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利用网络物理系统构建智能社区
Feng Xia, School of Software Dalian University of Technology
Jianhua Ma，Faculty of Computer amp; Information Sciences Hosei University
翻译：by 陈中源
摘要：网络物理系统（CPS）和社交计算融合的趋势越来越明显，这将导致由各种对象（包括人类和生活事物）相互作用配合而组成的智能社区的出现。这些智慧社区可以提供一些创新的应用和服务，改善生活质量。 这篇论文将以网络物理系统和智慧社区谈及建设智能社区的一些机遇和挑战。
关键词：智能社区，社交计算，信息物理系统，无处不在的智能。
介绍
过去的几十年里，我们见证了各种各样日用计算机的数量高速增长。 现代计算机变得越来越小，并且具有越来越高的性能，例如：计算速度和内存大小，如摩尔定律所说的一样。 因此，计算机就是转变成许多新形式。 一些新的形式的电脑包括手机，智能手机传感器，甚至普通的物理器件，如灯，桌子和杯子。 换句话说，许多东西通过嵌入其中的隐形计算机将会拥有不同级别的计算和通信能力。 这种整合网络计算和物理动力学的形式导致了网络物理系统（CPS）的出现，并具近年来变得越来越火热。
一般来说，CPS具有紧密集成网络和物理对象的计算特点，其中各种设备通过联网来感知，监视和控制物体。 虽然没有统一的定义在这个概念中，CPS的一些定义特征包括物理对象中的网络能力，多个网络和极端尺度，时空复杂性秤，高度自动化，可靠认证的业务。 许多研究人员和从业人员已经指出CPS将改变我们的互动方式与物质世界[3,13]。
IT近期的另一个趋势是快速增长的网络社交服务，是过去十年最具影响力的概念之一。人类是社会动物，因此，社交网络就不足为奇了，自文明开始社交网络一直很受欢迎[5]。经过几十年的发展，他们一直在人类社会的发展中发挥重要作用。在社交网络中，一个群体中的每个人通过不同的社会联系在一起关系，如家庭，友情，商业伙伴或者同学们等等，提一下。这样的网络已经成为社会科学家研究的主题有很长一段时间了。随着Web2.0等互联网技术的普及，在线社交网络应用已成为当今流行的存在,例如Facebook，Twitter，LinkedIn，MySpace和Bebo。这些应用构成促进信虚拟社区的创造，分配，管理，分享和联系人中的消费[1]。例如，通过使用社交网络服务，可以结交新朋友，与（老）朋友保持联系，并检索随时随地感兴趣信息。目前最社交网络服务是基于网络的，提供各种服务表示用户通过Internet进行交互。虽然提供的服务多样化，但是当前社交网络应用程序的共同特征是他们设计的主要目标是促进人们之间的沟通，也就是说，我们人类就是用户。
我们设想上述两种趋势将至少在某种程度上在可预见的未来会聚。CPS和社交网络的融合将会加速智慧社区的出现。 这种范例将为我们带来解决各种社会问题的前景，如医疗保健，教育，交通，能源和环境等。建立智慧社区的最终目标是通过利用无所不在的智慧来提高在我们的日常生活中的智能社区的质量。一个智慧社区本质上是将互联网，物理和社交世界相互联系。 在本文中，我们将说明我们在新兴研究领域对智慧社区的初步看法以及面临的一些技术挑战。
本文的其余部分安排如下： 接下来我们首先详细阐述了智慧社区的趋势; 然后讨论智慧社区的基本概念，并确定其一些关键特征和潜在的好处； 第三部分将概述从技术角度构建智能社区的一些关键挑战； 第四部分总结了论文。
智慧社区的愿景
我们的愿景是建立在CPS和CPS基础上无处不在的智慧社区社交网络服务。 聪明社区将成为我们社会的一个组成部分未来，为许多社会规模提供有前景的解决方案问题。 除了人类，社会事物将成为智能社区的基本要素。 在一个智能社区，各种社会对象，包括两者人类和物质的东西，将相互作用无处不在的网络，提供无处不在的服务探索网络，物理和社会智能。
2.1建立智慧社区的原因
建设智慧社区有许多重要的因素，其中我们想提以下三点：
- 我们的社会面临着许多仍然存在的待解决的重大挑战。 其中一个主要挑战是由前所未有的人口老龄化而带来的不可避免的护理问题。如今世界人口迅速老龄化，人们的寿命都更长，随着年龄的增长，他们的生活也会有越来越多的孤独和不便。 如果没有适度的帮助的话，老年人，残疾人或慢性病患者经常住在一起会导致生活质量的明显下降。 社会在其他领域也有着巨大的挑战，例如交通，能源，环境和安全。 在交通运输，例如许多现代城市的交通网络正在变得饱和和拥挤。 智能社区将提供一个全新的技术，解决这些社会服务的问题和战略挑战。
