Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии интеллектуализации локализованных вычислительных сред Интернета физических устройств для персонализированного построения и упреждающей доставки сервисов: текущие результаты проведенных теоретических исследований

Номер контракта: 14.574.21.0060

Руководитель: Корзун Дмитрий Жоржевич

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петрозаводский государственный университет"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
повсеместные вычисления, интернет физических устройств (iot), интеллектуальные пространства, сервисно-ориентированные системы, мобильное программирование, семантический веб, контекстное принятие решений, извлечение знаний, большие данные, облачные вычисления, окружения совместной деятельности, мобильное здравоохранение, электронный туризм, индустриальный интернет

Цель проекта:
Исследуется проблема интеллектуализации IoT-среды за счет развертывания интеллектуального пространства в виде многоагентной системы на разнообразных вычислительных устройствах IoT-среды, в которой агенты выполняют построение и доставку сервисов на основе совместного сбора, накопления и обработки информации. Основной целью реализуемого проекта является исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание технологии интеллектуализации локализованных вычислительных сред Интернета физических устройств (IoT) для персонализированного построения и упреждающей доставки цифровых сервисов в рамках подхода «интеллектуальные пространства» (ИП).

Основные планируемые результаты проекта:
В проекте заявлена реализация в виде экспериментального образца программной платформы (ЭО ПП) технологии интеллектуализации локализованных вычислительных сред Интернета физических устройств (IoT-среды) для персонализированного построения и упреждающей доставки цифровых сервисов. Технология предназначена для разработки и развертывания сервисов в условиях разнообразия как оборудования IoT-среды, так и прикладных проблемных областей, включая задачи на стыке областей. В качестве референтных областей выбраны четыре представителя: окружения коллаборативной деятельности, мобильное здравоохранение, электронный туризм, индустриальный интернет. Для этих референтных областей реализуются экспериментальные образцы (ЭО) сервисов, на основе которых исследуется применимость технологии с построением способов ее эффективного использования для разработки и развертывания цифровых сервисов (следующего поколения) в виде ИП. Такой подход позволяет соединить пользователей с требуемыми им сервисами, когда для персонализированного построения и упреждающей доставки сервисов используются окружающие вычислительные устройства локальной IoT-среды и доступные внешние ресурсы.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В проекте создается два вида научной продукции: 1) теоретическая основа создаваемой технологии интеллектуализации в виде методов программной разработки и 2) технологическая продукция в виде наукоемкого программного обеспечения. Создание такой продукции основано на систематизации архитектурных и алгоритмических решения для построения и развертывания интеллектуальных пространств в IoT-среде. Изучено более 100 международных научно-информационных источников за период 2009 – 2015 гг., в которых рассматриваются проблемы разработки интеллектуальных систем для IoT-сред. Показана целесообразность использования программных платформ, аналогичных платформе Smart-M3, и актуальность выбранных референтных прикладных проблемных областей для создания интеллектуальных пространств. Полученная в проекте систематизация является новой и определяет необходимые способы развития платформы Smart-M3.

Создаваемая теоретическая основа технологии интеллектуализации включает новые модели, алгоритмы, методы и методики разработки программного обеспечения, реализующего цифровые сервисы следующего поколения для выбранных референтных прикладных проблемных областей. Соответствующие научные решения публикуются и представляются на научных конференциях международного уровня, включая издания с индексацией в базах Scopus и Web of Science. Получаемые модели, алгоритмы, методы и методики являются новыми и допускают применение на платформе Smart-M3 для разработки и развертывания сервисов для выбранных референтных прикладных проблемных областей.

Создаваемое программное обеспечение включает ЭО ПП и четыре ЭО сервисов. Полученные первые версии ЭО сервисов демонстрируются на международных научно-практических мероприятиях, а также начинают апробироваться на базе ИТ-парка в Петрозаводском государственном университете в реальных условиях образовательного, научного и производственного процессов. Проводятся варианты практической апробации в условиях других образовательных и научно-исследовательских организаций. Полученное программное обеспечение включает охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности с возможностью регистрации в Росреестре программ для ЭВМ.

