[论文解读] A Role-Based Approach for Orchestrating Emergent Configurations in the Internet of Things

Radu‐Casian Mihailescu, Romina Spalazzese+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Context-Aware Activity Recognition Systems参考文献 36被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于角色的模型，用于编排物联网（IoT）中的涌现配置，实现异构设备之间动态、自适应且以用户为中心的协调。通过根据用户目标和上下文在运行时为设备分配角色，该框架支持无缝、目标导向的系统行为，同时保持用户意图的一致性，并在动态环境中提升可用性。

ABSTRACT

The Internet of Things (IoT) is envisioned as a global network of connected things enabling ubiquitous machine-to-machine (M2M) communication. With estimations of billions of sensors and devices to be connected in the coming years, the IoT has been advocated as having a great potential to impact the way we live, but also how we work. However, the connectivity aspect in itself only accounts for the underlying M2M infrastructure. In order to properly support engineering IoT systems and applications, it is key to orchestrate heterogeneous 'things' in a seamless, adaptive and dynamic manner, such that the system can exhibit a goal-directed behaviour and take appropriate actions. Yet, this form of interaction between things needs to take a user-centric approach and by no means elude the users' requirements. To this end, contextualisation is an important feature of the system, allowing it to infer user activities and prompt the user with relevant information and interactions even in the absence of intentional commands. In this work we propose a role-based model for emergent configurations of connected systems as a means to model, manage, and reason about IoT systems including the user's interaction with them. We put a special focus on integrating the user perspective in order to guide the emergent configurations such that systems goals are aligned with the users' intentions. We discuss related scientific and technical challenges and provide several uses cases outlining the concept of emergent configurations.

研究动机与目标

• 解决当前物联网系统中缺乏以用户为中心、自适应编排的问题，特别是在动态、异构环境中。
• 克服当前依赖刚性请求-响应模式的物联网解决方案中存在的“云孤岛”问题和用户体验局限。
• 实现目标导向的、涌现式的配置，使设备能够基于用户委派的目标和上下文感知能力自主协调。
• 将用户意图和上下文整合到系统行为中，以支持主动、无缝且直观的交互，而无需持续的用户指令。
• 提供一个统一框架，支持物联网生态系统中的互操作性、协调性以及用户交互的改进。

提出的方法

• 将涌现配置（ECs）定义为基于用户目标和上下文动态重组的临时、目标导向的物联网设备组。
• 引入基于角色的模型，使设备在运行时采用特定角色以实现系统目标，从而支持动态适应与协调。
• 将用户参与不仅视为终端用户，更视为系统行为的共同创造者与引导者，通过角色将用户目标与设备功能绑定。
• 利用上下文推理推断用户活动，并主动触发相关设备交互，减轻用户负担并提升系统响应速度。
• 将系统分解为松散耦合的组件，实现自主协调，其中角色作为协调与适应的语义抽象。
• 利用现有的多智能体系统（MAS）原则，但将其扩展以包含以用户为中心的引导，使角色成为连接用户意图与设备行为的桥梁。

实验结果

研究问题

• RQ1 物联网系统如何以无缝且自适应的方式动态编排异构设备，以实现用户委派的目标？
• RQ2 用户意图和上下文应如何被形式化建模并整合到设备协调中，以实现主动、目标导向的行为？
• RQ3 如何利用角色在用户目标与设备功能之间进行调解，以支持运行时的适应性与系统一致性？
• RQ4 当多个具有竞争目标的用户与同一配置交互时，需要何种机制来解决冲突？
• RQ5 如何使基于角色的模型在多样化物联网用例中实现泛化与重用，同时保持表达力和运行时效率？

主要发现

• 基于角色的模型使设备能够动态采用与用户目标一致的角色，支持自适应和上下文感知的系统行为。
• 通过将用户目标与设备角色绑定，该框架减轻了用户的认知负担，并支持无需显式指令的主动系统响应。
• 该模型通过提供统一的语义层用于系统配置，解决了物联网互操作性、协调性和用户交互中的关键挑战。
• 该框架支持运行时角色的演化以匹配用户目标或环境条件的变化，增强了系统的韧性与适应性。
• 该方法促进了现有机制（如服务发现、上下文推理和配置监控）在统一、可扩展架构中的集成。
• 该模型在多样化物联网应用中展现出良好的可重用性，对建模涉及多个设备和用户的复杂、涌现式配置具有强大的表达力。