面向城市智能交通的语义传感器网络系统及语义传感方法

摘要

本发明实施例公开了一种面向城市智能交通的语义传感器网络系统及语义传感方法。所述系统包括：包含传感器描述服务模块和协议转换服务模块的语义传感层、包含语义本体服务模块和传感观测服务模块的语义信息层、包含实体搜索服务模块和协同融合服务模块的语义应用层。本发明实施例通过语义传感层、语义信息层、语义应用层的三层架构，不但解决了传感器异构及语义异构问题，更实现了交通信息的协同融合和语义处理，使得交通行业内部、交通行业与其他行业之间各种信息资源可以协同处理和融合，能够为用户提供经过深度挖掘的信息，同时还为用户提供了实体搜索服务，能够使用户更全面、准确的获取所要查询的信息。

说明书

技术领域

本发明涉及交通信息领域，尤其是涉及一种面向城市智能交通的语义传 感器网络系统及语义传感方法。

背景技术

随着城市交通运输的发展，交通拥挤和道路阻塞现象日趋严重，有效地 获取道路交通数据、实现智能化的交通监测和控制，是提升城市交通运输效 率、优化城市交通体系的关键。在这种背景下，城市交通信息系统对能够全 面感知客观物理世界状态的传感器网络的需求越来越迫切。

然而，目前应用于交通领域的各种传感网系统大多处于专网专用的状态， 分立的传感器数据不能以统一、规范的方式接入互联网，同时各种概念无法 被机器所理解，交通领域各种监测和管理涉及到的轨迹跟踪、视频抓拍、超 速探测等不同子系统之间、以及交通领域与其他行业之间的信息难以融合和 共享，即现有技术中无法实现各种异构传感器、异构数据和信息的统一接入， 也无法在此基础上实现交通信息的协同融合和语义处理，导致无法使用户更 全面、准确的获取所要查询的信息。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种面向城市智能交通的语义传感器网络系 统及语义传感方法，通过实现交通信息的协同融合和语义处理，使用户可以 全面、准确的获取所要查询的信息。

本发明实施例提供了一种面向城市交通的语义传感器网络系统，包括传 感器和数据库，还包括：

语义传感层：包括传感器描述服务模块和协议转换服务模块；

所述传感器描述服务模块用于对所述传感器及所述传感器获取的交通 信息数据进行规范化描述，以得到规范化数据；

所述协议转换服务模块用于协议转换，以使各种协议下的所述规范化 数据通过互联网输入到所述数据库中；

语义信息层：包括语义本体服务模块和传感观测服务模块；

所述语义本体服务模块用于建立城市交通本体，并通过所述城市交通 本体为所述数据库中的数据建立统一格式；

所述传感观测服务模块用于将所述数据库中所述数据进行发布，以提 供信息查询服务；

语义应用层：包括实体搜索服务模块和协同融合服务模块；

所述实体搜索服务模块用于利用所述语义本体服务模块对用户输入的 查询语句进行分析，并通过所述传感观测服务模块提出数据获取请求以获取 所述数据库中的指定数据；

所述协同融合服务模块用于对所述指定数据进行分析和融合后通过所 述实体搜索服务模块返回给用户。

优选的，所述传感器描述服务模块具体利用开放地理信息联盟OGC的 传感器描述语言SML对所述传感器及所述传感器获取的交通信息数据进行 规范化描述。

优选的，所述城市交通本体是按照由类到槽的顺序进行设计的，所述类 包括线路、站点、车辆、环境、道路、路口、单位七类，每个所述类又可向 下展开各个子类；所述槽包括属性和关系；每种所述子类可继承其父类所有 的槽并添加新的槽。

优选的，所述关系包括位置关系和隶属关系，所述位置关系包括位于、 临近、停靠。

优选的，所述传感观测服务具体用于：基于所述城市交通本体建立数据 通信过程中XML文件模板，通过所述XML文件模板规定传感观测服务中 web service端与用户和所述数据库通信时查询请求和输出数据的指定格式， 根据所述指定格式对所述数据库中所述数据进行发布，以提供信息查询服务。

