CN102831513A - 面向集装箱物流领域的物联网应用层中间件与信息融合集成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向集装箱物流领域的物联网应用层中间件及信息融合集成方法，包括物联网读写设备管理模块、数据处理与融合集成模块和事件服务模块，其特征在于所述物联网读写设备管理模块能够兼容、管理和控制集装箱物流领域多种物联网异构读写设备，所述数据处理与融合集成模块将来自RFID、传感器、GPS和移动终端等多源信息进行过滤、复杂事件处理以及信息融合，实现物联网上下文集装箱物流业务信息的集成，所述事件服务模块实现基于复杂事件信息的集装箱物流业务订阅与发布服务。本发明解决了集装箱物流领域的物联网中间件研发和应用问题，针对集装箱物流业务规律，实现物联网多源读写设备管理、多源信息融合与集成以及集装箱物流业务服务订阅/发布功能。
Description
技术领域
本发明属于物联网应用层中间件技术领域，特别涉及到一种面向集装箱物流的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法。
背景技术
近年来，物联网技术受到了包括美国、日本和中国等众多国家的广泛关注，各国也都在大力发展和应用物联网技术。目前，物联网技术应用领域众多，主要包括公共安全、环境保护、工业自动化控制、交通安全、家居安防、健康监控、智能交通、智能物流等。
作为连接物联网感知层多源数据与物联网应用层应用程序的中介角色，物联网应用层中间件在物联网技术应用于集装箱物流领域的过程中起着举足轻重的作用。其主要功能表现在：（1）设备管理。处于物联网感知层的多种异构读写设备负责收集有关“物”的数据，读写设备的工作效率以及收集数据的完整性和准确性将影响整个物联网系统的稳定和正常运行，物联网应用层中间件通过管理和控制多种异构物联网读写设备，保证物联网读写设备正确、稳定和协调地工作，从而增加物联网系统的稳定性。（2）多源数据处理和集装箱物流业务服务。物联网应用层中间件底层设备接口与物联网读写设备直接连接并接收其收集上传的多源数据，经过物联网中间件数据过滤处理、复杂事件处理以及多源信息融合，得到面向集装箱物流业务的复杂事件信息，为中间件后端应用程序提供集装箱物流业务服务。（3）标准化。物联网应用层中间件通过实现多种通用标准和协议，如EPCGlobal（一个中立的、非赢利性的产品电子代码网络标准化组织）读写器协议（RP）、应用层事件标准（ALE）等，使得集装箱多源物流数据从采集到形成集装箱物流业务信息的整个过程都处于标准化的状态，提高了数据的完整性和准确性，同时也使得整个中间件系统易于扩展和维护。目前，国内外关于集装箱物流领域的物联网应用层中间件的研究不少，然而这些研究更多地集中在RFID（无线射频识别）标签数据的简单处理，如RFID数据过滤、RFID数据平滑等，而对于面向集装箱物流业务的复杂事件处理和多源信息融合则研究很少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种面向集装箱物流的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法。针对多源数据，通过采取面向集装箱物流业务的复杂事件处理和多源信息融合的方法，得到准确、全面和可靠的集装箱物流业务复杂事件信息，为中间件后端应用程序提供基于复杂事件信息的集装箱物流业务订阅/发布服务，较好地解决了物联网应用程序的多源信息融合及其有效利用问题。
为实现上述目的，采用的技术方案如下：
一种面向集装箱物流领域的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法。物联网应用层中间件由物联网读写设备管理模块、数据处理与融合集成模块和事件服务模块组成。物联网读写设备管理模块能够兼容、管理和控制集装箱物流领域多种物联网异构读写设备。数据处理与融合集成模块将来自RFID、传感器、GPS（全球定位系统）和移动终端等多源信息进行过滤处理、复杂事件处理以及信息融合，实现物联网上下文集装箱物流业务信息的集成。事件服务模块实现基于复杂事件信息的集装箱物流业务订阅与发布服务。
物联网读写设备管理模块包括适配模块、配置模块、监控模块、注册模块、设备管理中控模块、通信模块一和通信模块二等七个子模块。
适配模块中包括接口二次封装程序，它能够屏蔽物联网读写设备底层操作细节，为物联网读写设备提供基于EPCGlobal读写器协议的标准接口。
配置模块包括设备初始化配置程序和设备重新配置程序，当读写设备接入中间件系统，它根据设备类型为读写设备进行初始化配置；当默认配置方案不能适应读写设备当前外部环境需更改配置方案，它对读写设备进行重新配置或更改设备运行参数。
监控模块包括设备状态信息收集与分析程序、设备状态实时查询程序、设备状态定时检查程序和设备异常处理程序。其中设备状态信息收集与分析程序收集读写设备运行状态信息（如持续运行时间、累计读取失效时间和标签数量等），通过分析后确定读写设备当前运行状态，若读写设备运行状态不正常或出现故障，设备异常处理程序将进行相应处理；设备状态实时查询程序根据设备管理中控模块发送的实时指令查询读写设备的实时运行状态并返回给设备管理中控模块；设备状态定时检查程序每隔一段时间检查一次设备当前运行状态并形成检查文件发送给设备管理中控模块；设备异常处理程序负责处理设备出现的包括设备故障和网络故障的异常状况，异常状况出现时，首先尝试解决，若不能解决则上传异常状况信息给设备管理中控模块。
