CN101458712A - 一种面向普适计算上下文的聚合方法 - Google Patents

Abstract

一种面向普适计算上下文的聚合方法，解决普适计算中上下文信息的异构性，根据普适计算中上下文的特点，结合基于可扩展标记语言XML，有效地屏蔽异构性给觉察上下文计算带来的不便，本方案在进行即时变化型上下文时间聚合与形式聚合时都增加了时间信息，这样有利于觉察上下文计算计算通过时间对上下文进行筛选和应用。

Description

一种面向普适计算上下文的聚合方法

技术领域

本发明提出了一种面向普适计算的上下文聚合方案，利用XML技术解决普适计算中上下文信息的异构性，属于普适计算上下文采集和聚合的问题。

背景技术

在新型设备的支持下，人们可以根据需要随时随地方便地访问需要的信息，并对其进行操作，这就是普适计算。普适计算有两个重要的概念：上下文和觉察上下文计算。上下文是任何可以表征物理实体状态及其所处环境的信息；觉察上下文计算是每当用户需要时，计算设备就能利用上下文向用户提供适合于当时当地任务的信息或服务。实现普适计算要求信息空间能够采集到物理空间实体的上下文信息，并利用这些信息使物理空间和信息空间做出相应的变化。目前上下文采集主要是通过传感器、应用程序和通信网络等完成，其中由传感器组成的无线传感器网络能够方便人们更好地实现普适计算中的上下文感知和通信功能。但传感器等设备的信息处理能力有限，且这些设备采集到的上下文信息在种类、数据格式和精度上存在异构性。如果将这些信息全部交由上层应用来处理，将会产生很大的系统开销，也将无法实现普适计算。解决问题的关键是由一个中间件对上下文信息进行聚合，并使其以统一的、适合普适计算的形式来存储。

目前大多数研究项目在数据聚合上采用了数据库模式、数据仓库模式和基于可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language)的聚合模式。数据库(Database)在数据的存储和管理上功能强大，但普适计算中上下文信息来源十分广泛而且异构，数据库并不能以统一的形式将其表达，也就不利于普适计算中觉察上下文计算；数据仓库是一种新型的信息管理技术，其中的信息存储以及管理是企业级的，而且数据仓库的设计十分繁琐，加上数据源发生变化时，仓库内的数据不能及时更新，而普适计算中的上下文信息是为觉察上下文计算准备的，一般需要保证数据的实时性。XML是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，它的可扩展性、结构化和自我描述功能使它在数据的表达和交换上得到广泛应用。目前已有使用XML集成异构数据源的研究，但研究的目标多是异构数据库，而且是使用XML作为数据库之间交换数据的中间形式，至于要怎样聚合普适计算中上下文信息，并没有统一的形式，所以本发明提出了一种普适计算中上下文的聚合方案，它能够很好地聚合来源不同且异构的信息，为觉察上下文计算提供基础，从而有利于普适计算思想的实现。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种面向普适计算的上下文聚合方法，以解决应用程序对上下文信息访问处理的不便。

技术方案：本发明强调普适计算环境下信息的存储过程和存储形式以及访问效率，其目的是解决上下文信息的异构性和如何优化信息访问的问题。

本发明的一种面向普适计算的上下文聚合方法解决普适计算中上下文信息的异构性，根据普适计算中上下文的特点，结合XML，有效地屏蔽异构性给觉察上下文计算带来的不便，具体如下：

