異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)適配接入方法*

王智莉，卜方玲

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 引 言

智慧城市通過(guò)信息技術(shù)手段，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析整合城市各部分的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市生活環(huán)境的透徹感知、城市資源的全面調(diào)控、城市中各個(gè)部分協(xié)調(diào)配合［1］。然而，各行業(yè)布設(shè)了各種各樣的傳感器，傳感器數(shù)據(jù)的采集、傳輸呈現(xiàn)多種形式，城市感知數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性，即數(shù)據(jù)的表達(dá)形式多樣、數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議多樣、數(shù)據(jù)的來(lái)源多樣。數(shù)據(jù)的來(lái)源多樣表現(xiàn)在除了物理傳感器外，還有虛擬傳感器［2］，如權(quán)威部門(mén)中國(guó)氣象，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定期發(fā)布?xì)庀箢A(yù)報(bào)或?qū)崟r(shí)氣象數(shù)據(jù)。針對(duì)異構(gòu)性問(wèn)題，用標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)一管理分散的數(shù)據(jù)資源，并基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享與服務(wù)，該模式得到了普遍理解和認(rèn)同［3］。傳感器網(wǎng)整合框架(sensor web enhancement，SWE)是上述解決方式最典型體系，SWE 定義了標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)和一系列信息共享方面的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)［4］，為城市運(yùn)營(yíng)提供了完整綜合性數(shù)據(jù)服務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)已得到廣泛認(rèn)同［5］，成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

但SWE 主要是面向用戶提供傳感器信息及其數(shù)據(jù)的查詢，與各類傳感器的連接主要通過(guò)中間件實(shí)現(xiàn)。傳感器接入到SWE 服務(wù)時(shí)，需要將傳感器協(xié)議轉(zhuǎn)換成SWE 協(xié)議［6］。當(dāng)感知數(shù)據(jù)與SWE 的服務(wù)連接時(shí)，需要大量人工操作將成千上萬(wàn)的傳感器逐個(gè)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，工作量巨大，嚴(yán)重阻礙智慧城市的發(fā)展進(jìn)程。因此，需要設(shè)計(jì)一種感知數(shù)據(jù)適配接入的方法，使異構(gòu)數(shù)據(jù)自動(dòng)適配接入，減少?gòu)?fù)雜的人工操作，以解決異構(gòu)感知數(shù)據(jù)接入效率低下的問(wèn)題。

一類通過(guò)創(chuàng)建映射規(guī)則進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法被提出［7，8］，這類方法將底層協(xié)議轉(zhuǎn)換成SWE 協(xié)議，但該方法依賴固定的映射模板，當(dāng)感知數(shù)據(jù)源發(fā)生變化時(shí)，原有的映射規(guī)則將不能適用。李秀等人［9］基于USDI(universal sensor descriptor for integration)模型，結(jié)合IEEE 1451 提出的一種支持傳感器動(dòng)態(tài)適配器方法。但I(xiàn)EEE 1451 傾向于底層的設(shè)計(jì)，不能為虛擬傳感器提供額外描述信息［7］。因此，該方法沒(méi)有考慮到數(shù)據(jù)來(lái)源的多樣性，只實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)物理傳感器感知數(shù)據(jù)的接入。Broering A 等人［10］進(jìn)一步擴(kuò)展了SWE 提出的傳感器抽象建模語(yǔ)言，提出了一種傳感器總線概念，但處于實(shí)驗(yàn)階段，并沒(méi)有提供具體的實(shí)現(xiàn)方法。上述方法沒(méi)有很好地解決異構(gòu)感知數(shù)據(jù)適配接入難題，即數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議多樣與數(shù)據(jù)來(lái)源多樣性導(dǎo)致的感知數(shù)據(jù)獲取方式與解譯方法不確定問(wèn)題。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)異構(gòu)傳感器進(jìn)行抽象，建立面向SWE 數(shù)據(jù)接入的異構(gòu)傳感器的信息模型(heterogeneous sensor information model，HSIM)。HSIM 描述了異構(gòu)物理傳感器和異構(gòu)虛擬傳感器在通信能力和數(shù)據(jù)表達(dá)方面的特征?；谠撔畔⒛Ｐ?，提出了異構(gòu)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)適配接入SWE 框架方法。該方法根據(jù)物理傳感器和虛擬傳感器的通信接口和數(shù)據(jù)表達(dá)的特征，動(dòng)態(tài)配置與組合連接器模塊、譯碼器模塊，生成適配器，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的物理和虛擬傳感器感知數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)適配接入。