优选的，所述实体搜索服务模块具体用于：利用所述语义本体服务模块 分析用户输入的查询语句，获取所述查询语句的语义并将其转换为指定的检 索词，然后根据所述指定的检索词通过所述传感观测服务模块向所述数据库 提出数据获取请求以访问和获取所述数据库中的指定数据。

本发明实施例还提供了一种面向城市智能交通的语义传感方法，用于包 括传感器和数据库的网路系统中；所述方法包括以下步骤：

对所述传感器及所述传感器获取的交通信息数据进行规范化描述，以得 到规范化数据；

进行协议转换，以使各种协议下的所述规范化数据通过互联网输入到所 述数据库中；

建立城市交通本体，并通过所述城市交通本体为所述数据库中的数据建 立统一格式；

将所述数据库中所述数据进行发布，以提供信息查询服务；

利用所述城市交通本体对用户输入的查询语句进行分析并提出数据获取 请求以获取所述数据库中的指定数据；

对所述指定数据进行分析和融合后通过返回给用户。

优选的，所述城市交通本体是按照由类到槽的顺序进行设计的，所述类 包括线路、站点、车辆、环境、道路、路口、单位七类，每个所述类又可向 下展开各个子类；所述槽包括属性和关系；每种所述子类可继承其父类所有 的槽并添加新的槽。

优选的，所述关系包括位置关系和隶属关系；所述位置关系包括位于、 临近、停靠。

优选的，利用所述城市交通本体对用户输入的查询语句进行分析并提出 数据获取请求以获取所述数据库中的指定数据的步骤具体为：利用所述城市 交通本体分析用户输入的查询语句，获取所述查询语句的语义并将其转换为 指定的检索词，然后根据所述指定的检索词向所述数据库提出数据获取请求 以访问和获取所述数据库中的指定数据。

本发明实施例通过语义传感层、语义信息层、语义应用层的三层架构， 不但解决了传感器异构及语义异构问题，更实现了交通信息的协同融合和语 义处理，使得交通行业内部、交通行业与其他行业之间各种信息资源可以协 同处理和融合，能够为用户提供经过深度挖掘的信息，同时还为用户提供了 实体搜索服务，能够使用户更全面、准确的获取所要查询的信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一语义传感器网络系统总体架构示意图；

图2是本发明实施例一城市交通本体示意图；

图3是本发明实施例一城市交通本体中各个类之间的关系示意图；

图4是本发明实施例一语义传感器网络系统中数据流转示意图；

图5是本发明实施例二协同融合结果展示界面示意图；

图6是本发明实施例三方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

在面向城市交通领域的传感网应用中，多数采用地面传感器网络，由于 构建这些传感器网络的标准不统一，缺乏共享机制，协作性差。不同区域的 监控设备往往采用的不同的传感器厂商的产品，由于传感器设备、数据采集、 处理以及存储方式、通信协议不一致，导致传感器网络不能共享数据和协调 工作，使得这些网络成为一个个“孤岛”，很难将它们互联在一起，达到资源有 效分配、共享的目的。

从整体上看，城市交通信息系统是由一系列既相对独立又协作工作的分 系统组成。城市智能交通系统整体效益的发挥，很大程度上依赖于这些分系 统的协同与融合。但是，系统间的知识共享和集成必须建立在对知识的共同 理解的基础上，所以，在集成的过程中要解决系统间的语义失配问题，也就 是信息系统在语义层次的集成问题。

本文中所述的语义，可以简单地看作是数据所对应的现实世界中的事物 所代表的概念的含义，以及这些含义之间的关系，是数据在某个领域上的解 释和逻辑表示。本发明实施例解决了底层传感器的异构问题及各分析题之间 的语义异构问题，并在此基础上实现了交通信息的协同融合和语义处理，使 用户更全面、准确的获取所要查询的信息。

