Automatyczna kompozycja usług monitorowania dla systemu wspomagania treningu wytrzymałościowego sportowców

Transkrypt

1 Krzysztof Brzostowsi, Piotr Rygiesi Instytut Informatyi Poitechnia Wrocławsa Automatyczna ompozycja usług monitorowania da systemu wspomagania treningu wytrzymałościowego sportowców W niniejszej pracy scharateryzowano rozproszony system wspomagania treningu sportowca. Wyróżniono właściwości patformy przetwarzającej sygnały życiowe pozysiwane z czujniów umieszczonych na jego ciee. Przy użyciu technoogii transmisji danych opracowywanych w ramach projetu Inżynieria Internetu Przyszłości rozproszone eementy opisywanej apiacji wymieniają dane stanowiąc system wspomagania treningu jao całość. W pracy przedstawiono deompozycję architetury apiacji na eementy atomowe a następnie zamodeowano je jao usługi systemu opartego na paradygmacie SOA. Przetwarzanie w systemie usługowym jest eastyczne, co naeży rozumieć ta, że poszczegóne omponenty systemu mogą być zwieorotnione a onretne wersje zdupiowanych eementów powinny być wybierane do uruchomienia podczas procesu ompozycji usługi złożonej. W pracy formułuje się probem ompozycji złożonej usługi monitorowania oraz podaje się sposoby efetywnego rozwiązania tego probemu. 1. Wprowadzenie Postęp w miroeetronice i teeomuniacji pociąga za sobą m.in. na rozwój w dziedzinie nowych urządzeń pomiarowych charateryzujących się nisą ceną, niewieimi rozmiarami oraz nisim zużyciem energii. Wieu producentów taich ja Shimmer, Zephyr Technoogy ub Poar oferuje rozwiązania, tóre znaazły zastosowanie w różnorodnych systemach związanych z teemedycyną. W iteraturze opisano wiee apiacji wspomagających terapię diabetyów [4,7,14], osób cierpiących na chorobę Parinsona [12] oraz anaizy i diagnostyi chodu [13]. Oprócz rozwiązań ściśe związanych z medycyną w iteraturze opisanych zostało wiee systemów wspomagających trening osób uprawiających sport zawodowo i amatorso. W tej grupie możemy wsazać na dwa główne nurty, z tórych jeden związany jest z systemami przeznaczonymi do wspomagania treningu wytrzymałościowego ogónego przeznaczenia. Systemy taie charateryzują się tym, że mogą być wyorzystywane zarówno przez sportowców amatorów ja i zawodowców. Ceem stosowania taich rozwiązań jest monitorowanie przebiegu treningu wytrzymałościowego oraz wspomaganie podejmowania decyzji z nim związanych. Charaterystyczne cechy taich systemów to pomiar, w czasie atywności ruchowej, taich wieości fizjoogicznych ja pus, częstość oddechów, atywność mięśni. Pomiary tych wieości pozwaają na ocenę intensywności treningu i/ub oszacowanie czy zostały spełnione cee treningu wytrzymałościowego [1,3,9,10]. Do drugiej grupy rozwiązań zaiczyć można systemy wspomagające trening da onretnej dyscypiny sportowej. Specjaizacja związana jest głównie z treningiem technicznym w mniejszym stopniu z treningiem wytrzymałościowym. Zadaniem treningu technicznego jest poprawa technii wyonywanych ruchów ub ich sewencji. Oczywiste jest, że projetowany system wspomagania treningu technicznego musi być dedyowany do onretnej dyscypiny sportowej. W iteraturze opisano systemy wspomagania m.in. treningu tenisistów stołowych [2] i tenisistów ziemnych [5,18]. W niniejszej pracy przedstawiono system wspomagania treningu wytrzymałościowego bazującego na pomiarach z bezprzewodowych czujniów i wyniach ich późniejszego przetwarzania. Ostatnim etapem jest prezentacja wyniów pozysiwania i przetwarzania danych na urządzeniach dostępowych zarówno trenera ja i sportowca. Całość procesu przetwarzania pomiarów została zamodeowana jao system usługowy. W pracy przedstawiono i podano rozwiązania probemu ompozycji złożonej usługi monitorowania treningu.

