CN104268056A - 基于复杂事件处理的面向cps应用的实时监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控的系统及方法，所述系统包括若干区域监控系统、系统协同监控器、系统响应执行模块和事件存储模块，其中所述区域监控系统用于对系统中某一个独立区域内的监控；所述系统协同监控器用于对整个CPS应用系统跨区域的事件进行监控；所述系统响应执行模块用于对所述系统协同监控器生成的制动事件进行响应，并通知相关区域系统来执行控制器发出的控制命令；所述事件存储模块用来存储系统产生的事件流。本发明通过分层次的监控模式，提高了CPS应用系统监控的效率；使用基于语义和事件戳的复杂事件管理技术，消除了通信带来的延时，提高查询的准确度，提升系统监控的有效性。
Description
技术领域
本发明涉及信息物理融合系统(CPS)监控技术领域，尤其涉及一种基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统及方法。
背景技术
信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems，CPS)是指基于计算、通信和控制相互渗透与深度协作，实现计算处理过程和物理控制过程紧密融合的一种新型混成系统。通常来说，计算机和网络被用于实时监控物理过程，根据物理系统的反馈进行控制，而物理环境又影响着监控系统的运行，形成闭环控制系统。
CPS应用系统建立大量的传感器网络的同时，产生了大量的数据。这些数据进行处理后可以产生大量的基本事件，使用复杂事件处理(ComplexEvent Processing，CEP)来处理来自不同传感器的基本事件，通过定义好的事件查询语句和事件模式匹配从大量的基本事件中提取相应的复杂事件，对系统运行情况进行判断，实现对CPS应用系统的监控。
目前，大多的面向CPS应用的实时监控系统更多地使用集中式的监控方法，由监控器监控系统的每一步操作，而CPS应用系统涉及信息、物理等多方面，本身复杂度高，尤其是CPS应用系统往往包含很多通过网络互联的分布异构子系统，集中式的监控方式并不完全适合CPS应用系统。同时，事件驱动的思想也引入到了面向CPS应用的实时监控系统中，在被监控系统与监控器之间以抽象事件进行通信和交互。但是，目前的CEP处理过程往往忽略了系统中产生的数据具有时间和空间特征，无法达到面向CPS应用的实时监控的实际要求。因此，目前急需一种能够满足CPS应用系统实际要求的更为有效的基于复杂事件处理的CPS应用系统监控的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统及方法，其目的是通过分层次的监控模式，将监控工作“分而治之”，减轻系统总监控器的负担，提高CPS应用系统监控的效率，提升系统的实时性；同时区域监控器和系统协同监控器使用相同的系统结构，方便对CPS应用系统进行部署与扩展；使用基于语义和事件戳的复杂事件管理技术，使事件的抽象更贴近于实际的CPS应用系统，并在事件处理过程中消除通信带来的延时，提高查询的准确度，提升系统监控的有效性。
本发明所述一种基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统及方法，其原理是通过分层次的监控模式，对CPS的每个分布异构子系统或某个独立区域对该区域中的事件进行监控，而系统协同监控器对跨区域的事件进行监控，使得各类监控器“各司其职”，提高了CPS应用系统监控的效率；使用基于语义和事件戳的复杂事件管理技术，对事件添加语义信息，并在进行事件查询的时候检查事件的时间戳，并根据情况选择不同的事件处理方法，提高查询的准确度。
本发明提出的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统，其包括若干区域监控系统(101)、系统协同监控器(102)、系统响应执行模块(103)和事件存储模块(104)，其中：
所述区域监控系统(101)用于对系统中相应独立区域进行监控，并根据监控信息产生基本事件流，同时对区域内事件使用复杂事件处理技术进行处理，生成制动事件，并对所生成的制动事件进行响应；同时其还将所产生的基本事件流发送给所述系统协同监控器(102)；
所述系统协同监控器(102)用于对从所述区域监控系统(101)接收到的基本事件流中跨区域的事件使用复杂事件处理技术进行处理，监控整个CPS应用系统的运行，并生成制动事件；
所述系统响应执行模块(103)用于对所述系统协同监控器(102)生成的制动事件进行响应，并通知相关区域系统来执行所述系统协同监控器(102)发出的控制命令；
所述事件存储模块(104)用来存储系统产生的事件流，便于对已发生的事件进行分析处理。
本发明提出的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控方法，其包括以下步骤：
