基于M2M語義的智慧健康應(yīng)用平臺解決方案

李建功 李士寧 賈雪琴 毛峻嶺

1 中國聯(lián)通研究院 北京 100032

2 西北工業(yè)大學(xué) 西安 710072

1 基于M2M語義的技術(shù)架構(gòu)

語義是指數(shù)據(jù)的含義，被賦予含義的數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)化為了信息，數(shù)據(jù)的含義就是語義。語義具有領(lǐng)域性特征，M2M語義即是指物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)含義，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一些術(shù)語和數(shù)據(jù)在解釋上存在差異、理解不同。需要由統(tǒng)一的M2M語義描述物聯(lián)網(wǎng)術(shù)語和數(shù)據(jù)的解釋，也就是用戶用來聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境里現(xiàn)實(shí)世界的途徑。

海量的M2M終端帶來的異構(gòu)性問題給物聯(lián)網(wǎng)資源互通帶來挑戰(zhàn)。基于M2M可理解的語義技術(shù),目前,正逐步運(yùn)用于資源描述,共享和信息整合領(lǐng)域，加入語義將有助于在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域建立M2M可理解的自描述數(shù)據(jù)。然而M2M語義技術(shù)還處于起步階段，在跨平臺的資源互操作性上效果不顯著。 本文結(jié)合現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)本體參考模型及功能架構(gòu)，提出物聯(lián)網(wǎng)語義架構(gòu)，以促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)資源的互操作性。

1.1 語義參考模型

本文考慮的物聯(lián)網(wǎng)語義參考模型基于通用M2M總體架構(gòu)設(shè)計(jì)[1-3]，如圖1所示。其中考慮的參考模型主要關(guān)注在公共服務(wù)層提供語義能力，用以支撐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對語義能力的需求。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)語義參考模型

在語義參考模型中，主要包含應(yīng)用和語義服務(wù)中間件兩個(gè)實(shí)體，其中應(yīng)用實(shí)體位于應(yīng)用層，與通用M2M總體架構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)體一致。語義服務(wù)中間件實(shí)體位于公共服務(wù)層，包含于通用M2M總體架構(gòu)中的CSE(Common Service Entity，共同服務(wù)實(shí)體)中。應(yīng)用和語義服務(wù)中間件之間通過Mca參考點(diǎn)相連，語義服務(wù)中間件之間通過Mcc參考點(diǎn)相連，Mcc’參考點(diǎn)用于語義服務(wù)中間件與外部語義服務(wù)設(shè)施的連接。

應(yīng)用可以通過Mca參考點(diǎn)調(diào)用語義服務(wù)中間件提供的語義能力實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需求。當(dāng)語義服務(wù)中間件無法提供應(yīng)用所需的語義能力時(shí)，語義服務(wù)中間件可以通過Mcc參考點(diǎn)或者M(jìn)cc’參考點(diǎn)調(diào)用其他語義服務(wù)中間件或者外部語義服務(wù)設(shè)施提供的語義能力。

1.2 語義功能架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)基本語義功能架構(gòu)如圖2所示，其功能大致可以分為三個(gè)層面[4-5]。

第一個(gè)層面，設(shè)備抽象、M2M數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)倉庫等功能模塊構(gòu)建了M2M底層的抽象設(shè)備和數(shù)據(jù)等資源的數(shù)據(jù)庫，提供可調(diào)用的底層資源。

第二個(gè)層面，本體模型、本體和語義注釋等功能模塊將底層資源做語義增強(qiáng)，對底層資源增加語義的描述，提供語義化的資源。

第三個(gè)層面，語義分析和查詢、語義mash-up和推理提供對語義化的資源進(jìn)行語義查詢和處理的能力，讓應(yīng)用可以根據(jù)需求找到目標(biāo)資源。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)基本語義功能架構(gòu)

2 智慧健康應(yīng)用場景語義技術(shù)需求

2.1 智慧健康應(yīng)用場景

智慧健康應(yīng)用是以個(gè)人全生命周期電子健康檔案(PHR)為中心，對接多種類型的健康監(jiān)測設(shè)備，包括企業(yè)/社區(qū)健康小屋設(shè)備、家庭便攜健康監(jiān)測設(shè)備、可穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備，承載異構(gòu)健康檔案數(shù)據(jù)，包括社區(qū)電子健康檔案數(shù)據(jù)、體檢報(bào)告數(shù)據(jù)、慢病數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)健康等數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶標(biāo)示與健康設(shè)備M2M標(biāo)示，以及個(gè)人電子健康檔案數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一信息綁定和認(rèn)證，為對外提供全生命周期的健康信息服務(wù)提供技術(shù)保障。