1 異構(gòu)傳感器信息模型

傳感器信息模型為適配器的自動(dòng)生成提供了必要的數(shù)據(jù)，是異構(gòu)感知數(shù)據(jù)能否適配接入的關(guān)鍵。HSIM 不僅僅需要提供用于辨識(shí)傳感器的傳感器自身屬性、傳感器觀測(cè)能力和觀測(cè)過(guò)程、傳感器時(shí)空位置等信息。更重要的是必須提供傳感器的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、傳感器數(shù)據(jù)表達(dá)等有關(guān)數(shù)據(jù)接入的元數(shù)據(jù)信息。

為了滿足異構(gòu)感知數(shù)據(jù)適配接入SWE 服務(wù)的需求，使用SWE 元數(shù)據(jù)描述HSIM，并增加了有關(guān)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)表達(dá)、數(shù)據(jù)解譯方法的描述。HSIM 如圖1 所示，其中通信能力描述傳感器通信接口和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，用于與數(shù)據(jù)接入層建立對(duì)應(yīng)通信連接;處理方法指出了輸出數(shù)據(jù)的來(lái)源;參數(shù)信息為輸出提供了必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述;輸出與參數(shù)信息描述數(shù)據(jù)表達(dá)，用于動(dòng)態(tài)解譯感知數(shù)據(jù)。根據(jù)以上信息及其相關(guān)關(guān)系，譯碼器和連接器動(dòng)態(tài)組合，生成適配器，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)感知數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)適配接入。

2 異構(gòu)傳感器動(dòng)態(tài)適配接入方法

2.1 異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層

圖1 HSIMFig 1 HSIM

SWE 服務(wù)所在的應(yīng)用層與傳感器所在的資源層之間添加異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層(heterogeneous data access layer，HDAL)。適配接入方法在HDAL 中實(shí)現(xiàn)，HDAL 完成了不一致的、具有特異性的協(xié)議向SWE 協(xié)議的轉(zhuǎn)換，如圖2 所示。HDAL 分為數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)管理層。數(shù)據(jù)處理層實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)接入，數(shù)據(jù)管理層為SWE 框架提供符合SWE 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

圖2 異構(gòu)數(shù)據(jù)接入層Fig 2 Heterogeneous data access layer

添加傳感器時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成適配器，其步驟為:1)當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署了新的傳感器時(shí)，實(shí)例化傳感器信息模型;2)根據(jù)實(shí)例進(jìn)行傳感器注冊(cè);3)注冊(cè)信息提交到傳感器信息管理器中維護(hù);4)根據(jù)實(shí)例，查詢方法庫(kù):適配器生成模塊根據(jù)通信接口和數(shù)據(jù)表達(dá)特征，配置和組合這些抽象方法動(dòng)態(tài)生成適配器;5)傳感器與適配器建立通信連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換;6)解析后的數(shù)據(jù)交付給觀測(cè)數(shù)據(jù)管理器進(jìn)行統(tǒng)一管理;7)數(shù)據(jù)服務(wù)管理器通過(guò)SWE 服務(wù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)上層需要提取傳感器信息管理器與觀測(cè)數(shù)據(jù)管理器中的數(shù)據(jù)，按照SWE 規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)SWE 服務(wù)適配的接入異構(gòu)感知數(shù)據(jù)。

2.2 適配器結(jié)構(gòu)

適配器由實(shí)例化的信息模型動(dòng)態(tài)生成，一個(gè)適配器必需封裝了協(xié)議層軟件和基本的數(shù)據(jù)解譯方法。適配器結(jié)構(gòu)如圖3 中所示，劃分為會(huì)話層、解析層、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層:1)會(huì)話層:選擇適合的連接器負(fù)責(zé)與相應(yīng)的傳感器建立通信連接。2)解析層:根據(jù)不同的數(shù)據(jù)封裝格式，選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)解譯方法，根據(jù)信息模型實(shí)例化解譯方法，這些方法進(jìn)行組合生成譯碼器。3)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層:負(fù)責(zé)和觀測(cè)數(shù)據(jù)管理器交互，提交觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 適配器結(jié)構(gòu)Fig 3 Structure of adapter

2.3 動(dòng)態(tài)適配機(jī)制

適配器與傳感器建立通信連接，是異構(gòu)感知數(shù)據(jù)適配接入的前提。動(dòng)態(tài)適配器的生成依賴于傳感器的實(shí)例和方法庫(kù)，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)協(xié)議組合傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和自動(dòng)解析方法，從而動(dòng)態(tài)生成一個(gè)符合傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議的動(dòng)態(tài)適配器。因此，方法庫(kù)的全面性決定了適配器能否提供與多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)相適應(yīng)的協(xié)議解析方法，一些通用性的數(shù)據(jù)解析方法和傳感器與適配器創(chuàng)建通信鏈路方法必須包含在方法庫(kù)中。適配器的動(dòng)態(tài)生成步驟由圖4所示。

