一种基于元模型的智慧城市异构数据共享方法

摘要

本发明公开了一种基于元模型的智慧城市异构数据共享方法，包括1：基于MOF元建模理论，构建城市数据元模型建模框架；2：根据城市数据特征及描述需求，构建城市数据元模型通用元素集；3：根据城市数据基本分类和专用元素集扩展模式，发展数据元模型专用元素集；4：基于XML模板建模，形成元模型通用元素集和专用元素集形式化方法；5：实现网络目录服务、数据服务，建立开放式城市数据元模型注册和管理平台；6：根据用户实际应用需求，设计城市数据细粒度发现接口并获得数据。本发明为用户提供了一种开放式、标准化城市异构数据共享的解决方案，为城市异构数据在线访问、后续处理及协同应用提供了支持，是城市异构数据共享中高效实用可靠的方法。

说明书

 

技术领域

本发明属于智慧城市信息共享与互操作技术领域，涉及一种城市异构数据共享的方法，尤其涉及一种基于元模型的智慧城市异构数据共享方法。

 

背景技术

随着城市的不断发展，人口膨胀、交通堵塞、环境污染、能源短缺等城市问题不断增加，智慧城市概念应运而生。智慧城市是按照科学的城市发展理念，利用新一代信息技术，在泛在信息全面感知和互联的基础上，实现人、物、城市功能系统之间无缝连接与协同联动的智能自感知、自适应、自优化，从而对民生、环保、公共安全、城市功能、商务活动等多种城市需求做出智能的响应，形成具备可持续发展的内生动力的安全、便捷、高效、绿色的城市形态。

现阶段，随着我国智慧城市建设的快速发展，城市数据容量和类型呈现爆发式增长，数据来源丰富多样、异构数据特征显著，尤其是大量的流媒体数据（如交通视频、安保监控等数据)以及实时动态城市实时观测数据（如气象、环保、定位等传感器数据）涌现，有效管理和利用这些数据成为一大挑战。同时，由于我国城市运行和管理的信息化是一个逐步完善的过程，针对不同的应用领域在不同时期分散实施的系统，由于在运行环境、数据库系统、服务方式、信息编码规则、业务流程定义等方面执行不同的标准，系统无法互联互通、信息不能广泛共享。当面对具体城市跨领域、多数据协同应用时，城市数据资源呈现出既多又少的局面：城市拥有大体量的以各种方式存在的存档数据以及源源不断产生的运行状态实时数据，由于数据来源不同、数据格式各异、数据内容描述模糊、数据质量参差不齐、数据获取方式差别巨大等等原因，造成在针对具体跨领域、多数据协同应用时，数据不能被充分的了解、广泛的获取、以及有效的利用。

因此，面对如此海量、异构、分散的城市数据，如何将巨大而复杂的异构数据统一、全面地描述并进行开放的集成管理，提供用户准确、便捷、有效的数据发现与获取接口，促使城市数据的广泛共享与互操作，成为现阶段智慧城市建设亟待解决的核心问题。

在互联网数据共享方面，传统的数据共享技术主要包括语义标注和Web API技术，语义标注技术的标准主要包括Microformat、RDFa，Microdata等，然而语义标注技术具有使用范围较窄、描述能力有限的缺点，Web API技术是当前数据共享应用采用最多的形式，缺点是开放接口不一致，返回的数据没有关联性，因而不能实现数据之间的互联。此外，Tim Berners-Lee于2006年首次提出互联数据（Linked Data）的概念，它是语义网的主题之一，描述了通过可链接的URI方式来发布、分享、连接Web中各类资源的方法。互联数据（Linked Data）是语义网中的数据描述框架的实现，它是一种通过发布结构化数据使数据互联进而提高数据应用价值的框架。它对数据的描述比较简单，技术复杂、维护困难。Fan等人提出了一种扩展物联网的思想——IOD（Internet of Data）将数据类比为物联网中的实体，利用数据标签进行数据关联，是实现数据共享的一种新的思路。但它主要限制用于多媒体数据且存在内容失真、算法复杂等问题。

