智能家居規(guī)則沖突檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

朱慶華　常瑩

摘要：作者曾對規(guī)則模型和規(guī)則沖突問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析，本文將實(shí)現(xiàn)智能家居本體，基于創(chuàng)建的本體在SWRLTab中創(chuàng)建智能家居系統(tǒng)規(guī)則庫，并設(shè)計(jì)了規(guī)則沖突檢測的方法，最后使用Java語言開發(fā)了圖形界面的智能家居規(guī)則沖突檢測系統(tǒng)，并通過實(shí)例驗(yàn)證了沖突檢測系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：智能家居;沖突檢測;沖突驗(yàn)證

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0188-02

1智能家居本體構(gòu)建

作為整個(gè)智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，首先要對場景中的本體進(jìn)行定義。本文在構(gòu)建本體時(shí)主要使用了四種OWL實(shí)體，分別為：類（Classes）、個(gè)體（Individuals）、對象屬性（Objectproperties）、數(shù)據(jù)屬性（Dateproperties）。

類表示的是一組具有相似特征的個(gè)體或者實(shí)例的集合，個(gè)體表示的是領(lǐng)域?qū)ο螅部梢岳斫鉃轭愔械膶?shí)例。比如如果將國家（Country）作為一個(gè)類，那么中國，加拿大，葡萄牙，敘利亞，越南等國家就可以作為國家這個(gè)類中的個(gè)體。SubclassOf，Equivalent，Disjoint是定義用來描述類之間的三大關(guān)系，即子類，相等類，非相交類，這些關(guān)系可用于本體的推理。

屬性表示的是個(gè)體之間的二元關(guān)系，可以將兩個(gè)個(gè)體連接起來并表明它們之間的聯(lián)系，或者對個(gè)體進(jìn)行參數(shù)傳遞。比如對象屬性hasTeacher就可以將學(xué)生Tom與老師Harry的師生關(guān)系表示出來。數(shù)據(jù)屬性hasAge可以連接Bob和23，表示Bob的年齡為23歲。

針對智能家居的實(shí)際場景，在owl：Thing下定義了control、devices、PM2.5、temperature、time五個(gè)大類。五大類包含了控制類，設(shè)備類，時(shí)間環(huán)境參數(shù)類等，基本覆蓋了真實(shí)的智能家居環(huán)境。其中temperature類又包括三個(gè)子類hot，cold，medium，表示溫度的熱，冷和適中。PM2.5類包括三個(gè)子類high，low，middle，表示PM2.5濃度的高，低和適中。Time類包括兩個(gè)子類day，night，表示白天和夜間。

本文創(chuàng)建了open，close，turnon，turnoff，hastime，hastemp，hasPM25七個(gè)對象屬性，分別表示動作式的打開和關(guān)閉，以及電源開關(guān)式的打開和關(guān)閉，獲取時(shí)間，獲取溫度，獲取PM2.5等環(huán)境參數(shù)。

本文創(chuàng)建了greaterthan，lessthan，PM25，priority，temp，time六個(gè)數(shù)據(jù)屬性，分別表示大于，小于，PM2.5濃度，優(yōu)先級，溫度值，時(shí)間值。

本文創(chuàng)建了control，alarm，airconditioner，aircleaner，curtain，door，light等個(gè)體，分別表示控制器和報(bào)警器，空調(diào)，空氣凈化器，窗簾，門，燈等各種家居設(shè)備。

在Protégé自帶的插件OntoGraf中，提供了鏈型，樹形，星型等多種樣式來表示本體之間的關(guān)系圖，我們可以直觀準(zhǔn)確的查看當(dāng)前本體中的類和個(gè)體及其之間的關(guān)系。采用星型圖表示當(dāng)前智能家居系統(tǒng)本體搭建結(jié)果。

