《物聯(lián)網(wǎng)概論》第九章 物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)概論第九章物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)目錄

9.1概述

9.2概念模型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系

9.3物聯(lián)網(wǎng)概念模型

9.4物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系架構(gòu)

9.5物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系架構(gòu)

9.6物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系架構(gòu)

9.7物聯(lián)網(wǎng)感知對象應(yīng)用實(shí)例

9.1概述由于物聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜性和廣泛性，在面向各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，除要遵守物聯(lián)網(wǎng)的一般系統(tǒng)架構(gòu)外，還要結(jié)合系統(tǒng)、通信、信息等技術(shù)需求，構(gòu)建具體的應(yīng)用系統(tǒng)。而結(jié)合了系統(tǒng)、通信、信息等功能體系的物聯(lián)網(wǎng)邏輯層的系統(tǒng)描述，就是物聯(lián)網(wǎng)的參考體系架構(gòu)，涉及對概念模型、邏輯模型到物理模型的分解與細(xì)化描述過程。建立物聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵術(shù)語與定義：1）域---域是具有特定目的的實(shí)體集合。如：物聯(lián)網(wǎng)概念模型中有感知控制域、目標(biāo)對象域、用戶域、運(yùn)維管控域、資源交換域、服務(wù)提供域等共6個(gè)域，這6個(gè)域給出了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最基礎(chǔ)和最一般的實(shí)體功能劃分。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要對此6個(gè)域進(jìn)行邊界與范圍劃分，給出系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架構(gòu)的作用2）物聯(lián)網(wǎng)概念模型---物聯(lián)網(wǎng)概念模型是物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用系統(tǒng)的抽象化與模型化表現(xiàn)，它為邏輯模型設(shè)計(jì)提供功能劃分與框架描述。物聯(lián)網(wǎng)概念模型是在對上述6個(gè)域劃分的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)功能作初步架構(gòu)性描述。3）物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)---物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)是在概念模型基礎(chǔ)上對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、組成部分、部分之間的關(guān)系進(jìn)行功能性描述，形成體系化的邏輯模型。2）物聯(lián)網(wǎng)概念模型---物聯(lián)網(wǎng)概念模型是物聯(lián)網(wǎng)各類應(yīng)用系統(tǒng)的抽象化與模型化表現(xiàn)，它為邏輯模型設(shè)計(jì)提供功能劃分與框架描述。物聯(lián)網(wǎng)概念模型是在對上述6個(gè)域劃分的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)功能作初步架構(gòu)性描述。3）物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)---物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)是在概念模型基礎(chǔ)上對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、組成部分、部分之間的關(guān)系進(jìn)行功能性描述，形成體系化的邏輯模型。4）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系架構(gòu)---物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系架構(gòu)是從系統(tǒng)構(gòu)成的角度，描述具體物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中各域的主要實(shí)體，以及實(shí)體之間關(guān)系所形成的參考體系結(jié)構(gòu)，即對物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)中的實(shí)體對象進(jìn)行分解描述。5）物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系架構(gòu)---物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系架構(gòu)是從網(wǎng)絡(luò)通信角度，描述具體物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中各域的實(shí)體及實(shí)體間的通信關(guān)連所形成的參考體系結(jié)構(gòu)，即對物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)中實(shí)體間的通信關(guān)連作分解描述。6）物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系架構(gòu)---物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系架構(gòu)是從數(shù)據(jù)生成、傳輸和交換的角度描述物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各域的實(shí)體及實(shí)體間關(guān)系的參考體系結(jié)構(gòu)，即是對物聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)中的實(shí)體間傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行分解描述。9.2概念模型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)系物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是先將眾多對象抽象、歸納為6個(gè)域的定義，勾勒出物聯(lián)網(wǎng)概念模型，并進(jìn)一步分解出物聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)；再對組成系統(tǒng)的各實(shí)體功能、實(shí)體間的通信模式與傳輸信息作架構(gòu)性描述。這一過程用于指導(dǎo)不同物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義與描述，從而規(guī)范其設(shè)計(jì)過程。圖9-1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)、概念模型和參考體系架構(gòu)之間的關(guān)系

