CN109684450A - 一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于语义化标识的工业互联网数据分发服务系统和方法。该系统主要包括终端、元数据编码服务、语义化数据分发服务。其中语义化数据分发服务包括语义处理、注册、匹配、读写操作及语义化标识库。通过本发明系统，工业异构元数据经过handle标识技术进行统一编码，保障全网信息统一。另外，该系统中的匹配方法采用三级多关键字匹配机制，实现多粒度匹配功能，适应不同订阅需求。

Description

一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统及方法

技术领域

本发明涉及工业互联网技术领域，更具体的说是一种基于语义化标识的数据分发服务系统。

背景技术

随着工业互联网连接范围逐渐扩大，传统应用协议以数据传输为核心，收发双方紧耦合的客户端/服务器模式在并发性能、灵活性和扩展性等方面都无法满足需求，工业互联网应用协议的发展趋势是以消息发布为核心，具备松耦合特点的发布/订阅模式成为工业互联网消息分发的发展趋势。

发布/订阅模式是一种异步通信模式，可以实现分布式交互，具有异步、多点通信的特点，能够很好地满足Internet上大型应用系统松散通信的需要，适用于构建大规模分布式系统。目前常用的发布/订阅系统模型可以分为基于主题的模型、基于内容的模型和基于类型的模型等。基于主题的模型提供给订阅者的订阅表达很受限，订阅者只对该主题中的一部分事件感兴趣，却需要接受该主题下的所有事件。基于内容的发布/订阅中，事件没有根据一些事先规定好的标准进行分类，而是根据事件本身的属性进行分类。基于类型的发布/订阅模型的变量事件是属于一个特定类型的准确对象，该类型能够封装属性和方法。描述粒度介于基于主题和基于内容之间。

物联网技术的不断发展，使得IPv4协议已经难以满足大量涌入的联网设备，因此需要提出新的编址机制来解决地址不足的问题。又考虑到工业现场网络协议的多样性，元数据类型繁多，频繁的协议转换将带来大量的网络和通信开销，因此新的编址技术最好能够兼具语义功能，在一个更高的抽象层描述网络数据的属性，handle应运而生。Handle标识技术是起源于互联网、应用于物联网的一种标识符号，以一定的方式赋予互联网上的各种对象(文档、图像、多媒体等)一个唯一、合法、安全和永久的标识，通过这个标识可以实现对被标识对象的解读、定位、追踪、查询、应用等功能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种适用于工业互联网的基于handle标识的语义化数据分发服务系统。

一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，包括：

终端，用于承载工业网络中的数据发布者和订阅者；发布者作为数据的发送方，订阅者作为数据的请求方；

元数据编码服务，用于将网络终端的handle标识和元数据进行组装得到工业互联网元数据，并发送给语义化数据分发服务；

语义化数据分发服务，用于处理工业互联网元数据，并根据解析出的发布订阅需求进行注册，将订阅请求和发布关键字进行匹配并建立连接，使发布者和订阅者在建立的通路上传输数据。

所述元数据编码服务，将终端发布者的元数据转换为工业互联网元数据，信息格式如下：

Handle标识，为终端在Handle系统注册的全球唯一的标识；

名称，为终端名称，由用户指定或系统自动生成；

类型，包括发布、订阅两种，表示终端为数据的发布者或订阅者；

设备标识，存储的是终端所在物理设备的Handle标识；

数据信息，表示终端发布或者订阅数据的相关信息。

所述数据信息包括：

数据主题，终端发布者为其发布的数据定义的主题，用于数据分发服务匹配数据发布者和订阅者的依据；

数据类型，包括信号量、状态量、事件量、查询量；

数据包长度，代表发送数据包的长度；

数据属性，表征数据的特性，包括数据周期、时延要求。

所述语义化数据分发服务，包括：

语义化处理模块，用于对工业互联网元数据进行自然语言解析和信息提取，对解析并提取出的信息进行消歧，得到所需格式的信息；

注册模块，用于当语义化处理后的信息为发布者注册消息时，完成发布者和订阅者的注册过程，并保存发布者和订阅者的handle标识和名称；

匹配模块，用于当语义化处理后的信息为订阅者注册消息时，将订阅请求与发布者注册消息的发布关键字进行匹配：若该订阅请求与语义化标识库中存储的关键字数据结构一致，则匹配；否则，不匹配；