注册模块包括设备信息收集程序和设备注册程序。其中设备信息收集程序负责收集读写设备的配置、地理位置等各类型信息；设备注册程序根据这些信息向设备管理中控模块请求注册并完成注册。
设备管理中控模块包括设备监控程序、设备配置程序、注册管理程序和设备组管理程序。其中，设备监控程序主要向中间件管理人员报告监控模块上传的设备状态信息和设备异常状况信息，并提供界面供中间件管理人员发送指令处理这些信息；设备配置程序向配置模块发送配置指令，对读写设备进行初始化配置，也可根据监控模块上传的设备实时状态信息判断是否需要更改设备配置方案并发送相应重配置指令，它也提供界面供中间件管理人员发送指令自行更改设备运行参数；注册管理程序负责处理注册模块的注册请求，并对通过注册的设备信息进行统一管理；根据设备注册信息，设备组管理程序根据不同标准对读写设备分组，实现对读写设备的统一管理。
通信模块一包括消息封装程序、消息解析程序、消息发送程序和消息接收程序。通信模块一所传输的消息有两种：指令消息和数据消息，这四个程序针对不同消息类型分别完成消息处理。
通信模块二由消息子模块和通信维护子模块组成。其中消息子模块与通信模块一的功能和组成相同。通信维护子模块包括连接管理程序、连接状态监测程序和连接故障处理程序。连接管理程序对通信模块二与多个通信模块一的连接进行管理，优化连接资源的使用；连接状态监测程序对所有连接进行实时监测；连接故障处理程序对连接过程中可能出现的故障进行处理。
数据处理与融合集成模块由三个多源数据处理子模块组成，分别为数据预处理模块、数据过滤模块和复杂事件处理引擎模块。
数据预处理模块包括数据统计程序、数据校验程序、数据分类程序、数据标准化程序、简单数据过滤程序。以上程序依次处理多源数据，其中，数据统计程序统计多源数据总量；数据校验程序剔除残缺不全的多源数据并统计合法数据总量；数据分类程序按照读写设备类型对多源数据分类，并分别统计其数据总量；数据标准化程序对数据进行标准化处理，根据读写设备类型统一数据格式，便于数据后续处理；简单数据过滤程序对多源数据进行简单的数据过滤，如过滤掉时限失效数据等。
数据过滤模块包括数据平滑处理程序、数据过滤程序和数据聚合程序。数据平滑处理程序对标准化后的多源数据进行时间和空间上的平滑处理；数据过滤程序对多源数据进行多种过滤，它由一组用户可选的过滤器组成，包括EPC（产品电子代码）过滤器、阅读器过滤器等，分别完成基于EPC、阅读器等的数据过滤处理；数据聚合程序完成对多源数据的简单事件提取。
复杂事件处理引擎模块由集装箱物流业务库子模块、复杂事件表示子模块、复杂事件检测子模块、复杂事件消息子模块、多源信息融合子模块和事件管理器子模块组成。其中，集装箱物流业务库子模块是集装箱物流业务的集合，同时它对外提供集装箱物流业务扩充接口以适应用户不同的业务需求。复杂事件表示子模块将集装箱物流业务库子模块的集装箱物流业务用复杂事件描述语言表示以得到集装箱物流业务文件。复杂事件检测子模块将集装箱物流业务文件进行解析，结合中间件后端用户订阅的集装箱物流服务，构建复杂事件检测模型并检测。复杂事件消息子模块对复杂事件检测成功的集装箱物流业务进行处理，形成复杂事件消息并传给事件管理器子模块进行管理。对于复杂的集装箱物流业务，针对单一数据源无法满足要求的情形采用多源信息融合子模块进行多源信息融合，将信息融合结果形成复杂事件消息并传给事件管理器子模块进行管理。事件管理器子模块对事件消息进行管理并传给事件服务模块。
事件服务模块包含事件订阅/发布管理器模块，由注册管理子模块、订阅管理子模块和发布管理子模块组成。注册管理子模块负责管理中间件后端用户的注册申请和用户信息；订阅管理子模块负责管理用户的集装箱物流业务订阅申请；发布管理子模块管理并发布基于集装箱物流业务的复杂事件信息。
物联网应用层中间件分为三层：虚拟设备层、管理控制层和服务层。其中，虚拟设备层包含多个虚拟设备，每个虚拟设备包含虚拟设备层的所有子模块，管理控制层、服务层与虚拟设备呈一对多的关系。
虚拟设备层包括物联网读写设备管理模块的适配模块、配置模块、监控模块、注册模块、通信模块一和数据处理与融合集成模块的数据预处理模块。它与物联网读写设备直接相连，负责为物联网读写设备提供基于EPCGlobal读写器协议的标准接口；接收物联网设备上传的多源数据并对其进行预处理，包括数据统计、数据校验、简单数据过滤等；接收并执行管理控制层的指令，协同管理控制层进行物联网读写设备管理。
管理控制层包括物联网读写设备管理模块的设备管理中控模块、通信模块二和数据处理与融合集成模块的数据过滤模块。它负责管理和控制物联网读写设备，分别提供设备配置、设备监控、设备注册管理等功能；对预处理后的多源数据进行数据过滤及简单事件提取，包括数据平滑、EPC过滤、阅读器过滤、数据聚合等。
