王軍鋒，余隋懷，IMRE Horvath，王 寧

WANG Junfeng1，2，3,YU Suihuai1,IMRE Horvath3,WANG Ning1

1.西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)研究所，西安710072

2.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010

3.代爾夫特理工大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)工程學(xué)院，荷蘭 代爾夫特2628CE

1.Institute of Industrial Design,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China

2.School of Manufacturing Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621010,China

3.Faculty of Industrial Design Engineering,Delft University of Technology,Delft 2628CE,Netherland

1 引言

近年來(lái)已有許多針對(duì)普適計(jì)算的情境感知研究[1-2]。大部分研究及其應(yīng)用的對(duì)象都是智能環(huán)境——配備有一系列傳感器（sensor）和執(zhí)行器（actuator）的物理空間。大部分需要情境感知技術(shù)輔助有障礙人群的受控環(huán)境（如醫(yī)院、酒店、公寓、家庭環(huán)境、教室等）都屬于智能環(huán)境，相關(guān)技術(shù)在人口老齡化問(wèn)題日益凸顯的歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家越來(lái)越普及[3]。除了輔助有障礙人群，彌補(bǔ)部分生理缺陷，提升他們的生活品質(zhì)之外，智能環(huán)境還能降低對(duì)專業(yè)看護(hù)人員的需求，從而節(jié)省成本。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，智能環(huán)境需要具備能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整、感知情境的智能機(jī)制為環(huán)境中的各種設(shè)備分配輔助性服務(wù)。動(dòng)態(tài)調(diào)整能力和情境感知的準(zhǔn)確性是此類(lèi)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，而由于智能環(huán)境的復(fù)雜性[4]、系統(tǒng)設(shè)備的異質(zhì)性、系統(tǒng)配置的專業(yè)性和所需處理信息的巨大數(shù)量，導(dǎo)致提供主動(dòng)性服務(wù)十分困難。

本文提出一種基于用戶交互模態(tài)的情境感知服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于用戶所處的位置和交互能力提供個(gè)性化服務(wù)，所考慮的情境信息包括：（1）用戶的交互能力和對(duì)人機(jī)交互界面的偏好；（2）環(huán)境中各類(lèi)可交互對(duì)象的位置、可交互區(qū)域的描述、物理環(huán)境結(jié)構(gòu)等；（3）設(shè)備資源、使用情況、位置、可作用的區(qū)域等；（4）服務(wù)需求和特征，例如提供某項(xiàng)服務(wù)所需的資源、對(duì)軟件和硬件的需求、用戶界面的表現(xiàn)形式等。

本文研究工作主要的創(chuàng)新之處在于把用戶信息，特別是交互模態(tài)信息（視覺(jué)能力、手臂操作能力和移動(dòng)能力）整合進(jìn)了主動(dòng)式服務(wù)的推理過(guò)程?；谝陨辖换ツB(tài)信息的推理過(guò)程能讓本文提出的系統(tǒng)選擇出最適合當(dāng)前情境和用戶交互能力和人機(jī)界面偏好的設(shè)備提供服務(wù)。為了驗(yàn)證所提出解決方案的有效性，在不同使用情境下，引入多名具有不同交互能力的用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證。

