面向物聯(lián)網(wǎng)的通用物模型框架研究

一、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，連接各類物理設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息自動感知和智能控制的應(yīng)用需求日益增多，這就需要有一種信息模型來描述和表示不同類型的物理設(shè)備，即物模型。然而，目前物模型研究和應(yīng)用中存在以下問題：

1.現(xiàn)有物模型普遍針對特定行業(yè)或設(shè)備類型設(shè)計，缺乏通用性，給設(shè)備連接和信息融合帶來障礙。

2.大多數(shù)物模型只集中在單一設(shè)備的表示，難以適應(yīng)復(fù)雜業(yè)務(wù)系統(tǒng)中多種設(shè)備及其關(guān)系的建模需求。

3.現(xiàn)有物模型語言表達(dá)能力有限，無法充分描述設(shè)備的靜態(tài)屬性、動態(tài)狀態(tài)和復(fù)雜行為，降低了實(shí)用性。

4.物模型標(biāo)準(zhǔn)化不足，設(shè)備廠商物模型缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，給設(shè)備接入和管理帶來困難。

針對上述問題和挑戰(zhàn)，研究設(shè)計一套面向海量異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通用物模型框架具有重要意義，可促進(jìn)異構(gòu)設(shè)備互操作、支撐復(fù)雜業(yè)務(wù)系統(tǒng)建模，并推動物模型標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。另一方面可以支撐復(fù)雜業(yè)務(wù)和應(yīng)用對整體物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的數(shù)字化建模，最后可以推動行業(yè)共識的形成，促進(jìn)物模型標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等智能化應(yīng)用奠定模型框架基礎(chǔ)。

二、面向物聯(lián)網(wǎng)的物模型概述

物模型是描述物聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)體對象及其功能的信息模型。物模型抽象定義了一個物體的屬性、行為及其與外界的交互，用于支撐上層應(yīng)用對物體的識別、管理和使用。從組成上看，一個典型的物模型通常包括基本信息描述、功能描述、接口描述、 性能描述、 行為描述、安全與權(quán)限描述。

綜合考慮描述要素，物模型可分類為：

1.靜態(tài)模型與動態(tài)模型，靜態(tài)模型主要描述物體的不隨環(huán)境或狀態(tài)變化的固有屬性，動態(tài)模型描述會變化的屬性。

2.物理模型與虛擬模型，物理模型反映物理設(shè)備的屬性，虛擬模型表示軟件服務(wù)和計算過程。

3.單體模型與組合模型，單體模型描述單個物體，組合模型描述由多個物體組成的系統(tǒng)。

4.領(lǐng)域?qū)Ｓ媚Ｐ团c通用模型，專用模型針對特定應(yīng)用領(lǐng)域，通用模型追求跨域適用。

理想的物模型應(yīng)該既要反映物體的本質(zhì)特征，又要保持一定抽象程度，既要滿足通用性，又要支持?jǐn)U展定制。研究通用物模型框架，能為豐富多樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求提供重要支持。

三、通用物模型框架

（一）框架設(shè)計原則

1.通用性

框架需要具有廣泛的適用范圍，能夠支持不同行業(yè)、不同類型設(shè)備的建模?？蚣芴峁┑哪Ｐ驮乇仨毦哂衅者m性，同時引入分層和抽象的概念，通過在通用層面上進(jìn)行建模，并將特定業(yè)務(wù)場景或設(shè)備的特性作為可擴(kuò)展的部分，來實(shí)現(xiàn)一套框架支撐多類設(shè)備和多領(lǐng)域的建模需求。

2.可擴(kuò)展性

考慮物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求的演進(jìn)，框架必須具備良好的可擴(kuò)展性，能夠靈活地添加新的模型元素，擴(kuò)展新的功能組件?？蚣艿哪K化設(shè)計和松耦合的軟件架構(gòu)，以及完善的版本管理機(jī)制，可以幫助框架輕松地引入新的特征模型、關(guān)系模型、服務(wù)模型等新能力。

3.標(biāo)準(zhǔn)符合性

框架應(yīng)參考行業(yè)主流標(biāo)準(zhǔn)，推動生態(tài)向標(biāo)準(zhǔn)方向靠攏?？蚣艿哪Ｐ捅硎尽⒎?wù)接口、數(shù)據(jù)格式等需要兼容主流標(biāo)準(zhǔn)，支持標(biāo)準(zhǔn)模型的導(dǎo)入與集成。同時，框架也應(yīng)推動標(biāo)準(zhǔn)的形成，通過提供開放的建議標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)行業(yè)共識的達(dá)成。

4.可視性

框架需要提供直觀的圖形化建模工具，降低用戶使用門檻，提高模型配置效率。圖形化的模型編輯器，采用類似流程圖的可視化建模方式，通過拖拽、鏈接等簡單操作即可生成模型文件，無需學(xué)習(xí)復(fù)雜的語法知識，大大簡化了使用過程。

5.性能可靠性

框架應(yīng)具備高效穩(wěn)定運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)處理的能力，確保性能與可靠性。需要采用高性能計算框架，對模型運(yùn)算過程進(jìn)行優(yōu)化，同時增加可擴(kuò)展的集群部署方案，并利用監(jiān)控、容錯機(jī)制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（二）框架總體結(jié)構(gòu)

面向物聯(lián)網(wǎng)的通用物模型框架總體采用分層架構(gòu)設(shè)計，從下到上主要包括：設(shè)備接入層、通信層、物模型層和應(yīng)用層。

