一種面向領域的物聯網資源建模系統的製作方法
2023-05-21 12:04:41
一種面向領域的物聯網資源建模系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種面向領域的物聯網資源建模系統，包括：存儲模塊，用於存儲原始的本體信息；建模模塊，用於將面向本體的本體信息轉化為面向領域信息，其中面向領域信息包括資源和實體；綁定模塊，用於對建模模塊中生成的資源和實體進行綁定；轉化模塊，用於將本體庫中存放的本體信息轉化到資料庫；可視化交互模塊，用於與用戶進行交互，並顯示建模模塊生成的建模環境。本發明將物聯網中的信息分層次分類別進行描述，通過構建模版和實例，最終形成資源和實體概念、屬性以及概念的具體實例化數據，屏蔽了專業複雜的本體相關概念，同時，提供業務相關概念的信息呈現形式和可視化的資源建模環境。具有操作的簡捷性與易用性。
【專利說明】一種面向領域的物聯網資源建模系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及物聯網【技術領域】，尤其涉及一種面向領域的物聯網資源建模系統。
【背景技術】
[0002]信息技術革命。物聯網相關的理論和技術已成為當前學術界的研究熱點。物聯網提供了海量的資源和信息，由於物聯網的特點，現有的應用方式很難高效、合理的利用其中的資源和信息。在資源和信息層面主要存在這麼四個方面的問題:資源發現、資源管理、資源接入、資源使用。
[0003]具體地，資源管理為物聯網資源具有異構性、不穩定性、演化性等特點，這些特點導致資源管理和維護複雜度非常高。有效地資源管理技術除了支持這些特性外還應該實現資源的水平、垂直重用能力。
[0004]在國內外物聯網項目中，大多都有對特定領域的信息建模，即知識庫。其中大多以本體形式來存儲信息。本體用於在語義web中提供領域概念和描述概念之間關係。W3C為表達語義web數據定義了不同的標準,其中RDF (Resource Description Framework)、RDFSchema和OWL (Web Ontology Language)是最主要的技術。有很多物聯網的研究使用本體來表達資源模型.WSN SSN是W3C為描述傳感器系統和傳感器數據定義的一套本體，他將傳感器和傳感器的能力進行了語義描述，用於語義查找資源和傳感數據交換。但SSN本體中沒有對情境信息、觀測單位和領域知識進行描述，需要對它進一步擴展。
[0005]由此可見，這些項目中都有自己的信息建模，但只是一個建模之後的信息庫/知識庫，其中涉及了具體領域的知識或是一般通用的描述，但是都不夠完善。當領域中的業務人員想復用或完善其中的信息時，擺在眼前的只是一套現成的本體，這些項目沒有提供一種工具來管理資源和知識庫。
[0006]Stanford大學開發的pix)t6g6軟體可以很好的對本體信息進行管理，可以對類、實例、屬性進行操作。但是相對於一個對本體概念不了解的業務人員而言，這些陌生的概念操作是有很大操作難度的。況且prot6g6界面本身英文和相對繁瑣的界面更增添了操作難度。而且即使業務人員花費很長時間學會了這個工具的使用，當其他人員使用起來也不夠方便。其工具過於專業獨立，只是專注於本體的構建，並沒有將其內部的功能進行封裝，以web服務的形式提供服務，只能以緊耦合的方式進行API調用，這樣使得工具對外提供服務時極為不方便。
[0007]進一步地，prot6g6是以文件的形式保存數據，但是領域中的實例數據往往具有實時性，需要保存在實時庫中，prot6g6並不提供轉化到實時庫的方式，這也是欠缺不足之處。
[0008]具體地，想要復用已有項目中或標準的本體信息，但又不能涉及到底層本體的複雜感念，而只是關注於對自己熟悉領域，並且構建好的資源等信息可以對外提供服務，不只是單獨的存儲功能，protege軟體不能勝任。
【發明內容】
[0009]本發明所要解決的技術問題是如何復用已有項目中或標準的本體信息，但又不涉及到底層本體的複雜感念，而只是關注於對自己熟悉領域，並且構建好的資源等信息可以對外提供服務的問題。
[0010]為此目的，本發明提出了一種面向領域的物聯網資源建模系統，包括:
[0011 ] 存儲模塊，用於存儲原始的本體信息；
[0012]建模模塊，用於將面向本體的所述本體信息轉化為面向領域信息，其中所述面向領域信息包括資源和實體；
[0013]綁定模塊，用於對所述建模模塊中生成的所述資源和所述實體進行綁定；
[0014]轉化模塊，用於將本體庫中存放的所述本體信息轉化到資料庫；
[0015]可視化交互模塊，用於與用戶進行交互，並顯示所述建模模塊生成的建模環境。
[0016]進一步地，所述建模模塊，還包括:
[0017]模版單元，用於定義所述面向領域信息的概念及屬性；
[0018]實例單元，用於定義所述概念的實體、屬性以及賦值。
[0019]具體地，所述資源包括傳感器、控制器等。