a.在XML文件中注册即时变化型和绝对配置型两大类上下文标签，并创建需要聚合的上下文信息标签；

b.设置时间聚合次数，并创建缓冲区大小；

c.聚合次数不为设定的阈值，则通过传感器，GPS定位器，网络服务和应用程序交互等多种途径采集上下文；否则，跳转到第n步；

d.存储可直接理解的上下文信息，并根据预定协议解析不可直接理解的上下文；

e.对第d步的信息进行有效性校验；如数据无效则转至第c步；

f.对通过校验并且在语义上相同或相近的上下文进行简单的聚合，不改变信息形式；

g.对于不包含时间信息的上下文增加时间数据；

h.将第g步得到的上下文存入事先定义好的缓冲区中；

i.聚合次数减少一次；

j.如果聚合次数非0，则继续采集和聚合上下文，跳转到第c步；

k.重置聚合次数，并根据需要进行信息变换；

1.定位到XML文件中两大类上下文标签下，如果定位到即时变化型上下文标签，则根据上下文中的时间信息创建时间标签及其数据，并定位到此时间标签下；

m.在当前标签下，根据时间聚合层得到的上下文信息创建相应标签和数据，转至第c步；

n.终止上下文采集。

有益效果：本发明方法提出了普适计算中上下文聚合的一种方案，旨在有效地聚合普适计算中的上下文信息，屏蔽信息的异构性，并优化信息的访问效率。该发明提出的方法是按信息的流动以及给普适计算应用带来的效用，进行有逻辑、有层次的排列。下面我给出具体的说明。

数据格式统一：使用XML作为数据的表达形式，能够屏蔽底层传感器等采集设备在数据格式上的异构性，为觉察上下文计算提供一个访问异构数据源的统一接口，使得应用程序不必关心底层数据，而从具体的操作细节中解放出来，只需关注应用逻辑保证上下文语义的完整性：基于XML本身的特点，使用XML来描述上下文信息，可以很好的将来源不同但表达语义相似的上下文聚合在一起，这样更有利于觉察上下文计算使用上下文进行推理并提供服务。例如，有下面一段XML文件的片断：

<张三>

  <位置>

    <经度>118.5°E</经度>

    <纬度>32.4°N</纬度>

  </位置>

  <体征>

    <体温>36.2°</体温>

    <脉搏>86</脉搏>

    ……

</体征>

</张三>

通过这个XML片断，我们可以很清楚知道它是在描述一个名字叫张三的人所处的位置以及他的体征信息，而不需要附加额外的解释。<体征>这个标签包含了<体温>、<脉搏>等标签，这种标签的嵌套体现了数据之间的关系，以及数据所表征的信息。可以看出即便体温和脉搏数据的来源不同，但同属于人的体征信息，其数据聚合起来表征张三这个人的身体状况，也就保证了信息语义的完整，而且这种聚合是十分容易的。

便于信息处理和访问：首先可以根据需要在时间聚合层对上下文信息做进一步变换，并且时间聚合次数可以根据需要进行调整，灵活性大。此外，将上下文分为绝对配置型和即时变化型两类，这样在聚合和查询上下文信息时就可以更快地定位XML标签。在注册上下文时，为语义相近的上下文创建标签，以后采集到的同类上下文都将管理在一个标签下，这样也加快了信息的访问。由于上下文的采集时间对觉察上下文计算十分重要，所以无论采集到的即时变化型上下文中是否含有时间信息，本方案在进行即时变化型上下文时间聚合与形式聚合时都增加了时间信息，这样有利于觉察上下文计算计算通过时间对上下文进行筛选和应用。

信息扩展方便：当有新的上下文信息需要聚合时，只需按照上面的流程就可以实现信息的聚合，这并不会影响到其它上下文的采集，除非新加入的上下文与原有上下文需要同样的采集渠道。

附图说明

图1是普适计算中上下文聚合方案的体系结构示意图，图中从上至下依次为：信息采集层，空间聚合层，时间聚合层和形式聚合层。

图2本发明的应用框架示意图。表示本发明方法的具体实现内容。

图3是流程示意图。表示本发明方法的流程示意。

具体实施方式

一、体系结构

由传感器组成的无线传感器网络能够方便人们更好地实现普适计算中的上下文感知和通信功能，但传感器的数据有时会出现严重失真，所以我在设计聚合方案时增加了数据校验的功能。普适计算中上下文有多种分类标准，由于时间对普适计算来说是很重要的一种上下文信息，所以本方案根据上下文信息的变化频率将上下文分为两种大类型：绝对配置型和即时变化型，也可根据需要可以再细分为其它类型。绝对配置型上下文一般需要用户手工输入，且相当长的时间内不会改变：而即时变化型上下文是在随时变化的，需要利用某种上下文信息感知设备来实时接收。普适计算中上下文来源广泛，为此我建立了分层次的上下文聚合方案，下面我给出方案中各个层次的具体说明：

