Σχεδίαση και υλοποίηση διαμεσολαβητικού συστήματος για τη σύνθεση εφαρμογών περιρρέουσας νοημοσύνης
Authors: Δρόσος Νικόλαος 
Published: August 2021

Το όραμα της περιρρέουσας νοημοσύνης (Ambient Intelligence) αφορά μια νέα μορφή υπολογιστικού περιβάλλοντος εμπλουτισμένου με υπολογιστικές συσκευές ενσωματωμένες στο φυσικό περιβάλλον που μπορούν να συνεργάζονται και να εκτελούν εφαρμογές, οι υπηρεσίες των οποίων «ακολουθούν» το χρήστη και είναι άμεσα προσβάσιμες οποτεδήποτε και από οπουδήποτε. Σε μια από τις πιθανές υλοποιήσεις του, η περιρρέουσα τεχνολογία ενσωματώνεται σε καθημερινά αντικείμενα όπως έπιπλα, ρούχα, οικιακές και ηλεκτρικές συσκευές, οχήματα, δρόμους, και «έξυπνα» υλικά, ενώ οι άνθρωποι εξοπλίζονται με εργαλεία και διεργασίες απαραίτητες για την επίτευξη αλληλεπιδράσεων με αυτά τα περιβάλλοντα. Ένα AmI περιβάλλον μπορεί να φιλοξενεί μεγάλο αριθμό AmI εφαρμογών οι οποίες χρησιμοποιούν τις υπηρεσίες υποδομής που παρέχονται από το περιβάλλον και τις συσκευές/αντικείμενα που το απαρτίζουν. Βασικό χαρακτηριστικό ενός τέτοιου περιβάλλοντος αποτελεί η συνένωση του φυσικού και του ψηφιακού χώρου, δηλαδή τα απτά φυσικά αντικείμενα και περιβάλλοντα αποκτούν και μια ψηφιακή διάσταση. Καθώς ο υπολογιστής «εξαφανίζεται» στα περιβάλλοντα που φιλοξενούν τις δραστηριότητες των ανθρώπων, τα αντικείμενα που βρίσκονται μέσα σε αυτά επαυξάνονται με στοιχεία πληροφορικής τεχνολογίας και επικοινωνίας (Information and Communication Technology components), όπως αισθητήρες, ενεργοποιητές, επεξεργαστές, μνήμη, μονάδες ασύρματης επικοινωνίας κτλ., και αποκτούν δυνατότητες λήψης, αποθήκευσης, επεξεργασίας και μετάδοσης πληροφοριών και δεδομένων. Τα αντικείμενα αυτά αναφέρονται ως «επαυξημένα» αντικείμενα ή τεχνουργήματα, ενώ τα συστήματα τέτοιων αντικειμένων καλούνται συστήματα διάχυτου υπολογισμού (ubiquitous systems). Τα αντικείμενα μπορεί να είναι νέες ή και βελτιωμένες εκδόσεις υπαρχόντων αντικειμένων, τα οποία με τη χρήση της περιρρέουσας τεχνολογίας επιτρέπουν στους ανθρώπους να εκτελούν νέες ή και παραδοσιακές εργασίες ευκολότερα και πιο αποδοτικά. Οι χρήστες μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να μην αντιλαμβάνονται την ύπαρξη των ίδιων υπολογιστικών συσκευών που διέπουν αυτό το νέο κόσμο τους, αντιλαμβάνονται όμως τις υπηρεσίες που τους παρέχουν στον καθημερινό τρόπο ζωής τους. Η παροχή εννοιολογικών μοντέλων και διαμεσολαβητικών λογισμικών για τη δημιουργία, τη διαχείριση, την επικοινωνία και τη συλλογιστική που διέπει αυτές τις νέες οικολογίες (ή εφαρμογών περιρρέουσας νοημοσύνης) είναι επιτακτική, καθώς η συμμετοχή των ανθρώπων θεωρείται κρίσιμη για την επιτυχή υιοθέτηση αυτού του νέου υπολογιστικού παραδείγματος. Η