2 2. System wspomagania treningu wytrzymałościowego W podpuncie przedstawiono architeturę systemu oraz apiacji do wspomagania treningu wytrzymałościowego sportowców. Głównym wymaganiem da systemu ja również apiacji jest to by wspomagała ona zarówno mobinego sportowca ja i trenera. W tym przypadu przez wspomaganie będziemy rozumiei wspomaganie podczas pobierania danych (zadania po stronie urządzenia dostępowego sportowca) oraz prezentacji wyniów przetwarzania danych (zadania zarówno po stronie urządzenia dostępowego sportowca ja i trenera). 2.1 Architetura systemu Proponowana architetura systemu do wspomagania treningu sportowego została przedstawiona na rysunu 1. Główne eementy zaproponowanego rozwiązania to urządzenia dostępowe da sportowca oraz trenera, tórymi mogą być teefony omórowe, PDA (ang. Persona Digita Assistant) ub (w przypadu trenera) omputer przenośny typu aptop. Koejnym eementem proponowanego systemu jest serwer, tórego głównym zadaniem jest przetwarzanie zgromadzonych danych oraz wysyłanie wyniów przetwarzania danych do urządzeń dostępowych użytowniów. Od strony sportowca urządzenie dostępowe pozwaa na prezentację wyniów przetwarzania danych na serwerze, oraz wysyłanie pomiarów z czujniów bezprzewodowych uoowanych na ciee sportowca. W ceu gromadzenia danych z tych czujniów zaprojetowano dodatową sieć typu BAN (ang. Body Area Networ). Zadaniem urządzenia dostępowego trenera jest wizuaizacja przetworzonych pomiarów z czujniów pracujących w sieci BAN sportowca, prezentacja wyniów przetwarzania danych np. wydatowanej podczas treningu przez sportowca energii itp. Proponowany system umożiwia również zestawianie połączeń audio i wideo do przeprowadzania tee i wideo onsutacji pomiędzy sportowcem i trenerem. Rys. 1. Architetura systemu do wspomagania treningu sportowego 2.2 Architetura apiacji W podrozdziae omówiono architeturę apiacji, tóra została zaprojetowana na potrzeby systemu przedstawionego w poprzednim podrozdziae. Na rysunu 2 zaprezentowano schemat apiacji z wyszczegónieniem trzech głównych eementów. Pierwszy z nich związany jest z awizycją danych z czujniów bezprzewodowych. Ta ja zaznaczono na rysunu w sład usługi monitorowania wchodzą trzy omponenty będące źródłem pomiarów tj. usługa pomiaru temperatury, częstości oddechów i pusu. W drugiej secji zaznaczono dwie oejne usługi tj. jedna związana z przetwarzaniem danych i druga dotycząca wspomagania podejmowania decyzji. Z pierwszą z nich związane są trzy usługi atomowe dotyczące przetwarzania danych zmierzonych z

3 wyorzystaniem czujniów bezprzewodowych. Natomiast w sład usługi wspomagania podejmowania decyzji wchodzą trzy usługi atomowe do szacowania wydatowanej podczas treningu energii, intensywności treningu oraz stopnia wytrenowania. Ostatni z eementów proponowanej apiacji związany jest z usługą prezentacji wyniów, tóra to usługa zaprojetowana jest ta, by możiwa była obsługa różnych typów urządzeń dostępowych wyorzystywanych zarówno przez trenera ja i sportowca. Zaprezentowana apiacja została zaprojetowana jao zgodna z paradygmatem SOA w ceu rozproszenia i ueastycznienia rozwiązania. Architetura apiacji została przedstawiona na rysunu 2. W secji trzeciej opisano sposób ompozycji usługi monitorowania z usług sładowych w oparciu o przedstawiony przyład. Przefitrowane przebiegi wieości mierzonych Oszacowanie wydatowanej energii Oszacowanie intensywności treningu Wyjście Usługa prezentacji wyniów Usługa wspomaganie podejmowania decyzji Usługa szacowania wydatowanej energii Usługa szacowania intensywności treningu Usługa szacowania stopnia wytrenowania Usługa fitrowania pomiarów pusu Usługa przetwarzania danych Usługa fitrowania pomiarów częstości oddechów Usuga fitrowania pomiarów temperatury Baza danych Wejście Usługa awizycji danych Temperatura Częstość oddechów Pus Rys. 2. Architetura apiacji do wspomagania treningu sportowego 3. Usługa wspomagania treningu wytrzymałościowego Architetura apiacji przedstawiona na rysunu 2 została przeształcona do postaci scenariusza wyonania usługi złożonej, tóry zaprezentowano na rysunu 3. Wyróżnione wcześniej omponenty systemu monitorowania zostały zamodeowane jao usługi atomowe. Każdy z węzłów grafu (rysune 3) odpowiada za przetwarzanie właściwej porcji danych i w ogóności może być umiejscowiony w dowonej oaizacji sieciowej. Dodatowo wyróżnia się węzeł początowy i ońcowy, tóry modeuje odpowiednio pobranie surowych danych z czujniów oraz przesłanie już przetworzonych na urządzenia dostępowe sportowca i trenera.

