（计算机科学与技术专业论文）语义传感器web中传感器本体构建研究.pdf

djf一 j ，l l i r e s e a r c ho ns e n s o ro n t o l o g yb u i l d i n gi n s e m a n t i csensoremantice n s o r w e d at h e s i ss u b m i t t e dt o d a f i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u w d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y z h a n gx i a n z h o n g ( c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h iy i m i n j u n e2 0 1 1 i f i f j i j j j i i | f i j l i i i i f j i i f 18 9 6 6 81 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：适竖佳盛墨壁垒生笾壁墨奎佳掏建班究：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：塑垒垫危! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数 据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提 供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密0 在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“寸) 论文作者签名：弛寤、导师签名：艾一历 日期：础年7 月f 日 中文摘要 摘要 随着传感器技术的发展，传感器网络正广泛应用到各个领域，传感器w 曲理 论也逐渐完善和成熟。但是传感器网络的异构性，使传感器网络之间很难互联在 一起，难以实现资源的有效共享和重用。尽管传感器w e b 是为了实现传感器的w e b 互联以及传感器资源的有效访问提出来的，但是由于大量传感器及其数据的涌现， 普通用户要在w e b 中发现传感器及其相关资源也是比较困难的，而且无法理解所 获取的传感器信息。 针对上述问题，语义传感器w e b 应运而生，其旨在通过语义w e b 技术增强传 感器数据的语义，实现传感器数据的共享和重用，以提高传感器互操作性。作为 语义w e b 的核心，本体是机器理解语义的基础。本文分析了现有的传感器网络和 传感器w e b 框架，提出了传感器本体驱动的语义传感器w e b 框架，旨在通过引入 传感器本体，为传感器数据提供语义，以解决传感器资源难以发现等问题。由于 没有比较成熟的适合应用到语义传感器w e b 中的传感器本体，本文研究了语义传 感器w e b 中传感器本体的构建。但是目前传感器本体构建不够规范，没有成熟的 方法以及明确的框架和清晰的分层结构，构建出的本体质量较差，概念表达力低， 彼此间共享和重用性差。 本文阐述了传感器本体的含义、构成以及框架，提出了一种传感器本体p d c a 构建方法。在此基础上，人工构建了传感器核心本体，并对其进行了更新与扩展， 实现了基于时间、空间和主题语义的传感器发现，并依据现有评估方法评价了传 感器核心本体及其更新和扩展效果，进而验证了传感器本体构建方法和传感器本 体驱动的语义传感器w e b 框架的有效性。 关键词：传感器本体：传感器本体构建；语义传感器w e b l 传感器发现 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g y ，s e n s o rn e t w o r k sa r ew i d e l ya p p l i e d t ov a r i o u sf i e l d s ，s e n s o rw e bt h e o r yh a sg r a d u a l l yi m p r o v e da n dm a t u r e d h o w e v e r , b e c a u s eo ft h eh e t e r o g e n e i t yo fs e n s o rn e t w o r k s ，i ti sd i f f i c u l tt oi n t e r c o n n e c tt h e s e n s o rn e t w o r k sa n da c h i e