Kurt Rothermel
Institut für Parallele und Verteilte Höchstleistungsrechner (IPVR)
Universität Stuttgart
Email: Kurt.Rothermel@informatik.uni-stuttgart.de
Перевод с немецкого: В.А.Святный
Email: svjatnyj@cs.donntu.ru
Системы с «привязкой к местности» знают расположение моделируемых объектов глобального мира. Навигационные системы являются относительно простыми системами, которые знают реальное положение транспортного средства и ведут пользователя от этой точки пространства к желаемой цели. Соединив информационные объекты, подобные Web-страницам, с объектами реального мира приходят к так называемым “Situated Information Spaces” (SIS) (Локализованные Информационные Пространства). Они делают возможным позиционированный доступ к информации, т.е. пользователь получает информацию, соответствующую его местоположению. Информация может быть привязана к статическим объектам (здания, помещения) и мобильным объектам (люди, транспортные средства).
Пространственно привязанные системы – новый класс распределенных систем, которым в исследованиях уделяется много внимания. В докладе делается обзор различных применений этих систем. Кроме того, рассматривается проект NEXUS, выполняемый в Штуттгартском университете. Цель NEXUS – разработка генерирующих системных функций для поддержки местного информационного обеспечения в реальности, дополненной виртуальными объектами.
Большинство из сегодняшних вычислительных систем связаны с некоторой сетью и образуют узлы некоторой распределенной системы (РС). Каждый узел представляет как минимум один CPU со своей собственной памятью и коммутирует с другими узлами исключительно путем обмена сообщениями. Основным свойством РС является так называемая прозрачность распределенности: местонахождение данных и функций столь же мало видно пользователю, как и фрагментация и репликация. Под местом мы понимаем компьютер, в котором накапливаются данные и реализуется функция.
РС в сравнении с централизованными системами показывают ряд весомых преимуществ, которые, в конечном счете, привели к продуктивности этих систем:
- расширяемость
- готовность
- надежность
- масштабируемость
При этом достижение надежности и готовности достигается за счет репликации. Недостатки: более высокая сложность. Преодоление этих недостатков пытаются достичь за счет подходящих инструментариев разработки и системного менеджмента. С помощью эффективных концепций коммуникации, как “RPC”, “Remote method invocation”, “Message queuing” может быть существенно упрощена разработка распределенных приложений.
Большая часть сегодняшних РС структурирована по принципу клиент/сервер, т.е. узлы берут на себя роль клиента и/или сервера. Сервер представляет одну или несколько услуг, которыми могут пользоваться узлы системы. Коммуникация между клиентом и сервером состоит из пар запрос/ответ: клиент имеет запрос, который обрабатывается сервером и квитируется посредством сообщения «ответ».
Системы, применяемые сегодня в практике, не учитывают контекст пользователя и не могут его обрабатывать. Центральным параметром контекста является точка местности, в которой находится пользователь. РС, учитывающие размещение пользователя, называются локационно-ориентированными.
В частности, за счет принятия во внимание информации о местоположении пользователя (узла РС) могут быть охвачены новые прикладные задачи широкого спектра.
Большой потенциал систем, привязанных к местности, должен быть пояснен следующими сценариями применения. Мы исходим из того, что пользователи оснащены переносным прибором, например, переносным цифровым ассистентом (PDA) или суб-ноутбуком. Конечные приборы обладают сенсором, который позволяет определить местонахождение пользователя (например, GPS, DGPS, ИР-система). Далее можно через беспроводные средства связи получить доступ к удаленным компьютерам.
1) Начало – прибытие пользователя в аэропорт.
2) Система направляет посетителя к выставочному комплексу (ВК) – рис.1.
3) Для поездки к ВК посетитель может через виртуальную кассу билетов заказать входной билет; это сэкономит ему время при походе, не останавливаясь перед реальным контрольным местом ВК.
4) Далее он может вызвать план экспозиции и спланировать свой маршрут.
5) На выставке имеется виртуальная «афишная тумба», которая предлагает информацию об экспонентах, выставивших свою продукцию в данном участке выставки. Виртуальная афиша существует лишь как структура данных в компьютере. Она привязана к определенной географической позиции в реальном мире, например, к входу в ВК, и показывается посетителю на мобильном приборе при приближении к этому месту.
