CN103810338A - 一种面向领域的物联网资源建模系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向领域的物联网资源建模系统，包括：存储模块，用于存储原始的本体信息；建模模块，用于将面向本体的本体信息转化为面向领域信息，其中面向领域信息包括资源和实体；绑定模块，用于对建模模块中生成的资源和实体进行绑定；转化模块，用于将本体库中存放的本体信息转化到数据库；可视化交互模块，用于与用户进行交互，并显示建模模块生成的建模环境。本发明将物联网中的信息分层次分类别进行描述，通过构建模版和实例，最终形成资源和实体概念、属性以及概念的具体实例化数据，屏蔽了专业复杂的本体相关概念，同时，提供业务相关概念的信息呈现形式和可视化的资源建模环境。具有操作的简捷性与易用性。

Description

一种面向领域的物联网资源建模系统

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种面向领域的物联网资源建模系统。

背景技术

信息技术革命。物联网相关的理论和技术已成为当前学术界的研究热点。物联网提供了海量的资源和信息,由于物联网的特点，现有的应用方式很难高效、合理的利用其中的资源和信息。在资源和信息层面主要存在这么四个方面的问题：资源发现、资源管理、资源接入、资源使用。

具体地，资源管理为物联网资源具有异构性、不稳定性、演化性等特点，这些特点导致资源管理和维护复杂度非常高。有效地资源管理技术除了支持这些特性外还应该实现资源的水平、垂直重用能力。

在国内外物联网项目中，大多都有对特定领域的信息建模，即知识库。其中大多以本体形式来存储信息。本体用于在语义web中提供领域概念和描述概念之间关系。W3C为表达语义web数据定义了不同的标准，其中RDF（Resource Description Framework）、RDFSchema和OWL（Web Ontology Language）是最主要的技术。有很多物联网的研究使用本体来表达资源模型.WSN SSN是W3C为描述传感器系统和传感器数据定义的一套本体，他将传感器和传感器的能力进行了语义描述，用于语义查找资源和传感数据交换。但SSN本体中没有对情境信息、观测单位和领域知识进行描述，需要对它进一步扩展。

由此可见，这些项目中都有自己的信息建模，但只是一个建模之后的信息库/知识库，其中涉及了具体领域的知识或是一般通用的描述，但是都不够完善。当领域中的业务人员想复用或完善其中的信息时，摆在眼前的只是一套现成的本体，这些项目没有提供一种工具来管理资源和知识库。

Stanford大学开发的protégé软件可以很好的对本体信息进行管理，可以对类、实例、属性进行操作。但是相对于一个对本体概念不了解的业务人员而言，这些陌生的概念操作是有很大操作难度的。况且protégé界面本身英文和相对繁琐的界面更增添了操作难度。而且即使业务人员花费很长时间学会了这个工具的使用，当其他人员使用起来也不够方便。其工具过于专业独立，只是专注于本体的构建，并没有将其内部的功能进行封装，以web服务的形式提供服务，只能以紧耦合的方式进行API调用，这样使得工具对外提供服务时极为不方便。

进一步地，protégé是以文件的形式保存数据，但是领域中的实例数据往往具有实时性，需要保存在实时库中，protégé并不提供转化到实时库的方式，这也是欠缺不足之处。

具体地，想要复用已有项目中或标准的本体信息，但又不能涉及到底层本体的复杂感念，而只是关注于对自己熟悉领域，并且构建好的资源等信息可以对外提供服务，不只是单独的存储功能，protégé软件不能胜任。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何复用已有项目中或标准的本体信息，但又不涉及到底层本体的复杂感念，而只是关注于对自己熟悉领域，并且构建好的资源等信息可以对外提供服务的问题。

