面向物聯(lián)網的裝備數(shù)據共享平臺建設方案研究

引言

隨著物聯(lián)網技術的高速發(fā)展，其應用領域將逐步涵蓋包括物流、零售、制造業(yè)、醫(yī)療、消防、交通、軍事等在內的社會生活的各個方面。作為繼計算機、互聯(lián)網之后世界信息產業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網將信息終端延伸和擴展到各種物品之間，與此同時也會產生比互聯(lián)網更為龐大的數(shù)據信息。這些數(shù)據無時無刻不在持續(xù)產生，形式多樣而且數(shù)量驚人。物聯(lián)網中的數(shù)據大體包括以下幾類：物品識別碼（即RFID標簽數(shù)據）、地址/標識符數(shù)據、物品基本信息、位置和環(huán)境數(shù)據、傳感器數(shù)據、履歷檔案數(shù)據、常用物理模型數(shù)據和設備的狀態(tài)及命令數(shù)據等?？偟脕碚f，物聯(lián)網數(shù)據普遍呈現(xiàn)出海量性、共享性、多樣性和不確定性等特點，并且包括結構化數(shù)據、半結構化數(shù)據、流數(shù)據、多維數(shù)據等多種形式叫這些數(shù)據構成了物聯(lián)網信息資源優(yōu)勢的基礎，而實現(xiàn)這些數(shù)據的科學表示、高效操作、充分共享和實時交換，是物聯(lián)網充分發(fā)揮其作用的前提。

由于政府的高度重視，國內對于物聯(lián)網相關技術的研究起步較早，而且發(fā)展很快，技術研發(fā)水平當前也處于世界前列，研究熱度仍在持續(xù)升高。在數(shù)據研究領域，已經有諸多學者就物聯(lián)網數(shù)據的管理，存儲和表示等領域開展了卓有成效的研究，取得了很多有意義的成果。然而就目前來講，我國裝備領域在物聯(lián)網的研究還存在缺乏頂層設計，重視數(shù)據采集，忽略數(shù)據管理與挖掘，導致資源共享嚴重不足等諸多瓶頸因素。為了實現(xiàn)裝備各類信息資源的充分共享，必須加強信息共享平臺的頂層設計。通過對信息共享數(shù)據體系建設方案的研究，制定統(tǒng)一的數(shù)據交換與共享標準，建設統(tǒng)一的數(shù)據共享與交換平臺和統(tǒng)一的接口系統(tǒng)，才能有效地避免裝備基礎設施建設過程中的重復投資，消除“信息孤島”，從而有效實現(xiàn)整個裝備管理內部信息的高度共享和實時交換。

1數(shù)據體系架構

由于裝備數(shù)據體系結構龐大，各業(yè)務、模塊之間關系復雜,因此在針對其數(shù)據共享平臺進行設計過程中，在滿足數(shù)據交換共享和數(shù)據安全需求的前提下，應力求簡化，保證應用部署和維護的簡潔輕量。在這一思路的指導下，數(shù)據共享平臺體系可以分成數(shù)據采集層、數(shù)據轉換層、數(shù)據交換層、數(shù)據共享層、信息安全層和主題應用層等六個層次，其基本的數(shù)據體系架構如圖1所示。

數(shù)據采集層包含來自于物聯(lián)網應用領域的種類多樣的裝備業(yè)務數(shù)據，以及各類相關的資料數(shù)據，包括各種文本文件、二進制數(shù)據文件、XML文件等形式，經過采集終端，被集中存放到數(shù)據轉換層的前端采集庫中。

數(shù)據轉換層完成數(shù)據的標準化轉換以方便在整個大系統(tǒng)各業(yè)務之間實現(xiàn)信息交互。數(shù)據轉換層可以依托各種數(shù)據轉換技術，通過消息中間件，將數(shù)據轉換為業(yè)務應用所需的新格式。一種已有的數(shù)據轉換實現(xiàn)就是基于PML的交換數(shù)據格式，可以對交換數(shù)據的描述均采用PML格式來提高平臺的擴展性和開放性。

