上下文感知技术在智能环境系统中的应用及举例刘阳北京邮电大学电信工程学院，北京（100876）Email: sunlaumaster@摘要：上下文感知技术是实现智能环境的一种关键技术。
基于上下文感知技术，应用环境能够根据周围上下文信息调整自身状态[1]，从而实现智能行为。
本文首先介绍了上下文感知和智能环境的概念和关键技术，然后介绍了一种基于上下文感知技术的智能环境应用系统——智能远程电子健康系统。
关键词：上下文感知智能环境本体论推理电子健康1．引言长期以来，人和计算机交互的方式都是以计算机为中心的桌面计算的模式，计算机并没有充分地与人的生活环境融合在一起。
通过使用基于上下文感知技术构建起的智能环境系统，计算机逐步从实验室、办公室融入了人们的日常生活之中。
究竟何为上下文感知技术和智能环境？它们是如何实现的？主要涉及那些关键技术？上下文感知技术是如何应用在智能环境里的？本文将对这些方面的内容进行介绍。
2．相关概念智能环境是指用户界面的宿主系统所处的环境应该是智能的[2]。
智能环境的特点是它的隐蔽性、自感知性、多通道性及强调物理空间的存在。
智能环境的本质是一种嵌入了多种感知、计算设备的物理空间，能够根据上下文识别人的身体姿态、手势、语音等，进而判断出人的意图，以有效提高人们的工作和生活质量。
上下文信息是指位置，动作，历史纪录等信息，反映了与对象相关的一些属性信息。
它起源于进行数据采集或测量并将其表示出来的服务。
上下文信息产生的效果包括：改变显示给用户的信息，改变用户的选择，改变用户发布命令的效果，以及预测下一步最有可能发生的事件等。
上下文感知是指系统自动的对上下文信息、上下文信息的变化以及上下文信息的历史进行感知和应用，并根据其调整自身的行为。
上下文感知是提高计算智能性的重要途径，也是智能系统与周围环境之间方便、高效的交互方法[3]。
3．上下文感知涉及到的关键技术上下文感知过程主要包括三个步骤：数据采集、推理和事件驱动。
其中，数据采集步骤涉及到传感器技术，推理步骤涉及到推理引擎技术，事件驱动步骤涉及到自动控制技术。
下面逐一进行介绍。
3.1 传感器技术传感器技术作为信号采集和测量控制的手段，是现代高科技发展不可缺少的技术。
传感器是指能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
它的输入量是某种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，主要是电量。
输入与输出之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。
输出电量的传感器主要包括敏感元件、转换元件和调理电路三部分，其工作过程如下：首先敏感元件捕获应用环境或监测对象的敏感物理量信息，然后转换元件将敏感元件的输出转换成一定的电路参数，最后调理电路将敏感元件和转换元件输出的电路参数转换、调理成一定形式的电量输出，从而完成了传感器从输入到输出过程的转化。
按照传感器的使用用途可以分为位移传感器、压力传感器、速度传感器和温度传感器等，分别探测位移、压力、速度和温度等上下文信息。
传感器技术因而构成了上下文感知技术的主要信息采集手段。
3.2 推理引擎技术推理引擎属于上下文感知推理部分的功能实体，是上下文感知技术实现智能环境系统的信息分析处理模块。
它模仿人类的思维方式，使用试探性的方法进行推理，并使用人类能理解的术语解释和证明它的推理结论。
按照推理机制来划分，推理引擎的推理机制主要包括基于规则的推理引擎和基于本体论的推理引擎。
本文中的智能远程电子健康系统使用的是基于本体论的推理引擎，下面对两者分别进行介绍。
3.2.1 基于规则的推理引擎基于规则的推理引擎顾名思义是基于推理规则进行推理的，结构如图1所示。
它将工作空间中的上下文信息输入和包含于规则数据库中的推理规则进行模式匹配。
对于同一条上下文信息输入可能同时有多条推理规则相匹配，因此需要进行优先级排队选出最优的推理规则执行顺序，然后将这些符合匹配条件的推理规则按照排好的顺序放入工作日程中。
执行引擎会按顺序依次执行工作日程中的推理规则，得出推理结果。
对于多条件推理的情况需要对推理出的多个结果进行数据融合，输出具有语义的唯一推理结果，用以驱动产生相应的事件。
图1 基于规则的推理引擎结构3.2.2 基于本体论的推理引擎本体论原本是哲学中的一个概念，是指从人类行为中抽象出来的现实本质[4]。
但信息处理领域中的本体论与哲学领域中的内涵不同，Borst将本体论定义为共用概念的正规明确的具体的概念化模式，其中概念化指的是通过标识某一现象的相关概念而建立的这一现象的抽象模型，明确指的是所用的概念的类型和用法的限制有明确的定义，正规指的是本体论的实例可以实现机读，共用指的是本体论所捕捉的知识带有一般性，而不是某些个体所独有的。
从本体论的定义可以看出，本体论这一信息处理模式在保持其原有核心特征的基础上，本身在不断的发展和完善。
简而言之，本体论是一个概念集合，这些概念包括等级结构、概念间的关系、每个概念所具有的属性以及进一步限制的定理。
因此可以使用本体论来建立等级关系的知识模型，在等级结构的知识模型中可以定义信息客体及其相关的属性与关系等。
在实际中，本体论是概念化的详细说明，一个本体论往往就是一个基本的词汇表，其核心作用就在于定义某一领域内的专业词汇以及它们之间的关系。
