Herausforderungen und Ansätze für Kontextmodelledbst/material/20071212_131_mitschang.pdf · SFB 627, Universität Stuttgart Abteilung Anwendersoftware 20 Karte Das Umgebungsmodell:

1

Herausforderungen und Ansätze für Kontextmodelle

Bernhard Mitschang

Abt. AnwendersoftwareInstitut für Parallele und Verteilte Systeme

Universität Stuttgart

aaAnwendungssoftware

ss

SFB 627, Universität StuttgartAbteilung Anwendersoftware

2

User/Comp

Motivation

ein Computer, viele Benutzer ein Benutzer,

viele Computer

Situation Arbeitsplatz Situationen im Alltag

ein Computer, ein BenutzerComp/User


3

Motivation: verfügbare Kontextinformationen

Integration vonKontextinformation

Thermometer

Autoatlas

HomepagesWikipedia

Infrarot-Emitter

GPS

WLAN-Pos.

Kamera

Stadtplan

Hotels

Mikrophon

Terminplan

Dokumente

Sensoren

Datenbanken

?


4

Motivation: Technologische Entwicklung

Mobile multifunktionale Endgeräte

(Eingebettete) interaktive Systeme-> „Smart Things“

Drahtlose Netze• WAN, LAN, PAN• Infrastruktur, Ad Hoc

Sensortechnologie• Identifikation • Position • Zustand, Umgebung

Kontextbezogene Systeme

Physische Welt Digitale Welt

NavigationOrtsbasierte Dienste„Sentient Computing“

„Ubiquitous Computing“

MiniaturisierungPreisverfall

Technische Voraussetzung


5

Bedeutung kontextbezogener Systeme

Kontext von zentraler Bedeutung in vielen aktuellen Systemstrukturen Nutzung von Kontext in nahezu allen AnwendungsbereichenStudien prognostizieren hohes MarktpotentialHohes Engagement der Industrie

Metro, SAP, DaimlerChrysler, Alcatel, Microsoft, Google, …

Mobile Computing

UbiquitäreSysteme

Telekommunikationsdienste

SensornetzeEingebettete Sensorsysteme

Kontextbezogene Systeme

LBS


6

Übersicht

Motivation: Kontextbezogene SystemeAnforderungenDas Umgebungsmodell

StrukturInhalteRealisierung

Evaluation und EinsatzZusammenfassung


7

PhysischeWelt

Kontext-Modell

Motivation: Kontextmodell

Anwendungen

Update(id, value)

Modellieren

Sensoren

Event (Bedingung)Anfrage (Filter)


8

Kontextbezogene Anwendungen

NavigationFahrzeug-, Fußgänger-, multimodal

InformationssystemeTouristen, Hausführungen, ...

KommunikationsdiensteGeoCast, bestes Netz, ...

Lernszenarien/SpieleRallyes, "mixed reality games"

intelligente Umgebungensmart room, building, factory

ErinnerungsdiensteRucksack komplett? Schuhe kaufen?

G. Schiele


9

Kontext: Nachbarschaft

WGS84:9,175E, 48,7826N

WGS84:9,175E, 48,7826N

Restaurantin 100m?

H

H

H

16:14

16:19

16:17

FahrplanFahrplan

Musikhochschule Stuttgart


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Welcher Kontext wird benötigt?

Kartendaten: "alles, was auf Karten steht"Straßen, Gebäude, Landmarken, Sehenswürdigkeiten, ...Erhebung: aus GIS-Systemenstationäre Objekte, ändern sich selten

Dynamischer Kontext: Bewegung und ÄnderungenPersonen, Fahrzeuge, Staus, Wetter, ...Erhebung: durch Sensoren

Informationskontext: digitale Welt, "Cyberspace"Webseiten, Dokumente, Spielobjekte, ...

technischer Kontext: die InfrastrukturZugangsnetze, Netzwerktopologie, Dienste (Drucker, Projektor, ...)

Musikhochschule Stuttgart


11

Lernszenarien,Spiele

Ortsbezogene Anwendungen und ihr Kontext

ortsbezogeneInformations-

systeme

Navigation

intelligenteUmgebungen

Erinnerungsdiensteortsbezogene

Kommunikations-dienste

geographischer Kontext

dynamischer Kontext

technischerKontext

digitale Information

hohe Überlappung !