为此目的，本发明提出了一种面向领域的物联网资源建模系统，包括：

存储模块，用于存储原始的本体信息；

建模模块，用于将面向本体的所述本体信息转化为面向领域信息，其中所述面向领域信息包括资源和实体；

绑定模块，用于对所述建模模块中生成的所述资源和所述实体进行绑定；

转化模块，用于将本体库中存放的所述本体信息转化到数据库；

可视化交互模块，用于与用户进行交互，并显示所述建模模块生成的建模环境。

进一步地，所述建模模块，还包括：

模版单元，用于定义所述面向领域信息的概念及属性；

实例单元，用于定义所述概念的实体、属性以及赋值。

具体地，所述资源包括传感器、控制器等。

具体地，所述存储模块基于RDF框架，利用语义本体语言OWL进行所述本体信息的存储。

进一步地，还包括封装模块，用于将所述存储模块存储的所述本体信息进行封装。

进一步地，还包括关联模块，用于将预存所述实体实例的数据属性值与预存所述资源实例相关联。

具体地，所述本体库中存放的所述本体信息与数据库中的二维关系数据具有一一映射关系。

通过采用本发明所公开一种面向领域的物联网资源建模系统，将物联网中的信息分层次分类别进行描述，通过构建模版和实例，最终形成资源和实体概念、属性以及概念的具体实例化数据，屏蔽了专业复杂的本体相关概念，同时，提供业务相关概念的信息呈现形式和可视化的资源建模环境。具有操作的简捷性与易用性。对于已存在的资源和实体可以根据需要定义绑定关系，并最终以此为依据将实例的属性值与实例绑定起来，满足底层感知的原始数据升级为上层业务相关的物理对象的需求。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的结构图；

图2示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的层次模型；

图3示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的存储模块结构图；

图4示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的领域与本体的映射关系图；

图5示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模的步骤流程图；

图6示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的绑定流程图；

图7示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的绑定定义与实现原理图；

图8示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的转化映射图；

图9示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的资源模型生成环境的MVC架构图；

图10示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的资源模型生成环境的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的结构10，包括：存储模块101、建模模块102、绑定模块103、转化模块104以及可视化交互模块105。

具体地，存储模块101用于存储原始的本体信息，其中，存储模块基于RDF框架，利用语义本体语言OWL进行本体信息的存储；建模模块102用于将面向本体的本体信息转化为面向领域信息，其中面向领域信息包括资源和实体。

进一步地，建模模块102还包括：模版单元1021用于定义面向领域信息的概念及属性；实例单元1022用于定义概念的实体、属性以及赋值。

绑定模块103用于对建模模块中生成的资源和实体进行绑定，其中，资源包括传感器、控制器等；转化模块104用于将本体库中存放的本体信息转化到数据库，其中，本体库中存放的本体信息与数据库中的二维关系数据具有一一映射关系；可视化交互模块105用于与用户进行交互，并显示建模模块生成的建模环境。

进一步地，还包括封装模块106用于将存储模块101存储的本体信息进行封装，以及关联模块107用于将预存实体实例的数据属性值与预存资源实例相关联。

进一步地，对于一种面向领域的物联网资源建模系统这一设计来说，首先，进行总体系统架构的设计，业务人员通过资源建模生成环境操作资源实体等领域中的信息，并和系统进行交互，进行建模等工作，且建模对象为模版和实例两个部分，其中，实例在创建的时候需要选定参照的模版，建模整个过程是面向领域的，

建模整个过程是面向领域，具体地，通过操作模版和实例后可以生成领域中的数据类型，其中包括资源和实体等概念。通过将资源和实体进行绑定来赋予原始观测信息与领域相关的意义，显示在界面上的信息为领域信息，领域信息处于对于用户友好的角度考虑，采用中文的方式显示，如果是英文，还需要进行一次中英文映射，我们称这次映射为“第一次映射”。对于面向领域的数据类型，底层是通过本体中的数据类型实现，二者存在一个映射关系，可以相互转换，我们称这次映射为“第二次映射”。对于面向本体的数据类型，来源于OWLAPI，通过OWLAPI可以操作本体文件或者其他本体资源，其中本体一般以文件形式存储于磁盘中，最终要转化到实时数据库才会有实际用途，这是一从本体到二维关系数据库的映射，我们称这次转化为“第三次映射”。