數(shù)據交換層的主要實現(xiàn)結構是信息中心（節(jié)點），負責收據的匯集、處理和傳輸功能。數(shù)據通過轉換層經消息中間件匯集到信息中心（節(jié)點）。信息中心（節(jié)點）主要實現(xiàn)數(shù)據信息的處理和傳輸功能。其中數(shù)據處理涉及的主要功能包括數(shù)據存儲、數(shù)據清洗、數(shù)據解密、數(shù)據編目和數(shù)據審計等，而數(shù)據傳輸實現(xiàn)數(shù)據的適配、數(shù)據路由、交換橋接和數(shù)據發(fā)送等功能。此外，信息中心還存儲各類數(shù)據相應的元數(shù)據。

數(shù)據共享層對數(shù)據中心（節(jié)點）的數(shù)據進行抽取，提取出可供共享的數(shù)據信息，并緩存至數(shù)據共享層的共享交換數(shù)據庫中。這些數(shù)據包括各類地址/標識數(shù)據，裝備動態(tài)數(shù)據，資源位置數(shù)據和模型規(guī)范數(shù)據等。同時，在共享交換層還設有共享服務管理模塊，主要為數(shù)據共享交換實現(xiàn)服務發(fā)布和管理等功能。

信息安全是基于物聯(lián)網技術裝備信息共享面臨的最嚴峻的問題，本框架在主題應用層和數(shù)據共享層之間設置了信息安全層，但整個數(shù)據共享平臺體系應該考慮信息安全問題的地方遠不止于此。信息安全層需要考慮的主要問題包括網絡安全、數(shù)據加密、訪問控制、入侵檢測等方面，每個方面都包含著眾多需要研究并解決的技術及應用難題。

主題應用層是整個數(shù)據體系最頂層，是整個物聯(lián)網應用技術發(fā)揮其巨大信息效能的核心。經過層層篩選和提取的共享信息，經過分門別類，提供給主題應用系統(tǒng)，為各類裝備業(yè)務用戶有針對性地提供其所需求的信息服務（包括裝備物流系統(tǒng)、狀態(tài)管理應用系統(tǒng)、維修保障應用系統(tǒng)、綜合分析應用系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)等）。主題應用是全方位的，可以完全根據用戶需求進行定制和開發(fā)，為用戶提供查詢、瀏覽和統(tǒng)計等功能，從而真正實現(xiàn)信息的安全、便捷、可靠共享。

2關鍵技術

物聯(lián)網作為一個“無所不包”的巨系統(tǒng)，涉及的關鍵技術很多，包括基礎性關鍵技術RFID、數(shù)據存儲、處理與表示技術、信息安全技術等，本文探討的關鍵技術，僅僅局限于裝備數(shù)據共享平臺體系構建過程中涉及裝備數(shù)據交換的幾項關鍵技術，包括數(shù)據交換網絡結構、數(shù)據轉換技術、信息交換路由技術等。

2.1數(shù)據交換網絡結構

數(shù)據交換網絡通常采取兩種結構：星型交換網絡和網狀交換網絡。在星型交換網絡中，所有端節(jié)點都只與同一個中心節(jié)點相連接，通過中心實現(xiàn)數(shù)據交換；而在網絡交換結構中,數(shù)據可以在任意兩個節(jié)點之間直接交換。鑒于裝備數(shù)據量過于龐大，建立超大型數(shù)據中心節(jié)點不太現(xiàn)實，而由于數(shù)據傳輸、處理的要求，數(shù)據中心必不可少，將每個端節(jié)點都建成數(shù)據中心則成本太高。因此，一種可行的數(shù)據交換網絡是分層式混合型數(shù)據交換網絡。網絡建成端節(jié)點和數(shù)據中心兩級，端節(jié)點提供數(shù)據服務，數(shù)據中心承擔數(shù)據處理和分發(fā)任務。每一個數(shù)據中心組成星型子網絡,為其關聯(lián)的端節(jié)點分發(fā)數(shù)據；而數(shù)據中心則彼此相連，形成網狀交換網絡，數(shù)據中心彼此地為平等，共同依托云平臺，共享存儲和計算資源。數(shù)據網絡交換示意圖如圖2所示。這種結構的數(shù)據交換網絡，不僅組網方便，擴展性好，節(jié)約了建設成本，保證了數(shù)據交換的時效性，而且抗毀傷性能也非常好。