路由模块，用于匹配后负责建立发布者和订阅者间的通信通路；

读写操作模块，用于负责在匹配一致的发布者和订阅者间的连接通道上读写数据，实现数据传输；

语义化标识库，用于存储语义化处理后的发布请求关键字数据结构，该数据结构用作发布订阅匹配过程中的查询对比依据。

所述语义化处理模块，包括：

语言处理模块，将工业互联网元数据进行自然语言解析，并将解析结果与语义字典里存储的关键字信息比对，将元数据映射成全网统一规范的信息；

语义字典，存储预先设定好的关键字信息。

所述语义化标识库的数据结构，包括：

序号以及对应的Handle标识、参数；

Handle标识，即终端元数据中的handle码，用于查找注册服务中的发布订阅注册信息；

参数包括数据主题、数据类型、数据属性。

所述匹配执行以下步骤：

1)从语义化处理模块获取订阅者发送的订阅请求，提取出订阅请求关键字，包括数据主题Topic、数据类型DataType、数据属性Attribute；

2)首先判断请求关键字的Topic项是否为缺省项，不缺省则根据请求关键字到语义化标识库中进行对比匹配，筛选出Topic值符合关键字要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步；

3)接着判断请求关键字的DataType项是否为缺省项，不缺省则在当前语义化标识库处理结果中查找DataType符合要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步；

4)最后判断请求关键字的Attribute项是否为缺省项，不缺省则在当前语义化标识库处理结果中查找Attribute符合要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步；

5)当前语义化标识库中剩余的条目即为匹配结果。

一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务方法，包括以下步骤：

步骤1：终端向Handle注册服务器注册设备Handle码，Handle注册服务器确认注册；

步骤2：注册成功后，终端设备使用所述Handle码作为其全球唯一的标识；并通过元数据编码服务对工业现场终端元数据进行编码；

步骤3：编码完成后发布者注册消息或订阅者注册消息被发送到语义化数据分发服务中的语义化处理模块，进行消歧处理，并将结果传递给注册模块；

步骤4：注册模块接收到注册请求消息后提取关键字并存储；

步骤5：当发布者发送发布请求后，语义化处理模块将该请求发送到语义化标识库，语义化标识库存储发布关键字；

步骤6：当订阅者发送订阅请求后，语义化处理模块将该请求发送到匹配模块，匹配模块根据订阅请求关键字到语义化标识库中匹配发布关键字，匹配结果反馈给订阅者，成功匹配后向路由模块发送路由请求；

步骤7：路由模块接收到路由请求后规划发布者和订阅者间的通信链路，并发送读写请求到读写操作模块；

步骤8：读写操作模块接收到请求后，从发布者读取数据后写到订阅者的接收通道上，完成数据传输。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.采用Handle标识解析技术，将数据发布者和订阅者进行统一的信息标识，保障信息全球范围内的唯一性，有利于外网用户识别和理解。

2.采用语义化处理功能，屏蔽工业网络元数据的异构性。

3.采用三级多关键字匹配机制，实现多粒度匹配功能，适应不同订阅需求。

附图说明

图1为本发明一种基于语义化标识的数据分发服务系统架构；

图2为本发明终端元数据信息的示意图；

图3为本发明语义化标识库数据结构示意图；

图4为本发明语义化处理过程示意图；

图5为本发明语义化数据分发服务数据交互示意图；

图6为本发明一种基于语义化标识的数据分发服务的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

终端，用于承载工业网络中的数据发布者和订阅者，发布者作为数据的发送方，订阅者作为数据的请求方。同一个终端可以同时具有数据发送和接收功能，即该终端既是发布者也是订阅者，但两者不成对匹配。

