an ontology model and reasoner to build an autonomic system for U-Health smart home

Abstract

Two primary concerns for our aging society are preserving good health and avoiding disease. A Smart Home system is one possible way to solve this complex problem. However, it is very complex to build a smart home system for several reasons. First, it is hard to track the behavior of elderly people at home, because each person has unique needs and behavior. In addition, it is very difficult for a system to know whether a given behavior is normal or not. Second, medical symptoms are very complex. Current medical treatment uses various disease symptoms to choose one or more appropriate medical specialists. Third, there can be many heterogeneous technologies at home that use different transport protocols, management data, command languages and specifications. These technologies are a mix of standard and proprietary solutions, making it difficult to build a universal system.To solve these problems, this research which is a part of POSTECH U-Health smart home project, was started. This thesis, is the result of the research, makes two significant contributions to the area. The first contribution is general architecture for the U-Health smart home project at POSTECH. The requirements are introduced and proposed in this thesis. The second contribution is a semantic model that can be used by an autonomic system to make intelligent decisions in a smart home environment. To create the appropriate model, various semantic technologies, which use OWL as the programming language, Prot？g？ 3.4.2 as a tool for ontology creation and SWRL as a language for reasoning, were used. Furthermore, for reasonable ontology, open standard CIM version 2.22, which is defined and published by DMTF, was used as a framework.

과학 기술이 발전하고 컴퓨터가 사람의 생활에 필수적인 요소로 들어오게 된 이후, 그 활용에 대한 연구가 끊임없이 진행되어왔다. 그 중, 건강한 삶을 영위하고자 하는 사람들을 도와주기 위한 연구들이 진행되어왔다. 왜냐하면 나이가 들어가면서 건강을 지키고 질병에 걸리지 않는 데 많은 노력을 아끼지 않기 때문이다. 이런 건강에 대한 우려에 대해 스마트 홈 시스템이 그 대한으로 제시될 수 있다. 하지만 효율적이고 지능적인 스마트 홈 시스템을 구축하기 위해서는 많은 고려할 점이 존재한다. 나이든 사람들이 지닐 수 있는 질병의 다양성과, 질병에 의한 진단의 복잡함에 따른 어려움, 스마트 홈 내부에 존재하는 다양한 종류의 기기들에 대한 관리와 네트워킹 등, 많은 문제점들이 풀어야 할 문제로 제기되고 있다. 본 연구는 포항공대 U-health 스마트 홈 프로젝트의 일부분으로써, 앞서 언급한 문제들을 해결할 수 있는 시스템 구축의 초기 단계의 수행결과이다. 연구의 목적은 시멘틱 웹 기술들을 이용하며 구축한 온톨로지와 리즈너를 만드는 것이며, 이는 U-health 스마트 홈을 위한 자율 컴퓨팅 환경 구축의 기본이 되는 것이다. 스마트 홈에 관련한 많은 온톨로지들이 이미 구현이 되어있지만, 해당 온톨로지에 대한 정당성과 타당성을 언급하기는 어렵다. 온톨로지 구현의 목적은 해당 시스템에 최적화되어 만들어지기 때문이다. 이러한 이유로 본 연구에서 제안하는 모델은 이와 같은 단점을 극복하고 모델에 합리성을 부가하기 위해 국제 표준인 CIM 모델을 변형하여 구축함으로써 스마트 홈 내부에 있는 다양한 기기들에 대한 관리를 효율적이고 합리적으로 수행할 수 있게 하였고, 추가로 다양한 클래스와 프로퍼티들를 생성함으로써 의사 결정 시스템이 상황을 인지하여 정확한 결정을 내릴 수 있게 하는 기반을 제공한다. 또한 다양한 SWRL로 작성된 규칙을 제공함으로써 시스템의 영리한 판단을 내릴 수 있고, 정확한 의사 결정을 가능하게 하는 논리적인 의사 결정 흐름을 생성하여 시스템의 동작에 대한 자율화를 가능하게 한다.기존의 연구들과 구분이 되는 있는 점은 다양한 분야를 위한 온톨로지 모델 구축이라는 것이다. 단순히 상황을 인지하기 위함이 아닌, 인지 후 시스템에 의한 효율적이고 지능적인 의사결정, 스마트 홈 시스템 내부의 기기들에 대한 합리적인 관리가 가능하게 하기 위함이 본 연구에서 제시하는 모델의 목적이기 때문이다. 논문의 구성은 다음과 같다. 1장에서는 문제 상황에 대한 제기와 파악, 연구의 목적이 기술되어 있다. 2장에서는 U-health 스마트 홈에 대한 관련 연구들과 본 연구에서 사용되는 기술이나 개념에 대한 전반적인 정의들이 설명되었고, 연구에서 해당 기술들이 어떻게 사용되면 기존의 연구들과 어떠한 점이 다른 지에 대한 설명이 되었다. 3장에서는 본 연구에서 제안하는 모델이 사용될 스마트 홈을 위한 자율 컴퓨팅 환경에 대한 설명이 기술되었다. 이 자율 컴퓨팅 환경은 분산된 모듈에 의한 프레임워크로 되어 있으며, 각 모듈의 역할과 의사결정에 의해 필요한 흐름에 대해서 설명한다. 4장에서는 제시된 모델의 구현 목표와 방법이 제시되었으며, 본 모델을 이용한 리즈너의 역할과 구현에 대한 방법이 예시와 함께 기술되었다. 또한, 국제 표준인 CIM에 대한 설명과 온톨로지로 사용하기 위해서 사용된 요소와 시멘틱 웹 기술을 사용하기 위한 CIM 요소의 변환방법과 활용에 대한 설명이 되었다. 추가로 의사결정 시스템이 효율적으로 의사결정을 하기 위해 추가적으로 생성된 요소에 대한 설명이 되어 있으며, 의사 결정의 논리적인 흐름에 대한 검증과 모델의 무결성 보장을 위한 리즈너의 설명이 되어있다. 5장에서는 온톨로지 모델과 리즈너의 구현환경과 사용가능한 시나리오가 기술되고, 해당 시나리오를 지지할 수 있는 의사 결정을 위한 SWRL 규칙 생성을 위한 구현 방법이 기술되었다. 마지막 6장에서는 본 논문에 대한 요약과 공헌, 앞으로 개선해야 할 사항이 기술되었다. 본 모델은 U-health 스마트 홈 시스템에서 사용될 모델이기 때문에 해당 시스템이 어떻게 구성이 되어야 할지에 대한 언급과 데이터 흐름에 대한 시퀀스 다이어 그램이 설명되었다.