2.2數(shù)據轉換技術

由于物聯(lián)網數(shù)據來源廣泛，類型眾多，數(shù)據轉換技術作為實現(xiàn)數(shù)據交換的基礎，其對于物聯(lián)網數(shù)據共享的重要性不言而喻。理想的數(shù)據轉換技術并不直接作用于數(shù)據庫中存放的數(shù)據，而是在數(shù)據傳輸分發(fā)時,按照基于特定詞匯集的公共語言對數(shù)據進行格式化，從而實現(xiàn)可靠傳輸和翻譯。在當前技術條件下，歐美的EPC物聯(lián)網采用了基于PML的信息轉換技術。PML（PhysicalMarkupLanguage，物體標記語言）是在計算機網絡數(shù)據交換公共語言XML（eXtensibleMarkupLanguage，可擴展標示語言）的基礎上發(fā)展而來的用以描述物聯(lián)網中所有物品信息的公共語言。PML在包含兩個不同詞匯PLM核和Savant擴充的標準詞匯集的基礎上，定義了EPC物聯(lián)網中所有信息的傳輸方式,為物聯(lián)網網絡的信息存儲、交換提供了標準格式?；谖锫?lián)網技術裝備數(shù)據共享平臺建設，可以參照這種思路，設計出類似的共同語言，也可以直接采用PML，以提高物聯(lián)網的通用性。

2.3信息交換路由技術

由于單個數(shù)據中心的信息存儲和數(shù)據處理能力有限，在請求服務可能訪問多信息中心數(shù)據服務的情況下，數(shù)據共享平臺設計必須考慮信息交換路由問題。平臺應該創(chuàng)建通用代理服務，接收主題應用服務端傳輸來的PML消息并進行分析,然后根據消息內容配置訪問路由，進行基于業(yè)務規(guī)則的匹配,隨后根據不同的分配結果，將用戶的服務請求路由到不同數(shù)據中心的服務提供者。信息交換路由應能夠適用于點對點和一對多等不同路由情況，并能實現(xiàn)可視化路由配置，確保服務請求的數(shù)據信息靈活方便、高效準確地送達用戶。

3共享交換庫建設

基于物聯(lián)網技術裝備數(shù)據交換網絡的分層式混合型網絡結構，裝備數(shù)據共享平臺的多數(shù)功能都依托數(shù)據中心來實現(xiàn),因此有必要對數(shù)據中心的共享交換數(shù)據庫設計進行探討。數(shù)據中心的共享交換庫應當至少包括元數(shù)據庫、基礎數(shù)據庫、業(yè)務數(shù)據庫、模型資料庫、輔助決策庫、主題數(shù)據庫和交換日志庫等七項子庫內容。

其中元數(shù)據庫用于存放系統(tǒng)元數(shù)據；基礎數(shù)據庫用于存放各類代碼信息、單位機構信息、公共資源信息、空間地理信息等基礎信息，以及標準數(shù)據應用字典信息，并且為各類業(yè)務所通用；業(yè)務數(shù)據庫包括業(yè)務信息和業(yè)務規(guī)則兩方面，業(yè)務信息指經過數(shù)據采集過程從前端數(shù)據采集庫抽取出來的重要業(yè)務信息，經過數(shù)據匯集、清洗和編目，規(guī)范完整地存儲在庫中,業(yè)務規(guī)則是指將各業(yè)務本身的標準流程、規(guī)范等信息抽取為一系列的規(guī)則并存放于庫中；模型資料庫包含各類公共資料和模型等通用信息資源；輔助決策庫采用數(shù)據挖掘技術，結合業(yè)務數(shù)據庫和基礎數(shù)據庫中的信息，開發(fā)出可以為數(shù)據使用人員提供統(tǒng)計分析、模式發(fā)掘、智能決策等服務的輔助決策服務產品；主題數(shù)據庫面向業(yè)務應用，以目錄形式存儲各主題業(yè)務經常使用的業(yè)務數(shù)據，以便于高效檢索和交換，同時保持數(shù)據動態(tài)更新的一致性；交換日志庫用于存放數(shù)據交換過程中產生的交換日志，以便于平臺監(jiān)管模塊或是人工對數(shù)據交換歷史進行查閱。

