異構感知數據的動態適配接入方法*

王智莉，卜方玲

(武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢430072)

0 引 言

智慧城市通過信息技術手段，動態監測、分析整合城市各部分的數據，實現對城市生活環境的透徹感知、城市資源的全面調控、城市中各個部分協調配合［1］。然而，各行業布設了各種各樣的傳感器，傳感器數據的采集、傳輸呈現多種形式，城市感知數據具有異構性，即數據的表達形式多樣、數據的傳輸協議多樣、數據的來源多樣。數據的來源多樣表現在除了物理傳感器外，還有虛擬傳感器［2］，如權威部門中國氣象，通過網絡定期發布氣象預報或實時氣象數據。針對異構性問題，用標準化的元數據來統一管理分散的數據資源，并基于網絡實現數據資源共享與服務，該模式得到了普遍理解和認同［3］。傳感器網整合框架(sensor web enhancement，SWE)是上述解決方式最典型體系，SWE 定義了標準化的元數據和一系列信息共享方面的網絡服務標準［4］，為城市運營提供了完整綜合性數據服務。該標準已得到廣泛認同［5］，成為事實上的工業標準。

但SWE 主要是面向用戶提供傳感器信息及其數據的查詢，與各類傳感器的連接主要通過中間件實現。傳感器接入到SWE 服務時，需要將傳感器協議轉換成SWE 協議［6］。當感知數據與SWE 的服務連接時，需要大量人工操作將成千上萬的傳感器逐個進行協議轉換，工作量巨大，嚴重阻礙智慧城市的發展進程。因此，需要設計一種感知數據適配接入的方法，使異構數據自動適配接入，減少復雜的人工操作，以解決異構感知數據接入效率低下的問題。

一類通過創建映射規則進行協議轉換的方法被提出［7，8］，這類方法將底層協議轉換成SWE 協議，但該方法依賴固定的映射模板，當感知數據源發生變化時，原有的映射規則將不能適用。李秀等人［9］基于USDI(universal sensor descriptor for integration)模型，結合IEEE 1451 提出的一種支持傳感器動態適配器方法。但IEEE 1451 傾向于底層的設計，不能為虛擬傳感器提供額外描述信息［7］。因此，該方法沒有考慮到數據來源的多樣性，只實現了異構物理傳感器感知數據的接入。Broering A 等人［10］進一步擴展了SWE 提出的傳感器抽象建模語言，提出了一種傳感器總線概念，但處于實驗階段，并沒有提供具體的實現方法。上述方法沒有很好地解決異構感知數據適配接入難題，即數據的傳輸協議多樣與數據來源多樣性導致的感知數據獲取方式與解譯方法不確定問題。

本文針對上述問題，對異構傳感器進行抽象，建立面向SWE 數據接入的異構傳感器的信息模型(heterogeneous sensor information model，HSIM)。HSIM 描述了異構物理傳感器和異構虛擬傳感器在通信能力和數據表達方面的特征。基于該信息模型，提出了異構實時感知數據適配接入SWE 框架方法。該方法根據物理傳感器和虛擬傳感器的通信接口和數據表達的特征，動態配置與組合連接器模塊、譯碼器模塊，生成適配器，實現異構的物理和虛擬傳感器感知數據動態適配接入。

1 異構傳感器信息模型

傳感器信息模型為適配器的自動生成提供了必要的數據，是異構感知數據能否適配接入的關鍵。HSIM 不僅僅需要提供用于辨識傳感器的傳感器自身屬性、傳感器觀測能力和觀測過程、傳感器時空位置等信息。更重要的是必須提供傳感器的數據傳輸協議、傳感器數據表達等有關數據接入的元數據信息。

為了滿足異構感知數據適配接入SWE 服務的需求，使用SWE 元數據描述HSIM，并增加了有關通信協議、數據表達、數據解譯方法的描述。HSIM 如圖1 所示，其中通信能力描述傳感器通信接口和數據傳輸協議，用于與數據接入層建立對應通信連接;處理方法指出了輸出數據的來源;參數信息為輸出提供了必要的數據結構描述;輸出與參數信息描述數據表達，用于動態解譯感知數據。根據以上信息及其相關關系，譯碼器和連接器動態組合，生成適配器，從而實現異構感知數據動態適配接入。

2 異構傳感器動態適配接入方法

2.1 異構數據接入層

圖1 HSIMFig 1 HSIM

SWE 服務所在的應用層與傳感器所在的資源層之間添加異構數據接入層(heterogeneous data access layer，HDAL)。適配接入方法在HDAL 中實現，HDAL 完成了不一致的、具有特異性的協議向SWE 協議的轉換，如圖2 所示。HDAL 分為數據處理層和數據管理層。數據處理層實現異構數據動態接入，數據管理層為SWE 框架提供符合SWE 標準的數據。