服务层包括数据处理与融合集成模块的复杂事件引擎模块和事件服务模块的事件/订阅发布管理器模块。它负责对过滤后的多源数据及简单事件进行基于集装箱物流业务的复杂事件检测，提取基于集装箱物流业务的复杂事件；针对多源过滤数据、简单事件和复杂事件进行多源信息融合，形成复杂事件信息；管理复杂事件信息并为中间件后端应用程序提供注册和集装箱物流业务订阅/发布服务。
本发明为面向集装箱物流领域的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，解决了现有物联网应用层中间件存在的问题，通过对物联网多源数据进行三层由浅及深的数据处理，实现了基于复杂事件信息的集装箱物流业务订阅/发布服务，较好地解决了物联网中集装箱物流应用程序的多源信息融合问题。
附图说明
图1为物联网应用层中间件系统整体架构图。
图2为图1中适配模块的构成图。
图3为图1中配置模块的构成图。
图4为图1中监控模块的构成图。
图5为图1中注册模块的构成图。
图6为图1中设备管理中控模块的构成图。
图7为图1中通信模块一的构成图。
图8为图1中通信模块二的构成图。
图9为图1中数据预处理模块的构成图。
图10为图1中数据过滤模块的构成图。
图11为图1中复杂事件处理引擎模块架构图。
图12为图1中事件订阅/发布管理器模块架构图。
图13为图1中适配模块接口二次封装原理图。
图14为图1中配置模块工作流程图。
图15为图1中监控模块工作流程图。
图16为图1中注册模块工作流程图。
图17为图1中设备管理中控模块工作流程图。
图18为图1中通信模块一消息处理流程图。
图19为图1中通信维护子模块工作流程图。
图20为图1中数据预处理模块工作流程图。
图21为图1中数据过滤模块工作流程图。
图22为图1中数据处理与融合集成模块的数据流图。
图23为图1中复杂事件处理引擎模块原理图。
图24为图1中事件服务模块的事件订阅/发布模型。
具体实施方式
图1所示为物联网应用层中间件系统整体架构图。该系统包括异构读写设备1000、物联网应用层中间件2000和后端应用程序3000。物联网应用层中间件2000包含有物联网读写设备管理模块2100、数据处理与融合集成模块2200和事件服务模块2300。其中，物联网读写设备管理模块2100包含适配模块2110、配置模块2120、监控模块2130、注册模块2140、设备管理中控模块2150、通信模块一2160和通信模块二2170，其作用是向异构读写设备提供标准接口并进行配置，监控读写设备的运行状况，控制读写设备的读写行为，管理并协调多个读写设备的工作。数据处理和融合集成模块2200包含数据预处理模块2210、数据过滤模块2220和复杂事件处理引擎模块2230，其作用是向多源数据提供由浅及深的数据处理功能，包括数据平滑、数据过滤、数据聚合、复杂事件检测等，最终获取基于集装箱物流业务的复杂事件信息，为中间件后端应用程序提供集装箱物流业务服务。事件服务模块2300包含事件订阅/发布管理器模块2310，其作用是管理中间件后端应用程序的注册请求和用户信息、集装箱物流业务订阅申请以及管理并发布基于集装箱物流业务的复杂事件信息。现分别说明所述三大功能模块及其子模块的具体实施方式。
物联网应用层中间件读写设备管理模块2100
图2为图1中适配模块2110的构成图。其主要包括接口二次封装程序。它对异构读写设备提供的功能函数进行二次封装，对外提供一套基于EPCGlobal读写器协议的设备操作接口和通信接口，以屏蔽读写设备的异构性。
图3为图1中配置模块2120的构成图。其包括设备初始化配置程序2121和设备重新配置程序2122。设备初始化配置程序2121为新接入中间件系统的读写设备进行初始配置。当需要更改配置方案或设备运行参数，调用设备重新配置程序2122即可完成。
图4为图1中监控模块2130的构成图，包括设备状态信息收集与分析程序2131、设备状态实时查询程序2132、设备状态定时检查程序2133和设备异常处理程序2134。其中设备状态信息收集与分析程序2131通过收集并分析设备运行数据，判断设备运行状态，当读写设备运行状态不正常或出现故障，设备异常处理程序2134将进行相应处理；设备状态实时查询程序2132按照设备管理中控模块2150的指令查询读写设备的当前运行状态并返回；设备状态定时检查程序2133每隔一固定时间间隔检查设备当前运行状况并返回给设备管理中控模块2150；设备异常处理程序2134处理读写设备出现的异常状况，包括设备故障和网络故障，它尝试解决出现的异常状况，当不能解决时，它将发送故障信息至设备管理中控模块2150，以便中间件管理人员进行相应处理。
图5为图1中注册模块2140的构成图，包括设备信息收集程序2141和设备注册程序2142。其中设备信息收集程序2141收集读写设备的各类信息，如配置信息、地理位置信息等；设备注册程序2142根据设备信息收集程序2141收集的信息向设备管理中控模块2150请求注册并完成注册。