2基于SWRL的規(guī)則建立

2.1 SWRLTab簡介

完成本體的搭建之后，便可以在SWRLTab中自行編寫SWRL規(guī)則。SWRLTab是由斯坦福大學(xué)開發(fā)的一個(gè)基于SWRLAPI的插件，它提供了一個(gè)圖形界面去管理Protégé本體編輯器中的SWRLrules和SQWRLqueries。SWRLTab和protégé緊密結(jié)合，它支持SWRL的所有特性，能夠在編輯SWRLrule與本體文件之間方便地切換，并且建立規(guī)則時(shí)能直接使用OWL中已經(jīng)創(chuàng)建的實(shí)體。它的主要組件包括：

lSWRLEditor，用于編輯SWRL規(guī)則和SQWRL查詢。

l基于Drools的SWRL規(guī)則引擎和相關(guān)的SWRLDroolsTab，用于執(zhí)行SWRL規(guī)則。

l用于執(zhí)行SQWRL查詢的SQWRLQueryTab。

l用于與基于SWRLAPI的OWL 2 RL推理機(jī)交互的OWL 2 RLTab。

SWRLTab建立一條規(guī)則主要包含Name（規(guī)則名），Body（規(guī)則體），Comment（規(guī)則描述）三個(gè)部分，其中描述部分為選填項(xiàng)，可以對規(guī)則的含義進(jìn)行解釋說明。規(guī)則編輯界面有三個(gè)操作按鈕New，Edit，Delete，通過New可以新建一條規(guī)則，Edit對當(dāng)前規(guī)則進(jìn)行編輯，Delete則可以刪除一條規(guī)則。

2.2 SWRL規(guī)則展示

在本文的智能家居場景中，我們假設(shè)存在A，B兩個(gè)用戶，然后A用戶和B用戶各自預(yù)設(shè)了三條SWRL規(guī)則，如表1、表2所示。

3規(guī)則沖突檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)軟件環(huán)境

該智能家居規(guī)則沖突檢測系統(tǒng)是采用Java語言，使用Eclipse（JUNO版本）集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)。其基于jdk1.8版本，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有圖形用戶界面的規(guī)則沖突檢測系統(tǒng)。之所以采用Java語言是因?yàn)槲覀兯褂玫谋倔w編輯工具Protégé以及owlapi，swrlapi都是基于Java語言開發(fā)的，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中需要多次使用其提供的方法。而且Java語言本身有著可跨平臺運(yùn)行，面向?qū)ο螅艺Z法較為簡單等許多優(yōu)勢。在該系統(tǒng)中主要使用了Swing工具包，OWLAPI，SWRLAPI等。

Swing是為Java設(shè)計(jì)的進(jìn)行圖形界面應(yīng)用開發(fā)的工具包，是Java基礎(chǔ)類庫的一部分，Swing中包含了構(gòu)建GUI的各種組件，如： 窗口、標(biāo)簽、按鈕、文本框等。它是基于AWT（抽象窗口工具包）架構(gòu)之上，但是Swing可以提供較AWT更好的圖形顯示元素[9]。Swing是用Java寫成的，所以如同Java一樣可以在各個(gè)平臺上運(yùn)行。

OWLAPI是一個(gè)用于創(chuàng)建，操作和序列化OWL本體的JavaAPI。可以進(jìn)行RDF / XML，OWL / XML格式文件的解析和編寫，包含OWL功能語法分析和寫入，也可以進(jìn)行Turtle解析和編寫，包含了KRSS解析器，OBO格式解析器，以及用于和FaCT ++、HermiT、Pellet、Racer、JFact、Chainsaw等推理機(jī)合作的接口。OWLAPI的jar中提供了很多java包，含有各種類和接口，開發(fā)者使用其中提供的方法可以很方便地完成創(chuàng)建，加載，修改，保存本體，在本體中新建，獲取，修改或者移除Axioms等操作，還可以完成對本體中的規(guī)則進(jìn)行提取，對類，屬性等單獨(dú)提取等許多功能。

SWRLAPI是一個(gè)用于處理基于OWL的SWRL規(guī)則和SQWRL查詢語言的JavaAPI，它還包括了用于編輯和執(zhí)行規(guī)則查詢的圖形工具，前面章節(jié)中提到的Protégé中的SWRLTab插件就是基于SWRLAPI開發(fā)的。它提供了新建SWRL規(guī)則，修改SWRL規(guī)則等許多方法，本文在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中主要使用它進(jìn)行規(guī)則的處理。

