物进行抽象建模，所建立 的模型确定了该事物的相关概念。明确意味着所使用概念的类型以及它们使用上 的约束都有明确的定义。形式化说明是指本体表示的信息是机器可以理解的。共 享表明了这样的一种理念：本体表达双方都认可的知识，也就是说，本体并不应 仅仅局限于某些个体，而应该被一个群体所接受，为某一领域的人和应用系统之 间的交流提供一种通用的知识共享。本体逐渐引起人们重视的原因在于本体能够 在人们和应用系统之间达成对术语含义的共享和共同理解。在r d fs c h e m a 进行 基本的类特性描述之后，就可以进一步地描述了术语和它们之间的联系，并利 用本体语言来对领域知识进行建模，定义一些面向领域的共享词汇。 2 3 3 本体应用简介 自2 0 0 0 年提出语义网后，世界范围内掀起了一阵语义网和本体的研究热潮， 较新、较系统的文献大多在2 0 0 2 年上半年以前出现，而这些文献的特点多是对 本体的概念、相关理论及其相关领域的系统性阐述。但此后便一直沉默，一直至 9 北京邮电大学硕： 学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 2 0 0 4 上半年，有关本体的研究才又重新热了起来，此时的研究热点具体体现在 三个方面：本体作为一种能在知识层提供知识共享和复用；理论深化研究； 信息系统中的应用，主要包括处理信息组织、信息检索和异构信息系统互操作 问题。 目前，语义网已经吸引了众多团体的目光，通过本体的发展和研究，一些语 义网相关的重要研究问题相继解决，取得了一些大有希望的进展，例如：本体语 言、本体工具、本体编辑、本体库的管理、本体映射和修正、本体推论等。现在 本体已经被应用在许多方面，如改进信息组织、信息超载的问题和使用以支持信 息检索和信息抽取，自然语言处理、知识获取和表示、数据库框架集成、电子商 务和企业模拟等。本体在信息检索和提取、知识工程、数据库设计和集成、软件 需求分析和面向对象技术中扮演着越来越重要的角色。 ( 1 ) 在智能信息检索中的应用 对于普通的网络用户，信息过快增长已经成为一个同益严重的问题。目前， 广泛使用的信息检索或者是依赖编码过程，即对于给定的内容使用特定的观点或 分类方法进行描述，或者是进行全文检索。由于编码的描述只能反映内容的一部 分，单个词汇的出现更是难于反映文献的内容，所以上述方法都难于确保检索内 容的精确匹配。 人们逐渐认识到运用语义来进行检索是一种解决精确查询的有效途径。但是 语义检索过于依赖显示标注的信息资源，或是完整、j 下确的自然语言理解系统。 本体论在智能检索信息系统中提供了形成查询和资源描述所必需的元语。以本体 论技术为核心，建立领域语义模型，为信息源提供语义标注信息，使系统内的所 有a g e n t 对于领域内的概念之间的联系以及领域内的基本公理知识有统一的认 识。从而能够显著地提高系统的联想能力和精确性，有望快速、高效、精确地检 索出用户所需的有价值的信息。同时也提供给系统内所有用户对于领域的一个全 面的共同视图。本体论已经逐渐成为一种智能信息检索系统的知识表示，是系统 集成的核心部件。 ( 2 ) 在知识工程中的应用 在开发基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e mg a s ) 时，知识工程师一般 很难定义系统在应用领域中具体、完整的工作方式。因此通常k b s 系统都采用 进化的原型系统方法来进行开发。知识工程师在将本体论概念引入知识工程后， 详细说明模型所涵盖的概念、实例、关系和公理等实体，并在此基础上建立领域 本体。通过使用元属性对属性进行分析，并对属性提出了一种针对本体建模概念 化分析的形式化方法，解决了知识共享中的一些问题，有效地促进了来自不同领 域的研究人员和组织问的交流。 1 0 北京邮电大学硕士学位论文上下文处理平台中信息的采集、建模、推理研究与实现 ( 3 ) 在软件构件重用中的应用 基于构件的软件开发技术，目的在于通过重用技术，提高软件的开发效率， 避免一些不必要的重复劳动。可重用的软件构件和相关信息通常被存储在各种各 样的数据库中。由此可见，存储构件的数据库是分布式的，并且是异构的。如果 软件开发者对于领域中的重用构件一无所知，自然检索空间则是整个互联网络。 为了能够快速有效地找到所需构件，必须设计基于互联网的搜索引擎。该搜索引 擎能够根据用户输入的关键字，快速准确地返回相关的信息资源表。由于可重用 的构件库是分布式和异构的，所以，为了便于检索，必须在用户和软件构件库之 间建立一个中介层。在中介层，人们将领域本体运用在软件构件的组织与管理中。 通过本体集成统一的构件