面向智慧城市基础设施的跨域物联网语义中间件构建方法与流程

1.本发明涉及城市设施物联网领域，尤其是涉及一种面向智慧城市基础设施的跨域物联网语义中间件构建方法。


背景技术：

2.物联网(iot，internet of things)，是一个结合了互联网上各种事物的大型网络。它实时采集网络中所需的各种数据，以实现物与物、人与物之间的互联互通。
3.随着物联网的深入发展，物联网络中的各种各样的设备越来越多，随之产生了大量的具有多源性、异构性的数据，这些数据也包括了非结构化、半结构化和结构化数据，给数据处理、数据融合和资源共享带来了极大的困难。传统的智慧城市基础设施采用闭环物联网系统来管理、分析和控制数据。在未来，新型智慧城市更趋向于高效的协作共享，这迫切地需要最大程度地开放共享数据。这一转变涉及物联网框架的演进、物联网数据共享等课题。因此，打破数据孤岛，理解不同设备生成的异构数据语义信息，实现数据的跨域共享，已经成为物联网领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的智慧城市基础设施的数据处理方式不适应设备之间更高效的协作共享需求的缺陷而提供一种面向智慧城市基础设施的跨域物联网语义中间件构建方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种面向智慧城市基础设施的跨域物联网语义中间件构建方法，具体包括以下步骤：
7.s1、根据通讯协议获取物联网的设备端采集的多域异构数据；
8.s2、根据多域异构数据对应的多个子域系统分别构建子域知识图谱，将异构数据转化为结构化数据；
9.s3、所述子域知识图谱基于wot的中间件框架进行集成，在智慧城市平台和物联网的系统应用之间设有中间件l0层作为跨域物联网语义中间件，所述中间件l0层提供统一访问的数据接口与物联网的系统应用连接，将统一后的城市物联网数据传送到智慧城市平台。
10.所述中间件l0层充当现有不同系统或平台之间的桥梁，实现不同领域设备间的高效交互。
11.所述跨域物联网语义中间件还包括中间件l1层。
12.进一步地，所述中间件l1层位于物联网的系统应用和物联网的子域知识图谱之间。
13.进一步地，所述中间件l0层和中间件l1层的结构均基于apache jena框架，apache jena框架提供大量支持rdfs和owl的api，并实现了动态数据的访问和输出。
14.进一步地，所述中间件l0层和中间件l1层中均设有fuseki作为apache jena框架的sparql服务器或sparql终端，通过http协议提供sparql更新、查询和修改。
15.进一步地，所述fuseki与tdb数据库连接，所述tdb数据库连接有apache jena框架的查询引擎，tdb数据库提供了极高的存储性能，fuseki与tdb数据之间高度集成，包括jena的文本查询和空间查询，还提供了业务持久层。
16.进一步地，所述apache jena框架的查询引擎与apache jena框架的规则推理机连接，所述规则推理机与fuseki连接，apache jena框架的查询引擎支持sparql的rdf查询语言。
17.所述子域知识图谱采用自顶向下的构造方法进行构建，构建过程包括本体的选择和开发、本体实例化和语义标注，利用已有的结构化知识库作为基础知识库，其中初始的基础本体采用标准化onem2m基础本体。
18.进一步地，所述子域知识图谱包括模式层和数据层，所述模式层根据onem2m模型进行构建，所述数据层通过本体实例化和语义标注进行构建。
19.进一步地，所述子域知识图谱使用onem2m提供的通用m2m服务层平台访问接口和标准，以通用格式表示不同来源的异构数据。
20.进一步地，所述数据层中的实例具体为遵循rdf模式的三元组，语义标注的过程包括将物联网设备生成的资源信息链接到上一步建立的本体上，最终从头开始创建物联网知识图谱。数据层中uri是用于唯一标识rdf资源的字符串，物联网中存在的视频、图像、文档等各种资源都可以通过uri唯一识别。uri包括资源的命名机制、资源的主机名和资源本身的名称。
21.所述子域系统在集成的过程中，子域知识图谱之间若不存在任何语义支持系统，则共同构建子域系统，并设置通用本体子集；若存在单个子域系统已经支持语义功能，而另一个子域系统不支持，则通过已支持的子域系统本体来设置不支持的子域系统的语义功能或建立词汇表来实现系统之间的映射；若两个子域系统均已经支持语义功能，则建立词汇表来实现系统之间的映射。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
23.1.本发明在智慧城市平台和物联网的系统应用之间设有中间件l0层作为跨域物联网语义中间件为特定场景构建开发了轻量级的、开放的、适应性强的中间件，用于支持不同系统间的相互通信，有效减少了对每个功能相似的模块独立开发子程序的重复工作。
24.2.本发明使用遵循rdf模式的spo三元组统一描述传感器获取的数据，数据之间的关系以图的形式呈现，有效解决了异构资源访问困难的问题。
25.3.本发明在传统物联网中间件框架中引入了l0层，使用web api，网关，区块链，rdfs等技术，为不同物联网下的数据提供了统一访问的接口，解决了跨域物联网的数据孤岛问题。
附图说明
26.图1为本发明的流程示意图；
27.图2为本发明基于wot知识图谱的多层语义中间件框架的结构示意图；
28.图3为本发明子域知识图谱模式层的结构示意图；
29.图4为本发明面向跨域智能建筑的多层语义中间件的结构示意图；