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Lernszenarien,Spiele

Gemeinsames Umgebungsmodell

Navigation

Informationssysteme intelligenteUmgebungen

Erinnerungsdienste Kommunikationsdienste

Umgebungs-Modell


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digitale Information

Plattform

physische Welt

Kontextbereitstellung: Föderiertes Umgebungsmodell

modellierenbeobachtenbeeinflussen

verknüpfenauffinden

kontextbezogeneAnwendungen

Umgebungsmodell

verwendenaktualisieren

AugmentedWorld ModelAugmented

World Model


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Anforderungen

Informationsmanagement

nach Identität und OrtZugriff, Modifikation und Ablegen

Integration bestehender und neuer InformationsdiensteErweiterbarkeit und Offenheit bezüglich:

neuer Anwendungenneuer Datenanbieterneue Datenmodelle

Plattform zur Entlastung ressourcenschwacher Endgeräte

Skalierbarkeit (globaler Einsatz)


15

Übersicht

Motivation: Kontextbezogene SystemeAnforderungenDas Umgebungsmodell




16

Lokale Kontextmodelle

Ein lokales Kontextmodell:deckt ein begrenztes räumliches Gebiet abenthält bestimmte Kontextinformationwird komplett bei einem Datendienst verwaltet

VIT

Modell 2

Modell 1

Modell 3

DB 3

DB 2

DB 1

VITVIT

räumliche und inhaltliche Überlappung: Mehrfachrepräsentationen von Realweltobjekten


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Globales Kontextmodell

Föderation lokaler KontextmodelleWiederverwendung von Modelldaten, denn Modellierung ist teuer!Datendienste bleiben autonom

Nutzt räumliche Struktur alsIntegrationskriterium

Globales IntegrationsschemaVerbindet lokale Kontextmodelle zueinem globalen Bild

Offen: neue Datendienste, neueAnwendungen

WWW Digital Libraries

...

Föderation

SmartFactory

CityGuide

...


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Interoperabilität vs. Flexibilität?

Datenmodelle (Schemata) definieren Typen und deren Semantik Sicherheit für die AnwendungSpannungsfeld zwischen Flexibilität und Interoperabilität

XML

Struktur + Syntax

GML

Bausteineund Datentypen

ATKIS/ALK

Anwendungs-objekte

AWM

erweiterbareAnwendungs-

objekteflexibel interoperabel

z. B.


19

Übersicht

Motivation: Ortsbezogene AnwendungenAnforderungenDas Umgebungsmodell




20

Karte

Das Umgebungsmodell: Objekte

für heterogene ErgebnismengenAttribute haben globale SemantikOrtsbezug durch geometrisches LokationsmodellMehrfachrepräsentationen: Verschmelzung

dadurch können Mehrfachattributeauftreten

type: Restaurantname: Besitosmenu: http://...pos: Koordinatenextent: Polygon

type: Straßename: B27name: Hauptstätter Str.pos: Koordinatenextent: Polygon

type: Fahrzeugname: Bus 42-4pos: Koordinaten

type: Gebäudetype: Shopname: C&Apos: Koordinatenextent: Polygon


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Das Umgebungsmodell: Schema

definiert Objekttypen (erforderliche und optionale Attribute)Objekte instanziieren(Mehrfach-) Objekttypen(Mehrfach-)Vererbungzwischen ObjekttypenStandardschema und erweiterte Schemata

restaurantpos: Pointmenu: URL

Standard Schema

Erweitertes Schema

Italianrestaurant

pizza-price: ...deliver: yes|no


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Umgebungsmodell: Definierte Objekttypen

zentrale Objekttypen: NexusObject (root), NexusDataObject, SpatialObject

geographischer Kontext: SpatialObject und seine Kinder (Building, ParkingSite, TrafficObjects, …)NavigationObject und seine Kinder

dynamischer Kontext: MobileObject und seine Kinder

technischer Kontext: SensorObject und seine Kinder, Emitter, CommunicationNetwork, …

Digitale Information: virtuelle Objekte (VirtualInformationTower, Notice, …)


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Beispiel Standard-Schema: Gebäude

BuildingObject

constructionDate: Time

Room

roomNumber: Stringcontact: Contacttemperature: Float

Level

number: String

Building

address: Addresscontact: Contact

Apartment

levelNumbers: Stringnumber: Stringcontact: Contact

Restaurant

style: Stringmenu: ListfoodToGo: BooleandailyLunch: BooleanhappyHour: StringopeningHours: StringseatQuantity: IntegeradjoiningRoom: BooleandeliveryService: Boolean

Shop

onlineShopping: BooleanopeningHours: Stringofferings: List

Hotel

hotelType: ListroomTypes: Listprices: ListroomQuantity: Integer

...