Исследования в данном направлении ведутся в настоящее время многими научными группами, как в России, так и за рубежом. При создании заявленной научной продукции проект взаимодействует с рядом ведущих международных исследователей и научных сообществ, включая получение внешних экспертных оценок и сравнительного анализа предлагаемых в проекте решений. Аналогичные работы по созданию коммерческих платформенных решений в области ИП для персонализированного построения и упреждающей доставки цифровых сервисов активно ведутся рядом крупных корпораций. Уникальной нишей данного проекта являются решения с открытым кодом, предназначенные к использованию широким кругом исследователей и разработчиков.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта предназначены для применения при разработке информационных сервисов следующего поколения, которые реализуются в виде ИП, разворачиваемого в локализованной IoT-среде. Референтными прикладными проблемными областями для таких сервисов выступают: окружения коллаборативной деятельности, мобильное здравоохранение, электронный туризм, индустриальный интернет. Получаемые в проекте результаты публикуются в научных изданиях международного и российского уровня, влияя на развитие научно-технических и технологических направлений в области Интернета физических устройств и интеллектуальных Интернет-технологий.

Потребителями ЭО ПП выступают организации, занимающиеся оказанием услуг по разработке программного обеспечения и консалтингом в сфере информационных технологий. Внедрение создаваемой в проекте технологии интеллектуализации IoT-сред позволит перейти к практической реализации сервисов следующего поколения для широкого круга проблемных областей. В частности, предполагается дальнейшее развитие создаваемых в проекте экспериментальных образцов сервисов для нужд коммерческого использования:
1) сервисы виртуальной рабочей среды для коллективной работы;
2) сервисы мобильного здравоохранения для виртуального расширения медицинского учреждения до удаленных пациентов;
3) сервисы электронного туризма для создания комфортной среды туриста в пути;
4) сервисы автоматизированной системы управления промышленным предприятием (индустриальный/промышленный Интернет).

Несмотря на существенное различие выбранных референтных прикладных проблемных областей, разрабатываемое в проекте платформенное решение (реализуемое как ЭО ПП) позиционируется достаточно общим, чтобы обеспечить решение широкого круга прикладных задач по созданию цифровых сервисов следующего поколения. Заявляемая технология интеллектуализации не требует мощностей (напр., аппаратные и финансовые), доступных только крупным ИТ-компаниям, что позволяет разрабатывать конкретные прикладные системы с небольшим набором сервисов даже силами малых и средних предприятий.

Текущие результаты проекта:
Сведения о текущих результатах проекта публикуются на информационном ресурсе проекта в сети Интернет по адресу:
http://oss.fruct.org/wiki/Разработка технологии интеллектуализации локализованных вычислительных сред Интернета физических устройств

В период 2014-2015 гг. в проекте получены следующие основные теоретические результаты.

1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы. В результате обоснован вывод об актуальности поставленной цели ПНИ и необходимости решения задач ПНИ для различных прикладных проблемных областей.

2. Выполнен выбор и обоснование направления исследования в области разработки ЭО ПП. В результате определены основных направления развития платформы Smart-M3 для разработки ЭО ПП: построение информационного хранилища с поддержкой семантики хранимых данных; поддержка многоагентной архитектуры сервисов; организация сетевого доступа агентов к информационному хранилищу и обеспечение их средствами взаимодействия через разделяемое использование информации; семантически-ориернтированный поиск и обработка данных агентами в информационном хранилище.

3. Разработан общий метод построения информационного хранилища интеллектуального пространства (ИП) на основе моделей представления знаний и информационных технологий Семантического веб как локализованного связующего семантического центра для множественных источников данных и как корпуса знаний. В состав общего метода вошли четыре частных метода: 1) метод представления и семантического связывания в интеллектуальном пространстве информации из окружения для коллаборативной деятельности с накоплением корпуса знаний от множества мобильных участников, локальных и внешних источников данных; 2) метод представления и семантического связывания в интеллектуальном пространстве комплекса параметров здоровья пациента и медицинских услуг с распределением полномочий доступа к персональным медицинским данным; 3)метод представления и семантического связывания в интеллектуальном пространстве географической, событийной и историко-культурной информации для формирования виртуальной информационной среды туриста; 4) метод представления и семантического связывания в интеллектуальном пространстве информации о состоянии технологических процессов промышленного предприятия и об услугах информационной системы предприятия. В результате созданы теоретические решения для разработки и исследования информационных хранилищ для выбранных четырех референтных прикладных проблемных областей.

