16面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法

1、計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展DOI：107544issnl000一1239201420131095Joumal of Computer Research and Development51(2)：260一277，2014面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法胡楚麗12 陳能成2 關(guān)慶鋒1 李佳2 王曉蕾2 楊訓(xùn)亮21(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院武漢430074)2(測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢大學(xué))武漢430079)(andyhulitomcom)An h崛刪on踟m Sharing Method for Hete噸刖姍s senrs Oriented to EmergencyResp

2、onse in Smart CityHu Chulil，Chen Nengchen92，Guan Qingfen91，Li Jia2，Wang Xiaolei2，and Yang Xunlian921(F口c“Zfy o，h，0rm口i072 E以gi行卵ri行g(shù)，Ci行隊(duì)渤r5叻。廠osfi刪fPs(協(xié)口行)，W億加以430074)2(Sf應(yīng)e Kgy L口6口凇or了o，工竹歹br優(yōu)口i。攤E扎gi豫PPri竹g i竹S群r。Pyi雄g，M口ppi行g(shù)口行d RP7雅De Se行si砣g(V曠“?？谛奂篿儺rsify)Wnn 430079)Abstract It can be said t

3、hat smart citv will be bu訂t on the observations of sensors Nowadays，city sensors have the features of being diverse in sensor type，different in obserVation mechanism and huge in quantity，and they represent a closed，isolated and autonomous obserVation scenario Facing withcomplex city emergency events

4、，it is inefficient to manage those heterogeneous city sensors Via WorldWide Web The scarcity of the realtime，right and reliable data sourced from physical sensors and the inefficiency of emergency response decisionmaking seriously hinder the“smartprocess of emergency response in smart city We pr。pos

5、e a frameworkor the integrating and sharing of heterogeneous city sensors oriented to emergency response Firstly those heterogeneous sensors are uniformly described； Secondly we register them into a standard Webbased catalogue service and the registered sensor resources can be ondemand discovered；Th

6、irdly，we construct an integration and sharing platform for city heterogeneous sensors Last， we use waterlogging emergency response of Wuhan city as the disaster app“cation to verify the feasibility and extensibility of integration and sharing method for heterogeneous floodrelated sensors The result

7、shows that the proposed framework promotes theshift of heterogeneous waterlogging sensors from the observation island to integration management situation，which can lay a s01id basis for sensor sharing and observation planning required in smart cityemergency respOnseKey words emergency response； smar

8、t city； sensor Web； waterlogging； sensor res。urces sharing； integration management摘要智慧城市的實(shí)現(xiàn)是建立在傳感器資源觀測應(yīng)用之上城市傳感器資源類型多樣，觀測機(jī)理各異， 數(shù)量巨大，它們呈現(xiàn)出封閉、孤立和自治性面對(duì)復(fù)合的城市應(yīng)急事件時(shí)，基于萬維網(wǎng)的城市異構(gòu)傳感器資源管理低效，導(dǎo)致城市應(yīng)急響應(yīng)的實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)來源匱乏與決策低效，嚴(yán)重阻礙了城市應(yīng)急響應(yīng)的“智慧化”提出了面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器資源集成共享框架，通過將城市異構(gòu)傳感器資源收稿日期：2013一0729；修回日期：20131l一18基金項(xiàng)目：國家“八六三

9、”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目(2013AA01A608)；國家“九七三”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目(201lCB7071)；國 家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171315)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才基金項(xiàng)目(NCET11一0394)；教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)新教師基金項(xiàng)目(20130145120013)通信作者：胡楚麗(andyhulitomcom)；陳能成(cncwhueducn)胡楚麗等：面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法統(tǒng)一化描述，然后基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)進(jìn)行傳感器資源萬維網(wǎng)注冊(cè)與按需發(fā)現(xiàn)構(gòu)建了城市異構(gòu)傳 感器資源集成共享平臺(tái)，以武漢內(nèi)澇型災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)為案例，驗(yàn)證了城市內(nèi)澇監(jiān)測傳感器資源

10、的集成共 享的可行性和可擴(kuò)展性，促使城市分布式異構(gòu)傳感器資源從“觀測孤島”到“集成共享”的轉(zhuǎn)變，為智慧城 市應(yīng)急響應(yīng)所需的傳感器資源共享與觀測規(guī)劃提供依據(jù)關(guān)鍵詞應(yīng)急響應(yīng)；智慧城市；傳感網(wǎng)；內(nèi)澇；傳感器共享；集成管理中圖法分類號(hào) TP2129；TP3933美國商業(yè)周刊1999年8月30日刊登的“21 世紀(jì)的21種設(shè)想”中指出“地球?qū)⑴弦粚与娮悠つw”，即全球泛在傳感器李德仁等人u指出在智慧城市建設(shè)中，傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，它完成對(duì)城市觀測信息的采集世界無線研究論壇(wireless world research forum，WWRF)在2006年6月曾預(yù)測，到2017年將有7

11、萬億傳感器為 地球上的70億人口提供服務(wù)心2007年P(guān)ervasive Computing雜志文章31指出，如何對(duì)這些密集型的傳感器資源進(jìn)行集成共享是一個(gè)大的挑戰(zhàn)隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，我們面臨著多種應(yīng) 急突發(fā)情景：自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生、社會(huì)安全等這些應(yīng)急突發(fā)事件造成嚴(yán)重的人員傷亡和重 大的財(cái)產(chǎn)損失在智慧城市建設(shè)過程中，城市智慧化應(yīng)急響應(yīng)尤為重要結(jié)合智慧城市應(yīng)急響應(yīng)資源管 理需求41，胡楚麗嘲指出及時(shí)、準(zhǔn)確、全面與統(tǒng)一地發(fā)現(xiàn)和利用傳感器資源是對(duì)分布式、海量與異構(gòu)資源集成共享的全面體現(xiàn)隨著傳感器往微型化、網(wǎng)絡(luò)化與低廉化方向發(fā) 展，目前城市各部門各行業(yè)布設(shè)了形形色色的傳感 器，但這些傳感器