6) Каждый экспонент выставки может на своих стендах расположить собственные виртуальные афиши, которые позволяют ему предложить посетителям обзор экспонатов. Предлагаемая информация может быть как мультимедийной, так и содержать ссылки на домашнюю страницу экспонента в Internet.
7) Далее можно на одном из объектов ВК, например, на экспонате выставки, оставить информацию для своего коллеги, который посетит выставку позже. Каждое послание может быть адресовано отдельному человеку или группе людей, быть видимо только для определенных адресантов и снабжено датой срока существования, по истечении которой сообщение автоматически стирается.
8) Если посетитель ВК хотел бы вечером пойти в ресторан, то ему может помочь инфо-система, «знающая окрестности»: предложить ресторан поблизости, наиболее подходящий пользователю, сопроводить его туда.
9) Если по дороге в ресторан он идет мимо интересного здания, он может вызвать информацию о нем.
Рис.1. Выставочный комплекс.
Этот сценарий подходит для транспорта. Так, если транспортное средство остается в неподвижном состоянии (например, столкновение машин) в зоне шоссе, которое невидимо для водителей, едущих в направлении этой зоны, то привязанная к местности система может распознать такую ситуацию и своевременно предупредить водителей машин. По сравнению с радиосистемой и передачей на нее аварийных данных эта система быстрее, так как сообщение об аварийной ситуации может быть послано непосредственно после ее обнаружения. Следующее преимущество состоит в том, что сообщение посылается лишь тем участникам движения, которым грозит опасность, т.е. автомобилям, которые приближаются к месту аварии (рис.2). Другие водители не отвлекаются информацией, которая их непосредственно не касается (это важно, т.к. водитель, услышав по радио аварийное сообщение, должен сам анализировать, какое к нему оно имеет отношение, оно отвлекает от управления автомобилем, вызывает стресс и т.д.).
Рис.2. Опасное место на дороге.
Из двух рассмотренных выше сценариев можно сделать вывод, что существует два класса систем «местного информационного обеспечения» (Ortsbezug Systems – OBS):
- Routing (ROBS)
- Simulated information spaces (SIS)
Системы Routing-класса могут быть ориентированы на сообщения, транспортные средства и на людей. Так, в сценарии 1 пользователь с помощью навигационной системы «ведется» от аэродрома к выставочному комплексу и далее внутри комплекса, включая организацию ужина в ресторане. В сценарии 2 это касается аварийного сообщения всем автомобилям, которые находятся в зоне опасности. Посылка сообщений в географических регионах называется также Geocast[7].
Должно быть понятно, что система, положенная в основу такого вида информационного обеспечения, должна наряду с «местной информацией» управлять также моделью реальности. В примере 2 это означает, что модель должна знать концепцию всей дороги (автобана или другого вида шоссе), так и тот ее участок по направлению движения, где произошло аварийное событие. Кроме этого, базовая модель должна быть в состоянии отображать мобильные объекты, в данном случае, автомобили.
В системах SIS-класса информационные объекты местности поставлены в соответствие действительности. Так, например, сообщения, расположенные в виртуальной «афишной тумбе», соответствуют определенному пункту местности, в котором находится пользователь. Домашняя страница может быть привязана к своему хозяину, а виртуальная записка соединяет информацию с объектом, на который она «нанесена». Как только пользователь входит в зону доступной и нужной ему информации, она визуализируется на его приборе (карманном ассистенте). Как альтернатива – пользователь может идентифицировать с помощью специального дополнительного прибора интересующий его предмет (здание, павильон в ВК и др.) и затем вызвать связанную с этим примитивом информацию. Как результат, SIS-система обеспечивает привязанный к местности информационный доступ, т.е. пользователь получает доступ к той информации, которая соответствует определенной местности. Кроме того, она может проводить «опрос в пределах отведенного ему пространства», типа «какие рестораны находятся в окрестности 500 метров?».
