面向物聯(lián)網(wǎng)的裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)建設(shè)方案研究

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅鸩胶w包括物流、零售、制造業(yè)、醫(yī)療、消防、交通、軍事等在內(nèi)的社會(huì)生活的各個(gè)方面。作為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)將信息終端延伸和擴(kuò)展到各種物品之間，與此同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生比互聯(lián)網(wǎng)更為龐大的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)無時(shí)無刻不在持續(xù)產(chǎn)生，形式多樣而且數(shù)量驚人。物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)大體包括以下幾類：物品識(shí)別碼（即RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)）、地址/標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)、物品基本信息、位置和環(huán)境數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、履歷檔案數(shù)據(jù)、常用物理模型數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài)及命令數(shù)據(jù)等。總得來說，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)普遍呈現(xiàn)出海量性、共享性、多樣性和不確定性等特點(diǎn)，并且包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)、多維數(shù)據(jù)等多種形式叫這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)信息資源優(yōu)勢的基礎(chǔ)，而實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的科學(xué)表示、高效操作、充分共享和實(shí)時(shí)交換，是物聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮其作用的前提。

由于政府的高度重視，國內(nèi)對于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究起步較早，而且發(fā)展很快，技術(shù)研發(fā)水平當(dāng)前也處于世界前列，研究熱度仍在持續(xù)升高。在數(shù)據(jù)研究領(lǐng)域，已經(jīng)有諸多學(xué)者就物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理，存儲(chǔ)和表示等領(lǐng)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(lǐng)域在物聯(lián)網(wǎng)的研究還存在缺乏頂層設(shè)計(jì)，重視數(shù)據(jù)采集，忽略數(shù)據(jù)管理與挖掘，導(dǎo)致資源共享嚴(yán)重不足等諸多瓶頸因素。為了實(shí)現(xiàn)裝備各類信息資源的充分共享，必須加強(qiáng)信息共享平臺(tái)的頂層設(shè)計(jì)。通過對信息共享數(shù)據(jù)體系建設(shè)方案的研究，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換與共享標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享與交換平臺(tái)和統(tǒng)一的接口系統(tǒng)，才能有效地避免裝備基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中的重復(fù)投資，消除“信息孤島”，從而有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝備管理內(nèi)部信息的高度共享和實(shí)時(shí)交換。

1數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

由于裝備數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)龐大，各業(yè)務(wù)、模塊之間關(guān)系復(fù)雜,因此在針對其數(shù)據(jù)共享平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，在滿足數(shù)據(jù)交換共享和數(shù)據(jù)安全需求的前提下，應(yīng)力求簡化，保證應(yīng)用部署和維護(hù)的簡潔輕量。在這一思路的指導(dǎo)下，數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系可以分成數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層、數(shù)據(jù)交換層、數(shù)據(jù)共享層、信息安全層和主題應(yīng)用層等六個(gè)層次，其基本的數(shù)據(jù)體系架構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層包含來自于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的種類多樣的裝備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以及各類相關(guān)的資料數(shù)據(jù)，包括各種文本文件、二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件、XML文件等形式，經(jīng)過采集終端，被集中存放到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層的前端采集庫中。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層完成數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換以方便在整個(gè)大系統(tǒng)各業(yè)務(wù)之間實(shí)現(xiàn)信息交互。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層可以依托各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過消息中間件，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)應(yīng)用所需的新格式。一種已有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)就是基于PML的交換數(shù)據(jù)格式，可以對交換數(shù)據(jù)的描述均采用PML格式來提高平臺(tái)的擴(kuò)展性和開放性。

數(shù)據(jù)交換層的主要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是信息中心（節(jié)點(diǎn)），負(fù)責(zé)收據(jù)的匯集、處理和傳輸功能。數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換層經(jīng)消息中間件匯集到信息中心（節(jié)點(diǎn)）。信息中心（節(jié)點(diǎn)）主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的處理和傳輸功能。其中數(shù)據(jù)處理涉及的主要功能包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)解密、數(shù)據(jù)編目和數(shù)據(jù)審計(jì)等，而數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的適配、數(shù)據(jù)路由、交換橋接和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。此外，信息中心還存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)相應(yīng)的元數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)共享層對數(shù)據(jù)中心（節(jié)點(diǎn)）的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，提取出可供共享的數(shù)據(jù)信息，并緩存至數(shù)據(jù)共享層的共享交換數(shù)據(jù)庫中。這些數(shù)據(jù)包括各類地址/標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)，裝備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，資源位置數(shù)據(jù)和模型規(guī)范數(shù)據(jù)等。同時(shí)，在共享交換層還設(shè)有共享服務(wù)管理模塊，主要為數(shù)據(jù)共享交換實(shí)現(xiàn)服務(wù)發(fā)布和管理等功能。