图1是本发明实施例一语义传感器网络系统总体架构示意图，除了包括传 感器和数据库外，主要包括：

1、语义传感层：包括传感器描述服务模块和协议转换服务模块。

语义传感层实现了对底层异构传感器的接入，其中传感器描述服务模块 利用OGC(Open Geospatial Consortium，开放地理信息联盟)的传感器描述 语言SML(http://www.opengeospatial.org/ogc/markets-technologies/swe)实现 了对于传感器的统一、规范化的描述，而利用协议转换服务模块完成了协议 转换，使传感器的数据能够连接到互联网。

语义传感层的设计目标是对分散在不同地理监测区中的各种异构传感器 网络资源实现一体化管理与整合，以通用的服务接口为上层用户提供交互式 服务，提高异构传感器的互操作性。通过传感器描述服务和协议转换服务， 为交通监控提供统一方式的数据服务支持，在网络上实现对区域交通状况的 远程监测与管理，实现跨区域的资源共享与协同工作。下面做进一步说明：

1.1传感器描述服务模块：所述传感器描述服务模块用于对所述传感器 及所述传感器获取的交通信息数据进行规范化描述，以得到规范化数据。不 同厂家的传感器会使用不同的数据模型与控制格式，不同的无线传感器网络 中也会使用不同的资源描述方法和数据格式。优选的，所述传感器描述服务 模块具体利用开放地理信息联盟OGC的传感器描述语言SML对所述传感器 及所述传感器获取的交通信息数据进行规范化描述。本发明实施例一的系统 中引入了OGC的传感器描述语言(SML)来屏蔽以上的各种异构性。SML提 出了一种对传感器以及数据的标准描述格式，提供了发现传感器能力、位置、 和任务所需的重要信息，可以准确、有效地描述传感器模型的基本特征和行 为。传感器描述服务模块的作用是提供机器可理解的对于各种传感器的描述 服务，解决系统集成过程中低层传感器的异构问题。

1.2协议转换服务模块：所述协议转换服务模块用于协议转换，以使各 种协议下的所述规范化数据通过互联网输入到所述数据库中。协议转换服务 模块的作用是解决传感器接入网络过程中的协议异构问题。不同的无线传感 器网络，可能会使用不同的网络传输协议与架构，协议转换服务则可以消除 它们在网络协议方面的异构性，通过将不同传感器、不同网络的传感数据按 照统一的网络协议进行转换，使之都能够连接到互联网。

2、语义信息层：包括传感观测服务模块和语义本体服务模块。

面向交通监测和管理应用的传感器网络是由各种各样的子系统构成的， 整体系统的效能是由分系统之间的集成决定的，而分系统的集成过程中必然 存在各种异构问题，如传感器异构、网络协议异构、信息异构等，统一的传 感描述语言和协议转换服务可以解决前两种异构，而系统之间的信息异构， 也就是交通领域不同系统信息发布的格式异构和语义异构问题不能解决，本 发明实施例一的系统通过语义信息层解决了信息异构问题。

语义信息层实现了对于信息异构性的屏蔽，并以web service的方式提供 通用的交通数据服务。该层主要的功能模块包括语义本体服务模块和传感观 测服务模块。语义本体服务模块通过建立面向交通领域的本体，使机器能够 自动的理解交通信息中包含的各种概念及概念之间的关系，然后以此为基础 建立了交通领域的XML Schema，为web service提供了统一的XML格式的数 据规范，最后通过传感观测服务以web service的方式将这些格式统一的信息 进行发布。其中Schema的作用是定义一份XML文档的合法组件群，一份XML  Schema定义了可以出现在文档里的元素、定义了可以出现在文档里的属性、 定义了哪些元素是子元素、定义了子元素的顺序、定义了子元素的数量、定 义了元素和属性的数据类型、定义了元素和属性的默认值和固定值。