12、類型多樣，觀測機(jī)理各異，數(shù)量巨大，它們呈現(xiàn)出封閉、孤立和自治性過去，國內(nèi)外傳感器資源管理研究9_10主要是在傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network)環(huán)境下，傳感器管理分為3個(gè)級(jí)別：1)傳感器級(jí)，側(cè)重對(duì)傳感器的工作模式或參數(shù)(如指向、頻率)的調(diào)控；2)平臺(tái)級(jí)，側(cè)重于觀測任務(wù)與多傳感器之間的匹配與優(yōu)化；3)網(wǎng)絡(luò)級(jí)，繼傳感器級(jí)和平臺(tái)級(jí)的延續(xù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信控制但是，這3個(gè)級(jí)別都是針對(duì)已知或應(yīng)用領(lǐng)域?qū)俚膫鞲衅髻Y 源在目前基于萬維網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，海量的城市傳感器資源必然是異構(gòu)、跨領(lǐng)域、多部門與地理區(qū)域隨機(jī)分布的，因此，針對(duì)復(fù)合的、需要協(xié)同觀測的城市應(yīng)急來說，必然存在還未被充分利用或單

13、應(yīng) 用領(lǐng)域所不熟悉的傳感器資源由于缺乏統(tǒng)一、可共享的傳感器資源描述模型和高效的管理方法，在面 對(duì)城市復(fù)雜應(yīng)急事件觀測時(shí)，城市異構(gòu)傳感器資源管理低效，表現(xiàn)在配置不準(zhǔn)確、不全面與不及時(shí)，即 傳感器資源發(fā)現(xiàn)、規(guī)劃與調(diào)度低效11|，從而應(yīng)急數(shù) 據(jù)獲取手段單一，質(zhì)量低下與時(shí)間滯后，直接導(dǎo)致城 市應(yīng)急響應(yīng)決策低效，嚴(yán)重阻礙了城市應(yīng)急響應(yīng)的 “智慧化”應(yīng)急響應(yīng)所需的數(shù)據(jù)主要包括歷史存檔和實(shí)時(shí) 觀測兩部分，本文側(cè)重于實(shí)時(shí)觀測部分城市信息實(shí)時(shí)觀測的范圍大致包括氣象數(shù)據(jù)、地震數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、環(huán)境、特重大安全事件等2006年自然雜志發(fā)表的封面論文“2020 Vision”認(rèn)為，觀測網(wǎng)將首次大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)

14、獲取現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)12|傳感器資源是收集、探測、記錄一切實(shí)時(shí)感知信息的工具，針對(duì)城市應(yīng)急時(shí)傳感器資源管理低效，本文開展面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器資源集成共 享研究通過統(tǒng)一描述城市異構(gòu)傳感器資源，構(gòu)建起萬維網(wǎng)可訪問的城市傳感器資源注冊(cè)中心，實(shí)現(xiàn)城 市異構(gòu)傳感器的共享與集成化管理，為智慧城市應(yīng) 對(duì)災(zāi)害的全面觀測、快速響應(yīng)、高效決策奠定基礎(chǔ)1相關(guān)研究11傳感器信息描述與共享元數(shù)據(jù)為了克服異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接和傳感器資源共享所存在的問題，學(xué)術(shù)界作了大量的研究工作，如表1所示，目前主要存在的傳感器信息描述標(biāo)準(zhǔn)1胡有：SensorML(sensor markup 1anguage)，IEEEl451

15、， ECHONET(energy conservation and homecarenetwork)，Device Kit，TML(transducer markup 1anguage)，DDL(device description language)等，它ff 從編碼方式、設(shè)計(jì)模式與應(yīng)用領(lǐng)域等都各有側(cè)重點(diǎn)其中，IEEE 1451與SensorML這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在很大的差別：IEEE 1451141側(cè)重于傳感器硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)化，且傾向于底層的設(shè)計(jì)，TEDS描述了傳感器 的基本功能(如硬件、校準(zhǔn)、感測、屬性)，但它不能在邏輯意義上提供傳感器的額外描述信息，它也不能 描述高層的數(shù)據(jù)處理過程，得轉(zhuǎn)換為

16、應(yīng)用層所需的Z62計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2014，5l(2)數(shù)據(jù)類型；而SensorML1卵正好可以克服TEDS這兩方面的缺陷，SensorML側(cè)重于傳感器的互聯(lián)網(wǎng)共享與互操作其他幾種信息交換標(biāo)準(zhǔn)主要被應(yīng)用于各自專屬領(lǐng)域，不具普適性TabIe lComparison between TypicaI Sensor Information Expression Standards表1傳感器信息描述標(biāo)準(zhǔn)比較利用元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化來統(tǒng)一管理分散的數(shù)據(jù)資源，并基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享與服務(wù)，該模式得到了普遍理解和認(rèn)同m基于這種技術(shù)背景，為了盡快建立自身的共享系統(tǒng)，國內(nèi)外許多行業(yè)數(shù)據(jù)中心紛紛制定自己的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，服

17、務(wù)于本行業(yè)或部門的數(shù)據(jù)交換與共享如表2所示，地理空問或傳感器相關(guān)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要有8種m，其包含的要素如下：TabIe 2Comparisbetween Typical GeospatiaI and Se璐or-related Metadata Stand8rds表2地理空間與傳感器相關(guān)的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：Support；o：Partly Support；×：None Support胡楚麗等：面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法2008年，Simonis和Echterhoff181指出傳感器、平臺(tái)和傳感器觀測數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)資源 共享起著重要的作用2009年，Di等人1鲴指出