2 情境感知相關(guān)研究工作

Gouin-Vallerand 等[5]利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、OSGi、OWL 和模糊邏輯開(kāi)發(fā)出了一種具有情境感知能力的中間件。該中間件通過(guò)感知設(shè)備的硬件信息以及在環(huán)境中的位置信息，幫助環(huán)境管理人員和專業(yè)看護(hù)人員組織和布局新的軟件，以實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)控。但該研究并未考慮提供服務(wù)最應(yīng)該關(guān)注的對(duì)象——用戶信息，另外，該研究所提出的情境推理都集中于系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處，屬于集中式控制，系統(tǒng)執(zhí)行效率較低。Ghorbel等[6]利用語(yǔ)義推理開(kāi)發(fā)出了一種能在智能手機(jī)用戶進(jìn)入具有普適計(jì)算能力的環(huán)境時(shí)主動(dòng)提供服務(wù)的系統(tǒng)。該研究并未考慮在擁有多個(gè)終端設(shè)備的環(huán)境下如何向用戶，而不是智能手機(jī)推送服務(wù)。Ranganathan 等[7]利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和語(yǔ)義匹配搜索適當(dāng)?shù)脑O(shè)備配置，從而實(shí)現(xiàn)在給定環(huán)境中布局軟件。該研究主要著眼于硬件配置分析和環(huán)境空間信息的描述，并未關(guān)注用戶需求、交互能力和偏好。Syed等[8]為普適計(jì)算系統(tǒng)提出了一種主動(dòng)服務(wù)和實(shí)現(xiàn)軟件自組織的工作框架。該研究利用情境構(gòu)成、系統(tǒng)能力、規(guī)則和所有權(quán)等定義設(shè)備、服務(wù)過(guò)程和任務(wù)，其推理過(guò)程類(lèi)似于基于用例的推理。該研究對(duì)于系統(tǒng)工作、任務(wù)、服務(wù)過(guò)程和設(shè)備相關(guān)的情境信息進(jìn)行推理，從而找出適當(dāng)?shù)脑O(shè)備提供服務(wù)，也沒(méi)有考慮用戶在提供服務(wù)過(guò)程中的角色和作用。Nieves 等[9]提出通過(guò)詢問(wèn)對(duì)話的方式實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境中的服務(wù)決策，系統(tǒng)服務(wù)由三種帶有不同角色，代表不同數(shù)據(jù)源的Agent 提供。環(huán)境Agent 用于處理環(huán)境資源可用性的動(dòng)態(tài)變化信息，為交互活動(dòng)的執(zhí)行提供工具；活動(dòng)Agent 識(shí)別智能環(huán)境中的活動(dòng)（無(wú)目標(biāo)）和用戶行為（目標(biāo)導(dǎo)向），通過(guò)過(guò)濾可用的服務(wù)影響并促進(jìn)當(dāng)前正在進(jìn)行的行為。通過(guò)以上兩類(lèi)Agent 的協(xié)助，訓(xùn)練Agent 能提升用戶執(zhí)行行為的能力，為了維持用戶的興趣，系統(tǒng)要提供符合用戶期望的服務(wù)。該研究通過(guò)詢問(wèn)對(duì)話的方式實(shí)現(xiàn)服務(wù)篩選，交互效率較低，且沒(méi)有考慮交互情境和環(huán)境中可用的交互設(shè)備信息。Loke等[10提出了一種基于位置的服務(wù)篩選方法，該方法把目標(biāo)環(huán)境劃分為多個(gè)環(huán)境區(qū)域，并定義每個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)提供的服務(wù)，區(qū)域間所提供的服務(wù)可以有所重疊，通過(guò)分析服務(wù)的相似性、優(yōu)先權(quán)和限制因素，并制定相應(yīng)的選擇規(guī)則，可以解決重疊區(qū)域的服務(wù)選擇問(wèn)題。該研究主要關(guān)注于基于地理位置的服務(wù)選擇，并未考慮用戶的需求和用戶的交互能力等信息。

目前已有一些研究致力于基于用戶交互能力和交互模態(tài)信息，解決人機(jī)界面的適應(yīng)性問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]提出了基于用戶選擇偏好和使用歷史解決視覺(jué)界面的適應(yīng)性問(wèn)題。Bezold 等[12]提出了基于基本的人與系統(tǒng)交互事件序列多用戶進(jìn)行建模，并從中提取新知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)行為的適應(yīng)。Castillejo 等[13]認(rèn)為用戶偏好、情境信息和設(shè)備能力是建立適應(yīng)性用戶界面的基礎(chǔ)，由此對(duì)交互中的人、情境和設(shè)備進(jìn)行了建模，三者的模型構(gòu)成了適應(yīng)性用戶界面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合作者提出的兩種適應(yīng)規(guī)則，智能系統(tǒng)能夠以適應(yīng)用戶特征、交互情境的方式定義設(shè)備的人機(jī)界面參數(shù)。Sakurai 等[14]建立了包括多個(gè)顯示設(shè)備的環(huán)境中的交互行為模型。為了讓信息的顯示方式適應(yīng)用戶，該研究綜合考慮了用戶與顯示器之間的距離、視野等問(wèn)題。以上研究所面向的領(lǐng)域和研究角度雖然與本文的工作有所差異，但其研究方法為本文的研究提供了一些思路。

本文提出的情境感知服務(wù)系統(tǒng)解決了以上相關(guān)研究未考慮到的一些問(wèn)題。例如，情境感知中間件考慮了文獻(xiàn)[5-8，10]未考慮的用戶交互能力和偏好兩方面因素；本研究針對(duì)的是帶有多設(shè)備智能環(huán)境中的交互問(wèn)題，而文獻(xiàn)[6，9，11-13]的研究只考慮了單個(gè)交互設(shè)備的情況；另外，本研究采用模糊邏輯篩選所要提供的服務(wù)，這種方法能提升計(jì)算速度，同時(shí)，通過(guò)定義不同的模糊邏輯使得推理過(guò)程更加靈活，具有一定的可拓展性，優(yōu)于其他推理方法，如文獻(xiàn)[6]的描述邏輯、文獻(xiàn)[7]的語(yǔ)義匹配，以及文獻(xiàn)[8]的基于案例的推理。

3 情境感知服務(wù)系統(tǒng)

本文所提出情境感知服務(wù)系統(tǒng)主要用于在各種智能環(huán)境中布局各種輔助性服務(wù)。這些智能環(huán)境通過(guò)提供相關(guān)信息，如用戶身份、需要使用的軟件，環(huán)境中是否由特定的區(qū)域響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求等，并發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求到情境感知服務(wù)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)用戶的交互特征和所在位置的設(shè)備資源向用戶提供服務(wù)。通過(guò)使用面向服務(wù)的架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA），系統(tǒng)的情境感知服務(wù)功能可用于智能環(huán)境中的多個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)中其他軟件就不需要再執(zhí)行復(fù)雜的推理過(guò)程[15]。

