Spatial modeling of activity and user assistance in instrumented environments

Abstract

This dissertation presents a design method for proactive user assistance systems in instrumented environments. The method addresses typical design issues, such as the modeling of users'; needs and the choice and placement of sensors and actuators for human-environment interaction. The design process is supported through the combination of a geometric environment model and a situational semantic activity model. The geometric model is used to visualize the spatial context, in which the activities that are to be supported take place. The activity model is derived from Activity Theory and hierarchically represents tasks and activities in their situational context. Both models are linked by an ontology and form a hybrid location model. To support the method, we implemented a map modeling toolkit that allows to geometrically represent built environments in 3-D, and to model their furnishing and instrumentation with sensors and actuators. Of particular importance was the development and integration of an ontology-based activity editor. Furthermore, the toolkit facilitates the development of navigational aid through a route finding algorithm. The work concludes with five use cases that describe how the method and modeling toolkit have been applied for the design and development of intelligent environments and navigational aid for indoor and outdoor spaces. It also highlights how Dual Reality settings have contributed to the simulation of the developed assistance systems.

Diese Doktorarbeit legt eine Designmethode für proaktive Benutzerassistenzsysteme in instrumentierten Umgebungen vor. Die Methode richtet sich an typische Designprobleme, wie das Modellieren der Bedürfnisse der Benutzer sowie Auswahl und Platzierung von Sensoren und Aktuatoren zur Interaktion mit der Umgebung. Der Designprozess wird durch ein geometrisches Umgebungsmodell und ein situiertes, semantisches Aktivitätsmodell unterstützt. Das geometrische Modell wird verwendet, um den räumlichen Zusammenhang zu veranschaulichen, in dem die zu unterstützenden Tätigkeiten stattfinden. Das Aktivitätsmodell wird aus der Aktivitätstheorie abgeleitet und repräsentiert Tätigkeiten in ihrem situativen Kontext. Beide Modelle werden durch eine Ontologie verbunden und bilden ein hybrides Ortsmodell. Zur Unterstützung der Methode haben wir ein Unterstützungssystem <Informatik>werkzeug implementiert, das es ermöglicht, Gebäudeumgebungen dreidimensional zu repräsentieren, und deren Einrichtung und Instrumentierung mit Sensoren und Aktoren zu modellieren. Besonders wichtig war die Entwicklung und Integration eines ontologiebasierten Aktivitätseditors. Weiterhin erleichtert das Werkzeug die Entwicklung von Navigationsassistenten durch einen Wegsuchealgorithmus. Die Arbeit schließt mit fünf Anwendungsbeispielen, in denen die Methode und das Modellierungswerkzeug für das Design und die Entwicklung von intelligenten Umgebungen und Navigationshilfen angewandt worden ist. Es wird auch gezeigt, wie Dual Reality Umgebungen zur Simulation der Assistenzsysteme beigetragen haben.