18、上述的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)都沒有完全滿足萬維網(wǎng)環(huán)境下傳感器共 享與互操作的需求針對(duì)城市應(yīng)急所需的傳感器資 源，目前沒有任何關(guān)于城市傳感器元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布 12傳感器資源注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)2005年，開放地理空間信息聯(lián)盟(Open Geospatial Consortium，OGC)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)(catalogue service for Web，CSW)L20j。2007年，OGCCSW宣布采用ebRIM(ebXML registry information model) 作為其核心信息模型基于CSwebRIM模式的目錄服務(wù)已經(jīng)廣泛用于空間信息服務(wù)以及空間數(shù)據(jù)的發(fā)布與發(fā)現(xiàn)8，典型的空間信息數(shù)據(jù)共享中心包括

19、： 美國航空航天局對(duì)地觀測數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)(NASA EOS clearinghouse，ECHO)；美國國家大氣和海洋管理委員會(huì)(NOAA)的CLASS數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)；美國地 質(zhì)調(diào)查局(USGS)的Landsat目錄系統(tǒng)以及喬治梅森大學(xué)地球科學(xué)空間研究中心(GMU CSISS)的CWIC查詢系統(tǒng)等在城市應(yīng)急響應(yīng)中，傳感器資源的時(shí)、空、觀測屬性尤為重要，它直接決定該資源是否適合于應(yīng)急觀測在oGC背景下，傳感器資源被當(dāng)作一種地理空間信息資源隨著近10年來OGC的發(fā)展，將傳感器資源通過CSW進(jìn)行管理的研究引起了人們的重視Chen 等人口婦設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用來存儲(chǔ)和查詢傳感器觀測服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)系統(tǒng)Ho

20、ubie等人L220研究了OGC傳感器信息模型與網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)所采納的注冊(cè)信息模型間的擴(kuò)展規(guī)則與機(jī)制Jirka等人2列重點(diǎn)研究了網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)中所需的傳感器信息注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)所需的最小元數(shù)據(jù)集歐盟52North 組織設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)基于web的傳感器注冊(cè)框架，該框架為傳感器以及相關(guān)觀測資源的發(fā)現(xiàn)提供了傳感器注冊(cè)服務(wù)(sensor instance registry，SIR) 和傳感器觀測注冊(cè)服務(wù)(sensor observable registry，SOR)但SIR和SOR都不是基于0GC標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)實(shí)現(xiàn)的，因此它們并不具有普適性。為了實(shí)現(xiàn)傳感器資源的高效管理，Chen等人241提出了一種基于能力

21、匹配和本體推理的高精度web地圖服務(wù) 發(fā)現(xiàn)方法，提高了服務(wù)發(fā)現(xiàn)效率和精度，可以獲得更細(xì)粒度的查詢內(nèi)容Yue等人2朝提出了一種面向服務(wù)的地理空問要素發(fā)現(xiàn)方法，采用面向服務(wù)架構(gòu)的http：specpscomcnsecuspewhspjk開放性和靈活性挖掘復(fù)雜要素的空間特征雖然地 理空間信息資源發(fā)現(xiàn)方法已有很多，但對(duì)于異構(gòu)傳 感器資源來說，仍缺乏基于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)和統(tǒng) 一傳感器資源描述模型的細(xì)粒度發(fā)現(xiàn)方法26|總之， 盡管OGC所發(fā)布的系列標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛認(rèn)同和開發(fā)， 但目前缺乏基于傳感器資源描述模型和標(biāo)準(zhǔn)CSw 的傳感資源注冊(cè)機(jī)制，尤其是應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，用戶未能 基于標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)的傳感器細(xì)粒度精確發(fā)現(xiàn)

22、，導(dǎo)致 城市傳感器得不到廣泛共享與合理利用 13城市傳感器資源共享管理門戶日前迅猛發(fā)展的萬維網(wǎng)技術(shù)是促使傳感器資源在線應(yīng)用的關(guān)鍵因素傳感器管理門戶允許各級(jí)傳感器提供者發(fā)布并共享管理傳感器資源，它們都提供一種功能：基于BS架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)瀏覽器端的傳感器在線訪問現(xiàn)有的此類傳感器管理門戶包括：微軟SensorMap27|，US EarthCam，SensorBase2 8|， Sensorpedia29，CEOS，STK以及武漢的“智慧之眼”等但是現(xiàn)存的管理門戶標(biāo)準(zhǔn)各異，它們各自支持專屬的數(shù)據(jù)格式，所支持的傳感器類型也不一致如微軟SensorMap主要用于發(fā)布現(xiàn)場(insitu) 傳感器；US Eart

23、hCam支持城市視頻網(wǎng)絡(luò)的接入， CEOS統(tǒng)計(jì)了各類對(duì)地觀測衛(wèi)星及其搭載的傳感器參數(shù)信息；美國AGI公司的STK工具可以支持對(duì)衛(wèi)星的仿真；武漢“智慧之眼”平臺(tái)是在數(shù)字城市基礎(chǔ)框架上集成視頻的智能應(yīng)用，將武漢市25萬多個(gè)視頻傳感器與地理信息平臺(tái)進(jìn)行融合，授權(quán)用戶可以隨時(shí)在感興趣和觸發(fā)報(bào)警的地理位置上共享并調(diào)用視頻傳感器其實(shí)現(xiàn)主要是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與地理空間地圖；它們所支持的傳感器資源發(fā)布不是采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的注冊(cè)機(jī)制，而僅僅是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)各異的傳感器資源發(fā)布門戶，因此未能有效地為應(yīng)急決策提供異構(gòu)傳感器觀測能力信息2基于OGC傳感網(wǎng)的城市異構(gòu)傳感器資源集成共享架構(gòu)0GC是一個(gè)國際化、非盈利性與非強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)組