下面对本层中的两个模块做进一步说明：

2.1语义本体服务模块：所述语义本体服务模块用于建立城市交通本体， 并通过所述城市交通本体为所述数据库中的数据建立统一格式。优选的，所 述城市交通本体是按照由类到槽的顺序进行设计的，所述类包括线路、站点、 车辆、环境、道路、路口、单位七类，每个所述类又可向下展开各个子类； 所述槽包括属性和关系；每种所述子类都可继承其父类所有的槽并添加新的 槽。更进一步的，所述关系包括位置关系和隶属关系，所述位置关系包括位 于、临近、停靠。通过本体对交通领域知识进行规范描述，对类和类之间的 关系进行精确定义，建立城市交通本体，从而解决了语义层次上信息共享和 交互的问题，换句话说，语义本体服务模块通过建立城市交通本体，解决信 息集成过程中的语义异构问题。

城市交通本体的建立是按照类和槽两层来展开设计的，具体如下：

(1)类：

首先城市交通本体可以分为以下7个类：车辆、线路、站点、单位、道路、 路口、环境，以上类也可称为大类或基类。每个基类又可向下展开各个子类， 参见图2所示。

(2)槽：

以上给出了类的设计，下面具体说明类的槽，包括属性和关系。需要注 意的是，每一种子类都可以继承其父类所有的槽并添加新的槽。

■属性：

几个基类的属性集设计如下：

车辆-车辆颜色、车辆ID、车牌号、车身长度、车身宽度、所有人、生 产厂家、品牌、型号；

线路-起点、终点、方向、营业时间；

站点-站点名称、前一站、后一站、站点类型、经度、纬度、附近线路；

单位-单位名称、经度、纬度、附近公交站、附近地铁站、法人、门牌 号、街道名称、单位类型；

道路-路名、类型、经度、纬度、路边单位、道路ID；

路口-路口ID、路口名称、经度、纬度、通过的道路；

环境-数值、经度、纬度、地名。

■关系：

定义了类与类之间的关系包括：位置关系和隶属关系，位置关系包括位 于、临近、停靠。城市交通本体中各个类之间的关系如图3所示。

2.2传感观测服务模块：所述传感观测服务模块用于将所述数据库中所 述数据进行发布，以提供信息查询服务。优选的，所述传感观测服务具体用 于：基于所述城市交通本体建立数据通信过程中XML文件模板，通过所述 XML文件模板规定传感观测服务中web service端与用户和所述数据库通信时 查询请求和输出数据的指定格式，根据所述指定格式对所述数据库中所述数 据进行发布，以提供信息查询服务。换句话说，传感观测服务模块以web  service的方式向上为用户提供服务，支持不同网络间的互操作，并采用统一 的模板向下发送用户的请求，向上发送用户查询的传感信息。该部分基于城 市交通本体建立了XML文件的模板，通过Schema详细规定了查询数据文件和 输出数据文件的指定格式。传感观测服务模块通过web service方式对外提供 服务接口，实现了不同网络之间的互操作。

3、语义应用层：包括实体搜索服务模块和协同融合服务模块。

语义应用层旨在通过信息的协同处理和融合为用户提供经过深度挖掘的 有用信息，并通过实体搜索引擎为用户提供信息检索的接口。语义应用层对 于交通行业内、交通行业与其他行业间的各种信息资源进行了信息的协同处 理和融合，通过信息之间的各种关联，深度挖掘隐含的信息。