SIS-системы следует рассматривать не как конкурента WWW, а как дополнение к ней. SIS позволяют осуществлять привязанный к местности доступ в «информационное пространство», например, WWW или библиотеки. В настоящее время разрабатывается ряд проектов, занимающихся реализацией SIS: DeeMap[3], WorldBoard[18], Stick-e Note[15], MOBIS[14], NEXUS[6].
Разрабатывается с начала 2000 года.
Цель – создать связь между реальным миром и имеющимся информационным пространством.
Участники – IPVR, IND, IfP.
В рамках исследовательской группы должны быть разработаны концепции и способы поддержки привязанных к местности распределенных прикладных задач. Ядром этих разработок является модель реального мира, дополненная виртуальными объектами (Augmented World Model – AW-модель). Она охватывает не только объекты стационарного положения (улицы, дома и т.д.), но и мобильные объекты (транспортные средства и др.). Наряду с реальными объектами в моделируемый мир могут включаться и виртуальные объекты («афишная тумба»). При этом виртуальные объекты служат для аннотации реальных объектов или местоположения. Они позволяют разместить ссылки на внешние дополнительные информационные объекты, как WWW. Разрабатываемые концепции и способы должны влиться в рабочую платформу поддержки приложений, привязанных к местности. Из описанных сценариев можно сформулировать следующие требования к такой платформе:
1) Позиционирование и управление определением местонахождения: управление локационной информацией мобильных объектов имеет центральное значение в контексте OBA (ortsbezogener Anwendungen - прикладной задачи с привязкой к местности). Сообщения, поставляемые гетерогенными системами позиционирования, должны интегрироваться и представляться службой локализации данной прикладной задачи. При разработке стратегии распределенности и способов доступа должны учитываться аспекты эффективности, масштабируемости, толерантности к ошибкам и безопасности.
2) Мобильная коммуникация: для подключения к NEXUS-станции мобильного пользователя в NEXUS-инфраструктуре требуется универсальная служба коммуникации. Гетерогенные сетевые технологии должны делиться транспарентно и подходящие механизмы для управления качеством услуг прозрачно интегрироваться. Далее NEXUS-станции должны предоставляться так называемые Hoarding-способы для открытого режима работы. Это актуально для зон с возможной экранизацией радиосвязи (например, в метро, аэропорту) и ухудшением связи с сетью (функционирование с разъединением).
3) Построение расширенной пространственной модели и управление нею. Чтобы можно было общаться с объектами реального мира, например, с помощью указателя (телепоинта), должна существовать дискретная модель реального мира. В ней все имеющие отношение к местности объекты должны быть представлены в многозначной репрезентации с различной степенью детализации и указанием позиций деталей. К тому же модель должна способной к обогащению за счет виртуальных объектов.
4) Привязанный к местности доступ к информации и пространственный опрос: пользователь может обратиться к информации, релевантной местности, в которой он находится, пользуясь видимыми виртуальными объектами. Например, виртуальная инфо-тумба позволяет непосредственно обратиться к WEB-странице экспонента выставки. В расширенной модели мира возможен также пространственный опрос.
5) Интеграция существующих информационных предложений: важная задача виртуальных объектов – привязка информации из имеющихся инфо-пространств. Отдельные сообщения и услуги, например, страница в WWW, могут с помощью ссылки исполняться виртуальным объектом с привязкой к местности.
6) Планирование маршрутов и навигация: для многих OBA (привязанных к местности приложений) важной функцией является обеспечение навигации. При этом требуется поддержка для поиска и нахождения, возможно, оптимальных маршрутов, а также для интерактивного ведения пользователя, причем маршруты могут динамически приспосабливаться к актуальному состоянию улиц (путей ведения пользователя).
7) OB-коммуникация: в привязанных к местности приложениях часто возникает ситуация, что сообщения должны быть посланы всем участникам в одном определенном пространственном объекте или в одном географическом регионе. Для коммуникации этого вида требуются соответствующие концепции адресации, а также протоколы типа Broadcast и Multicast.
8) Анализ изображений (рисунки, фото, картины, портреты): он приводит к улучшению ориентации NEXUS-пользователя, но наряду с этим делает возможным постановку и других проектно-специфических проблем. Эта функция может реализовываться в соответствии с методами распознавания образов. Кроме того, эти методы должны применяться при включении в состав системы внутренних помещений зданий.
