1. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
In The Name of Allah
Computer Engineering Department - Sharif University of Technology
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
Context Representation in Pervasive Environments using Semantic Web
هاشم بخششي :

2. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
موضوعات مورد بحث
مقدمه
محيط محاسبات فراگير
مدل كردن يا نمايش زمينه (Context) در محيط محاسبات فراگير
مدلهاي موجود براي مدل كردن زمينه
مدلهاي مبتني بر Ontology
مدل ارائه شده
بحث و جمع‌بندي
فعالیتهای پیش رو برای ادامه کار
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

3. ديروز - سيستمهاي متمركز
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

4. امروز - سيستمهاي موبايل
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

5. فردا – سيستمهاي محاسبات فراگير
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

6. سيستمهاي محاسبات فراگير(همه جا حاضر-Ubiquitous Computing)
خصوصيات محيط محاسبات فراگير:
استفاده از تكنولوژي محاسبات فراگير و ابزار آن كاملا عادي مي‌شود مثل استفاده از ساير وسايل و ابزار زندگي مثلا استفاده از خودكار و … اين تكنولوژي بصورت مخفي و ناپيدا در زندگي انسان تاثير خواهد گذاشت بدون اينكه دخالت مستقيم عامل انساني در آن لازم باشد.
سرويسها و امكانات ارتباطي-محاسباتي همه جا در دسترس خواهند بود.
any time – any where – any thing
چنين محيطي پر از عوامل و ابزار حسي و ارتباطي خواهد بود از جمله انواع مختلف Sensor ها، دوربينها و ... براي كسب دانش و اطلاعات از محيط.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

7. زمينه(Context) و سيستمهاي مبتني بر زمينه
هر موجوديت يا شي موجود در محيط، جزئي از زمينه است و هر اطلاع يا دانشي راجع به هر كدام از اين موجوديتها نوعي اطلاع از زمينه مي‌باشد.
موجوديتهايي چون عوامل انساني، شرايط محيطي، ابزار موجود در محيط و … كه اطلاعاتي چون موقعيت مكاني، زمان، درجه حرارت، ميزان روشنايي، ميزان سر و صدا، نقش كاربر و اطلاعاتي نظير نوع ارتباط شبكه اي و … از آنها بدست مي‌آيند.
سيستمهاي مبتني بر زمينه (Context-Aware) :
سيستمهايي كه بطور فعال با موجوديتهاي محيط در تماس و تبادل اطلاعاتي هستند و فعاليتهاي خود را با استفاده از اطلاعات بدست آمده از محيط انجام مي‌دهند.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

8. مدل كردن زمينه در محيط محاسبات فراگير (۱)
تعريف :
بيان و نمايش محيط شامل ابزار و اطلاعات موجود در آن به شکل ساختارمند و رسمي (Formal).
هدف از مدل كردن زمينه :
ايجاد لايه اي مستقل از جزئيات محيط كه منجر به آسودگي در تهيه و پياده سازي برنامه هاي كاربردي در محيط محاسبات فراگير مي‌شود و تهيه كنندگان نرم‌افزار تمركز خود را روي فعاليتهاي اصلي (توليد و توسعه نرم‌افزار) متمركز ‌مي‌كنند و درگير پيچيدگيها نمي‌شوند.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

9. مدل كردن زمينه در محيط محاسبات فراگير (2)
لزوم مدل‌كردن زمينه :
با توجه به هدف محيط محاسبات فراگير، ابزارها بايد بتوانند اطلاعات و دانش زمينه را درک نموده، از آن استفاده کنند و به تبادل آن بپردازند.
پيچيدگيهاي محيط محاسبات فراگير با توجه به انواع و اقسام موجوديتهاي فيزيکي و غير فيزيکي و اطلاعات گوناگون موجود در محيط آن.
با توجه به موارد فوق، توسعه سيستمهاي مبتني بر زمينه بدون داشتن مدلي مناسب براي ارائه و نمايش دانش محيط، کاري بسيار مشکل و هزينه‌بر است.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

10. مدل كردن زمينه در محيط محاسبات فراگير (۳)
مسائل عمده‌اي كه در مدل كردن زمينه با آنها مواجه هستيم :
اطلاعات موجود در محيط، طبيعي و غير ساختارمند (غير فرمال) هستند.
محيط همواره در حال تغيير است و هر لحظه ممكن است تصميم يا واقعه جديدي اتفاق بيفتد (Dynamic)دانش همواره در حال تغيير است.
زمينه بايد توسط عوامل غير انساني و بطور اتوماتيك، پردازش و درک شود.
اطلاعات يکسان زمينه مي‌توانند به شکلهاي مختلفي نمايش داده شوند.
بدليل وجود تعداد بيشمار منابع كسب اطلاعات نظير سنسورها و … اطلاعات در چنين سيستمي جاري است بنابراين ملاحظات امنيتي و محافظتي بايد در مدل ارائه شده مورد توجه قرار گيرد.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