v ee f f e c t i v es h a r i n ga n dr e u s i n go ft h er e s o u r c e s b e c a u s eo f t h ea p p e a r a n c eo fal a r g ea m o u n to fs e n s o r sa n dr e l a t e dr e s o u r c e s ，i ti s r e l a t i v e l y d i f f i c u l tf o ra no r d i n a r yu s e rt od i s c o v e rs u c hi n f o r m a t i o nf r o mt h ew e b ；f u r t h e r l n o r e ，i t i si m p o s s i b l et ou n d e r s t a n dt h ei n f o r m a t i o no b t a i n e da b o u tt h es e n s o r s a sar e s u l t a r r i v e st h es e m a n t i cs e n s o rw e bw h o s ep u r p o s ei st oe n h a n c et h e s e m a n t i c so fs e n s o rd a t aa n dr e a l i z et h es h a r i n ga n dr e u s i n go fs e n s o rd a t at h r o u g h s e m a n t i cw e bt e c h n o l o g y ，e v e n t u a l l yt oi m p r o v et h ei n t e r o p e r a b i l i t yo ft h es e n s o r s a s t h ec o r eo fs e m a n t i cw e b ，o n t o l o g yi st h eb a s i sf o rt h ec o m p u t e rt ou n d e r s t a n dt h e s e m a n t i co fi n f o r m a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e dc u r r e n tf r a m e w o r k so fs e n s o rn e t w o r k s a n ds e n s o rw e ba n dp r o p o s e ds e n s o ro n t o l o g y - d r i v e ns e m a n t i cs e n s o rw c bf r a n l e w o r k ， w h i c ha i m st op r o v i d es e m a n t i cf o rs e n s o rd a t a , t h e r e b ys o l v i n gt h ep r o b l e mt h a ts e n s o r d a t ai sd i f f i c u l tt od i s c o v e ra n du n d e r s t a n d o w i n gt ot h el a c ko fm a t u r es e n s o ro n t o l o g y s u i t a b l et ot h es e m a n t i cs e n s o rw e b ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o n s t r u c t i o no fs e n s o r o n t o l o g yi nt h es e m a n t i cs e n s o rw e b c u r r e n t l y ，t h e r ei sn oe x p l i c i tf r a m e w o r ka n d h i e r a r c h y f o rs e n s o ro n t o l o g y , a tt h es a n l et i m e ，t h e r ei sn ow i d e l ya c c e p t e d s p e c i f i c a t i o na n dm a t u r em e t h o & f o rs e n s o ro n t o l o g yb u i l d i n g ，t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo f o n t o l o g yb u i l ti sp o o ra n dt h ee x p r e s s i v i t yo fc o n c e p ti sw e a k , t h a t r e s u l t si nb a ds h a r i n g a n dr e u s i n ga m o n gs e n s o ro n t o l o g y t h em e a n i n g ，c o m p o s i t i o na n df r a m e w o r ko ft h es e n s o ro n t o l o g yi se l a b o r a t e d , f u r t h e r m o r e ，as e n s o ro n t o l o g yc o n s t r u c t i o nm e t h o do fp d c a i sp r e s e n t e d s e n s o rc o r e o n t o l o g yi sb u i l ta r t i f i c i a l l ya c c o r d i n gp d c am e t h o 也a n dt h e ns e n s o rc o r eo n t o l o g yi s u p d a t e da n de x t e n d e d , i na d d i t i o n , s e n s o rd i s c o v e r yb a s e do nt i m e ，s p a c ea n dt h e m ei s i m p l e m e n t e d f i n a l l y ，t h i sp a p e re v a l u a t e ds e n s o rc o r eo n t o l o g ya n di t su p d a t i n ga n d e x t e n d i n g ，a n dv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o da n dt h ef r a m e w o r k 英文摘要 k e yw o r d s ：s e n s o ro n t o l o g y ；s e n s o ro n t o l o g yb u i l d i n g ；s e m a n t i cs e n s o rw e b ； s e n s o rd i s c o v e r y 目录 目录 第1 章绪论一1 1 1 研究背景及意义一1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 语义传感器w e b 的研究3 1 2 2 传感器本体的研究4 1 3 研究内容7 1 4 论文章节安排及结构8 第2 章语义传感器w e b 10 2 1 语义传感器w e b 含义及特征l0 2 1 1 传感器w e b 及传感器网络1 0 2 1 2 语义传感器w 曲11 2 2 传感器w e b 与传感器网络框架11 2 2 1 传感器w 曲框架1 2 2 2 2 传感器网络框架13 2 3 语义传感器w e b 框架1 4 2 - 3 1 物理层与传感器层1 5 2 3 2 语义层1 6 2 3 3 服务层和应用层17 2 4 语义传感器w e b 框架中的传感器数据处理及传感器发现1 7 2 4 1 传感器数据的处理过程。17 2 4 2 传感器数据的抽取18 2 4 3 传感器数据的时间、空间和主题语义。2 0 2 4 4 传感器发现2 0 第3 章传感器本体构建2 l 3 1 传感器本体2 l 3 1 1 传感器本体定义及构成2 1 3 1 2 传感器本体框架2 3 3 1 3 传感器本体中的概念及关系2 4 3 1 4 传感器本体中的概念表达力2 9 3 2 传感器本体构建方法3 0 目录 3 2 1 传感器本体构建准则3 1 3 2 2 传感器本体p d c a 构建法31 3 2 3s e n o n t p d c a 定义3 3 3 2 4s e n o n t p 阶段3 5 3 2 5s e n o n t d 阶段3 5 3 2 6s e n o n t c 阶段3 6 3 2 7s e n o n t a 阶段3 6 3 3 传感器本体更新与扩展3 6 3 3 1 传感器本体更新与扩展流程一3 7 3 3 2 传感器本体更新3 9 3 3 3 传感器本体扩展4 0 3 3 4 算法实现4 2 第4 章语义传感器w