信息采集层：为层次结构的最底层，实现从底层各种分布的、异构的信息源获得原始上下文数据。它拥有访问底层的各种异构数据源的接口，并向上层提供访问资源的接口。

空间聚合层：空间聚合是将采集到的类型相同或意义相近的上下文信息聚合在一起。空间聚合可以在采集设备上完成，但这对采集设备的性能要求很高，尤其采集设备是传感器时。我这里设计的空间聚合层是在软件系统上，并且根据上下文类型将其划分为不同的处理模块，模块的功能是根据需要对源数据进行解析和校验，并聚合类型相同或相近的上下文信息。

时间聚合层：这一层主要是接收并保存空间聚合层传来的不同时刻的即时变化型上下文信息。时间聚合有两个层次，首先将空间聚合层传来的数据简单聚合在一起，这时数据的形式并没有发生变化，接下来将信息存储到XML文件的相应标签下，这样既可减少XML文件的读写操作，又可根据需要对信息做进一步的处理，如求取平均值等。时间聚合层实际保存多少时刻的信息，需要根据信息的变化频率决定。如果信息更新很快，且高层应用需要根据当前上下文提供实时服务或做出某种响应，则应减少前面的聚合次数。

形式聚合层：形式聚合层是本方案的最高层，由它完成多种类型上下文的聚合，生成XML文件。本方案将上下文按照变化频率划分为绝对配置型和即时变化型，所以这一层主要有两个功能模块分别完成两类上下文的聚合，具体哪个模块工作，需要根据时间聚合模块中上下文的性质决定。

二、方法流程

这里给出主要工作流程，对于不同类型的上下文，可以根据情况选择其中的方法。

(1)注册上下文

在采集上下文之前，要在XML文件中注册上下文语义信息，即增加表达上下文意义的XML标签。首先将上下文分为两大类，绝对配置型和即时变化型，在初始XML文件中用标签<SC>和标签<IC>来表示，然后根据上下文所属分类在<SC>或<IC>标签下创建能够表达上下文语义的标签Label_i。

其中：SC：Stationary Context

IC：Instantaneous Context

(2)采集上下文

首先根据普适计算所提供服务的需要，通过多种途径采集原始上下文数据，并将可判别数据大小或语义的上下文记为Ir(Intelligible resource)，其它记为Ur(Unintelligibleresource)。

(3)解析(analyse)数据

按照既定协议解析Ur数据，从中获取出具有一定语义的信息，记为Info。

其中Ir＝{Ir_l}表示多个可理解其意义的数据资源；

Ur＝{Ur_l}表示多个不可理解其意义的数据资源

Info＝{Info_i}表示从Ur数据中解析出的信息

Info_i＝analyse(Ur_i)，analyse表示解析数据。

(4)校验数据

对数据进行有效性判断，剔除无效数据，以免对觉察上下文计算产生严重影响，解析后，经校验的数据记为Vd(Valid data)

Vd＝{Vd_l}表示经校验后得到的多种数据

Vd_i＝check(Info_iU_IriU_Rri)，check表示校验数据

(5)简单聚合

这一步位于空间聚合层，是聚合那些分类相同，表达意义相近，但不适合在采集设备上聚合的数据，这些上下文数据记为Sc(Similar context)。简单聚合不改变原有数据的结构，而是用更大的数据空间来存储这些信息。

Sc＝{Scj}表示由几种相似上下文简单聚合得到的上下文集合。

Scj＝someof(Vd_i)Usomeof(Vd_i)U...

(6)缓存信息

这是完成时间聚合的第一层功能，进行这一步之前，已经根据觉察上下文计算对某种上下文的需求情况，确定了时间聚合的次数，记为f_i。当缓存了f_i时刻的上下文信息后，将最后一次接收信息的时间t_i记为缓存中信息的采集时刻(t_i可来自采集的时间数据，也可来自系统)。根据需要对此时的信息进行变换，并在这一步结束后将信息交给时间聚合的第二层和形式聚合层处理。