διδακτορική διατριβή διερευνά συγκεκριμένα το μοντέλο Συνδέσμων/Συνάψεων, και προτείνει μια γενική αρχιτεκτονική για συστήματα διάχυτου υπολογισμού και το διαμεσολαβητικό λογισμικό (middleware) GAS-OS. Το πρώτο παρέχει ένα εννοιολογικό μοντέλο για τη δημιουργία AmI εφαρμογών μέσω μιας υψηλού επιπέδου προγραμματιστικής διαδικασίας. Το μοντέλο αυτό μπορεί να κατανοηθεί και να εφαρμοστεί μέσω υποστηρικτικών εργαλείων τόσο από προγραμματιστές όσο και από τελικούς χρήστες για το χειρισμό, σε διαφορετική λεπτομέρεια, των χαρακτηριστικών και της λειτουργικότητας των εφαρμογών. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική παρουσιάζει τη σχεδίαση ενός γενικού συστήματος ικανού να αντιμετωπίσει τις σχεδιαστικές και λειτουργικές απαιτήσεις που εντοπίζονται σε περιβάλλοντα περιρρέουσας νοημοσύνης. Η γενική αρχιτεκτονική εμπλουτισμένη με το εννοιολογικό μοντέλο συγκλίνουν στο σχεδίασμά και την υλοποίηση του διαμεσολαβητικού λογισμικού GAS-OS. Στην προσέγγιση της διατριβής οι εφαρμογές αποτελούνται από αλληλεπιδρώντα τεχνουργήματα που έχουν ενσωματωμένη την απαιτούμενη τεχνολογία. To GAS-OS είναι αλληλένδετο με τα τεχνουργήματα και υποστηρίζει τη συλλογική τους λειτουργία με διαφανή προς το χρήστη τρόπο. Το εννοιολογικό μοντέλο και το διαμεσολαβητικό λογισμικό αποτελούν μέρη του Gadgetware Architectural Style (GAS) που αποτελεί ένα γενικό πλαίσιο το οποίο διαμοιράζεται από χρήστες και σχεδιαστές για συνεπή περιγραφή, χρήση και συλλογιστική εφαρμογών σε περιβάλλοντα περιρρέουσας νοημοσύνης. Το GAS προτείνει ένα κατάλληλο σχεδιαστικό λεξιλόγιο, μια διαδικασία διαμόρφωσης εφαρμογών και κανόνες σημασιολογικής ερμηνείας που διευκολύνουν την ανάπτυξή τους. Το GAS θεωρεί τη διαδικασία διαμόρφωσης και χρήσης σύνθετων συλλογών από αλληλεπιδρώντα τεχνουργήματα, παρόμοια με τη διαδικασία σχεδιασμού συστημάτων λογισμικού από μηχανικούς με βάση δομικά στοιχεία (components). Στην προτεινόμενη προσέγγιση, το μοντέλο συνδέσμων/συνάψεων παρέχει μια υψηλού επιπέδου αφαίρεση των διεπαφών των δομικών στοιχείων και της διαδικασίας σύνθεσής τους. Η διδακτορική διατριβή καταγράφει τις σχεδιαστικές και λειτουργικές απαιτήσεις του χώρου της περιρρέουσας νοημοσύνης με βάση τις οποίες αφενός προτείνει μια γενική αρχιτεκτονική για τέτοια συστήματα, αφετέρου διεξάγει μια κριτική παρουσίαση υπαρχουσών προσεγγίσεων ανά τον κόσμο. Στη συνέχεια παρουσιάζει το αρχιτεκτονικό στυλ GAS και επικεντρώνει στην ανάλυση, σχεδίαση, υλοποίηση και αξιολόγηση του διαμεσολαβητικού λογισμικού GAS-OS. Τέλος προβάλλει τη διάσταση των εργαλείων μέσω των οποίων διευκολύνεται η αλληλεπίδραση χρηστών και AmI εφαρμογών και καταλήγει με συμπεράσματα και μελλοντικές κατευθύνσεις της διεξαχθείσας έρευνας.