图6为图1中设备管理中控模块2150的构成图，包括设备监控程序2151、设备配置程序2152、注册管理程序2153和设备组管理程序2154。其中设备监控程序2151向中间件管理人员报告监控模块2140上传的设备状态信息和设备异常状况信息，并提供界面供中间件管理人员发送指令处理这些信息；设备配置程序2152向配置模块2120发送配置指令，对读写设备进行初始化配置，也可根据监控模块2140上传的设备实时状态信息判断是否需要更改设备配置方案并发送相应重配置指令，它也提供界面供中间件管理人员发送指令自行更改设备运行参数；注册管理程序2153负责处理注册模块的注册请求，并对注册成功的设备信息进行统一管理；根据设备注册信息，设备组管理程序2154根据不同标准对读写设备分组，实现对读写设备的统一管理。
图7所示的是图1中通信模块一2160的构成图，包括消息封装程序2161、消息解析程序2162、消息发送程序2163、消息接收程序2164。通信模块一2160与通信模块二2170之间传输的消息有两种：指令消息和数据消息。针对不同类型消息，以上四种程序分别提供消息封装、消息解析、消息发送和消息接收功能，完成消息处理。
图8所示的是图1中通信模块二2170的架构图，它分为两个子模块：消息子模块2171和通信维护子模块2176。其中消息子模块包括消息封装程序2172、消息解析程序2173、消息发送程序2174、消息接收程序2175，其组成和功能与通信模块一类似。通信维护子模块2176包括连接管理程序2177、连接状态监测程序2178和连接故障处理程序2179。其中连接管理程序2177对通信模块二2170与多个通信模块一2160的连接优化管理，以节约连接资源；连接状态监测程序2178对所有连接进行实时监测；连接故障处理程序2179对连接过程中可能出现的故障进行处理。
物联网应用层中间件数据处理与融合集成模块2200
图9所示的是图1中数据预处理模块2210的构成图，包括数据统计程序2211、数据校验程序2212、数据分类程序2213、数据标准化程序2214、简单数据过滤程序2215。其中数据统计程序2211统计多源数据总量；数据校验程序2212剔除残缺不全的多源数据并统计合法数据总量；数据分类程序2213按照读写设备类型对多源数据进行分类，并分别统计其数据总量；数据标准化程序2214对数据进行标准化处理，根据读写设备类型统一数据格式，便于数据后续处理；简单数据过滤程序2215对多源数据进行简单的数据过滤处理，如过滤掉时限失效数据等。
图10所示的是图1中数据过滤模块2220的构成图，包括数据平滑处理程序2221、数据过滤程序2222和数据聚合程序2223。其中数据平滑处理程序2221对标准化后的多源数据进行基于时间和空间的平滑处理，以防止出现纳假拒真的错误；数据过滤程序2222对多源数据进行多种数据过滤，它由一组用户可选的过滤器组成，包括EPC过滤器、阅读器过滤器等，分别完成基于EPC、阅读器等的数据过滤处理；数据聚合程序2223完成对多源数据的简单事件提取，为之后的复杂事件检测和多源信息融合服务。
图11所示的是图1中复杂事件处理引擎模块2230的架构图，由集装箱物流业务库子模块2231、复杂事件表示子模块2232、复杂事件检测子模块2233、复杂事件消息子模块2234、多源信息融合子模块2235和事件管理器子模块2236组成。其中，集装箱物流业务库子模块2231是集装箱物流业务的集合，它对外提供集装箱物流业务扩充接口以适应用户不同的业务需求。复杂事件表示子模块2232将集装箱物流业务库子模块2231的集装箱物流业务用复杂事件描述语言表示以得到集装箱物流业务文件。复杂事件检测子模块2233将集装箱物流业务文件进行解析，结合后端用户订阅的集装箱物流服务，构建复杂事件检测模型并检测。复杂事件消息子模块2234对复杂事件检测成功的集装箱物流业务进行处理，形成复杂事件消息并传给事件管理器子模块2236进行管理。多源信息融合子模块2235针对复杂的集装箱物流业务进行多源信息融合，将信息融合结果形成复杂事件消息并传给事件管理器子模块2236进行管理。事件管理器子模块2236对事件消息进行管理并传给事件订阅/发布管理器模块2310。
物联网应用层中间件事件服务模块2300
图12所示的是图1中事件订阅/发布管理器模块2310的架构图，它由注册管理子模块2311、订阅管理子模块2312和发布管理子模块2313组成。注册管理子模块2311对中间件后端用户的注册申请和用户信息进行管理；订阅管理子模块2312管理用户的集装箱物流业务订阅申请；发布管理子模块2313管理并发布基于集装箱物流业务的复杂事件信息。
图13为图1中适配模块接口二次封装原理图。对于符合EPCGlobal读写器协议的读写设备，可直接按标准方式调用其功能函数；对于不符合EPCGlobal读写器协议的读写设备，需对其进行接口二次封装以使其符合该协议的标准。其一般方法为：第一步，从多种物联网读写设备开发包提供的功能函数中提取出公共操作接口集合和通信接口集合，如设备开启、设备关闭、读操作等函数，形成接口IReadDevice；第二步，以抽象类MiddlewareReader实现IReadDevice接口，该类提供各种读写设备共有的基本操作和通信方法的默认实现方法；第三步，根据不同的设备类型提供继承MiddlewareReader的具体实现类，这些实现类对设备开发包中的功能函数进行二次封装，同时针对不同设备类型所特有的操作或通信方式进行功能封装。