圖9-1表示的是一個(gè)循環(huán)迭代逐步逼近的過程，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要系統(tǒng)、通信、信息三位一體的設(shè)計(jì)，故可用圖9-1描述。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成的抽象描述；物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系結(jié)構(gòu)是異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)的抽象描述；物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系結(jié)構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)信息形成與處理過程的抽象描述。這三種對象描述了三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，形成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的基本輪廓。9.3物聯(lián)網(wǎng)概念模型9.3.1概念模型物聯(lián)網(wǎng)概念域模型由用戶域、目標(biāo)對象域、感知控制域、服務(wù)提供域、運(yùn)維管控域和資源交換域6個(gè)域組成，如圖9-2所示。此模型由中國主導(dǎo)的全球首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)頂層架構(gòu)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC30141-IoTReferenceArchitecture)提出，2019年發(fā)布。圖9-2物聯(lián)網(wǎng)概念模型圖9-2表明，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)在概念模型中均可抽象為6個(gè)域，12種關(guān)聯(lián)，各域間的關(guān)聯(lián)表示域間邏輯關(guān)系或通信連接。實(shí)際設(shè)計(jì)中，并非所有的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都必須遍歷所有6個(gè)域和12種關(guān)聯(lián)，視系統(tǒng)的具體需求而定。物聯(lián)網(wǎng)是交叉學(xué)科，涉及的技術(shù)門類眾多，其系統(tǒng)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)體系緊密關(guān)聯(lián)，引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，如缺少標(biāo)準(zhǔn)體系，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建與集成方面，就會制約技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為此，要對物聯(lián)網(wǎng)的定義、特點(diǎn)、范圍、技術(shù)架構(gòu)、應(yīng)用規(guī)則等關(guān)鍵領(lǐng)域與對象制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系既要橫向考慮各行業(yè)和領(lǐng)域間的協(xié)作，保證各自標(biāo)準(zhǔn)相互銜接，滿足跨行業(yè)、跨地區(qū)的應(yīng)用需求，又要從縱向上考慮，確保網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面的互連互通，做好信息獲取、傳輸、處理、服務(wù)等環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的配套。9.3.2域的功能描述物聯(lián)網(wǎng)中的6個(gè)域均由相應(yīng)的實(shí)體組成。所謂實(shí)體，是指一系列具備感知、計(jì)算、通信、存儲、管控、可視化等部分或全部功能的軟硬件集合。6個(gè)域的具體功能如下。1）用戶域用戶域是不同類型物聯(lián)網(wǎng)用戶和用戶系統(tǒng)的實(shí)體集合。物聯(lián)網(wǎng)用戶通過用戶系統(tǒng)及其他域的實(shí)體獲取外界對象的感知和操控服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先要通過定義用戶域來識別用戶對外界場景的感知和識別需求。2）目標(biāo)對象域目標(biāo)對象域是用戶期望獲取相關(guān)信息或執(zhí)行相關(guān)操控的對象實(shí)體集合，包括感知對象和控制對象。感知對象是用戶期望獲取信息的對象，控制對象是用戶期望執(zhí)行操控的對象。感知對象和控制對象可與感知控制域中的實(shí)體（如傳感器、識別標(biāo)簽、智能設(shè)備接口等）以非數(shù)據(jù)通信或數(shù)據(jù)通信類接口的方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬世界的接口綁定。3）感知控制域感知控制域是各類獲取感知對象信息與操控控制對象的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。感知控制域可實(shí)現(xiàn)對外界對象的本地化感知、協(xié)同和操控，并為其他域提供遠(yuǎn)程管理和服務(wù)的接口。4）服務(wù)提供域服務(wù)提供域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)服務(wù)和業(yè)務(wù)服務(wù)的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。服務(wù)提供域可實(shí)現(xiàn)對感知數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)及服務(wù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的加工、處理和協(xié)同，為物聯(lián)網(wǎng)用戶提供對外界對象的感知和操控服務(wù)的接口。5）運(yùn)維管控域運(yùn)維管控域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)和法規(guī)符合性監(jiān)管的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。運(yùn)維管控域可保障物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備和系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，并保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)體及其行為與相關(guān)法律規(guī)則等的符合性。6）資源交換域資源交換域是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間信息資源的共享與交換，以及實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息和服務(wù)集中交易的軟硬件系統(tǒng)的實(shí)體集合。資源交換域可獲取物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)所需外部信息資源，也可為外部系統(tǒng)提供所需的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息資源，以及為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息流、服務(wù)流、資金流的交換提供保障。物聯(lián)網(wǎng)9.3.3域間關(guān)聯(lián)關(guān)系