元数据编码服务，用于将网络终端的handle标识和元数据进行组装。预设的编码功能包括设备编码、终端节点编码、数据流编码，但不限于此。

语义化数据分发服务，用于处理工业互联网元数据，并根据终端的发布订阅需求，注册、匹配数据收发方，并在建立的通路上传输数据。

终端节点编码信息，包括但不限于：

Handle标识(Handle)，为该终端节点在Handle系统注册的全球唯一的标识。

名称(Name)，为终端节点名称，由用户指定或系统自动生成。

类型(Type)，区分为发布、订阅两种，表示终端节点为数据的发布者或订阅者。

设备标识(Device Handle)，存储的是该终端节点所在物理设备的Handle标识。

数据信息(Data Info)，表示该终端节点发布或者订阅数据的相关信息，包括：数据主题(Topic)、数据类型(DataType)、数据包长度(Length)、数据属性(Attribute)。

数据信息，包括但不限于：

数据主题，终端发布者为其发布的数据定义的主题，用于数据分发服务匹配数据发布者和订阅者的依据。

数据类型，包括但不限于：信号量、状态量、事件量、查询量。

数据包长度，代表发送数据包的具体长度。

数据属性，表征数据的特性，主要包括数据周期、时延要求等。

语义化数据分发服务，包括：

语义化处理，用于对工业元数据进行自然语言解析和关键信息提取，对解析和提取出的关键信息进行消歧并规范元数据信息。

注册，用于发布者和订阅者的完成注册过程，该模块保存发布者和订阅者的handle标识和名称。

匹配，根据订阅请求将发布者和订阅者进行匹配。

路由，匹配成功后负责建立发布者和订阅者间的通信通路。

读写操作，负责在匹配成功的发布者和订阅者间的连接通道上读写数据，实现数据传输。

语义化标识库，用于存储语义化处理后的发布请求关键字数据结构，该数据结构用作发布订阅匹配过程中的查询对比依据。

语义化处理模块，包括：

语言处理、语义字典。

处理方法：终端发来的元数据进行自然语言解析，并将解析结果与语义字典里存储的关键字信息比对，将元数据映射成全网统一的规范信息。

语义化标识库的数据结构，包括：

No.表示存储序号。

Handle标识，即终端节点数据信息中的handle码，用于查找注册服务中的发布订阅注册信息。

Topic、DataType、Attribute三项用于构建发布订阅数据的参数。

匹配功能块的匹配机制支持三级多关键字匹配，匹配层级根据订阅者的匹配请求获取，订阅请求中的关键字数量对应匹配层级。

匹配过程描述：

步骤1：订阅者发送订阅请求后，提取出订阅请求关键字(Topic、DataType、Attribute)，订阅请求关键字中可以包含缺省项。

步骤:2：首先判断请求关键字的Topic项是否为缺省项，不缺省则根据请求关键字到语义化标识库中进行对比匹配，筛选出Topic值符合关键字要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步。

步骤3：接着判断请求关键字的DataType项是否为缺省项，不缺省则在当前语义化标识库处理结果中查找DataType符合要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步。

步骤4：最后判断请求关键字的Attribute项是否为缺省项，不缺省则在当前语义化标识库处理结果中查找Attribute符合要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步。

步骤5：当前语义化标识库中剩余的条目即为匹配结果，向订阅者反馈订阅请求结果。

所述三级多关键字匹配机制遵循先Topic，后DataType，最后Attribute的顺序，如果某项缺省则跳过该项，继续之后的匹配过程。

参见图1，示出了本发明一种基于语义化标识的数据分发服务系统的示意图，该系统包括：终端110、元数据标码服务120、语义化数据分发服务130。

终端110指工业网络中的终端设备，针对数据分发服务系统，终端抽象为发布者112和订阅者111。发布者作为数据的发送方，订阅者作为数据的请求方。同一个终端可以同时具有数据发送和接收功能，即该终端既是发布者也是订阅者，但两者不成对匹配。