图14所示的是图1中配置模块工作流程图。首先，一定数目的配置或未配置的读写设备被发现（步骤1401），判断是否接收到重新配置指令（步骤1403），若是，按指令内容对指定的读写设备进行重新配置（1405），若否，继续循环判断是否接收到重新配置指令。判断被发现的设备中是否有未配置的（步骤1407），若有，判断设备类型，选择默认的配置方案进行配置（步骤1409），若否，继续循环判断被发现的设备中是否有未配置的。
图15所示的是图1中监控模块工作流程图。首先，开启设备状态定时检查线程（步骤1501）和设备信息收集与分析线程（步骤1503），随后判断是否收到设备管理中控模块2150查询指令（步骤1505），若是，则根据指令内容发送相关设备状态数据给设备管理中控模块2150（步骤1507），若否，则重复以上判断。判断读写设备是否出现故障（步骤1509），若是，则生成设备异常信息（步骤1511）并尝试解决该故障（步骤1513），随后判断是否成功解决该故障（步骤1515），若是，则发送设备故障信息和修复信息给设备管理中控模块2150（步骤1517），若否，则仅发送设备故障信息给设备管理中控模块2150（步骤1519）。
图16所示的是图1中注册模块工作流程图。首先，一定数目的注册或未注册的读写设备被发现（步骤1601），然后逐个判断这些设备是否已注册（1603），若都已注册，则重复步骤1601，若有设备未注册，则收集设备信息（步骤1605），并申请注册（步骤1607），随后判断是否注册成功（步骤1609），若成功，则提示注册成功（步骤1611），若未成功，则提示注册失败并记录申请注册失败次数（步骤1613），然后判断注册失败次数是否超过用户设定值N（步骤1615），若是，则拒绝注册该设备并提示（步骤1617），若否，则继续申请注册（步骤1607）。
图17所示的是图1中设备管理中控模块工作流程图。设备管理中控模块的基本工作模式是解析收到的消息和指令，分析决策后作出相应的处理和反馈。首先，设备管理中控模块2150接收到中间件管理人员的指令或其它模块发送的消息（步骤1701），随即解析消息来源和内容（步骤1703），然后根据不同的消息发送者进行相应的处理。若消息来自配置模块2120（步骤1705），则进行分析决策并发送相应配置指令给配置模块2120（步骤1707）；若消息来自监控模块2130（步骤1709），则分析决策后进行相应处理（步骤1711）；若消息来自注册模块2140(步骤1713)，则处理注册申请并发送回复消息给注册模块2140（步骤1715）；若指令来自中间件管理人员（步骤1717），则按指令内容进行处理，并提示指令执行情况（步骤1719）。
图18为图1中通信模块一的工作流程图。首先，设备管理中控模块2150通过指令通道发送指令消息给通信模块一2160（步骤1801），通信模块一2160随即接收（步骤1803）并解析指令消息（步骤1805），然后判断指令内容是否为命令读写设备读取数据（步骤1807）。若是，则读写设备开始读取数据（1809），然后数据预处理模块2210对读取的数据进行预处理（步骤1811），接着对预处理后的数据进行封装并上传（步骤1813），并生成指令执行结果消息，发送给设备管理中控模块2150（步骤1817）；若否，则执行其它相应操作（步骤1815）并生成指令执行结果消息，发送给设备管理中控模块2150（步骤1817）。
图19为图1中通信维护子模块工作流程图。首先，开启连接状态监测线程（步骤1901）。判断连接是否出现故障（步骤1903），若是，则尝试解决故障（步骤1905），若否，则继续重复步骤1903。判断通信模块二2170是否有新连接（步骤1907），若是，则为该连接分配一个唯一标识（步骤1909），并参考TCP（一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议）握手协议，通信模块一2160和通信模块二2170进行握手操作（步骤1911）。判断是否有连接要断开（步骤1913），若是，则关闭该连接并释放连接资源（步骤1915），接着重复步骤1913。
图20为图1中数据预处理模块工作流程图。第一步，数据预处理模块接收到多源数据（步骤2001）；第二步，统计多源数据总量（步骤2003）；第三步，对多源数据进行校验，剔除残缺不全的数据（步骤2005）；第四步，根据设备类型对多源数据进行分类，并分别统计其数量（步骤2007）；第五步，对多源数据进行标准化处理，统一同类型数据格式（步骤2009）；第六步，对多源数据进行简单过滤（步骤2011）；第七步，存储多源数据（步骤2013）。
图21为图1中数据过滤模块工作流程图。首先，数据过滤模块接收到多源数据（步骤2101），然后对多源数据进行平滑处理（步骤2103），接着进行多种数据过滤处理。判断EPC过滤器是否已选（步骤2105），若已选，则根据EPC进行过滤（步骤2107）并对数据进行相应存储（步骤2109），若未选，则判断下一个过滤器（阅读器过滤器）是否已选（步骤2111）。若已选，则根据阅读器编号进行过滤（步骤2113），并进行相应存储（步骤2115），若未选，则继续判断下一个过滤器是否已选（步骤2117），如此直到所有n个过滤器全都判断完。数据过滤处理完成后，对数据进行聚合处理（步骤2121），最后对多源数据进行相应存储（步骤2123）。