- 智能社区具有改善生活质量的巨大潜力。智能社区的设计和部署将有助于构建为日常生活创建一系列新服务所需的基础设施。例如，在老年人，残疾人和慢性病患者的辅助生活中，智能社区将实现连续远程监控，人体运动的急性跟踪，实时应急响应和远程急救[8]等。这些服务将支持这些受损的人过上更健康的生活，最大限度地缩短医院，当地医生或护理院的时间。人口老龄化将能够在自己的家中更加独立地生活，尽管疾病或残疾是大多数人喜欢的，克服孤立并最大限度地减少对照顾者的依赖。除了国内环境之外，智能社区提供的无处不在的服务可以在汽车，办公室，学校，医院等中提供。不仅受损的人可以从智能社区中受益，而且还有健康的人们想要改善生活质量也是如此。
- 最近在传感，网络和计算方面的技术进步正在导致（无线）传感器/执行器网络和社交网络的集成[1,2]。通过探索这种整合，智能社区可以解决当前孤立的两个领域，即CPS和社会计算。基于这两个领域的最新技术进步，智能社区可以实现许多新颖的功能，否则很难（如果不是不可能的话）通过CPS或社交网络服务来实现。例如，智能社区允许在社交对象之间进行协作共享，这可以增加不同社区成员的实时意识，并提供对社区聚合行为的更好理解[1,4]。因此，大规模分布的数据收集变得可行，这导致所谓的众包。值得注意的是，传感器和社交网络的整合并不新鲜。近年来，在这方面已经做了一些努力，例如Citysense（http://www.citysense.com/），Brightkite（http：// brightkite。 com /）和社会生活网络（SLN）[5]。
2.2什么是智慧社区
在解释智能社区概念之前，我们首先要讨论社区和在线社区的概述，这两个概念与智能社区密切相关。
2.2.1社区和在线社区
虽然有许多不同形式的社区，但它们无疑对人类至关重要。如果没有社区，就会出现这种情况。作为一般性的理解（根据维基百科），社区可以被描述为一组互动的人。该集团经常分享一些共同的价值观，特征或利益，并具有社会凝聚力。可能社区这一术语最常见的是指一群人居住在附近，通常是大于家庭的社会单位（即邻居）。大城市可以被理解为社区的集合。
与现实生活中的社区相比，在线社区是一个在线存在的虚拟社区。成员是通过信息技术相互通信或相互交流的一组人，通常通过因特网而不是人。社交网络服务包括最具代表性的在线社区类型之一。在信息时代，在线社区已经成为大多数人之间社交互动的重要形式。在现代信息技术的帮助下，在线社区提供了即时信息交换的机会，可能跨越地理边界，这在现实世界中是不可能的。
2.2.2智慧社区
在我们的愿景中，智能社区可以被理解为一组连接的（社交）对象，它们通过无处不在的网络相互交互，并且可能向所有成员提供智能服务。智能社区的主题是可以是人类的物体，以及诸如桌子，手表，笔，门和钥匙之类的物理事物。也可能包括一些其他生物（除了人类），例如树和狗。在大多数情况下，这些对象之间存在隐式链接。例如，他们可以共同努力达到共同的目标，例如，传感和控制设备。
如图1所示，智能社区是一个新兴的社区，其特点是网络，物理和社交世界的整合和协调。从融合的角度来看，CPS是网络空间与物理世界融合的结果，而社会计算则代表了网络空间与人类社会（即社会世界）的整合。相比之下，智能社区在CPS和社会计算的交叉点上，表明了跨越构成整个地球的三个主要世界的科学和工程融合的新形式。我们相信这将导致IT的范式转变。
正是网络，物理和社会世界的整合使我们能够建立智能社区，即能够以智能方式行事。从社会角度来看，智能社区可以通过使用某些社会传感器实现成员之间的社会意识[7,12]。另一方面，将利用传感器和致动器网络来增强每个对象的上下文的物理感知性，例如，空间和时空维度。由于GPS在手机上的定位技术和设备的激增，位置数据是许多应用中要收集的最受欢迎的网络物理信息之一。当一个社会对象社区在社会和网络物理关系方面成为现实意识时，它将能够观察到正在发生的事情，构建其动态模型，对未来行为进行时空推理，并根据自己的决策采取行动[10]。因此，社区将变得聪明，具有向感兴趣的用户提供智能服务的能力。例如，当位置数据可用时，可以传递基于位置的服务。
尽管有上述观察，但智能社区和CPS，社交计算以及无处不在的计算之间的进一步比较是有趣的.CPS是关于（智能）物理事物的互连。这就是为什么它有时被称为物联网。（IOT）。 社交计算处理人的（虚拟）互连。 然而，智能社区必须处理的是人与物理的混合群体。 无处不在的计算，正如MarkWeiser所设想的那样，是智能空间（或者是智能空间）的支持技术