信息安全是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)裝備信息共享面臨的最嚴(yán)峻的問題，本框架在主題應(yīng)用層和數(shù)據(jù)共享層之間設(shè)置了信息安全層，但整個(gè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系應(yīng)該考慮信息安全問題的地方遠(yuǎn)不止于此。信息安全層需要考慮的主要問題包括網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)加密、訪問控制、入侵檢測等方面，每個(gè)方面都包含著眾多需要研究并解決的技術(shù)及應(yīng)用難題。

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

2關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)“無所不包”的巨系統(tǒng)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)很多，包括基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)RFID、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與表示技術(shù)、信息安全技術(shù)等，本文探討的關(guān)鍵技術(shù)，僅僅局限于裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系構(gòu)建過程中涉及裝備數(shù)據(jù)交換的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、信息交換路由技術(shù)等。

2.1數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)通常采取兩種結(jié)構(gòu)：星型交換網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀交換網(wǎng)絡(luò)。在星型交換網(wǎng)絡(luò)中，所有端節(jié)點(diǎn)都只與同一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)相連接，通過中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；而在網(wǎng)絡(luò)交換結(jié)構(gòu)中,數(shù)據(jù)可以在任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間直接交換。鑒于裝備數(shù)據(jù)量過于龐大，建立超大型數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)不太現(xiàn)實(shí)，而由于數(shù)據(jù)傳輸、處理的要求，數(shù)據(jù)中心必不可少，將每個(gè)端節(jié)點(diǎn)都建成數(shù)據(jù)中心則成本太高。因此，一種可行的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)是分層式混合型數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建成端節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心兩級(jí)，端節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)中心承擔(dān)數(shù)據(jù)處理和分發(fā)任務(wù)。每一個(gè)數(shù)據(jù)中心組成星型子網(wǎng)絡(luò),為其關(guān)聯(lián)的端節(jié)點(diǎn)分發(fā)數(shù)據(jù)；而數(shù)據(jù)中心則彼此相連，形成網(wǎng)狀交換網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心彼此地為平等，共同依托云平臺(tái)，共享存儲(chǔ)和計(jì)算資源。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換示意圖如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，不僅組網(wǎng)方便，擴(kuò)展性好，節(jié)約了建設(shè)成本，保證了數(shù)據(jù)交換的時(shí)效性，而且抗毀傷性能也非常好。

2.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

由于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)來源廣泛，類型眾多，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)，其對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的重要性不言而喻。理想的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)并不直接作用于數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)，而是在數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)時(shí),按照基于特定詞匯集的公共語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，從而實(shí)現(xiàn)可靠傳輸和翻譯。在當(dāng)前技術(shù)條件下，歐美的EPC物聯(lián)網(wǎng)采用了基于PML的信息轉(zhuǎn)換技術(shù)。PML（PhysicalMarkupLanguage，物體標(biāo)記語言）是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換公共語言XML（eXtensibleMarkupLanguage，可擴(kuò)展標(biāo)示語言）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的用以描述物聯(lián)網(wǎng)中所有物品信息的公共語言。PML在包含兩個(gè)不同詞匯PLM核和Savant擴(kuò)充的標(biāo)準(zhǔn)詞匯集的基礎(chǔ)上，定義了EPC物聯(lián)網(wǎng)中所有信息的傳輸方式,為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的信息存儲(chǔ)、交換提供了標(biāo)準(zhǔn)格式。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)建設(shè)，可以參照這種思路，設(shè)計(jì)出類似的共同語言，也可以直接采用PML，以提高物聯(lián)網(wǎng)的通用性。

2.3信息交換路由技術(shù)

由于單個(gè)數(shù)據(jù)中心的信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力有限，在請求服務(wù)可能訪問多信息中心數(shù)據(jù)服務(wù)的情況下，數(shù)據(jù)共享平臺(tái)設(shè)計(jì)必須考慮信息交換路由問題。平臺(tái)應(yīng)該創(chuàng)建通用代理服務(wù)，接收主題應(yīng)用服務(wù)端傳輸來的PML消息并進(jìn)行分析,然后根據(jù)消息內(nèi)容配置訪問路由，進(jìn)行基于業(yè)務(wù)規(guī)則的匹配,隨后根據(jù)不同的分配結(jié)果，將用戶的服務(wù)請求路由到不同數(shù)據(jù)中心的服務(wù)提供者。信息交換路由應(yīng)能夠適用于點(diǎn)對點(diǎn)和一對多等不同路由情況，并能實(shí)現(xiàn)可視化路由配置，確保服務(wù)請求的數(shù)據(jù)信息靈活方便、高效準(zhǔn)確地送達(dá)用戶。

3共享交換庫建設(shè)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)裝備數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的分層式混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的多數(shù)功能都依托數(shù)據(jù)中心來實(shí)現(xiàn),因此有必要對數(shù)據(jù)中心的共享交換數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。數(shù)據(jù)中心的共享交換庫應(yīng)當(dāng)至少包括元數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、模型資料庫、輔助決策庫、主題數(shù)據(jù)庫和交換日志庫等七項(xiàng)子庫內(nèi)容。