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NeXusDataObject

MobileObject StaticObject

SpatialObject

Representation

NeXusObject

ca. 250 Klassen

HospitalHotel

BuildingElement

Building

BicycleCar

VehiclePerson VirtualInformationTower PostIt

Street Railway

Road

ShopRestaurant

Flat

Standard Class Schema


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Realisierung: XML Schema Dateien

Basis Typen, in AWQL

auswertbar

AWML Schema

Objekttypendes Umgebungs-

modells

einfache und komplexe

Attributtypen

Nexus Standard Class Schema

NSCS

Nexus Standard Attribute Types

NSAT

Nexus Standard Attribute Schema

NSAS

GML

Struktur der Austausch-

sprache

geometrische, geographische und

temporaleAttributstypen

AWQL Schema

Struktur derAnfrage-sprache

importiertdefiniert erweitert


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Domänenspezifische Datenaustauschsprachen

Anfragesprache AWQL:einfach (räumliche Objektselektion und Projektion)nutzt Schema-Information ausdeklariert heterogene Ergebnismengen

Serialisierungssprache AWML:"flache" XML-Strukturkann heterogene Ergebnismengen darstellenflexibel für Objektvereinigungen (multiple attributes)


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Formale Grundlagen: Notation

Attributsschema κ ordnet jedem Attribut einen Attributtyp zuκ: A → B

Instanziierung « : Objekt o ist eine Instanz von Objekttyp χ(definiert alle erforderlichen Attribute)χ « o

Objekt o: Menge von Attribut-Wert-Paareno : {(αi, vi) | αi ∈ A}

Menge von Objekttypen χχ ∈ X

Menge von Attributtypen β (Datentypen)β ∈ B

Schema λ: Attributsschema, Menge von Objekttypen und Relation ∠ ("Vererbung")λ = < κ, X, ∠>

Objekttyp χ: Objekttypname δ, erforderliche Attribute Aerf und optionale Attribute Aopt (Aerf, Aopt ⊆ A, Aerf ⋂ Aopt = ∅)

χ = <δ,Aerf,Aopt>

Menge von Attributen α. Globale Semantik für Schema!α ∈ A


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Vererbung

Vererbungsrelation ∠ zwischen den Objekttypen:Attributmengen können erweitert werdenoptionale Attribute können erforderlich werdenMehrfachvererbung erlaubtdefiniert Halbordnung (reflexiv, antisymmetrisch, transitiv)


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Standardschema und Schemakonformität

Standard-Schema λs = <κs, Xs, ∠> :

enthält ausgezeichneten Wurzel-Objekttyp χroot (NexusObject)

der Wurzel-Typ definiert das type Attribut, den Objekttypnamen

type schränkt die Instanz-relation ein


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Erweitertes Schema

Schema λe erweitert λu:enthält die Objekttypen Xu als Teilmengealle neu definierten Objekttypen erben von χ ∈ Xu

enthält Attributsschema κu als Teilmenge


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Anfrageverarbeitung auf Objektmengen

Anfrage: Selektionsausdruck (welche Objekte?)ggf. Filter (welche Teile der Objekte?)ggf. Angabe über erweiterte Schemata (sonst Standard)

Verarbeitung:

Auswahl durch Selektionsausdruck

ggf. Projektion (filter)

ggf. Schema-Anpassung

ggf. Verschmelzung

Objektmenge

lokalesUM

globales UM(Föderation)


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Operatoren

Verwendung: Selektion und ProjektionSignatur:

bilden ein Objekt, ein Attribut und einen Wert auf ein neues Objekt ab

wählen von einem Objekt Attribut-Wert-Paare aus, die eine bestimmte Eigenschaft erfüllen, und geben diese als Objekt zurückliefern die leere Menge, sofern das Objekt keine solche Attribute besitztkönnen auch nur auf einer Teilmenge B' der Attributtypen B definiert sein


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Operatoren des Umgebungsmodells


34

Selektion auf Objektmengen

Anwendung von Operatoren auf Objektmengen

Selektion: Auswahl der Objekte, bei denen der Operator keine leere Menge zurückliefert

oder

Selektionsausdruck: boolesche Verknüpfungen von Selektionen auf Objektmengen, z. B.:


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Filter und Projektion

Filter: wählt Attribut-Wert-Paare von Objekten ausDefiniert als Menge von Operator-Attribut-Wert-Tripelnall-Operator: alle Werte eines Attributs

Projektion:filtert Objektmengenwendet Filter auf Objekte anMengeneigenschaft: verschiedene Objekte, die nach dem Filtern gleich sind, werden zusammengefasst (Duplikatsentfernung)u. U. nicht mehr schemakonform (Filter auf Aerf)exclude-Filter: umgekehrte Semantik


