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문제 정의
- 본 논문에서는 인식해야 할 상황을 표현하기 위하여 센싱 패턴 상황 표현 방법을 개선한 상태 전이(state transition) 형식의 상황 모델 표현 방법을 제안한다. 이 표현 방법은 기존의 패턴 형식의 고정식 표현 방법보다 훨씬 단순하면서도 보다 다양한 상황 표현이 가능하다.
- 따라서 높은 컨텍스 트 수준을 유지하면서도 추상화 레벨이 낮은 표현이 가능하다면 임베디드 시스템에 적용 가능하면서도 다양한 입력 형식들을 수용하는 인식기가 될 수 있을 것이다. 본 논문에서는 다양한 형식의 입력 종류를 수용하면서도 임베디드 시스템에 적합한 입력 심볼로 가공하기 위하여 CODEC을 사용하는 방법을 적용하였다. 따라서 센싱 값, 장비 상태 등과 같은 모든 종류의 입력들은 그 입력 타입을 처리하는 CODEC 과정을 통해서 정규화된 저수준의 유한 오토마타의 입력 심볼로 가공된다.
제안 방법
- 또한 본 논문의 방법으로 모델링 된 상황을 인식하는 인식기(automata)도 고정식 표현 인식기가 갖는 장점인 간단한 구조와 적은 리소스를 사용하기 때문에 내장형 시스템에 적용하기가 용이하며, O(n)의 시간 복잡도를 갖기 때문에 매우 빠른 응답시간을 보일 수 있어 실시간 처리 응용에 적합하다. 본 논문에서는 제안한 모델링 을 이용한 상황인식기반 제어기인 SAC(Situation-Action Converter)를 설계하고 이를 활용한 ARM 프로세서 기반 임베디드 시스템을 구현하여 실제 가전제품이 제어되도록 하였다. 2장에서는 상태 전 이를 이용한 상황 모델링에 대하여 설명하고, 3장에서는 상황 인식기와 동작 발생기에 대하여 설명한다.
- 지능화 수준이 높아지고 그에 따른 훨씬 많은 다양한 상황을 인식해야 제공할 수 있는 서비스를 제공해야 하는 임베디드 시스템에 기존의 센싱 패턴기반의 인식 방법을 적용하기 위해서는 보다 다양한 고 수준의 상황 표현이 가능해야 하면서도 개발하기 쉬워야 한다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 상황을 인식하기 위한 센싱 패턴을 정규 표현(regular expression)으로 나타낼 수 있으면 이를 상태 전이도(state transition diagram) 로 모델링하여 이를 인식하는 유한 오토마타(finite automata)# 설계할 수 있다.
- 기본적으로 유한 오토마타 모델을 그대로 따르기 때문에 구조적으로는 기존의 유한 오토마타와 동일하지만, 하나의 입력 심볼이 실제로는 시간 단위로 그룹핑 된 여러 입력들의 집합이라는 점이나 입력 심볼의 존재 유무로써 상태전이가 일어나는 것이 아니라 아닌 값의 범위로 상태전이가 일어난다는 점 등이 다르다. 따라서, 기존의 유한 오토마타 구조를 그대 로 따를 수 없기 때문에 제안된 모델을 인식할 수 있도록 적절히 변형된 새로운 결정적 유한 오토마타를 설계하였으며, 제어 신호가 발생될 수 있도록 동작 발생기를 설계하였다. 그리고 상황 인식기에서 인식된 상황을 바탕으로 제어 신호가 발생될 수 있도록 상황 인식기와 동작 발생기를 결합하였는데, 이처럼 함께 동작하는 상황 인식기와 동작 발생기를 본 논문에서는 상황-동작 변환기(SAC:Situ就iort Action Com足厂侶厂丿라는 명칭을 사용하였다.