3.1 情境感知模型和策略

本文所提出主動(dòng)服務(wù)機(jī)制考慮四種情境信息：用戶信息、設(shè)備信息、環(huán)境拓?fù)浜蛙浖畔?。智能環(huán)境中所布局的服務(wù)都需要有相應(yīng)的硬件、軟件和情境條件支持。一方面，諸如準(zhǔn)備餐食或帶有情境感知能力的日程提醒能在環(huán)境中定位特定用戶所在的位置，向周?chē)O(shè)備發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求；這些設(shè)備有其特定的交互支撐能力，如所能夠使用的資源，與周邊設(shè)備的連接情況等。另一方面，用戶有其特定的交互能力，如視力水平和視野范圍，手臂工作范圍和手臂力量等。同時(shí)用戶所處位置與環(huán)境中的設(shè)備具有不同的物理距離，對(duì)人機(jī)界面有個(gè)人使用偏好，例如，相比傳統(tǒng)的人機(jī)界面更喜歡使用觸摸屏。所有這些要素都分布在智能環(huán)境中的不同位置，并與特定的情境區(qū)域相關(guān)，如廚房、浴室、客廳等。圖1 給出了主動(dòng)服務(wù)推理機(jī)所處理的各類(lèi)信息。根據(jù)所指對(duì)象不同，輸入到推理機(jī)的信息表達(dá)形式有所差異，如用戶視力水平可表示為20/40*根據(jù)斯奈倫視力測(cè)試方法，正常視力水平為20/20，表示被試能在20 ft（約6 m）處清晰地看到最小的五分視角字母。如果視力水平為20/40，表示被試需要在20 ft位置才能看清楚正常視力在40 ft位置看到的字母。，視野范圍為左右60°，移動(dòng)速度為1.2 m/s，對(duì)觸摸屏的交互偏好為1（1 表示喜歡，0表示無(wú)所謂，－1 表示不喜歡）。

圖1 情境感知服務(wù)推理過(guò)程涉及的情境信息

在智能環(huán)境中，服務(wù)由特定的設(shè)備提供，根據(jù)設(shè)備所處的位置及其周邊設(shè)施情況，把所要感知的情境劃分為多個(gè)“微觀情境”。對(duì)單個(gè)微觀情境信息進(jìn)行抽象、聚合之后再與系統(tǒng)的其他微觀情境共享信息，就可以完成對(duì)微觀情境的感知；同時(shí)，多個(gè)微觀情境聚合之后，結(jié)合其他信息源可以形成更高一層的情境信息——宏觀情境。微觀情境感知實(shí)現(xiàn)對(duì)情境對(duì)象的認(rèn)知，并理解環(huán)境實(shí)體的周邊關(guān)系；宏觀情境感知?jiǎng)t負(fù)責(zé)全局化的情境信息，以及各種突發(fā)情況[15]。將情境劃分為微觀和宏觀兩類(lèi)不僅能分層處理情境信息，降低軟件程序的耦合度，還能避免泄漏敏感信息。

情境感知服務(wù)系統(tǒng)利用模糊邏輯組織推理機(jī)（Fuzzy Logic Organization Reasoning Engine，F(xiàn)LORE）[16]匹 配服務(wù)需求與智能環(huán)境中的相關(guān)情境信息。模糊邏輯[17能夠把情境信息模糊化，例如，把具體數(shù)值轉(zhuǎn)換成相對(duì)于定量集合的模糊值，并利用推理規(guī)則進(jìn)行處理，然后再將結(jié)果解模糊化為系統(tǒng)可用的數(shù)值。智能環(huán)境中交互情境信息的數(shù)據(jù)類(lèi)型具有很大異構(gòu)性，包括諸如室溫之類(lèi)的量化數(shù)據(jù)和用戶情緒狀態(tài)之類(lèi)的定性數(shù)據(jù)。模糊邏輯能在同一推理規(guī)則內(nèi)對(duì)定量和定性數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。同時(shí)，在缺少關(guān)于所推理對(duì)象精確知識(shí)的情況下，基于模糊邏輯的推理算法依然能得出有效結(jié)果，智能環(huán)境中的人機(jī)交互關(guān)系正屬于這一情況。最后，模糊邏輯能夠描述無(wú)法清晰判斷和評(píng)估的情形，例如通過(guò)用戶行走速度的“快”和“慢”來(lái)判斷某一設(shè)備資源對(duì)該用戶是否可用。

利用模糊邏輯對(duì)信息進(jìn)行推理的過(guò)程主要包括：（1）利用隸屬函數(shù)把輸入數(shù)值模糊化為詞匯；（2）利用前面所得詞匯，通過(guò)聚集（聚集各種不同表述詞匯）、激活（分配規(guī)則進(jìn)行判定）和累加（把結(jié)論合成為要輸出的模糊集）完成模糊規(guī)則推論；（3）把輸出的模糊集解模糊為具體數(shù)值（通常用重心法尋找解模糊集的均值）。

