智能家居规则冲突检测系统实现与验证

朱庆华　常莹

摘要：作者曾对规则模型和规则冲突问题进行了详细的研究分析，本文将实现智能家居本体，基于创建的本体在SWRLTab中创建智能家居系统规则库，并设计了规则冲突检测的方法，最后使用Java语言开发了图形界面的智能家居规则冲突检测系统，并通过实例验证了冲突检测系统的可行性。

关键词：智能家居;冲突检测;冲突验证

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）03-0188-02

1智能家居本体构建

作为整个智能家居系统实现的基础，首先要对场景中的本体进行定义。本文在构建本体时主要使用了四种OWL实体，分别为：类（Classes）、个体（Individuals）、对象属性（Objectproperties）、数据属性（Dateproperties）。

类表示的是一组具有相似特征的个体或者实例的集合，个体表示的是领域对象，也可以理解为类中的实例。比如如果将国家（Country）作为一个类，那幺中国，加拿大，葡萄牙，叙利亚，越南等国家就可以作为国家这个类中的个体。SubclassOf，Equivalent，Disjoint是定义用来描述类之间的三大关系，即子类，相等类，非相交类，这些关系可用于本体的推理。

属性表示的是个体之间的二元关系，可以将两个个体连接起来并表明它们之间的联系，或者对个体进行参数传递。比如对象属性hasTeacher就可以将学生Tom与老师Harry的师生关系表示出来。数据属性hasAge可以连接Bob和23，表示Bob的年龄为23岁。

针对智能家居的实际场景，在owl：Thing下定义了control、devices、PM2.5、temperature、time五个大类。五大类包含了控制类，设备类，时间环境参数类等，基本覆盖了真实的智能家居环境。其中temperature类又包括三个子类hot，cold，medium，表示温度的热，冷和适中。PM2.5类包括三个子类high，low，middle，表示PM2.5浓度的高，低和适中。Time类包括两个子类day，night，表示白天和夜间。

本文创建了open，close，turnon，turnoff，hastime，hastemp，hasPM25七个对象属性，分别表示动作式的打开和关闭，以及电源开关式的打开和关闭，获取时间，获取温度，获取PM2.5等环境参数。

本文创建了greaterthan，lessthan，PM25，priority，temp，time六个数据属性，分别表示大于，小于，PM2.5浓度，优先级，温度值，时间值。

本文创建了control，alarm，airconditioner，aircleaner，curtain，door，light等个体，分别表示控制器和报警器，空调，空气净化器，窗帘，门，灯等各种家居设备。

在Protégé自带的插件OntoGraf中，提供了链型，树形，星型等多种样式来表示本体之间的关系图，我们可以直观准确的查看当前本体中的类和个体及其之间的关系。采用星型图表示当前智能家居系统本体搭建结果。

2基于SWRL的规则建立

2.1 SWRLTab简介

完成本体的搭建之后，便可以在SWRLTab中自行编写SWRL规则。SWRLTab是由斯坦福大学开发的一个基于SWRLAPI的插件，它提供了一个图形界面去管理Protégé本体编辑器中的SWRLrules和SQWRLqueries。SWRLTab和protégé紧密结合，它支持SWRL的所有特性，能够在编辑SWRLrule与本体文件之间方便地切换，并且建立规则时能直接使用OWL中已经创建的实体。它的主要组件包括：

lSWRLEditor，用于编辑SWRL规则和SQWRL查询。

l基于Drools的SWRL规则引擎和相关的SWRLDroolsTab，用于执行SWRL规则。

l用于执行SQWRL查询的SQWRLQueryTab。

l用于与基于SWRLAPI的OWL 2 RL推理机交互的OWL 2 RLTab。

SWRLTab建立一条规则主要包含Name（规则名），Body（规则体），Comment（规则描述）三个部分，其中描述部分为选填项，可以对规则的含义进行解释说明。规则编辑界面有三个操作按钮New，Edit，Delete，通过New可以新建一条规则，Edit对当前规则进行编辑，Delete则可以删除一条规则。