24、織，它引領(lǐng)地理空間信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展 OGC的主要對(duì)象是地理空間信息，它旨在將萬維網(wǎng)與時(shí)空數(shù)據(jù)、服務(wù)一體化集成，使得地理數(shù)據(jù)與地理空間處理服務(wù)都能實(shí)現(xiàn)共享與互操作OGC傳感網(wǎng)使能體系30(sensor web enablement，SwE)工作計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2014，51(2)組成立于2003年，作為OGC聯(lián)盟的一部分，它發(fā) 布了一系列旨在將傳感器集成到地理空間萬維網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，包括傳感器信息模型與傳感器服務(wù)接口本文所提出的城市傳感器資源集成共享旨在將城市異構(gòu)、海量、離散的傳感器資源通過標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的信息描述機(jī)制進(jìn)行表達(dá)，然后基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)(CSW)進(jìn)行萬維網(wǎng)注冊(cè)與按需發(fā)現(xiàn)總之，通過統(tǒng)一的信

25、息模型和標(biāo)準(zhǔn)的目錄服務(wù)，實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)傳感器資源的廣泛共享，促使城市傳感器資源 從“觀測孤島”到“集成共享”的轉(zhuǎn)變圖1所示的城市異構(gòu)傳感器資源集成共享架構(gòu)，核心是城市傳感器資源目錄服務(wù)中心，基礎(chǔ)是城市異構(gòu)傳感器資源建模，關(guān)鍵是采用面向服務(wù)架構(gòu) 和事件驅(qū)動(dòng)體系，在應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，傳感器資源請(qǐng)求者根據(jù)應(yīng)急事件觀測請(qǐng)求，按需在城市傳感器資源目錄服務(wù)中心中匹配符合應(yīng)急觀測請(qǐng)求的傳感器資源Eme唱ency Service CemeClty Sensors Catalogue Servlce CenterSensor Register SeiceSensor DiscoVery Servlce(sens。汛黜

26、山e州O一一一一一一_么一一一一一一一一一一一一_|么、City Sensor ModelingSensOr Infonnation MetamodelSensor Resource Descnption Model黑芝3?！?0烹1 鬯。3e然“501黧RFI阜D藤：纛羔蒜g TrT叭sp參onation娶_emoteSensOrSensorSensor。Fig 1City sensors integration and sharing architecture oriented to emergency response圖1面向應(yīng)急響應(yīng)的城市傳感器資源集成共享架構(gòu)在城市異構(gòu)傳感器資源建模模

27、塊，本文采用OGC傳感網(wǎng)信息描述標(biāo)準(zhǔn)傳感器建模語言(SensorML)作為傳感器資源信息形式化載體相比于其他傳感器信息描述標(biāo)準(zhǔn)(如表1所示)，OGC SensorML具有非常清晰的描述層次，SensorML可用于描述傳感器及其觀測系統(tǒng)相關(guān)的元數(shù)據(jù)信息， 用作傳感器資源的發(fā)現(xiàn)與共享在城市傳感器資源目錄服務(wù)中心模塊，本文采用OGC CSw作為標(biāo)準(zhǔn)接口，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)城市傳感器資源萬維網(wǎng)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)方法傳感器注冊(cè)的核心是將基于OGC SensorML形式化表達(dá)的傳感器資源描述模型轉(zhuǎn)換到基于CSWebRIM模式的注 冊(cè)信息模型，從而實(shí)現(xiàn)傳感器資源信息的注冊(cè)與存儲(chǔ)傳感器發(fā)現(xiàn)的核心是設(shè)計(jì)能全面、多層次、細(xì)粒

28、度表達(dá)應(yīng)急觀測請(qǐng)求的元數(shù)據(jù)查詢項(xiàng)，基于OGCcsw查詢操作，實(shí)現(xiàn)“應(yīng)急觀測事件一傳感器資源” 的關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)3城市傳感器資源建模31城市傳感器資源分類智慧城市的實(shí)現(xiàn)是建立在傳感器資源觀測應(yīng)用胡楚麗等：面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法之上城市傳感器資源的種類繁多，原理各異，檢測對(duì)象五花八門，為了更好地歸納、表達(dá)及共享傳感器能力特征，首要任務(wù)是建立城市傳感器的分類然而，城市傳感器資源的分類目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及教育機(jī)構(gòu)通常將傳感器按下列原_-一一一一一一一l!kasure腓m：則進(jìn)行分類：1)按能量的傳遞方式；2)按被檢測 量；3)按工作原理；4)按傳感器觀測機(jī)理；5)按用途；

29、6)按材質(zhì)等，總之國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的城市傳感器分類標(biāo)準(zhǔn)圖2所示為智慧城市應(yīng)急響應(yīng)觀測場景：蘭簍：Emergency：Mod幻豳g!：Appli訓(xùn)on；Fig2 MultihierarchicaIclassification of city sensor resources圖2面向城市應(yīng)急響應(yīng)的傳感器資源多層次分類體系從所需實(shí)時(shí)監(jiān)測的應(yīng)用領(lǐng)域角度，城市傳感器資源可以分為大氣、地震、水文、水質(zhì)、交通、環(huán)保、食品安全等種類；從觀測測量標(biāo)準(zhǔn)角度可以分為遙感和現(xiàn)場類型，遙感傳感器是非接觸式、遙遠(yuǎn)地測量和記錄被探測物體的電磁波特性的工具；現(xiàn)場傳感器則是接觸式測量目標(biāo)所產(chǎn)生的地面振動(dòng)波、聲響、紅外輻射、電磁或

