[发明专利]无线传感器网络语义通信中任务组合的本体及推理规则

摘要

本发明提供了WSN语义通信的任务模型，包括由数据表示、本体构建和推理规则三层结构组合的任务本体，以及基于任务本体推理得到的语义通信控制方法。数据表示层对数据进行标记描述而非直接语义处理，使得语义通信兼容于现有的数据通信。基于类的方法构建了由应用本体、节点本体和性能本体组成的任务本体，并实现相互之间的关系。在此基础上，提供了语义通信中任务组合的推理规则，以及具体的实施方法和数据结构。本发明实现了Sink与网络节点传输处理对象的一致性，以网络应用直接作为节点传输处理的基本单元，显著地提高网络传输和处理的效率和性能。同时本发明可以和已有的网络技术直接结合，实现跨应用层的综合设计和应用。

主权项

采用数据表示、任务模型本体和推理规则的三层结构实现WSN的语义通信任务组合实现方案，其特征是：(1.1)首先对数据进行标记而不直接进行语义处理，使得语义通信兼容数据通信；具体采用SensorML描述语言来标记应用内容、服务性能和节点状态，具体为：1)网络应用：传感器节点采集的数据包括温度、湿度、光强、压力，数据采集的时间和地点；2)网络性能：能量、精确度、时延、时延抖动、通过量；3)网络节点：节点标识(id)、感知区域、剩余能量、通信功率、计算能力、存储容量，邻居节点及上下层关系；(1.2)任务模型本体包括应用本体、节点本体和性能本体三个部分，与基于任务模型本体建立的语义通信规则一起，构成语义通信中节点处理的基本单元——任务模型；各个本体具体包括：1)应用本体本发明把节点所能完成的不可分解的最小应用单元称为元任务(AtomTask)；在应用本体中，采用类型信息表示元任务；节点所要实现的应用可以是一个元任务，也可以是多个元任务的集合；不同任务有不同的时间和空间信息，每个元任务有各自的时间和空间信息；应用本体中的词汇为：■App：表示节点所要完成的任务；■AppType：元任务的类型信息，以集合的形式表示，包括时间、空间信息和采集的数据；■AppTime：元任务的时间信息，以集合的形式表示；■AppSpace：元任务的空间信息，以集合的形式表示；■AppData：语义处理后的数据；2)节点本体节点本体在包含所能完成应用信息的同时，还包含了节点自身的信息，用于区别于其它节点；节点本体中的词汇为：■NodeType：元任务的类型信息，以集合的形式表示，包含时间和空间信息以及采集的数据；每个节点可以有多个元任务类型；■NodeTime：任务的时间信息，以集合的形式表示；■NodeSpace：任务的空间信息，以集合的形式表示；■NodeData：采集到的元任务的数据；■ParentNode：表示节点的父节点；■Priority：表示节点工作的优先级；3)性能本体性能本体中的词汇为：■Accuracy：表示采集到的数据和真实数据的符合程度，包括感知数据精确度、时间精确度以及空间精确度；■Throughput：表示单位时间内目的节点从参与任务的源节点接收到的数据包数量，是对无线传感器网络处理传输数据请求能力的总体评价；■Delay：表示从下级节点产生的第一个数据包开始，到最后一个数据包到达上级节点之间的时间；(1.3)采用类的方法实现本体的构建，以及实现本体之间的关系；本体属性通过其定义域(Domain)、值域(Range)和属性的限制(Axiom)来体现，本发明任务模型本体中的属性为：其中hasAppType属性的定义域为App，值域为AppType，表示在三元结构的表述hasAppType(a,b)表示应用a具有应用类型b；(1.4)任务模型的构造任务模型本体采用类的方法来实现；各个本体均被看作是一个类，所有类的基类为任务模型SensorModel，这是一个不实例化的虚基类；这个类包含：元素个数；建模信息：建模时间、建模者信息、建模工具方法说明；模型的动态、静态元素；以及模型的处理方法；1)元任务AtomTask类从SensorModel继承而来，是整个语义传输控制的最小单元；这一单元包含该任务的产生者，即哪个节点产生的；任务的描述信息，对于一个任务的描述由一个数据结构来实现，包括：a)任务产生的时间、位置、物理量信息，任务完成的质量情况，任务的标识，任务在整个任务流过程中的状态；b)任务数据信息，这是对任务的处理结果当中数据型任务做存储和记录的变量；c)任务信息设置和获取方法；2)从AtomTask类中派生出CompositionTask，即组合任务类得到任务描述相关的类；3)NetStateQoS类从SensorModel继承而来，它是网络状态的集合类；网络状态包含网络是否在工作，有什么任务，任务的要求，网络中的能量分配如何，网络中的节点定位信息，传输状态信息；这些因素决定了网络任务流产生与否，为任务组合CompositionTask类提供节点和网络状态参数；4)语义通信任务组合过程通过任务组合TaskComposition类来实现，根据NetStateQoS类中相邻节点以及网络状态信息，构建组合拓扑选择参与任务组合的节点，建立和更新节点任务语义任务表明确节点需完成的子任务，进行任务语义推理完成任务组合；(1.5)任务的语义推理规则推理规则包括本体基本运算规则，具体为类属性，类等价，分类和一致性；以及任务语义计算规则；1)任务语义计算的运算d)任务的关系运算relation(A,B)：判断集合A和集合B的关系，输出判断结果；存在四种关系，分别是集合A和集合B无关，集合A和集合B部分相交，集合A和集合B相等，集合A包含集合B(或集合A被集合B包含)；e)任务的交集运算intersect(A,B)：取集合A和集合B的交集作为结果输出；f)任务的并集运算union(A,B)：取集合A和集合B的并集作为结果输出；2)任务组合中时间语义、空间语义和信息量语义的运算规则按照任务的时间语义、空间语义和物理量语义，本发明提供了四种关系，分别为Overlay、Contain、Equal和DisConnected，即混叠、包含、相等和不相关，分别判断来自不同节点的任务模型中的时间、空间及物理量的相互关系，并得到相应的组合结果。