(7)聚合不同形式的上下文

这一步兼顾时间聚合的第二层功能，将不同时刻的同种上下文以及不同类型的上下文信息聚合在XML文件中。形式聚合层获取到上下文信息后，依据上下文信息的类型，首先定位到<SC>或<IC>标签下，然后定位到与之对应的注册过的标签Lable_i。如果首先定位到的是<IC>标签，那么要根据t_i生成Label_i的子标签<time>及其内容，然后根据DTD中定义的数据类型和格式创建<time>的相应子标签及其内容。

解决普适计算中上下文信息的异构性，根据普适计算中上下文的特点，结合XML，有效地屏蔽异构性给觉察上下文计算带来的不便，具体如下：

a.在XML文件中注册即时变化型和绝对配置型两大类上下文标签，并创建需要聚合的上下文信息标签；

b.设置时间聚合次数，并创建缓冲区大小；

c.聚合次数不为-1，则通过传感器，GPS定位器，Web service和应用程序交互等多种途径采集上下文；否则，跳转到第n步；

d.存储可直接理解的上下文信息，并根据预定协议解析不可直接理解的上下文：

e.对第d步的信息进行有效性校验；如数据无效则转至第c步；

f.对通过校验并且在语义上相同或相近的上下文进行简单的聚合，不改变信息形式，

g.对于不包含时间信息的上下文增加时间数据；

h.将第g步得到的上下文存入事先定义好的缓冲区中；

i.聚合次数减少一次；

j.如果聚合次数非0，则继续采集和聚合上下文，跳转到第c步；

k.重置聚合次数，并根据需要进行信息变换。

1.定位到XML文件中两大类上下文标签下，如果定位到即时变化型上下文标签，则根据上下文中的时间信息创建时间标签及其数据，并定位到此时间标签下；

m.在当前标签下，根据时间聚合层得到的上下文信息创建相应标签和数据，转至第c步；

n.终止上下文采集。

为方便描述，我假定有如下应用实例：

某工作人员(用A表示)在一艰巨环境下作业，系统需要实时跟踪A的位置和体征状况，并为其提供实时服务和处理突发事件。最终获得的位置信息包括经度(用J表示)和纬度(用W表示)；体征信息包括体温(用T表示)，血氧(用O表示)和脉搏(用P表示)，此外系统会根据需要查询A的个人信息(定义为社会上下文)包括姓名(用Name表示)，职工号(用ID表示)，年龄(用Age表示)，家庭住址(用Addr表示)等信息。位置信息和体征信息属于即时变化型上下文，个人信息属于绝对配置型上下文。三种上下文信息的采集和聚合同时进行，但此处分开说明，其具体实施方式为：

(1)创建XML文件以及<IC>和<SC>两个上下文分类标签。当有信息需要聚合时，都是首先定位<IC>或<SC>标签，以便更快地定位到需访问的信息；

(2)初始化各采集模块：

第一步：分别在XML文件中创建<Location>，<Body_state>和<Info>标签，分别代表A的位置，体征和个人信息；

第二步：分别设置位置，体征和个人信息三种上下文的时间聚合次数f_L，f_B和f_l为：1，3和1(这里设置f_L为1，是因为GPS定位信息比较稳定，校验后不需做进一步处理，而且需要保证A位置信息的实时；f_B设置为3，是因为传感器采集的数据一般误差较大，需要根据其特性，对数据进行进一步处理，而且人的体征信息在短时间内不会发生骤变，所以这里对三次数据求取平均值；f_l为1是因为个人信息属于绝对配置型上下文，只需对其采集一次，具体怎样控制，在后面说明；如果f为-1，说明终止采集当前上下文)；

位置上下文：

(3)如果f_L不为-1，通过GPS采集得到经纬度和时间的原始信息；否则，转至第11步；(GPS信号接收机能计算出用户所在地理位置的经纬度和时间等信息)