元数据编码服务120，用于将网络终端的handle标识和元数据进行组装。预设的编码功能分为设备编码121、终端节点编码122、数据流编码123，但不限于此。本发明提出的语义化数据分发服务系统只需要关注终端节点编码122，参见图2，示出了本发明终端节点元数据信息的示意图。

其中，终端节点编码信息用来存储网络中发布者和订阅者的元数据信息，包括但不限于：Handle标识、名称、终端类型、设备标识、数据信息。

Handle标识，为该终端节点在Handle系统注册的全球唯一的标识；

名称，为终端节点名称，由用户指定或系统自动生成；

类型，区分为发布、订阅两种，表示终端节点为数据的发布者、订阅者。

设备标识，存储的是该终端节点所在物理设备的Handle标识。

数据信息，表示该终端节点发布或者订阅数据的相关信息，包括：数据主题、数据类型、数据包长度、数据属性。

其中，

数据主题，终端发布者为其发布的数据定义的主题，用于数据分发服务匹配数据发布者和订阅者的依据；

数据类型，包括信号量、状态量、事件量、查询量，信号量指对实际物理量的测量值，如温度、电压等；状态量指对象的当前状态或目标状态；事件量指某当某事件发生后用于触发任务执行的物理量；查询量指针对需要查询需求发送的数据量；

数据包长度，代表发送数据包的具体长度；

数据属性，表征数据的特性，主要包括数据周期、最大时延等。

语义化数据分发服务130，主要作用是处理工业互联网元数据，并根据终端的发布订阅需求，注册、匹配数据收发方，并在建立的通路上传输数据。包括语义化处理131、注册132、匹配133、路由134、读写操作135和语义化标识库136。

其中，

语义化处理131，用于对工业元数据进行自然语言解析和关键信息提取，对解析和提取出的关键信息进行消歧并规范元数据信息。

注册132，用于发布者和订阅者的完成注册过程，该模块保存发布者和订阅者的handle标识和名称。

匹配133，根据订阅需求将发布者和订阅者进行匹配。

路由134，如果匹配成功则建立发布者和订阅者间的通信链路。

读写操作135，负责在匹配成功的发布者和订阅者间的连接通道上读写数据，实现数据传输。

语义化标识库136，用于存储语义化处理后的发布请求关键字数据结构，该数据结构主要用作发布订阅匹配过程中的查询对比依据，标识库具体结构参见图3，主要包括序号、handle标识、主题、数据类型、属性。

其中，

No.表示存储序号；

Handle标识即终端节点数据信息中的handle码，用于查找注册服务中的发布订阅注册信息；

Topic、DataType、Attribute三项用于构建发布订阅数据的参数，实现多粒度参数表达，精细化匹配数据接收方，提高信息发布质量。

参见图4，示出了本发明语义化处理过程示意图。

元数据编码服务发送到语义化处理模块的数据有401、402、403、404四条，经过语言处理子模块进行自然语言解析，并将解析结果与语义字典里存储的特定行业关键字信息比对，将元数据映射成全网统一的规范信息。映射结果如405、406、407、408。主要实现了将Name栏中的发布方、发布者、发布、发布端统一成发布者；将Type栏中的发布、发送、发放统一成发布；将Data Info中的Topic栏中的主题、题目、关键字统一成主题；将Data Info中的DataType栏中的状态数据、状态信息、状态量、状态值统一成状态量；将Data Info中的Attribute栏中的周期和时延信息统一为“<、＝”的形式，避免使用大于号。