在地理信息服务共享方面，OGC（开放式地理信息系统协会）提出了Web 地图服务（WMS）、Web 要素服务（WFS），Web地理覆盖服务（WCS）、切片地图Web服务（WMTS）等地理信息服务标准。WMS能够根据用户的请求返回相应的地图（包括PNG，GIF，JPEG等栅格形式，或者是SVG和WEB CGM等矢量形式）；WFS支持对地理要素的插入，更新，删除，检索和发现服务；WCS提供的是包含了地理位置信息或属性的空间栅格图层，而不是静态地图的访问。WMTS对应着切片数据访问形式，如实现天地图无级缩放操作就需要调用WMTS服务。微软提供了Internet Information Services（IIS，互联网信息服务），通过建立网络站点的形式来发布本地资源，提供对本地静态数据，如多媒体数据，如视频、图片、文本的快捷访问。这些网络服务只是单个存在或者某几个一起存在，在访问中只能局限于一种或者几种数据形式，缺少针对多类型数据统一发现、访问。

在实时观测数据共享方面，2006年开放地理空间联盟（OGC）发布了SOS（传感器观测服务）1.0版本，2012年开放地理空间联盟发布了SOS 2.0版本。SOS提供了管理传感器注册和发现传感器数据的API，通过这个服务，客户能够以SOS的标准接口来获取一个或多个传感器的观测数据。传感器观测服务适合于记录观测属性-观测值格式的数据，不支持其他数据类型。

综合分析，目前面向城市异构数据共享方法存在以下问题：       

1）现有缺乏顶层设计及对多类型数据的多方面详细描述，各种数据容易形成信息孤岛，各种数据源无法被全面了解、发现；

2）缺乏一种跨平台、通用的数据发现和获取接口，不能满足用户对数据细粒度精确发现，各种数据不能够被充分、有效利用；

3）缺乏统一的信息化集成管理平台，各数据信息化系统之间不能实现互联互通，无法形成协同行动能力。

 

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于元模型的智慧城市异构数据共享方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于元模型的智慧城市异构数据共享方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于MOF（meta object facility）元建模理论，构建城市数据元模型建模框架；

步骤2：根据城市数据特征及描述需求，构建城市数据元模型通用元素集；

步骤3：根据城市数据基本分类和专用元素集扩展模式，发展数据元模型专用元素集；

步骤4：基于XML模板建模，形成元模型通用元素集和专用元素集形式化方法；

步骤5：实现网络目录服务、数据服务，建立开放式城市数据元模型注册和管理平台；

步骤6：根据用户实际应用需求，设计城市数据细粒度发现接口并获得数据。

作为优选，所述的步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：基于MOF元建模理论，根据城市数据建模实际特点，采用归纳、抽象方法，构建统一的抽象语法与标准的四层数据元模型建模框架；

步骤1.2：根据智慧城市背景下城市数据共享需求及数据本质特征，构建信息描述元模型中“标签”、“内容”、“质量”、“分发”以及“参考”五大元模块类。

作为优选，所述的步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：根据数据特征及描述需求，在五大元模块类的基础上，发展DMM_identifacation、DMM_producteTag、DMM_distrubutionFormat、DMM_dataQuality、DMM_transferType、DMM_distrubutorContact、DMM_spatialDimension、DMM_temporalDimension、DMM_ contentType、DMM_metaReference十大元模型构件；

步骤2.2：参考引用或者扩展现有地理信息标准中的元数据元素，在十大元模型构件基础上发展数据元模型通用元素集合。

作为优选，所述的步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：根据现有数据分类，考虑城市数据特性，构建智慧城市下数据分类，具体包括矢量、影像、地形、三维模型、专题属性、实时监测、流媒体、文档数据八大类型城市数据；

步骤3.2：规定元模型专用元素集扩展模式，考察各类型数据特性，以元模型“五元组”框架为核心，以“十大元模型构件”为边界，在通用元素集的基础上构建数据元模型专用元素集，形成八大类型传数据元模型专用元素集。

作为优选，所述的步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：基于元模型框架及各元素集，建立UML类图，采用XML编码技术，设计通用元素集和专用元素集形式化模板；

