HAL Id：tel-01368084

0HAL Id：tel-013680840https://theses.hal.science/tel-013680840提交日期：2016年9月19日0HAL是一个多学科的开放获取档案库，用于存储和传播科学研究文档，无论其是否发表。这些文档可能来自法国或国外的教育和研究机构，或者来自公共或私人研究中心。0HAL多学科开放获取档案库，旨在存储和传播研究水平的科学文献，无论其是否发表，这些文献来自法国或国外的教育和研究机构，公共或私人研究中心。0基于语义的中间件支持IoT智能环境中的游牧用户0Benoit Christophe0引用此版本：0Benoit Christophe。基于语义的中间件支持IoT智能环境中的游牧用户。普及计算。皮埃尔和玛丽居里大学 -巴黎六大，2015年。英语。�NNT：2015PA066669�。�tel-01368084�0皮埃尔和玛丽居里大学博士学位论文0专业0计算机科学0计算机科学、电信和电子学博士学位（巴黎）0由...提交0Benoit CHRISTOPHE0获得...的学位0皮埃尔和玛丽居里大学博士学位0论文题目：0基于语义的中间件支持IoT智能环境中的游牧用户0于2015年9月7日支持0在以下评审委员会面前：0M. Jerome Euzenat评审 M. SergeChaumette评审 M. Animesh Pathak考官 M.Christophe Marsala考官 M. Bertrand GranadoEDITE主任0没有我的家人，什么都不可能。0以上命题偶尔是有用的。0Bertrand Russell，关于1+1=20《数理原理》0致谢0没有帮助和支持，我不可能写这篇博士论文。0感谢周围善良的人们的支持，只有其中的一些人才能得到特别的提及。0在这里提及。0首先，我要感谢我的妻子Manami对我个人的支持和巨大的耐心。0我也要感谢我的两个美丽的女儿Noa和Lia，她们一直给予我无条件的支持，就像往常一样，对此我只能表达感激之情。0我的父母给了我完成这篇论文的力量和勇气，通过他们的生活的快乐。0他们给了我无可置疑的支持，对此我只能表达感激之情，我的表达方式是不够的。0同样的感谢之词是不够的。0在贝尔实验室的同事中，我深深感谢Matthieu Boussard的合作。0在过去的7年里，他们与我一起工作，总是引发良好的指针，使研究得以进行。0推动我的研究进一步发展。我特别要感谢Alonso Silva，Vincent Verdot和Labs。0Vincent Toubiana对他们的亲切建议和我们在贝尔实验室度过的时光表示感谢。0在贝尔实验室交流创新思想。0我向我的前同事Philippe，Gerard，Olivier，Nicolas，Monique表示热烈的感谢。0Eric，Lionel，Dohi，Cedric和Pierrick。0我也要感谢Martin Vigoureux为这项研究和研究提供了可能性。0咨询博士论文。我感谢我的同事Wenyi，Bela，Dominique，Francois，Laurent。0Ludovic, Michel, Nicolas, Pierre, Richard和Thai。0最后，我要感谢阿尔卡特朗讯和...提供的财务支持。0Bell Labs pour la rédaction de cette thèse.0Pour toutes les erreurs ou insuffisances qui pourraient subsister dans ce travail, bien sûr, la responsabilité0est entièrement de moi.0Résumé0Avec la croissance de l'Internet des objets, la réalisation d'environnements composés de0diverses ressources connectées (appareils, capteurs, services, données, etc.) devient une réalité tangible0ité. Avec la place prépondérante que les smartphones occupent dans la vie quotidienne des utilisateurs,0ces espaces intelligents naissants ouvrent la voie au développement de nouveaux types d'applications0tions; portées par les téléphones des utilisateurs nomades et se reconfigurant dynamiquement0pour utiliser de telles ressources connectées appropriées. Cependant, la création de ces applications0va de pair avec la conception d'outils soutenant les utilisateurs nomades qui se déplacent dans ces0espaces, en particulier en permettant la sélection efficace des ressources. Alors qu'une telle sélection0appelle à la conception de descriptions