TWI799349B - 利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法 - Google Patents
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Abstract
一種利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，除了搜集相關文獻對各式整合策略進行分類歸納及優劣分析，為了提升智慧城市的互操作性，本發明係提出一種基於語義本體論的方法整合開放地理空間聯盟所定義的CityGML、IndoorGML、及SensorThings API之標準資料模型。此外，由於物聯網中對於物（Thing）的定義非常彈性，本發明提出的本體論考慮了在城市模型中對於Thing之認知的不同視角，例如將建物、房間、門窗、及裝置視為Thing的不同包裝方式。根據結果顯示，基於所提出之本體論，各自獨立的CityGML、IndoorGML、SensorThings API資料來源可透過SPARQL查詢彼此對應之關係。總體而言，本發明所提出的解決方案以具互操作性的方式促進物聯網資源及城市模型資訊的整合，進而支援多樣的智慧城市應用。
Description
本發明係有關於一種利用本體論整合城市模型及物聯網開放式
標準之智慧城市應用方法，尤指涉及一種基於語義（Semantic）本體論（Ontology）的方法整合開放地理空間聯盟（Open Geospatial Consortium, OGC）所定義的CityGML、IndoorGML、及SensorThings API之標準資料模型，特別係指以具互操作性的方式促進物聯網資源及城市模型資訊的整合，進而支援多樣的智慧城市應用者。
智慧城市（Smart City）期望有效整合都市的組成系統及服務，
提昇資源運用的效率、最佳化都市管理與服務，以及改善人類的生活品質。在智慧城市的架構中，城市模型及物聯網（Internet of Things, IoT）各提供了靜態與動態的多種資訊，為了達到具系統性的智慧城市基礎建設，物聯網及城市模型的整合是不可或缺的。然而，目前多數整合城市模型及物聯網資源之現有解決方案都是根據個別應用情境進行客製化而成，不同應用的資料整合方式不具有通用的互操作性（interoperability）。
鑑於過往常見之整合方式為各自獨立資料萃取所需資訊再自行
整合。對單一應用而言，此種方式可達其目標。然而當需支援多項應用時，針對各個應用目標各自萃取資訊進行整合則需花費多餘成本。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提
供一種基於語義本體論的方法整合OGC所定義的CityGML、IndoorGML、及SensorThings API之標準資料模型，且所提本體論係考慮在城市模型中對於物（Thing）之認知的不同視角，將建物、房間、門窗、及裝置視為Thing的不同包裝方式之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法。
本發明之另一目的係在於，提供一種基於所提出之本體論，各自
獨立的CityGML、IndoorGML、SensorThings API資料來源可透過SPARQL（SPARQL Protocol and RDF Query Language）查詢彼此對應之關係之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法。
本發明之另一目的係在於，提供一種以具互操作性的方式促進物
聯網資源及城市模型資訊的整合，進而支援多樣的智慧城市應用之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法。
本發明之另一目的係在於，提供一種將本體論應用於各式模擬智
慧城市案例，如智能家居、智慧保全系統、智慧醫療照護、以及智能火災疏散系統之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法。
為達以上之目的，本發明係一種利用本體論整合城市模型及物聯
網開放式標準之智慧城市應用方法，應用於一智慧城市應用裝置並且對該智慧城市應用裝置中一整合連結資源描述框架（Resource Description Framework, RDF）模組、以及連結該整合連結RDF模組之一CityGML資料模型、一IndoorGML資料模型、與一SensorThings API資料模型進行城市模型與物聯網資源的整合，基於具有豐富語義資訊與可擴展性的一綜合資料模型，以可互操作的方式支援各種智慧城市應用，該方法至少包含下列步驟：應用於一智慧城市應用裝置並且對該智慧城市應用裝置中一整合連結資源描述框架（Resource Description Framework, RDF）模組、以及連結該整合連結RDF模組之一CityGML資料模型、一IndoorGML資料模型、與一SensorThings API資料模型進行城市模型與物聯網資源的整合，基於具有豐富語義資訊與可擴展性的一綜合資料模型，以可互操作的方式支援各種智慧城市應用，該方法至少包含下列步驟：步驟一：透過該整合連結RDF模組的該綜合資料模型，將來自該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之資料依據各自的一CityGML本體論、一ndoorGML本體論、與一SensorThings