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

摘要：針對當前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中相關(guān)數(shù)據(jù)交換標準紛繁復(fù)雜，相關(guān)標準主體各行其是的問題，從XML(可擴展標記語言)和本體的角度出發(fā)，從互聯(lián)網(wǎng)、語義網(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)交換標準體系的思路，即標準應(yīng)以XML為語法格式，以標準化的本體為語義共識；標準體系應(yīng)以頂級本體為基礎(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)用本體標準。文章最后通過一個應(yīng)用實例分析了所述標準體系發(fā)展的若干關(guān)鍵要點。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)交換標準；可擴展標記語言；標準本體

0 引言

2009年被稱為中國的物聯(lián)網(wǎng)元年，這一年，溫家寶總理在無錫視察時提出了“感知中國”戰(zhàn)略。2010年的“兩會”期間，物聯(lián)網(wǎng)首次被寫入政府工作報告中，被確定為國家要大力發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。近年來，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，當前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍處于初級階段，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)標準，尤其是數(shù)據(jù)表達、交換和處理標準。因為傳感器關(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”的問題，而數(shù)據(jù)交換標準則涉及物聯(lián)網(wǎng)中“聯(lián)”的問題。如果不能實現(xiàn)物與物之間暢通無阻的信息交換，就不能稱之為真正的物聯(lián)網(wǎng)。

1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準現(xiàn)狀

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

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

可以看出，現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交換標準大多是針對某一特定領(lǐng)域或行業(yè)業(yè)務(wù)提出的，有一定的局限性，所以當前物聯(lián)網(wǎng)缺少的是一個統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換大集成應(yīng)用標準(或標準體系)。歐盟有關(guān)機構(gòu)正在進行數(shù)據(jù)交換標準“融合”的研究，目標是綜合考慮相關(guān)領(lǐng)域已有的基于XML的數(shù)據(jù)交換標準，以便為那些在不同的標準中語義上具有等價性的數(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識結(jié)構(gòu)，從而提煉出一個基礎(chǔ)的元數(shù)據(jù)標準，把這個標準作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的核心，那么，對于不同的行業(yè)應(yīng)用，就可以基于元數(shù)據(jù)擴展出相應(yīng)的行業(yè)數(shù)據(jù)交換標準。

總體來說，物聯(lián)網(wǎng)的標準化工作已經(jīng)得到了業(yè)界的普遍重視，但對于應(yīng)用層的標準化工作來說，還需要客觀分析物聯(lián)網(wǎng)標準的整體需求，從國際標準、國家標準、行業(yè)標準、地區(qū)標準等多個層次進行統(tǒng)籌設(shè)計；其次，還需要協(xié)調(diào)各個標準的推進策略，優(yōu)化資源配置。

2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準體系的構(gòu)建

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

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)計的，本體論最初也是起源于哲學領(lǐng)域，隨后在研究人工智能時被引入計算機領(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)交換標準問題，但它們卻為這一問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)交換標準的語法基礎(chǔ)——XML

XML(eXtensible Markup Language，可擴展標記語言)是W3C組織于1998年推出的一種用于數(shù)據(jù)描述的元標記語言標準。作為SGML(Stan dard Generalized Markup Language，標準通用標識語言)的一個簡化子集，它結(jié)合了SGML豐富的功能和HTML的簡單易用，同時具有可擴展性、自描述性、開放性、互操作性、可支持多國語言等特點，因而得到了廣泛地支持與應(yīng)用。

對于作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準的格式來說，XML具有以下顯著優(yōu)點：

(1)可定義行業(yè)或領(lǐng)域標記語言

XML可以用DTD或者Schema來定義，一份遵循DTD或者Schema定義的XML文檔才是有效的。因此，XML可以針對不同的應(yīng)用建立相關(guān)的標準語言，如化學標記語言(CML)、數(shù)學標記語言(MathML)、語音標識語言(VoiceXML)等，包括目前物聯(lián)網(wǎng)中很多已經(jīng)存在的標準都是基于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簽并指定元素間的關(guān)系，同時它也是W3C公開的一種數(shù)據(jù)格式，沒有版權(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，如可擴展樣式表語言XSL、數(shù)據(jù)查詢技術(shù)xQuery、文檔對象模型DOM等等。

2．1．2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準的語義基礎(chǔ)——本體

本體(Ontology)起源于哲學，被Neches等人引入計算機科學領(lǐng)域后，在人工智能、語義Web、軟件工程、圖書館學以及信息架構(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)范說明”。Studer在對前人的定義進行概括后提出：本體的概念包括四個方面：

(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，可以被計算機處理；

(4)共享：本體中體現(xiàn)的是共同認可的知識，反映的是相關(guān)領(lǐng)域中公認的概念集，它所針對的是團體而不是個體。

本體的目標是獲取相關(guān)的領(lǐng)域知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯(術(shù)語)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表示的Web應(yīng)用系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)或知識交換共享的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。通過定義共享和公共的領(lǐng)域知識，本體可幫助機器之間或機器與人之間更加精確地交流，實現(xiàn)相互之間的語義交換，而不只是語法級的交互。

按照領(lǐng)域依賴程度，Guarino將本體劃分為四類：第一類是頂級本體，用于描述通用的概念和概念之間的關(guān)系，如時間、空間、物質(zhì)、對象、事件、動作等，頂級本體獨立于特定的問題和領(lǐng)域，與具體的應(yīng)用無關(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；第三類是任務(wù)本體，用于描述特定任務(wù)或活動(如入學或取款)中的概念，即過程性知識；第四類是應(yīng)用本體，應(yīng)用本體可通過進一步特殊化領(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，這些概念通常對應(yīng)于領(lǐng)域個體執(zhí)行特定活動時所扮演的角色(如學生入學或客戶取款)。

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

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

XML在語法上的結(jié)構(gòu)化信息表達能力和本體在語義上的透明性之間的優(yōu)勢互補為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準的建立提供了很好的解決思路。