步骤4.2：加载相对应类型元模型形式化模板，根据具体数据集各方面特点，通过向导式建模形式化流程分块、分层次建立数据元模型实例。

作为优选，所述的步骤5的具体实现包括以下子步骤：

步骤5.1：实现网络目录服务、数据服务，将完成的元模型实例进行注册并发布数据服务；

步骤5.2：对已注册的元模型实例管理，进行增加、删除、修改、更新操作。

作为优选，所述的步骤6的具体实现包括以下子步骤：

步骤6.1：根据用户实际应用需求，设计包含“数据标签”、“数据内容”、“数据质量”、“数据分发”、“数据参考”五大方面不同层次的组合细粒度发现接口；

步骤6.2：对检索返回提供的数据元模型进行解析，得到数据各方面信息，通过数据服务获得所需数据。

本发明具有以下优点和积极效果：

（1）实现城市异构数据统一全面描述，便于网络共享。通过对多源异构城市数据建模，全面反映了数据标识、内容、质量、分发、参考等方面的信息，对数据的公共属性进行全面表达和统一描述；设计了专用元素集扩展模式，支持对多种数据类型的差异性信息的表达。实现对异构、海量城市数据各个方面统一表达，同时满足多样化表征需求；

（2）实现城市异构数据细粒度发现，提高数据使用效率。基于数据元模型多角度多层次检索，能够获得满足特定数据需求的可用数据集合，实现了数据集高效精确发现。对数据的溯源、评估、分析及应用都有重大的贡献。

 

附图说明

图1：是本发明的流程图。

图2：是本发明实施例中步骤1.1建立的基于MOF元建模的城市数据元模型建模框架。

图3：是本发明实施例中步骤1.2建立的数据元模型通用框架。

图4：是本发明实施例中步骤3.1建立的城市数据分类。

图5：是本发明实施例中步骤3.2建立的数据元模型专用元素集扩展模式。

图6：是本发明实施例中步骤4.1建立的数据元模型UML图。

图7：是本发明实施例中步骤4.2建立的数据元模型实例。

 

具体实施方式      

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在智慧城市背景下，本发明较全面地支持对所有城市异构数据的描述，为用户提供了一种城市异构数据共享和互操作的途经，为城市异构数据在线访问、后续处理及协同应用提供了支持，是城市异构数据共享中高效率的比较实用可靠的方法。

请见图1，本实施例针对智慧城市中燃气管道泄漏爆炸应急响应处置涉及的城市数据建立共享机制，实施例的具体实现流程如下：

步骤1：基于MOF元建模理论，构建城市数据元模型建模框架。

步骤1.1：基于MOF（meta object facility）元建模理论，抽象、归纳城市异构数据基本概念、基本对象，自上而下建立城市异构数据元建模的元元模型层、元模型层、模型层以及实例层的建模框架（如图2）。

步骤1.2：根据智慧城市背景下城市数据集成管理、协同调用等共享需求，分析数据本质特征，重点构建包含“标签（Tag）”、“内容（Content）”、“质量（Quality）”、“分发（Distribution）”以及“参考（Reference）”等五大元模块类的信息描述元模型。这五大元模块类基本涵盖数据共享涉及的各个方面，通过后续继承、扩展能够满足智慧城市管理如综合应急响应处置等对数据共享的需求。

步骤2：根据城市数据特征及描述需求，构建城市数据元模型通用元素集。

步骤2.1：根据数据特征及描述需求，在五大元模块类的基础上，发展基本标识（DMM_identifacation）、生产标志（DMM_producteTag）、内容类型（DMM_contentType）、空间维度（DMM_spatialDimension）、时间维度（DMM_temporalDimension）、数据质量（DMM_dataQuality）、分发格式（DMM_distrubutionFormat）、分发联系（DMM_distrubutorContact）、分发方式（DMM_transferType）、参考信息（DMM_metaReference）等十大元模型构件（如图3）；

步骤2.2：参考引用或者扩展现有地理信息标准（如地理空间数据集元数据内容标准、ISO地理信息元数据标准、科学数据库元数据标准、中国可持续发展信息共享元数据标准等等）中的元数据元素，在十大元模型构件基础上发展数据元模型通用元素集合，它包含更加不同城市数据类型所共有的元数据描述项，如基本的名称、关键词、日期等等；