基于智能環(huán)境的分布式布局，以及前文給出的微觀和宏觀情境模型，F(xiàn)LORE 可以被劃分為帶有不同模糊邏輯控制器的單元：（1）FLORE 設(shè)備單元——作用于微觀情境，根據(jù)計(jì)算提供特定服務(wù)所需的設(shè)備資源和人機(jī)交互界面，計(jì)算結(jié)果共享到宏觀情境層。智能環(huán)境中所有能提供服務(wù)的非專用設(shè)備（如桌面式計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦）與其軟件一起構(gòu)成一個(gè)FLORE設(shè)備單元。（2）FLORE 協(xié)調(diào)器單元——作用于宏觀情境，分析來(lái)自設(shè)備單元、用戶信息、環(huán)境拓?fù)浜拖到y(tǒng)部件位置等信息與服務(wù)需求的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

以上FLORE設(shè)備單元和協(xié)調(diào)器單元均采用JFuzzy-Logic[18]控制器處理情境信息。協(xié)調(diào)器單元計(jì)算結(jié)果的范圍為0～100，記為設(shè)備能力指數(shù)（Device Capability Index，DCI），表示某個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)某項(xiàng)服務(wù)請(qǐng)求的最優(yōu)性，與用戶信息相關(guān)。為了提供服務(wù)，設(shè)備必須具備一定數(shù)量的中央處理單元（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）或永久存儲(chǔ)器（PMS），組成特定的配置，另外還需要一些人機(jī)界面設(shè)施，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、觸摸屏、顯示屏等。FLORE設(shè)備單元初步計(jì)算出的DCI傳輸給FLORE協(xié)調(diào)器單元，計(jì)算與宏觀情境信息相匹配的DCI。圖2給出了FLORE設(shè)備單元、FLORE 協(xié)調(diào)器單元以及管理工具（幫助用戶在智能環(huán)境中布局服務(wù)）三者所處理的情境信息。

圖2 FLORE 設(shè)備單元、協(xié)調(diào)器單元以及管理工具所處理的情境信息

FLORE 協(xié)調(diào)器單元根據(jù)服務(wù)需求處理用戶信息，并結(jié)合來(lái)自FLORE 設(shè)備單元的處理結(jié)果，計(jì)算設(shè)備最終的DCI。因此，F(xiàn)LORE 協(xié)調(diào)單元需要基于用戶的交互模態(tài)對(duì)用戶信息進(jìn)行分析。交互模態(tài)決定了用戶與環(huán)境及其他物體交換信息的過(guò)程，主要包括感覺(jué)（采集環(huán)境信息）、認(rèn)知（感知信息）、理解（解釋并保持）、行為（做出反應(yīng)）。在情境感知服務(wù)系統(tǒng)中，通過(guò)這種方法對(duì)用戶交互能力進(jìn)行分類(lèi)，并將其應(yīng)用于推理過(guò)程。本文所提出情境感知服務(wù)系統(tǒng)使用視覺(jué)和動(dòng)作兩種模態(tài)共計(jì)四類(lèi)信息。

（1）視野：用戶視野和計(jì)算設(shè)備及其顯示器作用范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系；在模糊邏輯推理過(guò)程中，計(jì)算用戶視野范圍和顯示器投射范圍的重疊區(qū)域，判斷兩者是否雙向可達(dá)。

（2）視力：用戶視力和設(shè)備顯示器上所顯示信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系；獲取用戶位置坐標(biāo)之后，計(jì)算用戶和服務(wù)設(shè)備間的距離，對(duì)比用戶視力水平在此距離所能清晰看到的字符尺寸和顯示器上所顯示文字的大小，判定是否利用該設(shè)備提供服務(wù)。

（3）移動(dòng)能力：用戶移動(dòng)能力相對(duì)于設(shè)備和人機(jī)界面所在位置的關(guān)系；利用用戶移動(dòng)速度和設(shè)備之間距離的比值判斷用戶到達(dá)該設(shè)備所需的時(shí)間。

（4）操作能力：用戶操作能力和人機(jī)界面所需操作能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)用戶位置坐標(biāo)和手臂操作范圍判斷是否能對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行交互操作。

與以上交互模態(tài)相關(guān)的信息經(jīng)過(guò)處理之后，傳輸?shù)紽LORE 協(xié)調(diào)器單元，利用隸屬函數(shù)模糊化所有定量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為定性信息，然后利用一系列模糊規(guī)則，結(jié)合解模糊函數(shù)計(jì)算DCI。如利用模糊規(guī)則：IF 視野IS 雙向可達(dá)AND 視力IS 最佳AND 用戶移動(dòng)能力IS 快AND行走時(shí)間IS 很短AND 人機(jī)界面IS 已連接THEN 設(shè)備評(píng)估IS 最優(yōu)；計(jì)算前面給出的各種與交互模態(tài)相關(guān)的定性信息，并將結(jié)果傳輸給解模糊函數(shù)optimal。本文所提出情境感知服務(wù)系統(tǒng)目前包括38 條用于計(jì)算DCI 的模糊規(guī)則，15 條用于計(jì)算微觀情境的模糊規(guī)則。應(yīng)用38條規(guī)則所得結(jié)果的重心就是設(shè)備的DCI。