e b 中传感器本体构建4 6 4 1 系统功能与工具关系4 6 4 2 传感器核心本体构建4 6 4 2 1 传感器核心本体构建规划4 6 4 2 2 传感器核心本体构建4 7 4 3 传感器本体更新与扩展模块设计4 8 4 3 1 总体设计4 9 4 3 2 预处理模块- 4 9 4 3 3 传感器更新与扩展模块5 1 4 3 4 数据库设计5 3 4 4 模块实现5 5 4 5 传感器本体在语义传感器w e b 中的应用5 8 4 5 1 传感器本体的s p a r q l 查询5 8 4 5 2 传感器发现模块设计5 8 4 5 3 基于时间、空间和主题的传感器发现5 9 第5 章传感器本体评价6 2 5 1 数据来源及评价方法6 2 5 1 1 数据来源6 2 5 1 2 评价方法6 2 5 2 评价结果与分析“ 目录 5 2 1 传感器核心本体的评价结果与分析6 4 5 2 2 传感器本体更新实验结果与分析6 7 5 2 3 传感器本体扩展实验结果与分析。6 9 第6 章结论与展望7 4 6 1 结论7 4 6 2 展望7 4 参考文献7 6 攻读学位期间公开发表论文8 0 至炙谢81 语义传感器w e b 中传感器本体构建研究 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 语义w e b 是w w w 的延伸，是针对当今互联网中信息无序、数据缺乏语义和 信息获取效率低等问题提出来的。在语义w e b 中，信息被赋予了明确的含义，使 计算机能够理解和辨识w e b 信息，并对其自动解释、交换和处理，从而为人们提 供优质的服务。语义w r e b 三大关键技术是x m l 、r d f 和o n t o l o g y ，语义w e b 使 用x m l 定义自定制的标签格式，采用r d f 灵活地描述数据以及用o w l 语言来 描述网络文档中的术语的明确含义和它们之间的关系。 传感器网络【l 】能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集 各种环境对象信息，在嵌入式系统下对信息进行处理，在随机自组织无线通信网 络下以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端，终端用户再对其信息进一 步处理。近几年物联网的兴起，在很大程度上促进了传感器网络的发展，各个领 域纷纷建立了传感器网络。正如n e i l 所说，2 l 世纪的地球将长出一层“电子皮肤 ， 而且这些“皮肤 正在逐渐地缝合在一起，它将探查和监视地球上的一切【2 j 。但是 目前的传感器网络都是应用到各自特定领域，传感设备、数据处理、通信协议等 方面的异构性，使网络之间很难互联在一起，难以实现资源的有效分配和共享， 导致信息“孤岛”，使用户难以在大量的互联网数据中发现传感器信息。因此解决 异构传感器网络中传感信息的共享和重用、实现w e b 中传感器信息的发现至关重 要。 面对传感器资源的共享和传感器网络的互联问题，相关学者已经作了大量的 研究工作，并取得了许多研究成果。2 0 0 5 年，开放地理空间联盟( o g c ，o p e n g e o s p a t i a lc o n s o r t i u m ) 提出了一种新型的传感器w e b 标准传感器w e b 整合框架 【3 4 5 1 ( s w e 。s e n s o rw e be n a b l e m e n t ) ，该标准已经成为事实上的工业标准。然而 这种框架是基于x m l 模式设计的，传感器数据缺乏语义，传感器和计算机不能理 解传感器信息，导致传感器之间互操作性差，而且面对大量传感器的出现以及海 量数据的产生，用户不但难以发现传感器并获取相关数据，即使发现了传感器获 第1 章绪论 取到了数据，面对专业的传感器编码信息，普通用户也难以理解其含义。为解决 上述问题，2 0 0 8 年a m i ts h e t h 等人结合s w e 与语义w e b 技术提出了s e m a n t i c s e n s o rw e b 6 ，旨在通过本体，增强传感器数据的表达能力、丰富传感器数据语义 和实现传感器知识推理，以支持传感器的互操作性。 本体是语义的核心，其主要目标是通过获取相关领域知识得到共同认可的代 表领域的词汇以及这些词汇的层次化结构，以实现对领域知识的共同理解。首先， 使用本体描述传感器网络上的信息，能够使传感器和计算机真正“理解 数据的 含义，并在“理解 的前提下更好地采集和处理这些信息与知识。其次，本体为 传感数据提供共享概念模型，支持传感器资源的共享和重用。再次，通过本体， 能够实现传感器知识推理，为人类感知客观世界提供良好的决策支持。