- uSDMLe XML 기반의 DTD로 설계된 언어로써 위의 유한 오토마타를 그대로 표현할 수 있으며, Apache Jakarta Project의 Digester XML 파서를 사용하여 PC 환경에서 동작하도록 구현하였다[1 이. 그러나 임베디드 시스템 환경에서는 인식해야 할 상황이 그다지 많지 않고 Digester XML 파서가 크고 매우 느리기 때문에 uSDML로 정의된 상 황인식 규칙과 XML 파서를 사용하지 않고 유한 오토 마타 구조체를 직접 프로그램 코딩으로 생성하여 사용하였다.
- 따라서 센싱 값, 장비 상태 등과 같은 모든 종류의 입력들은 그 입력 타입을 처리하는 CODEC 과정을 통해서 정규화된 저수준의 유한 오토마타의 입력 심볼로 가공된다. 본 논문에서 사용한 입력 심볼은 스트링 형태의 CODEC 식별자와 심볼 식별자, 그리고 16bit의 비부호 정수 (unsigned integer)를 사용한 정규화된 형식을 따르고 있다. CODEC 변환 규칙은 실제 형식과 정규화된 형식 간의 변환만 가능하다면 제약은 두지 않았다.
- CODEC 변환 규칙은 실제 형식과 정규화된 형식 간의 변환만 가능하다면 제약은 두지 않았다. 본 논문에서는 실제 형식이 booleane! 경우는 0과 1로, 숫자인 경우 (广65535(=2攻)의 값으로 변환하였으며, 문자열인 경우는 문자열 테이블을 만들고 index를 사용하는 방법으로 변환하였다.
- 그러나 점차로 서비스가 복잡해짐에 따라 현재의 상황에 따라서 제어되어야 할 내용이 변하는 환경에 적용하기가 쉽지 않다. 이를 해결하기 위하여 상황 조건에 따른 분기를 기술한 상황 흐름도로 서비스를 모델링하고 각 상황 별로 제어될 내용을 기술하는 방법을 사용하였다. 이러한 접근방법은 워크플로우(workflow)[13]의 개념을 단순화한 것으로 상황 조건별 다양한 분기를 표현하기 용이하고, 구조적으로 상태 전이를 활용한 상황 인식기법 과 동일한 구조로 작동될 수 있기 때문에 그림 2의 상태 전이 엔진을 그대로 활용할 수 있다.
- uSZM江과의 차이점은 모든 스테이트에 발생될 제어 내용을 포함할 수 있는데, 그 안에 한 개 이상의 제어될 내용들이 기술된다. 각각의 제어 내용들은 기술된 순서대로 발생되는데, 이때 발생 지연 시간을 추가할 수 있다, uSD"의 경우와 마찬가지로 본 논문에 적용된 동작 발생기에서는 函£>"과 파서를 사용하지 않고 직접 프로그램으로 유한 오토마타 구조체를 생성하여 범용 상태전이 엔진에 등록하는 방법을 사용하였다.
- 본 논문에서 제안한 상황-동작 변환기를 이용하여 상 황 관리기를 구현하였다. 테스트에 사용된 시나리오는 스마트 스케줄링 서비스인데, 약속시간에 늦지 않기 위하여 지속적으로 목적지까지 걸리는 시간을 교통정보 서비스를 통하여 모니터링 하면서 출발시간을 자동으로 조절하여 출발해야 하는 시간에 알람을 울려주는 서비스이다.
- JDK와 OSGi Framework, 그리고 개발된 상황 관리기는 CF Memory에 저장되어 PCMCIA 슬롯에 장착되어 사용되었다. 실제 알람 서비스를 대체할 장비 대신 가습기가 사용되었으며, 가습기 제어는 전력선 제어를 위하여 心了사의 iPlug CR310 게이트웨이와 On/Off가 지원되는 플러그가 사용되었고, 1개의 상황인식 규칙과 1개의 동작발생 규칙이 사용되었다.
- 다음의 그림 6은 상황처리기 작동시의 CPU 점유율을 나타내고 있다. CPU 점유율의 측정은 Linux 명령어인 top을 사용하여 프로세스별 CPU 점유율을 1초에 한 번씩 모니터링 하였다.