API本體論分別記錄為RDF格式，利用RDF以三元組的subject-predicate-object描述關係，使該CityGML資料模型之資料、該IndoorGML資料模型之資料、與該SensorThings API資料模型之資料的所有屬性與資訊都完整記錄在一CityGML RDF資料庫、一IndoorGML RDF資料庫、與一SensorThings API RDF資料庫中，依據該三元組結構建立出該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之整合本體論，以描述該CityGML本體論、該IndoorGML本體論、與該SensorThings API本體論中資源之間的關係，其中，該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之整合本體論係依據不同的物聯網物件定義提出不同的整合本體論，包含以裝置為物件（a-device-as-a-Thing）、以門窗為物件（an-opening-as-a-Thing）、以房間為物件（a-room-as-a-Thing）、以及以建物為物件（a-building-as-a-Thing），此四種整合本體論根據物件定義之不同，造成該SensorThings API本體論與該CityGML本體論及該IndoorGML本體論有不同關係；以及步驟二：利用該些整合本體論連結各自獨立的該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之資料來源後，並透過一介面輸入標準化語意網（Semantic Web）查詢語言SPARQL進行該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型三組資料的連結以查詢彼此對應之關係，並以該RDF格式描述。
於本發明上述實施例中，該CityGML資料模型、該IndoorGML資
料模型、與該SensorThings API資料模型之資料的所有屬性與資訊係以名稱、幾何形狀、及觀察資訊存在該三元組的subject-predicate-object裡。
於本發明上述實施例中，該CityGML資料模型與該IndoorGML資
料模型為城市模型，該SensorThings API資料模型為物聯網裝置。
於本發明上述實施例中，該步驟二係透過該CityGML RDF資料
庫、該IndoorGML RDF資料庫、與該SensorThings API RDF資料庫中以該RDF格式儲存的RDF資料支援該SPARQL語意查詢，以完成該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型三組資料之整合查詢。
於本發明上述實施例中，該智慧城市應用裝置可為但不限於一智
能家居系統、一智慧保全系統、一智慧醫療照護系統、以及一智能火災疏散系統中任一者或其組合。
請參閱『第１圖～第６圖』所示，係分別為本發明以語意網技術
整合城市模型與物聯網標準資料模型之架構示意圖、本發明以裝置為物件之整合本體論示意圖、本發明以門窗為物件之整合本體論示意圖、本發明以房間為物件之整合本體論示意圖、本發明以建物為物件之整合本體論示意圖、及本發明以標準化語意網查詢語言SPARQL進行三組資料的連結查詢示意圖。如圖所示：本發明係一種利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，應用於一智慧城市應用裝置１００並且對該智慧城市應用裝置１００中一整合連結資源描述框架（Resource Description Framework, RDF）模組１、以及連結該整合連結RDF模組１之一CityGML資料模型２、一IndoorGML資料模型３、與一SensorThings API資料模型４進行城市模型與物聯網資源的整合，基於具有豐富語義資訊與可擴展性的一綜合資料模型１１，以可互操作的方式支援各種智慧城市應用，該方法至少包含下列步驟：
步驟一：透過該整合連結RDF模組１的該綜合資料模型１１，將
來自該CityGML資料模型２、該IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４等不同資源之資料依據各自的一CityGML本體論２１、一ndoorGML本體論３１、與一SensorThings API本體論４１分別記錄為RDF格式，利用RDF以三元組的subject-predicate-object描述關係，使該CityGML資料模型２之資料、該IndoorGML資料模型３之資料、與該SensorThings API資料模型４之資料的所有屬性與資訊都完整記錄在一CityGML RDF資料庫１２、一IndoorGML RDF資料庫
１３、與一SensorThings API RDF資料庫１４中，依據該三元組結構建立出該CityGML資料模型２、該IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４之整合本體論，以描述該CityGML本體論２１、該IndoorGML本體論３１、與該SensorThings API本體論４１中資源之間的關係，其中，該CityGML資料模型２、該IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４之整合本體論係依據不同的物聯網物件（Thing）定義提出不同的整合本體論，包含以裝置為物件（a-device-as-a-Thing）、以門窗為物件（an-opening-as-a-Thing）、以房間為物件（a-room-as-a-Thing）、以及以建物為物件（a-building-as-a-Thing），此四種整合本體論根據物件定義之不同，造成該SensorThings API本體論４１與該CityGML本體論２１及該IndoorGML本體論３１有不同關係。