4 Rys. 3. Scenariusz usługi złożonej monitorowania Każda z usług przetwarzających może być umieszczona na różnych węzłach obiczeniowych w systemie wyonawczym. Ponadto nietóre usługi mogą być zdupiowane bądź mogą różnić się wartościami parametrów jaościowych, podczas gdy funcjonaność pozostaje bez zmian. Na rysunu 4 wyróżniono przyładowe wersje poszczegónych usług biorących udział w procesie monitorowania omawianym wyżej. Rys. 4. Scenariusz wyonania złożonej usługi monitorowania z wyróżnionymi wersjami usług atomowych. Aby usługa monitorowania mogła zostać uruchomiona naeży wybrać odpowiednią wersję ażdej usługi atomowej w ceu wsazania onretnych andydatów, tórzy będą brai udział w procesie przetwarzania strumienia monitorowanych danych. Graf powstały w wyniu wyboru jednej z andydujących wersji da ażdej usługi atomowej nazywa się panem wyonania usługi złożonej. W oejnym podrozdziae omówiony został probem wyznaczenia optymanego panu wyonania usługi złożonej, tóry da uproszczenia nazwano probemem ompozycji usługi złożonej. 4. Probem ompozycji usługi złożonej Zadanie wyznaczenia optymanego panu wyonania usługi złożonej jest zadaniem rozwiązywanym na ostatnim etapie ompozycji usługi. Na ogół zadanie wyznaczenia optymanego panu wyonania usługi złożonej można opisać następująco. Zadaniem systemu jest wybranie jednej z wersji ażdej atomowej usługi oreśonej jednoznacznie przez scenariusz w tai sposób, że wymagania jaościowe są spełnione. Na uwagę zasługuje fat, że wybranie dwóch wersji usługi atomowej precyzyjnie oreśa również ścieżi omuniacyjne, tóre będą użyte do przesyłania danych między tymi usługami - załadając, że zawsze jest wybierana najepsza możiwa ścieża, jeśi istnieje więcej niż jedna możiwość wyboru. Podejmowany probem jest uogónieniem probemu ompozycji poegającej na wyznaczeniu najrótszej ścieżi w ważonym grafie

5 rozpatrywanym np. w pracy [8]. W tym przypadu, różnica jest taa, że rozwiązanie jest reprezentowane jao graf a nie jao pojedyncza ścieża przez co poprzednich agorytmów nie można stosować. Formanie zadanie wyznaczenia optymanego panu wyonania usługi złożonej można sformułować w następujący sposób: Da danych: Scenariusz wyonania usługi złożonej dany grafem GC = ( VC, EC) (patrz rys. 3) Żądanie wyonania usługi reprezentowane przez SLA Wymagania niefuncjonane Ψ zawarte w SLA Q G, Ψ Kryterium jaości panu wyonania ( ) Znaeźć: Tai zestaw wersji usług atomowych da scenariusza GC, tóry minimaizuje zadane ryterium jaości Q as,..., as * = arg min Q( G( { as1,..., }, ), ), * j asj E Ψ (1) gdzie 1 j j as 1 j,..., as as 1 oznacza j j -tą wersję -tej usługi atomowej. j Sformułowany wyżej probem można łatwo przetransformować do probemu wieowymiarowego wieoryterianego probemu pecaowego (ang. Mutpie choice mutidimensiona napsac probem, MMKP), tóry jest probemem z asy NP-trundych. Zadaniem jest wybrać doładnie jeden eement (wersja usługi atomowej) z ażdej grupy (usługa atomowa) w tai sposób, że jaość reprezentowana przez wybrane przedmioty (usługa złożona) jest optymana w sensie wybranego ryterium jaości Q. Rozwiązanie tego probemu jest znane a nietóre agorytmy rozwiązujące probem zostały przedstawione np. w pracy [11]. Ta sformułowanie zadanie jest probemem NP-trudnym, ponieważ transformuje się do probemu MMKP w czasie wieomianowym. Doładne rozwiązanie postawionego probemu przedstawiono w pracy [17]. Z racji, na niewiei rozmiar probemu rozważanego w tej pracy rozwiązanie doładne uzysiwane jest w rótim czasie. Ponadto w pracy [17] przedstawiono doładną iteracyjną procedurę wyiczania wartości ryterium jaości danego wzorem (1). Inne rozwiązania probemu MMKP można znaeźć np. w pracach [6,15,16]. 5. Uwagi ońcowe W pracy przedstawiono system monitorowania i wspomagania treningu wytrzymałościowego sportowca. Zaprezentowano architeturę apiacji i scharateryzowano system awizycji i rozproszonego przetwarzania atuanych wartości pomiarów parametrów życiowych. Apiację zamodeowano przy użyciu paradygmatu systemów zorientowanych na usługi i wyróżniono potrzebę dupiacji nietórych usług przetwarzających. Wyróżnienie wieu wersji usług mogących dostarczać jednaową funcjonaność spowodowało potrzebę efetywnego sładania (ompozycji) złożonych usług monitorowania. W pracy sformułowano probem ompozycji usługi złożonej na wybranym przyładzie. Probem został scharateryzowany oraz podano przyładowe agorytmy znajdujące jego rozwiązanie. Dasze prace w zaresie omawianej pracy będą poegały głównie na impementacji i testach jaościowych omawianego rozwiązania. Przeprowadzone zostaną również rzeczywiste esperymenty podczas treningu tenisisty ziemnego.