在传感器 领域，针对传感器智能部署、传感器数据表示以及传感器数据语义检索等问题， 传感器本体应运而生。 但是目前传感器本体，无论是作为一种通用语言还是作为一种数据模型都缺 少时间和空间的语义，如从温度传感器中获得“3 0 这个数据，用传感器本体中 的“温度”这一概念标注它，则表明“3 0 是温度，但该本体却不能表明采集的 时间、地点以及采集者等相关信息。而且本体开发者都是根据特定应用来构建相 应的传感器本体，并没有明确的含义和统一的框架，导致各个本体中的类定义不 同，使彼此之间共享性和重用性较差。而且面对传感器本体的开发，没有比较完 整、成熟的构建方法。 本体在语义传感器w e b 中的应用还刚刚起步，本文在语义传感器w e b 理论基 础上，从传感器特性和传感器观测角度出发，分析目前传感器本体存在的问题， 阐述传感器本体含义、特点及构成，研究语义传感器w e b 中的传感器本体的构建， 提出一种传感器本体构建方法，构建适合语义传感器w e b 功能需求的传感器本体。 主要研究意义在于： ( 1 ) 明确语义传感器w e b 逻辑层次结构。本文阐述了语义传感器w e b 含义、 特征，提出了语义传感器w e b 框架。 ( 2 ) 为语义传感器w e b 提供套共享的术语和信息表示结构。本文阐述了传 语义传感器w e b 中传感器本体构建研究 感器本体含义、特点，设计了传感器本体框架和层次结构，确立了传感器概念之 间的结构和隶属关系，规范化地表示传感器概念、传感器概念的属性及传感器概 念之间的各种约束。 ( 3 ) 建立较完整的传感器领域概念体系。本文构建了传感器核心本体，为传感 器知识的一致性、正确性和完备性等有效的检查提供了依据，从而为各种不同或 者相同的知识系统之间的知识共享、互操作和重用提供可能。 ( 4 ) 提高传感器本体质量和开发效率。本文提出了一种传感器本体构建方法， 目的在于规范化传感器本体构建，构建出质量较高的传感器本体，并使传感器本 体构建过程具有一定程度的自动化，降低本体构建的困难程度。 ( 5 ) 支持传感器发现。本文的传感器本体为传感器数据提供时间、空间和主题 语义，实现了基于时间、空间和主题语义的传感器发现。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 语义传感器w e b 的研究 文献 6 】认为s e m a n t i cs e n s o rw e b 是一种为增强传感器互操作性，为其数据提供 元数据和时间、空间、主题等上下文信息的技术。文献【7 】认为s e m a n t i cs e n s o rw 曲 是一种用时间、空间以及主题元数据标注传感器数据的技术，旨在利用语义w e b 技术扩展s w e 功能，以增强传感器数据的描述能力和共享重用能力。 根据s e m a n t i cs e n s o rw e b 是语义w e b 和传感器w e b 技术两者的结合，而语义 w e b 来自于英文的s e m a n t i cw e b ，传感器w e b 来自于s e n s o rw e b ，本文将s e m a n t i c s e n s o rw e b 界定为语义传感器w e b ( s s w ，s e m a n t i cs e n s o rw e b ) 。目前国外语义传 感器w e b 的主要研究方向有传感器知识建模与表示、传感器领域建模与分析、传 感器与传感器网络本体工程、语义传感器w e b 开发环境、语义传感器w e b 的数据 模型与表示语言、语义传感器系统与应用以及语义传感器w e b 体系结构和中间件 等。主要研究组织及相关工作如下： ： ( 1 ) 莱特州立大学的k n o e s i sc e n t e r 在2 0 0 8 年启动了语义传感器w e b 项卧引。 该项目旨在实现传感器数据语义级别的互操作。主要研究内容：传感器数据的语 第1 章绪论 义建模和语义标注、语义传感器观测服务、传感器数据的感知与分析、语义传感 器w e b 的信任机制、传感器数据流分析。研究成果有传感器数据集、s s w 本体和 l i n k e d s e n s o r d a t a ，以及m e s o w e s t 和b u c k e y et r a f f i c 系统。 ( 2 ) w 3 c 在2 0 0 9 年成立了语义传感器网络孵化器工作组( s e m a n t i cs e n s o r n e t w o r ki n c u b a t o rg r o u p s s n - x g ) 【9 】。目前该工作组任务：开发描述传感器和传 感器网络特性的本体，制定面向传感器网络服务应用的语义标注语言，并通过传 感器发现技术的应用，展现传感器w e b 技术和语义w e b 技术相结合的巨大优势和 现实意义。