基于XML和本體的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)體系研究

摘要：針對(duì)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中相關(guān)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)紛繁復(fù)雜，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主體各行其是的問(wèn)題，從XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)和本體的角度出發(fā)，從互聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)義網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系入手，提出了建立物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)體系的思路，即標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以XML為語(yǔ)法格式，以標(biāo)準(zhǔn)化的本體為語(yǔ)義共識(shí)；標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)以頂級(jí)本體為基礎(chǔ)，以縱向的領(lǐng)域本體和橫向的任務(wù)本體為支撐，建立起各種不同的應(yīng)用本體標(biāo)準(zhǔn)。文章最后通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例分析了所述標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)展的若干關(guān)鍵要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)；可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言；標(biāo)準(zhǔn)本體

0 引言

2009年被稱為中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)元年，這一年，溫家寶總理在無(wú)錫視察時(shí)提出了“感知中國(guó)”戰(zhàn)略。2010年的“兩會(huì)”期間，物聯(lián)網(wǎng)首次被寫入政府工作報(bào)告中，被確定為國(guó)家要大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，從中央到地方、從政府到企業(yè)，一餳物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的熱潮正在如火如荼地展開。然而，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍處于初級(jí)階段，還面臨著傳感器技術(shù)不成熟、缺乏商業(yè)應(yīng)用模式、信息安全和隱私等諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，其中制約物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大瓶頸，則是缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是數(shù)據(jù)表達(dá)、交換和處理標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閭鞲衅麝P(guān)鍵技術(shù)的突破、商業(yè)應(yīng)用模式的推廣等等，都只是物聯(lián)網(wǎng)中“物”的問(wèn)題，而數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)則涉及物聯(lián)網(wǎng)中“聯(lián)”的問(wèn)題。如果不能實(shí)現(xiàn)物與物之間暢通無(wú)阻的信息交換，就不能稱之為真正的物聯(lián)網(wǎng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要分為三個(gè)層面：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層主要是對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別或數(shù)據(jù)采集；傳輸層是通過(guò)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)將信息進(jìn)行可靠傳輸；應(yīng)用層則是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理或展示。在這三層體系中，感知層中基于物理、化學(xué)、生物等技術(shù)發(fā)明的傳感器“標(biāo)準(zhǔn)”多已成為專利。而傳輸層的各種通信標(biāo)準(zhǔn)也已基本成熟，建立新的物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)難度較大，可行性較小。因此，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵和亟待統(tǒng)一的是關(guān)于應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)，而其中尤以數(shù)據(jù)表達(dá)、交換和處理標(biāo)準(zhǔn)為核心。

目前，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)主要有PML、EDDL、M2MXML、NGTP等。其中，PML是實(shí)體標(biāo)注語(yǔ)言，它是EPC(產(chǎn)品電碼)物聯(lián)網(wǎng)中交換信息的共同語(yǔ)言，用來(lái)描述人及機(jī)器都可以使用的自然物體的描述標(biāo)準(zhǔn)。EDDL是電子設(shè)備描述語(yǔ)言，它可以描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)，以用于工程、調(diào)試、監(jiān)視運(yùn)行和診斷。M2MXML是一種用于終端設(shè)備間的通信協(xié)議，它包含一個(gè)用于分析協(xié)議的、與語(yǔ)義無(wú)關(guān)的JavaAPI。NGTP是寶馬公司推出的開放式Telematics協(xié)議架構(gòu)平臺(tái)，它使用統(tǒng)一、開放的接口來(lái)區(qū)分Telematics服務(wù)供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。此外，還有智能建筑領(lǐng)域的OB1X標(biāo)準(zhǔn)、公共安全與應(yīng)急領(lǐng)域的CAP標(biāo)準(zhǔn)以及PCM(脈碼調(diào)制)遙測(cè)技術(shù)的IRIG標(biāo)準(zhǔn)等。

可以看出，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)大多是針對(duì)某一特定領(lǐng)域或行業(yè)業(yè)務(wù)提出的，有一定的局限性，所以當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)缺少的是一個(gè)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換大集成應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(或標(biāo)準(zhǔn)體系)。歐盟有關(guān)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)“融合”的研究，目標(biāo)是綜合考慮相關(guān)領(lǐng)域已有的基于XML的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，以便為那些在不同的標(biāo)準(zhǔn)中語(yǔ)義上具有等價(jià)性的數(shù)據(jù)元素(盡管他們可能有不同的名字)提供全球唯一的交叉引用方式和標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)，從而提煉出一個(gè)基礎(chǔ)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，把這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的核心，那么，對(duì)于不同的行業(yè)應(yīng)用，就可以基于元數(shù)據(jù)擴(kuò)展出相應(yīng)的行業(yè)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

總體來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)得到了業(yè)界的普遍重視，但對(duì)于應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化工作來(lái)說(shuō)，還需要客觀分析物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的整體需求，從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)層次進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)；其次，還需要協(xié)調(diào)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)策略，優(yōu)化資源配置。

2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建

2．1 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)體系的基石

XML技術(shù)是為了克服HTML在互聯(lián)網(wǎng)信息交換和表示方面的缺陷而設(shè)計(jì)的，本體論最初也是起源于哲學(xué)領(lǐng)域，隨后在研究人工智能時(shí)被引入計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。雖然兩者的出現(xiàn)都不是為了解決物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，但它們卻為這一問(wèn)題的解決提供了必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