30、磁能的工具；從應(yīng)急觀測距離的不同，可以分為3種類型：航空、航天和地面?zhèn)鞲衅鳎孛鎮(zhèn)鞲衅鳒y量在傳感器周圍區(qū)域的物質(zhì)屬性，而航天遙感傳感器通過目標(biāo)物體反射或輻射的射線來測量離傳感器有一定距離的物質(zhì)屬性，航空傳感器觀測應(yīng)用則比較靈活；從觀測平臺(tái)移動(dòng)性角度，可以分為固定傳感器和移動(dòng)傳感器固定傳感器如氣象觀 測站中的風(fēng)速、溫度和濕度傳感器；移動(dòng)傳感器如車載、船載、機(jī)載和星載傳感器 32傳感器資源信息元數(shù)據(jù)模型元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)(data about data)， 它為各種形態(tài)的信息資源提供規(guī)范、普遍的描述方法和檢索方式，用于描述數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、管理方式、數(shù)據(jù)的所有者、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)的提供方式等信息

31、元數(shù)據(jù)是分布式的、多源的信息資源實(shí)現(xiàn)共享、整合以及互操作的工具與紐帶，是數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)用戶之間的橋梁要實(shí)現(xiàn)萬維網(wǎng)環(huán)境下城市異構(gòu)傳感器資源標(biāo)準(zhǔn)地共享，就要確立傳感器資源共享元數(shù)據(jù)， 它應(yīng)包含傳感器資源的標(biāo)識(shí)、分類、發(fā)現(xiàn)、訪問控制等信息萬維網(wǎng)環(huán)境下城市異構(gòu)傳感器資源共享的目的如下：1)傳感器能更好地被發(fā)現(xiàn)，即在所需的時(shí)空以及應(yīng)急主題條件下，提供具有相應(yīng)觀測質(zhì)量的所有 合適傳感器；2)有助于多傳感器資源集成與協(xié)同觀 測，即針對(duì)一些特定的、復(fù)雜的觀測任務(wù)，往往單一的傳感器不能很好地滿足觀測需求，如存在觀測盲 點(diǎn)、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量低下等，因此，需要結(jié)合不同觀測能力的傳感器進(jìn)行增加或互補(bǔ)協(xié)同觀測傳感器資源因不同觀

32、測平臺(tái)其觀測機(jī)理與處理過程不同，各自擁有其獨(dú)特的觀測信息與技術(shù)要求 但無論何種傳感器，性能決定了其能力，如城市遙感傳感器，其電磁波段的響應(yīng)能力、傳感器的空間分辨率、傳感器獲取地物信息量的大小和可靠程度、圖像的幾何特征等等，這些決定了它的觀測能力要實(shí)現(xiàn)傳感器資源發(fā)現(xiàn)，傳感器能力特征是所需考慮的要素之一除此之外，傳感器分類以及標(biāo)識(shí)信息更是直接地決定了傳感器資源本身能否被發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器資源用戶已經(jīng)獲取到傳感器的標(biāo)簽信息、觀測能力特征信息后，該傳感器資源是否可得、可用以及如何得到等信息內(nèi)容則來源于傳感器可得性服務(wù)信息， 它保證了傳感器及觀測的可得性，即傳感器調(diào)度時(shí)所應(yīng)納人考慮的信息，包括傳感器觀測的有效

33、時(shí)間、傳感器的負(fù)責(zé)單位、傳感器觀測與規(guī)劃所對(duì)應(yīng)的Web服務(wù)信息等因此，傳感器可得性服務(wù)也直接決定了傳感器資源的發(fā)現(xiàn)任何傳感器資源都有其相關(guān)的觀測處理，該處理用以描述因應(yīng)用而動(dòng)態(tài)可變的過程信息，比如城市遙感傳感器觀測、它的實(shí)時(shí)地理定位、幾何糾正等過程是該觀測數(shù)據(jù)可用之前266計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2014，51(2)一必不可少的一環(huán)綜上分析，城市傳感器資源在共享時(shí)要表達(dá)的信息主要包括4個(gè)方面(如圖3所示)：傳感器通用標(biāo)簽、傳感器能力特征、傳感器可得性服務(wù)以及觀測過程Fig· 3Ietadata model framework for city sensors sharing圖3城市傳感器資源

34、共享元數(shù)據(jù)模型框架本文提出了傳感器資源共享八元組元數(shù)據(jù)(metadata，MD)：MD。一MD?，MD?8，MD，MD?T，MD產(chǎn)，MD羅，MDj，A)(i一1，2，理)，(1)其中，MD代表通用信息元數(shù)據(jù)；MD?s代表約束元數(shù)據(jù)；MDPP代表屬性元數(shù)據(jù)；MD?T代表聯(lián)系元數(shù)據(jù)；MD，代表存檔元數(shù)據(jù)；M講9代表地理定位元數(shù)據(jù)；M馴代表接口元數(shù)據(jù)；MD代表過程元數(shù)據(jù)我們進(jìn)一步對(duì)前面的傳感器信息按屬性歸類于 元數(shù)據(jù)類型：傳感器分類與標(biāo)識(shí)信息主要為通用型 元數(shù)據(jù)；傳感器觀測有效時(shí)間、傳感器共享級(jí)別與合法性等屬于約束型元數(shù)據(jù)；傳感器固有特征以及觀 測、通信、計(jì)算能力等為屬性元數(shù)據(jù)；傳感器負(fù)責(zé)單位或個(gè)人