11. مدلهاي موجود براي مدل كردن زمينه
مدل كليد-مقدار: Key-Value
مدلهاي مبتني بر زبانهاي برچسب گذاري (MarkUp-Scheme)
مدلهاي شي‌گرا (Object Oriented)
مدلهاي مبتني بر گرافهاي زمينه‌اي (Contextual Graph)
مدلهاي مبتني بر وب (Web-Based)
مدلهاي مبتني بر منطق (Logic Based)
مدلهاي مبتني بر هستان شناسي (Ontology)
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

12. ملاكهاي مقايسه بين مدلها (۱)
حمايت از توزيع شدگي
بدليل اينكه محيط محاسبه فراگير طبيتا يك محيط توزيع شده است.
Modular بودن و قابليت اعتبار سنجي جزئي
اجزاء فراوان و پارامترهاي گوناگون دخيل در محيط نياز به يك مدل
پيمانه‌اي را لازم مي‌كند. رديابي خطاها و بررسي مدل در يك مدل غير
پيمانه‌اي وقت و هزينه بسياري را طلب مي‌كند.
ميزان رسمي بودن مدل (Formality)
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

13. ملاكهاي مقايسه بين مدلها (۲)
قابليت مواجهه با نقص و ابهام اطلاعات
منابع دانش در چنين محيطي ابزارهاي فيزيكي هستند كه گاها ممكن
است داده‌هاي نادرستي را ارائه كنند يا حتي داده‌اي ارائه نكنند لذا
مدل بايد بتواند به نوعي قابليت مواجهه با اين مشكلات را داشته باشد
مثلا در موارد خطا بتواند دانش مورد نياز را از ساير منابع بدست آورد.
قابلت كار با انواع و اشكال مختلف دانش
زيرا در چنين محيطي ممكن است يك اطلاع به صورتهاي متفاوتي بيان شود.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

14. ملاكهاي مقايسه بين مدلها (۳)
قابليت استفاده مجدد از مدل و توسعه آن
قابليت اجرايي شدن در محيط جاري با در نظر گرفتن وضعيت فعلي
قابليت مواجهه با تغييرات
از آنجا كه محيط محاسبه فراگير همواره در حال تغيير است مدلي
مناسب است كه پاسخگوي اين حجم تغييرات باشد.
قابليت استنتاج روي مدل
. . .
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

15. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
Ontology
Ontology : یکی از مفاهیمی که بطور گسترده در وب معنایی مورد استفاده قرار می گیرد.
: Ontology ادراك مشترك در يك موضوع خاص كه به صورت مجموعه‌اي از موجوديتها، ارتباطات، توابع و احكام و نمونه‌ها تصور مي‌شود. (نوعي بيان رسمي مفاهيم و ارتباطات آنها با يکديگر)
Ontology ها توسط زبانهاي مختلفي از جمله RDF، RDFS، OWL و ... بيان مي‌شوند.
نمونه به زبان OWL :
<Owl:ObjectProperty rdf:ID=“locatedIn”>
rdf:type=“owl:TransitiveProperty”/>
rdf:domain rdf:resource=“#Entity”/>
rdf:range rdf:resource=“#Location”/>
<owl:inverseOf rdf:resource=“#Contains”/>
</owlObjectProperty>
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

16. مدلهاي مبتني بر Ontology (۱)
روشهاي استفاده از زبانهاي MarkUp
روشهاي شئ‌گرا
روشهاي مبتني بر منطق
مدل مبتني بر Ontology انتخاب مناسبي براي مدل كردن محيط
محاسبه فراگير است.
قابلت كار با انواع و اشكال مختلف دانش
حمايت از توزيع شدگي
قابليت استفاده مجدد از مدل و توسعه آن
قابليت اعتبار سنجي جزئي
مدل رسمي
قابليت استنتاج روي مدل
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

17. مدلهاي مبتني بر Ontology (۲)
هدف : ارائه يك Shared Ontology يا Upper Ontology
يك Ontology كه بتواند مفاهيم كلي محيط را مدل نمايد و قابليت تبادل متقابل با ساير Ontology هاي موجود داشته باشد
بنابراين براي بيان يك دامنه خاص ديگر لازم نيست كار از صفر
شروع شود زيرا مدل مفاهيم کلي قبلا ايجاد شده‌اند.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

18. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CONON (۱)
CONtextONtology (CONON)
نمايش زمينه در محيط يک خانه‌ي هوشمند
مدل زمينه به دو بخش upper Ontology و specific Ontology
تقسيم مي‌شود.
upper ontology : مفاهيم كلي محيط
specific ontology : مفاهيم وابسته به كاربرد
مفاهيم كلي مفاهيم عبارتند از :
CompEntity, Location, Person, Activity
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

19. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CONON (۲)
upper ontology :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

20. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CONON (3)
specific ontology براي خانه هوشمند :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

21. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CONON (4)
بخشي از OWL توليد شده :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

22. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CONON (5)
مشكلات CONON:
يك Ontology تقريبا مستقل است و قابليت استفاده مجدد را ناديده مي‌گيرد.
تمام جوانب يک محيط Pervasive را در نظر نمي‌گيرد و محدود است. (مثلا مفهوم زمان يا کنترل دسترسي)
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

23. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CoBrA (۱)
Context Broker Architecture Ontology (CoBrA Ont)
هدف : مدل کردن زمينه در محيط يک اتاق کنفرانس هوشمند
موجوديتهاي کلي در نظر گرفته شده در CoBrA :
Place
Agent
Agent’s Location
Agent’s Activity
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

24. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CoBrA (۲)
موجوديتها و روابط آنها در مدل CoBrA :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

25. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CoBrA (۳)
مدل اجرايي پيشنهادي در CoBrA :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

26. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CoBrA (۴)
از جملات با فرمت OWL استفاده مي‌كند
استفاده از يك Broker در مديريت زمينه كه خود شامل بخشهاي زير است:
Context Knowledge Base (پايگاه دانش)
Context Reasoning Engine (موتور استنتاج)
Context Acquisition Module (بخش جمع‌آوري اطلاعات)
Privacy Management Module (بخش مديريت کنترل دسترسي)
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

27. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل CoBrA (۵)
مشكلات CoBrA Ont:
يك Ontology مستقل بدون درنظر گرفتن ساير Ontology ها براي استفاده مجدد متقابل.
تمام جوانب يک محيط هوشمند در آن در نظر گرفته نشده‌اند. برخي از آنها به Broker سپرده شده اند. مثل کنترل دسترسي
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

28. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل SOUPA (۱)
SOUPA (Standard Ontology for Ubiquitous and Pervasive Applications)
ادامه و بهبود مدل CoBrA است.
مثل CONON دو بخش در نظر گرفته شده است :
Core SOUPA: مفاهيم كلي موجود در محيط محاسبات فراگير
Extension SOUPA: مفاهيم وابسته به دامنه در محيط محاسبات فراگير
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

29. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل SOUPA (۲)
مدل پيشنهادي در SOUPA با توسعه مبتني بر كاربر اتاق كنفرانس هوشمند :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

30. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل SOUPA (۳)
استفاده از مفاهيم ساير Ontology هایی که تا حدی استاندارد و عمومی شده اند و بعضا اعمال تغييرات در آنها مورد توجه قرار گرفته است :
Person ~ FOAF
Time ~ DAML-Time
Space ~ OpenCyc Spatial & RCC
Policy ~ Rei Policy Ontology
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

31. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل SOUPA (۴)
نکاتي درباره SOUPA :
قابلیت استفاده مجدد و توسعه در آن دیده شده است.
مدل تا حدودي پيچيده است.
ممکن است کارايي مناسبي نداشته باشد مثلا در استنتاج –
مثال : شخص A در زمان t در کجا (موقعيت مکاني) قرار دارد؟
دسته‌بندي آنتولوژي‌ها مي‌توانست متفاوت باشد. با توجه به اینکه همواره وسائل و ابزاری در هر محیطی موجودند.
بعنوان مثال آنتولوژي Device در بخش هسته قرار گيرد- ممکن است باعث بهبود کارايي شود.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

32. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
مدل پيشنهادي
مدل پيشنهادي براي نمايش زمينه در محيط يک خانه‌ي هوشمند :
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

33. نکاتي راجع به مدل پيشنهادي
قابليت استفاده مجدد در آن ديده شده است.
از ساختارهاي زبان OWL استفاده مي‌کند.
ساده و قابل فهم است که سادگي آن ممکن است منجر به کارايي بالاتر گردد.
هنوز مدل جامع و کاملی نیست. (با توجه به جوانب و مسائل پیش رو)
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

34. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
جمع بندی
دو مدل اول بررسی شده در دسته مدلهای کلی و جامع نمایش زمینه در محیط محاسبات فراگیر قرار نمی گیرند.
مدل SOUPA مدل مناسبی به نظر می رسد.
چون مدلهای موجود کاربردی نشده اند هنوز مشکلات اجرایی آنها شناسایی نشده است و معلوم نیست پاسخگوی نیازها باشند یا خیر؟
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

35. مقايسه بين مدلهاي مبتني بر Ontology (۱)
در مدلهاي ارائه شده فقط به پاسخ دهي مدل در برابر برخي سناريوهاي از پيش در نظر گرفته شده، اکتفا شده است.
بعنوان ملاک مقایسه؛ پاسخ دهي به خودي خود ملاك درستي نيست. شايد زمان پاسخ دهي به استنتاج‌ها يك ملاك قابل قبول باشد.
ملاك مقايسه بين Ontology ها كلا يك متد تعريف شده و معيني ندارد.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