工作组的目标：( 1 ) 语义传感器网络本体开发。为传感器网络提供统一 传感器及其数据表示语言，并在一定程度上体现o g c 标准，实现本体和o g c 模 型之间的映射( 如o w l 和o & m 模型之间的映射) ；( 2 ) 传感器建模语言( s e n s o r m l ， s e n s o rm o d e ll a n g u a g e ) 的扩充；( 3 ) 制定语义传感器网络的相关标准。工作组进 展情况：正在构建一个语义传感器网络本体。 语义传感器w e b 的研究刚刚起步，实际应用很少，也面临许多亟待解决的问 题，但其优势已经逐渐体现出来，如传感器的w e b 互联、传感器资源的共享和重 用、传感器知识发现等等，这些都是目前传感器网络做不到的。随着许多组织和 机构深入研究，将会有更多的研究成果和广泛的应用，也将进一步推进物联网的 物联化、互联化和智能化发展。 1 2 2 传感器本体的研究 本体原本是一个哲学的概念，被哲学家用来描述事物的本质，后来被引用到 人工智能、知识工程、计算机等领域。在计算机领域，明确本体的定义经历了一 段过程。在1 9 9 3 年，g r u b e r 给出了比较权威的定义：“本体是概念模型的明确的 规范说明”b 0 1 ，随着人们对本体理解的完善，1 9 9 7 年，b o r s t 在此基础上稍作修 改，提出：“本体是共享概念模型的形式化规范说明【l l 】，s t u d e r 等人在1 9 9 8 年 对上述两个定义进行深入研究后认为，本体是共享概念模型的明确的形式化规范 说明 【1 2 】，该定义包含概念化、明确、形式化和共享4 层含义，已被广泛认可。 语义w e b 上的本体是在r d f ( s ) 基础上定义的概念及其关系的抽象描述，用于 描述应用领域的知识，描述各类资源及资源之间的关系。主要包括分类和一套推 语义传感器w e b 中传感器本体构建研究 理规则，分类用于定义对象的类别及其之间的关系，推理规则进一步提供知识推 理和挖掘新知识的功能，语义w e b 实现的主要目标即“机器可理解”。在传感器 领域中根据应用目的不同，描述传感器领域的本体可分为传感器网络本体、传感 器数据本体、传感器设备本体和传感器本体四类。目前传感器领域的本体主要有 1 2 种，相关信息如表1 1 所示，其中“”表示只有描述未开发，“表示已开 发且共享可用。 表1 1 传感器领域的本体概况 t a b 1 1o v e r v i e wo fo n t o l o g yo f s e n s o rd o m a i n 由表1 1 可知，传感器网络本体主要有a v a n c h a 等人为自适应传感器网络设计 的本体【1 3 1 和k i m 等人基于w - e b 服务构建的本体【1 4 1 。前者旨在通过对传感器节点、 电源和物理特性等信息的建模，实现传感器节点对电源、环境、校准等问题的自 动反馈，以判断传感器的工作状况；后者则是通过对o n t o s e n s o r 本体的扩展，完 善传感器数据语义和增强本体的概念表达力，支持传感器网络的智能服务。但是 扩展后的本体层次结构不清晰、概念定义不明确，致使可用性不强。 传感器数据本体主要有：( 1 ) m a t h e u s 等人开发的基于系统和传感器开发的传 感器数据本体【1 5 1 ，该本体通过为传感器历史信息进行知识建模，以支持传感器的 自动维护。( 2 ) r u s s o m a n n o 等人构建的o n t o s e n s o r 本体【1 6 , 1 7 ，通过为传感器数据 第1 章绪论 构建知识库，实现传感器数据的知识共享和重用，支持传感器信息的查询和推理。 ( 3 ) e i d 等人提出的基于两层框架传感器本体【i s , 1 9 ，旨在支持异构传感器数据的检 索，该本体上层框架的概念主要继承于顶层本体，以支持异构传感器数据的融合， 实现其共享和重用；下层的概念是对顶层概念的扩展，对预检索的传感器信息进 行建模。 传感器设备本体主要有：( 1 ) c a l d e r 等人构建的c e s n ( c o a s t a le n v i r o m e n t a l s e n s i n gn e t w o r k s ) 本体【2 0 】，旨在通过对传感器设备以及推理规则的定义，实现观 测数据的推理，但该本体目前仅有1 0 个传感器概念和6 个实例，难以实现具体应 用。( 2 ) h e r z o g 等人构建的a 3 m e 本体【2 1 2 2 1 ，该本体主要是对传感器及其特性的进 行建模，为传感器网络中的数据提供上下文信息，以实现异构传感器网络中传感 资源的发现。