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面向语义服务的物联网中间件关键技术研究

廉梦佳  
【摘要】:物联网愿景是越来越多的事物嵌入识别感知、驱动、处理和通信等能力,通过广泛应用渗透到社会的方方面面,为用户提供简单便利的智能应用服务。物联网发展至今,大多是以封闭紧耦合方式进行应用系统开发,同时海量复杂多样的设备接入使物联网具有规模性、异构性等特征。这些导致应用系统之间相互独立,无法很好地资源整合共享,造成物理和网络环境中资源利用率低,阻碍了物联网进一步发展。物联网当前的相关研究范围局限于感知识别等垂直型应用服务,但跨领域、跨系统的水平方向融合应用能提供更加智能化的服务,真正意义上实现物联网的愿景。物联网中间件可以支撑物联网基础设施集成,改变物联网目前竖井式碎片化开发模式,旨在将异构设备和技术组合到应用程序开发中,通过屏蔽底层复杂的实现细节,向上提供统一标准的物联网服务访问接口,实现不同应用之间的数据交互共享。物联网能够连入大量智能设备使其具有一定的优势,但也带来了新的挑战。设备、计算通信能力、协议和数据格式等方面的高度差异使物联网发展过程中面临的主要挑战是数据和功能操作的异构性,引起系统应用之间数据无法相互理解,信息无法正常交互等问题。这使得语义互操作性成为物联网中间件提供无缝通信和服务时重点解决的问题之一。语义模型以机器可理解处理的模式描述数据,能够提升数据信息的价值,有助于异构应用之间交换语义注释的信息。面向服务的思想能够将事物中传感器等设备功能以统一规范的操作模式抽象为服务,使异构感知的语义数据可以通过Internet的服务访问,实现多样化物联网应用整体的互操作性。物联网应用的目标是根据用户需求提供相关数据和个性化服务。随着应用领域的延伸,物联网接入的设备实体逐渐数量规模化和种类多样化,导致物联网数据和服务空间不断扩大,使得数据服务的高效分发交付也成为物联网中间件待解决的关键问题。为了解决物联网规模性和异构性引起的上述问题,本文关于物联网中间件关键技术研究内容的主要创新工作有以下几个方面:1.构建面向语义服务的物联网中间件模型针对物联网设备格式不统一,异构互操作等问题,本文在对物联网环境中语义互操作性分析的基础上,利用语义和服务计算模式的思想,构建了面向语义服务的物联网中间件模型。该中间件模型集成语义和服务技术,支撑传感设备层与应用层之间信息和服务的语义互操作环境。2.基于本体的物联网语义建模针对物联网底层设备之间数据异构出现“理解鸿沟”,以及信息无法交互共享等问题,本文通过分析物理世界和信息世界之间的映射关系,采用本体Ontology及其描述语言OWL-(S),建立了异构物联网环境中基于本体Ontology的实体概念语义化共享模型,主要包括设备-资源和功能-服务的本体模型。该模型以一种机器可理解的方式描述感知数据,增添了物联网数据关联的语义性,并且将设备功能抽象为服务进行统一规范描述,为跨领域跨平台的系统应用之间信息交互共享奠定了基础。3.基于发布/订阅模型的按需分发消息空间针对物联网环境中数据快速获取形成的巨大消息空间,引起用户无法快速直接获取有价值的信息等问题,本文基于发布/订阅的交互模型构建了物联网中间件中数据按需分发的消息空间。为了重点解决大规模用户订阅导致事件-订阅匹配算法性能降低的问题,本文利用用户兴趣相关性设计了一种新颖的基于频繁属性集的订阅索引结构和两级订阅过滤策略,缩小后续匹配的订阅集合规模。同时提出了相应的基于兴趣优先级的事件匹配算法,以原子谓词和订阅谓词约束值域为基本操作匹配事件可满足的订阅集。该算法的设计过滤了几乎所有与事件无关的订阅,删除了订阅集中大量重复或相似谓词,减少了匹配过程中冗余比较的次数,实验结果可以看出改善了事件-订阅匹配算法的性能。4.基于相似度的物联网服务发现方法针对物联网大量设备接入,应用领域涉及范围广使提供的服务数量持续增长,导致用户获取满足需求的服务面临困难,本文通过物联网中间件集成了物联网服务统一的提供管理空间。为了改善物联网背景下服务发现提供的性能,提出了基于语义相似度的服务概率发现方法。该方法首先利用面向领域本体的服务概率主题划分服务发现空间,通过请求服务主题与聚类主题簇的相似性,减少服务功能逻辑相似计算的次数;然后利用本体概念的信息量计算服务功能逻辑之间的语义相似性,匹配筛选功能性满足用户需求的服务;最后基于服务质量Qo S和用户偏好权重发现非功能性满足用户的服务。该方法主要是通过概率主题的相似性减少服务发现的空间数量规模,利用功能逻辑相似和服务质量Score发现多方面满足用户需求的物联网服务,通过准确率,F1-measure,平均查全率和查准率的实验结果分析,性能相对优于其他一些服务发现方法。


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