圖2 異構數據接入層Fig 2 Heterogeneous data access layer

添加傳感器時，系統自動生成適配器，其步驟為:1)當傳感器網絡中部署了新的傳感器時，實例化傳感器信息模型;2)根據實例進行傳感器注冊;3)注冊信息提交到傳感器信息管理器中維護;4)根據實例，查詢方法庫:適配器生成模塊根據通信接口和數據表達特征，配置和組合這些抽象方法動態生成適配器;5)傳感器與適配器建立通信連接，并進行數據結構轉換;6)解析后的數據交付給觀測數據管理器進行統一管理;7)數據服務管理器通過SWE 服務接口進行數據交互，根據上層需要提取傳感器信息管理器與觀測數據管理器中的數據，按照SWE 規范進行數據重構，實現SWE 服務適配的接入異構感知數據。

2.2 適配器結構

適配器由實例化的信息模型動態生成，一個適配器必需封裝了協議層軟件和基本的數據解譯方法。適配器結構如圖3 中所示，劃分為會話層、解析層、數據業務層:1)會話層:選擇適合的連接器負責與相應的傳感器建立通信連接。2)解析層:根據不同的數據封裝格式，選擇對應的數據解譯方法，根據信息模型實例化解譯方法，這些方法進行組合生成譯碼器。3)數據業務層:負責和觀測數據管理器交互，提交觀測數據。

圖3 適配器結構Fig 3 Structure of adapter

2.3 動態適配機制

適配器與傳感器建立通信連接，是異構感知數據適配接入的前提。動態適配器的生成依賴于傳感器的實例和方法庫，其實質是根據傳感器的數據協議組合傳感器的數據結構和自動解析方法，從而動態生成一個符合傳感器數據協議的動態適配器。因此，方法庫的全面性決定了適配器能否提供與多源異構傳感器數據相適應的協議解析方法，一些通用性的數據解析方法和傳感器與適配器創建通信鏈路方法必須包含在方法庫中。適配器的動態生成步驟由圖4所示。

圖4 適配器生成流程Fig 4 Generation process of adapter

配器的動態生成步驟如下:1)信息模型實例化，保存傳感器的整體信息描述，準備開始創建適配器類文件;2)取出字段名稱、字段數據類型，創建成員變量;3)取出能力信息、輸出數據結構和字段標識信息，查詢方法庫，添加與傳感器連接方法和譯碼方法;4)判斷信息是否讀取完畢:是，則創建與觀測數據管理模塊交互的方法;否，則將轉入第3 步;5)創建同名類的構造函數;6)保存適配器同名類，并編譯生成二進制文件。

3 氣象數據適配接入

氣象環境監測是智慧城市建設中重要的方面，城市氣象災害已經成為制約人類生存環境和社會經濟發展的重要因素［11］。另一方面，氣象數據的類型多種多樣。按照氣象數據的來源，分為物理傳感器實時觀測數據和氣象中心發布的預報數據。按照數據傳輸協議，可分為TCP 協議、http協議等。按照數據封裝的格式，可分為16 進制數據、json格式數據、xml 格式數據等。由此可見氣象數據十分具有代表性。

本文挑選了典型的氣象感知數據進行適配接入，數據來源包括:布設在武漢大學詩琳通地球空間信息科學國際研究中心的實時氣象監測站數據、綠色呼吸發布的空氣質量數據。實時氣象監測站數據包括風向、風速、空氣溫度等，且使用16 進制幀進行數據傳輸。

以風速為例，首先對建立風速傳感器的信息模型實例化，如表1 所示為有關數據接入的具體實例化信息。根據實例化信息，加載Socket 連接方法和16 進制譯碼方法，動態生成適配器。適配器將轉換后的數據交由觀測數據管理模塊。經過數據重組，生成符合SWE 標準的風速觀測數據，其中觀測結果部分數據如下:

虛擬傳感器以武漢空氣質量為例，部分實例化信息如表2 所示。通過實例化信息為適配器配置了http 連接方法和json 數據解析方法，實現虛擬傳感器接入。圖5 展示了風速與空氣質量觀測數據。

表1 風速部分實例化信息Tab 1 Part instantiation information of wind speed

表2 空氣質量部分實例化信息Tab 2 Part instantiation information of air quality

圖5 氣象在線觀測系統數據Fig 5 Meteorological online observation system data

面向氣象的感知數據適配接入表明:異構感知數據適配接入SWE 方法可通過自動挑選和加載連接與數據解譯方法，自動生成適配器，實現物理傳感器與虛擬傳感器異構感知數據的動態接入。該方法在較少人工干預的情況下，解決了數據接入時，由傳輸協議多樣性與數據來源多樣性導致的感知數據獲取方式與解譯方法不確定問題，有效地完成異構感知數據接入，大大提高了異構數據接入效率，滿足智慧城市異構感知數據自動適配接入需求。

4 結束語

本文建立了HSIM，提出異構感知數據的動態適配接入方法。HSIM 不僅描述了物理傳感器與虛擬傳感器自身特性與觀測能力，也描述了它們的通信協議與數據表達的特征。動態適配接入方法通過自動生成適配器解決了傳輸協議多樣、來源多樣的感知數據接入需要大量人工操作的問題。異構氣象觀測數據適配接入實驗表明:動態適配接入方法能夠自動生成適配器，通過異構感知數據的自動解析，實現異構感知數據適配接入至SWE 服務，較好地提高了數據接入標準SWE 服務的效率。

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