参见图5，示出了本发明语义化数据分发服务发布订阅匹配过程示意图。

订阅者发送订阅请求后，提取出订阅请求1的关键字有两项，分别是Topic＝t1，DataType＝状态量。根据请求关键字到语义化标识库中进行对比匹配，首先匹配关键字Topic，发现序号1和3符合，然后再在这两条的DataType中查找值为“状态量”的条目，结果第三条符合订阅请求。将匹配成功结果下发给路由功能块，路由功能块根据发布订阅者的handle标识寻址建立通信链路。订阅请求1中有两个匹配关键字，整个过程是一个二级匹配过程。

订阅者发送订阅请求后，提取出订阅请求2的关键字有三项，分别是Topic＝t2，DataType＝信号量，Attribute为周期小于2s。根据请求关键字到语义化标识库中进行对比匹配，首先匹配关键字Topic，发现序号2、4和6符合，然后再在这三条的DataType中查找值为“信号量”的条目，结果第4和6条符合，接着在4、6条中查找属性值满足周期小于2s的条目，最后确定第6条符合订阅请求。将匹配成功的条目handle标识下发给路由功能块，路由功能块根据发布订阅者的handle标识寻址建立通信链路。订阅请求2中有三个匹配关键字，整个过程是一个三级匹配过程。

传统单级匹配过程中，订阅放需要处理大量可能没用的数据，比如订阅请求只有一个Topic＝t2的关键字，匹配结果会将条目2、4、6都反馈给路由模块，这样订阅端会受到三个发布端的数据。大量无用数据的传输不但降低了订阅方获取真正有用数据的效率，同时增加了通信网络的开销。本发明中采用多级匹配机制，支持多种粒度信息订阅，提高信息传递效率，节约网络总体开销。

参见图6，本发明一种基于语义化标识的数据分发服务的一个实施例的流程示意图，该方法包括：

步骤601：终端设备向Handle注册服务器注册设备Handle码，Handle注册服务器确认注册。

步骤602：注册成功后，终端设备使用所述Handle码作为其全球唯一的标识。并通过元数据编码服务对工业现场终端元数据进行编码。

步骤603：编码完成后发布者注册消息/订阅者注册消息被发送到语义化数据分发服务中的语义化处理模块，进行消歧、统一处理，并将结果传递给注册模块。

步骤604：注册模块接收到注册请求消息后提取关键字并存储。

步骤605：当发布者发送发布请求后，语义化处理模块将该请求发送到语义化标识库，语义化标识库存储发布关键字。

步骤606：当订阅者发送订阅请求后，语义化处理模块将该请求发送到匹配模块，匹配模块根据订阅请求关键字到语义化标识库中匹配发布者，匹配结果反馈给订阅者，成功匹配后向路由模块发送路由请求。

步骤607：路由模块接收到路由请求后规划发布者和订阅者间的通信链路，并发送读写请求到读写操作模块。

步骤608：读写操作模块接收到请求后，从发布者读取数据后写到订阅者的接收通道上，完成数据传输。

Claims (8)

1.一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，其特征在于，包括：

终端，用于承载工业网络中的数据发布者和订阅者；发布者作为数据的发送方，订阅者作为数据的请求方；

元数据编码服务，用于将网络终端的handle标识和元数据进行组装得到工业互联网元数据，并发送给语义化数据分发服务；

语义化数据分发服务，用于处理工业互联网元数据，并根据解析出的发布订阅需求进行注册，将订阅请求和发布关键字进行匹配并建立连接，使发布者和订阅者在建立的通路上传输数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述元数据编码服务，将终端发布者的元数据转换为工业互联网元数据，信息格式如下：

Handle标识，为终端在Handle系统注册的全球唯一的标识；

名称，为终端名称，由用户指定或系统自动生成；

类型，包括发布、订阅两种，表示终端为数据的发布者或订阅者；

设备标识，存储的是终端所在物理设备的Handle标识；

数据信息，表示终端发布或者订阅数据的相关信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，其特征在于，所述数据信息包括：