théoriquement fondées, il devrait également prendre en compte le pro-0fichier et les préférences des utilisateurs. Enfin, l'émergence de ressources connectées (éventuellement mobiles)0appelle à la conception d'un processus évolutif sous-jacent à cette sélection.0Les progrès dans le domaine sont cependant lents, en particulier en raison de l'ignorance des parties prenantes0acteurs (et les interactions entre eux) composant cet écosystème de «l'Internet des objets0environnements intelligents ». Ainsi, la multiplicité de diverses ressources connectées entraîne0problèmes d'interopérabilité et de scalabilité. Alors que le Web sémantique a aidé à résoudre le0problème d'interopérabilité, il met cependant l'accent sur la scalabilité. Ainsi, une mauvaise lecture de0écosystème a conduit à produire des modèles couvrant partiellement les caractéristiques des ressources connectées.0S'appuyant sur nos travaux de recherche réalisés au cours des 6 dernières années, cette thèse identifie0fie les interactions entre les acteurs de l'écosystème naissant pour proposer davantage0représentations formelles. La thèse conçoit en outre un cadre fournissant une recherche0capacités pour soutenir la sélection des ressources connectées par une analyse sémantique.0En particulier, le cadre repose sur une architecture distribuée que nous concevons afin0pour gérer les problèmes de scalabilité.0Le cadre est incarné dans une passerelle VR déployée dans un ensemble de0lieux intelligents et qui a été évaluée par plusieurs expérimentations.0vi Résumé0Mots-clés0Environnements intelligents, Internet des objets, informatique ubiquitaire, informatique omniprésente,0Web sémantique, représentation des connaissances, mesure de similarité, information distribuée.0Résumé0Avec le développement de l'Internet des Objets, la réalisation d'environnements com-0posées de diverses ressources connectées (objets, capteurs, services, données, etc.) devient0une réalité tangible. De plus, la place prépondérante que les smartphones prennent dans0notre vie (l'utilisateur étant toujours connecté) font que ces espaces dits 'intelligents' ou-0ouvrent la voie au développement de nouveaux types d'applications; embarquées dans les0téléphones d'utilisateurs nomades – passant d'un environnement connecté (la maison)0`a un autre (la salle de réunion) – et se reconfigurant dynamiquement pour utiliser les0ressources de l'environnement connecté dans lequel celles-ci se trouvent. La création de0这样的应用程序的开发需要支持用户在移动中0特别是为了尽可能有效地选择资源，支持用户在移动中0用户所处的环境。