6 Badania przedstawione w pracy są częściowo współfinansowane w ramach Europejsiego Funduszu Rozwoju Regionanego, program numer POIG /09-00 Inżynieria Internetu Przyszłości. Literatura 1. J.V.Aonso, et a., Ambient inteigence systems for personaized sport training, Sensors, Vo. 10, pp A. Baca, P. Kornfeid, Rapid Feedbac systems for eite sports training, Sports Technoogies, pp F. Buttussi, L. Chittaro, MOPET: A Context-Aware and User-Adaptive Wearabe System for Fitness Training, Vo. 42, pp K. Brzostowsi, J.M. Tomcza, J. Świąte, Wspomaganie przeprowadzenia wywiadu earsiego da systemu zarządzającego terapią curzycy, XVII Krajowa Konferencja Automatyi KKA 2011, Kiece-Cedzyna (w druu) 5. D. Connaghan et a., A sensing patform for physioogica and contextua feedbac to tennis athetes, Body Sensor Networs, J. Egebad and D. Pisinger. Heuristic approaches for the two- and three-dimensiona napsac pacing probems. Computers and Operations Research, 36: , L. Grandinetti, O. Pisacane, Web based prediction for diabetes treatment, Future Generation Computer Systems, Future Generation Computer Systems, Vo. 27, 2011, pp A. Grzech. P. Rygiesi, P. Świąte, QoS-aware infrastructure resources aocation in systems based on service-oriented architecture paradigm, Performance modeing and evauation of heterogeneous networs, 6th Woring Internationa Conference HET - NETs 2010, Zaopane, January 14th-16th, 2010 s H. J. Hermens, M.M.R. Voenbroe-Hutten, Towards remote monitoring and remotey supervised training, Journa of Eectromyography and Kinesioogy, Vo. 18, pp Y.J. Hong, et a., Mobie heath monitoring system based on activity recognition using acceerometer (in press) 11. Shahadat Khan and Kin F. Li and Eric G. Manning, The Utiity Mode For Adaptive Mutimedia Systems, In Internationa Conference on Mutimedia Modeing, 1997 pp K. Lorincz, et a., Mercury: A Wearabe Sensor Networ Patform for High-Fideity Motion Anaysis 13. M. J. McGrath, SHIMMER Vaidation and Appications 14. S.G. Mougiaaou, et a., SMARTDIAB: A Communication and Information Technoogy Approach for the Inteigent Monitoring, Management and Foow-up of Type 1 Diabetes Patients, IEEE Transactions on Information Technoogy in Biomedicine, Vo. 14, 2010, pp D. Pisinger. Where are the hard napsac probems? Computers & Operations Research, 32: , D. Pisinger. A minima agorithm for the Mutipe-choice Knapsac Probem. European Journa of Operationa Research, 83: , P. Rygiesi, P. Świąte, Graph-fod: an efficient method for compex service execution pan optimization, Systems Science vo. 36, no.3, pp , K. Urawai et a., Deveopment of the Learning Environment for Sport form Education with the Visuaisation of Biophysica Information, ICAT, 2000