3.2 應(yīng)用案例

本文將通過(guò)一個(gè)案例場(chǎng)景說(shuō)明情境感知服務(wù)系統(tǒng)如何利用交互模態(tài)信息和用戶對(duì)交互界面的偏好計(jì)算設(shè)備的DCI。該案例的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示，智慧家庭被分為多個(gè)區(qū)域，如廚房、客廳、臥室等。多個(gè)設(shè)備和相關(guān)的人機(jī)交互界面安裝在這些區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集用戶的位置和面部朝向等信息，用于判定用戶與顯示器是否視覺(jué)雙向可達(dá)。另外與設(shè)備信息和用戶個(gè)人信息一起輸入到模糊邏輯組織推理機(jī)中，對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行模糊推理，篩選出最佳設(shè)備向用戶提供服務(wù)。

圖3 智慧家庭應(yīng)用案例的系統(tǒng)架構(gòu)

假設(shè)某智慧家庭系統(tǒng)用戶患有慢性病，需按時(shí)服藥，但該用戶卻經(jīng)常會(huì)忘記按時(shí)服藥。智慧家庭系統(tǒng)將通過(guò)用戶的日程安排（存儲(chǔ)于智能手機(jī)之內(nèi)）讀取提醒用戶按時(shí)服藥的服務(wù)需求，然后在需服藥的時(shí)間點(diǎn)，根據(jù)用戶所處在智慧家庭環(huán)境內(nèi)的位置，利用就近的人機(jī)交互設(shè)備提醒用戶按時(shí)服藥，以及服用藥物的注意事項(xiàng)。本示例假定用戶將藥物放置在廚房?jī)?nèi)的儲(chǔ)藏柜中（在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)可由用戶自行定義特定服務(wù)對(duì)應(yīng)的環(huán)境區(qū)域）。用戶的其他信息包括：視力較差；視野范圍一般；移動(dòng)（步行）速度一般；上肢具有足夠的力量操作人機(jī)交互設(shè)備（觸摸屏、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等）；環(huán)境中也有足夠的空間供用戶展開(kāi)操作；相比于傳統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)備，用戶更傾向于觸摸屏操作。系統(tǒng)提供服藥提醒功能所需的資源包括：用于顯示信息的觸摸屏，最好位于放置藥品的區(qū)域。

在圖4 所示的布局圖中，離用戶所處位置最近的有四個(gè)交互設(shè)備：右前方的筆記本電腦、右右方的智慧家庭系統(tǒng)服務(wù)器、左方的平板電腦以及左后方的智能電視機(jī)。圖中給出了各種交互模態(tài)的作用區(qū)域，如用戶視力和視野區(qū)（扇形）、用戶在2 s 之內(nèi)可到達(dá)的范圍（圓形），同時(shí)還給出了提供服務(wù)的目標(biāo)區(qū)域（矩形）。

圖4 基于用戶交互模態(tài)的情境感知服務(wù)示例

情境信息被傳輸?shù)角榫掣兄?wù)推理機(jī)（FLORE）之后，系統(tǒng)就可以計(jì)算每臺(tái)設(shè)備的DCI。在圖4 的示例中，廚房?jī)?nèi)的平板電腦的DCI 值最高，為72.35，其次是廚房?jī)?nèi)的筆記本電腦為62.40，然后是客廳內(nèi)的電視機(jī)為55.45，最后是智慧家庭服務(wù)器為0。本示例中的數(shù)值來(lái)自于后續(xù)實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證部分的一個(gè)驗(yàn)證情境。廚房的筆記本電腦得分較低是因?yàn)榫嚯x用戶較遠(yuǎn)，且對(duì)視力要求較高。另外，用戶對(duì)人機(jī)界面的偏好是觸摸屏優(yōu)先于鼠標(biāo)和鍵盤(pán)?？蛷d內(nèi)的電視機(jī)位于用戶后方，且在服務(wù)目標(biāo)區(qū)域（廚房）之外，這兩個(gè)原因使其DCI 得分較低。此外，智慧家庭的服務(wù)器并沒(méi)有提供信息的顯示器和人機(jī)交互設(shè)備，因此無(wú)法為用戶提供所需的服務(wù)，DCI 得分為0。所以，在測(cè)試情境下，為用戶提供服務(wù)的最佳設(shè)備為廚房?jī)?nèi)的平板電腦。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的系統(tǒng)基于OSGi 框架開(kāi)發(fā)。OSGi 屬于面向服務(wù)的架構(gòu)，能夠?yàn)槠者m計(jì)算應(yīng)用的模塊化提供支撐，并對(duì)其進(jìn)行管理。由于情境感知服務(wù)系統(tǒng)屬于分布式架構(gòu)，所以采用Apache CXF dOSGi和WS-Discovery為服務(wù)設(shè)備和協(xié)調(diào)設(shè)備（主要用于運(yùn)行情境感知服務(wù)推理機(jī)FLORE）提供通信支持。在OSGi 框架之上是一些用于在智能環(huán)境中為用戶提供服務(wù)的應(yīng)用模塊。環(huán)境管理協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用于管理設(shè)備搜索過(guò)程，維持環(huán)境拓?fù)洌邮芊?wù)請(qǐng)求，并利用FLORE 進(jìn)行管理。設(shè)備節(jié)點(diǎn)布局在環(huán)境中的設(shè)備之上，主要實(shí)現(xiàn)為用戶提供的各種服務(wù)，同時(shí)也對(duì)情境信息進(jìn)行推理。