这样的选择需要0定义精确描述这些特征的模型0选择资源时，还必须考虑用户的配置文件和偏好0最后，由于连接资源的数量增加，尤其是移动资源，0还需要开发能够“扩展”的选择过程0在这个研究领域还有待进一步研究，主要是因为0对定义“智能空间”生态系统的参与者（以及他们的相互作用）的了解相当模糊0（即参与）“智能空间”生态系统的各种参与者之间的相互作用0涉及到各种连接资源会涉及到互操作性和可扩展性问题0需要解决的可扩展性问题。虽然语义Web提供了解决方案0解决互操作性问题，还涉及到可扩展性问题。最后，如果0已经开发了描述“智能空间”的模型，但它们的形式化0仅部分涵盖了连接资源的所有特征。特别是，它们0特别是，这些模型倾向于忽略时间、空间等特征0涉及到这些资源所在的生态系统的成员资格问题。基于0摘要 viii0通过在贝尔实验室进行的研究，本论文确定了0描述了该生态系统中不同参与者之间的相互作用，并提出了形式化的表示0基于语义的描述来描述这些参与者。本论文提出了0还提供了搜索过程，允许用户（或其应用程序）0基于对其语义描述进行分析来查找连接资源0特别是，这些过程基于分布式架构，也是通过0为了实现可扩展性，本论文提出了一种模型0这些用户辅助功能是通过部署的中间件组件实现的0在建筑物的不同房间中部署这些资源，以便进行实验0确保所采用的方法的有效性。4Towards producing efficient searching procedures614.1Preamble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .644.2A semantic similarity measure for SHOIQ concepts . . . . . . . . . . . . .654.3Example of application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .784.4Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .805Distributing knowledge amongst smart environments835.1Preamble. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .845.2Federated architecture of nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .865.3Sharing knowledge between federated nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . .925.4Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .950目录0摘要 v0摘要 vii0引言 1 新兴生态系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 启用智能空间的困难 . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 贡献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8论文概述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001 前提条件 13 1.1 背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 符号和定义 . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1702 相关工作 19 2.1 智能环境模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2通过语义相似度度量进行搜索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2903 定义支持移动用户的模型 33 3.1 使用语义Web技术的理由 . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2建模连接设备 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3 建模与智能环境相关的位置 . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4 应用模板的语义模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5表示用户配置文件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 59xContents6Experimentations996.1Implementations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1006.2Experimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.3Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Conclusions131Summary of contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134A Subsumption relations in SHOIQ137B Algorithms generating pseudo-concepts141List of Figures145List of Tables147Bibliography149IntroductionSince its introduction by Weiser in 1991[Wei91], ubiquitous computing has been a fer-tile ground for research and technology, leading to a number of concrete advances, e.g.in mobile computing. However the core of the vision, revolving around smart spaces inwhich mobile users seamlessly consume services and information, has still a long way togo. Until recently, this was explained by a number of factors, two of them being withouta doubt the need for pervasive network connections and the cost of embedding advancedelectronics in everyday objects. While the latter has decreased dramatically in the pastfew years, the former has benefited both from the Internet of Things research field andfrom technology improvements, which make the Internet today a commodity availablelargely, and accessible to most connected devices.A consequence of this commodity results in an increasing set of network-capable devicesbecoming part of people’ daily life. As an instance and according to the InternationalTelecommunication Union (ITU) 1, cell phone subscriptions are about 6.8 billions globally,with a total number of 7.1 billions people on the planet (96% penetration). InformationHandling Services (IHS) 2 company reported that in 2013 the installed base and worldwidenew shipments of Internet connected devices was a market of approximately 12 billionsdevices, with an expected growth of 8 billions on the horizon 2015, suggesting an expo-nential increase. This growing trend in providing smart components as well as connectedsensors and actuators, is consequently leading to billions of services and data offered in aplurality of diverse smart environments (found in homes, factories, malls, etc.) throughdifferent and heterogeneous IoT devices. In such a context, realizing Mark Weiser’s visionof ubiquitous computing now accounts for providing efficient tools and interfaces that willsupport users. In particular, search capabilities assisting users to find and further use1. http://www.itu.int/en/ITU-D/Statistics/Documents/statistics/2013/ITU_Key_2005-2013_ICT_data.xls2. Internet Connected Devices: Evolving from the “Internet of Things” to the “Internet of Everything”,http://www.ihs.com/info/sc/a/internet-of-things.aspx0支持用户。