35、、傳感器在線引用等信息為聯(lián)系型元數(shù)據(jù)； 傳感器或傳感器數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布時(shí)間、傳感器在線文 檔鏈接等信息為存檔型元數(shù)據(jù)，傳感器及其搭載平LTupIle己葡面iMetadatai一!嬰一一：一葡f一：MetadataILj嬰一一：MetadataIL里型壁唑：Fig 4Ietadata extension scheme of insitu city sensors圖4現(xiàn)場傳感器資源共享元數(shù)據(jù)擴(kuò)展模式胡楚麗等：面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法臺(tái)所在時(shí)空坐標(biāo)系、傳感器觀測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài) 空間觀測位置信息為地理定位元數(shù)據(jù)；傳感器可得 性服務(wù)，如傳感器規(guī)劃服務(wù)與傳感器觀測服務(wù)為接口型元數(shù)據(jù)，傳感

36、器觀測數(shù)據(jù)所涉及到的處理，包括輸入、輸出、參數(shù)以及處理方法信息為過程型元數(shù)據(jù)依據(jù)31節(jié)的城市傳感器資源分類，制訂專項(xiàng)傳感器資源共享全集元數(shù)據(jù)，圖4為現(xiàn)場傳感器資源元數(shù)據(jù)擴(kuò)展模式，從上往下逐層細(xì)化，最終確定現(xiàn)場式傳感器資源共享全集元數(shù)據(jù)項(xiàng)類似地，其他專項(xiàng)傳感器資源全集元數(shù)據(jù)項(xiàng)也是在通用八元組元數(shù)據(jù)目錄下逐一細(xì)化33傳感器資源描述模型如圖5所示，傳感器資源描述模型是連通用戶與傳感器資源實(shí)例的中間“橋梁”，該描述模型的內(nèi)核是32節(jié)闡述的傳感器資源共享八元組元數(shù)據(jù)模型，它是將八元組元數(shù)據(jù)集形式化表達(dá)的結(jié)果，具體的流程為：1)八元組元數(shù)據(jù)模型通過采用SWE CommonData Model進(jìn)行封裝與編碼

37、；2)對(duì)于封裝好的元數(shù)據(jù)模型，則通過SensorMI。標(biāo)準(zhǔn)描述框架進(jìn)行形式化表達(dá)基于該描述模型，編制其元數(shù)據(jù)搜索引擎(第4，5節(jié))，用戶可以精確地發(fā)現(xiàn)并共享到這些傳感器資源Fig 5 City sensor resourcesdescrlptlon model framework圖5城市傳感器資源描述模型框架SWE Common Data Model。”是()GC SWE框架下的信息模型之一，它是一種底層的數(shù)據(jù)模型通過提供統(tǒng)一的、可互操作的方式來定義任意數(shù)據(jù)字段和數(shù)據(jù)集合，它支持各種各樣的數(shù)據(jù)類型，例如數(shù)量、個(gè)數(shù)、布爾、類別、時(shí)間以及集合類型(如數(shù)據(jù)記錄、陣列、矢量和矩陣)因此，它可以描述傳感

38、器資源中幾乎所有的元數(shù)據(jù)屬性以及輸入輸出參數(shù) 圖6為基于SwE Common Data Model數(shù)據(jù)記錄(swe：DataRecord)來編碼現(xiàn)場式傳感器資源的“量程范圍”，該量程范圍的組成為<緯度，經(jīng)度，輻射半徑)類似地，其他全集元數(shù)據(jù)項(xiàng)也可以通過SwE Common Data Model的其他數(shù)據(jù)類型進(jìn)行封裝與編碼(swe：DataRecord)(swe：field name一“量程范闈”)(swe：EnVelope如finition一“urn：ogc：def：pmperty：(C：10：observedRangereferenceFrame=“um：ogc：def：crs：EPS

39、G：4326”>(swe：lowerCorner) (swe：Vector)(swe：c00rdinate name=“緯度”>(swe：Quantity axisrD=“y”)<swe：uOmcode=“deg”xlink：href=“urn：ogc：def：uomUCUM：deg”)<swe：value>(swe：value)<，swe：Quantity) (swe：coordinate>(swe：coordinate name一“經(jīng)度”) (swe：Quantity axisID一“x”) (swe：uomcode一“deg”xlink：href

40、一“urn：ogc：def：u。mUCUM：deg”)<swe：value)(swe：value) (swe：Quantity)(，swe：coordinate)(swe：coordinate name一“輻射半徑”> (swe：Quantity axislD=“r”)swe：uomcode=“m”xlink：href=”urn：ogc：def：uomUCUM：m”> (swe：value>(批we：value、(swe：Quantity) (批we：coordinate>(swe：Vector)<批we：lowerCorner) (swe：Envelope

41、>(we：field)(we：DataRecord>Fig 6()bservedRange encoding of insitu sensor resource sample圖6現(xiàn)場式傳感器資源測量范圍編碼樣例SensorMI。同樣作為OGC SWE框架下的信息模型，它基于XML模式編碼，其框架要素包括：keywords，identification，classification，vandTime， securityConstraint，legalConstraint，characteristics， capabilities， contact， documentations， h

42、istory，268計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2014，51(2)inputs，outputs，parameters，method，它提供一個(gè)靈活與寬泛的框架，用于描述傳感器本身、觀測系統(tǒng)和相關(guān)處理過程以城市現(xiàn)場式某水位傳感器資源為例(如圖7所示)，通過建立基于SWE CommonData Model編碼的八元組元數(shù)據(jù)項(xiàng)與SensorMI?？蚣芤氐挠成潢P(guān)系，如“量程范圍”(如圖6所示) 映射到SensorML中的capabilities結(jié)構(gòu)中，完成嵌套共享元數(shù)據(jù)的傳感器資源描述模型資源但是，直接采用靈活、通用的ebRIM仍無法完成傳感器資源的注冊(cè)，需要利用ebRIM的可擴(kuò)展 性，構(gòu)建基于ebRIM擴(kuò)展