[0020]具體地，所述存儲模塊基於RDF框架，利用語義本體語言OWL進行所述本體信息的存儲。
[0021]進一步地，還包括封裝模塊，用於將所述存儲模塊存儲的所述本體信息進行封裝。
[0022]進一步地，還包括關聯模塊，用於將預存所述實體實例的數據屬性值與預存所述資源實例相關聯。
[0023]具體地，所述本體庫中存放的所述本體信息與資料庫中的二維關係數據具有一一映射關係。
[0024]通過採用本發明所公開一種面向領域的物聯網資源建模系統，將物聯網中的信息分層次分類別進行描述，通過構建模版和實例，最終形成資源和實體概念、屬性以及概念的具體實例化數據，屏蔽了專業複雜的本體相關概念，同時，提供業務相關概念的信息呈現形式和可視化的資源建模環境。具有操作的簡捷性與易用性。對於已存在的資源和實體可以根據需要定義綁定關係，並最終以此為依據將實例的屬性值與實例綁定起來，滿足底層感知的原始數據升級為上層業務相關的物理對象的需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特徵和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中:
[0026]圖1示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的結構圖；
[0027]圖2示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的層次模型；
[0028]圖3示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的存儲模塊結構圖；
[0029]圖4示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的領域與本體的映射關係圖；
[0030]圖5示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模的步驟流程圖；
[0031]圖6示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的綁定流程圖；
[0032]圖7示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的綁定定義與實現原理圖；
[0033]圖8示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的轉化映射圖；
[0034]圖9示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的資源模型生成環境的MVC架構圖；
[0035]圖10示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的資源模型生成環境的結構圖。
【具體實施方式】
[0036]下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。
[0037]圖1示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的結構10，包括:存儲模塊101、建模模塊102、綁定模塊103、轉化模塊104以及可視化交互模塊105。
[0038]具體地，存儲模塊101用於存儲原始的本體信息，其中，存儲模塊基於RDF框架，利用語義本體語言OWL進行本體信息的存儲；建模模塊102用於將面向本體的本體信息轉化為面向領域信息，其中面向領域信息包括資源和實體。
[0039]進一步地，建模模塊102還包括:模版單元1021用於定義面向領域信息的概念及屬性；實例單元1022用於定義概念的實體、屬性以及賦值。
[0040]綁定模塊103用於對建模模塊中生成的資源和實體進行綁定，其中，資源包括傳感器、控制器等；轉化模塊104用於將本體庫中存放的本體信息轉化到資料庫，其中，本體庫中存放的本體信息與資料庫中的二維關係數據具有一一映射關係；可視化交互模塊105用於與用戶進行交互，並顯示建模模塊生成的建模環境。
[0041]進一步地，還包括封裝模塊106用於將存儲模塊101存儲的本體信息進行封裝，以及關聯模塊107用於將預存實體實例的數據屬性值與預存資源實例相關聯。
[0042]進一步地，對於一種面向領域的物聯網資源建模系統這一設計來說，首先，進行總體系統架構的設計，業務人員通過資源建模生成環境操作資源實體等領域中的信息，並和系統進行交互，進行建模等工作，且建模對象為模版和實例兩個部分，其中，實例在創建的時候需要選定參照的模版，建模整個過程是面向領域的，