步驟二：利用該些整合本體論連結各自獨立的該CityGML資料模
型２、該IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４之資料來源後，並透過一介面１５輸入標準化語意網（Semantic Web）查詢語言SPARQL（SPARQL Protocol and RDF Query Language）進行該CityGML資料模型２、該IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４三組資料的連結以查詢彼此對應之關係，並以該RDF格式描述。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法。
於本發明之一較佳具體實施例中，該CityGML資料模型２與該
IndoorGML資料模型３為城市模型標準，該SensorThings API資料模型４為物聯網標準。
於本發明之一較佳具體實施例中，該CityGML資料模型２、該
IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４之資料的所有屬性與資訊係以名稱、幾何形狀、及觀察資訊存在該三元組的subject-predicate-object裡。
於本發明之一較佳具體實施例中，該步驟二係透過該CityGML
RDF資料庫１２、該IndoorGML RDF資料庫１３、與該SensorThings API RDF資料庫１４中以該RDF格式儲存的RDF資料支援該SPARQL語意查詢，以完成該CityGML資料模型２、該IndoorGML資料模型３、與該SensorThings API資料模型４三組資料之整合查詢。
當運用時，本發明所提出的整合本體論分別對應至第２～５圖，
其中藍色類別為CityGML類別、紫色類別為IndoorGML類別、黃色類別為SensorThings API類別。
在第２圖所示以裝置為物件視圖中， SensorThings API類別中的
sta:Thing 對應至 citygml:BuildingFurniture。若CityGML具有與sta:Thing直接對應之物件，則CityGML資源直接以isThing關係與sta:Thing連結。反之，則以hosts 關係描述sta:Thing與CityGML資源之涵蓋關係，如citygml:BoundarySarface、citygml:Room、citygml:IntBuildingInstallation、indoorgml:Transition、及citygml:Opening。
至於citygml:Room與 indoorgml:State之關係，一個citygml:Room可
以代表一個節點（isState）或是多個節點（containsElement）。此外，當sta:Thing位於一個indoorgml:State之空間時，該sta:Thing則與indoorgml:State滿足withinCellspaceOf之關係。最終 ，citygml:Opening達 成(enables)indoorgml:Transition，如門或窗。
在第３圖所示以門窗為物件視圖中，citygml:Opening，如citygml:
Window或citygml:Door，為一個sta:Thing。因此，sta:Thing可被視為IndoorGML的一個節點（indoorgml:State）或是連結（indoorgml:Transition）。而一個sta:Datastream可記錄該citygml:Opening之狀態，如開或關，或是其他條件，如可通過人數。sta:TaskingCapability則代表門或窗可被控制的能力。而sta:Thing與其他CityGML類別之關係亦於圖中表示。
在第４圖所示以房間為物件視圖中，房間以sta:Thing代表並可包
含多個indoorgml:State。而一個sta:Observation觀測（observes）該房間或房間內組件之現象；一個sta:Datastream為多個觀測該房間相同現 象之sta:Observations。
關於IndoorGML類別，sta:TaskingCapabiltiy可發生於（happensIn）
一個indoorgml:State或indoorgml:Transition，如開啟與關閉門窗。citygml:Room可包含多個代表較小空間範圍之indoorgml:State。
確切而言，一個sta:Thing可包含多個實體，如溫度計、警報器、
門、窗、或房間本身，提供不同感測及致動能力。因此，sta:TaskingCapabilities亦發生於（happensIn）此房間，如變更照明、開關警報等。而此房間之sta:Observations可觀測不同現象，如空氣溫度、相對濕度、空氣品質等。
在第５圖所示以建物為物件視圖中，一個建物包含多個組件，如
