Σχεδίαση και υλοποίηση διαμεσολαβητικού συστήματος για τη σύνθεση εφαρμογών περιρρέουσας νοημοσύνης

Abstract

The Ambient Intelligence vision involves a new type of computational environments populated with computational devices embedded in the physical environment, integrated with each other, and executing applications whose services “follow” the user being readily accessible from anyplace anytime. In one of its possible implementations, ambient technology becomes embedded in everyday objects such as furniture, clothes, appliances, vehicles, roads and smart materials, and people are provided with the tools and processes that are necessary in order to achieve relaxing interactions with this environment. An AmI environment can be considered to host several Ubiquitous Computing (UbiComp) applications, which make use of the infrastructure services provided by the environment and the services provided by the objects therein. An important characteristic of AmI environments is the merging of physical and digital space (i.e. tangible objects and physical environments are acquiring a digital representation). As the computer disappears in the environments surrounding our activities, the objects therein become augmented with Information and Communication Technology (ICT) components (i.e. sensors, actuators, processor, memory, and wireless communication modules) and can receive, store, process and transmit information. These objects are known as “augmented” objects or artifacts.These objects may be new or improved versions of existing objects, which by using the ambient technology, allow people to carry out novel or traditional tasks in unobtrusive and effective ways. Users may sometimes not perceive the physical existence of objects and devices in this new type of environments, but they conceptualize the provided services in their everyday living. The provision of conceptual models and software mediators for creating, managing, communicating with, and reasoning about these new ecologies (or UbiComp applications) is of paramount importance, because people involvement is considered crucial for the successful adoption of this new computing paradigm. This PhD thesis examines specifically the Plug/Synapse model, and proposes a generic architecture for AmI systems as well as the GAS-OS middleware. The former provides a conceptual model for building UbiComp applications in a high-level programming manner. This model can be comprehended and applied via supporting tools both by developers and users to manipulate at different levels of detail the characteristics and functionality of UbiComp applications. The proposed architecture presents the design of a generic system capable of dealing with the design and functional requirements detected in AmI environments. The generic architecture enhanced with the conceptual model converges to the design and implementation of the GAS-OS middleware system. According to the thesis’ approach, applications consist of interacting tangible objects (artifacts) which carry the ICT technology required. The GAS-OS middleware is coupled with these artifacts and supports their collective operation transparently to the user. The conceptual model and the accompanying middleware are part of the Gadgetware Architectural Style (GAS), which constitutes a generic framework, shared by users and designers for consistently describing, using, reasoning about UbiComp applications within the AmI environment. GAS proposes the appropriate design vocabulary, configuration and semantic interpretation rules that facilitate the development of UbiComp applications. GAS considers the process where people configure and use complex collections of interacting artifacts, as having much in common with the process where system builders design software systems out of components. In the proposed approach, the Plug/Synapse model provides a high-level abstraction of the component interfaces and the composition procedure. The PhD thesis explores the design and functional requirements of the domain of Ambient Intelligence based on which on the one hand proposes a generic architecture for such systems, and on the other hand carries out a critical analysis of existing approaches all over the world. It then presents the GAS architectural style and focuses on the analysis, design, implementation and evaluation of the GAS-OS middleware system. Finally, it concisely describes the end user tools dimension through which the interaction among users and UbiComp applications is facilitated and ends up with conclusions and future directions of the research carried out.