Эти требования отражаются в архитектуре NEXUS-платформы (рис.3).
Рис.3. Компоненты NEXUS-платформы.
Рассмотрим функциональность отдельных компонентов:
F-1) Моделирование (разработка моделей) – предоставляет всеобъемлющее и основательное описание всех релевантных свойств NEXUS-платформы. Для такого описания должны быть разработаны соответствующие абстракции для услуг, предоставляемых OBA, и для информационных структур - широкий спектр от разработки моделей сенсорных данных и информации позиционирования через описание многообразно представимых данных и виртуальных структур для описания AW-модели до учета разомкнутого режима работы или перемещений пользователя.
F-2) Коммуникация – базовая коммуникационная служба, предоставляет транспарентный переход между различными технологиями мобильных коммуникаций.
F-3) Сенсорные и позиционирующие системы – необходимы для определения местонахождения NEXUS-пользователя. Можно обращаться к имеющимся технологиям, которые могут всесторонне дополняться и улучшаться по точности действия за счет интеграции.
F-4) Инфо-менеджмент: главная задача этого компонента – управление динамической AW-моделью. Она позволяет приложениям ставить вопросы о местонахождении или регистрировать себя на определенные события с помощью Publish&Subscribe-механизма. Кроме того, он регулирует также интеграцию существующих источников информации.
F-5) Интерфейс пользователя: к задачам ИП NEXUS-платформы относятся как визуализация моделей, так и общение с пользователем. При этом должны быть приняты во внимание различные конфигурации, например, PDA или Laptop.
В исследовательской группе и проводимых ею работах, предшествовавших проекту NEXUS, получены важные результаты и прототипы. Начатый осенью 1998 предпроект «NEXUS – мобильный и зависящий от местности доступ к информации» продолжался два года. Он поддерживался стартовым финансированием земли Баден-Вюртемберг и выполнялся совместно с институтом фотограмметрии. В рамках этого предпроекта была развита идея проекта [6,21] и верифицирована работоспособность NEXUS-платформы путем предварительных исследований [8, 10] и создания ранних прототипов части функций. Далее с помощью аэрофотосъемки лазерным сканером была изготовлена модель штуттгартского городского центра. Через прототип, который для начала на одном единственном компьютере реализует первое подмножество функций планируемого интерфейса NEXUS-системы, можно иметь доступ к этой модели центра города и запрашивать информацию о различных зданиях или упомянутых выше виртуальных афишных тумбах [17, 19]. Было также исследовано применение дифференциального GPS-прибора для определения положения пешеходов [20].
Следующий проект IPVR, посвященный концепции систем для реализации описанных выше виртуальных афишных тумб, поддерживается фирмой Hewlett-Packard. В нем возник прототип, который позволяет обеспечить доступ к виртуальным афишным тумбам с Notebook, оборудованного дифференциальным приемником спутниковой навигационной системы GPS (точность позиционирования до двух метров) и мобильным телефоном для передачи данных [5, 11].
К последним результатам NEXUS-проекта относится максимум поддержки отключенного режима работы [9] (в местах усиленных помех радиоприему и передаче данных), моделирующая среда для мобильного информационного доступа, а также всестороннее исследование протоколов актуализации локационных данных [12].
В статье представлен новый класс распределенных систем – системы, привязанные к местности. В таких системах местонахождение пользователя устанавливается с помощью подходящих сенсоров и берется во внимание при обработке. Прикладные задачи этого класса систем можно разделить на задачи маршрутизации (routing) и задачи, поддерживающие концепцию SIS. В то время как системы маршрутизации встречаются довольно часто в форме навигационных систем, SIS-системы еще в стадии развития и представляют собой новую многообещающую концепцию, которая позволит осуществить доступ к имеющимся информационным пространствам.
В рамках NEXUS-проекта должна быть разработана платформа для OBS, представлены цели проекта, задачи исследований и получены первые результаты.
1. M. Campione, K. Walrath, and A. Huml. The Java Tutorial Continued: The Rest of the JDK. Addison-Wesley, December 1998.