30.图5为本发明实施例中物联网知识图谱的实现的结构示意图；
31.图6为本发明不同用户数量下跨域管理系统的响应时间的示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
33.实施例
34.如图1所示，一种面向智慧城市基础设施的跨域物联网语义中间件构建方法，具体包括以下步骤：
35.s1、根据通讯协议获取物联网的设备端采集的多域异构数据；
36.s2、根据多域异构数据对应的多个子域系统分别构建子域知识图谱，将异构数据转化为结构化数据；
37.s3、子域知识图谱基于wot的中间件框架进行集成，在智慧城市平台和物联网的系统应用之间设有中间件l0层作为跨域物联网语义中间件，中间件l0层提供统一访问的数据接口与物联网的系统应用连接，将统一后的城市物联网数据传送到智慧城市平台。
38.如图2所示，中间件l0层充当现有不同系统或平台之间的桥梁，实现不同领域设备间的高效交互。
39.跨域物联网语义中间件还包括中间件l1层。
40.中间件l1层位于物联网的系统应用和物联网的子域知识图谱之间。
41.如图4所示，中间件l0层和中间件l1层的结构均基于apache jena框架，apache jena框架提供大量支持rdfs和owl的api，并实现了动态数据的访问和输出。
42.中间件l0层和中间件l1层中均设有fuseki作为apache jena框架的sparql服务器或sparql终端，通过http协议提供sparql更新、查询和修改。
43.fuseki与tdb数据库连接，tdb数据库连接有apache jena框架的查询引擎，tdb数据库提供了极高的存储性能，fuseki与tdb数据之间高度集成，包括jena的文本查询和空间查询，还提供了业务持久层。
44.apache jena框架的查询引擎与apache jena框架的规则推理机连接，规则推理机与fuseki连接，apache jena框架的查询引擎支持sparql的rdf查询语言。
45.子域知识图谱采用自顶向下的构造方法进行构建，构建过程包括本体的选择和开发、本体实例化和语义标注，利用已有的结构化知识库作为基础知识库，其中初始的基础本体采用标准化onem2m基础本体。
46.如图3所示，子域知识图谱包括模式层和数据层，模式层根据onem2m模型进行构建，数据层通过本体实例化和语义标注进行构建。
47.子域知识图谱使用onem2m提供的通用m2m服务层平台访问接口和标准，以通用格式表示不同来源的异构数据。
48.数据层中的实例具体为遵循rdf模式的三元组，语义标注的过程包括将物联网设备生成的资源信息链接到上一步建立的本体上，最终从头开始创建物联网知识图谱。数据
层中uri是用于唯一标识rdf资源的字符串，物联网中存在的视频、图像、文档等各种资源都可以通过uri唯一识别。uri包括资源的命名机制、资源的主机名和资源本身的名称。
49.子域系统在集成的过程中，子域知识图谱之间若不存在任何语义支持系统，则共同构建子域系统，并设置通用本体子集；若存在单个子域系统已经支持语义功能，而另一个子域系统不支持，则通过已支持的子域系统本体来设置不支持的子域系统的语义功能或建立词汇表来实现系统之间的映射；若两个子域系统均已经支持语义功能，则建立词汇表来实现系统之间的映射。
50.本实施例中，具体实施时，选择智能建筑作为测试用例之一。假设一个房子有两个房间，一个客厅，一间厨房和一间浴室，总共五个空间。每个空间都有一套供暖系统，一套供暖系统可能对应几个加热器，如空调、燃油加热器等等。通常情况下，国家电网提供分级电价，随着用电量的增加，电价逐步上涨，以此来提高能源利用效率。现在，智能建筑的住户想要优化房屋的能耗，需要了解房屋内每个家电的耗电量，并且能够及时调整每个家电的状态。
51.为了实现这个用例，需要集成以下不同的系统：1)每个空间的供暖系统；2)每个电器的用电量监控系统。
52.为了实现供暖系统和用电量监测系统的不同设备之间的互操作性，需要在接口和信息建模方面达成一致。
53.因此，如图5所示，利用上文所述的知识图谱在语义级别对相关信息进行建模，以实现语义互操作性。要建模的信息包括：1)设备(单元、指令、模式、服务、能源消耗概况等)。2)空间(状态、指令、模式、服务、环境温度等)。
54.本实施例使用响应时间和可伸缩性来评估web系统，响应时间反映了能否快速有效地为用户提供服务。设置虚拟用户来模拟并发，选择一个典型的服务请求流程，并记录响应时间。响应时间越短，提供服务的速度就越快。
55.设置如表1所示的三个用例描述，并在单用户的情况下测试系统响应时间，即往返时延(rtt)。结果表明，平均rtt在50ms范围内。表1如下所示：
56.表1往返时延结果表
[0057][0058]
可扩展性指的是系统扩展和增长的能力。延迟是评估可扩展性的一个重要指标。延迟越低，说明系统的可扩展性越好。可扩展性的目标是在可接受的延迟范围内实现最大吞吐量。
[0059]
另外，随着用户数量的增长，测试系统响应时间的变化。线程的数量代表虚拟用户数，线程数对应的持续时间设置为60秒。用户数量随时间变化，系统的响应时间如图6所示。结果表明，随着用户数的增加，系统响应时间也随之呈线性增加，斜率保持不变，说明以本发明的中间件为基础的物联网具有较高的稳定性，保证智慧城市基础设施的稳定运行。
[0060]
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说
明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。