( 3 ) r u e d a 等人构建的m m i 本体【2 3 1 ，该本体是对海洋设备、传感器 和取样器等概念的描述，旨在通过语义提高异构设备间的互操作性，支持传感器 数据的在异构设备间的共享。( 4 ) n e u h a u s 等人构建的c s i r o 通用本体1 2 4 2 5 1 ，通过 对传感器及组件的信息建模，利用语义实现传感器的自动分类。 传感器本体主要有：( 1 ) w i t t 等人为智能软件代理构建的s w a m o 本体【2 6 】，该 本体通过对物理设备、过程和任务的知识建模，支持智能软件代理对传感器设备 的访问，实现传感器的智能服务。( 2 ) p r e e c e 等人构建的i s t a r 本体【2 7 2 引，通过对 传感器和传感器系统的知识建模，使传感器系统理解传感器数据语义，以实现传 感器系统自动任务分派以及传感器的自动部署和配置。( 3 ) b e r m u d e z 等人为海洋观 测构建的o o s t e t h y s 本体【2 9 】，该本体主要是对传感器系统、传感器组件和观测过 程的描述，旨在为w 曲服务的安装、集成和更新提供一套标准。 除此之外，h u y u h e n g 等人设计了两层本体【3 0 1 ，通过规则的定义实现从低级数 据到高级数据和上下文信息的推理。但是相关论文中并没有给出具体的实现细节 和本体构建方法。 由以上可知，目前传感器领域本体存在以下问题：( 1 ) 传感器领域都是根据特 定应用来构建相应本体，并没有统一的本体框架，且本体中的概念定义不同( 详 细分析见3 1 3 节) ，彼此之间共享性和重用性较差；( 2 ) 没有明确的层次结构， 语义传感器w 曲中传感器本体构建研究 使本体的逻辑表达能力差，导致推理效果不佳；( 3 ) 没有成型的构建方法，构建不 规范，难以开发出高质量的本体；( 4 ) 没有实现传感器本体的自动更新与扩展，上 述传感器领域本体都是人工构建，构建的本体较小且构建效率低。 1 3 研究内容 本课题得到了国家自然科学基金项目“语义网本体不精确性模型研究 ( 项 目批准号：6 0 9 7 2 0 9 0 ) 的资助，论文工作是基金项目的拓展部分。旨在通过语义 网和本体技术从语义上解决传感器数据共享、重用和传感器发现等问题。本文的 主要研究内容包括如下几个方面： ( 1 ) 语义传感器w e b 含义、特征及框架； ( 2 ) 传感器数据的表示、处理以及时间、空间和主题语义； ( 3 ) 传感器本体的定义、特点、构成、框架和层次结构； ( 4 ) 传感器本体构建准则、方法以及传感器本体的更新与扩展； ( 5 ) 语义传感器w e b 中的传感器本体构建。 论文的研究框架如图1 1 所示，传感器核心本体构建是整个框架的核心，在传 感器本体构建方法的指导下，开发出满足语义传感器w e b 功能需求的传感器本体， 进而通过传感器本体的应用，实现基于时间、空间、主题的传感器发现。 第1 章绪论 图1 1 论文研究框架 f i g 1 1f r a m eo ft h e s i sr e s e a r c h 1 4 论文章节安排及结构 根据研究内容和研究框架，本文的各章节结构和主要内容安排如下： 第l 章绪论。介绍了研究背景及意义，分析了语义传感器w e b 和传感器本体 的研究现状，阐述了论文的主要研究内容，给出了论文章节安排及结构。 第2 章语义传感器w e b 。明确了语义传感器w e b 含义及特征，分析了传感 器网络和传感器w e b 含义及框架，提出了传感器本体驱动的语义传感器w e b 框架， 阐述了传感器数据处理以及传感器发现。 第3 章传感器本体构建。分析了传感器本体含义、特点与构成，提出了传感 器本体框架及构建方法，阐述了传感器本体更新与扩展。 第4 章语义传感器w e b 中的传感器本体构建。构建了传感器核心本体，设计 语义传感器w e b 中传感器本体构建研究 了传感器本体更新与扩展模块，实现了传感器本体在语义传感器w e b 的中应用。 第5 章传感器本体评价。评价了传感器核心本体以及传感器本体更新与扩展， 进而验证了传感器本体构建方法的有效性。 第6 章结论与展望。总结本文主要工作，展望未来研究工作重点。 面对刚刚起步的语义传感器w e b ，本文明确了语义传感器w e b 含义，提出了 语义传感器w e b 框架，并在该框架的下，具体研究了传感器本体的构建。据此给 出本文的逻辑结构图如图1 2 所示。 图1 2 论文逻辑结构图 f i g 1 2l o g i c a ls t r u c t u r eo f t h ep a p e r 第2 章语义传感器w e b 第2 章语义传感器w e b 在语义w e b 和传感器w e b 理论基础上，进一步明确了语义传感器w e b 含义及 特点，提出了传感器本体驱动的语义传感器w e b 框架，描述了框架功能及组成， 分析了框架采用的技术。