1.設(shè)備接入層主要完成對各類物聯(lián)網(wǎng)終端和設(shè)備的接入，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化適配，并提供統(tǒng)一的設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口。

2.通信層在設(shè)備接入層之上，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與平臺之間的安全可靠通信，支持包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的各種接入方式，同時對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。

3.物模型層是整個框架的核心層，主要包括模型管理模塊、模型實(shí)例倉庫和模型運(yùn)算引擎三個主要組成部分。模型管理模塊用于物模型的創(chuàng)建、存儲、版本維護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)；模型實(shí)例倉庫用于存儲設(shè)備實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)映射生成的大量模型實(shí)例；模型運(yùn)算引擎可以根據(jù)預(yù)先定義的模型及其運(yùn)算規(guī)則對模型實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算。

4.應(yīng)用層建立在物模型層之上，面向用戶的各種物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用均可以通過應(yīng)用層接入框架使用其提供的模型支撐能力。應(yīng)用層可以根據(jù)需求利用物模型實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和數(shù)據(jù)的管理、分析、流程編排等不同服務(wù)，以滿足不同行業(yè)用戶的業(yè)務(wù)需要。

四、框架實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

（一）基于圖形編輯器的模型創(chuàng)建

圖形化編輯器提供了類似流程圖的圖形拖拽界面，用戶可以不需要編程就能夠直觀地構(gòu)建物模型，用戶可以選擇標(biāo)準(zhǔn)模型元素進(jìn)行拖放，定義模型屬性、方法和關(guān)系，系統(tǒng)自動生成模型定義文件。

圖形化方式支持用戶以模塊化和分層的思維構(gòu)建模型。復(fù)雜系統(tǒng)可以分解為多個相互關(guān)聯(lián)的子模型圖形進(jìn)行表示，再融合為一個整體模型，這種模型構(gòu)建更符合用戶思維方式。圖形化模型編輯器實(shí)現(xiàn)了用戶友好的模型構(gòu)建方式，是通用模型框架降低模型定義門檻，支持普及應(yīng)用的重要手段。

（二）基于時序和圖數(shù)據(jù)庫

時序數(shù)據(jù)庫用于存儲大量的時序模型數(shù)據(jù)。時序數(shù)據(jù)庫在時間戳類型數(shù)據(jù)的寫入和聚合查詢上具有 native優(yōu)化，相比通用關(guān)系數(shù)據(jù)庫更適合物聯(lián)網(wǎng)場景高頻時間序列數(shù)據(jù)的處理需求。圖數(shù)據(jù)庫用于存儲模型實(shí)例之間的關(guān)系數(shù)據(jù)。物模型實(shí)例間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這可以用節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖的方式自然表示，圖數(shù)據(jù)庫可以高效管理這connected 數(shù)據(jù)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

兩種數(shù)據(jù)庫通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問層進(jìn)行集成。時序數(shù)據(jù)庫與圖數(shù)據(jù)庫的融合應(yīng)用充分利用了兩者的優(yōu)勢，使通用物模型框架能夠高效且靈活地存儲和分析海量模型實(shí)例數(shù)據(jù)，從而提供穩(wěn)定可靠的運(yùn)行質(zhì)量。

（三）分布式流式計算

基于分布式消息隊列構(gòu)建了流式數(shù)據(jù)處理流水線。設(shè)備數(shù)據(jù)首先通過 Kafka 等隊列采集匯總，然后通過計算集群進(jìn)行并行處理，隊列實(shí)現(xiàn)了流量削峰與計算解耦，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性且便于擴(kuò)展。流式計算框架 Flink 被采用實(shí)現(xiàn)分布式流數(shù)據(jù)處理。Flink 提供了符合流式數(shù)據(jù)特點(diǎn)的計算模型，使得實(shí)時模型運(yùn)算和分析成為可能，同時其內(nèi)置的狀態(tài)管理與容錯機(jī)制提高了計算的穩(wěn)定性。流式計算和分布式計算的有機(jī)配合，使框架具備了面對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)場景的自適應(yīng)性和彈性伸縮能力。

五、總結(jié)

面向物聯(lián)網(wǎng)的通用物模型框架，目標(biāo)是提供通用化且可擴(kuò)展的模型工具，支持大規(guī)模多變態(tài)物聯(lián)網(wǎng)場景的建模管理?？蚣懿捎梅謱幽K化架構(gòu)，核心為通用物模型層，提供模型全生命周期管理，從創(chuàng)建到運(yùn)算，總體設(shè)計兼顧通用性、可擴(kuò)展性、易用性。從技術(shù)演進(jìn)看，分布式、區(qū)塊鏈、云原生等前沿技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)深度融合，將推動建?？蚣芨镄?，實(shí)現(xiàn)由單體云向混合多云、集中式向分布式演進(jìn)，適應(yīng)復(fù)雜體系需求。未來該框架在行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新雙重驅(qū)動下，建模范疇將持續(xù)擴(kuò)大，表示能力增強(qiáng)，架構(gòu)朝分布式自治方向演進(jìn)，在安全與開放間達(dá)成動態(tài)平衡，保持較高創(chuàng)新增長態(tài)勢。

作者單位：中鐵四局集團(tuán)有限公司、安徽數(shù)智建造研究院有限公司

基金項目：建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究-B（編號：2022-重大專項-08）。