2.2 SWRL规则展示

在本文的智能家居场景中，我们假设存在A，B两个用户，然后A用户和B用户各自预设了三条SWRL规则，如表1、表2所示。

3规则冲突检测系统的实现

3.1 系统软件环境

该智能家居规则冲突检测系统是采用Java语言，使用Eclipse（JUNO版本）集成开发环境开发。其基于jdk1.8版本，实现了一个具有图形用户界面的规则冲突检测系统。之所以采用Java语言是因为我们所使用的本体编辑工具Protégé以及owlapi，swrlapi都是基于Java语言开发的，在系统实现过程中需要多次使用其提供的方法。而且Java语言本身有着可跨平台运行，面向对象，而且语法较为简单等许多优势。在该系统中主要使用了Swing工具包，OWLAPI，SWRLAPI等。

Swing是为Java设计的进行图形界面应用开发的工具包，是Java基础类库的一部分，Swing中包含了构建GUI的各种组件，如： 窗口、标签、按钮、文本框等。它是基于AWT（抽象窗口工具包）架构之上，但是Swing可以提供较AWT更好的图形显示元素[9]。Swing是用Java写成的，所以如同Java一样可以在各个平台上运行。

OWLAPI是一个用于创建，操作和序列化OWL本体的JavaAPI。可以进行RDF / XML，OWL / XML格式文件的解析和编写，包含OWL功能语法分析和写入，也可以进行Turtle解析和编写，包含了KRSS解析器，OBO格式解析器，以及用于和FaCT ++、HermiT、Pellet、Racer、JFact、Chainsaw等推理机合作的接口。OWLAPI的jar中提供了很多java包，含有各种类和接口，开发者使用其中提供的方法可以很方便地完成创建，加载，修改，保存本体，在本体中新建，获取，修改或者移除Axioms等操作，还可以完成对本体中的规则进行提取，对类，属性等单独提取等许多功能。

SWRLAPI是一个用于处理基于OWL的SWRL规则和SQWRL查询语言的JavaAPI，它还包括了用于编辑和执行规则查询的图形工具，前面章节中提到的Protégé中的SWRLTab插件就是基于SWRLAPI开发的。它提供了新建SWRL规则，修改SWRL规则等许多方法，本文在系统实现中主要使用它进行规则的处理。

3.2 系统需求分析

本文设计实现一个拥有双用户的智能家居规则冲突检测系统，需要实现基于用户优先级的冲突避免机制，以及完成在相同优先级下规则之间的冲突检测功能。实现思路为：首先进行智能家居本体的创建，以及构建系统规则库。然后从本地加载已经创建好的包含了预置SWRL规则的本体文件，其中A，B用户各有预先设定好的几条规则（后续用户可以根据需要在系统界面中添加新的规则），接着进行用户优先级的选择，当选定优先级之后，启动冲突检测模块进行检测，并将结果反馈给用户。

因此，该系统主要包括前端的控制界面，SWRL规则的提取和显示模块，规则添加模块，优先级设置模块，规则冲突检测模块，以及冲突结果反馈展示模块的设计和实现。

3.3 系统模块设计实现

3.3.1规则提取和显示模块

该模块完成规则提取和规则显示两部分功能。对于规则提取，首先将本地的owl本体文件加载至系统，然后使用OWLAPI中的OWLOntologyManager类来创建本体管理器。将owl本体载入本体管理器后，由于规则是以公理的形式存在本体文件中的，我们便可以使用OWLAPI提供的getAxioms（）方法将本体中的SWRL规则提取出来，并且以字符串的方式存储下来。

对于规则显示，应该分别显示A，B用户的规则。因此使用同一智能家居本体，将A，B的规则文件分开保存。规则提取部分提取出来的规则包括Body和Head两部分，其中包含着各种类，属性的声明以及IRI等许多复杂的信息，通过对规则字符串进行操作处理，可以将规则简化为简明扼要的，以IF，THEN形式展示的规则，并由前端展示出来方便用户查看。