智慧健康應(yīng)用架構(gòu)圖如圖3所示，左側(cè)展示智慧健康的感知層，感知層中包括便攜式健康終端、健康小屋類采集終端、智能手機(jī)終端，終端采用移動(dòng)網(wǎng)和固網(wǎng)接入；中間展示為智慧健康的網(wǎng)絡(luò)層，主要包括運(yùn)營商的接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及M2M業(yè)務(wù)支撐平臺，圖中右側(cè)為架構(gòu)的應(yīng)用層，主要為智慧健康(健康管理)平臺及數(shù)據(jù)中心。

2.2 智慧健康場景語義技術(shù)需求

智慧健康場景中涉及實(shí)體較多，有健康采集設(shè)備、移動(dòng)通信終端、業(yè)務(wù)支撐類系統(tǒng)、健康應(yīng)用類系統(tǒng)等，由于這類實(shí)體在智慧健康場景中沒有定義，極大地影響了智慧健康場景中終端與系統(tǒng)之間的互操作性。

圖3 智慧健康應(yīng)用架構(gòu)圖

在該場景中，健康采集設(shè)備包括便捷式健康終端、可穿戴式健康終端、健康小屋等采集設(shè)備；移動(dòng)通信終端包括智能手機(jī)類終端、家用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)類終端；需要對不同類健康終端、通信終端進(jìn)行定義和標(biāo)準(zhǔn)化語義，而且終端的數(shù)據(jù)接口定義需要進(jìn)行語義標(biāo)準(zhǔn)化。

研究智慧健康場景中M2M語義功能中本體的層次定義，一方面有助于提高本體的靈活性，另一方面有助于增加本體的可擴(kuò)展性。結(jié)合智慧健康應(yīng)用本體分類以及健康本體層次需求，提出了健康本體模型，具體包括多層次本體架構(gòu)、每個(gè)層次本體的定義和范圍及層次之間的關(guān)系模型等。

需要將智慧健康場景中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行資源抽象，抽象為以統(tǒng)一格式描述的資源，然后將這些資源以及資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系在本體構(gòu)建模塊進(jìn)行信息提取、知識元建立和本體構(gòu)造，形成該智慧健康應(yīng)用系統(tǒng)的本體模型，并保存在本體庫中，也可與已經(jīng)存在的上層本體、領(lǐng)域本體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成統(tǒng)一本體知識庫。上層M2M應(yīng)用可以基于統(tǒng)一本體庫及開放接口、mashup等模塊，構(gòu)建基于語義的M2M應(yīng)用。

圖4 健康域本體構(gòu)建架構(gòu)圖

需要將智慧健康場景中涉及的對文本信息源進(jìn)行分詞、去停止詞等預(yù)處理；通過模式提取從文本信息源中獲取知識元組(知識元組由概念與概念間的關(guān)系組成)；計(jì)算知識元組全集中概念、關(guān)系的語義相似性，合并相似的概念、關(guān)系構(gòu)成初始化本體；計(jì)算初始化本體中概念、關(guān)系的重要度及布爾關(guān)系，構(gòu)成層次化的本體[4]。健康領(lǐng)域本體構(gòu)建結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 基于M2M語義的智慧健康應(yīng)用平臺解決方案

3.1 健康本體模型搭建

目前的物聯(lián)網(wǎng)本體都是基于領(lǐng)域?qū)＜胰斯?gòu)建，較權(quán)威的有W3C語義傳感器網(wǎng)絡(luò)孵化器構(gòu)建的SSN本體，此外還有CSIRO、MMI、CESN、A3ME、OntoSensor等十余個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域本體。這些本體以粗粒度方式描述了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的基本概念，但受限于人工構(gòu)建速度的局限和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，這些本體缺乏對特定系統(tǒng)特征、新興概念的描述，不適合直接運(yùn)用在特定的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。本文將通過健康領(lǐng)域的語義本體需求考慮如何自動(dòng)構(gòu)建健康本體模型[6-9]。