主動(dòng)服務(wù)功能利用情境信息和用戶信息尋找最優(yōu)路徑為用戶提供服務(wù)，需要對(duì)情境信息進(jìn)行描述。本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言（Web Ontology Language，OWL）中的元本體[24]描述普適計(jì)算環(huán)境，它利用資源描述框架和OWL 格式的語(yǔ)義連接表示情境信息。系統(tǒng)使用的模糊邏輯控制器，基于JFuzzy Logic API 實(shí)現(xiàn)，使用模糊控制語(yǔ)言定義隸屬函數(shù)、解模糊函數(shù)和模糊規(guī)則。由其他環(huán)境應(yīng)用程序或管理工具發(fā)送到系統(tǒng)的服務(wù)請(qǐng)求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求接收，然后傳輸給情境感知服務(wù)推理機(jī)。智能環(huán)境中的情境信息提取一部分由專家手動(dòng)輸入到宏觀環(huán)境描述，如環(huán)境拓?fù)洹⒂脩艚换ツ芰Φ?。另外，專家還需要提供一些關(guān)于設(shè)備的信息，如顯示尺寸、分辨率、朝向以及已連接的人機(jī)交互界面。而用戶所在位置/朝向和設(shè)備資源等信息則在服務(wù)過(guò)程中，由相關(guān)應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)讀取。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

本文主要驗(yàn)證情境感知服務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)可行性，而不是這種服務(wù)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際用戶產(chǎn)生的影響。因此，實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證階段的主要目標(biāo)為：（1）驗(yàn)證系統(tǒng)是否能根據(jù)具體的使用情境和用戶信息給出最優(yōu)的解決方案，也就是找出針對(duì)特定情境中應(yīng)該具有最高DCI 值的設(shè)備；（2）驗(yàn)證系統(tǒng)的執(zhí)行效率，也就是在較短時(shí)間內(nèi)處理服務(wù)請(qǐng)求的能力；（3）針對(duì)相似的使用情境，確保系統(tǒng)所需的執(zhí)行時(shí)間穩(wěn)定，產(chǎn)生的結(jié)果可重復(fù)，得出的DCI值差異較小。

針對(duì)第一個(gè)測(cè)試目標(biāo)，建立兩類(lèi)驗(yàn)證情境：第一類(lèi)情境在智慧家庭環(huán)境中設(shè)定不同的用戶角色，然后發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，分析情境感知服務(wù)系統(tǒng)計(jì)算得出的各個(gè)設(shè)備DCI 值，并對(duì)不同用戶角色所得值進(jìn)行比較。第二類(lèi)情境用于測(cè)試用戶對(duì)人機(jī)界面的偏好，對(duì)情境感知服務(wù)推理過(guò)程以及DCI 的影響。定義五種具有不同人機(jī)界面偏好的用戶，并分析系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果。以上兩類(lèi)測(cè)試均在某家電企業(yè)的智慧家庭實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，由相關(guān)企業(yè)人員扮演不同類(lèi)型的用戶角色。所有測(cè)試場(chǎng)景均涉及八臺(tái)設(shè)備，其中四臺(tái)離用戶所處位置較近，分別是：

（1）一臺(tái)Thinkpad筆記本電腦（Intel Core i5 5200U，Windows 7，Java 6）；

（2）一臺(tái)聯(lián)想平板電腦（2GHz Intel 處理器，Windows 8，Java 6）；

（3）一臺(tái)PC服務(wù)器（Intel四核處理器，Windows Vista，Java 6）；

（4）一臺(tái)安裝在客廳的多媒體電視機(jī)（Intel Core 2，Windows 7，Java 6）。

另有一臺(tái)智能手機(jī)（Android 4.2）放在客廳的桌子上。以上所有設(shè)備的布局如前文圖4 所示。針對(duì)第一類(lèi)驗(yàn)證情境，設(shè)計(jì)五種用戶角色。

（1）普通用戶：具有平均視力水平，普通行走速度，視野范圍正常，手臂力量和工作范圍良好；

（2）近視用戶：視力水平較低（10/20），其他能力處于普通水平；

（3）窄視野用戶：左眼視野范圍為60°，其他能力處于普通水平；

（4）操作能力受限用戶：手臂力量受限（只能輸出100 N 的力），手臂操作范圍受限（60°）；

（5）移動(dòng)能力受限用戶：行走速度為0.8 m/s，其他能力處于普通水平。

在測(cè)試過(guò)程中，以上五位用戶站在智慧家庭環(huán)境中的同一位置，緊鄰客廳的餐廳入口處，面向廚房，然后向系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，系統(tǒng)給出的情境感知服務(wù)結(jié)果如表1所示。