图22为图1中数据处理与融合集成模块的数据流图。多源数据由RFID读写器、传感器、GPS接收机等多种读写设备读取，多源数据（RFID标签数据F1，传感器数据F2，GPS数据F3）进入中间件系统后，首先进入数据预处理模块2210进行预处理（加工处理P1）， 得到预处理后的多源分类数据F4并进行存储（数据存储D1）；多源分类数据F4经通信模块一2160上传至通信模块二2170后由数据过滤模块2220进行过滤处理（加工处理P2），得到过滤后的多源分类数据F5并进行存储（数据存储D2），接着数据过滤模块2220对过滤后的多源分类数据F5进行数据聚合（加工处理P3），产生大量的简单事件并将其存储形成简单事件库（数据存储D3）；过滤后的多源分类数据和简单事件进入复杂事件检测子模块2233进行检测，产生大量复杂事件F6，将其封装为事件消息后上传至事件管理器子模块2236进行管理（加工处理P5），同时将复杂事件F6存储形成复杂事件库（数据存储D4）；过滤后的多源分类数据、简单事件和复杂事件进入多源信息融合子模块2235处理后得到复杂事件信息F7，将其上传至事件管理器子模块2236进行管理（加工处理P6）并存储（数据存储D5）；事件管理器子模块2236将其管理的信息进行处理后形成集装箱物流业务信息F8并将其上传至事件订阅/发布服务器模块2310进行管理发布（加工处理P7）并存储（数据存储D6）；最后事件订阅/发布服务器模块2310根据中间件后端用户的订阅记录将集装箱物流业务信息发布给相应的用户（中间件S4，仓库管理系统S5和企业资源计划系统 S6等）。
图23为图1中复杂事件处理引擎模块原理图。复杂事件由多个复杂事件和简单事件组成，若针对每一复杂事件建立以标签数据为基本单位的复杂事件检测模型，则事件检测模型重用性差，工作量大且工作重复，不易实现。故复杂事件提取采取分层思想：先进行简单事件检测提取简单事件，然后以简单事件为单位进行复杂事件检测，从而实现复杂事件提取。现结合图23对复杂事件引擎模块原理进行说明。
简单事件提取：简单事件分为两类，一种仅包含事件属性，另一种则包含事件属性和事件逻辑规则。根据集装箱物流业务的简单事件的属性及事件逻辑规则对其进行建模（2301），对于只包含事件属性的简单事件，只需限定事件属性值的范围即可，而对于包含事件属性和事件逻辑规则的简单事件，还需运用多种操作符（逻辑操作符、时序操作符、否定操作符等）表示简单事件各组成成分间的逻辑关系和时序关系，据此图中定义的简单事件有标签事件、联合事件和数量事件。根据简单事件模型，选取事件检测算法，对多源分类数据进行简单事件模式匹配（2303），提取简单事件形成简单事件库（2305），供复杂事件处理引擎模块使用。
复杂事件检测：根据集装箱物流业务接口（2307）提供的集装箱物流业务（2309），以及子业务间的逻辑关系、时序关系等对集装箱物流业务进行复杂事件建模（2311），其基本做法是运用多种操作符（逻辑操作符、时序操作符、否定操作符等）和事件属性表示集装箱物流业务的复杂逻辑，由于简单事件是复杂事件的组成成分，因此简单事件模型可重用于复杂事件建模中，图中虚线表示了二者的相关关系；运用复杂事件描述语言表示复杂事件（2313），形成复杂事件模型库（2315）。为减少检测运算量，在实施复杂事件检测之前设置过滤条件对简单事件进行过滤（2317），然后针对多源分类数据、简单事件进行复杂事件检测（2319），常用的复杂事件检测方法有基于Petri网（一种用于描述离散的、分布式系统的数学建模工具）模型、自动机模型、匹配树模型以及有向图模型的检测算法。
多源信息融合：复杂事件检测成功后，生成事件消息（2321）并上传至事件管理器子模块2236（2329），多个事件消息形成复杂事件库（2323），然后多源信息融合子模块2235针对检测成功的简单事件、复杂事件以及多源分类数据进行基于遗传算法、神经网络、模糊理论等方法的多源信息融合（2325），得到复杂集装箱物流业务更为详细、准确的复杂事件信息（2327），将复杂事件信息上传至事件管理器子模块2236进行管理（2329），事件管理器子模块2236将其管理的复杂事件等上传至事件订阅/发布服务器模块2310 （2331）进行管理，最终根据集装箱物流业务订阅记录发布集装箱物流业务信息供相应用户使用（2333）。
图24为图1中事件服务模块的事件订阅/发布模型。其基本原理和过程为：第一步，注册用户向事件订阅/发布管理器模块2310提交集装箱物流业务订阅需求；第二步，事件订阅/发布管理器受理用户的订阅请求，向复杂事件处理引擎模块2230发送集装箱物流业务检测需求消息；第三步，复杂事件处理引擎模块2230根据此消息从复杂事件表示子模块2232的模型库中选取事件模型进行复杂事件检测；第四步，当用户的集装箱物流业务事件检测成功后，复杂事件处理引擎模块2230即将集装箱物流业务复杂事件信息上传至事件订阅/发布管理器模块2310；第五步，事件订阅/发布管理器模块2310根据用户订阅纪录，将对应的集装箱物流业务信息发送给用户。
Claims (10)