4標準規(guī)范建設

由于物聯(lián)網相關標準規(guī)范繁雜，世界各國所采用的標準規(guī)范也常常不一致，導致標準規(guī)范建設成為了物聯(lián)網建設過程中的一大難題。本節(jié)僅從數(shù)據共享需求角度簡要探討物聯(lián)網裝備數(shù)據共享平臺體系建設過程中涉及的標準規(guī)范建設的若干方面，以完整展現(xiàn)數(shù)據共享平臺的宏觀架構。

物聯(lián)網數(shù)據共享平臺體系建設涉及的標準規(guī)范包括：編碼代碼規(guī)范、數(shù)據項定義規(guī)范、數(shù)據采集規(guī)范、數(shù)據交換格式規(guī)范、數(shù)據管理使用規(guī)范和業(yè)務數(shù)據規(guī)范等。

編碼代碼規(guī)范包括單位、人員、裝備、設備、設施、器材、地理位置、通用屬性等的數(shù)字化名稱，即標識碼，明確其碼長、編碼方式及賦碼方法。

數(shù)據項定義規(guī)范包括基礎數(shù)據及各業(yè)務數(shù)據表涉及的數(shù)據項名稱、標識、層次結構、目錄代碼結構，以及通用數(shù)據應用字典的字典項及其標準編碼。

數(shù)據采集規(guī)范應當明確信息采集的數(shù)據項內容及含義、數(shù)據格式、采集準則、審核機制、采集手段、采集流程、匯集上報方式等。

數(shù)據交換格式規(guī)范明確使用的標準數(shù)據規(guī)范格式，包括與其相關的開發(fā)技術、數(shù)據存儲和管理模式，以及設計策略等。

數(shù)據管理使用規(guī)范包括數(shù)據在管理、運行、維護、使用過程中涉及的人與機構的任務職責、工作流程、管理規(guī)定、更新機制和使用規(guī)定等。

業(yè)務數(shù)據規(guī)范的制定以集成和統(tǒng)一各行業(yè)已有內部規(guī)范為主，在不影響數(shù)據交換使用的前提下盡量適應各業(yè)務原有標準，避免數(shù)據遷移困難。

5結語

基于物聯(lián)網技術裝備數(shù)據共享平臺體系建設的目的是為了充分發(fā)揮物聯(lián)網技術下裝備信息資源優(yōu)勢，實現(xiàn)海量數(shù)據的合理組織、科學管理、快捷傳輸、充分共享和高效利用。本文面向物聯(lián)網裝備數(shù)據實際使用需求，基于數(shù)據中心和服務端節(jié)點兩層混合式網絡結構，構建了物聯(lián)網數(shù)據共享平臺。在此基礎上，進一步針對數(shù)據共享平臺體系建設過程中涉及的關鍵技術，共享交換庫建設，標準規(guī)范建設等問題作了初步探討，提出了一些初步意見，形成了一套相對完整的體系建設方案。文章提出的建設方案在主要功能點，都依托數(shù)據中心實現(xiàn),而單個數(shù)據中心的信息存儲和處理能力有限，在面向大型物聯(lián)網應用時，還存在分布式存儲和計算的問題，因此基于云技術的物聯(lián)網數(shù)據存儲、處理和傳遞問題的解決方案，還需要后續(xù)做進一步探討。

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