Το όραμα της περιρρέουσας νοημοσύνης (Ambient Intelligence) αφορά μια νέα μορφή υπολογιστικού περιβάλλοντος εμπλουτισμένου με υπολογιστικές συσκευές ενσωματωμένες στο φυσικό περιβάλλον που μπορούν να συνεργάζονται και να εκτελούν εφαρμογές, οι υπηρεσίες των οποίων «ακολουθούν» το χρήστη και είναι άμεσα προσβάσιμες οποτεδήποτε και από οπουδήποτε. Σε μια από τις πιθανές υλοποιήσεις του, η περιρρέουσα τεχνολογία ενσωματώνεται σε καθημερινά αντικείμενα όπως έπιπλα, ρούχα, οικιακές και ηλεκτρικές συσκευές, οχήματα, δρόμους, και «έξυπνα» υλικά, ενώ οι άνθρωποι εξοπλίζονται με εργαλεία και διεργασίες απαραίτητες για την επίτευξη αλληλεπιδράσεων με αυτά τα περιβάλλοντα. Ένα AmI περιβάλλον μπορεί να φιλοξενεί μεγάλο αριθμό AmI εφαρμογών οι οποίες χρησιμοποιούν τις υπηρεσίες υποδομής που παρέχονται από το περιβάλλον και τις συσκευές/αντικείμενα που το απαρτίζουν. Βασικό χαρακτηριστικό ενός τέτοιου περιβάλλοντος αποτελεί η συνένωση του φυσικού και του ψηφιακού χώρου, δηλαδή τα απτά φυσικά αντικείμενα και περιβάλλοντα αποκτούν και μια ψηφιακή διάσταση. Καθώς ο υπολογιστής «εξαφανίζεται» στα περιβάλλοντα που φιλοξενούν τις δραστηριότητες των ανθρώπων, τα αντικείμενα που βρίσκονται μέσα σε αυτά επαυξάνονται με στοιχεία πληροφορικής τεχνολογίας και επικοινωνίας (Information and Communication Technology components), όπως αισθητήρες, ενεργοποιητές, επεξεργαστές, μνήμη, μονάδες ασύρματης επικοινωνίας κτλ., και αποκτούν δυνατότητες λήψης, αποθήκευσης, επεξεργασίας και μετάδοσης πληροφοριών και δεδομένων. Τα αντικείμενα αυτά αναφέρονται ως «επαυξημένα» αντικείμενα ή τεχνουργήματα, ενώ τα συστήματα τέτοιων αντικειμένων καλούνται συστήματα διάχυτου υπολογισμού (ubiquitous systems). Τα αντικείμενα μπορεί να είναι νέες ή και βελτιωμένες εκδόσεις υπαρχόντων αντικειμένων, τα οποία με τη χρήση της περιρρέουσας τεχνολογίας επιτρέπουν στους ανθρώπους να εκτελούν νέες ή και παραδοσιακές εργασίες ευκολότερα και πιο αποδοτικά. Οι χρήστες μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να μην αντιλαμβάνονται την ύπαρξη των ίδιων υπολογιστικών συσκευών που διέπουν αυτό το νέο κόσμο τους, αντιλαμβάνονται όμως τις υπηρεσίες που τους παρέχουν στον καθημερινό τρόπο ζωής τους. Η παροχή εννοιολογικών μοντέλων και διαμεσολαβητικών λογισμικών για τη δημιουργία, τη διαχείριση, την επικοινωνία και τη συλλογιστική που διέπει αυτές τις νέες οικολογίες (ή εφαρμογών περιρρέουσας νοημοσύνης) είναι επιτακτική, καθώς η συμμετοχή των ανθρώπων θεωρείται κρίσιμη για την επιτυχή υιοθέτηση αυτού του νέου υπολογιστικού παραδείγματος. Η διδακτορική διατριβή διερευνά συγκεκριμένα το μοντέλο Συνδέσμων/Συνάψεων, και προτείνει μια γενική αρχιτεκτονική για συστήματα διάχυτου υπολογισμού και το διαμεσολαβητικό λογισμικό (middleware) GAS-OS. Το πρώτο παρέχει ένα εννοιολογικό μοντέλο για τη δημιουργία AmI εφαρμογών μέσω μιας υψηλού επιπέδου προγραμματιστικής διαδικασίας. Το μοντέλο αυτό μπορεί να κατανοηθεί και να εφαρμοστεί μέσω υποστηρικτικών εργαλείων τόσο από προγραμματιστές όσο και από τελικούς χρήστες για το χειρισμό, σε διαφορετική λεπτομέρεια, των χαρακτηριστικών και της λειτουργικότητας των εφαρμογών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική παρουσιάζει τη σχεδίαση ενός γενικού συστήματος ικανού να αντιμετωπίσει τις σχεδιαστικές και λειτουργικές απαιτήσεις που εντοπίζονται σε περιβάλλοντα περιρρέουσας νοημοσύνης. Η γενική αρχιτεκτονική εμπλουτισμένη με το εννοιολογικό μοντέλο συγκλίνουν στο σχεδίασμά και την υλοποίηση του διαμεσολαβητικού λογισμικού GAS-OS. Στην προσέγγιση της διατριβής οι εφαρμογές αποτελούνται από αλληλεπιδρώντα τεχνουργήματα που έχουν ενσωματωμένη την απαιτούμενη τεχνολογία. To GAS-OS είναι αλληλένδετο με τα τεχνουργήματα και υποστηρίζει τη συλλογική τους λειτουργία με διαφανή προς το χρήστη τρόπο. Το εννοιολογικό μοντέλο και το διαμεσολαβητικό λογισμικό αποτελούν μέρη του Gadgetware Architectural Style (GAS) που αποτελεί ένα γενικό πλαίσιο το οποίο διαμοιράζεται από χρήστες και σχεδιαστές για συνεπή περιγραφή, χρήση και συλλογιστική εφαρμογών σε περιβάλλοντα περιρρέουσας νοημοσύνης. Το GAS προτείνει ένα κατάλληλο σχεδιαστικό λεξιλόγιο, μια διαδικασία διαμόρφωσης εφαρμογών και κανόνες σημασιολογικής ερμηνείας που διευκολύνουν την ανάπτυξή τους. Το GAS θεωρεί τη διαδικασία διαμόρφωσης και χρήσης σύνθετων συλλογών από αλληλεπιδρώντα τεχνουργήματα, παρόμοια με τη διαδικασία σχεδιασμού συστημάτων λογισμικού από μηχανικούς με βάση δομικά στοιχεία (components). Στην προτεινόμενη προσέγγιση, το μοντέλο συνδέσμων/συνάψεων παρέχει μια υψηλού επιπέδου αφαίρεση των διεπαφών των δομικών στοιχείων και της διαδικασίας σύνθεσής τους. Η διδακτορική διατριβή καταγράφει τις σχεδιαστικές και λειτουργικές απαιτήσεις του χώρου της περιρρέουσας νοημοσύνης με βάση τις οποίες αφενός προτείνει μια γενική αρχιτεκτονική για τέτοια συστήματα, αφετέρου διεξάγει μια κριτική παρουσίαση υπαρχουσών προσεγγίσεων ανά τον κόσμο. Στη συνέχεια παρουσιάζει το αρχιτεκτονικό στυλ GAS και επικεντρώνει στην ανάλυση, σχεδίαση, υλοποίηση και αξιολόγηση του διαμεσολαβητικού λογισμικού GAS-OS. Τέλος προβάλλει τη διάσταση των εργαλείων μέσω των οποίων διευκολύνεται η αλληλεπίδραση χρηστών και AmI εφαρμογών και καταλήγει με συμπεράσματα και μελλοντικές κατευθύνσεις της διεξαχθείσας έρευνας.