基于SOSA_SSN的物联网本体建模方法.pdf

宝鸡文理学院学报(自然科学版棭第43卷，第1期，第62-66页,023年3月Jo u r n a l o f Ba o ji Un iver sit y o f Ar t s a n d Sc ien c es(Na t u r a l Sc ien c e),Vo l：4 3,No：1,p p：62-66,Ma r：2023DOI：10.134 67/j.c n ki.jbu n s.2023.01.010基于SOSA/SSN的物联网本体建模方法张丽娜i,郭文刚21.宝鸡文理学院计算机学院，陕西宝鸡721016；2：陕西凌云电器集团有限公司市场部，陕西宝鸡721006)摘要摘要：目的目的创建一个物联网本体，将语义网与物联网结合，提高物联网设备的互操作性暎暎方方 法法基于SOSA/SSN本体，重用多个本体概念，使用Pr o t e g e开发工具和斯坦福七步本体开发法来开 发本体暎暎结果与结论 结果与结论 对一个物联网平台进行建模，得到了物联网本体，重用了多个SSN本体中的类 和对象属性，对SSN进行了扩展暎暎增加了平台的语义性，提高了物联网设备的可互操作性暎 暎关键词关键词：本体；传感器椈 椈SSN；建模；物联网中图分类号中图分类号:TP399 文献标志码文献标志码:A 文章编号文章编号：1007-1261(2023)01-0062-05SOSA/SSN-based mod elling approac h for IoT ontologyZHANG Li-n a1,GUO Wen-g a n g2(1：Sc h o o l o f Co mp u t er,Ba o ji Un iver sit y o f Ar t s a n d Sc ien c es,Ba o ji 721016,Sh a a n xi,Ch in a；2：Dep a r t men t o f Ma r ket in g,Sh a a n xi Lin g yu n El ec t r o n ic s Gr o u p Co mp a n y Limt ed,Ba o ji 721006,Sh a a n xi,Ch in a)Abstrac t：PurposesTo c r ea t e a n Io T o n t o l o g y t h a t c o mbin es t h e Sema n t ic Web wit h t h e Io T t o imp r o ve t h e in t er o p er a bil it y o f Io T d evic es：Method sBa sed o n t h e SOSA/SSN o n t o l o g y,mu l t ip l e o n t o l o g y c o n c ep t s wer e r eu sed fo r t h e p u r p o se,t h e Pr o t eg e d evel o p men t t o o l a n d seven-st ep o n t o l og y c o n st r u c t io n met h o d d evel o p ed by St a n fo r d Un iver sit y wer e a p p l ied：Results and Conc lusionsAn Io T o n t o l o g y wa s o bt a in ed by mo d el l in g a n Io T p l a t fo r m,a n d it wa s ext en d ed by r eu sin g c l a ss a n d o bjec t p r o p er t ies fr o m mu l t ip l e SSN o n t o l o g ies,t h u s in c r ea sin g t h e sema n t ic n a t u r e o f t h e p l a廿o r m a n d imp r o vin g t h e in t er o p er a bil it y o f Io T d evic es：Key word s:o n t o l o g y;sen so r；SSN;mo d el in g；Io T1999 年,ASHTON 提出 了物联网(In t er n et o f Th in g s,Io T)的概念，并于2009年描述了传感 器连接到物联网后可以提供新的服务1。物联网 是一个不断发展的技术话题，正在潜移默化地影 响我们的日常生活，近年来越来越受到关注。