表1 利用各類(lèi)用戶角色對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果

比較針對(duì)普通用戶和近視用戶的測(cè)試結(jié)果，廚房位置的平板電腦和客廳的電視機(jī)所得的DCI 值有所下降，其原因在于近視用戶較低的視覺(jué)能力使得以上兩臺(tái)設(shè)備的視覺(jué)可用率較低；其他兩臺(tái)在視野之外的設(shè)備的DCI值相同。對(duì)于窄視野用戶，廚房筆記本電腦的DCI 值與針對(duì)普通用戶測(cè)試所得的DCI 值相同，因?yàn)檫@兩類(lèi)用戶的視力和視野水平在此處沒(méi)有差異，而廚房的平板電腦對(duì)于窄視野用戶來(lái)說(shuō)，則處于第三順序，位于客廳電視機(jī)之后。其原因在于，平板電腦在窄視野用戶的視野能力之外，而電視機(jī)距離用戶更近一些。針對(duì)操作能力受限用戶，由于不能與平板電腦的界面進(jìn)行交互，所以系統(tǒng)給予廚房的筆記本最高DCI 值，用它來(lái)提供輔助服務(wù)。最后，針對(duì)移動(dòng)能力受限用戶，兩臺(tái)最近的設(shè)備得到了比較高的DCI值（平板電腦和電視機(jī)），由于和用戶距離較遠(yuǎn)，筆記本電腦排在第三位，智能手機(jī)的DCI值大幅下降。由此可見(jiàn)，情境感知服務(wù)系統(tǒng)能根據(jù)不同的用戶信息，計(jì)算特定設(shè)備的DCI值，選擇出最適當(dāng)?shù)脑O(shè)備提供服務(wù)。

第二類(lèi)情境驗(yàn)證用戶對(duì)人機(jī)界面的使用偏好所產(chǎn)生的影響。五個(gè)對(duì)人機(jī)界面有不同偏好的用戶處于智慧家庭的同一位置，同一面部朝向，然后發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，系統(tǒng)處理結(jié)果如表2所示。針對(duì)用戶完全喜歡其界面的設(shè)備和完全不喜歡其界面的設(shè)備，DCI值的差異也只有3.64，這不足以在所有使用情境中作為依據(jù)，賦予一臺(tái)設(shè)備更高的優(yōu)先權(quán)。另外，在完全不喜歡的情境中，設(shè)備的DCI 值也沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的40 之下。調(diào)整與用戶對(duì)人機(jī)界面偏好相關(guān)的模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)之后，再次實(shí)驗(yàn)，得到了預(yù)期的結(jié)果，DCI值最大的差異也達(dá)到了5.75。

表2 根據(jù)用戶對(duì)人機(jī)界面偏好提供服務(wù)的測(cè)試結(jié)果

第二項(xiàng)驗(yàn)證目標(biāo)是系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間少于用戶反應(yīng)時(shí)間，也就是1～2 s。由于情境感知服務(wù)系統(tǒng)可能用于專業(yè)的醫(yī)療護(hù)理服務(wù)，其中的一項(xiàng)要求就是讓用戶感到服務(wù)是瞬間響應(yīng)的。上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證場(chǎng)景的平均計(jì)算時(shí)間為0.5 s（其中包括網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)延遲以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)間），小于用戶反應(yīng)時(shí)間，有助于提供及時(shí)的輔助服務(wù)。

最后，情境感知服務(wù)系統(tǒng)在測(cè)試中表現(xiàn)出了穩(wěn)定的效率，數(shù)據(jù)處理時(shí)間較為穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在其他使用情境中可重復(fù)，DCI值在相似情境中變化不大。

5 結(jié)語(yǔ)

智能環(huán)境的情境感知、動(dòng)態(tài)化組件和適應(yīng)性等特點(diǎn)能為用戶在日常生活中提供各種輔助服務(wù)。用戶需要智能、易于使用的系統(tǒng)在日常生活環(huán)境中提供各種服務(wù)。本文提出了一種基于用戶交互模態(tài)，具有情境感知能力的情境感知服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用智能環(huán)境中的情境信息和用戶信息尋找最適合用戶交互能力的設(shè)備提供服務(wù)。系統(tǒng)功能的原型在真實(shí)的智能家庭環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試。本研究的創(chuàng)新之處在于提出了將用戶交互模態(tài)信息（如視力、視野、移動(dòng)能力和交互操作能力等）應(yīng)用于情境感知推理過(guò)程。通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行推理，情境感知服務(wù)系統(tǒng)能向智能環(huán)境中的用戶提供適當(dāng)?shù)姆?wù)。

實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證表明，系統(tǒng)能在各種測(cè)試中根據(jù)使用情境計(jì)算出各個(gè)設(shè)備的DCI，也就是找出特定情境之下，與用戶交互能力最匹配的設(shè)備提供服務(wù)。系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間和效率也符合預(yù)期，能向用戶提供及時(shí)的服務(wù)。