圖4 適配器生成流程Fig 4 Generation process of adapter

配器的動(dòng)態(tài)生成步驟如下:1)信息模型實(shí)例化，保存?zhèn)鞲衅鞯恼w信息描述，準(zhǔn)備開(kāi)始創(chuàng)建適配器類文件;2)取出字段名稱、字段數(shù)據(jù)類型，創(chuàng)建成員變量;3)取出能力信息、輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和字段標(biāo)識(shí)信息，查詢方法庫(kù)，添加與傳感器連接方法和譯碼方法;4)判斷信息是否讀取完畢:是，則創(chuàng)建與觀測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊交互的方法;否，則將轉(zhuǎn)入第3 步;5)創(chuàng)建同名類的構(gòu)造函數(shù);6)保存適配器同名類，并編譯生成二進(jìn)制文件。

3 氣象數(shù)據(jù)適配接入

氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)是智慧城市建設(shè)中重要的方面，城市氣象災(zāi)害已經(jīng)成為制約人類生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素［11］。另一方面，氣象數(shù)據(jù)的類型多種多樣。按照氣象數(shù)據(jù)的來(lái)源，分為物理傳感器實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象中心發(fā)布的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。按照數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可分為T(mén)CP 協(xié)議、http協(xié)議等。按照數(shù)據(jù)封裝的格式，可分為16 進(jìn)制數(shù)據(jù)、json格式數(shù)據(jù)、xml 格式數(shù)據(jù)等。由此可見(jiàn)氣象數(shù)據(jù)十分具有代表性。

本文挑選了典型的氣象感知數(shù)據(jù)進(jìn)行適配接入，數(shù)據(jù)來(lái)源包括:布設(shè)在武漢大學(xué)詩(shī)琳通地球空間信息科學(xué)國(guó)際研究中心的實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、綠色呼吸發(fā)布的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)氣象監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)包括風(fēng)向、風(fēng)速、空氣溫度等，且使用16 進(jìn)制幀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

以風(fēng)速為例，首先對(duì)建立風(fēng)速傳感器的信息模型實(shí)例化，如表1 所示為有關(guān)數(shù)據(jù)接入的具體實(shí)例化信息。根據(jù)實(shí)例化信息，加載Socket 連接方法和16 進(jìn)制譯碼方法，動(dòng)態(tài)生成適配器。適配器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)交由觀測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)重組，生成符合SWE 標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中觀測(cè)結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)如下:

虛擬傳感器以武漢空氣質(zhì)量為例，部分實(shí)例化信息如表2 所示。通過(guò)實(shí)例化信息為適配器配置了http 連接方法和json 數(shù)據(jù)解析方法，實(shí)現(xiàn)虛擬傳感器接入。圖5 展示了風(fēng)速與空氣質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 風(fēng)速部分實(shí)例化信息Tab 1 Part instantiation information of wind speed

表2 空氣質(zhì)量部分實(shí)例化信息Tab 2 Part instantiation information of air quality

圖5 氣象在線觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)Fig 5 Meteorological online observation system data

面向氣象的感知數(shù)據(jù)適配接入表明:異構(gòu)感知數(shù)據(jù)適配接入SWE 方法可通過(guò)自動(dòng)挑選和加載連接與數(shù)據(jù)解譯方法，自動(dòng)生成適配器，實(shí)現(xiàn)物理傳感器與虛擬傳感器異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)接入。該方法在較少人工干預(yù)的情況下，解決了數(shù)據(jù)接入時(shí)，由傳輸協(xié)議多樣性與數(shù)據(jù)來(lái)源多樣性導(dǎo)致的感知數(shù)據(jù)獲取方式與解譯方法不確定問(wèn)題，有效地完成異構(gòu)感知數(shù)據(jù)接入，大大提高了異構(gòu)數(shù)據(jù)接入效率，滿足智慧城市異構(gòu)感知數(shù)據(jù)自動(dòng)適配接入需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了HSIM，提出異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)適配接入方法。HSIM 不僅描述了物理傳感器與虛擬傳感器自身特性與觀測(cè)能力，也描述了它們的通信協(xié)議與數(shù)據(jù)表達(dá)的特征。動(dòng)態(tài)適配接入方法通過(guò)自動(dòng)生成適配器解決了傳輸協(xié)議多樣、來(lái)源多樣的感知數(shù)據(jù)接入需要大量人工操作的問(wèn)題。異構(gòu)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)適配接入實(shí)驗(yàn)表明:動(dòng)態(tài)適配接入方法能夠自動(dòng)生成適配器，通過(guò)異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的自動(dòng)解析，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)感知數(shù)據(jù)適配接入至SWE 服務(wù)，較好地提高了數(shù)據(jù)接入標(biāo)準(zhǔn)SWE 服務(wù)的效率。

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