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Verschmelzung von Mehrfachrepräsentationen

multiple:Unterstützung für mehrfachrepräsentierte Objekte (= Datenobjekte, die das gleiche Realweltobjekt modellieren)stellt für zwei Objekte fest, ob Mehrfachrepräsentation gegeben ist (ggf. komplexes Verfahren!)

merge:führt multiple-Objekte in einer Objektmenge zusammen


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Schema-Anpassung (upcast)

überführt Objekte eines erweiterten Schemas in ein UrsprungsschemaUmwandlung in Instanz des speziellsten passenden Objekttyps des Ursprungslässt dabei zusätzliche Attribute weg


38

Augmented World Query Language (AWQL)

awqlawql

restriction

filter: include or exclude

equal, less, greater, likeand, or, notwithin, overlap

restriction

schema

auch mengen-orientierteDatenmanipu-lation (insert, update, delete) möglich

auch mengen-orientierteDatenmanipu-lation (insert, update, delete) möglich


39

AWQL Beispiel

<awql><restriction>

<and><equal>

<target> type.value </target><referenceValue> TemperaturSensor </referenceValue>

</equal><within>

<target> pos.value </target><referenceValue> SomeArea </referenceValue>

</within><less>

<target> temperature.value </target><referenceValue> 24.0 </referenceValue>

</less></and>

</restriction><include> ... </include>

<awql>

<awql><restriction>

<and><equal>

<target> type.value </target><referenceValue> TemperaturSensor </referenceValue>

</equal><within>

<target> pos.value </target><referenceValue> SomeArea </referenceValue>

</within><less>

<target> temperature.value </target><referenceValue> 24.0 </referenceValue>

</less></and>

</restriction><include> ... </include>

<awql>


40

AWQL Beispiel

<awql><restriction> ... </restriction><include>

<target> NOL.value </target></include><include>

<target> temperature </target><include>

<target> value </target><target> meta.accuracy </target>

</include><restriction>

<temporalAfter><target> meta.measurementTime </target><referenceValue> 08:12:00 </referenceValue>

</temporalAfter></restriction>

</include></awql>

<awql><restriction> ... </restriction><include>

<target> NOL.value </target></include><include>

<target> temperature </target><include>

<target> value </target><target> meta.accuracy </target>

</include><restriction>

<temporalAfter><target> meta.measurementTime </target><referenceValue> 08:12:00 </referenceValue>

</temporalAfter></restriction>

</include></awql>


41

Augmented World Modeling Language (AWML)

awmlawml

nexusobject

nexusobject

nexusobject

attribute value

nexusobject

attribute value

GenerischeXML Objekte wg. Mehrfach-Objekttypen:

type ist auchnur ein Attribut

GenerischeXML Objekte wg. Mehrfach-Objekttypen:

type ist auchnur ein Attribut


42

Multi-Attribut

AWML: Generische Datenobjekte

AWML-Dokument: Folge von <nexusobject>-ElementenDarin bestimmt <type> Subelement die weiteren Subelemente2 Schema-Varianten:

Physisch: Generisches AWML Schema für XML ParserLogisch: Nexus Class Schema beschreibtObjekttypenhierarchie

<nexusobject><type>Road</type><NOL>2</NOL><name>Main Road</name><name>Highway 17</name>

</nexusobject>

Multi-Typ<nexusobject><type>Museum</type><type>Shop</type><NOL>1</NOL><topic>Fine Arts</topic><audioguide>no</audioguide><goods>Posters</goods>

</nexusobject>


43

Metadaten

temperature

position

objectidentifier

value: 49N 9E

value: ID1234

type value: TemperatureSensor

value: 23.0

Lokales Umgebungsmodell

Metadaten zum Daten-

Provider

author: AlicegatheringTime: 2004-08-08

Metadaten zum

Objekt

value: 25.0measurementTime: 08:30:00accuracy: ±0.5

Multi-Attibut

Metadatenzum

Attibutwert

accuracy: ±5

measurementTime: 08:00:00accuracy: ±1


44

Übersicht





45

Realisierung: die Nexus-Plattform

räuml.Verzeichnis

Anwendung

Umgebungsmodell-Server

Föderationsknoten

Anwendung Anwendung

AWQL/AWML

AWQL/AWML

Umgebungsmodell-Server

AWQL/AWML

globalesUmgebungsmodell

lokalesUmgebungs-

modell

lokalesUmgebungs-

modell

Anwendungs-schicht

Föderations-schicht

Dienst-schicht


46

Die Nexus-Plattform

AWQL/AWML

Kontext-Server

Kontext-ServerGeoDB

räuml.Verzeichnis(registry)