citygml:Opening、citygml:BuildingFurniture、與citygml:Room等。如同房間為物件，建物（sta:Thing）可包含多個房間及實體。因此，一個sta:Observation觀測（observes）該建物內之現象，可能是觀測一個房間、建物內任何組件、或是建物本身。相同的，一個sta:TaskingCapability可發生於（happensIn）建物內任何組件，如房間、門窗、空調系統等。最終，由於indoorgml:MultiLayerGarph可代表一個建物之不同領域之空間圖層，本發明將其直接以isMultiLayerGraph對應至citygml:Building。
本發明透過整合本體論連結CityGML資料模型、IndoorGML資料
模型、SensorThings API資料模型之資源後，即可以標準化語意網查詢語言SPARQL進行三組資料的連結查詢。如第６圖範例所示，可由SensorThings API之物聯網裝置連結至CityGML之房間Room，經此連結IndoorGML之空間State及鄰近可通行之空間，最終連結至於此些空間的SensorThings API物聯網裝置所提供的灑水器（Sprinkler）及警報器（Buzzer）致動功能TaskingCapability。
經由本發明所提之整合本體論，CityGML、IndoorGML、
SensorThings API標準化資源可透過所基於之語意網技術進行整合連結，並支援於許多智慧城市應用。舉例而言，「室內節能應用」以SensorThings API物聯網裝置偵測人體活動後，連結至CityGML與IndoorGML查詢所在區域之房間與空間，再連結回SensorThings API查詢位在此些空間之其他物聯網裝置進行能耗調控。「緊急救護系統」以SensorThings API物聯網裝置監測病人身體狀況，當生理訊號出現異常則以其配戴之RFID感測器判斷CityGML內之所在房間並連結至該房間內之SensorThings API物聯網裝置警報器進行控制，亦可透過IndoorGML判斷鄰近之自動體外心臟去顫器（Automated External Defibrillator, AED）進行導航。「火災應變系統」以SensorThings API物聯網裝置監測煙霧及溫度異常，連結至異常現象之CityGML房間與IndoorGML空間，經此查詢SensorThings API之灑水器、抽風機、與警報器致動功能並進行即時應變控制。
由上述可知，本發明所提出之技術著重於城市模型與物聯網資源
的整合，以可互操作的方式支援智慧城市應用。
整體而言，本發明之特點包含：
1. 可有效地以語意網技術整合與支援基於開放式標準的城市模型與物聯網資源之間可互操作的資料集連結查詢，以實現智慧城市應用。
2. 所設計的整合本體論，其定義了關注室內空間的CityGML，IndoorGML與SensorThings API開放式標準資料模型之間的連接關係，同時考慮物聯網物件的不同定義。基於整合本體論，可以整合來自不同資源的資料以支援各種智慧城市應用。
綜上所述，本發明係一種利用本體論整合城市模型及物聯網開放
式標準之智慧城市應用方法，可有效改善習用之種種缺點，可連結城市模型與物聯網，以語意網查詢語言進行CityGML、IndoorGML與SensorThings API三組資料的連結查詢，由資料本質進行關聯，以支援各種智慧城市應用，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定
本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡
單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
１００:智慧城市應用裝置
１:整合連結資源描述框架模組
１１:綜合資料模型
１２:CityGML RDF資料庫
１３:IndoorGML RDF資料庫
１４:SensorThings API RDF資料庫
１５:介面
２:CityGML資料模型
２１:CityGML本體論
３:IndoorGML資料模型
３１:IndoorGML本體論
４:SensorThings API資料模型
４１:SensorThings API本體論
第１圖，係本發明以語意網技術整合城市模型與物聯網標準資料模型之架構示意圖。
第２圖，係本發明以裝置為物件之整合本體論示意圖。
第３圖，係本發明以門窗為物件之整合本體論示意圖。
第４圖，係本發明以房間為物件之整合本體論示意圖。
第５圖，係本發明以建物為物件之整合本體論示意圖。
第６圖，係本發明以標準化語意網查詢語言SPARQL進行三組資料的連結查詢示意圖。
100:智慧城市應用裝置
1:整合連結資源描述框架模組
11:綜合資料模型
12:CityGML RDF資料庫
13:IndoorGML RDF資料庫
14:SensorThings API RDF資料庫
15:介面
2:CityGML資料模型
21:CityGML本體論
3:IndoorGML資料模型
31:IndoorGML本體論
4:SensorThings API資料模型
41:SensorThings API本體論
Claims (5)