健康本體是健康領(lǐng)域相結(jié)合的知識庫，按照健康業(yè)務(wù)定義的概念及概念間關(guān)系的方式為整個(gè)領(lǐng)域建立網(wǎng)狀的知識系統(tǒng)。在智慧健康業(yè)務(wù)場景中實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的互操作是一個(gè)核心問題，需要整合各種信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如電子健康檔案、健康檔案、實(shí)驗(yàn)室檢查系統(tǒng)(LIS)等。以上所述信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化表達(dá)就是采用基于XML的數(shù)據(jù)表達(dá)形式，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理提供基礎(chǔ)。這個(gè)基于XML的結(jié)構(gòu)化表達(dá)并沒有涉及到數(shù)據(jù)本身在語義層面上的關(guān)聯(lián)性。

為實(shí)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之間的互操作，通常需要引入規(guī)范化的術(shù)語，使得異構(gòu)系統(tǒng)之間采用共同的結(jié)構(gòu)化表達(dá)方式以及規(guī)范化的術(shù)語來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表達(dá)上的一致性。這種采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化處理方法限制了現(xiàn)有的不同系統(tǒng)所開發(fā)的健康信息系統(tǒng)的整合與數(shù)據(jù)共享。

健康場景中涉及的數(shù)據(jù)互操作并非要求我們把不同的健康監(jiān)測終端、健康信息系統(tǒng)改造成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)。我們只需要采用一種國際標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)描述語言作為中介語義實(shí)現(xiàn)其異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的互操作就可以達(dá)到目的。

語義數(shù)據(jù)描述語言為這種數(shù)據(jù)互操作提供了技術(shù)基礎(chǔ)。首先，結(jié)構(gòu)化是語義化的基礎(chǔ)，同時(shí)，語義化還實(shí)現(xiàn)了面向概念的關(guān)聯(lián)性描述，支持知識處理與推理，及最大程度的數(shù)據(jù)共享。

如圖5所示，本體按照描述粒度和概念覆蓋面可以分為三個(gè)層次，即上層本體、領(lǐng)域本體和系統(tǒng)本體。上層本體描述了一個(gè)領(lǐng)域中最普遍的概念。選擇領(lǐng)域中合適的現(xiàn)有本體作為上層本體可以充分利用現(xiàn)有的權(quán)威領(lǐng)域知識，同時(shí)，下層不同本體中的概念都可以通過上層本體建立關(guān)系，實(shí)現(xiàn)跨本體的知識互通；領(lǐng)域本體為領(lǐng)域知識提供了更為細(xì)粒度的知識，并可以按照不同的描述側(cè)重分為不同的類型，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域本體可以分為設(shè)備描述本體和觀測描述本體；系統(tǒng)本體將特定系統(tǒng)的知識與領(lǐng)域知識相結(jié)合，為特定的一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)制定知識庫，為系統(tǒng)內(nèi)部的語義搜索、服務(wù)組合提供支撐。

圖5 健康物聯(lián)網(wǎng)本體體系

3.2 健康信息模型搭建

一般來講，信息模型是對實(shí)體的抽象，包括實(shí)體的屬性、實(shí)體之間的關(guān)系以及對實(shí)體的操作。在智慧健康場景中，健康信息模型描述實(shí)體之間的接口，即接口的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)。

通常各個(gè)健康應(yīng)用之間交互的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不需要暴露給CSE[3]的。在這種情況下，健康應(yīng)用之間的接口包含一個(gè)“容器”子資源。CSE不需要了解容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，容器甚至可以被加密。當(dāng)CSE需要為智慧健康應(yīng)用提供相關(guān)的代理功能時(shí)，智慧健康應(yīng)用應(yīng)該向CSE暴露其數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)。

描述健康實(shí)體接口結(jié)構(gòu)的信息，即信息模型，包括參數(shù)名稱、取值范圍、層級結(jié)構(gòu)等。如果接口使用了過程調(diào)用，還需要包含輸入或者輸出參數(shù)的信息。

現(xiàn)有信息模型主要由系統(tǒng)專家手動(dòng)構(gòu)建，缺乏上層規(guī)范、通用知識體系的約束，影響了跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)在知識理解層面上的互通性。基于上節(jié)介紹的本體所構(gòu)建的知識系統(tǒng)，定義和關(guān)聯(lián)資源描述schema中的各個(gè)標(biāo)簽名和標(biāo)簽關(guān)系，從而達(dá)到不同資源描述schema基于本體互聯(lián)互通的目標(biāo)。