这些基本词汇就如同一座大厦的基石，为交流各方提供了交流的语义共识。
在这些基本词汇的支持下，知识的搜索、积累和共享的效率将被大大提高，真正意义上的知识重用和共享也成为了可能。
进一步，本体提供的这种语义共识更主要的是为机器服务，因为机器并不能像人类那样理解自然语言所表达的语义，目前的计算机也只能把文本当成字符串处理。
因此，在信息处理领域讨论本体论，就要讨论本体论究竟是如何表达语义共识的，也就是概念的形式化问题。
这就涉及到本体论的描述语言、本体论的建设方法等具体内容。
本体论的描述语言使得用户能够为特定领域模型编写清晰的、形式化的概念描述，因此它应该满足以下要求：良好定义的语法、良好定义的语义、有效的推理支持、充分的表达能力和表达的方便性。
本体论的建设方法也根据本体论描述语言的不同而有所不同，一般来说都是使用本体论的描述语言所定义的文件格式对本体的属性和关系进行描述。
计算机则根据这些本体描述文件理解本体的含义和层次关系并建立相关的推理规则对其进行推理，这就实现了基于本体论的推理引擎。
基于本体论的推理引擎的结构框图如图2所示[5]。
图2 基于本体论推理引擎的结构3.2.3 两者的比较如果将推理机制与计算机编程语言做下类比，那么基于规则的推理引擎就相当于面向过程的编程方式，其推理过程通过对推理规则进行逐一匹配来完成；而基于本体论的推理引擎则相当于面向对象的编程方式，其推理过程是根据推理对象确定所使用的推理规则，根据确定出的推理规则进行推理，这样就大大缩小了需要匹配的推理规则的查找范围，即只需对推理对象所对应的推理规则进行匹配操作就可以了，这样也大大提高了推理引擎的效率。
此外，基于本体论的推理引擎具有更好的可扩展性，只需添加新的本体描述和其对应的推理规则即可对新的本体进行推理，而基于规则的推理引擎则需要修改所有相关的推理规则。
另外，基于本体论的推理引擎具有更高的安全性。
不会因为推理规则的混乱得到意想不到的推理结果。
综合以上各点原因，应用系统采用基于本体论的推理机制。
3.3 自动控制技术通过使用自动控制技术，应用环境能够利用推理结果自动改变自身状态，从而体现智能性。
自动控制行为是通过反馈控制系统来实现的，传感器将收集上来的各种上下文信息不断反馈给推理引擎处理，环境中的各种智能设备则接收推理引擎推理输出的结果并将其作为控制指令来改变自身的状态，而当智能环境中的上下文信息改变之后，推理引擎的输出结果也会相应的发生改变，直到环境中的状态达到稳定为止。
4.智能远程电子健康系统下面介绍一下利用上下文感知技术实现的一个智能环境应用场景。
4.1 概述电子健康（E-health）是国际上的一个新概念,已在发达国家酝酿多年，并带动了一系列新技术、新产品和新服务项目的开发，并且已经开始惠及广大人群。
电子健康系统是现代信息通讯技术与数字化医疗保健技术的结合。
现代化数字医疗装备是实现电子健康的基础，而“医院信息化”的最重要内容，是将现代信息技术与数字化医疗设备应用于整个医疗过程，能够在不同地域、不同科室的医务工作者之间，医务人员与病人之间进行通畅的交流与共享，从技术上保证救治合理，保障医患双方权益的平台。
传统的电子健康系统完全依靠人来操作，智能化程度很低，而且作用范围很小。
通过将现有的电子健康系统与远程通信技术相结合，可以实现电子健康系统的远程化，即远程电子健康系统。
目前远程电子健康系统的研究开发工作已经相当成熟，在很多国家都有应用的先例，但在将电子健康系统与上下文感知技术相结合的智能电子健康系统方面的研究还比较少，本文介绍的智能远程电子健康系统就是将电子健康系统与上下文感知技术和远程通信技术相结合的成果。
4.2 功能介绍下面对系统的主要功能进行介绍。
4.2.1 健康监测功能病人身上安装有若干传感器，会以固定频率实时采集病人的身体数据，如脉搏、血压、体温、呼吸等，并将这些身体数据通过无线通信网络立即发送给系统数据处理中心即推理引擎，推理引擎对这些身体数据进行分析推理，根据正常的身体数据值推断出病人当前的健康状况。
健康状况按照轻重缓急程度可分为正常、异常和危急。
按照这样的分类，正常情况下系统不需要采取什么操作，继续检测即可；如若检测出异常情况，系统会通过铃声或是语音提示等方式来对病人进行提醒；若是紧急状况，系统会自动呼叫医院，医院便会立即出动救护车前来抢救。
4.2.2 远程医疗功能如果病人感觉身体不适可以通过系统随时呼叫医院侧的电子医生，电子医生会通过网络摄像头采集病人的身体上下文信息并参照病人的病史上下文信息对病人的病情进行推断，并可以实时开出电子处方。
为防万一，系统会将开好的电子处方显示给医生看并向医生进行解释，医生确认后医院便会将药送到病人的家中并告知如何服用。
这样病人就可以很方便的在家中享受到远程医疗服务，这个功能很适用于那些行动不便的病人。
既然是电子健康系统，系统内所有与病人相关的资料信息都要实现电子化，包括病人的个人资料、以往病历、医生开的处方、病人的治疗情况信息等，这些资料都保存在医院侧的病人档案数据库里，可供随时调阅。
4.2.3 生活便利服务除了医疗服务之外，系统还为病人提供了一些生活便利方面的服务，帮助病人完成一些生活琐事。
这些便利服务主要有以下几个方面：a) 自动控制功能系统可以使用上下文感知技术自动控制屋内设备的状态，使其根据环境上下文信息自动改变自身状态，从而体现出智能性。
