Herausforderungen und Ansätze für Kontextmodelledbst/material/20071212_131_mitschang.pdf · SFB...
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Herausforderungen und Ansätze für Kontextmodelle
Bernhard Mitschang
Abt. AnwendersoftwareInstitut für Parallele und Verteilte Systeme
Universität Stuttgart
aaAnwendungssoftware
ss
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2
User/Comp
Motivation
ein Computer, viele Benutzer ein Benutzer,
viele Computer
Situation Arbeitsplatz Situationen im Alltag
ein Computer, ein BenutzerComp/User
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3
Motivation: verfügbare Kontextinformationen
Integration vonKontextinformation
Thermometer
Autoatlas
HomepagesWikipedia
Infrarot-Emitter
GPS
WLAN-Pos.
Kamera
Stadtplan
Hotels
Mikrophon
Terminplan
Dokumente
Sensoren
Datenbanken
?
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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
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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
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6
Übersicht
Motivation: Kontextbezogene SystemeAnforderungenDas Umgebungsmodell
StrukturInhalteRealisierung
Evaluation und EinsatzZusammenfassung
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7
PhysischeWelt
Kontext-Modell
Motivation: Kontextmodell
Anwendungen
Update(id, value)
Modellieren
Sensoren
Event (Bedingung)Anfrage (Filter)
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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
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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
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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)
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15
Übersicht
Motivation: Kontextbezogene SystemeAnforderungenDas Umgebungsmodell
StrukturInhalteRealisierung
Evaluation und EinsatzZusammenfassung
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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.
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Übersicht
Motivation: Ortsbezogene AnwendungenAnforderungenDas Umgebungsmodell
StrukturInhalteRealisierung
Evaluation und EinsatzZusammenfassung
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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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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
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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
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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>
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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>
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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
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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>
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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
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44
Übersicht
Motivation: Ortsbezogene AnwendungenAnforderungenDas Umgebungsmodell
StrukturInhalteRealisierung
Evaluation und EinsatzZusammenfassung
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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
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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
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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
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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
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Semantische Datenintegration – mit Plugins
Eingepasst in das AusführungsmodellEingabe: UM-ObjekteWeitere Eingabeinformationen:
Reputation, Trust, ...Ausgabe: UM-Objekte
Aggregation, Generalization,Conflation/Verschmelzung
Weitere Ausgabeinformationen:KartenbildNavigationsinformation
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Verschmelzung überlappender Straßendaten
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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
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Übersicht
Motivation: Ortsbezogene AnwendungenAnforderungenDas Umgebungsmodell
StrukturInhalteRealisierung
Evaluation und EinsatzZusammenfassung
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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 (2): Intelligentes Stadtinfosystem
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58
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…