步骤301：外部环境感知模块(112)通过传感器设备，从物理环境中收集得到物理环境下的物理量信息并将其传递给事件产生器(114)；
步骤302：事件产生器(114)将获得的物理量信息抽象成具有统一格式的基本事件流；
步骤303：事件产生器(114)将所述基本事件流中的事件分别传输给区域监控器(116)和系统协同监控器(102)，并将事件存储到事件存储模块(104)，同时进入步骤304和306；
步骤304：区域监控器(116)对所述基本事件流中属于本区域内的事件使用复杂事件处理技术进行处理，并生成制动事件；
步骤305：区域事件响应模块(118)对本区域中所述区域监控器(116)生成的制动事件进行响应；
步骤306：系统协同监控器(102)对所述基本事件流中属于跨区域的事件使用复杂事件处理技术进行处理，并生成制动事件；
步骤307：系统响应执行模块(103)对系统协同监控器(102)生成的制动事件进行响应。
本发明所公开的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统及方法，具有以下的一些优势和特点：
1)使用分层次的监控模式，对CPS的每个分布异构子系统或某个独立区域进行区域监控，同时系统协同监控器监控每个子系统或区域之间的关联。通过这样的监控系统设计，将监控工作“分而治之”，减轻了系统总监控器的负担，提高了CPS应用系统监控的效率，提升了系统的实时性；
2)分层次的监控模式下，区域监控器和系统协同监控器具有相同的系统结构，只是在进行事件处理的时候关注点不同，区域监控器对该区域中的事件进行监控，而系统协同监控器对跨区域的事件进行监控。因此，在相同的系统结构的设计下，方便对CPS应用系统进行部署与扩展；
3)考虑CPS应用系统中数据的时间和空间特性，通过语义处理模块，对事件添加语义信息，使事件的抽象更贴近于实际的CPS应用系统；同时给每个事件设置时间戳，在进行事件查询的时候检查是否对所有满足条件的事件进行查询，若没有，在事件存储模块中同样进行查询，否则对当前事件流进行处理。通过这样的方法，消除通信带来的延时，提高了查询的准确度，提升了系统监控的有效性。
附图说明
图1为本发明提供的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统结构示意图。
图2为本发明中区域/系统协同监控器的结构示意图。
图3为本发明提供的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控方法流程图。
图4为本发明中区域/系统协同监控器对事件的监控方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明所公开的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统及方法，通过分层次的监控模式，对CPS的每个分布异构子系统或某个独立区域对该区域中的事件进行监控，而系统协同监控器对跨区域的事件进行监控，将监控工作“分而治之”，各类监控器“各司其职”，提高了CPS应用系统监控的效率；使用基于语义和事件戳的复杂事件管理技术，对事件添加语义信息，使事件的抽象更贴近于实际的CPS应用系统，并在进行事件查询的时候检查事件的时间戳，并根据情况选择不同的事件处理方法，消除通信带来的延时，提高查询的准确度，提升系统监控的有效性。
如图1所示，图1为本发明提供的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统结构示意图。所述系统包括若干区域监控系统101、系统协同监控器102、系统响应执行模块103和事件存储模块104，其中：
所述区域监控系统101用于对系统中某一个独立区域进行监控，包括外部环境感知模块112、事件产生器114、区域监视器116和区域事件响应模块118。其中：
所述外部环境感知模块112为整个系统提供物理环境下的各种信息，其通过传感器等设备收集物理环境下待感知物体的相关物理量，并将收集到的各种信息通过无线传感网络传递给事件产生器114；
所述事件产生器114由计算机或计算机群组构成，对从外部实体环境中获得的信息进行预处理，并将信息抽象成具有统一格式的基本事件流，为区域监控器116提供数据来源；
所述区域监控器116是区域监控系统101的核心，其对该区域内的事件使用复杂事件处理技术进行处理，并生成制动事件，达到对CPS应用系统的监控目的；
所述区域事件响应模块118对所述区域监视器116生成的制动事件进行响应，并通知本区域待监控系统执行监控器的控制命令；
同时，所述区域监视器116通过系统总线或因特网与事件产生器114和区域事件响应模块116进行事件通信与交互。
所述系统协同监控器102用于对整个CPS应用系统对跨区域的事件使用复杂事件处理技术进行处理，监控整个CPS应用系统的运行，并生成制动事件；其通过系统总线或因特网与事件发生器114和系统响应执行模块103进行事件通信与交互；
可选地，在本发明的一个实施例中，区域监控器116和系统协同监控器102具有同样的系统结构。
