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语义物联网应用关键技术研究

于碧辉  
【摘要】:物联网作为我国国家发展战略的重要内容之一,是战略性新兴产业的重要组成部分。在物联网应用快速发展的同时,呈现出跨领域技术融合的发展趋势,规模化、多模式、智能化等典型特征逐步展现,复杂的物联网应用往往会涉及到遵循不同体系和标准的相互独立的物联网系统,其设备连接方式、通信协议、数据产生格式以及所涉及的专业领域知识均有较大差别。然而,相互独立的物联网系统无法满足发展需要,烟囱式系统的构建及升级模式缺陷明显,技术迭代将致使系统架构复杂度不断提高,最终将导致系统重建。同时,信息共享困难、异构系统间互操作性不足等问题成为物联网发展的制约因素。语义技术是联系计算机形式化表示和现实世界的具体方法,因此也成为解决异构系统集成和协作问题的关键技术之一。语义物联网是物联网的改进形式,是物联网与语义技术的多层次融合,通过语义网和大数据技术的融合,实现物联网信息的语义描述、物联网结构化数据的语义标注和语义数据解析、语义信息存储、语义查询、语义推理和语义流处理等核心功能,解决物联网异构系统间语义互操作和协同等问题,进而实现物联网应用的智能化。本课题将以国家重大科学仪器设备开发专项为依托,针对智能化专业科研仪器控制相关问题,深入研究语义技术与物联网融合应用方法以及工程化过程的关键应用技术,具体开展以下研究工作。1.物联网感知与控制语义建模方法研究。面向应用场景和功能需求,构建了具有多层次抽象能力的、层次间低耦合的物联网语义描述框架,明确框架内各部分语义范畴及相互关系,为对语义描述框架中的各部分进行形式化语义模型(本体)设计奠定基础。然后,研究了适用于物联网应用场景的事件语义表示方法,设计了用于表示物联网中的抽象事件以及事件关系的物联网事件本体;接下来,基于物联网事件本体构建了具备物联网感知与控制事件表示能力的领域本体,在这一过程中,遵循本体复用原则,对可用于物联网应用的典型领域本体(SSN)进行改进和扩展,以支撑对事件类型及事件间关系的描述,通过本体对齐方法,将物联网事件模型和改进的物联网基础本体进行关联。最后,面向X射线单晶衍射仪监控的具体场景,基于物联网感知与控制本体对设备构成、部件关系、运行过程等进行语义建模,对物联网感知与控制本体进行了验证。2.物联网知识管理系统构建与查询技术研究。基于语义描述框架设计并构建物联网知识管理系统,进行概念知识存储以及事件逻辑知识存储,并提供知识查询能力。具体根据物联网感知与控制应用的特点,将物联网应用知识系统分解以概念为核心的知识图谱以及以事件为核心的事理图谱两部分,实现对物联网感知与控制本体、概念模式层本体和事理模式层本体等形式化语义模型以及知识实例和事件实例的存储和查询等专用知识管理功能。具体解决了事理图谱和知识图谱中的的知识组织问题,以及基于语义网技术的概念与事件知识的存储与查询问题。最终,采用BSBM和X射线单晶衍射仪实际数据集对查询性能进行了对比测试和分析,结果证明了物联网知识管理系统查询性能可以满足需要。3.流数据实时语义标注技术研究。为了解决在物联网应用中语义流构建中语义标注方法的问题,本文提出了一种数据流语义化处理方法。以X射线单晶衍射仪的高精度Kappa几何测角仪的运行状态控制为应用背景,针对数据流获取、创建语义映射文件、语义标注和语义数据流化等方法进行了详细的说明。最后在X射线单晶衍射仪控制系统的Kappa几何测角仪传感器数据集上对标注方法进行了实验,通过对实验结果的分析,证明了语义标注方法的有效性,为语义流处理引擎的研究提供了数据基础。4.语义流处理技术及应用方法研究。本文详细分析了语义流连续查询语言,设计并实现了RDF流处理引擎,并针对语义流处理过程中的连续查询执行优化问题进行了相关研究,分别提出了语法级优化和逻辑查询计划优化的相关方法。最后,针对X射线单晶衍射仪状态监控和Kappa几何测角仪防碰撞控制等典型场景,对语义流处理引擎的功能进行了验证,实验证明了语义流处理引擎在处理物联网语义流数据方面的有效性。


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