[0043]建模整個過程是面向領域，具體地，通過操作模版和實例後可以生成領域中的數據類型，其中包括資源和實體等概念。通過將資源和實體進行綁定來賦予原始觀測信息與領域相關的意義，顯示在界面上的信息為領域信息，領域信息處於對於用戶友好的角度考慮，採用中文的方式顯示，如果是英文，還需要進行一次中英文映射，我們稱這次映射為「第一次映射」。對於面向領域的數據類型，底層是通過本體中的數據類型實現，二者存在一個映射關係，可以相互轉換，我們稱這次映射為「第二次映射」。對於面向本體的數據類型，來源於0WLAPI，通過OWLAPI可以操作本體文件或者其他本體資源，其中本體一般以文件形式存儲於磁碟中，最終要轉化到實時資料庫才會有實際用途，這是一從本體到二維關係資料庫的映射，我們稱這次轉化為「第三次映射」。
[0044]圖2示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的層次模型。[0045]具體地，一種面向領域的物聯網資源建模系統包括:存儲模塊101、建模模塊102、綁定模塊103、轉換模塊104以及可視化交互模塊105。對於上述的所有模塊，按照依賴關係分為不同層次，即可得到系統架構的層次模型。其中，存儲模塊101位於最底層，也可稱為語義本體層。建模模塊102和綁定模塊103在語義本體層之上，稱為領域層，資源建模生成環境位於領域層之上，負責直觀的顯示和操作領域裡面的領域信息，通過圖形界面與用戶交互，這一層稱為顯示層。
[0046]進一步地，本體存儲模塊，負責與本體中的信息進行交互,本體的相關操作類型包括添加、刪除、修改、查詢等。按操作的內容可分為類操作、屬性操作、實例操作、約束操作等。本體模塊的【具體實施方式】通過OWLAPI實現，其中，OWLAPI是操作網絡本體語言的編程接口，通過調用此API實現對於本體信息的各種基本的操作。但在複雜操作時，例如，獲取類的層次結構時，需要在基本方法的基礎上通過自己編寫算法，對自定義領域中數據類型的操作，以支持建模過程中的功能需求。其中，主要領域操作包括:獲取以指定概念、資源或實體為根節點的層次結構、獲取從屬於某概念、資源或實體的所有關聯屬性、獲取從屬於某概念、資源或實體的所有數值屬性、獲取某概念、資源或實體邏輯上的所有子概念、獲取在某個特定值域下的所有實例個體、綁定關係的定義、綁定的綁定實現等。複雜操作依賴圖如圖3所示的本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的存儲模塊結構圖。其中，葉子節點為基礎的本體操作，非葉子節點是基於這些基礎操作的領域操作方法。
[0047]圖4示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的領域與本體的映射關係圖。
[0048]具體地，建模本質是做一個面向領域的映射，把面向本體的數據處理方式轉化為面向領域的方式。對數據的創建，維護，查看，修改，都是建模中的內容。但在建模過程中，屬於對於資源實體等概念的關係，不等同於其在本體中對於類的關係。需要將屬性視為某個概念的屬性，領域中的概念對應本體中的類，但本體中的屬性並不是附屬於類之下，而是將類放在屬性的定義域中來表示一個類具有此屬性。因此二者邏輯關係的不同，需要做一個轉換，這些就需要建模過程進行解決。
[0049]圖5示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模的步驟流程圖。
[0050]步驟S501，選取父模版。
[0051]步驟S502，判斷是否繼承父模版信息。
[0052]步驟S503，如果繼承父模版信息，則讀取父模版信息並繼承。
[0053]步驟S504，如果沒有繼承父模版信息，則創建本模版的信息。
[0054]步驟S505，生成父模版的子模版。
[0055]步驟S506，選取模版。
[0056]步驟S507，創建實例。
[0057]步驟S508，生成選定模版下的實例。
[0058]具體地，首先創建模版，構建領域中的概念和概念具有的屬性，其中，屬性包括數值屬性和關聯屬性。構建的模版先選擇父模版，可以繼承父模版的信息，也可以重新創建自己的模版。因此模版之間也具有一個層次結構，來區別不同領域。模版中默認的初始概念必須包含資源和實體兩個頂層概念。創建新的概念繼承與這兩個概念其中之一。
[0059]其中，資源代表物聯網所有底層設備，通過定義新的概念繼承資源，例如，傳感器。控制器等，資源下面具體的概念大多與物聯網中原始信息相關，例如，溫度傳感器測得某個具體溫度，這裡溫度傳感器就是一種資源，它測得的溫度就是原始信息。資源及其子類是在建模過程中，對感知領域中概念的描述；實體是物聯網上層業務領域中的概念實體，通過定義新的概念繼承實體，例如鍋爐。實體下面具體的概念大多與物聯網中的情景信息相關，關係特定業務領域，例如，供暖系統領域中的鍋爐和鍋爐房等。實體及其子類是在建模過程中，對業務領域中概念的描述。