43、的傳感器資源注冊(cè)信息模型，從而實(shí)現(xiàn)傳感器注冊(cè)。；。oSensor肌version：10，1、<ember，<卜一：t如峰孽囂一><system g_1：id=。投入式水位傳感器>o<!；譬饕T苧一 潦ji： 一><key-ords><【一一 蘆搴器_鰉胡；T羔一iijoj： ><identificanOn>i(1一培鬯囂鑊冒如箋一j器一>(classification，：<!一 陣騭囂要強(qiáng)!帑i=盲可一><yalidTi_e><! 培霉囂酵中旨·互¨蜘j量導(dǎo)，互

44、一><characteristics><caDabilities>R丙萬晤菌囂焉西I(!一 悔警囂r+啦；：1：_j-；_墨 l!嘻淝鳴嬲嫦蒜鹱麓鼯礦一o伯曲旺塒呈：似娜娜卅螂懈懈卅獬姒m哪m貓黜貓姒貓螄貓l§撇猻!|§(sYe：field nae=探測精度9，：<l 傳孽囂礙科驢“=一1i即曩， 一>(sve：field name=。重訪周期><!一 ，o譬囂鼉州耳：1：-=強(qiáng)融葛肇 ，<sYe：field me=定位精度。><l_一 窿笆器黟洲鴕分=一噩她韶?fù)?jù)>：<sve：field m

45、e=。數(shù)據(jù)格式。><s_e：field nae=。數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)，<s-e：field na_e=。數(shù)據(jù)獲取等級(jí)><swe：DataRecord><capabilities><!一 媾尊囂可；剝蘭盼i舟·罩j：><contact xlink：arcr。le2。urn：ogc：def：r01e：opera<!一一 悸茸囂玎潯法踞。一瞎譬器芏蘆j目卜，：置 一一>tpOsition name=sensOr一口OsitiOn4)(Syste><_eber) SensorL>Fig8Metadata

46、 orangizatlon of ebRIM 圖8 ebRIM元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)41 ebRIM通用注冊(cè)信息模型擴(kuò)展現(xiàn)存的傳感器共享管理門戶標(biāo)準(zhǔn)各異，它們各自支持專屬的傳感器注冊(cè)格式與內(nèi)容因此，要實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)準(zhǔn)注冊(cè)與統(tǒng)一發(fā)現(xiàn)，明確傳感器注冊(cè)內(nèi)容是必要的著名的歐盟52North傳感器注冊(cè)框架SIR3引，它支持基于SensorML所描述的傳感器信Fig 7Insitu sensor resource description model sample圖7現(xiàn)場式水位傳感器資源描述模型樣例4城市傳感器資源萬維網(wǎng)注冊(cè)ebRIM標(biāo)準(zhǔn)于2007年1月被()GC正式采納， 成為CSw規(guī)范所推薦的信息模型ebRIM定義了

47、 可以用于目錄服務(wù)的通用元數(shù)據(jù)架構(gòu)，并建立了不同元數(shù)據(jù)間的關(guān)系機(jī)制和分類機(jī)制3 2I如圖8所示，其根節(jié)點(diǎn)類型為Registry()bject， 所有其他的元數(shù)據(jù)類型都繼承于該Registry()bject ebRIM模型定義了多種數(shù)據(jù)類型，包括分類(class ification)、服務(wù)(service)、關(guān)聯(lián)(assoication)關(guān)系和其他通用元數(shù)據(jù)目前來說，ebRIM是一套較為成熟的技術(shù)規(guī)范，基于ebRIM的CSw能有效應(yīng)用于 地理空間信息資源，通過在Registry()bject中的ExtrinsicObject要素中擴(kuò)展“dataType”和“service Type”外部類，用來

48、分別管理地理空間數(shù)據(jù)和服務(wù)息模型注冊(cè)，但是存在的缺陷是傳感器注冊(cè)對(duì)象屬 性不統(tǒng)一，只能注冊(cè)傳感器以下屬性：ID，longName，ShortName，desc“ption，ObservedBBox，input，output，location，validtime因此，不能很好地滿足傳感器共享與發(fā)現(xiàn)的要求針對(duì)此缺陷，前文所提出的傳感器 資源共享八元組元數(shù)據(jù)集是實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)象全面、 統(tǒng)一且標(biāo)準(zhǔn)化注冊(cè)的重要指標(biāo)由于基于SensorML表達(dá)的傳感器資源描述模 型和ebRIM通用注冊(cè)信息模型兩者元數(shù)據(jù)組織方 式不同，因此，要采用ebRIM信息模型來表達(dá)傳感器資源信息，就得尋找兩者間的映射關(guān)系，即基于傳感器

49、資源描述模型擴(kuò)展出ebRIM模式的傳感器注 冊(cè)信息模型構(gòu)建基于ebRIM擴(kuò)展的傳感器注冊(cè)信息模型包括以下5個(gè)步驟：1)創(chuàng)建擴(kuò)展注冊(cè)包針對(duì)傳感器所需存儲(chǔ)的相 關(guān)信息，在所構(gòu)建的注冊(cè)擴(kuò)展包中存儲(chǔ)定義的注冊(cè)要素類，主要包括外部對(duì)象類、關(guān)系類、分類和屬性胡楚麗等：面向智慧城市應(yīng)急響應(yīng)的異構(gòu)傳感器集成共享方法2)定義存儲(chǔ)傳感器注冊(cè)對(duì)象的外部對(duì)象類ExtrinsicObject，由外部對(duì)象類繼承包括兩個(gè)外部傳感器對(duì)象類：Component和SystemComponent 表示真實(shí)世界中的組件，例如溫度計(jì)；System可以由多組件組成，如氣象站或衛(wèi)星平臺(tái)3)定義注冊(cè)對(duì)象的關(guān)系類Association，由ri