隨著智慧城市計(jì)劃的推出，本文所提出的情境感知服務(wù)系統(tǒng)將面臨更廣闊的應(yīng)用前景。然而系統(tǒng)需要安裝在實(shí)際用戶的家庭環(huán)境，在用戶使用過(guò)后收集反饋意見(jiàn)，進(jìn)行不斷的完善。后續(xù)研究工作將考慮引入更多的交互模態(tài)（如聽(tīng)覺(jué)和認(rèn)知）到服務(wù)推理過(guò)程，并拓展更多的驗(yàn)證場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。此外還將研究此類(lèi)系統(tǒng)對(duì)用戶日常生活產(chǎn)生的影響，評(píng)估用戶對(duì)系統(tǒng)的接受程度。

[1] Dey A K，Abowd G D，Salber D.A conceptual framework and a toolkit for supporting the rapid prototyping of context-aware applications[J].Human-Computer Interaction，2001，16（2）：97-166.

[2] Preuveneers D，Van den Bergh J，Wagelaar D，et al.Towards an extensible context ontology for ambient intelligence[M]//Ambient Intelligence.Berlin Heidelberg：Springer，2004：148-159.

[3] White C.Health care spending growth：How different is the United States from the rest of the OECD?[J].Health Affairs，2007，26（1）：154-161.

[4] Talwar V，Milojicic D，Wu Q，et al.Approaches for service deployment[J].Internet Computing，2005，9（2）：70-80.

[5] Gouin-Vallerand C，Giroux S，Abdulrazak B.Tyche project：A context aware self-organization middleware for ubiquitous environment[C]//Proceedings of IEEE 13th International Conference on High Performance Computing and Communications（HPCC），2011：924-929.

[6] Ghorbel M，Mokhtari M，Renouard S.A distributed approach for assistive service provision in pervasive environment[C]//Proceedings of the 4th International Workshop on Wireless Mobile Applications and Services on WLAN Hotspots，2006：91-100.

[7] Ranganathan A，Shankar C，Campbell R.Application polymorphism for autonomic ubiquitous computing[J].Multiagent and Grid Systems，2005（2）：109-129.

[8] Syed A A，Lukkien J，F(xiàn)runza R.An architecture for self-organization in pervasive systems[C]//Proceedings of the Conference on Design，Automation and Test in European.[S.l.]：European Design and Automation Association，2010：1548-1553.

[9] Nieves J C，Lindgren H.Deliberative argumentation fo service provision in smart environments[M]//Multi-Agent Sys tems.[S.l.]：Springer International Publishing，2014：388-397

[10] Loke S W，Krishnaswamy S，Naing T T.Service domain for ambient services：concept and experimentation[J].Mobil Networks and Applications，2005，10（4）：395-404.

[11] Gajos K，Weld D S.SUPPLE：Automatically generating user interfaces[C]//Proceedings of the 9th Internationa Conference on Intelligent User Interfaces，2004：93-100.

[12] Bezold M，Minker W.A framework for adapting interac tive systems to user behavior[J].Journal of Ambient Intel ligence and Smart Environments，2010，2（4）：369-387.

[13] Castillejo E，Almeida A，López-de-Ipi?a D.Ontology-based model for supporting dynamic and adaptive user inter faces[J].International Journal of Human-Computer Inter action，2014，30（10）：771-786.

[14] Sakurai S，Itoh Y，Kitamura Y，et al.A middleware fo seamless use of multiple displays[M]//Interactive Systems Design，Specification，and Verification.Berlin Heidelberg：Springer，2008：252-266.

[15] Abdulrazak B，Roy P，Gouin-Vallerand C，et al.Macro and micro context-awareness for autonomic pervasive com puting[C]//Proceedings of the 12th International Confer ence on Information Integration and Web-based Appli cations and Services，2010：427-434.

[16] George J K，Bo Y.Fuzzy sets and fuzzy logic：Theory and applications[M].New Jersey：Prentice Hall，1995.

[17] Yuan B，Herbert J.Fuzzy cara-a fuzzy-based context rea soning system for pervasive healthcare[J].Procedia Com puter Science，2012，10：357-365.

[18] Cingolani P，Alcala-Fdez J.jFuzzy logic：A robust and flexible fuzzy-logic inference system language imple mentation[C]//FUZZ-IEEE，2012：1-8.

[19] Muraoka T，Ikeda H.Selection of display devices used a man-machine interfaces based on human factors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（2）：501-506

[20] Van Kan G A，Rolland Y，Andrieu S，et al.Gait speed a usual pace as a predictor of adverse outcomes in com munity-dwelling older people an International Academy on Nutrition and Aging（IANA）task force[J].The Journa of Nutrition，Health and Aging，2009，13（10）：881-889.

[21] Carey N.Establishing pedestrian walking speeds[D].Port land State University，2005.

[22] Kadouche R，Abdulrazak B，Mokhtari M，et al.A semantic approach for accessible services delivery in a smart envi ronment[J].International Journal of Web and Grid Ser vices，2009，5（2）：192-218.

[23] Kaptein M C，Nass C，Markopoulos P.Powerful and con sistent analysis of likert-type ratingscales[C]//Proceeding of the SIGCHI Conference on Human Factors in Com puting Systems，2010：2391-2394.