经 过几十年的发展，汽车、门锁和其他日常物品都将 通过互联网连接。这些由网络连接的硬件可以共 享数据，影响了我们日常生活中的许多领域，包括 个人生活和商业领域。互联的智能物体将取代人 类成为主要的数据生产者和消费者。传感器产生的数据是大数据和开放数据集的 一个主要数据来源。虽然传感器数据可以作为单 纯的数值发布，但搜索、再利用、整合和解释这些 数据需要的不仅仅是观察结果，还包括数据的某 些特征，流速可作为观察河流得到的属性，还包括 测量流速的具体位置和时间，以及其他各种信息。本体是用来规范显示领域知识的标准，是概 念化的显示规范，用来解决知识共享和知识表示 的标准化，形成统一的知识体系。通过本体，一 组结构化的信息可以在不同的人或应用之间共 享，并达成理解和知识的共识，本体可以作为一种 交流媒介，协助领域知识的获取、表示和操作。2009年，万维网联盟(W3C)成立了语义传感器网 络(Sema n t ic Sen so r Ne t wo r k,SSN)工作组，以*收稿日期：2022-03-20,修回日期：2022-04-19：作者简介：张丽娜(1983-)，女，陕西宝鸡人，讲师，在读博士研究生，研究方向：语义物联网和大数据可视化.Ema il:zh a n g l in a bjwl xy：ed u：c n第1 期张丽娜等 基于SOSA/SSN的物联网本体建模方法63开发用于描述传感器和传感器网络属性的本体,为传感器网络服务应用开发一种语义注释语言,并通过传感器发现技术的应用，展示传感器和语 义技术结合的巨大潜力。1相关研究相关研究OGC 的 Sen so r Web En a bl emen t 标准O/M 和Sen so r ML提供了一种对传感器及其观测结 果进行注释的方法暎然而，这些标准并没有应用 W3C的语义网技术，尤其是关联数据，进行整合 和调整，而后者是创建和维护全球密集互联的数 据图的关键驱动力暎随着物联网以及智能城市和 智能家居的兴起，执行器和它们产生的数据也越 来越多暎鉴于它们与传感器、观测、程序和感兴趣 的特征的密切关系，最好提供一个共同的本体，其 中也包括执行器和执行过程暎最后，随着数据和 数据提供者的日益多样化，诸如传感器的定义也 需要扩大,例如，包括社会传感暎在过去的几年中，不同的传感器本体已经被 开发出来，用于描述物联网应用中的概念和关系暎 物联网领域的语义描述的关键问题是传感器数据 必须被标准化，以便它们可以在其他应用中被解 释和重复使用暎为了定义异构传感器的互操作 性,2012年，W3C孵化器小组提出用SSN本体3 来描述传感器设备、其功能、平台以及其他相关属 性传感器之间的概念和关系暎为了拓宽语义网本 体的目标受众和应用领域，2017年10月，该小组 又推出了简化本体SOSA4,删除了一些概念，如 刺激、系统、测量和系统能力暎在这个版本中,SSN本体得到了扩展，传感、采样和驱动器所涉 及的实体、关系和活动都得到了体现暎一些研究小组提供了本体的开发方法，如 Skel et a l Met h o d o l o g y椲5,METH ONTOLOGY】6,Cyc l ic Ac q u isit io n椲等。斯坦福七步本体开发法 和NeOn方法论是开发本体时使用最多的2种方 法暎2001年,斯坦福大学提出了一个指南来帮助 创建第一个本体。该研究通过回答使用3W1H 方法论确定的3W（什么、何时、为什么）和1H（如 何）来解释该指南。该指南解释了葡萄酒本体开 发过程中的7个步骤，并使用Pr o t eg e-2000描述 类、属性和实例暎在指南中，研究人员还强调了 暟壬何领域都没有唯一正确的本体”的重要性暎建 议的7个步骤是：（1）确定本体论的领域和范围；（2）考虑重新使用现有的本体；（3）列举本体论中 的重要术语；（4）定义类和类的层次结构；（5）定义 属性；（6）定义槽的切面；（7）创建实例暎2008年,GOMEZ-PEREZ et l9提出了一 种名为 NeOn 的开发本体的方法论，Ne On是一种基于场景的 方法论，支持具有不同背景的设计者对不同发生 情况和领域的设计暎包括NeOn词汇表、9个场 景、2个生命周期模型，以及本体开发过程和活动 的指南，不仅强调搜索、重用、再造和整合本体与 非本体资源，而且还强调重用本体设计模式暎2 SOSA/SSN 本体本体2.1 基本概念本体包括类S c l a ss）、关系S r el a t io n s）、函数（fu n c t io n）、公理（a xio ms）和实例（in st a n c es）5 种 组件暎类也叫概念，既是实际存在的事物，也是抽 象的概念,如大学、传感器、人等;关系用于描述类 