其中元數(shù)據(jù)庫用于存放系統(tǒng)元數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用于存放各類代碼信息、單位機(jī)構(gòu)信息、公共資源信息、空間地理信息等基礎(chǔ)信息，以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)應(yīng)用字典信息，并且為各類業(yè)務(wù)所通用；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括業(yè)務(wù)信息和業(yè)務(wù)規(guī)則兩方面，業(yè)務(wù)信息指經(jīng)過數(shù)據(jù)采集過程從前端數(shù)據(jù)采集庫抽取出來的重要業(yè)務(wù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)匯集、清洗和編目，規(guī)范完整地存儲(chǔ)在庫中,業(yè)務(wù)規(guī)則是指將各業(yè)務(wù)本身的標(biāo)準(zhǔn)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(jù)挖掘技術(shù)，結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的信息，開發(fā)出可以為數(shù)據(jù)使用人員提供統(tǒng)計(jì)分析、模式發(fā)掘、智能決策等服務(wù)的輔助決策服務(wù)產(chǎn)品；主題數(shù)據(jù)庫面向業(yè)務(wù)應(yīng)用，以目錄形式存儲(chǔ)各主題業(yè)務(wù)經(jīng)常使用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以便于高效檢索和交換，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新的一致性；交換日志庫用于存放數(shù)據(jù)交換過程中產(chǎn)生的交換日志，以便于平臺(tái)監(jiān)管模塊或是人工對數(shù)據(jù)交換歷史進(jìn)行查閱。

4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)

由于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范繁雜，世界各國所采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也常常不一致，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)成為了物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中的一大難題。本節(jié)僅從數(shù)據(jù)共享需求角度簡要探討物聯(lián)網(wǎng)裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系建設(shè)過程中涉及的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)的若干方面，以完整展現(xiàn)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的宏觀架構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系建設(shè)涉及的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括：編碼代碼規(guī)范、數(shù)據(jù)項(xiàng)定義規(guī)范、數(shù)據(jù)采集規(guī)范、數(shù)據(jù)交換格式規(guī)范、數(shù)據(jù)管理使用規(guī)范和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)范等。

編碼代碼規(guī)范包括單位、人員、裝備、設(shè)備、設(shè)施、器材、地理位置、通用屬性等的數(shù)字化名稱，即標(biāo)識(shí)碼，明確其碼長、編碼方式及賦碼方法。

數(shù)據(jù)項(xiàng)定義規(guī)范包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表涉及的數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱、標(biāo)識(shí)、層次結(jié)構(gòu)、目錄代碼結(jié)構(gòu)，以及通用數(shù)據(jù)應(yīng)用字典的字典項(xiàng)及其標(biāo)準(zhǔn)編碼。

數(shù)據(jù)采集規(guī)范應(yīng)當(dāng)明確信息采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容及含義、數(shù)據(jù)格式、采集準(zhǔn)則、審核機(jī)制、采集手段、采集流程、匯集上報(bào)方式等。

數(shù)據(jù)交換格式規(guī)范明確使用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)規(guī)范格式，包括與其相關(guān)的開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理模式，以及設(shè)計(jì)策略等。

數(shù)據(jù)管理使用規(guī)范包括數(shù)據(jù)在管理、運(yùn)行、維護(hù)、使用過程中涉及的人與機(jī)構(gòu)的任務(wù)職責(zé)、工作流程、管理規(guī)定、更新機(jī)制和使用規(guī)定等。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)規(guī)范的制定以集成和統(tǒng)一各行業(yè)已有內(nèi)部規(guī)范為主，在不影響數(shù)據(jù)交換使用的前提下盡量適應(yīng)各業(yè)務(wù)原有標(biāo)準(zhǔn)，避免數(shù)據(jù)遷移困難。

5結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系建設(shè)的目的是為了充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下裝備信息資源優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的合理組織、科學(xué)管理、快捷傳輸、充分共享和高效利用。本文面向物聯(lián)網(wǎng)裝備數(shù)據(jù)實(shí)際使用需求，基于數(shù)據(jù)中心和服務(wù)端節(jié)點(diǎn)兩層混合式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步針對數(shù)據(jù)共享平臺(tái)體系建設(shè)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，共享交換庫建設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)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(shè)方案。文章提出的建設(shè)方案在主要功能點(diǎn)，都依托數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn),而單個(gè)數(shù)據(jù)中心的信息存儲(chǔ)和處理能力有限，在面向大型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，還存在分布式存儲(chǔ)和計(jì)算的問題，因此基于云技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳遞問題的解決方案，還需要后續(xù)做進(jìn)一步探討。

20211222_61c3319e76bd7__面向物聯(lián)網(wǎng)的裝備數(shù)據(jù)共享平臺(tái)建設(shè)方案研究