特别是，帮助用户找到并进一步使用0有意义的设备是必不可少的先决条件，需要仔细设计02 引言0可能变得不可用等。0基于物联网的特殊性，例如设备随时间的演变：可能被重新定位，0移动性挑战，以提供这样的工具，考虑到物联网0智能手机在用户日常生活中占据的重要地位进一步增加了0它们所执行的环境。更具体地说，实现Mark Weiser的愿景0基于这些智能手机上运行的应用程序可能需要确保无论智能0每次这样的用户漫游时，都可以动态重新配置适当的连接设备0还考虑到提出机制，允许漫游用户的物联网应用0因此，本论文确定了与设计相关的潜在挑战0在不同的智能环境中漫游。0Kindberg等人的研究[ KBM + 02 ] - 考虑实现智能环境0为这些物联网智能环境提供搜索能力。以Mark Weiser的观点为基础0侧重于使移动用户能够使用复合服务和可能的聚合服务0通过漫游人、地点和物品的Web存在，本论文研究了0他们穿越的地方以及云中。具体而言，本论文围绕三个方面组织0通过不同智能环境中可用的连接设备传递信息，本论文研究了0通过确定适当的基础为用户个性化搜索功能提供支持的基础0在过去六年中一直在研究的研究轴。第一个轴奠定了基础0tions。该轴还指出了我一直在发起和监督的工作，以及0表示形式来形式化描述设备和应用程序产生的要求。0有多么准确的结果可以返回给执行查询的用户，重点是0底层表示模型的语义。特别是，它导致了使用模糊逻辑来设计用户配置文件的设计。第二个轴调查0一种独立于任何上下文的方法，计算出准确的相似性结果0任何实体都没有用这样的语义进行描述。最后，第三个轴关注的是0创建一个由合作智能环境组成的分布式基础设施，以实现0确保对任何用户进行响应和仍然相关的搜索过程。我们基于此工作进行了激励。0关于新兴生态系统和日益增多的潜在问题的问题。0相关的问题。0新兴生态系统30新兴生态系统0在我们的愿景中，物联网的发展导致了一个生态系统0在用户使用服务的场景中，可能涉及五个不同的利益相关者0和信息。0代表为图1，该生态系统由连接设备组成-0包括传感器，执行器和其他智能组件。其中一些设备可以是0移动（例如，汽车），但始终与位置相关联。某些设备可以具有可用性限制（例如，与办公时间对齐）0限制（例如，与办公时间对齐），访问策略以及在功能，服务等方面的限制0访问并发性的增加。因此，连接设备的数量不断增加，导致了功能，服务等方面的高异质性0在它们可以提供的功能，服务等方面具有很高的异质性0可以在云中使用0与第一个参与者具有相似的特征，它们可以是移动的（例如，嵌入在智能手机中）0第二个参与者是应用程序。与第一个参与者具有相似的特征，它们可以是移动的（例如，嵌入在智能手机中）0可以在云中使用0该系统的第三个参与者是移动用户。具有特定特征（例如，有残疾，匆忙），用户具有定义其偏好的个人资料，并且通常与环境（例如，公司的墙壁内）或特定位置（例如，房屋）限制使用0用户具有定义其偏好的个人资料，并且通常与环境（例如，公司的墙壁内）或特定位置（例如，房屋）限制使用0与上下文相关联0生态系统的第四个参与者是智能环境，代表一个地点，与上下文相关联0（商场，房屋，房间等）配备基础设施，该基础设施（至少）允许访问连接设备和应用程序0访问连接设备和应用程序0最后，生态系统的最后一个参与者是云，实现了无处不在的访问（即无地理区域限制）到应用程序和连接设备0无地理区域限制）到应用程序和连接设备0随着平台的兴起，这一点变得越来越重要，例如Xively 30在互联设备和应用程序之间，存在许多共同点0两者都可以被定位，并且只能在某些特定位置访问（例如，房屋，公司，混合多个位置等）0混合多个位置等）或可以在云中公开以独立访问0可以独立于它们所在的位置携带（例如，人们身上的传感器）0大多数情况下，两者都由一个人或一组人拥有，导致了所有权的问题0设置和管理不同访问策略。最后，两者都由用户使用。0从用户的角度来看，访问连接设备可能取决于交互类型的类型0预期的交互。特别是，可以区分两种情况。直接访问03. Xively-物联网的公共云，https://xively.com/04个激励应用：在智能环境中漫游0对于物理交互可能需要（例如，在设备上物理按下按钮）0而对于其他目的，间接访问（通过互联网）可能足够（例如，传感器值的读取）0最后，连接设备也将被集成以提供特定服务（例如，将灯和手机耦合以提供新类型的服务）0特别是，连接设备可能与其他设备耦合在一起0以提供特定服务（例如，将灯和手机耦合以提供新类型的服务）0或仅聚合以提供信息源（例如，聚合房屋传感器产生的多个数据，用于监控目的）0显然，使用连接设备和应用程序之间的通信可以提供更丰富的功能和服务，以满足不同的需求0连接设备将取决于用户配置文件和期望以及应用程序0要求0构成这个生态系统的其他互联关系涉及用户和应用程序的（潜在）移动性0应用程序和连接设备与任何演变的上下文相关联0智能环境，即用户与应用程序和连接的关联0连接的设备随时间变化。最后，智能环境也可以互连，0例如，当它们是同一个室内环境的一部分时（例如，一个0购物中心，其中一个智能服装店与一个智能咖啡店相互连接）。0除了其他之外，这些互连还可以使不同的智能环境共享0关于他们自己的上下文的知识，以便在用户，应用程序之间建立关联0提到的应用和连接设备。总的来说，这些不同的利益相关者0和它们的相互链接允许创建前所未有的数据和服务，并创建0一种支持多种场景的集体智慧。让我们考虑一个0在这个生态系统中遇到的典型情况。0激励应用程序：在智能环境中漫游0本正在拜访他的朋友文森特。