2019-04-04 论文笔记—Organization and Management of Semantic Sensor Information using SSN Ontology: an...

论文笔记—Organization and Management of Semantic Sensor Information using SSN Ontology: an Energy Meter use case

利用SSN本体组织和管理语义传感器信息:一个电能表用例

摘要:在网络物理系统(CPS)中，传感器在观测和测量物理世界参数中起着重要作用。捕获传感器语义有助于搜索和发现最适合于检测特定物理事件的传感器。本文描述了一般传感器信息的组织及其管理，并详细阐述了利用语义传感器网络本体(SSN)实现能量传感器的实例。利用这种传感器知识表示满足时空和主题查询，同时为各种智能和绿色能源感知物联网(IoT)应用提供语义支持的增值服务。

I. INTRODUCTIOn

传感器参与感知参数变化，以检测网络物理系统(CPS)中某些事件的发生。不同类型的功能特性、测量能力和传感方法表明了不同传感器测量和观测类别的异质性。传感器不断地产生大量不同的数据。仅仅收集传感器的观测数据不会增加任何额外的价值;通过分析这些数据，我们应该得到有价值的见解，比如这些数据的语义、生成这些数据背后的物理原因以及如何处理这些数据等等。反过来，这将解决各种物联网应用的挑战，如获取环境上下文、访问控制和共享传感器数据、提供一些专家建议如何解决情况或如何在情况下做什么.

为了使传感器数据提供有价值的见解，选择和部署正确的传感器(在能力、进动、测量方法、部署费用等方面)是至关重要的。因此，需要上下文感知的传感器搜索和选择系统，该系统可以在特定的用例[1]中为CPS部署场景找到最合适的传感器。在此基础上，对传感器的语义进行捕获并应用推理，提供推理。围绕传感器和相关领域的概念、关系、限制为一个有用的语义传感器搜索系统提供了基本平台。在大多数情况下，关于这些概念、关系等的知识仅限于领域专家，只有主题专业知识(SME)才能建议哪一组传感器最适合测量符合约束和偏好的某些物理参数。现有的物联网解决方案缺乏对传感器选择和搜索的关注，且明显缺乏有用的传感器描述和数据建模，促使一个W3C孵化小组发布了语义传感器网络XG最终报告[2]

定义了语义传感器网络(SSN)本体[3]。SSN本体是围绕刺激-感觉-观察(SSO)模式构建的，SSO模式描述了传感器与刺激、观察等重要概念之间的关系。SSN孵化组还确定了四个与传感器世界相关的具体用例来关注，这四个用例是:(i)数据发现和链接(与从传感器观察中创建的数据分类和链接相关);设备发现和选择(根据传感器的能力和特点进行搜索);来源和诊断(与数据和传感器网络的错误有关);设备任务和操作(与传感器的核心级编程和控制相关)。本文将能量表的功能属性、测量能力、测量方法等与SSN本体的功能属性、测量能力、测量方法等结合起来，给出了能量表的语义。energy meter ontology 1不仅捕获这些计量表所度量的内容，还捕获主题、空间和时间语义实体以及事件和对象之间的关系，这些内容超出了它们能够直接度量和提供的范围，其目标是回答来自不同级别用户的元数据查询。

设备的发现和选择是本文的另一个重点领域。为此目的，使用语义推理和查询技术来促进上下文感知的能源表搜索和选择。这个从SSN扩展而来的电能表知识框架可以帮助回答各种各样的问题，例如:

    1.一个概念级查询，由用户谁想知道不同的概念和关系的能源表领域，如-“什么是消费衡量的能源表?

    2.传感器功能查询用户谁想选择和部署一个能量计模型给定的用于工厂——“列出所有Kamstrup模型的能量米能够测量两个活跃的能量和反应能量和发送数据在wi - fi ?

    3.用户的元数据信息查询—“具有Wi-Fi功能的电能表的制造商是谁?”或“什么是‘功率’的‘UOM’?”或“电能表电池的标准使用时间是多少?”

    4.一个维护管理区域的用户的时空查询——“查找所有在高峰时间处于活动状态并位于市中心vip区的电能表。

这些查询对于用户来说是主观的，但是没有一个查询直接涉及到电能表的观察。对于那些在网络物理系统[4]中制作、选择、部署、使用和维护电能表传感器的人员来说，这些类型的查询非常重要。

本文的其余部分组织如下。第二部分讨论了早期工作的局限性以及为什么选择SSO范式。第三部分详细介绍了参考SSN本体的电能表本体的实现，第四部分从元数据查询和服务的角度讨论了新创建的本体的使用。第五部分对全文进行了总结，并对今后的工作进行了展望