[0060]進一步地，在創建完成模版之後，可以選取某個模版，在該模版下創建實例，實例會繼承模版中對於概念和屬性的定義，並可以定義概念的實例個體和相應的屬性值。例如，模版中定義了傳感器概念，在實例中就可以定義「I號傳感器」個體來具體化傳感器這個抽象的概念。而「I號傳感器」可以具有所有傳感器的屬性，並具有相應的屬性值。
[0061]圖6示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的綁定流程圖。
[0062]步驟S601，選取被綁定的實體。
[0063]步驟S602，選取實體的某個數值屬性。
[0064]步驟S603，選取綁定的資源。
[0065]步驟S604，創建綁定關係。
[0066]步驟S605，選取綁定關係中實體的個體。
[0067]步驟S606，選取該個體的數值屬性取值。
[0068]步驟S607，選取綁定關係中資源的個體。
[0069]步驟S608，實現綁定。
[0070]具體地，在運用面向領域建模的過程中，需要在程序語言中自定義一些數據類型，來滿足領域信息的需求。在運用面向領域的思想建模之後，已經存在了相應的資源和實體的概念，屬性，以及它們的個體實例和屬性值。實體中關於業務領域的信息需要和資源中對於感知領域的信息綁定起來才有實際意義。例如，傳感器測得的溫度，只是個單純的原始數據，如果想要這個溫度有業務相關的意義，必須要跟業務領域中的實體的屬性綁定，例如，鍋爐。綁定之後，就有了傳感器測得的溫度就是鍋爐的溫度。
[0071]在實際實施過程中，綁定分為兩步。其中，首先，在模版中定義綁定，將實體的某個屬性和資源綁定起來。在實例中，在定義好的綁定中，將實體的個體所具有的屬性值和資源的個體相綁定。兩部綁定的過程在實現時，依賴語義層的本體化支持。
[0072]圖7示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的綁定定義與實現原理圖。
[0073]具體地，在領域中，關聯屬性可以簡單的關聯兩個概念，但無法關聯一個屬性與一個概念。要定義綁定關係，實際上是將實體的某個數據屬性和資源綁定。如果直接使用關聯屬性將資源和實體關聯起來，那麼實體眾多屬性中無法確定具體哪個與此資源有關。因此做法為:定義一個專用於綁定的概念，即綁定關係，此概念具有的數值屬性和實體要綁定的數值屬性相同，實體類通過一個關聯屬性關聯到此綁定關係，此類再通過另一個關聯屬性關聯到要綁定的資源類，這樣，實體和綁定關係就有了相同的數值屬性，此屬性就是實體需要綁定到資源的屬性，實體的數據屬性通過一個中間的綁定關係綁定到了某個資源。
[0074]進一步地，在定義好綁定關係後，就可以在通過定義個體實例化綁定。在上段定義的綁定關係中，通過實例化實體，綁定關係和資源，並給實體數值屬性賦值，將綁定必須的幾個部分進行定義，再利用關聯屬性，將實體個體關聯到綁定關係的個體，將綁定關係的個體關聯到兩個關聯屬性，並運用到個體中，最終予以賦值，所取值分別為綁定關係個體，資源個體。
[0075]圖8示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的轉化映射圖。
[0076]具體地，在通過建模和綁定兩個過程後，生成的信息存儲在了底層的本體庫中。在物聯網的實際應用場景中，實時資料庫更為常用。將本體庫轉化到實時庫，即資料庫，使其適應運用場景，又可以彌補實時庫擴展性差和不區分描述對象的特點。
[0077]進一步地，在轉化過程中，本質是做一次映射，具體地，將本體中實體類的所有數據屬性轉化到一張表中，即實體表，每個屬性的名稱作為列名稱，並選取主鍵，同理，按照上述方法也建立一個資源類的表，即資源表，之後，根據定義好的綁定關係，生成一張綁定關係表，即綁定表。將資源表的主鍵，實體表的主鍵，實體中綁定的數據屬性作為表的列，建立好三張表後，把實體的所有實例和對應的數據屬性值放入實體表中，把資源的所有實例和對應的屬性值放入資源表中，再根據綁定的具體實現，填充綁定表。
[0078]進一步地，在建立資源表和實體表時，可以讓用戶選取放入表中作為主鍵的列和其他數據屬性，主鍵必須選取，可以是類的名稱或選取其他核心的數據屬性作為主鍵。其他數據屬性可有選擇的選取，如果沒有進行選取則默認所有數據屬性都算入表的列中。
[0079]圖9示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的資源模型生成環境的MVC架構圖。
[0080]具體地,在創建表結構和插入表數據時,需要運用java的jdbc技術和相應的資料庫驅動。經過建模過程後的領域信息，最終要顯示在圖形界面，與用戶進行交互，才有意義。資源模型生成環境，即可視化交互模塊用於和用戶交互，給用戶提供一個可視化和友好的建模環境，讓用戶可以圖形化的進行對於資源、實體、模版和實例的操作。這部分的工作主要集中於客戶端的圖形化開發和與用戶的互動設計。此部分與建模模塊連接，顯示並操作領域中的信息，便於用戶操作和查看。採用Swing固有的MVC的設計模式。其中，MVC(ModelView Controller)是模型(model)、視圖(view)、控制器(controller)的縮寫。其中，在本系統的客戶端中，模型就是Swing中的Model和操作領域數據的接口 ；視圖是Swing的界面元素；控制器是Swing中的事件機制。