50、m：Association類繼承包括ComposedOf， InputCOnnection，CIutputC0nnection和AccesSibleThrough關(guān)系具體描述如下：“Composedof”關(guān)系類型表示System與Component之間的關(guān)系，可以用于構(gòu)建 傳感器平臺(tái)和傳感器之間的連接(connections)關(guān) 系這些關(guān)系可以通過輸入和輸出值進(jìn)行鏈接，分別采用“InputConnection”，“OutputConnection”進(jìn)行描述“AccessibleThrough”關(guān)系用于鏈接傳感器描述模型的相關(guān)服務(wù)4)定義注冊(cè)對(duì)象的分類架構(gòu)C1aSSificationScheme

51、 依據(jù)傳感器類型和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，新增分類架構(gòu)(ClassificationScheme)、分類節(jié)點(diǎn)ClassificationNode) 和分類關(guān)系(CIassification)構(gòu)建4個(gè)分類架構(gòu)：預(yù)期應(yīng)用(IntendedApplication)，用于描述傳感器可用的應(yīng)用領(lǐng)域，如傳感器資源可應(yīng)用于洪水監(jiān)測時(shí)， 會(huì)添加分類節(jié)點(diǎn)“water”及其子類“flood detection” 來標(biāo)識(shí)該傳感器資源描述模型；服務(wù)類型(ServiceType)，如傳感器觀測服務(wù)(SOS)和傳感 器規(guī)劃服務(wù)(SPS)；系統(tǒng)類型(SystemType)，包括兩個(gè)分類節(jié)點(diǎn)：(i)傳感器的觀測平臺(tái)類型(PIatfo

52、rmType)，例如衛(wèi)星平臺(tái)；(ii)傳感器類型(SensorType)；軌道類型(OrbitType)，用于描述衛(wèi)星平臺(tái)的軌道類型，如太陽同步軌道5)定義注冊(cè)對(duì)象的擴(kuò)展屬性類(Slot)ebRIM 允許用戶對(duì)元數(shù)據(jù)信息模型進(jìn)行領(lǐng)域相關(guān)和實(shí)例相 關(guān)的擴(kuò)展，Slot提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)的方法來增加RegistryObject相應(yīng)的擴(kuò)展屬性，例如，用戶想增加一個(gè)名稱為“ValidTimeBegin”的元數(shù)據(jù)項(xiàng)，只需要添加一個(gè)名(name)為“ValidTimeBegin”的S10t，其值(value)則為該Slot對(duì)應(yīng)的說明文字在實(shí)際Slot 擴(kuò)展時(shí)，除了上述Association和Classifica

53、tionschema 類型中所擴(kuò)展的要素外，其他所有項(xiàng)都應(yīng)該在S10ts中進(jìn)行擴(kuò)展，如：系統(tǒng)(System)中的輸入(inputs)、輸出(outputs)、有效時(shí)間結(jié)束節(jié)點(diǎn)(ValidTimeEnd)， 觀測范圍(ObservedBoundingBox)和傳感器位置 (1。cati。n)等42傳感器資源描述模型與注冊(cè)信息模型映射構(gòu)建傳感器資源描述模型與注冊(cè)信息模型兩者之間的映射關(guān)系，其映射流程如圖9所示1)判斷描述傳感器資源描述模型的類型若傳感器在傳感器資源描述模型中描述為System，則轉(zhuǎn)換為外部對(duì)象類(ExtrinsicObjectObjectType) System；若描述為Compo

54、nent，則轉(zhuǎn)換為外部對(duì)象類Component，進(jìn)行注冊(cè)對(duì)象的存儲(chǔ)Fig 9TvIapping from sensor description model to register information model圖9傳感器資源描述模型到注冊(cè)模型映射270計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2014，51(2)2)依據(jù)外部對(duì)象類的類型，進(jìn)行傳感器資源描述屬性到注冊(cè)對(duì)象屬性的映射，包括標(biāo)識(shí)符、名稱、描述、分類、聯(lián)系信息和轉(zhuǎn)換為Slot的映射，屬性映射流程如圖10所示判斷是否屬性為標(biāo)識(shí)符ID，是則映射到注冊(cè)信息模型的標(biāo)識(shí)符Identifier；否則判斷是否屬性有名稱name和描述description，是則分別映射到

55、注冊(cè)信息模型的名稱name和描述description屬性中；否則判斷是否屬性為聯(lián)系信息contact，是則分別映射到注冊(cè)信息模型的組織信息屬性O(shè)rganization和個(gè)人信息屬性person；否則判斷是否屬性為服務(wù)信息Service，是則映射到注冊(cè)信息模型的服務(wù)Service；否則判斷是否屬性分類信息classification，是則映射到分類節(jié)點(diǎn)ClassificationNode 和分類關(guān)系classification，否則映射到擴(kuò)展屬性SlotFig 10 Slots mapping from physical sensors to register objects圖10傳感器屬性到注冊(cè)對(duì)象屬性的映射3)進(jìn)行關(guān)系映射時(shí)其轉(zhuǎn)換流程分為兩種情況：外部對(duì)象類為system，需要針對(duì)傳感器信 息模型判斷是否包含“components”，判斷結(jié)果為“否” 則進(jìn)行“與服務(wù)相關(guān)”的判斷若“包含components”的判斷結(jié)果為“是”，則生成關(guān)系“Composedof”，并進(jìn)行包含“connections”的