异构感知数据的动态适配接入方法*

王智莉，卜方玲

(武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉430072)

0 引 言

智慧城市通过信息技术手段，动态监测、分析整合城市各部分的数据，实现对城市生活环境的透彻感知、城市资源的全面调控、城市中各个部分协调配合［1］。然而，各行业布设了各种各样的传感器，传感器数据的采集、传输呈现多种形式，城市感知数据具有异构性，即数据的表达形式多样、数据的传输协议多样、数据的来源多样。数据的来源多样表现在除了物理传感器外，还有虚拟传感器［2］，如权威部门中国气象，通过网络定期发布气象预报或实时气象数据。针对异构性问题，用标准化的元数据来统一管理分散的数据资源，并基于网络实现数据资源共享与服务，该模式得到了普遍理解和认同［3］。传感器网整合框架(sensor web enhancement，SWE)是上述解决方式最典型体系，SWE 定义了标准化的元数据和一系列信息共享方面的网络服务标准［4］，为城市运营提供了完整综合性数据服务。该标准已得到广泛认同［5］，成为事实上的工业标准。

但SWE 主要是面向用户提供传感器信息及其数据的查询，与各类传感器的连接主要通过中间件实现。传感器接入到SWE 服务时，需要将传感器协议转换成SWE 协议［6］。当感知数据与SWE 的服务连接时，需要大量人工操作将成千上万的传感器逐个进行协议转换，工作量巨大，严重阻碍智慧城市的发展进程。因此，需要设计一种感知数据适配接入的方法，使异构数据自动适配接入，减少复杂的人工操作，以解决异构感知数据接入效率低下的问题。

一类通过创建映射规则进行协议转换的方法被提出［7，8］，这类方法将底层协议转换成SWE 协议，但该方法依赖固定的映射模板，当感知数据源发生变化时，原有的映射规则将不能适用。李秀等人［9］基于USDI(universal sensor descriptor for integration)模型，结合IEEE 1451 提出的一种支持传感器动态适配器方法。但IEEE 1451 倾向于底层的设计，不能为虚拟传感器提供额外描述信息［7］。因此，该方法没有考虑到数据来源的多样性，只实现了异构物理传感器感知数据的接入。Broering A 等人［10］进一步扩展了SWE 提出的传感器抽象建模语言，提出了一种传感器总线概念，但处于实验阶段，并没有提供具体的实现方法。上述方法没有很好地解决异构感知数据适配接入难题，即数据的传输协议多样与数据来源多样性导致的感知数据获取方式与解译方法不确定问题。

本文针对上述问题，对异构传感器进行抽象，建立面向SWE 数据接入的异构传感器的信息模型(heterogeneous sensor information model，HSIM)。HSIM 描述了异构物理传感器和异构虚拟传感器在通信能力和数据表达方面的特征。基于该信息模型，提出了异构实时感知数据适配接入SWE 框架方法。该方法根据物理传感器和虚拟传感器的通信接口和数据表达的特征，动态配置与组合连接器模块、译码器模块，生成适配器，实现异构的物理和虚拟传感器感知数据动态适配接入。

1 异构传感器信息模型

传感器信息模型为适配器的自动生成提供了必要的数据，是异构感知数据能否适配接入的关键。HSIM 不仅仅需要提供用于辨识传感器的传感器自身属性、传感器观测能力和观测过程、传感器时空位置等信息。更重要的是必须提供传感器的数据传输协议、传感器数据表达等有关数据接入的元数据信息。

为了满足异构感知数据适配接入SWE 服务的需求，使用SWE 元数据描述HSIM，并增加了有关通信协议、数据表达、数据解译方法的描述。HSIM 如图1 所示，其中通信能力描述传感器通信接口和数据传输协议，用于与数据接入层建立对应通信连接;处理方法指出了输出数据的来源;参数信息为输出提供了必要的数据结构描述;输出与参数信息描述数据表达，用于动态解译感知数据。根据以上信息及其相关关系，译码器和连接器动态组合，生成适配器，从而实现异构感知数据动态适配接入。

2 异构传感器动态适配接入方法

2.1 异构数据接入层

图1 HSIMFig 1 HSIM

SWE 服务所在的应用层与传感器所在的资源层之间添加异构数据接入层(heterogeneous data access layer，HDAL)。适配接入方法在HDAL 中实现，HDAL 完成了不一致的、具有特异性的协议向SWE 协议的转换，如图2 所示。HDAL 分为数据处理层和数据管理层。数据处理层实现异构数据动态接入，数据管理层为SWE 框架提供符合SWE 标准的数据。