[0081]圖10示出了本發明實施例中的一種面向領域的物聯網資源建模系統的資源模型生成環境的結構圖。
[0082]具體地，在交互時，用戶首先進入領域模版的界面，在選擇了某個模版或者實例後，進入主界面，在主界面中包含若干選項卡Tab來顯示不同的信息。其中包括資源Tab，實體Tab，實例Tab，外部本體Tab，綁定Tab等。從主界面可以進入其他子界面或者子對話框，且可以通過客戶端操作領域中的資源、實體以及綁定關係，查看繼承的外部本體，個體實例
信息等。
[0083]綜上所述，即一種面向領域的物聯網資源建模系統的基本思想是:提出了一種面向領域的總體系統架構，基於系統架構可得知本體技術用於底層的存儲設計和交互操作，在本體和用戶之間建立了一個中間層，即領域層，這使得用戶進行建模時直接的操作對象都是面對領域信息，領域信息通過一定的規則可以和本體信息相互轉換，並進行持久化。
[0084]進一步地，領域層在設計和實現過程中，自定義了若干領域數據類型，封裝了原始的本體，以表達領域中概念，例如，資源和實體。以新的領域數據類型為基礎，設計了若干算法來實現建模中的各種子功能，例如，獲取概念的數值屬性，這些子功能組合起來便實現了建模的整體模塊的功能。在完成了模版的資源和實體信息創建完畢後，可以根據需要將二者綁定，滿足物聯網中感知信息與具體應用領域關聯的需要。在實現綁定模塊的過程中，通過在本體層定義兩個對象屬性、三個類和一個數據屬性並對它們進行合理的關聯來實現綁定關係的定義。在綁定關係定義好之後，在本體中將類實例化，屬性賦值便形成了真正的綁定。最後創建的信息，在具體的應用場景中，可以轉化到實時資料庫，滿足實時性的需求。轉化時先區別資源和實體等不同概念和已存在的綁定關係，根據概念和綁定關係來創建轉化後的表格，並用實例數據來填充表格。本發明提供一種面向領域的物聯網資源建模系統，將物聯網中的信息分層次分類別進行描述，通過構建模版和實例，最終形成資源和實體概念、屬性以及概念的具體實例化數據，屏蔽了專業複雜的本體相關概念，同時，提供業務相關概念的信息呈現形式和可視化的資源建模環境。具有操作的簡捷性與易用性。對於已存在的資源和實體可以根據需要定義綁定關係，並最終以此為依據將實例的屬性值與實例綁定起來，滿足底層感知的原始數據升級為上層業務相關的物理對象的需求。
[0085]雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的範圍之內。
【權利要求】
1.一種面向領域的物聯網資源建模系統，其特徵在於，包括: 存儲模塊，用於存儲原始的本體信息； 建模模塊，用於將面向本體的所述本體信息轉化為面向領域信息，其中所述面向領域信息包括資源和實體； 綁定模塊，用於對所述建模模塊中生成的所述資源和所述實體進行綁定； 轉化模塊，用於將本體庫中存放的所述本體信息轉化到資料庫； 可視化交互模塊，用於與用戶進行交互，並顯示所述建模模塊生成的建模環境。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述建模模塊，還包括: 模版單元，用於定義所述面向領域信息的概念及屬性； 實例單元，用於定義所述概念的實體、屬性以及賦值。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述資源包括傳感器、控制器等。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述存儲模塊基於RDF框架，利用語義本體語言OWL進行所述本體信息的存儲。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，還包括封裝模塊，用於將所述存儲模塊存儲的所述本體信息進行封裝。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，還包括關聯模塊，用於將預存所述實體實例的數據屬性值與預存所述資源實例相關聯。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述本體庫中存放的所述本體信息與資料庫中的二維關係數據具有一一映射關係。
【文檔編號】G06F17/50GK103810338SQ201410050332
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月13日 優先權日:2014年2月13日
【發明者】章洋, 吳步丹, 趙帥, 吳思齊 申請人:北京郵電大學