与类之间的关系，本体类之间主要有4种基本关 系，分别是用于描述局部和整体之间关系的 p a r t-o f,用于描述父类与子类之间关系的”kin d-o f，描述类与实例之间关系的in st a n c e-o f和描述类的属性的a t t r ib u t e-o f；函数是一类 特殊的关系；公理代表本体内存在的事实，如概念 甲属于概念乙的范围；实例表示具体某个类的实 际个例，如宝鸡文理学院是大学的一个实例暎 2.2 SOSA/SSN本体概述SOSA/SSN本体规范介绍了新的语义传感 器网络（SSN）和传感器、观测、采样以及执行器（SOSA）本体，旨在为代表传感、采样和执行所涉及 的实体、关系和活动提供灵活而一致的视角1011。在物联网系统中，常见的实体小到传感器，大到城 市的空气质量指标，均可以使用本体进行描述暎 SOSA为SSN提供了一个轻量级的核心,旨在拓 宽可以利用语义网本体的目标受众和应用领域暎 同时，SOSA作为最小的互操作性后备水平，定义 了共同的类和属性，具体模块如图1所示口1。图1 SOSA和SSN本体及其纵向和横向模块Fig.1 The SOSA and SSN ontologies andtheirvertic aland horizontalmod ules64宝鸡文理学院学报（自然科学版）2023 年2：3 SOSA/SSN本体公理公理包括命名空间、类和属性。2.3.1 命名空间命名空间、前缀和具体网址相关信息如表1 所示，研究者可根据命名空间对此本体进行复用 和扩展。表1命名空间Tab.1 Namespac es本体命名空间前缀网址SSNhtp：/www：w3：o rg/n s/ssn/ssnhtp：/www：w3：o rg/n s/ssn/SOSAhtp：/www：w3：o rg/n s/so sa/so sahtp：/www：w3：o rg/n s/so sa/2.3.2类 感器领域内的实际概念，其名称和作用如表2本体中定义的主要类共有19个，用于描述传 所示。表2 SSN和SOSA本体中的主要类Tab.2 Overview of the SSN and SOSA c lasses类名作用so sa：Ac t u a t a bl ePr o p er t y so sa：Ac t u a t io n?so sa：Ac t u a t o r ssn:Dep l o ymen t so sa：Fea t u r eOfl n t er est ssn In p u t so sa：Obser va bl ePr o p er t y so sa:Obser va t io n ssn：Ou t p u t so sa：Pl a t fo r mssn：Pr o p er t y so sa：Pr o c ed u r e so sa:Resu l t so sa Sa mp l e so sa Sa mp l er so sa Sa mp l in g so sa Sen so r ssn St imu l u s ssn Syst em描述可执行的属性或特征。一个动作执行一个（动作）程序，用于改变状态。一个设备，被Ac t u a t io n用来改变设备状态。描述一个或多个系统为特定目的而进行的部署。属性被估计或计算以得出结果的事物，或其属性被执行者操纵的事物。提供给一个程序使用的任何信息。可观测的属性或特征。执行程序，以估计或计算一个感兴趣的特征的属性值的行为。从一个程序中报告的任何信息。用于承载其他实体的实体,匕如传感器、执行器、采样器和其他平台。实体的一个质量或属性。一个工作流程、协议、计划、算法或计算方法。观察、操作或取样行为的结果。代表可进行观察的感兴趣的特征。由（取样）程序使用或实施的设备，用于创建或转换一个或多个样本。执行一个（采样）程序,创造或转换一个或多个样本。参与或实施一个程序的设备、代理或软件（模拟）。现实世界中“触发”传感器的一个事件。是实现程序的基础设施的一个抽象单位。2：3：3 对象属性对象属性可以理解为实体外部的关系，用来 定义实体和实体之间的关系。