1.一种面向集装箱物流领域的物联网应用层中间件及信息融合集成方法，包括物联网读写设备管理模块（2100）、数据处理与融合集成模块（2200）、事件服务模块（2300）；其特征在于，
物联网读写设备管理模块（2100）能够兼容、管理和控制集装箱物流领域多种物联网异构读写设备，包括适配模块（2110）、配置模块（2120）、监控模块（2130）、注册模块（2140）、设备管理中控模块（2150）、通信模块一（2160）和通信模块二（2170）七个子模块；
数据处理与融合集成模块（2200）将来自RFID（无线射频识别）、传感器、GPS（全球定位系统）和移动终端等多源信息进行过滤处理、复杂事件处理以及信息融合，实现物联网上下文集装箱物流业务信息的集成；数据处理与融合集成模块（2200）由三个多源数据处理子模块组成，分别为数据预处理模块（2210）、数据过滤模块（2220）和复杂事件处理引擎模块（2230）。
事件服务模块（2300）实现基于复杂事件信息的集装箱物流业务订阅与发布服务；事件服务模块（2300）包含事件订阅/发布管理器模块（2310），由注册管理子模块（2311）、订阅管理子模块（2312）和发布管理子模块（2313）组成；注册管理子模块（2311）负责管理中间件后端用户的注册申请和用户信息；订阅管理子模块（2312）负责管理用户的集装箱物流业务订阅申请；发布管理子模块（2313）管理并发布基于集装箱物流业务的复杂事件信息；
物联网应用层中间件分为三层：虚拟设备层、管理控制层和服务层；其中，虚拟设备层包含多个虚拟设备，每个虚拟设备包含虚拟设备层的所有子模块，管理控制层、服务层与虚拟设备呈一对多的关系。
2.根据权利要求1所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的适配模块（2110）中包括接口二次封装程序（2111），它能够屏蔽物联网读写设备底层操作细节，为物联网读写设备提供基于EPCGlobal（一个中立的、非赢利性的产品电子代码网络标准化组织）读写器协议（RP）的标准接口。
3.根据权利要求1所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的监控模块（2130）包括设备状态信息收集与分析程序（2131）、设备状态实时查询程序（2132）、设备状态定时检查程序（2133）和设备异常处理程序（2134）；其中设备状态信息收集与分析程序（2131）收集读写设备运行状态信息，通过分析后确定读写设备当前运行状态，若读写设备运行状态不正常或出现故障，设备异常处理程序（2134）将进行相应处理；设备状态实时查询程序（2132）根据设备中控管理模块（2150）发送的实时指令查询读写设备的实时运行状态并返回给设备管理中控模块（2150）；设备状态定时检查程序（2133）每隔一段时间检查一次设备当前运行状态并形成检查文件发送给设备管理中控模块（2150）；设备异常处理程序（2134）负责处理设备出现的包括设备故障和网络故障的异常状况，异常状况出现时，首先尝试解决，若不能解决则上传异常状况信息给设备管理中控模块（2150）。
4.根据权利要求1所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的设备管理中控模块（2150）包括设备监控程序（2151）、设备配置程序（2152）、注册管理程序（2153）和设备组管理程序（2154）；其中，设备监控程序（2151）主要向中间件管理人员报告监控模块（2130）上传的设备状态信息和设备异常状况信息，并提供界面供中间件管理人员发送指令处理这些信息；设备配置程序（2152）向配置模块（2120）发送配置指令，对读写设备进行初始化配置，或根据监控模块（2130）上传的设备实时状态信息判断是否需要更改设备配置方案并发送相应重配置指令，它也提供界面供中间件管理人员发送指令自行更改设备运行参数；注册管理程序（2153）负责处理注册模块（2140）的注册请求，并对通过注册的设备信息进行统一管理；根据设备注册信息，设备组管理程序（2154）根据不同标准对读写设备分组，实现对读写设备的统一管理。
5.根据权利要求1所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的配置模块（2120）包括设备初始化配置程序（2121）和设备重新配置程序（2122），当读写设备接入中间件系统，它根据设备类型为读写设备进行初始化配置；当默认配置方案不能适应读写设备当前外部环境需更改配置方案，它对读写设备进行重新配置或更改设备运行参数；
所述的注册模块（2140）包括设备信息收集程序（2141）和设备注册程序（2142）；其中设备信息收集程序（2141）负责收集读写设备的配置、地理位置等各类型信息；设备注册程序（2142）根据这些信息向设备管理中控模块（2150）请求注册并完成注册。
6.根据权利要求1所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的通信模块一（2160）包括消息封装程序（2161）、消息解析程序（2162）、消息发送程序（2163）和消息接收程序（2164）；通信模块一（2160）所传输的消息有两种：指令消息和数据消息，这四个程序针对不同消息类型分别完成消息处理；