2．1．1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)法基礎(chǔ)——XML

XML(eXtensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言)是W3C組織于1998年推出的一種用于數(shù)據(jù)描述的元標(biāo)記語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。作為SGML(Stan dard Generalized Markup Language，標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)識(shí)語(yǔ)言)的一個(gè)簡(jiǎn)化子集，它結(jié)合了SGML豐富的功能和HTML的簡(jiǎn)單易用，同時(shí)具有可擴(kuò)展性、自描述性、開放性、互操作性、可支持多國(guó)語(yǔ)言等特點(diǎn)，因而得到了廣泛地支持與應(yīng)用。

對(duì)于作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的格式來(lái)說(shuō)，XML具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

(1)可定義行業(yè)或領(lǐng)域標(biāo)記語(yǔ)言

XML可以用DTD或者Schema來(lái)定義，一份遵循DTD或者Schema定義的XML文檔才是有效的。因此，XML可以針對(duì)不同的應(yīng)用建立相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，如化學(xué)標(biāo)記語(yǔ)言(CML)、數(shù)學(xué)標(biāo)記語(yǔ)言(MathML)、語(yǔ)音標(biāo)識(shí)語(yǔ)言(VoiceXML)等，包括目前物聯(lián)網(wǎng)中很多已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)都是基于XML定義的。

(2)具有結(jié)構(gòu)化的通用數(shù)據(jù)格式

XML使用樹形目錄結(jié)構(gòu)形式，可以自行定義文字標(biāo)簽并指定元素間的關(guān)系，同時(shí)它也是W3C公開的一種數(shù)據(jù)格式，沒(méi)有版權(quán)的使用限制，因而十分適合作為小同應(yīng)用程序之間的信息交換格式。

(3)可提供整套方案

XML擁有一整套技術(shù)體系，如可擴(kuò)展樣式表語(yǔ)言XSL、數(shù)據(jù)查詢技術(shù)xQuery、文檔對(duì)象模型DOM等等。

2．1．2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義基礎(chǔ)——本體

本體(Ontology)起源于哲學(xué)，被Neches等人引入計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域后，在人工智能、語(yǔ)義Web、軟件工程、圖書館學(xué)以及信息架構(gòu)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。關(guān)于本體最流行的定義是Gruber在1993年給出的，即“本體是概念模型的明確的規(guī)范說(shuō)明”。Studer在對(duì)前人的定義進(jìn)行概括后提出：本體的概念包括四個(gè)方面：

(1)概念模型：它是客觀世界現(xiàn)象的抽象模型，其表示的含義獨(dú)立于具體的環(huán)境狀態(tài)；

(2)明確：所使用的概念及使用這些概念的約束都有明確的定義；

(3)形式化：本體的表示是形式化的，可以被計(jì)算機(jī)處理；

(4)共享：本體中體現(xiàn)的是共同認(rèn)可的知識(shí)，反映的是相關(guān)領(lǐng)域中公認(rèn)的概念集，它所針對(duì)的是團(tuán)體而不是個(gè)體。

本體的目標(biāo)是獲取相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，提供對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術(shù)語(yǔ))和詞匯間相互關(guān)系的明確定義。所以，本體是具有小同知識(shí)表示的Web應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)或知識(shí)交換共享的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。通過(guò)定義共享和公共的領(lǐng)域知識(shí)，本體可幫助機(jī)器之間或機(jī)器與人之間更加精確地交流，實(shí)現(xiàn)相互之間的語(yǔ)義交換，而不只是語(yǔ)法級(jí)的交互。

按照領(lǐng)域依賴程度，Guarino將本體劃分為四類：第一類是頂級(jí)本體，用于描述通用的概念和概念之間的關(guān)系，如時(shí)間、空間、物質(zhì)、對(duì)象、事件、動(dòng)作等，頂級(jí)本體獨(dú)立于特定的問(wèn)題和領(lǐng)域，與具體的應(yīng)用無(wú)關(guān)；第二類是領(lǐng)域本體，用于描述特殊領(lǐng)域(如教育或金融)中的概念，即陳述性知識(shí)；第三類是任務(wù)本體，用于描述特定任務(wù)或活動(dòng)(如入學(xué)或取款)中的概念，即過(guò)程性知識(shí)；第四類是應(yīng)用本體，應(yīng)用本體可通過(guò)進(jìn)一步特殊化領(lǐng)域本體和任務(wù)本體，將其用于描述既依賴于特定領(lǐng)域，又依賴于特定任務(wù)的概念，這些概念通常對(duì)應(yīng)于領(lǐng)域個(gè)體執(zhí)行特定活動(dòng)時(shí)所扮演的角色(如學(xué)生入學(xué)或客戶取款)。

2．2 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)體系的思路

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物與物相連的網(wǎng)絡(luò)，要想實(shí)現(xiàn)物與物之間暢通無(wú)阻的“交流”，就需要在語(yǔ)法上相同，在語(yǔ)義上互通。通俗的說(shuō)，就是用相同的格式表達(dá)同一個(gè)意思。

XML在語(yǔ)法上的結(jié)構(gòu)化信息表達(dá)能力和本體在語(yǔ)義上的透明性之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了很好的解決思路。