所述系统响应执行模块103用于对所述系统协同监控器102生成的制动事件进行响应，并通知相关区域系统执行所述系统协同监控器102发出的控制命令；
所述事件存储模块104用来存储系统产生的事件流，便于对已发生的事件进行分析处理。由于产生的事件流数据特别大，在本发明的一个实施例中，选择使用事件云技术进行数据存储。
如图2所示，图2为本发明中区域/系统协同监控器的结构示意图，所述监控器在事件中引入语义的概念，在复杂事件处理过程中对带有时间戳的事件处理，减少通信延迟带来的监控误差；其包括事件语义库201、事件查询定义模块202、语义处理模块203和事件处理引擎204，其中：
所述事件语义库201用来存储系统中事件的语义信息；
在本发明的一个实施例中，所述事件语义库201基于本体进行构建，由系统人员对其进行事先定义。例如，在火灾预警系统中，通过传感器对温度和湿度进行监控，但是传感器本身还含有位置、类型等信息，其中位置、类型等信息可以看做是对火灾预警时的事件所包含的语义信息。
所述事件查询定义模块202用来定制系统所需的查询语句；查询语句主要用来对事件进行监控，例如，在火灾预警系统中，查询温度大于80度，湿度小于20％的情况。可以说，查询语句是事件模式匹配的另一种表现形式。
在本发明的一个实施例中，所述事件查询定义模块202可以由系统人员对其进行事先定义，也支持随时添加查询语句。可选地，使用SPARQL查询语言根据系统监控的目的进行查询语句的定义。
所述语义处理模块203根据所述事件语义库201中的事件语义信息，对接受到的基本事件添加语义信息，并根据事件查询语句中的语义条件约束，对事件流进行筛选，将不符合约束的事件舍弃，只保留符合语义条件约束的事件；
所述事件处理引擎204对筛选后的事件流通过复杂事件处理技术找出符合查询条件的事件，并产生监控系统过程中的制动事件。
如图3所示，图3为本发明提供的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控方法流程图，包括以下步骤：
步骤301：外部环境感知模块112通过传感器等设备，从物理环境中获得源数据；
步骤302：事件产生器114将获得的源数据抽象成具有统一格式的基本事件；
该步骤中，所述的源数据是从不同的数据源经过不同的传感器或直接采集到事件产生器114中的，因此，需要对采集到的数据进行预处理，将其抽象成相应的具有统一格式的基本事件。
在本发明的一个实施例中，事件产生器114抽象而成的基本事件Event表现为以下形式：
Event＝＜EventID，SensorID，EventName，Attributes，Time＞
Attributes＝＜AttributeName，Value＞
其中，EventID是唯一标识一个Event的字符串，SensorID是标识事件来源的字符串，如传感器的标示符等；EventName是标识基本事件名称的字符串，Attributes是所有与事件Event相关联的变量组成的集合，每一个Attribute由其属性名AttributeName和属性值Value来标识。Time是与事件Event绑定的唯一的时间戳，标明该事件的生成时刻。
步骤303：将事件分别传输给区域监控器116和系统协同监控器102，并将事件存储到事件存储模块104，同时进入步骤304和306；
该步骤中，事件通过系统总线或因特网传输给所述区域监视器116、系统协同监控器102和事件存储模块104，区域监控和系统协同监控同步进行。
步骤304：区域监控器116对本区域产生的事件进行监控；
该步骤中，区域监控器116根据针对本区域的事件查询语句对本区域产生的事件进行处理，产生符合查询条件的制动事件，达到对本区域进行监控的目的。所述制动事件是指由监控器(116、102)进行事件处理后产生的对系统进行控制的事件。
在本发明的一个实施例中，监控器产生的制动事件ActuatorEvent的表示形式为：
ActuatorEvent＝＜ActEventID，ActSensorID，ActAttributes，Rule＞
ActAttributes＝＜ActAttributeName，ActValue＞
其中，ActEventID是唯一标识一个制动事件的字符串，ActSensorID是标识事件操作对象的字符串，ActAttributes是所有与事件相关联的变量组成的集合，每一个ActAttribute由其属性名ActAttributeName和属性值ActValue来标识。Rule是事件的事件处理规则。所述事件操作对象为对制动事件进行响应的传感器，与所述传感器相对应的执行单元完成对制动事件的响应操作。
步骤305：区域事件响应模块118对本区域监控器116生成的制动事件进行响应；
该步骤中，区域事件响应模块118对接收到的制动事件进行分析，根据制动事件中ActSensorID的值，对相应的物理环境根据Rule的要求进行事件响应。具体来说，区域事件响应模块118接收到制动事件后，对制动事件进行分析，根据ActSensorID的值确定对制动事件进行响应的传感器，然后与该传感器相应的执行单元根据Rule进行事件响应，例如发出警报等。