所述的通信模块二（2170）由消息子模块（2171）和通信维护子模块（2176）组成；其中消息子模块（2171）与通信模块一（2160）的功能和组成相同；通信维护子模块（2176）包括连接管理程序（2177）、连接状态监测程序（2178）和连接故障处理程序（2179）；连接管理程序（2177）对通信模块二（2170）与多个通信模块一（2160）的连接进行管理，优化连接资源的使用；连接状态监测程序（2178）对所有连接进行实时监测；连接故障处理程序（2179）对连接过程中可能出现的故障进行处理。
7.根据权利要求1-6任一所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的数据预处理模块（2210）包括数据统计程序（2211）、数据校验程序（2212）、数据分类程序（2213）、数据标准化程序（2214）、简单数据过滤程序（2215）；以上程序依次处理多源数据，其中，数据统计程序（2211）统计多源数据总量；数据校验程序（2212）剔除残缺不全的多源数据并统计合法数据总量；数据分类程序（2213）按照读写设备类型对多源数据分类，并分别统计其数据总量 ；数据标准化程序（2214）对数据进行标准化处理，根据读写设备类型统一数据格式，便于数据后续处理；简单数据过滤程序（2215）对多源数据进行简单的数据过滤。
8.根据权利要求1-6任一所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的数据过滤模块（2220）包括数据平滑处理程序（2221）、数据过滤程序（2222）和数据聚合程序（2223）；数据平滑处理程序（2221）对标准化后的多源数据进行时间和空间上的平滑处理；数据过滤程序（2222）对多源数据进行多种过滤，它由一组用户可选的过滤器组成，包括EPC（产品电子代码）过滤器、阅读器过滤器，分别完成基于EPC、阅读器的数据过滤处理；数据聚合程序（2223）完成对多源数据的简单事件提取。
9.根据权利要求1-6任一所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的复杂事件处理引擎模块（2230）由集装箱物流业务库子模块（2231）、复杂事件表示子模块（2232）、复杂事件检测子模块（2233）、复杂事件消息子模块（2234）、多源信息融合子模块（2235）和事件管理器子模块（2236）组成；其中，集装箱物流业务库子模块（2231）是集装箱物流业务的集合，同时它对外提供集装箱物流业务扩充接口以适应用户不同的业务需求；复杂事件表示子模块（2232）将集装箱物流业务库子模块的集装箱物流业务用复杂事件描述语言表示以得到集装箱物流业务文件；复杂事件检测子模块（2233）将集装箱物流业务文件进行解析，结合后端用户订阅的集装箱物流服务，构建复杂事件检测模型并检测；复杂事件消息子模块（2234）对复杂事件检测成功的集装箱物流业务进行处理，形成复杂事件消息并传给事件管理器子模块（2236）进行管理；对于复杂的集装箱物流业务，针对单一数据源无法满足要求的情形采用多源信息融合子模块（2235）进行多源信息融合，将信息融合结果形成复杂事件消息并传给事件管理器子模块（2236）进行管理；事件管理器子模块（2236）对事件消息进行管理并传给事件服务模块（2300）。
10.根据权利要求1所述的物联网应用层中间件及其信息融合集成方法，其特征在于，
所述的虚拟设备层包括物联网读写设备管理模块（2100）的适配模块（2110）、配置模块（2120）、监控模块（2130）、注册模块（2140）、通信模块一（2160）和数据处理与融合集成模块（2200）的数据预处理模块（2210）；它与物联网读写设备直接相连，负责为物联网读写设备提供基于EPCGlobal读写器协议的标准接口；接收物联网设备上传的多源数据并对其进行预处理，包括数据统计、数据校验、简单数据过滤；接收并执行管理控制层的指令，协同管理控制层进行物联网读写设备管理；
所述的管理控制层包括物联网读写设备管理模块（2100）的设备管理中控模块（2150）、通信模块二（2170）和数据处理与融合集成模块（2200）的数据过滤模块（2220）；它负责管理和控制物联网读写设备，分别提供设备配置、设备监控、设备注册管理；对预处理后的多源数据进行数据过滤及简单事件提取，包括数据平滑、EPC过滤、阅读器过滤、数据聚合；
所述的服务层包括数据处理与融合集成模块（2200）的复杂事件引擎模块（2230）和事件服务模块（2300）的事件/订阅发布管理器模块（2310）；它负责对过滤后的多源数据及简单事件进行基于集装箱物流业务的复杂事件检测，提取基于集装箱物流业务的复杂事件；针对多源过滤数据、简单事件和复杂事件进行多源信息融合，形成复杂事件信息；管理复杂事件信息并为中间件后端应用程序提供注册和集装箱物流业务订阅/发布服务。
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