- 또한, 편집 툴을 이용하여 상태전이 기반 상황 모델을 설계하여 저장하고 이를 상황 인식기에서 읽어 들이기 위하여 상황 기술 언어인 uSDML(u-Situation Description Markup Language)을 정의하였는데, 이는 상황 인식기를 상황 인식 규칙을 이해하는 범용 상태전이 엔진 형태로 설계했기 때문이다. uSDMLe XML 기반의 DTD로 설계된 언어로써 위의 유한 오토마타를 그대로 표현할 수 있으며, Apache Jakarta Project의 Digester XML 파서를 사용하여 PC 환경에서 동작하도록 구현하였다[1 이. 그러나 임베디드 시스템 환경에서는 인식해야 할 상황이 그다지 많지 않고 Digester XML 파서가 크고 매우 느리기 때문에 uSDML로 정의된 상 황인식 규칙과 XML 파서를 사용하지 않고 유한 오토 마타 구조체를 직접 프로그램 코딩으로 생성하여 사용하였다.
대상 데이터
- 1- RC1 가 사용되었다[16]. 사용된 임베디드 보드는 PXA255 400Mhz 프로세서, 64MByte RAM, 64MByte Flash Memory가 장착된 범용 테스트보드이며 운영체제는 임베디드 리눅스 2.4.19 커널이 사용되었다. JDK와 OSGi Framework, 그리고 개발된 상황 관리기는 CF Memory에 저장되어 PCMCIA 슬롯에 장착되어 사용되었다.
이론/모형
- 따라서, 기존의 유한 오토마타 구조를 그대 로 따를 수 없기 때문에 제안된 모델을 인식할 수 있도록 적절히 변형된 새로운 결정적 유한 오토마타를 설계하였으며, 제어 신호가 발생될 수 있도록 동작 발생기를 설계하였다. 그리고 상황 인식기에서 인식된 상황을 바탕으로 제어 신호가 발생될 수 있도록 상황 인식기와 동작 발생기를 결합하였는데, 이처럼 함께 동작하는 상황 인식기와 동작 발생기를 본 논문에서는 상황-동작 변환기(SAC:Situ就iort Action Com足厂侶厂丿라는 명칭을 사용하였다.
- 상태 변화에 따른 제어되는 내용들을 표현하기 위하여 상황 인식기에서와 마찬가지로 XML기반의 언어인 uADML(u-Action Generator Markup Language)를 정의하였는데 uSOML과 구조가 거의 동일하므로 같은 파서를 사용할 수 있다. uSZM江과의 차이점은 모든 스테이트에 발생될 제어 내용을 포함할 수 있는데, 그 안에 한 개 이상의 제어될 내용들이 기술된다.
성능/효과
- 이 표현 방법은 기존의 패턴 형식의 고정식 표현 방법보다 훨씬 단순하면서도 보다 다양한 상황 표현이 가능하다. 또한 본 논문의 방법으로 모델링 된 상황을 인식하는 인식기(automata)도 고정식 표현 인식기가 갖는 장점인 간단한 구조와 적은 리소스를 사용하기 때문에 내장형 시스템에 적용하기가 용이하며, O(n)의 시간 복잡도를 갖기 때문에 매우 빠른 응답시간을 보일 수 있어 실시간 처리 응용에 적합하다. 본 논문에서는 제안한 모델링 을 이용한 상황인식기반 제어기인 SAC(Situation-Action Converter)를 설계하고 이를 활용한 ARM 프로세서 기반 임베디드 시스템을 구현하여 실제 가전제품이 제어되도록 하였다.