图2示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的层次模型。

具体地，一种面向领域的物联网资源建模系统包括：存储模块101、建模模块102、绑定模块103、转换模块104以及可视化交互模块105。对于上述的所有模块，按照依赖关系分为不同层次，即可得到系统架构的层次模型。其中，存储模块101位于最底层，也可称为语义本体层。建模模块102和绑定模块103在语义本体层之上，称为领域层，资源建模生成环境位于领域层之上，负责直观的显示和操作领域里面的领域信息，通过图形界面与用户交互，这一层称为显示层。

进一步地，本体存储模块，负责与本体中的信息进行交互，本体的相关操作类型包括添加、删除、修改、查询等。按操作的内容可分为类操作、属性操作、实例操作、约束操作等。本体模块的具体实施方式通过OWLAPI实现，其中，OWLAPI是操作网络本体语言的编程接口，通过调用此API实现对于本体信息的各种基本的操作。但在复杂操作时，例如，获取类的层次结构时，需要在基本方法的基础上通过自己编写算法，对自定义领域中数据类型的操作，以支持建模过程中的功能需求。其中，主要领域操作包括：获取以指定概念、资源或实体为根节点的层次结构、获取从属于某概念、资源或实体的所有关联属性、获取从属于某概念、资源或实体的所有数值属性、获取某概念、资源或实体逻辑上的所有子概念、获取在某个特定值域下的所有实例个体、绑定关系的定义、绑定的绑定实现等。复杂操作依赖图如图3所示的本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的存储模块结构图。其中，叶子节点为基础的本体操作，非叶子节点是基于这些基础操作的领域操作方法。

图4示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的领域与本体的映射关系图。

具体地，建模本质是做一个面向领域的映射，把面向本体的数据处理方式转化为面向领域的方式。对数据的创建，维护，查看，修改，都是建模中的内容。但在建模过程中，属于对于资源实体等概念的关系，不等同于其在本体中对于类的关系。需要将属性视为某个概念的属性，领域中的概念对应本体中的类，但本体中的属性并不是附属于类之下，而是将类放在属性的定义域中来表示一个类具有此属性。因此二者逻辑关系的不同，需要做一个转换，这些就需要建模过程进行解决。

图5示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模的步骤流程图。

步骤S501，选取父模版。

步骤S502，判断是否继承父模版信息。

步骤S503，如果继承父模版信息，则读取父模版信息并继承。

步骤S504，如果没有继承父模版信息，则创建本模版的信息。

步骤S505，生成父模版的子模版。

步骤S506，选取模版。

步骤S507，创建实例。

步骤S508，生成选定模版下的实例。

具体地，首先创建模版，构建领域中的概念和概念具有的属性，其中，属性包括数值属性和关联属性。构建的模版先选择父模版，可以继承父模版的信息，也可以重新创建自己的模版。因此模版之间也具有一个层次结构，来区别不同领域。模版中默认的初始概念必须包含资源和实体两个顶层概念。创建新的概念继承与这两个概念其中之一。

其中，资源代表物联网所有底层设备，通过定义新的概念继承资源，例如，传感器。控制器等，资源下面具体的概念大多与物联网中原始信息相关，例如，温度传感器测得某个具体温度，这里温度传感器就是一种资源，它测得的温度就是原始信息。资源及其子类是在建模过程中，对感知领域中概念的描述；实体是物联网上层业务领域中的概念实体，通过定义新的概念继承实体，例如锅炉。实体下面具体的概念大多与物联网中的情景信息相关，关系特定业务领域，例如，供暖系统领域中的锅炉和锅炉房等。实体及其子类是在建模过程中，对业务领域中概念的描述。

进一步地，在创建完成模版之后，可以选取某个模版，在该模版下创建实例，实例会继承模版中对于概念和属性的定义，并可以定义概念的实例个体和相应的属性值。例如，模版中定义了传感器概念，在实例中就可以定义“1号传感器”个体来具体化传感器这个抽象的概念。而“1号传感器”可以具有所有传感器的属性，并具有相应的属性值。