并在第四节具体阐述了语义传感器w e b 框架中的传感器 数据处理以及传感器发现。 2 1 语义传感器w e b 含义及特征 2 1 1 传感器w e b 及传感器网络 语义w e b 是一种被“概念 标记过的信息集合，其集合形式表现为：语义 w e b = 信息i 信息叫概念 ) 。其目标是实现人类知识的机器理解与机器推理， 实现智能软件代理对万维网上异构的分布式信息的有效访问和搜索。目前语义w e b 相关标准和技术已逐渐成熟。传感器w e b ( s w , s e n s o rw e b ) 是实现传感器等感知 设备或传感器网络w e b 互联的网络，能够使用户利用标准的协议和应用程序接口， 发现和访问w e b 中的传感器及其相关数据【3 l 】，其相关标准和技术也已逐渐成熟， 但实际应用很少。而传感器网络( s n ，s e n s o rn e t w o r k s ) 是由大量部署在作用区 域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的、能 根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统【3 2 1 。主要区别如表2 1 所示。 表2 1s n 和s w 的比较 t a b 2 1c o m p a r i s o no fs na n ds w 语义传感器w e b 中传感器本体构建研究 2 1 2 语义传感器w e b 根据文献 6 】、【7 】以及传感器w e b 和语义w r e b 定义、特征及其实现目标，本 文给出语义传感器w e b 含义：在s w e 规范的基础上，通过w e b 实现智能传感器、 计算机等设备和传感器网络的互联，通过语义技术使w e b 上的信息具有传感器和 计算机系统可以理解的语义，支持传感器资源的w e b 发现，实现传感器知识的共 享和重用。它具有以下特点： ( 1 ) s w e 规范和语义w e b 技术的结合，实现机器对传感器信息的理解，支持 传感器等感知设备的智能服务、智能部署和智能协作； ( 2 ) 具有统一的共享数据模型传感器本体，并实现传感器观测数据的时间、 空间和主题语义； ( 3 ) 传感器、计算机和传感器网络通过w e b 互联，能够实时地、全面地、智 能地、可靠地监视和管理现实世界的对象； ( 4 ) 语义传感器w e b 中的传感器等感知设备都拥有唯一的、独立的标识，即 在i p v 6 技术下，语义传感器w e b 为每一个传感设备分配唯一、独立的i p 地址。 2 2 传感器w e b 与传感器网络框架 目前还没有成型的语义传感器w e b 框架，多数是关于s n 、s w 和s s n ( s e m a n t i c s e n s o r n e t w o r k ) 的框架。而国内也没有s s w 方面的相关研究，关于s n 、s s n 和 s w 现有的主要框架及其相关比较如表2 2 所示。 表2 2 s n 、s s n 和s w 框架及比较 t a b 2 2s n 、s s n 、s wf r a m e w o r ka n dc o m p a r i s o n 第2 章语义传感器w e b 2 2 1 传感器w e b 框架 s w 是基于s w e 规范的，该规范包括3 个信息模型和4 个信息服务等7 个组 件，体系结构【3 3 】和各服务组件之间的关系如图2 1 所示。其中o & m 、s e n s o r m l 和t m l 为s w 提供了构建信息模型的方法；s p s 、s o s 、s a s 和w n s 构成了传 感器w e b 的功能模型，这些服务提供了大量的统一的服务接口，为满足用户需 求的传感器自动发现、传感器任务分配、传感测量数据获取、数据交互和告警信 息发布等功能的实现提供了解决方案。而s n 则在不同的应用领域有着不同的应用 标准和服务规范，因而造成了各个s n 之间的异构性，难以实现彼此之间的信息共 享和重用。 图2 1s w e 体系结构 f i g 2 1a r c h i t e c t u r eo fs w e 在表2 2 中，s w 代表框架有o s w a t 3 4 和s w a p 3 5 1 ，两个框架都是基于s w e 规范。o s w a ( o p e ns e n s o rw e ba r c h i t e c t u r e ) 由c h ux i n g c h e n 提出，旨在开发一 语义传感器w e b 中传感