- 다만, 본 논문에서 제안하는 상황-동작 발생기의 경우 기존의 홈네트워크 장비에서 사용되는 규칙둥록 분야에 적용할 수 있기 때문에 이러한 장비와의 성능, 기능 비교는 가능하다. 흠네트워크 장비로 EIB 를 따르는 JUNG 제품과의 성능 비교한 결과 상황에 따른 반응속 도에서는 川JNG사의 제품이 대략 0.5초 이내로 본 논문의 1초 정도의 반응속도보다 빠르게 반응했으나 이는 본 논문에서 사용된 가전제어가 匕"Wo次s기반의 전력선 제어 장비를 사용했기 때문에 상대적으로 느린 가전 제어 반응속도를 나타낸 것으로 보인다. 반면에 JUNG 사의 제품은 등록될 수 있는 상황 규칙이 매우 제한적이고 무엇보다도 시간의 흐름에 따른 상황 변화를 반영할 수 없기 때문에 기능적인 면에서는 본 논문의 방법이 훨씬 다양한 상황을 표현할 수 있었다.
- 5초 이내로 본 논문의 1초 정도의 반응속도보다 빠르게 반응했으나 이는 본 논문에서 사용된 가전제어가 匕"Wo次s기반의 전력선 제어 장비를 사용했기 때문에 상대적으로 느린 가전 제어 반응속도를 나타낸 것으로 보인다. 반면에 JUNG 사의 제품은 등록될 수 있는 상황 규칙이 매우 제한적이고 무엇보다도 시간의 흐름에 따른 상황 변화를 반영할 수 없기 때문에 기능적인 면에서는 본 논문의 방법이 훨씬 다양한 상황을 표현할 수 있었다.
- 본 논문에서 제안한 상황 동작 변환기는 상황 모델링이 쉽고 기존의 센싱 패턴 방식과 유사하면서도 강력하고 실제 적용하기 쉬운 상황 표현 방법과 표준화된 입력 심볼의 CODEC 과정을 통한 다양한 형태의 입력을 수용할 수 있어 그 활용도가 매우 높았다. 데모 시스템을 임베디드 리눅스 기반의 OSGi Framework에서 구현하였기 때문에 동적 업데이트, 관리의 편의성 등과 같은 임베디드 시스템에서의 OSGi가 갖는 모든 장점들을 가질 뿐만 아니라, 유한 오토마타로 상황을 인식하기 때문에 인식기의 구조가 간단하고 많은 컴퓨팅 파워를 요구하지 않아서 임베디드 시스템에 적합한 방법임을 알 수 있었다.
- 본 논문에서 제안한 상황 동작 변환기는 상황 모델링이 쉽고 기존의 센싱 패턴 방식과 유사하면서도 강력하고 실제 적용하기 쉬운 상황 표현 방법과 표준화된 입력 심볼의 CODEC 과정을 통한 다양한 형태의 입력을 수용할 수 있어 그 활용도가 매우 높았다. 데모 시스템을 임베디드 리눅스 기반의 OSGi Framework에서 구현하였기 때문에 동적 업데이트, 관리의 편의성 등과 같은 임베디드 시스템에서의 OSGi가 갖는 모든 장점들을 가질 뿐만 아니라, 유한 오토마타로 상황을 인식하기 때문에 인식기의 구조가 간단하고 많은 컴퓨팅 파워를 요구하지 않아서 임베디드 시스템에 적합한 방법임을 알 수 있었다. 또한 본 시스템의 입출력을 하나의 16bit 값 만이 존재하는 시그널 형태로 처리하도록 배려하여 상황-동작 변환기의 H/W 칩화도 가능할 것이다.
후속연구
- 그러나 이러한 패턴 방식의 상황 인식 방법은 간단한 구조로 인하여 다양한 상황을 표현하는데 한계를 가지며, 정적으로 묘사되는 패턴 특성 때문에 미리 정해진 상황만을 인식하기 위한 시스템으로 개발되는 것이 보통이다. 따라서, 센싱 패턴을 이용하면서도 추론기법에서와 같이 상황을 잘 표현할 수 있다면 센싱 패턴 인식기법이 갖는 빠른 실시간성 처리와 적은 리소스 사용의 장점을 가지면서도 다양한 형태의 상황에 대응하는 지능형 임베디드 시스템을 개발하는데 도움이 될 것이다.