图6示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的绑定流程图。

步骤S601，选取被绑定的实体。

步骤S602，选取实体的某个数值属性。

步骤S603，选取绑定的资源。

步骤S604，创建绑定关系。

步骤S605，选取绑定关系中实体的个体。

步骤S606，选取该个体的数值属性取值。

步骤S607，选取绑定关系中资源的个体。

步骤S608，实现绑定。

具体地，在运用面向领域建模的过程中，需要在程序语言中自定义一些数据类型，来满足领域信息的需求。在运用面向领域的思想建模之后，已经存在了相应的资源和实体的概念，属性，以及它们的个体实例和属性值。实体中关于业务领域的信息需要和资源中对于感知领域的信息绑定起来才有实际意义。例如，传感器测得的温度，只是个单纯的原始数据，如果想要这个温度有业务相关的意义，必须要跟业务领域中的实体的属性绑定，例如，锅炉。绑定之后，就有了传感器测得的温度就是锅炉的温度。

在实际实施过程中，绑定分为两步。其中，首先，在模版中定义绑定，将实体的某个属性和资源绑定起来。在实例中，在定义好的绑定中，将实体的个体所具有的属性值和资源的个体相绑定。两部绑定的过程在实现时，依赖语义层的本体化支持。

图7示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的绑定定义与实现原理图。

具体地，在领域中，关联属性可以简单的关联两个概念，但无法关联一个属性与一个概念。要定义绑定关系，实际上是将实体的某个数据属性和资源绑定。如果直接使用关联属性将资源和实体关联起来，那么实体众多属性中无法确定具体哪个与此资源有关。因此做法为：定义一个专用于绑定的概念，即绑定关系，此概念具有的数值属性和实体要绑定的数值属性相同，实体类通过一个关联属性关联到此绑定关系，此类再通过另一个关联属性关联到要绑定的资源类，这样，实体和绑定关系就有了相同的数值属性，此属性就是实体需要绑定到资源的属性，实体的数据属性通过一个中间的绑定关系绑定到了某个资源。

进一步地，在定义好绑定关系后，就可以在通过定义个体实例化绑定。在上段定义的绑定关系中，通过实例化实体，绑定关系和资源，并给实体数值属性赋值，将绑定必须的几个部分进行定义，再利用关联属性，将实体个体关联到绑定关系的个体，将绑定关系的个体关联到两个关联属性，并运用到个体中，最终予以赋值，所取值分别为绑定关系个体，资源个体。

图8示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的转化映射图。

具体地，在通过建模和绑定两个过程后，生成的信息存储在了底层的本体库中。在物联网的实际应用场景中，实时数据库更为常用。将本体库转化到实时库，即数据库，使其适应运用场景，又可以弥补实时库扩展性差和不区分描述对象的特点。

进一步地，在转化过程中，本质是做一次映射，具体地，将本体中实体类的所有数据属性转化到一张表中，即实体表，每个属性的名称作为列名称，并选取主键，同理，按照上述方法也建立一个资源类的表，即资源表，之后，根据定义好的绑定关系，生成一张绑定关系表，即绑定表。将资源表的主键，实体表的主键，实体中绑定的数据属性作为表的列，建立好三张表后，把实体的所有实例和对应的数据属性值放入实体表中，把资源的所有实例和对应的属性值放入资源表中，再根据绑定的具体实现，填充绑定表。

进一步地，在建立资源表和实体表时，可以让用户选取放入表中作为主键的列和其他数据属性，主键必须选取，可以是类的名称或选取其他核心的数据属性作为主键。其他数据属性可有选择的选取，如果没有进行选取则默认所有数据属性都算入表的列中。