以上介紹所構(gòu)成的語義本體庫，包括電子健康檔案基礎(chǔ)語義本體庫、健康小屋編號語義庫、監(jiān)測設(shè)備語義本體庫、健康項(xiàng)目語義本體庫。

以健康小屋中身體成分分析終端所采集數(shù)據(jù)的語義為例，說明如下。

3.3 基于語義的健康應(yīng)用平臺方案

結(jié)合健康應(yīng)用的特點(diǎn)，參考健康物聯(lián)網(wǎng)本體庫定義和健康信息模型，設(shè)計(jì)基于語義的健康應(yīng)用平臺方案。該平臺架構(gòu)如圖6所示。

較之智慧健康基礎(chǔ)應(yīng)用架構(gòu)(如圖3所示)，該平臺架構(gòu)在專用網(wǎng)元和應(yīng)用平臺之間增加了應(yīng)用支撐平臺(M2M平臺)，相應(yīng)在支撐平臺側(cè)增加了M2M語義庫網(wǎng)元。

信息模型在語義物聯(lián)網(wǎng)邏輯架構(gòu)中涉及到資源抽象層和數(shù)據(jù)層兩個(gè)層次。其中，資源描述模型是資源抽象層的核心內(nèi)容，通過約束屬性及屬性層級關(guān)系的方式規(guī)范了一個(gè)集合內(nèi)數(shù)據(jù)信息的描述模型，從而可以屏蔽系統(tǒng)內(nèi)同層次數(shù)據(jù)在資源描述模型上的異構(gòu)；資源描述文件是將具體數(shù)據(jù)填入資源描述模型后得到的單個(gè)資源的映射，屬于數(shù)據(jù)層。

從知識覆蓋面來說，本體是資源描述的知識源。本體涵蓋了領(lǐng)域/系統(tǒng)中的全部通用知識，資源描述模型結(jié)合資源自身特點(diǎn)，選取部分知識節(jié)點(diǎn)構(gòu)造出樹形描述框架。

圖6 基于語義的智慧健康應(yīng)用平臺架構(gòu)

圖7 智慧健康業(yè)務(wù)平臺數(shù)據(jù)展示界面

從資源使用來說，資源描述是資源開放的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，用戶通過調(diào)用資源描述來獲取資源的信息。本體對用戶可暴露也可隱藏。

從知識的互聯(lián)互通來說，跨描述模型的知識互聯(lián)互通需要借助物聯(lián)網(wǎng)本體來實(shí)現(xiàn)，不同描述模型的不同標(biāo)簽可借助本體的知識全集和關(guān)系建立關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)知識的跨系統(tǒng)理解。

M2M語義庫主要是按照健康場景和架構(gòu)定義對健康模型進(jìn)行語義定義，如健康終端(health device)對其采集數(shù)據(jù)項(xiàng)(如，blood pressure、heart rate等)語義的含義、取值、關(guān)系進(jìn)行定義。

M2M平臺作為該平臺架構(gòu)的主要組成部分，主要承擔(dān)的基本功能包括健康采集設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的注冊、認(rèn)證，應(yīng)用平臺的注冊、認(rèn)證，還有部分通用支撐能力的保障。針對M2M語義能力的保障，主要體現(xiàn)在M2M語義解析，根據(jù)健康領(lǐng)域M2M語義庫的定義，實(shí)現(xiàn)各類異構(gòu)健康數(shù)據(jù)的解析、標(biāo)準(zhǔn)化。如圖7所示。

基于語義的智慧健康應(yīng)用平臺，在完成標(biāo)準(zhǔn)語義轉(zhuǎn)化后可以通過支撐平臺與M2M語義庫交互，在業(yè)務(wù)層面可滿足多類健康M2M語義建模、語義查詢、語義推理和語義組合；在數(shù)據(jù)層面，更加便于異構(gòu)健康數(shù)據(jù)的相互識別、共享和新型業(yè)務(wù)模式的構(gòu)建。

通過實(shí)現(xiàn)基于語義的智慧健康應(yīng)用平臺方案，獨(dú)立于各第三方健康應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)格式，便于融合各第三方的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，也有利于未來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，同時(shí)，便于知識提取和知識表達(dá)，代替現(xiàn)有大量人工干預(yù)的枯燥工作。引入知識處理，提高了處理問題的精度和效率；通過提供知識管理與推理，對宏觀把握信息系統(tǒng)提供決策支持，為未來大數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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