- 그러나 추상화한 컨텍스트의 레벨과 처리하기 위한 절차에는 상호 장단점이 있는데, 추상화 레벨이 높을수록 표현 수준이 높아질 수 있지만 그만큼 처리하기 위해서는 많은 컴퓨팅 리소스를 요구하게 되고, 추상화 레벨이 낮을 수록 임베디드 시스템에 적합하지만 입력 심볼로 수용하는 데는 한계가 있다[17, 2이. 따라서 높은 컨텍스 트 수준을 유지하면서도 추상화 레벨이 낮은 표현이 가능하다면 임베디드 시스템에 적용 가능하면서도 다양한 입력 형식들을 수용하는 인식기가 될 수 있을 것이다. 본 논문에서는 다양한 형식의 입력 종류를 수용하면서도 임베디드 시스템에 적합한 입력 심볼로 가공하기 위하여 CODEC을 사용하는 방법을 적용하였다.
- 추론 방법과 같이 시간이 오래 걸리더라도 하나의 사실로부터 여러 가지의 현재 상황을 유추해 내는 것이 유리할 수도 있고, 각각의 장비에서 스스로 간단한 몇 가지의 상황을 빠르게 인식하여 동작하는 것이 유리할 수도 있기 때문에 이들 간의 상황 인식 성능 비교는 큰 의미가 없다. 다만, 본 논문에서 제안하는 상황-동작 발생기의 경우 기존의 홈네트워크 장비에서 사용되는 규칙둥록 분야에 적용할 수 있기 때문에 이러한 장비와의 성능, 기능 비교는 가능하다. 흠네트워크 장비로 EIB 를 따르는 JUNG 제품과의 성능 비교한 결과 상황에 따른 반응속 도에서는 川JNG사의 제품이 대략 0.
- 데모 시스템을 임베디드 리눅스 기반의 OSGi Framework에서 구현하였기 때문에 동적 업데이트, 관리의 편의성 등과 같은 임베디드 시스템에서의 OSGi가 갖는 모든 장점들을 가질 뿐만 아니라, 유한 오토마타로 상황을 인식하기 때문에 인식기의 구조가 간단하고 많은 컴퓨팅 파워를 요구하지 않아서 임베디드 시스템에 적합한 방법임을 알 수 있었다. 또한 본 시스템의 입출력을 하나의 16bit 값 만이 존재하는 시그널 형태로 처리하도록 배려하여 상황-동작 변환기의 H/W 칩화도 가능할 것이다.
- 그리고, 간단하고 표준화된 상태 전이 상황 모델은 자동화 도구와 이를 응용한 상황 모델 자동 생성기에 대한 연구도 함께 진행될 때 보다 가치 있을 것이다. 또한, 기본적인 상황 표현 모델이 음성 인식기반 제어 시스템의 개념과 유사하기 때문에 이미 연구 진행된 음성 인식기반 상황 인식에 적용된 연구 내용들을 적용한다면 보다 자동화 및 지능화를 개선할 수 있을 것이다.
- 그리고, 간단하고 표준화된 상태 전이 상황 모델은 자동화 도구와 이를 응용한 상황 모델 자동 생성기에 대한 연구도 함께 진행될 때 보다 가치 있을 것이다. 또한, 기본적인 상황 표현 모델이 음성 인식기반 제어 시스템의 개념과 유사하기 때문에 이미 연구 진행된 음성 인식기반 상황 인식에 적용된 연구 내용들을 적용한다면 보다 자동화 및 지능화를 개선할 수 있을 것이다. 그리고 연구의 결과물을 FPGA화 등 H/W 칩 화에 대한 연구 역시 함께 진행되어야 할 내용이다.
- 또한, 기본적인 상황 표현 모델이 음성 인식기반 제어 시스템의 개념과 유사하기 때문에 이미 연구 진행된 음성 인식기반 상황 인식에 적용된 연구 내용들을 적용한다면 보다 자동화 및 지능화를 개선할 수 있을 것이다. 그리고 연구의 결과물을 FPGA화 등 H/W 칩 화에 대한 연구 역시 함께 진행되어야 할 내용이다.
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