由于他不想错过最后一班地铁0晚上，他打开手机上的应用程序中心，并搜索一个可以0可以帮助。他选择了一个自称需要一个0公共交通信息作为输入，并在附近的信号设备中0用户的环境作为输出，以警告用户即将到来的火车。该系统帮助0本在配置过程中通过自动过滤空间和相关对象来帮助0根据他的上下文：它提供了附近的地铁站，暴露出相关的0形成（即将到来的火车）并且只返回本地的，通过信号化设备提供的0文森特为他的访客准备的（例如，一个连接的灯或一个屏幕）。该应用程序允许本设置0一个计时器，在火车到达车站前3分钟到期，所以他有足够的时间0激励应用程序：在智能环境中漫游50图1 - 物联网中的不同利益相关者及其相互关系06实现智能空间使用的困难0时间来赶上它。0在讨论期间，本决定向文森特展示他最新的度假照片。他0他已经是“本地幻灯片”应用程序的用户，他通过将自己的0家的网络附加存储（NAS）与他家的相框相连。当他恢复0它，应用程序建议重新配置自己。一些资源保持不变，0远程访问（NAS设备），而本地可用的设备则被提供给0其他人都被取代了 - 本从所提出的可能性中选择了文森特的投影仪0两人讨论度假计划。那天晚上，当最后一班火车还有3分钟到达时0从车站出来后，“地铁警告”应用程序执行，发出一个视觉信号0文森特连接的灯。本收拾好东西离开。本地幻灯片应用程序0应用程序知道本的离开，并自动停止与文森特的关联0连接的投影仪。0第二天，本到达公司的新办公室，并试图找到附近的一个0打印机以获得他要展示的文件的纸质版本。他进入智能0大厅配备了一个负责管理设备并通过网关发送请求的网关0他的手机寻找这样的打印机。虽然大厅里没有定位的打印机，但是0网关返回的是一个在附近走廊中的物理位置。确实，在这台打印机之后0安装后，其关联的表示被发送到与之关联的网关0走廊以及其附近的所有其他地方（房间、其他走廊和大堂）。0演示后，Ben希望找到一个配备有视频会议设备的房间0系统，因此，从他当前的位置向关联的网关发出请求0（例如，管理Ben演示的会议室的网关）。由于0网关不知道任何不同地方的视频会议系统0信息，它查看了Ben的个人资料，以确定是否可以将请求传播到0其他网关，位于它已知的网关之前的几步之外。Ben的个人资料0使得能够确定最大步数，从而在一组中满足请求0符合Ben的期望的地方的选择。0启用智能空间的使用的困难0尽管多次努力支持智能环境中的移动用户，实现一个0像前面提到的应用程序一样的应用程序对于许多原因来说仍然是一个困难且耗时的过程0原因，如下所述。0启用智能空间的使用的困难70连接设备和应用程序是不明确的0实际问题（如所讨论的应用程序）需要从0不同的资源能够解决用户需求。这需要异构的服务、数据和0应用需求注释为通用的表示0并且不需要在每次考虑新资源时重新定义。0这需要一个捕捉足够语义和计算细节的表示，以便0它可以支持各种普遍的场景。特别是，该表示0必须能够将应用需求转化为一组（可能有序的）0对不同连接设备的数据和服务执行的操作。几乎所有0场景，该表示将包含可处理的（同质的）时间和空间0部分信息，例如，以支持在特定区域选择可用设备。这个0表示还可以包含有关访问权限的信息，以支持选择0可访问设备或应用程序的表示。最后，该表示可能能够描述0连接设备或应用程序的动态，例如，其访问权限如何演变0随着时间的推移。所有上述点都由所讨论的应用程序说明0因为它需要提出由其所有者共享并位于附近的连接设备的建议0用户。此外，该应用程序需要一种方法来耦合输出0从NAS设备获取所需的输入，以实例化0应用要求远程图片的可视化0缺乏定义这样的表示会导致互操作性的噩梦，限制了0开发所谓的基于物联网的应用程序0用户具有特殊性和偏好0选择连接设备需要定义一个同质的表示0还需要注意用户的特殊性，特别是当直接访问时0用户要求。特别是在智能室内连接设备的背景下0环境中，选择连接的设备可能导致不同的结果，无论是0用户是老年人还是年轻人，或者用户是否身体状况良好(例如，是否有0残疾)。用户配置文件的可处理表示的缺乏可能通常导致0向用户提供不适当的设备。0移动性意味着重新配置应用程序0在涉及移动用户的大多数场景中，应用程序必须能够动态重新配置0配置他们使用的一些资源。实际上，对于给定智能环境中的用户来说，0可用资源的集合严重依赖于它们的公开。智能环境可能08个贡献0本地公开一些资源，从而限制其使用，而它们可以公开一些0其他云中的其他人，可以通过互联网从任何地方访问。在这种背景下0由用户携带并与本地资源交互的应用程序，能够0评估不同资源之间的相似性必须每次用户触发0在不同的智能空间中漫游，以进行重新配置。依赖于表示0连接设备的表示，该过程应区分占主导地位的特征0感兴趣的资源，同时根据情况返回精确或部分相似性结果0情况。虽然有许多工具可以计算不同语义表示的相似性0没有一个论文被定制为完全覆盖底层语义的0连接设备和应用要求的表示模型。0搜索过程必须具有可扩展性0重新配置应用程序以及提供连接的设备，需要可扩展的系统0能够无缝处理大量数据的系统。在数十亿的背景下0通过互联网提供的连接设备，设计这样的系统考虑到特征0根据某些标准(其中之一是它们的地理位置)对设备进行特征化，以0进一步将连接设备聚类，然后给出推荐。聚类0基于资源的一些标准(其中之一是它们的地理位置)来限制搜索空间到一些资源集合上0进行表征后，可以在近实时中提出重新配置0实时。相反，依赖于集中式方法，其中大量连接的0必须检查设备是否连接，这样就可以避免开发像我们这样的应用程序0讨论。0贡献0本论文对支持移动用户在不同智能空间中漫游的问题做出了贡献。0通过详细说明(分别提出)在不同智能环境中执行的研究0(监督)在过去的六年中，并致力于提供搜索功能，以0可以应用于所讨论的背景中。总体而言，这些研究围绕以下内容展开0贡