以上12種關(guān)聯(lián)涉及多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，如應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)、終端技術(shù)、應(yīng)用支撐技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、感知技術(shù)、公共技術(shù)等，適用于6個(gè)域的內(nèi)部與域間，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基本技術(shù)框架。圖9-3說明技術(shù)框架與參考體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系。圖9-3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和概念模型域的對應(yīng)關(guān)系9.4物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系架構(gòu)是基于物聯(lián)網(wǎng)概念模型，從系統(tǒng)功能分析與組合的角度，給出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中各域的實(shí)體構(gòu)成及實(shí)體之間的接口關(guān)系，見圖9-4。圖9-4物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系結(jié)構(gòu)9.5物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系架構(gòu)

由于使用了大量功能各異的傳感器，使物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)外部通信變得頗為龐雜。物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系架構(gòu)從實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體間互聯(lián)互通的角度，描述物聯(lián)網(wǎng)各域間及域內(nèi)實(shí)體之間的主要網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)系，其描述架構(gòu)參見圖9-5。與圖9-4類似，圖9-5物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系結(jié)構(gòu)中的每個(gè)域也涉及諸多實(shí)體，各域的內(nèi)外部實(shí)體形成24對通信接口，以CRAI+代碼表示，也要在設(shè)計(jì)時(shí)逐一考慮，按需采用。圖9-5物聯(lián)網(wǎng)通信參考體系結(jié)構(gòu)9.6物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系架構(gòu)從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及其數(shù)據(jù)流出發(fā)，定義信息交換過程中參與實(shí)體和數(shù)據(jù)內(nèi)涵,其架構(gòu)參見圖9-6。同時(shí)，此圖也給出了相應(yīng)的應(yīng)用信息接口，用IRAI+代碼表示。圖9-6物聯(lián)網(wǎng)信息參考體系架構(gòu)9.7物聯(lián)網(wǎng)感知對象應(yīng)用實(shí)例9.7.1物聯(lián)網(wǎng)感知對象的信息融合過程