4. Разработана общая методика проектирования ИП на основе многоагентного подхода платформы Smart-M3, обеспечивающая персонализированное построение и упреждающую доставку сервисов в локализованных вычислительных средах Интернета физических устройств. В состав общей методики вошли четыре частных методики: 1) методика проектирования интеллектуального пространства для построения окружения коллаборативной деятельности мобильных участников в помещении класса «конференц-зал» с возможностями мультимодального интерфейса и доступа к Интернет-сервисам; 2) методика проектирования интеллектуального пространства для построения и доставки рекомендательных сервисов мобильного здравоохранения с удаленным персонализированным доступом пациентов к услугам медицинской информационной системы; 3) методика проектирования интеллектуального пространства для построения мобильной виртуальной информационной среды туриста с поддержкой сбора туристической информации и планирования поездок; 4) методика проектирования интеллектуального пространства для построения и доставки рекомендательных сервисов планирования и управления технологическими процессами и производством. В результате созданы теоретические решения для разработки программных сервисно-ориентированных архитектур для выбранных четырех референтных прикладных проблемных областей.

5. Разработан метод развертывания ИП в локализованной вычислительной среде Интернета физических устройств для заданной проблемной области на основе развития архитектурных решений платформы Smart-M3, позволяющий организовать косвенное взаимодействие множества динамических участников через разделение данных в информационном хранилище ИП. В результате созданы теоретические решения для программирования, конфигурации и настройки семантических информационных брокеров в локализованной IoT-среде, обеспечивающих косвенное взаимодействие множества динамических участников через разделение данных в информационном хранилище.

6. Разработан общий алгоритм доступа участников к ИП на основе развития моделей и протоколов взаимодействия платформы Smart-M3 в составе 1) алгоритм динамического извлечения информации от мобильных участников и связанных с ними источников данных в ходе коллаборативной деятельности при проведении мероприятий вида «конференция» и «совещание»; 2) алгоритм автоматических рассуждений над накапливаемым в интеллектуальном пространстве корпусе знаний о пациентах и медицинских услугах для построения рекомендательных сервисов с удаленной доставкой информационно-аналитических услуг медицинского учреждения мобильным пациентам; 3) алгоритм динамического поиска и извлечения туристической информации из открытых Интернет-источников для создания виртуальной информационной среды туриста с персонализированным планированием, отслеживанием и адаптацией
туристических поездок; 4) алгоритм доступа к услугам информационной системы промышленного предприятия для извлечения информации о состоянии технологических процессов и его семантического связывания с процессами планирования и управления.
В результате созданы теоретические решения для разработки операции доступа в ЭО ПП и для реализации программной логики сервисов для выбранных четырех референтных прикладных проблемных областей.

На основе полученных теоретических результатов разработаны ЭО ПП для развертывания ИП в локализованных вычислительных IoT-средах и четыре ЭО сервисов. На каждый ЭО разработана программная документация, программа и методика экспериментальных исследований.