SOSA/SSN本体 共定义了 36个对象属性，分别是:so sa:a c t sOn-Pr o p er t y,so sa:ma d eByAc t u a t o r,ssn:d ep l o ye-d On Pl a t fo r m,ssn:d ep l o yed Syst em,ssn:d et ec t s,ssn:fo r Pr o p er t y,ssn:h a s Dep l o ymen t,s s n:h a s In p u t,s s n:h a s Ou t p u t,ssn:h a sPr o p e r t y,so sa:h a sResu l t,so sa:h a s Sa mp l e,s s n:h a sSu bSyst e m,s o s a:h o st s,s s n:imp l emen t ed By,s s n:imp l emen t s,s s n:in De p l o ymen t,s o s a:i s Ac t ed On By,s o s a:i s-o a：i Ho t e d By,o a：i Ob er ved By,n：i Pr o p e r t yOf,n：i Pr o xy-Fo r,so sa：isResu l t Of,so sa：isSa mp l eOf,so sa:ma d eBySa mp l er,so sa:ma d eObser va t io n,ma d eAc t u a t io n,ma d eBySen so r,ma d e Sa mp l in g,o bser ves,so sa p h en o men o n Time,so sa：so sa：so sa：so sa：so sa：h a sFea t u r eOfIn t er est,so sa o bser ved Pr o p er t y,so sa u sed P-r o c e d u r e,ssn:wa sOr ig in a t ed By。由于 篇幅所 限,羊细功能及用法可参见SOSA/SSN本体 规范4。Fea t u r eOfIn t er est Of,2：3：4 数据属性数据属性可以理解为实体内部的属性，用来 定义实体本身所具有的属性以及属性值，SOSA/SSN 共 定 义 了 2 个 数 据 属 性,即 so sa：h a sSim-第1期张丽娜等 基于SOSA/SSN的物联网本体建模方法65p l eResu l t和so sa：r e su l t Time,分别用来描述简单 结果和结果的时间。2.4 SOSA/SSN 的不足SOSA/SSN本体论创新性地建立了传感器 传感领域的基本概念和关系，能够支持广泛的应 用，如卫星图像、大规模科学探索中的信号探测、家庭基础设施监测，万维网物联网等，但直接应用 于网络中的传感器系统有以下缺陷2。(1)没有特定类型的传感器，如果用户需要使 用，必须根据应用领域来扩展领域知识。(2)这些传感器只是在概念上进行描述，没有 对其组成、结构和功能部件进行必要的描述。基于SOSA/SSN本体存在的以上2点不足,在设计语义物联网时，需要根据系统特点，对 SOSA/SSN本体进行重用和扩展。下面针对一 个物联网平台，基于SOSA/SSN本体，设计了一一 个物联网本体。3 基于基于SOSA/SSN的物联网本体建模过程的物联网本体建模过程3.1 开发工具为了促进领域本体的构建，国外研究机构提 出了一种半自动化的方法，在流行的本体编辑工 具Pr o t eg e的帮助下构建领域本体13。Pr o t e g e 是Ja va编写的本体构建工具，基于斯坦福大学医 学院，提供了一个图形化和互动的知识本体的开 发环境。3.2 开发过程本实验计划创建一个基于SOSA/SSN的物 联网本体，使用斯坦福大学的7步创建法，开发工 具是Pr o t e g e 5.5.0。主要开发过程包括：设计流 程、创建类、创建关系、增加属性描述、自定义规则 等14。实验用到的语义物联网平台注册流程如 图 2 所示。系统中如果需要添加新的物联网设备，首先 判断此设备是否已经存在，如果存在，则判断其类 型，属于哪一个系统；接着将其注册于相应的平台 中；最后判断这是否是一个新的传感器种类，并添 加传感器的一些观测属性。开发过程中共用到了 25个类，23个对象属 性，其中9个类和20个对象属性来自SSN本体,通过重复使用SSN本体中定义的类和属性，增加 了本系统内部以及与其他系统的互操作性。如图3所示，系统主要包括3个模块：传感 器、平台和部署。实验用于收集固定场所的空气 质量等数据，并进行监测。具体监测数据包括:二 氧化碳浓度、一氧化碳浓度、PM2.5,PM10,温 度、适度、光照、开关灯等数据,后期可进行传感器 和模块的添加删除。平台主要用于在一个模块上 固定多个传感器和Ar d u in o开发板，进行监测数 据的收集及传送。传感器模块主要用于传感器等 物理设备的注册、修改和删除等操作;平台模块集 成多个物理设备,并进行数据的收集;部署模块主 要包含平台的具体部署位置、传感器数量、种类、收集数 据 的 单 位 等 信 息。不 同 物 联 网 系 统 使 用 SSN中统一定义的类和属性，设备之间可以互相识别，增加了语义性和互操作性。