智能家居系统中的隐喻

智能家居 本体 metaphor

背景

自世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美国康捏迪格州出现后，美国、加拿 大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能 家居方案。目前，智能家居系统已从开始时的以 PC 为控制中心逐渐转向以嵌入 式家庭网关为核心的嵌入式系统领域，在美国已有近 40 000 户家庭安装家庭智 能化系统，新加坡已有近 30 个社区近 5 000 户的家庭采用了家庭智能化系统。

家庭智慧空间，在这样的家庭环境中，家庭空间中的设备与用户很好的融合，用户 感受不到设备的存在，但是却可以享受到设备带来的服务，达到设备在不知不觉 中为人提供服务的目的，从而极大地满足人们对生活舒适、便捷的追求目标。

智能家居的语义基础

命名空间

本体

 Gruber 提出：“本体是概念化的明确的规范说明”。

Fensel 对这个定义进行分析后总结出本体的概念主要由四个方面构成：1）概念化（conceptualization）2）明确（explicit）3）形式化（formal）4）共享（share）“

概念化”指的是将客观世界中一些现象的相关概念进行抽象而得到的模型，它具有独立于具体的环境状态的含义；“明确”是指所使用的概念及这些概念的 约束都有明确的定义；“形式化”指本体通过精确的数学描述后机器可以理解；“共享”指本体所反映的知识是共同认可的知识。 把本体当作是领域内不同主体之间，可以是人、机器、软件系统进行对话、互操作、共享的一种语义基础，即通过本体来提供一种明确定义的共识。

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信息维度

我们将智能家庭抽象为一个信息空间，该信息空间能被分为多个维度，每个维度都带有自己的结构和关系参数，这使得它能区别于信息的其他维度。 在同一信息维度内，信息的抽象值之间可能存在多种关系，这些关系经过归纳后可以总结为四种基本关系：相等、细粒度、重叠和冲突关系，其中相等关系可以理解为细粒度关系的特例. 文件:信息维度.jpg

智能家居的整体框架模型

智能家居系统分为六个层：设备层、语义数据存储层、语义信息推理层、语义信息管理层、智能服务管理层和应用层.

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智能家居中的领域本体模型

将智能家庭抽象为一个信息空间，这个信息空间可以由多个信息维 度来表达，通过对信息维度中的抽象值的表达及各个信息维度之间关系的表达引 出了智能家居中的通用概念模型。一个智能家庭被表达为八个信息维度，每个信 息维度对应一个相应的领域本体模型，这八个本体模型分别为：设备本体、内容本体、功能本体、位置本体、服务本体、上下文本体、需求本体和用户本体。 设备本体主要对设备的通用属 性和个性化属性进行了抽象和形式化描述，功能本体对设备所具有的功能进行了 抽象，内容本体是对设备所能处理的内容进行抽象和形式化描述，位置本体对智 能家庭中的空间位置进行了抽象，上下文本体对设备状态、环境状态和用户状态 进行了抽象，需求本体对用户的需求进行抽象和总结，用户本体主要对用户的信 息进行抽象。

智能家居不同信息维度之间的整体关系模型

在这 8 个本体模型之间通过属性建立了语义关系，构建了一个网状系统。 从这一结构图中可以清晰地看到本体性隐喻、方位性隐喻、结构性隐喻 400px

智能家居各信息维度模型

1.设备的本体模型

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2.功能概念本体模型

功能在整个智能家庭中是一个很重要的概念，我们专门建立了一个功能本体 模型，在该模型中将智能家庭中设备涉及到的所有功能进行了抽象、分类和总结。 在功能本体中有一个 Function 类，作为所有功能的父类，设备本体中的所有设备 的功能都取自 Function 类，设备本体和功能本体通过 hasFunction 属性联系起来。

功能本体对智能家庭中设备的功能进行了抽象和规范，设备的功能表达为功 能本体中的一个或多个功能概念。除此之外，功能本体还规范了服务本体中服务 的类型，即服务本体中的服务的类型也是取自功能本体中的概念。所以，通过功 能本体，可以将设备本体和服务本体联系起来，是设备和服务之间实现松耦合的 桥梁。

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3.内容本体模型

内容本体主要用于规范和描述智能家庭中设备和服务所能处理的内容

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4.需求本体

心理学家 Alderfer 将需求划分为五个层次，智能家庭作为用户生活的场所，其活动范围有限，所以在需求满 足方面，只要以生理需求、安全需求为主，我们在构建用户的需求模型时，主要 考虑了用户的这两方面需求。

需求本体的作用：当用户产生某种需求时，通过 hasNeed 对象属性将用户和 需求联系起来；而需求能由哪些服务满足，则是通过 canBeSatisfiedBy 对象属性 连接起来。利用需求本体作为纽带，可以将服务与用户联系在一起。在服务本体 中，每个服务的概念都会与需求本体中相应的需求概念对应起来，我们通过定义 规则，可以判断用户在什么情况下会产生什么样的需求，从而将用户本体与需求 本体对应起来，从而实现服务和设备为用户服务的目的。

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5.用户本体模型

在智能家庭中用户是服务的主体，不同年龄、不同性别的用户都会有不同的 需求，所以需要构建一个用户本体，对用户的信息进行分类和总结。用户本体的 层次模型如图 4-25 所示。在该本体模型中，将用户按照身份不同，分为小偷、 家庭成员和客人。对于家庭成员类，又进一步按照年龄区分为成年人、老年人、 婴儿、孩子。所有的用户都有性别、年龄等属性信息，用户还具有用户状态，我 们通过 hasUserStatus 对象属性将用户本体与上下文本体中 UserStatus 类联系起 来，通过这个类来描述用户具有的状态。用户的位置则通过 hasUserLocation 属 性与位置本体联系起来。

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6.位置本体模型

位置本体中的概念可 以表达用户的位置和设备的位置，通过 hasDeviceLocation 对象属性和将设备本体联系起来，通过 hasUserLocation 对象 属性将用户本体和位置本体联系起来。

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7.上下文本体模型

上下文本体主要用于对智能家庭中的设备、用户和环境的状态进行建模，该 模型中 Status 类为父类，下边有三个子类，分别为用户状态、环境状态和设备状 态。上下文本体与设备本体、用户本体和位置本体通过对象属性联系起来。

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8.服务本体模型

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[1]胡曼冬. 基于本体的智能家居关键技术研究[D].中国海洋大学,2014.

图片来源： [1]胡曼冬. 基于本体的智能家居关键技术研究[D].中国海洋大学,2014.