II. RELATED WORK

在建筑[5]、能源信息学和能源调查以及家庭能源管理领域[6]、[7]中，利用语义技术提高能源效率的研究已经取得了很多成果。然而，这些都没有涵盖作为传感器的能量表，这是一个新的命题在这项工作。有一些以传感器为中心的本体，如SWAMO[8]和OntoNym[9]。SWAMO专注于以传感器为中心的过程，而OntoNym是轻量级的，但覆盖面更小，采用起来很肤浅。ontossensor[10]是另一种以传感器为中心的本体，它继承了IEEE相扑[11]作为本体，包含了SWE传感器[12]的概念。在[13]、[14]、[15]、[16]等工作中，融合了传感器层次结构、SDO本体数据等概念，尝试将个体传感器扩展到电能表作为传感器。但最终的本体论缺乏与物理世界事件或刺激的联系。此外，个体传感器的结构本身就不模块化，概念和性质的组织也不是很清晰;因此，本体的扩展和丰富仍然是一个瓶颈。虽然这个本体有空间来描述传感器数据，但是它将自己限制在一组集中的传感器上，并且没有提供一个可重用的框架来容纳任何传感器的所有方面

A. Selection of New Paradigm

SSN(语义传感器网络)本体SSO (Stimulus-Sensor-Observation)范式的基础上,由W3C的目标使用它在传感器网络和传感器web应用程序中,似乎有一个很好的覆盖物理世界的概念(如事件、刺激感兴趣的特性等)和概念相关的传感器(测量参数、方法、能力等),同时保持了外部本体结构的模块化和可插入性。为了在更广泛的领域内支持语义互操作性，SSN本体与DOLCE UL2本体(Ultra Light版本)保持一致，因为它可以作为集成和概念匹配其他领域本体的通用基础。此外，SSN本体能够与SWE SensorML、O&M、TML等传感器和观测描述标准集成，成为传感器知识描述的单一标准。下一节将讨论如何在不涉及传感器概念之间相互关系的情况下扩展这个本体

III. ALIGNING ENERGY METER ONTOLOGY WITH SSO DESIGN PATTER

在本节中，根据SSN本体模式描述了能量计作为传感器的适配性。为了构建本体，使用了Protege 4.3。已经导入了一个外部本体，它位于http://purl.oclc.org/muo/ucum，并表示为UCUM(从这里开始)。电能表的可观测特性，如电流、电压、功率等概念都是从这个本体论中联系起来的。它也被用于连接可观测的测量单元和能力概念，如精度、范围等。能量计本体、SSN与空间、时间、接口本体等外部本体的关系如图1所示。这些本体的使用细节将在下一节中讨论

A. Sensor Hierarchy

ssn:SensingDevice是可以概念化任何种类传感器的类。这是ssn的一个子类:Sensor和ssn:Device (ssn的子类:System)。以ssn:SensingDevice为超类，创建了EnergyMeter的层次结构(图2)

B. Measurement Properties and Capabilities

测量是最重要的模块，它包括两个方面:ssn:测量能力和ssn:测量性能。每个ssn: measurement rementability都由ssn链接:forProperty with one ssn:Property which is again linked to some ssn: features of interest by ssn:ObservedProperty。此外，ssn: measurement rementability可以有一个或多个ssn: measurement rementproperty，它定义了实体，如ssn:Accuracy、ssn:DetectionLimit、ssn: measurement entrange等。如图3b所示，电表可以具有ssn: hasmeasure rementproperty读取电压(ucum: voltage)，该功能可以具有一个ssn: measure rementange属性(ssn:MeasurementRange的一个实例)，该属性由一个对象属性ssn: hasmeasure - entproperty链接。该伏特emeasurementrange最大量程为225，最小量程为110，测量单位为ucum:Volt。其他类似的功能定义为电流，功率，能源等。需要指出的是，目前还没有为捕获测量电压的实际值作出规定

C. Observation

观测和数据是传感器传感方法的结果。这里ssn:观察包含了所有的观察概念。ssn的伏特观测、电流观测等:用电能表进行观测。这些与包含在ssn:observationResult属性中的相应结果输出概念相关联(图3a)(类似于VoltageObservation与VoltageOutput相关联)。通过ssn:hasValue，这个VoltageOutput再次与VoltageValue类(继承自ssn:ObservationValue)相关。实际观测数据直接与这个VoltageValue类链接，该类具有两个属性，即hasQuantityValue链接原始数值(xsd:int, xsd:float)和hasQuantityUnitOfMeasurement链接电压测量单元(伏特)。这个测量单元(UOM)是由外部owl UCUM链接或导入的

D. System

ssn:系统是用来描述一个复杂的互连多传感器系统。在一些特殊的部署场景中，电能表通常以主从模式运行，控制多个Zigbee/ModBus节点，读取单个负载点的消耗。来自这些节点的数据被传送回仪表。这样的组合可以形成一个ssn:子系统，然后将数据发送到主表。这种部署方式创建了一个相互连接的多电能表系统。在实现中(参见图3d)，一个meter实例(名为Kamstrup)被显示为连接到一个meter子系统，该子系统向它发送数据，另外两个单独的本地zigbee节点从该节点收集数据