图9示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的资源模型生成环境的MVC架构图。

具体地，在创建表结构和插入表数据时，需要运用java的jdbc技术和相应的数据库驱动。经过建模过程后的领域信息，最终要显示在图形界面，与用户进行交互，才有意义。资源模型生成环境，即可视化交互模块用于和用户交互，给用户提供一个可视化和友好的建模环境，让用户可以图形化的进行对于资源、实体、模版和实例的操作。这部分的工作主要集中于客户端的图形化开发和与用户的交互设计。此部分与建模模块连接，显示并操作领域中的信息，便于用户操作和查看。采用Swing固有的MVC的设计模式。其中，MVC（Model ViewController）是模型(model)、视图(view)、控制器(controller)的缩写。其中，在本系统的客户端中，模型就是Swing中的Model和操作领域数据的接口；视图是Swing的界面元素；控制器是Swing中的事件机制。

图10示出了本发明实施例中的一种面向领域的物联网资源建模系统的资源模型生成环境的结构图。

具体地，在交互时，用户首先进入领域模版的界面，在选择了某个模版或者实例后，进入主界面，在主界面中包含若干选项卡Tab来显示不同的信息。其中包括资源Tab，实体Tab，实例Tab，外部本体Tab，绑定Tab等。从主界面可以进入其他子界面或者子对话框，且可以通过客户端操作领域中的资源、实体以及绑定关系，查看继承的外部本体，个体实例信息等。

综上所述，即一种面向领域的物联网资源建模系统的基本思想是：提出了一种面向领域的总体系统架构，基于系统架构可得知本体技术用于底层的存储设计和交互操作，在本体和用户之间建立了一个中间层，即领域层，这使得用户进行建模时直接的操作对象都是面对领域信息，领域信息通过一定的规则可以和本体信息相互转换，并进行持久化。

进一步地，领域层在设计和实现过程中，自定义了若干领域数据类型，封装了原始的本体，以表达领域中概念，例如，资源和实体。以新的领域数据类型为基础，设计了若干算法来实现建模中的各种子功能，例如，获取概念的数值属性，这些子功能组合起来便实现了建模的整体模块的功能。在完成了模版的资源和实体信息创建完毕后，可以根据需要将二者绑定，满足物联网中感知信息与具体应用领域关联的需要。在实现绑定模块的过程中，通过在本体层定义两个对象属性、三个类和一个数据属性并对它们进行合理的关联来实现绑定关系的定义。在绑定关系定义好之后，在本体中将类实例化，属性赋值便形成了真正的绑定。最后创建的信息，在具体的应用场景中，可以转化到实时数据库，满足实时性的需求。转化时先区别资源和实体等不同概念和已存在的绑定关系，根据概念和绑定关系来创建转化后的表格，并用实例数据来填充表格。本发明提供一种面向领域的物联网资源建模系统，将物联网中的信息分层次分类别进行描述，通过构建模版和实例，最终形成资源和实体概念、属性以及概念的具体实例化数据，屏蔽了专业复杂的本体相关概念，同时，提供业务相关概念的信息呈现形式和可视化的资源建模环境。具有操作的简捷性与易用性。对于已存在的资源和实体可以根据需要定义绑定关系，并最终以此为依据将实例的属性值与实例绑定起来，满足底层感知的原始数据升级为上层业务相关的物理对象的需求。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种面向领域的物联网资源建模系统，其特征在于，包括：

存储模块，用于存储原始的本体信息；

建模模块，用于将面向本体的所述本体信息转化为面向领域信息，其中所述面向领域信息包括资源和实体；

绑定模块，用于对所述建模模块中生成的所述资源和所述实体进行绑定；

转化模块，用于将本体库中存放的所述本体信息转化到数据库；

可视化交互模块，用于与用户进行交互，并显示所述建模模块生成的建模环境。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述建模模块，还包括：

模版单元，用于定义所述面向领域信息的概念及属性；

实例单元，用于定义所述概念的实体、属性以及赋值。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述资源包括传感器、控制器等。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述存储模块基于RDF框架，利用语义本体语言OWL进行所述本体信息的存储。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括封装模块，用于将所述存储模块存储的所述本体信息进行封装。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括关联模块，用于将预存所述实体实例的数据属性值与预存所述资源实例相关联。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本体库中存放的所述本体信息与数据库中的二维关系数据具有一一映射关系。

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