图2 异构数据接入层Fig 2 Heterogeneous data access layer

添加传感器时，系统自动生成适配器，其步骤为:1)当传感器网络中部署了新的传感器时，实例化传感器信息模型;2)根据实例进行传感器注册;3)注册信息提交到传感器信息管理器中维护;4)根据实例，查询方法库:适配器生成模块根据通信接口和数据表达特征，配置和组合这些抽象方法动态生成适配器;5)传感器与适配器建立通信连接，并进行数据结构转换;6)解析后的数据交付给观测数据管理器进行统一管理;7)数据服务管理器通过SWE 服务接口进行数据交互，根据上层需要提取传感器信息管理器与观测数据管理器中的数据，按照SWE 规范进行数据重构，实现SWE 服务适配的接入异构感知数据。

2.2 适配器结构

适配器由实例化的信息模型动态生成，一个适配器必需封装了协议层软件和基本的数据解译方法。适配器结构如图3 中所示，划分为会话层、解析层、数据业务层:1)会话层:选择适合的连接器负责与相应的传感器建立通信连接。2)解析层:根据不同的数据封装格式，选择对应的数据解译方法，根据信息模型实例化解译方法，这些方法进行组合生成译码器。3)数据业务层:负责和观测数据管理器交互，提交观测数据。

图3 适配器结构Fig 3 Structure of adapter

2.3 动态适配机制

适配器与传感器建立通信连接，是异构感知数据适配接入的前提。动态适配器的生成依赖于传感器的实例和方法库，其实质是根据传感器的数据协议组合传感器的数据结构和自动解析方法，从而动态生成一个符合传感器数据协议的动态适配器。因此，方法库的全面性决定了适配器能否提供与多源异构传感器数据相适应的协议解析方法，一些通用性的数据解析方法和传感器与适配器创建通信链路方法必须包含在方法库中。适配器的动态生成步骤由图4所示。

图4 适配器生成流程Fig 4 Generation process of adapter

配器的动态生成步骤如下:1)信息模型实例化，保存传感器的整体信息描述，准备开始创建适配器类文件;2)取出字段名称、字段数据类型，创建成员变量;3)取出能力信息、输出数据结构和字段标识信息，查询方法库，添加与传感器连接方法和译码方法;4)判断信息是否读取完毕:是，则创建与观测数据管理模块交互的方法;否，则将转入第3 步;5)创建同名类的构造函数;6)保存适配器同名类，并编译生成二进制文件。

3 气象数据适配接入

气象环境监测是智慧城市建设中重要的方面，城市气象灾害已经成为制约人类生存环境和社会经济发展的重要因素［11］。另一方面，气象数据的类型多种多样。按照气象数据的来源，分为物理传感器实时观测数据和气象中心发布的预报数据。按照数据传输协议，可分为TCP 协议、http协议等。按照数据封装的格式，可分为16 进制数据、json格式数据、xml 格式数据等。由此可见气象数据十分具有代表性。

本文挑选了典型的气象感知数据进行适配接入，数据来源包括:布设在武汉大学诗琳通地球空间信息科学国际研究中心的实时气象监测站数据、绿色呼吸发布的空气质量数据。实时气象监测站数据包括风向、风速、空气温度等，且使用16 进制帧进行数据传输。

以风速为例，首先对建立风速传感器的信息模型实例化，如表1 所示为有关数据接入的具体实例化信息。根据实例化信息，加载Socket 连接方法和16 进制译码方法，动态生成适配器。适配器将转换后的数据交由观测数据管理模块。经过数据重组，生成符合SWE 标准的风速观测数据，其中观测结果部分数据如下:

虚拟传感器以武汉空气质量为例，部分实例化信息如表2 所示。通过实例化信息为适配器配置了http 连接方法和json 数据解析方法，实现虚拟传感器接入。图5 展示了风速与空气质量观测数据。

表1 风速部分实例化信息Tab 1 Part instantiation information of wind speed

表2 空气质量部分实例化信息Tab 2 Part instantiation information of air quality

图5 气象在线观测系统数据Fig 5 Meteorological online observation system data

面向气象的感知数据适配接入表明:异构感知数据适配接入SWE 方法可通过自动挑选和加载连接与数据解译方法，自动生成适配器，实现物理传感器与虚拟传感器异构感知数据的动态接入。该方法在较少人工干预的情况下，解决了数据接入时，由传输协议多样性与数据来源多样性导致的感知数据获取方式与解译方法不确定问题，有效地完成异构感知数据接入，大大提高了异构数据接入效率，满足智慧城市异构感知数据自动适配接入需求。

4 结束语

本文建立了HSIM，提出异构感知数据的动态适配接入方法。HSIM 不仅描述了物理传感器与虚拟传感器自身特性与观测能力，也描述了它们的通信协议与数据表达的特征。动态适配接入方法通过自动生成适配器解决了传输协议多样、来源多样的感知数据接入需要大量人工操作的问题。异构气象观测数据适配接入实验表明:动态适配接入方法能够自动生成适配器，通过异构感知数据的自动解析，实现异构感知数据适配接入至SWE 服务，较好地提高了数据接入标准SWE 服务的效率。

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