36. مقايسه بين مدلهاي مبتني بر Ontology (۲)
کارهاي پيش رو در اين زمينه :
پرداختن به بحث ارزيابي مدلهاي مبتني بر Ontology و استخراج عوامل و پارامترهاي موثر در آن.
ارزيابي مدلهاي موجود مبتني بر Ontology و مدل پيشنهادي.
تغييرات احتمالي در مدل پيشنهادي با توجه به نتايج بدست آمده از مراحل فوق.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

37. استنتاج (Reasoning) در مدلهاي مبتني بر Ontology (۱)
نتيجه گيري نتايجي كه بطور مستقيم از سنسورها و كنترل‌گرهاي محيط قابل دريافت نيستند.
پدر خانواده الان در كجاست؟
چه كسي در ساعت مشخصي از يك وسيله (مثلا يخچال) استفاده كرده است؟
كشف منابع (Resource Discovery) در محيط محاسبات فراگير.
رديابي موارد متناقض (Inconsistency) در Ontology كه گاها بدليل دريافت دانش بصورت ناقص پيش مي‌آيد يا به هر دليل ديگر.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

38. استنتاج (Reasoning) در مدلهاي مبتني بر Ontology (۲)
در هر کدام از مدلهاي ارائه شده ابزار و روش خاصي براي کار استنتاج استفاده شده است و روش يا قاعده کلي در استنتاج دانش از آنتولوژيها وجود ندارد.
کارهاي پيش رو در اين زمينه :
پرداختن به استنتاج در Ontology ها و تلاش براي ارائه يک روش مناسب و کلي در اين راه.
تغييرات احتمالي در مدل پيشنهادي با توجه به نتايج بدست آمده از مرحله فوق.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

39. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
منابع و مراجع اصلي
[1] R. Masuoka, B. Parsia and Y. Labrou, “Task Computing - The Semantic Web Meets Pervasive Computing”, ISWC 2003(2nd Intl. Semantic Web Conference) Industrial, Florida , October 2003.
[2] T. Strang and C. Linnhoff-Popien, “A Context Modeling Survey”, In Proceedings of the Workshop on Advanced Context Modelling, Reasoning and Management, 2004.
[3] L. Ding, P. Kolari, Z. Ding and S. Avancha, “Using Ontologies in the Semantic Web: A Survey”, To Appear in UMBC CS Technical Report, October
[4] G. K. Most´efaoui, J. Pasquier-Rocha and P. Br´ezillon, “Context-Aware Computing: A Guide for the Pervasive Computing Community”, International Conference on Pervasive Services, 2004.
[5] A. Held, S. Buchholz and A. Schill, “Modeling of Context Information for Pervasive Computing Applications”, In Proceedings of SCI 2002/ISAS, 2002.
[6] T. Gu, X. H.Wang, H. K. Pung and D. Q. Zhang, “An Ontology-based Context Model in Intelligent Environments”, In Proceedings of Communication Networks and Distributed Systems Modeling and Simulation Conference, 2004.
[7] X. H. Wang , D. Q. Zhang, T. Gu and H. K. Pung, “Ontology Based Context Modeling and Reasoning using OWL”, Proceedings of the Second IEEE Annual Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops, 2004.
[8] H. Chen, T. Finin, A. Joshi, F. Perich, D. Chakraborty and L. Kagal, “Intelligent Agents Meet the Semantic Web in Smart Spaces”, IEEE Internet Computing, Vol. 8, No. 6, pp , November/December 2004.
[9] H. Chen, F. Perich, T. Finin and A. Joshi, “SOUPA: Standard Ontology for Ubiquitous and Pervasive Applications”, In International Conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Networking and Services, Boston, MA, August 2004.
[10] H. Chen, T. Finin and A. Joshi, “An ontology for context aware pervasive computing environments”, to appear, Knowledge Engineering Review - Special Issue on Ontologies for Distributed Systems, Cambridge University Press, 2004.
[11] F. Fuchs, I. Hochstatter and M. Krause, “A Metamodel Approach to Context Information”, Proceedings of the 3rd Int’l Conf. on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom 2005 Workshops), IEEE 2005, 2005.
[12] S. S. Intille, “Designing a Home of the Future”, IEEE Pervasive Computing, 2002.
[13] P. A. Haya, G. Montoro and X. Alaman, “A Prototype of a Context-Based Architecture for Intelligent Home Environments”, CoopIS/DOA/ODBASE, 2004.
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير

40. نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير
با تشكر
پايان
نمايش زمينه توسط وب معنايي براي محيط‌هاي محاسبات فراگير