步骤3：根据城市数据基本分类和专用元素集扩展模式，发展数据元模型专用元素集。

步骤3.1：根据现有数据分类，考虑城市数据的特性，构建智慧城市应用下数据分类，具体包括矢量、影像、地形、三维模型、专题属性、实时监测、流媒体、文档数据等八大类型城市数据（如图4）；

步骤3.2：规定元模型专用元素集扩展模式，图5展示了数据元模型专用元素集扩展模式，以元模型“五元组”框架为核心，以“十大元模型构件”为边界，在通用元素集的基础上构建数据元模型专用元素集，形成八大类型传数据元模型专用元素集。

步骤4：基于XML模板建模，形成元模型通用元素集和专用元素集形式化方法。

步骤4.1：基于元模型框架及各元素集，建立UML类图（如图6），据此采用XML编码技术，设计通用元素集和八大类型数据专用元素集形式化模板，存储于系统的模板库中，该模板便于系统加载模板快速、标准化地建立所需要的数据元模型实例；

步骤4.2：根据具体的数据类型，系统加载相对应类型元模型形式化模板，根据具体数据集各方面特点，通过向导式建模形式化流程分块、分层次建立数据元模型实例。针对智慧城市燃气管道泄漏爆炸应急响应处置的具体应用，可以预先创建广泛的城市数据集元模型实例，如城市地下燃气管道监测数据，选择“实时监测数据”类型加载对应专用元素集模板，填写元素集模板的各项信息，形成燃气管道监测数据的元模型实例（如图7为公交线路矢量数据元模型），以此类推，可以建立包含城市正射影像、地形图、三维模型、管线等各种类型数据的元模型实例库。这些标准形式化的模型实例不但记录了数据各个方面的信息，还包括数据获取方式。

步骤5：实现网络目录服务、数据服务，建立开放式城市数据元模型注册和管理平台。

步骤5.1：将建立的模型实例注册到系统的目录服务中心，可实现分布式数据元模型实例集中注册管理。根据数据类型和具体对外获取方式，建立数据获取服务。如针对实时监测的数据建立传感器观测服务（SOS）；针对矢量数据可发布网络要素服务WFS；针对栅格数据可发布网络覆盖服务（WCS）等等；

步骤5.2：对已注册的城市异构数据元模型实例，可对其进行综合管理，系统提供增加、删除、修改、更新等操作，同时也提供对数据服务的关联、更新操作，使管理这可以对物理上分布的各种城市数据进行逻辑上的综合管理。

步骤6：根据用户实际应用需求，设计城市数据细粒度发现接口并获得数据。

步骤6.1：根据用户实际应用需求，设计包含“数据标签”、“数据内容”、“数据质量”、“数据分发”、“数据参考”等五大方面不同层次的组合细粒度发现接口，并在系统显示交互界面，使用户能够针对特定需求获得理想的数据。如燃气泄漏应急响应过程中需要一定空间范围、时间范围的不同主题、不同类型的数据集合，可以通过数据发现接口来精确检索；

步骤6.2：对检索返回提供的数据元模型进行解析，得到数据标识、内容、质量、格式、负责人等多方面信息，通过包含的数据服务可以获得数据，如通过燃气管道监测数据元模型记录的传感器观测服务（SOS）可以获得实时的以及历史的监测数据，通过记录的矢量数据服务方式可以获得对应的矢量数据等。

至此，即完成智慧城市中基于元模型的城市异构数据共享全过程，涉及元模型提出、模型实例建立、模型实例管理、模型实例发现和数据获取。提出的数据元模型此涵盖了数据各个方面信息，并通过XML编码统一形式化表达，实现了对城市异构数据信息的全面表征、统一表达，同时基于网络注册服务、传感器观测服务以及其他多种服务的异构数据管理和共享平台的实现为智慧城市各领域应用涉及的数据集成、协同应用提供高效的工具。总之，是城市异构数据共享中高效率的比较实用可靠的方法。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。