3.2 系統(tǒng)需求分析

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)擁有雙用戶的智能家居規(guī)則沖突檢測系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)基于用戶優(yōu)先級的沖突避免機(jī)制，以及完成在相同優(yōu)先級下規(guī)則之間的沖突檢測功能。實(shí)現(xiàn)思路為：首先進(jìn)行智能家居本體的創(chuàng)建，以及構(gòu)建系統(tǒng)規(guī)則庫。然后從本地加載已經(jīng)創(chuàng)建好的包含了預(yù)置SWRL規(guī)則的本體文件，其中A，B用戶各有預(yù)先設(shè)定好的幾條規(guī)則（后續(xù)用戶可以根據(jù)需要在系統(tǒng)界面中添加新的規(guī)則），接著進(jìn)行用戶優(yōu)先級的選擇，當(dāng)選定優(yōu)先級之后，啟動沖突檢測模塊進(jìn)行檢測，并將結(jié)果反饋給用戶。

因此，該系統(tǒng)主要包括前端的控制界面，SWRL規(guī)則的提取和顯示模塊，規(guī)則添加模塊，優(yōu)先級設(shè)置模塊，規(guī)則沖突檢測模塊，以及沖突結(jié)果反饋展示模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.3.1規(guī)則提取和顯示模塊

該模塊完成規(guī)則提取和規(guī)則顯示兩部分功能。對于規(guī)則提取，首先將本地的owl本體文件加載至系統(tǒng)，然后使用OWLAPI中的OWLOntologyManager類來創(chuàng)建本體管理器。將owl本體載入本體管理器后，由于規(guī)則是以公理的形式存在本體文件中的，我們便可以使用OWLAPI提供的getAxioms（）方法將本體中的SWRL規(guī)則提取出來，并且以字符串的方式存儲下來。

對于規(guī)則顯示，應(yīng)該分別顯示A，B用戶的規(guī)則。因此使用同一智能家居本體，將A，B的規(guī)則文件分開保存。規(guī)則提取部分提取出來的規(guī)則包括Body和Head兩部分，其中包含著各種類，屬性的聲明以及IRI等許多復(fù)雜的信息，通過對規(guī)則字符串進(jìn)行操作處理，可以將規(guī)則簡化為簡明扼要的，以IF，THEN形式展示的規(guī)則，并由前端展示出來方便用戶查看。

3.3.2規(guī)則添加模塊

為了增加系統(tǒng)的靈活性，在規(guī)則添加模塊我們可以為當(dāng)前本體文件添加新的規(guī)則進(jìn)去，SWRLAPI為實(shí)現(xiàn)該功能提供了方法。規(guī)則添加模塊首先也是利用OWLAPI加載本地智能家居本體文件，然后使用SWRLAPI創(chuàng)建一個(gè)SWRLRuleEngine，該規(guī)則引擎可以對剛加載進(jìn)來的本體文件對象進(jìn)行處理。然后使用SWRLAPIRule接口中的createSWRLRule（）方法便可以將新規(guī)則寫入本體，并且能夠在Protégé的SWRLTab中顯示出來。同樣，在添加規(guī)則時(shí)，考慮到不同用戶的需求不同，將選擇用戶A或者B進(jìn)行獨(dú)立添加。

3.3.3 用戶優(yōu)先級設(shè)定

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)僅考慮有A，B兩位用戶的情況，因此有三種用戶優(yōu)先級，即A>B，A=B，A

3.3.4規(guī)則沖突檢測模塊

每一條完整的SWRL規(guī)則都是由條件和動作兩部分組成。首先使用OWLAPI提供的getBody（）和getHead（）方法可以將A，B兩用戶的規(guī)則的條件部分和動作部分提取出來并且分開進(jìn)行保存。在選擇用戶優(yōu)先級后，根據(jù)第三章中規(guī)則沖突類型的判定條件，依次遍歷A，B所有規(guī)則的條件部分和動作部分。如果條件部分相同，執(zhí)行動作相反，則發(fā)生執(zhí)行矛盾沖突;如果兩規(guī)則的條件和動作互相依賴，則發(fā)生依賴沖突;若兩規(guī)則的條件部分相包含且執(zhí)行動作一樣，則發(fā)生影子沖突。找出所有沖突規(guī)則并返回沖突類型和規(guī)則序號。