- 一種利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，應用於一智慧城市應用裝置並且對該智慧城市應用裝置中一整合連結資源描述框架（Resource Description Framework, RDF）模組、以及連結該整合連結RDF模組之一CityGML資料模型、一IndoorGML資料模型、與一SensorThings API資料模型進行城市模型與物聯網資源的整合，基於具有豐富語義資訊與可擴展性的一綜合資料模型，以可互操作的方式支援各種智慧城市應用，該方法至少包含下列步驟： 步驟一：透過該整合連結RDF模組的該綜合資料模型，將來自該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之資料依據各自的一CityGML本體論、一ndoorGML本體論、與一SensorThings API本體論分別記錄為RDF格式，利用RDF以三元組的subject-predicate-object描述關係，使該CityGML資料模型之資料、該IndoorGML資料模型之資料、與該SensorThings API資料模型之資料的所有屬性與資訊都完整記錄在一CityGML RDF資料庫、一IndoorGML RDF資料庫、與一SensorThings API RDF資料庫中，依據該三元組結構建立出該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之整合本體論，以描述該CityGML本體論、該IndoorGML本體論、與該SensorThings API本體論中資源之間的關係，其中，該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之整合本體論係依據不同的物聯網物件（Thing）定義提出不同的整合本體論，包含以裝置為物件（a-device-as-a-Thing）、以門窗為物件（an-opening-as-a-Thing）、以房間為物件（a-room-as-a-Thing）、以及以建物為物件（a-building-as-a-Thing），此四種整合本體論根據物件定義之不同，造成該SensorThings API本體論與該CityGML本體論及該IndoorGML本體論有不同關 係；以及 步驟二：利用該些整合本體論連結各自獨立的該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之資料來源後，並透過一介面輸入標準化語意網（Semantic Web）查詢語言SPARQL（SPARQL Protocol and RDF Query Language）進行該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型三組資料的連結以查詢彼此對應之關係，並以該RDF格式描述。
- 依申請專利範圍第１項所述之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，其中，該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型之資料的所有屬性與資訊係以名稱、幾何形狀、及觀察資訊存在該三元組的subject-predicate-object裡。
- 依申請專利範圍第１項所述之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，其中，該CityGML資料模型與該IndoorGML資料模型為城市模型標準，該SensorThings API資料模型為物聯網標準。
- 依申請專利範圍第１項所述之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，其中，該步驟二係透過該CityGML RDF資料庫、該IndoorGML RDF資料庫、與該SensorThings API RDF資料庫中以該RDF格式儲存的RDF資料支援該SPARQL語意查詢，以完成該CityGML資料模型、該IndoorGML資料模型、與該SensorThings API資料模型三組資料之整合查詢。
- 依申請專利範圍第１項所述之利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法，其中，該智慧城市應用裝置可為但不限於一智能家居系統、一智慧保全系統、一智慧醫療照護系統、以及一智能火災疏散系統中任一者或其組合。
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| TWI799349B true TWI799349B (zh) | 2023-04-11 |
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Family Applications (1)
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| TW111134976A TWI799349B (zh) | 2022-09-15 | 2022-09-15 | 利用本體論整合城市模型及物聯網開放式標準之智慧城市應用方法 |
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-
2022
- 2022-09-15 TW TW111134976A patent/TWI799349B/zh active
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