New syst em it em?NNYisHo st ed By n ew jmc r o p r o c es so fNew Sen s o r(Ac t u a t o r)F-St a r t)It em r e g ist r a t io n Su bc l a ss o f SOSA:Sen so r(Ac t u a t o r)so sa:Obser va bl ePr o p er t y so sa:Ac t u a t a bl e Pr o p e r t yObser va t io n r e g ist r a t io nReg ist e r so sa:Obse r va t io n Re g ist e r so sa:Fea t u r e Ofl n t e r e st Defin it io n o f u n it a n d d a t a t yp eOr g a n ize Sen so r s&Ac t u a t o r s(SO SA:h a sSu b Syst em SOSA:h o st s)Devic e r e g ist r a t io n Re g ist e r ssn:Dep l o ymen t Cr ea t e in d ivid u a l s o f syst emsSyst em r e g ist r a t io n su bc l a ss o f SOSA:Syst em(eg.EDC_t yp e01)Reg ist e r SOSA:Pl a t fo r m su bc l a ss o f SOSA:Pl a t fo r mReg ist e r a n ew d evic eCr ea t e d a t a ba se t a bl e图2系统流程图Fig.2 System flowc hart owt:Thing r Actuation Deployment f FeatureOflnterest 卜 Measure .Observation|Observatkn_CDS|卜 Observation_CO2 j Observation_DHT11_Humid?Observation.DHT 11_Temp P Observation_EDC01 L Observation.Light 扌 Observationcollection 卜 Platform 卜 Property System J p#ActuatorHEDC_typeO1j EDC_typeO2:*Sensor Carbon_Dioxide_Sensor CdS Photoconductive Cells DHT11_Humkl DHT11_Temp PM25Dust_Sensor actsOn Property deployed System-MforProperty hasDeployment hasFeatureOflnterest b hasMember hasProperty hasResultM hasSubSystem hasUnit hosts isActedOnBy isFeatureOflnterestOf isHostedByM isObservedBy isPropertyOf isResultOf madeActuation madeByActuator madeBySensor madeObservation:observedProperty observes1-Unit图3本体的类和部分属性Fig.3 Classes and partial properties of the ontology4小结小结随着物联网系统的指数增多，传感器数量也 越来越多，由此产生大量的原始传感器数据，但是 由于缺乏统一的标准，不同的物联网平台之间缺 66宝鸡文理学院学报（自然科学版）2023 年乏互操作性1516暎SOSA/SSN规范了传感器相 关的概念和属性，但是对于具体的物联网系统还 需要进行扩展17 暎本系统基于SOSA/SSN本体 扩展了一个物联网本体，对设计的用于实验室空 气质量监测的物联网系统进行了建模，初步实现 了语义物联网，提高了对物联网设备的互操作性暎 参考文献参考文献：ASHTON K.Th a t in t er n et o f t h in g s，t h in g J.RFID Jo u r n a 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的研究综述杭州师范大学学报(自然科学版),2013,12(5)：467-473.(编校：井霞)