(4)根据协议将GPS采集到的二进制数据转换为字符数据，从而解析出J_t，W_t和t₁

(5)对J_t，W_t，t_i进行校验。因GPS接收模块很有可能受环境影响而收到乱码，这样的数据是不能使用的。如出现数据失真，则丢弃本次采集的数据，转至第3步；

(6)f_L不为0，则缓存相应的上下文信息，并对时间聚合次数f_L减1；

(7)如果f_L不为0，重置f_L为1，转至第3步；

(8)根据J_t和W_t的值得到具体的地点名称，记为P_t(这里是进行信息变换，将经纬度转为地点名)；

(9)位置上下文聚合模块定位到<IC>标签，并定位到<Location>标签下，然后创建<time>标签，内容为t_i；

(10)位置上下在<time>标签下创建<Place>，内容分别为P_t的值，转至第3步；

(11)停止位置上下文采集。

体征上下文：

(3)如果f_L不为-1，通过多个传感器采集得到体温，血氧和脉搏的原始信息；否则，转至第13步。

(4)将多个传感器采集到的二进制数据转换为十进制数据，分别解析出T_t，O_t和P_t；

(5)对T_t，O_t和P_t进行校验。由于传感器本身具有数据不稳定的特点，所以剔除严重失真的无效数据，以免使觉察上下文计算得到非法的推理结果。这里假定数据校验全部通过；

(6)T_t，O_t和P_t来自不同传感器，但三者同时表征A的身体状况，为保证表达语义的完整，将三者做简单聚合，放在一个存储空间中；

(7)因体征上下文属于即时变化型上下文，时间信息则成为觉察上下文计算的重要信息之一。但体征信息中没有时间数据，所以读取系统时间t_j，并将其与体征信息结合；

(8)f_B不为0，则缓存第7步体征上下文信息，并对时间聚合次数f_B减1；

(9)如果f_B为0，重置f_B为3，否则转至第3步；

(10)对三次聚合得到的体征数据进行变换，得到的新数据记为T_a，O_a和P_a(信息变换)；

(11)体征上下文聚合模块定位到<IC>标签，并定位到<Body_state>标签下，然后创建<time>标签，内容为t_j；

(12)在<time>标签下创建<Temperature>，<BloodOxygen>和<Pulse>标签，内容分别为T_t，O_t和P_t的值，转至第3步

(13)停止体征上下文的采集

社会上下文：

(3)如果f_I不为-1，通过Web Service采集A社会上下文信息，并入数据库(存储过程中已经伴随着数据校验，无效数据不允许存入)；否则，转至第10步。

(4)f_I不为0，从数据库中读取并缓存A的Name，ID，Age和Addr等信息；

(5)较少一次社会上下文的聚合次数；

(6)如果f_I为0，重置f_I为-1，否则转至第3步(只需采集聚合一次，在此设置终止条件)；

(7)社会上下文聚合模块定位到<SC>标签，然后定位到<Info>标签下；

(8)创建名为<Name>，<ID>，<Age>和<Addr>的标签，其内容分别为缓存得到的Name，ID，Age和Addr的值，

(9)转至第3步，

(10)停止社会上下文采集。

Claims (1)

1.一种面向普适计算的上下文聚合方法，其特征在于，解决普适计算中上下文信息的异构性，根据普适计算中上下文的特点，结合基于可扩展标记语言XML，有效地屏蔽异构性给觉察上下文计算带来的不便，具体如下：

a.在基于可扩展标记语言XML文件中注册即时变化型和绝对配置型两大类上下文标签，并创建需要聚合的上下文信息标签；

b.设置时间聚合次数，并创建缓冲区大小；

c.聚合次数不为设定的阈值，则通过传感器，GPS定位器，网络服务和应用程序交互等多种途径采集上下文；否则，跳转到第n步；

d.存储可直接理解的上下文信息，并根据预定协议解析不可直接理解的上下文；

e.对第d步的信息进行有效性校验；如数据无效则转至第c步；

f.对通过校验并且在语义上相同或相近的上下文进行简单的聚合，不改变信息形式；

g.对于不包含时间信息的上下文增加时间数据；

h.将第g步得到的上下文存入事先定义好的缓冲区中；

i.聚合次数减少一次；

j.如果聚合次数非0，则继续采集和聚合上下文，跳转到第c步；

k.重置聚合次数，并根据需要进行信息变换；

l.定位到基于可扩展标记语言XML文件中两大类上下文标签下，如果定位到即时变化型上下文标签，则根据上下文中的时间信息创建时间标签及其数据，并定位到此时间标签下；

m.在当前标签下，根据时间聚合层得到的上下文信息创建相应标签和数据，转至第c步；

n.终止上下文采集。

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