智能环境）[6]。 在智能空间中，作为用户的人通常是服务的消费者，而以各种设备的形式的物理事物充当服务提供者。 在我们设想的智能社区中，人类个体可以是服务消费者和/或提供者。 物理上的东西也可能是服务消费者（除了服务提供者之外）。
为此，智能社区的几个关键属性可以确定如下
bull;智能社区由人类个体和智能物理事物组成，作为与其他人互动的成员。
bull;智能社区的规模因具体情况而异。 一个智能社区可能只有几个成员，而另一个可能拥有非常多的成员。
bull;智能社区正在不断发展。 因此，智能社区的规模可能会随着时间而变化。 因此，智能社区应具有良好的可扩展性。
bull;智能社区是社会和物理意识系统。
bull;智能社区没有必要基于互联网（即在线）。 某些智能社区可能在（本地）环境中无法连接到Internet。
bull;在某些情况下，智能社区的生命周期可能很长，而在其他情况下则相对较短，具体取决于所支持的应用程序。
如上所述，智能社区的潜在应用跨越了我们的生活可能涉及的各种领域，包括例如：医疗保健，教育，交通，能源，环境和安全。 一个例子是通过整合身体传感器网络和社交网络实现的协同康复[8]。智能社区的另一种可能性是构建全球（协作）学习环境[9]。 这样的环境将适应物理，社交和网络元素。 它们通过提供无法通过网络方法实现的资源和专业知识，为服务不足的学生提供（远程）教育的新机会。 是的另一个例子是一个智能交通社区，承诺提高人们和整个社会的运输效率。
技术挑战
在我们对智能社区愿景的全部潜力进行探索之前，必须解决许多挑战。在下文中，我们从技术角度研究了一些挑战。
bull;无处不在的传感。为了充分了解不同方面的当前情况，智能社区需要实时分发多模式数据收集。收集的数据必须完整和准确。为此，部署的传感器（可能是非常大的数字）必须以协同方式执行传感任务。除了物理变量之外，社区成员的社会状态需要通过社会感知来感知。在这方面，社交传感器的设计成为一个重要问题。另一个主要挑战是在不损害系统的网络物理和社会意识的情况下保护个人隐私。
bull;自主网络。网络服务质量（QoS）是网络系统共同关注的问题[13]。智能社区必须支持来自不同世界（即网络，物理和社交世界）的各种实体之间的有效和高效的通信，从而创建一个动态的网络网络。跨越环境，物理和社会世界的各种信息交流的能力变得必要。所得到的信息流应该是可靠的，资源有效的，并且实时地提供令人满意的QoS。为实现这一目标，需要开发自主网络和通信协议。此外，应支持不同社区之间的自主通信。
bull;建模。智能社区是一个系统系统，具有高度复杂性。在一个系统中共存的物理，物理和社会因素对社区成员以及整个社区的建模造成了重大挑战。例如，是否存在统一的技术来形成所有实体以及相应的关系和交互？什么是适当的抽象级别？一些先进的技术，如语义网，隐马尔可夫模型，基于代理的随机分析和基于链接的图流分析，可用于社区建模。特别感兴趣的问题是人类个体的建模[11]。现在可以通过使用例如移动感测来研究人类行为。 （社会意识到的）智能手机[4,14]。但是建立一个全面的描述仍然是一个悬而未决的问题。
bull;协作推理。推理能力对智能社区的智慧至关重要。可以在智能社区中收集大量数据，形成人和物理对象的数字足迹。在这些情况下，一个关键问题是如何从大量不同类型的低级数据中推断出高水平的有用知识[14]。由于（原始）数据固有的异质性，这个问题具有挑战性。可以为此目的开发信息蒸馏和现实挖掘服务。在这方面，为群体决策制定分布式的高效算法也很重要。
bull;社区设计和管理。智能社区的设计和管理是一个尚待探索的开放主题。需要创新的设计原则，以应对前所未有的智能社区复杂性。一个可扩展的设计框架，可以促进智能社区的规范和跨学科的协同设计仍然缺失[9]。衡量智能社区性能的好指标是什么？如何验证和评估性能？识别不同的社区和社区成员是另一个非常重要的公开问题。需要进一步研究开发支持智能社区整个生命周期的新技术。
总结
在这份论文中，我们描述了我们对智能社区的看法。 根据这一愿景，设想了IT的范式转变。 网络，物理和社会世界将在这种背景下融合。 智能社区将建立在CPS和社交计算两个领域的最新技术进步之上。 我们认为，聪明的社区在我们的社会中所扮演的角色的重要性不能过分强调。 特别是，聪明的社区将以几年前不可能的方式帮助应对新出现的
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