3.1实体搜索服务模块：所述实体搜索服务模块用于利用所述语义本体 服务模块对用户输入的查询语句进行分析，并通过所述传感观测服务模块提 出数据获取请求以获取所述数据库中的指定数据。优选的，所述实体搜索服 务模块具体用于：利用所述语义本体服务模块分析用户输入的查询语句，获 取所述查询语句的语义并将其转换为指定的检索词，然后根据所述指定的检 索词通过所述传感观测服务模块向所述数据库提出数据获取请求以访问和获 取所述数据库中的指定数据。为了适应信息之间的各种关联，本实施例提供 了实体搜索服务模块，能够使用户获取与所查询信息存在关联的其他信息， 使用户能够得到更全面、更准确的信息搜索服务。以城市交通为研究和应用 背景，把所构建的城市交通本体应用于面向交通应用的语义传感网中，通过 对各种事件信息的统一XML描述实现了服务功能的语义描述，使得通过该整 合平台连接的应用系统的资源可以统一表达，从而实现了城市交通信息服务 的智能检索，为公众的出行提供了更全面、及时、有效的城市交通信息服务。 实体搜索服务模块在获得初步的查询结果之后会利用协同融合服务模块对于 这些初步的查询结果进行决策融合，返回用户最需要、最全面的结果。

3.2协同融合服务模块：所述协同融合服务模块用于对所述指定数据进 行分析和融合后通过所述实体搜索服务模块返回给用户。协同融合服务模块 实现了对于不同信息资源的集成和共享，实现了行业内、行业间各种有用信 息的关联。通过各种交通监测信息以及交通监测信息与其他行业信息之间的 关联和融合，提供更精细、更全面和更深刻的交通信息挖掘手段和方法，创 新交通监控业务模式，提高交通监控信息监测和决策执行能力，建立起切实 可行的多行业协同管控机制，实现传感网交通监测应用与其他行业应用的协 同融合。

图4是本发明实施例一语义传感器网络系统中数据流转示意图：各种异构 的传感器通过传感器描述服务模块实现了对于传感器及其监测数据的的统 一、规范化接入，然后利用协议转换服务模块完成协议转换，使各种协议的 原始数据能够通过统一的网络协议(TCP/IP)连接到因特网插入到数据库中， 然后通过传感观测服务模块将数据发布为web service的方式提供信息查询服 务。当有用户利用实体搜索服务模块查询某种信息时，实体搜索服务模块将 会利用语义本体服务模块分析用户输入的查询语句，理解查询语句的语义， 然后将其转换为更为简单和精确的检索词，之后通过传感观测服务模块提出 数据获取请求以访问和获取数据库中的数据，获取这些分散的各类数据之后， 最后通过协同融合服务模块对于这些分散的各类数据进行分析综合，通过信 息融合得到进一步的更为准确的信息并通过实体搜索服务模块返回给用户。

本发明实施例一中面向城市智能交通的语义传感器网络系统设计了三层 架构，其中语义传感层实现了各种异构传感器能够以即插即用的方式接入到 网络中，解决了交通监控领域各种子系统集成过程中的传感器异构、网络协 议异构问题；语义信息层通过建立城市交通本体解决了信息集成和共享过程 中的语义异构问题，并以web service的方式向上层用户提供传感观测服务， 实现了不同网络之间的互操作；语义应用层通过交通行业内部、交通行业与 其他行业之间各种信息资源的协同处理和融合，能够为用户提供经过深度挖 掘的信息，同时还为用户提供了实体搜索服务，能够使用户更全面、准确的 获取所要查询的信息。

实施例二

本实施例以实施例一为基础，以城市道路的车流量和环境中的降水量监 测应用为例，对实施例一中各层、各模块做进一步描述。

假设用户想获知到达某个地方的最佳路线，则为达到这一目的本实施例 中的系统是按照如下方式构建的：

语义传感层：通过传感器描述语言(SML)实现对于底层传感器的统一 规范的描述，包括传感器的型号、数据帧格式、厂家等信息，使得机器可以 自动的识别这些传感器，然后将其接入协议转换服务模块，该模块完成协议 转换后将传感器的数据接入到互联网。通过语义传感层的传感器描述服务模 块可以实现对于底层传感器、传感设备的标准化接入，不需要再针对各种不 同的传感器、传感设备开发专用的接入平台和网关，大大缩短了整体系统的 开发流程和开发时间。