步骤306：系统协同监控器102对所有区域产生的相关联的事件进行监控；
该步骤中，系统协同监控器102对整个CPS应用系统的各个子系统或区域间的关联性进行监控，具体表现为根据针对所有区域的事件查询语句对跨区域的事件进行处理，产生符合查询条件的制动事件。在本发明的一个实施例中，该步骤中产生的制动事件与步骤304产生的制动事件具有相同的表达形式。
步骤307：系统响应执行模块103对系统协同监控器102生成的事件进行响应。
该步骤中，与步骤305中的操作类似，系统响应执行模块103对收到的制动事件进行分析，根据制动事件中ActSensorID的值，对相应的物理环境根据Rule的要求进行事件响应。
如图4所示，图4为本发明中区域/系统协同监控器对事件的监控方法流程图，包括以下步骤：
步骤401：预先定制事件语义库和事件查询语句；
步骤402：根据事件语义库对事件流进行语义注释，添加事件语义信息；
步骤403：根据事件查询语句的语义条件约束，对事件流进行筛选；
该步骤中，选择将不符合约束的事件舍弃，只保留符合语义条件约束的事件，方便后面对于事件的进一步处理；
步骤404：判断查询语句最早时间约束点Tquery_start是否早于接受查询命令后的第一个处理的事件时间戳显示的时间Tfirst_event，即判断是否满足Tquery_start＜Tfirst_event；若是，则转入步骤405，否则准入步骤406；
步骤405：对当前事件流和存储事件分别进行查询，并将查询结果合并，并转入步骤407；
该步骤中，当Tquery_start＜Tfirst_event时，表明在[Tquery_start，Tfirst_event]的时间区域内的事件已经不在当前的事件流中，为了保证查询结果的准确性，在[Tquery_start，Tfirst_event]的时间区域内的事件将在存储事件中进行查询。对当前事件流和存储事件分别进行查询后将查询结果合并。
步骤406：对当前事件流进行查询；
该步骤中，Tquery_start≥Tfirst_event时，表明所有满足查询时间约束的事件都在当前事件流中，对当前事件流进行查询即可。
步骤407：生成针对符合查询条件的事件的制动事件。
上述方法中，区域监控器和系统协同监控器结构相同，但是处理的事件不同，使用的查询语句也不相同；它们同时对事件进行处理，但是区域监控器根据自己的查询语句只处理涉及本区域的事件，而系统协同监控器根据其定义的查询语句处理涉及多个区域(即跨区域)的事件。区域内事件是指该区域的事件(复杂事件和基本事件)都产生于单个区域；而跨区域事件则产生于多个区域。
本发明通过以上的基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统及方法，通过分层次的监控模式和基于语义和事件戳的复杂事件管理技术，提高了系统监控的效率，提高查询的准确度，提升系统监控的有效性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控系统，其特征在于：包括若干区域监控系统(101)、系统协同监控器(102)、系统响应执行模块(103)和事件存储模块(104)，其中：
所述区域监控系统(101)用于对系统中相应独立区域进行监控，并根据监控信息产生基本事件流，同时对区域内事件使用复杂事件处理技术进行处理，生成制动事件，并对所生成的制动事件进行响应；同时其还将所产生的基本事件流发送给所述系统协同监控器(102)；
所述系统协同监控器(102)用于对从所述区域监控系统(101)接收到的基本事件流中跨区域的事件使用复杂事件处理技术进行处理，监控整个CPS应用系统的运行，并生成制动事件；
所述系统响应执行模块(103)用于对所述系统协同监控器(102)生成的制动事件进行响应，并通知相关区域系统来执行所述系统协同监控器(102)发出的控制命令；
所述事件存储模块(104)用来存储系统产生的事件流，便于对已发生的事件进行分析处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述区域监控系统(101)包括外部环境感知模块(112)、事件产生器(114)、区域监视器(116)和区域事件响应模块(118)，其中：
所述外部环境感知模块(112)为整个系统提供物理环境下的各种信息，通过传感器设备收集物理环境下的相关物理量，并通过无线传感网络传递给事件产生器(114)；
所述事件产生器(114)对从所述外部环境感知模块(112)获得的信息进行预处理，并将信息抽象成具有统一格式的基本事件流；通过系统总线或因特网与区域监控器(116)、系统协同监控器(102)和事件存储模块(104)事件通信与交互；
所述区域监控器(116)是区域监控系统(101)的核心，用于对所述事件产生器(114)产生的基本事件流中属于本区域内的事件使用复杂事件处理技术进行处理，并生成制动事件，达到对CPS应用系统的监控目的；