数据主题，终端发布者为其发布的数据定义的主题，用于数据分发服务匹配数据发布者和订阅者的依据；

数据类型，包括信号量、状态量、事件量、查询量；

数据包长度，代表发送数据包的长度；

数据属性，表征数据的特性，包括数据周期、时延要求。

4.根据权利要求1所述的一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，其特征在于，所述语义化数据分发服务，包括：

语义化处理模块，用于对工业互联网元数据进行自然语言解析和信息提取，对解析并提取出的信息进行消歧，得到所需格式的信息；

注册模块，用于当语义化处理后的信息为发布者注册消息时，完成发布者和订阅者的注册过程，并保存发布者和订阅者的handle标识和名称；

匹配模块，用于当语义化处理后的信息为订阅者注册消息时，将订阅请求与发布者注册消息的发布关键字进行匹配：若该订阅请求与语义化标识库中存储的关键字数据结构一致，则匹配；否则，不匹配；

路由模块，用于匹配后负责建立发布者和订阅者间的通信通路；

读写操作模块，用于负责在匹配一致的发布者和订阅者间的连接通道上读写数据，实现数据传输；

语义化标识库，用于存储语义化处理后的发布请求关键字数据结构，该数据结构用作发布订阅匹配过程中的查询对比依据。

5.根据权利要求4所述的一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，其特征在于，所述语义化处理模块，包括：

语言处理模块，将工业互联网元数据进行自然语言解析，并将解析结果与语义字典里存储的关键字信息比对，将元数据映射成全网统一规范的信息；

语义字典，存储预先设定好的关键字信息。

6.根据权利要求4所述的一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，其特征在于，所述语义化标识库的数据结构，包括：

序号以及对应的Handle标识、参数；

Handle标识，即终端元数据中的handle码，用于查找注册服务中的发布订阅注册信息；

参数包括数据主题、数据类型、数据属性。

7.根据权利要求4所述的一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务系统，其特征在于，所述匹配执行以下步骤：

1)从语义化处理模块获取订阅者发送的订阅请求，提取出订阅请求关键字，包括数据主题Topic、数据类型DataType、数据属性Attribute；

2)首先判断请求关键字的Topic项是否为缺省项，不缺省则根据请求关键字到语义化标识库中进行对比匹配，筛选出Topic值符合关键字要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步；

3)接着判断请求关键字的DataType项是否为缺省项，不缺省则在当前语义化标识库处理结果中查找DataType符合要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步；

4)最后判断请求关键字的Attribute项是否为缺省项，不缺省则在当前语义化标识库处理结果中查找Attribute符合要求的条目；缺省则保持语义化标识库不变，跳到下一步；

5)当前语义化标识库中剩余的条目即为匹配结果。

8.一种基于语义化标识的工业网络数据分发服务方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：终端向Handle注册服务器注册设备Handle码，Handle注册服务器确认注册；

步骤2：注册成功后，终端设备使用所述Handle码作为其全球唯一的标识；并通过元数据编码服务对工业现场终端元数据进行编码；

步骤3：编码完成后发布者注册消息或订阅者注册消息被发送到语义化数据分发服务中的语义化处理模块，进行消歧处理，并将结果传递给注册模块；

步骤4：注册模块接收到注册请求消息后提取关键字并存储；

步骤5：当发布者发送发布请求后，语义化处理模块将该请求发送到语义化标识库，语义化标识库存储发布关键字；

步骤6：当订阅者发送订阅请求后，语义化处理模块将该请求发送到匹配模块，匹配模块根据订阅请求关键字到语义化标识库中匹配发布关键字，匹配结果反馈给订阅者，成功匹配后向路由模块发送路由请求；

步骤7：路由模块接收到路由请求后规划发布者和订阅者间的通信链路，并发送读写请求到读写操作模块；

步骤8：读写操作模块接收到请求后，从发布者读取数据后写到订阅者的接收通道上，完成数据传输。