语义信息层：协议转换服务模块发上来的数据按照基于交通本体所设计 的XML文件模板，填充为统一格式的XML数据文件。用户向web service发送 查询请求后，这些请求会按照查询请求的模板，封装为统一格式的查询请求 XML文件，发送到传感观测服务，然后传感观测服务将用户所需的信息按照 输出数据的模板，封装为统一格式的输出数据XML文件反馈给用户。

例如，按照查询请求模板生成的获取车流量的查询请求XML文件可以如 表1所示：

表1

按照输出数据模板生成的车流量输出结果XML文件，如表2所示：

表2

语义应用层：通过协同融合服务模块，由传感器采集到的道路车流量数 据可以估计出道路的拥堵状况，由传感器采集到的环境降雨量数据可以估计 出道路的湿滑状况，然后由道路的拥堵状况和湿滑状况可以判断该条道路是 否适宜出行，综合各条道路的状况信息可以为用户提供最适宜的出行线路。 当用户利用实体搜索服务模块查询出行线路时，根据用户概念化的信息需求 描述和出行方式的显式规则选择，如用户搜索词为“步行从王府井去西单”， 结合城市交通本体对用户需求进行分析，生成针对具体出行线路的查询计划， 然后利用协同融合服务模块对于初步的查询结果进行协同融合和决策，如综 合拥堵状况和道路湿滑状况以及路径长短规划最佳出行路线，并将最终的出 行建议返回给用户界面，参见图5所示。

语义应用层借助语义信息层所提供的语义本体服务可以实现对于用户输 入信息在语义层面的理解和推理，当用户搜索一些意思较为模糊的信息时， 如“从国贸去故宫，快一点，少步行”，语义应用层借助语义本体服务模块 可以实现对于该搜索语句的内容理解，并进行推理生成更为准确的检索语句 “从国贸到故宫，道路拥堵指数小于3，步行距离最小的线路”，然后通过实 体搜索复位模块完成信息的检索，得到初步的检索结果后再利用协同融合服 务模块综合以上三条语句的要求选择最为准确的检索结果返回给用户。

实施例三

图6是本发明实施例三方法的流程图。本实施例公开了一种面向城市智能 交通的语义传感方法，用于包括传感器和数据库的网路系统中；所述方法包 括以下步骤：

S601：对所述传感器及所述传感器获取的交通信息数据进行规范化描 述，以得到规范化数据；

S602：进行协议转换，以使各种协议下的所述规范化数据通过互联网输 入到所述数据库中；

S603：建立城市交通本体，并通过所述城市交通本体为所述数据库中的 数据建立统一格式；

S604：将所述数据库中所述数据进行发布，以提供信息查询服务；

S605：利用所述城市交通本体对用户输入的查询语句进行分析并提出数 据获取请求以获取所述数据库中的指定数据；

S606：对所述指定数据进行分析和融合后通过返回给用户。

优选的，所述城市交通本体是按照由类到槽的顺序进行设计的，所述类 包括线路、站点、车辆、环境、道路、路口、单位七类，每个所述类又可向 下展开各个子类；所述槽包括属性和关系；每种所述子类都可继承其父类所 有的槽并添加新的槽。

优选的，所述关系包括位置关系和隶属关系；所述位置关系包括位于、 临近、停靠。

优选的，步骤S605具体为：利用所述城市交通本体分析用户输入的查询 语句，获取所述查询语句的语义并将其转换为指定的检索词，然后根据所述 指定的检索词向所述数据库提出数据获取请求以访问和获取所述数据库中的 指定数据。

对于方法实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述的比较 简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示 这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系 列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明 确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素， 并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同 要素。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步 骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机 可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM、RAM、磁碟、光 盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了闸述，以上实 施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领 域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会 有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发 明的保护范围内。