3.3.2规则添加模块

为了增加系统的灵活性，在规则添加模块我们可以为当前本体文件添加新的规则进去，SWRLAPI为实现该功能提供了方法。规则添加模块首先也是利用OWLAPI加载本地智能家居本体文件，然后使用SWRLAPI创建一个SWRLRuleEngine，该规则引擎可以对刚加载进来的本体文件对象进行处理。然后使用SWRLAPIRule接口中的createSWRLRule（）方法便可以将新规则写入本体，并且能够在Protégé的SWRLTab中显示出来。同样，在添加规则时，考虑到不同用户的需求不同，将选择用户A或者B进行独立添加。

3.3.3 用户优先级设定

该系统实现仅考虑有A，B两位用户的情况，因此有三种用户优先级，即A>B，A=B，A

3.3.4规则冲突检测模块

每一条完整的SWRL规则都是由条件和动作两部分组成。首先使用OWLAPI提供的getBody（）和getHead（）方法可以将A，B两用户的规则的条件部分和动作部分提取出来并且分开进行保存。在选择用户优先级后，根据第三章中规则冲突类型的判定条件，依次遍历A，B所有规则的条件部分和动作部分。如果条件部分相同，执行动作相反，则发生执行矛盾冲突;如果两规则的条件和动作互相依赖，则发生依赖冲突;若两规则的条件部分相包含且执行动作一样，则发生影子冲突。找出所有冲突规则并返回冲突类型和规则序号。

3.3.5前端界面展示

系统主界面如图所示，含显示规则，添加规则，冲突检测，结果显示四大功能。其中选定A，B用户后，点击显示规则，在智能家居规则展示区将展示当前用户设定的规则。结果显示中包括冲突检测结果展示区以及冲突详情展示区。

添加规则界面如图所示，需要在Rule name文本框中键入规则名（SWRLAPI中的参数要求），IF文本框中键入条件部分，THEN文本框中键入动作部分，条件部分和动作部分是以形如SWRLTab（如示例所示）中的规则形式进行添加的，非常方便用户的阅读和理解。选择需要添加的用户后确认，一条形如示例的完整规则即可被添加到本体文件之中。

4系统测试

4.1 显示规则

根据所述，对于A，B用户，我们已经在Protégé中的SWRLTab中分别创建好了三条规则，启动检测系统后，首先本体文件将会被加载到系统中。此时在规则显示区用户A和用户B的规则显示分别如图所示，每行作为一条完整规则，其中IF后面为条件部分，THEN后面为动作部分。（在规则冲突检测以及返回检测结果时，规则的序号以此显示顺序为准。）

4.2 添加规则

一条SWRL规则的形式如Example所示，我们选择用户A添加一条规则，其内容表示当时间为晚上时，则关上窗帘。点击确认，重新加载本体便可以看到在A的规则显示区成功添加了该规则。

4.3 冲突检测

当前系统中A用户有四条规则，B用户有三条规则。根据冲突检测的流程，首先应该选择用户优先级，否则将无法启动检测模块。

当选择用户优先级为A>B时，系统检测到未发生冲突。

当选择用户优先级为A

当选择用户优先级为A=B时，根据上述章节中的规则冲突类型分析，我们可以得出目前系统中应当存在以下几组冲突。启动检测，系统检测到有冲突发生，检测结果符合预期。

（1）A用户规则4与B用户规则1发生执行矛盾冲突;

（2）A用户规则3与B用户规则2发生依赖冲突;

（3）A用户规则1与B用户规则3发生条件包含冲突。

参考文献：

[1] CayS.Horstmann， GaryCornell. Java核心技术.卷I，基础知识[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2] 王若思.智能楼宇中规则验证方法的研究[D].北京：北京邮电大学，2014.

[3] 黄晓辉，李栋，石海龙，等.EasiRCC：面向智能家居的规则匹配与冲突消除方法[J]. 计算机研究与发展，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.

【通联编辑：王力】