2. G. Coulouris, J. Dollimore, and T. Kindberg. Distributed Systems – Concepts and Design. pp 34-36, Addison-Wesley, 2001.
3. Deep Map – Intelligent, Mobile, Multi-Media and Full of Knowledge. European Media Laboratory GmbH. URL:
http://www.eml.villa-bosch.de/english/research/deepmap/deepmap.html
4. G.W. Fitzmaurice. Situated Information Spaces and Spatially Aware Palmtop Computers. Communications of the ACM, 36(7):39-49, July 1993.
5. A. Fritz. Positionsabhängiger Zugriff auf WWW-Inhalte. Diplomarbeit Nr. 1709, Fakultät für Informatik, Universität Stuttgart, 1999.
6. F. Hohl, U. Kubach, A. Leonhardi, K. Rothermel, and M. Schwehm. Next Century Challenges: neXus - An Open Global Infrastructure for Spatial-Aware Applications. In Proceedings of the Fifth Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom '99), pp. 249-255, 1999.
7. T. Imielinski and J.C. Navas. GPS-based Geographic Addressing, Routing, and Resource Discovery. Communications of the ACM, 42(4):86-92, April 1999.
8. U. Kubach, A. Leonhardi, K. Rothermel, and M. Schwehm. Analysis of Distribution Schemes for the Management of Location Information. Technischer Bericht 1999/01, Universität Stuttgart, 1999.
9. U. Kubach and K. Rothermel. A Map-Based Hoarding Mechanism for Location-Dependent Information. In Proceedings of the Second International Conference on Mobile Data Management (MDM 2001), Hong Kong, January 2001, to appear.
10. A. Leonhardi and U. Kubach. An Architecture for a Universal, Distributed Location Service. In Proceedings of the European Wireless ´99 Conference, pp. 351-355, ITG Fachbericht, VDE Verlag, 1999.
11. A. Leonhardi, U. Kubach, and K. Rothermel. Virtual Information Towers – A Metaphor for Intuitive, Location-Aware Information Access in a Mobile Environment. In Proceedings of the Third International Symposium on Wearable Computers (ISWC ´99), IEEE Press, 1999.
12. A. Leonhardi and K. Rothermel. A Comparison of Protocols for Updating Location Information. Technischer Bericht 2000/05, Universität Stuttgart, 2000.
13. R. Lewis. Advanced Messaging Applications with MSMQ and MQSeries. Que, December 1999.
14. MOBIS – Mobiles Besucherinformationssystem, Institut Graphische Datenver-arbeitung, Fraunhofer Gesellschaft. URL:
http://www.rostock.igd.fhg.de/fhg_igd/abteilungen/a3/old/PROJECTS/Mobis/
15. J. Pascoe. The Stick-e Note Architecture: Extending the Interface Beyond the User. In Proceedings of the 1997 International Conference on Intelligent User Interfaces, pp. 261-264, 1997.
16. A. Schill. Remote Procedure Call: Fortgeschrittene Konzepte und Systeme – ein Überblick. Informatik-Spektrum 15:79-87, Springer-Verlag, 1992.
17. J. Schützner. Entwicklung einer Server-Komponente für ein räumliches Modell in neXus. Diplomarbeit Nr. 1768, Fakultät für Informatik, Universität Stuttgart, 1999.
18. J. Spohrer. WorldBoard: What Comes After the WWW?, URL: http://worldboard.org/pub/spohrer/wbconcept/default.html
19. S. Volz, D. Fritsch, D. Klinec, A. Leonhardi, and J. Schützner. neXus – Spatial Model Servers for Location-Aware Applications on the Basis of ArcView. In Proceedings of the 14th ESRI European User Conference, CD-ROM, 1999.
20. S. Volz and D. Klinec. neXus: The Development of a Platform for Location-Aware Applications. In Proceedings of the Third Turkish-German Joint Geodetic Days, Vol. II, pp. 599-608, 1999.
21. S. Volz, M. Sester, D. Fritsch, and D. Klinec. neXus – eine Plattform für ortsabhängige, verteilte Geodatennutzung. In Veröffentlichungen zur 19. wissenschaftlich-technischen Jahrestagung der Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung (DGPF), 1999.