3.3.5前端界面展示

系統(tǒng)主界面如圖所示，含顯示規(guī)則，添加規(guī)則，沖突檢測，結(jié)果顯示四大功能。其中選定A，B用戶后，點(diǎn)擊顯示規(guī)則，在智能家居規(guī)則展示區(qū)將展示當(dāng)前用戶設(shè)定的規(guī)則。結(jié)果顯示中包括沖突檢測結(jié)果展示區(qū)以及沖突詳情展示區(qū)。

添加規(guī)則界面如圖所示，需要在Rule name文本框中鍵入規(guī)則名（SWRLAPI中的參數(shù)要求），IF文本框中鍵入條件部分，THEN文本框中鍵入動作部分，條件部分和動作部分是以形如SWRLTab（如示例所示）中的規(guī)則形式進(jìn)行添加的，非常方便用戶的閱讀和理解。選擇需要添加的用戶后確認(rèn)，一條形如示例的完整規(guī)則即可被添加到本體文件之中。

4系統(tǒng)測試

4.1 顯示規(guī)則

根據(jù)所述，對于A，B用戶，我們已經(jīng)在Protégé中的SWRLTab中分別創(chuàng)建好了三條規(guī)則，啟動檢測系統(tǒng)后，首先本體文件將會被加載到系統(tǒng)中。此時(shí)在規(guī)則顯示區(qū)用戶A和用戶B的規(guī)則顯示分別如圖所示，每行作為一條完整規(guī)則，其中IF后面為條件部分，THEN后面為動作部分。（在規(guī)則沖突檢測以及返回檢測結(jié)果時(shí)，規(guī)則的序號以此顯示順序?yàn)闇?zhǔn)。）

4.2 添加規(guī)則

一條SWRL規(guī)則的形式如Example所示，我們選擇用戶A添加一條規(guī)則，其內(nèi)容表示當(dāng)時(shí)間為晚上時(shí)，則關(guān)上窗簾。點(diǎn)擊確認(rèn)，重新加載本體便可以看到在A的規(guī)則顯示區(qū)成功添加了該規(guī)則。

4.3 沖突檢測

當(dāng)前系統(tǒng)中A用戶有四條規(guī)則，B用戶有三條規(guī)則。根據(jù)沖突檢測的流程，首先應(yīng)該選擇用戶優(yōu)先級，否則將無法啟動檢測模塊。

當(dāng)選擇用戶優(yōu)先級為A>B時(shí)，系統(tǒng)檢測到未發(fā)生沖突。

當(dāng)選擇用戶優(yōu)先級為A

當(dāng)選擇用戶優(yōu)先級為A=B時(shí)，根據(jù)上述章節(jié)中的規(guī)則沖突類型分析，我們可以得出目前系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)存在以下幾組沖突。啟動檢測，系統(tǒng)檢測到有沖突發(fā)生，檢測結(jié)果符合預(yù)期。

（1）A用戶規(guī)則4與B用戶規(guī)則1發(fā)生執(zhí)行矛盾沖突;

（2）A用戶規(guī)則3與B用戶規(guī)則2發(fā)生依賴沖突;

（3）A用戶規(guī)則1與B用戶規(guī)則3發(fā)生條件包含沖突。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 黃曉輝，李棟，石海龍，等.EasiRCC：面向智能家居的規(guī)則匹配與沖突消除方法[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2017，54（12）：2797-2806.

[4] LeeH， JeongYK， LeeIW.A mechanism of ontology-based rule management for smart building energy saving service[C]//InternationalConferenceonICTConvergence. IEEE， 2012：737-738.

【通聯(lián)編輯：王力】