Σύστημα διάχυτης και διεισδυτικής υπολογιστικής με επίγνωση του περιβάλλοντος

Abstract

The concept of Pervasive Computing (PerCom) is seamlessly integrated with the future of next generation computing and communication systems. This industry is an unknown, but challenging territory for many industry players, since pervasiveness will enable various stakeholders to take advantage of unexplored areas of offering interactive services with real value to end-users. The spread of intelligence in everyday objects, owing to the miniaturisation and cost reduction of hardware, in collaboration with ubiquitous and pervasive computing initiatives will change the way providers and customers interact. By creating new and innovative service delivery channels integrated in the physical world we inhabit and the accessories we carry, providers will be able to meet people on their own terms, while the geographic area of the customer will become the provider’s business domain. Nevertheless before this vision can be realized, some issues need to be addressed, an indispensable of which is context-awareness. The creation and provision of context-aware services is the more critical requirement that needs to be addressed in the implementation of a pervasive computing platform. The term “context information’’’ refers to the surrounding physical and social situation and is considered a basic tool in the efforts of the developers to diffuse and seamlessly incorporate pervasiveness in every day human reality. The fundamental objective of context-aware computing is to acquire and process information from the environment in order to provide services that target specific persons, in specific place, time, events, etc. In this framework context-aware computing is in the unique place to shape new combinations of existing and future technologies, aiming to create a technological reality more vivid and imaginative from any other that preceded. This thesis gives answers to crucial problems which have not yet been addressed in the context-aware computing domain, covering subjects that concern the design, development, implementation and evaluation of a context management system. Following to the presentation of the pervasive computing concept, the thesis gives emphasis in context awareness and analyzes the emerging questions and challenges throughout the implementation of efficient context management methods, while a review of related middleware solutions is provided. Subsequently the thesis studies solutions that optimise the mechanisms realizing the context management functionality. In this perspective, it focuses in the following fundamental mechanisms: (i) Selection and implementation of an efficient context model, (ii) Design of an integrated architectural framework that supports advanced context management and storage mechanisms and specifies special methods for managing mobile physical objects, (iii) implementation and evaluation of intelligent mechanisms for searching context information in free-text documents and finally, (iv) design and assessment of an innovative model for disseminating and selectively updating context replicas in distributed network nodes.

Η έννοια της διάχυτης και διεισδυτικής υπολογιστικής (Pervasive Computing - PerCom) είναι συνυφασμένη με το μέλλον των υπολογιστικών και επικοινωνιακών συστημάτων επόμενης γενιάς. Αυτή η βιομηχανία είναι μια άγνωστη αλλά πολλά υποσχόμενη περιοχή, δεδομένου ότι η διεισδυτικότητα θα δημιουργήσει πολλές νέες επιχειρηματικές ευκαιρίες. Η διάχυση της νοημοσύνης στα καθημερινά αντικείμενα, λόγω της σμίκρυνσης και της μείωσης των δαπανών του υλικού, σε συνδυασμό με τα ερευνητικά αποτελέσματα που πραγματοποιούνται από τις διάφορες πρωτοβουλίες στον τομέα PerCom, θα αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν οι παροχείς με τους πελάτες. Υπό αυτό το πρίσμα η επιχειρηματικότητα θα συναντήσει τους ανθρώπους σύμφωνα με τους όρους τους, ενώ η γεωγραφική θέση του πελάτη θα είναι η θέση του επιχειρηματικού πεδίου δράσης του παροχέα. Καθώς λοιπόν εξελίσσονται τα παραδοσιακά συστήματα, μια σημαντική πτυχή που πρέπει να μελετηθεί είναι η επίγνωση του περιβάλλοντος (context-awareness). Η δημιουργία και παροχή υπηρεσιών που έχουν επίγνωση του περιβάλλοντος (context-aware services) είναι μια από τις κρισιμότερες απαιτήσεις κατά την υλοποίηση της διάχυτης υπολογιστικής. Ο όρος "πληροφορίες περιβάλλοντος" (context) αναφέρεται στην περιρρέουσα φυσική και κοινωνική κατάσταση και θεωρείται βασικό εργαλείο στις προσπάθειες των υπεύθυνων για την ανάπτυξη να διασκορπίσουν και να ενσωματώσουν άρρηκτα την υπολογιστική PerCom στην ανθρώπινη καθημερινότητα. Ο κυριότερος στόχος της υπολογιστικής επίγνωσης του περιβάλλοντος (context-aware computing) είναι να αποκτηθούν και να αξιοποιηθούν πληροφορίες από τον περιρρέοντα χώρο ώστε να παρέχονται υπηρεσίες που είναι κατάλληλες για συγκεκριμένους ανθρώπους, σε συγκεκριμένο τόπο, χρόνο, γεγονότα, κ.λπ. Υπό αυτό το πρίσμα η υπολογιστική επίγνωσης του περιβάλλοντος είναι σε θέση να σφυρηλατήσει νέους συνδυασμούς των υπαρχουσών και μελλοντικών τεχνολογιών και να δημιουργήσει μία τεχνολογική πραγματικότητα ζωηρότερη και πιο ευφάνταστη πιθανόν από κάθε άλλη που προηγήθηκε. Η παρούσα διατριβή δίνει απαντήσεις σε προβλήματα τα οποία δεν έχουν ακόμη αντιμετωπιστεί στα πλαίσια της υπολογιστικής επίγνωσης του περιβάλλοντος, καλύπτοντας θέματα που αφορούν τη σχεδίαση, την ανάπτυξη, την προώθηση και την αξιολόγηση ενός συστήματος διαχείρισης πληροφοριών περιβάλλοντος. Έπειτα από την παρουσίαση της έννοιας της διάχυτης υπολογιστικής, η διατριβή εστιάζει στην υπολογιστική επίγνωσης του περιβάλλοντος και αναλύει τα αναδυόμενα ζητήματα και προκλήσεις κατά την υλοποίηση μεθόδων αποδοτικής διαχείρισης της πληροφορίας που ανακτάται από το περιβάλλον, ενώ πραγματοποιείται μία επισκόπηση των σχετικών λύσεων μεσισμικού. Ακολούθως η διατριβή επικεντρώνεται στους εξής θεμελιώδεις μηχανισμούς βελτιστοποίησης των λειτουργιών διαχείρισης της πληροφορίας περιβάλλοντος: (i) Επιλογή και υλοποίηση ενός αποδοτικού μοντέλου αναπαράστασης πληροφοριών context, (ii) σχεδιασμός ενός ολοκληρωμένου αρχιτεκτονικού πλαισίου που υποστηρίζει προηγμένους μηχανισμούς επικοινωνίας, διαχείρισης και αποθήκευσης πληροφοριών context, ενώ προδιαγράφει ειδικές μεθόδους διαχείρισης της κινητικότητας του χρήστη, (iii) υλοποίηση και αξιολόγηση ευφυών μηχανισμών σημασιολογικής αναζήτησης κατανεμημένων πληροφοριών context σε κείμενα ελεύθερης περιγραφής και (iv) σχεδιασμός και αποτίμηση ενός καινοτομικού μοντέλου διανομής και ενημέρωσης αντιγράφων context σε κατανεμημένους κόμβους του δικτύου.