В целом за период 2014-2015 гг. получены следующие научные публикации, в которых представлены текущие результаты проекта.
1. Korzun D., Balandin S. A Peer-to-Peer Model for Virtualization and Knowledge Sharing in Smart Spaces // Proc. 8th Int'l Conf. on Mobile Ubiquitous Computing, Systems, Services and Technologies (UBICOMM), 24-28 Aug. 2014, Rome, Italy. IARIA XPS Press, 2014. Pp. 87-92.
2. Galov I. V., Korzun D. G. A Notification Model for Smart-M3 Applications // Proc. 14th Int'l Conf. Next Generation Wired/Wireless Networking (NEW2AN'14) and 7th Conf. Internet of Things and Smart Spaces (ruSMART'14). 27-28 Aug. 2014, Saint-Petersburg, Russia. Springer International Publishing, 2014. LNCS 8638. Pp. 121-132.
3. Korzun D. Service Formalism and Architectural Abstractions for Smart Space Applications // Proc. Central & Eastern European Software Engineering Conference in Russia (2014 CEE-SEC(R)). 23-25 Oct. 2014. Moscow, Russia. ACM Press, 2014.
4. Kulakov K.A., Shabaev A.I. An Approach for Creation Smart Space-Based Trip Planning Service // Proc. 16th Conf. of Open Innovations Framework Program FRUCT. 27-31 Oct. 2014. Oulu, Finland. Full papers. IEEE Computer Society. SPb.:ITMO University, 2014. Pp.38-44. Статья также опубликована в цифровой библиотеке IEEE eXplore.
5. Varfolomeev A.G., Korzun D.G., Ivanovs A., Petrina O. Smart Personal Assistant for Historical Tourism // In book RECENT ADVANCES in ENVIRONMENTAL SCIENCES and FINANCIAL DEVELOPMENT. Proc. 2nd Int'l Conf. on Environment, Energy, Ecosystems and Development (EEEAD 2014). 28-30 Nov. 2014. Athens, Greece. C. Arapatsakos, M. Razeghi, V. Gekas, Eds. EUROPMENT, 2014. Pp.9-15.
6. Галов И. В., Корзун Д. Ж. Обеспечение устойчивости к сбоям Smart-M3 приложения на уровне программной инфраструктуры // Труды СПИИРАН. 2014. Вып.37. С. 188-207.
7. Корзун Д.Ж. Разработка технологии интеллектуализации локализованных вычислительных сред Интернета физических устройств для персонализированного построения и упреждающей доставки сервисов: Этап 1 "Выбор направления исследований" // Материалы научно-технической конф. "Инновации Северо--Запада", 15-16 декабря 2014, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014. С.96-100.
8. Корзун Д. Ж. Формализм сервисов и архитектурные абстракции для программных приложений интеллектуальных пространств // Программная инженерия. 2015. № 2. С.3-12.
9. A.Kulakov, O.Petrina. Ontological Model for Storage Historical and Trip Planning Information in Smart Space. Proc. 17th Conf. Open Innovations Framework Program FRUCT. Yaroslavl, Russia, 20-24 Apr. 2015, pp. 96-103
10. A.Borodin, Y.Zavyalova, A.Zaharov, I.Yamushev. Architectural Approach to the Multisource Health Monitoring Application Design. Proc. 17th Conf. Open Innovations Framework Program FRUCT. Yaroslavl, Russia, 20-24 Apr. 2015, pp. 16-21
11. A. Vdovenko, S. Marchenkov, D. Korzun. Enhancing the SmartRoom System with e-Tourism Services. Proc. 17th Conf. Open Innovations Framework Program FRUCT. Yaroslavl, Russia, 20-24 Apr. 2015, pp. 237-246.
12. I.Paramonov, A.Vasilyev, A.Mamedov. A Conceptual Framework for Development of Context-aware Location-based Services on Smart-M3 platform. Proc. 17th Conf. Open Innovations Framework Program FRUCT. Yaroslavl, Russia, 20-24 Apr. 2015, pp. 142-150
13. A.Smirnov, A.Kashevnik, N.Teslya, S.Mikhailov, A.Shabaev. Smart-M3-Based Robots Self-Organization in Pick-and-Place System. Proc. 17th Conf. Open Innovations Framework Program FRUCT. Yaroslavl, Russia, 20-24 Apr. 2015, pp. 210-215
14. Марченков С.А., Вдовенко А.С., Корзун Д.Ж. Сервис построения культурной программы для участников конференции в интеллектуальном зале. Материалы научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Современные технологии в теории и практике программирования. СПб.: ИД "Политехнический университет", 28 апреля, 2015. - С.30-31.
15. A.Smirnov, A.Kashevnik, A.Ponomarev, M.Shchekotov, K.Kulakov. Application for e-Tourism:Intelligent Mobile Tourist Guide. Proc. IIAI International Conference on Advanced Applied Informatics (IIAI AAI 2015). The 6th International Conference on E-Service and Knowledge Management (ESKM 2015), Okayama Convention Center, Okayama, Japan, 12-16 Jul. 2015, pp. 40–45.
16. A.Varfolomeev, D.Korzun, A.Ivanovs, O.Petrina. Smart Spaces Approach to Development of Recommendation Services for Historical e-Tourism// Proc. 9th Int'l Conf. on Mobile Ubiquitous Computing, Systems, Services and Technologies (UBICOMM), 19-24 Jul. 2015, Nice, France. IARIA XPS Press, 2015. Pp. 56-61.
17. A.Borodin, Y.Zavyalova. On an EAV Based Approach to Designing of Medical Data Model for Mobile HealthCare Service// Proc. 9th Int'l Conf. on Mobile Ubiquitous Computing, Systems, Services and Technologies (UBICOMM), 19-24 Jul. 2015, Nice, France. IARIA XPS Press, 2015. Pp. 20-23.
18. D.Korzun, I.Nikolaevskiy, A.Gurtov. Service Intelligence Support for Medical Sensor Networks in Personalized Mobile Health Systems. Proc. The 8th conference on Internet of Things and Smart Spaces (ruSMART 2015), 26-27 Aug. 2015, St.-Petersburg, Russia. Springer International Publishing, 2015. LNCS 9247. Pp.116-127.
19. А.И.Шабаев. Разработка комплекса алгоритмов и программ для решения задач оптимального планирования и управления сквозными процессами использования древесины. Сб. материалов 8-й Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2015). 28 сен. - 3 окт. 2015 г., с.Дивноморское, Краснодарский край, Россия.