AnwendungAnwendung

Kontext-Server

Kontext-Server

Kontext-Server

Kontext-Server

Kontext-Server

WWW(ext. Daten)

WWW(ext. Daten)

Föderation

SensorSensor

Sensor

Sensor

SchemaMatching

InstanzenMatching

Anfrage-verarbeitung

Ergebnis-konstruktion

Mehrwert-Dienste


47

Ausführungsmodell

Kontext-Server

Kontext-Server

Anfragen Ergebnisse

Informations-anfrage

Antwort

Registrierung

Domainen-schema

Registry

Anfrage-verareitung

Antwort-konstruction

GlobaleIndex-Attribute

GlobaleIndex-Attribute

SemantischeDaten-

Integration

SemantischeDaten-

Integration

domänenspezifische Query Language

domänenspezifische Query Language

Ausnutzen domänen-spezifischer Eigenschaften

Ausnutzen domänen-spezifischer Eigenschaften

DynamischeServerkonf.,Speicherort-Transparenz

DynamischeServerkonf.,Speicherort-Transparenz

Schema-Transparenz

Schema-Transparenz


48

Metadaten

temperature

position

objectidentifier

value: 49N 9E

value: ID1234

type value: TemperatureSensor

value: 23.0

Räuml.Verzeich

nis

Kontext-Server

Lokales Umgebungsmodell

register(AugmentedArea, ObjectTypes)

Metadaten zum Daten-

Provider

author: AlicegatheringTime: 2004-08-08

Metadaten zum

Objekt

value: 25.0measurementTime: 08:30:00accuracy: ±0.5

Multi-Attibut

Metadatenzum

Attibutwert

accuracy: ±5

measurementTime: 08:00:00accuracy: ±1


49

Semantische Datenintegration – mit Plugins

Eingepasst in das AusführungsmodellEingabe: UM-ObjekteWeitere Eingabeinformationen:

Reputation, Trust, ...Ausgabe: UM-Objekte

Aggregation, Generalization,Conflation/Verschmelzung

Weitere Ausgabeinformationen:KartenbildNavigationsinformation


50

Verschmelzung überlappender Straßendaten


51

Generalisierung von Gebäudegrundrissen


52

Datenverwaltung: Merkmale von Kontextdaten

low update rate high

primarily usage for selection rarely

Primär-Kontext:Ort, Typ, ID, Zeit

Sekundär-Kontext:Verfügbarkeit, Webseite, Temperatur...


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AwareHome SpatialServer

ID, pos250

ID, pos104Location Service

ID, pos100SensorContextServer(geplant)

Spezialisierte Kontext-Server

Position einerPerson

Zimmer-position

Identität

Zimmer-nummer

Name einerPerson

Farbe

Temperatur

low update rate high

primarily

usageforselection

rarely

kein1ContextCube

Index-Attribute

AnzahlObjekte

ID, pos105Spatial Model Server

kein103Indoor Spatial Server


54

Übersicht





55

Evaluation: Anwendungsentwicklung

Verwendung durch verschiedene Anwendungen im Projekt, z. B.:Fakultätsinformationssystem (mit/ohne Plattform)NexusRallye (Steuerung durch Umgebungsmodell)mobiles Rollenspiel (Überlagerung von virtueller Spielwelt mit Realwelt)NexusScout, ViLiS, Türschilder, …SmartFactory, Blindennavigation

Dadurch inhaltliche Anforderungen und ständige WeiterentwicklungKatalog von Entwurfsentscheidungen und Konsequenzen, z. B.:

Mobilität (begrenzt/unbegrenzt)Datenspeicherung (lokal/entfernt/hybrid)Umgebungsmodellschema (kein/standard/erweitert)…


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Applikation (1): Nexus Scout


57

Applikation (2): Intelligentes Stadtinfosystem


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Zusammenfassung

Kontextbezogene Anwendungen benötigenKontextverwaltung (Kontextmodell und Kontextbereitstellung)

Ortsbezogene AnwendungenRäumliche + inhaltliche Überlappung Föderationortsbezogene Datendienste

Entwurf einer domänenspezifischen FöderationsplattformUmgebungsmodell und dessen Realisierung in der Nexus-Plattform stellt eine vereinheitlichte, aber erweiterbare Schnittstelle für die Anwendungen und Datenanbieter bereit

Anfrage- und Manipulationssprache (AWQL)Datenbeschreibungssprache (AWML)Idee eines `World Wide Space´ für mobile, ortsbezogene

Anwendungen und DatenanbieterAusblick: Übertragbarkeit, Datenströme, Qualität, Zeit, Workflows…

Documents

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