所述区域事件响应模块(118)对所述区域监视控器(116)生成的制动事件进行响应，并通知相应待监控系统来执行所述区域监视控器(116)的控制命令。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述区域监控器(116)和系统协同监控器(102)具有同样的结构，包括事件语义库模块(201)、事件查询定义模块(202)、语义处理模块(203)和事件处理引擎模块(204)，其中：
所述事件语义库模块(201)用来存储系统事件的语义信息；
所述事件查询定义模块(202)用来定制系统所需的查询语句；
所述语义处理模块(203)根据所述事件语义库模块(201)中的事件语义信息，对接收到的基本事件流中的事件添加语义信息，并根据事件查询语句中的语义条件约束，对基本事件流进行筛选，将不符合约束的事件舍弃，只保留符合语义条件约束的事件；
所述事件处理引擎(204)对筛选后的事件流通过复杂事件处理技术找出符合查询条件的事件，并产生制动事件。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：由系统人员通过所述事件查询定义模块(202)事先制定系统所需的查询语句，还支持随时添加查询语句。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述系统协同监控器(102)通过系统总线或因特网与所述系统响应执行模块(103)进行事件通信与交互；所述区域监控器(116)通过系统总线或因特网与所述区域事件响应模块(118)进行事件通信与交互。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述事件存储模块(104)使用事件云或其他大规模事件存储技术进行存储。
7.一种基于复杂事件处理的面向CPS应用的实时监控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤301：外部环境感知模块(112)通过传感器设备，从物理环境中收集得到物理环境下的物理量信息并将其传递给事件产生器(114)；
步骤302：事件产生器(114)将获得的物理量信息抽象成具有统一格式的基本事件流；
步骤303：事件产生器(114)将所述基本事件流中的事件分别传输给区域监控器(116)和系统协同监控器(102)，并将事件存储到事件存储模块(104)，同时进入步骤304和306；
步骤304：区域监控器(116)对所述基本事件流中属于本区域内的事件使用复杂事件处理技术进行处理，并生成制动事件；
步骤305：区域事件响应模块(118)对本区域中所述区域监控器(116)生成的制动事件进行响应；
步骤306：系统协同监控器(102)对所述基本事件流中属于跨区域的事件使用复杂事件处理技术进行处理，并生成制动事件；
步骤307：系统响应执行模块(103)对系统协同监控器(102)生成的制动事件进行响应。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤302中基本事件的统一格式表示为：＜EventID，SensorID，EventName，Attributes，Time＞，其中，EventID是唯一标识一个基本事件的字符串，SensorID是标识事件来源的字符串，EventName是标识基本事件名称的字符串，Attributes是所有与基本事件相关联的变量组成的集合，Time是与事件绑定的唯一的时间戳，表明该事件的生成时刻。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤304和306中区域监控器(116)和系统协同监控器(102)对事件的处理过程相同，包括以下步骤：
步骤401：预先定制事件语义库和事件查询语句；
步骤402：根据事件语义库对事件流进行语义注释，添加事件语义信息；
步骤403：根据事件查询语句的语义条件约束，对事件流进行筛选；
步骤404：判断时间查询语句最早时间约束点Tquery_start是否早于接受查询命令后的第一个处理的事件时间戳显示的时间Tfirst_event，即判断是否满足Tquery_start＜Tfirst_event；若是，则转入步骤405，否则转入步骤406；
步骤405：对当前事件流和存储事件分别进行查询，并将查询结果合并，并转入步骤407；
步骤406：对当前事件流进行查询；
步骤407：生成针对符合查询条件的事件的制动事件。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述区域事件响应模块(118)和所述系统响应执行模块(103)对制动事件的响应过程为：对接收到的制动事件进行分析，根据制动事件中所标识的事件操作对象，对相应的物理环境根据所述制动事件中表明的时间处理规则的要求进行事件响应。
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