[論文レビュー] Overview and Challenges of Ambient Systems, Towards a Constructivist Approach to their Modelling

Gérald Rocher, Jean‐Yves Tigli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Context-Aware Activity Recognition Systems参考文献 78被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、IoT、CPS、ユビキタスコンピューティングなどのアンビエントシステムを、予測モデリングからインビボ効果性評価へのシフトによって、構築主義的システム的アプローチでモデル化することを提案する。環境の複雑さと予測不能さのため、従来の予測は失敗し、代わりに目的志向のモデルを用いた実地的評価によって、システムの効果性を評価する必要がある。これにより、実世界の展開において、より優れた適応性、ユーザーエクスペリエンス、信頼性が実現可能となる。

ABSTRACT

From a closed and controlled environment, neglecting all the external disturbances, information processing systems are now exposed to the complexity and the aleas of the physical environment, open and uncontrolled. Indeed, as envisioned by Mark Weiser as early as 1991, the progresses made on wireless communications, energy storage and the miniaturization of computer components, made it possible the fusion of the physical and digital worlds. This fusion is embodied in a set of concepts such as Internet of Things, Pervasive Computing, Ubiquitous Computing, etc. From a synthesis of these different concepts, we show that beyond the simple collection of environmental data from sensors, the purpose of the information processing systems underlying these concepts is to carry out relevant actions that the processing of these data suggests in our environment. However, due to the complexity of these systems and the inability to predict the effects of their actions, the responsibility for these actions still often remains with users. Mark Weiser's vision of disappearing computing is still far from being a reality. This situation calls for an epistemological rupture that is proposed to be concretized through the systemic approach which finds its foundations in constructivism. It is no longer a question of predicting but of evaluating in vivo the effectiveness of these systems. The perspectives for such an approach are discussed.

研究の動機と目的

• 環境の予測不能さによって予測モデルが失敗する複雑なアンビエントシステムのモデル化における認識論的課題に対処すること。
• ユーザーがシステム行動に対して責任を負う状況が継続するオープンかつ動的な環境において、従来のシステムモデリングの限界を克服すること。
• 構築主義に基づいたシステム的モデリングアプローチを導入し、同型予測に代わる、リアルタイムでのシステム効果性の評価を可能とすること。
• 効果性志向の評価を通じて、アンビエントシステムにおけるユーザーエクスペリエンス、信頼性、適応性の実用的評価を可能とすること。
• 観察可能な現実世界の結果に基づく評価を根拠とすることで、自己適応型システムとサイバーフィジカル環境における強固な設計の基盤を提供すること。

提案手法

• 構築主義に基づいたシステム的モデリングアプローチを採用し、同型予測を放棄して、システム行動の実地的評価を重視する。
• システムの意図する目的に基づいてアンビエントシステムをモデル化し、物理的環境における機能的目標を捉える目的志向フレームワークを用いる。
• 確率的入出力隠れマルコフモデル（IOHMM）を用いてシステム効果性を評価し、時間的制約を扱うために可能性論的フレームワークに拡張する。
• システムのパフォーマンスを、孤立した非機能的指標（例：MTBF、MDT）ではなく、現実世界への影響を反映する高水準の効果性指標によって評価する。
• 効果性を主観的品質体験（QoE）とシステム信頼性と結びつけることで、ユーザーエクスペリエンスと信頼性を評価に統合する。
• 実環境にモデルを適用し、制御された合成的テスト条件に依存しない、インビボでのシステム行動の評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 環境との相互作用が本質的に予測不能かつ文脈依存である場合、どのようにアンビエントシステムを効果的にモデル化できるか？
• RQ2 複雑でオープンな環境において、予測モデリングから現実世界でのシステム行動評価への認識論的転換は、どのようなものか？
• RQ3 効果性評価は、信頼性、パフォーマンス、ユーザーエクスペリエンスを統合する指標として、どの程度有効に機能するか？
• RQ4 構築主義に基づくシステム的モデリングは、自己適応型および文脈に適応するシステムの開発をどのように支援できるか？
• RQ5 効果性評価は、従来の非機能的指標（例：MTBF、可用性）を代替する統合的指標として、システム信頼性の指標として機能できるか？

主な発見

• 環境の複雑さとすべての相互作用を予測できないことから、従来の予測モデリングはアンビエントシステムには不十分である。
• 現実世界の状況で評価される効果性評価は、同型予測に代わるより現実的で信頼性の高い代替手段である。
• 構築主義に基づいたシステム的アプローチにより、理論的モデルではなく、目的に基づいたシステム行動の評価が可能になる。
• 確率的IOHMMと可能性論的拡張は、不確実性と時間的制約下でのシステム行動の効果的なモデリングを可能にする。
• 効果性評価は、信頼性、パフォーマンス、ユーザーエクスペリエンスの高水準指標として機能でき、従来の非機能的指標を統合する。
• 初期の実装では、自己適応型システムの支援と、現実世界のアンビエントコンピューティング環境における耐障害性の向上に、前向きな兆しが見られる。