感知對象的信息融合是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與應(yīng)用的關(guān)鍵，它要對多源信息進(jìn)行檢測、時(shí)空統(tǒng)一、誤差補(bǔ)償、關(guān)聯(lián)、估計(jì)等多級多層面的處理，以得到精確的對象狀態(tài)描述，完整、及時(shí)的對象屬性、態(tài)勢和影響估計(jì)等。感知對象信息融合的具體處理過程與要求如下：（1）時(shí)空統(tǒng)一----將輸入的各局部時(shí)間和空間坐標(biāo)下的信息變換到統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和空間坐標(biāo)下。（2）誤差補(bǔ)償---對輸入的對象信息的時(shí)間、空間和其他特征誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償?shù)奶幚磉^程，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步、消除或減少空間及其他特征誤差。（3）信息關(guān)聯(lián)---從多源多對象信息（信號、數(shù)據(jù)）集合中，產(chǎn)生表示同一對象信息集合的處理過程。（4）信號檢測---對多源測量信號進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一、誤差補(bǔ)償、信號關(guān)聯(lián)、信號積累和特征提取等處理，以及早檢測出目標(biāo)信號的處理過程。（5）對象估計(jì)---對多源多對象數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空統(tǒng)一、誤差補(bǔ)償、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、濾波、估計(jì)等處理，以確定和預(yù)測對象狀態(tài)、屬性和可信程度。（6）態(tài)勢估計(jì)---所謂態(tài)勢，是指同一應(yīng)用目標(biāo)所涉及的對象、環(huán)境、外部等要素及其之間關(guān)系形成的局部結(jié)構(gòu)。態(tài)勢估計(jì)是基于應(yīng)用規(guī)則確定對象與對象之間、對象與環(huán)境和外部要素之間關(guān)系的估計(jì)過程，以生成當(dāng)前觀測態(tài)勢，進(jìn)而估計(jì)與應(yīng)用目標(biāo)相關(guān)的事件、行為和效用，生成估計(jì)態(tài)勢，并對態(tài)勢的變化趨勢做出預(yù)測。（7）影響估計(jì)---以定量形式估計(jì)預(yù)測態(tài)勢在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的作用和影響的處理過程，其中對應(yīng)用目標(biāo)不利的影響進(jìn)行預(yù)警并生成應(yīng)對方案。9.7.2感知對象信息融合的概念模型

信息融合分為6種級別，其概念模型如圖9-7。圖9-7物聯(lián)網(wǎng)感知對象信息融合的概念模型

圖9-7中信息融合模塊是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)特有的，與其他信息系統(tǒng)不同的功能模塊，代表從感知對象到融合服務(wù)之間復(fù)雜的多級信息處理的過程與要求，以及它的基本功能與作用。9.7.3物聯(lián)網(wǎng)感知對象的信息融合子系統(tǒng)

作為特殊而復(fù)雜的子系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)感知對象在參考體系架構(gòu)中的信息融合的架構(gòu)與流程就依據(jù)圖9-7的6級融合模式生成對應(yīng)的6級融合模塊，以及24個(gè)通道，如圖9-8所示。圖9-8物聯(lián)網(wǎng)參考體系中的感知對象信息融合模型

在圖9-8中，物聯(lián)網(wǎng)參考體系中的信息融合主要分布在感知控制域、服務(wù)提供域和運(yùn)維管控域中。感知控制域通過對對象感知和控制對象狀態(tài)的控制提供信息融合的信息源，部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中完成0級融合和1級融合；服務(wù)提供域提供各級融合所需的支持?jǐn)?shù)據(jù)庫和融合數(shù)據(jù)庫，完成0、1、2、3、5級融合，每級融合產(chǎn)品可以單獨(dú)或組合提供服務(wù)，包括但不限于控制服務(wù)、決策服務(wù)和預(yù)警服務(wù)；運(yùn)維管控域完成4級融合，實(shí)現(xiàn)對信息融合產(chǎn)品質(zhì)量的提升和系統(tǒng)資源的維護(hù)與控制等。9.7.4基于物聯(lián)網(wǎng)信息融合的疾病診斷系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)信息融合在很多方面有廣泛應(yīng)用，具體實(shí)例之一就是醫(yī)療診斷系統(tǒng)，其原理與功能如圖9-9所示。圖9-9基于物聯(lián)網(wǎng)信息融合的疾病診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

應(yīng)指出，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)都需要大量的除感知檢測數(shù)據(jù)以外的其他業(yè)務(wù)信息資源的支撐。如本例就涉及診斷過程支持?jǐn)?shù)據(jù)庫，主要如：醫(yī)療衛(wèi)生活動業(yè)務(wù)規(guī)則類資源、醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)務(wù)服務(wù)知識庫、電子健康檔案數(shù)據(jù)庫、電子病歷數(shù)據(jù)庫、人口個(gè)案數(shù)據(jù)庫、環(huán)境、飲食等