這個(gè)由多部分組成的系列解決了對(duì)支持物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 以及建筑物、企業(yè)和消費(fèi)者的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的單一語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型的需求。這樣的模型必須簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)即插即用互操作性和跨行業(yè)的普遍采用。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)抽象層和互操作性程度

互操作性，或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或軟件交換或利用信息的能力，是參與當(dāng)今信息經(jīng)濟(jì)的所有設(shè)備的要求。傳統(tǒng)上，互操作性主要是在網(wǎng)絡(luò)通信的背景下定義的。但是，隨著從智能家居和樓宇自動(dòng)化到智能能源和零售再到醫(yī)療保健和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的數(shù)百萬(wàn)設(shè)備連接在一起，現(xiàn)在需要一個(gè)更廣泛的定義，以考慮互操作性對(duì)系統(tǒng)到系統(tǒng)性能的跨域影響。

開(kāi)放系統(tǒng)互連 （OSI） 模型提供了定義網(wǎng)絡(luò)互操作性框架的最著名示例，它是全球電信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。OSI 模型通過(guò)七個(gè)不同的抽象層提供互操作性框架，這些抽象層隔離和定義各種通信功能，從物理媒體中的比特傳輸（第 1 層）到在軟件中共享應(yīng)用程序數(shù)據(jù)（第 7 層）。這些層的簡(jiǎn)要描述及其用途可以在圖 1 中找到。

【圖1 | OSI 模型概述了促進(jìn)電信和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)互操作性的七個(gè)抽象層。］

雖然 OSI 模型的每個(gè)抽象層都有助于整體網(wǎng)絡(luò)互操作性，但每個(gè)抽象層都通過(guò)解決弗吉尼亞建模分析和模擬中心的概念互操作性模型 （LCIM）［2］ 級(jí)別定義的三類(lèi)互操作性之一來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這三類(lèi)分別是技術(shù)互操作性、句法互操作性和語(yǔ)義互操作性［3］：

技術(shù)互操作性是網(wǎng)絡(luò)交換任何類(lèi)型的原始信息的基本能力。技術(shù)互操作性由較低級(jí)別的 OSI 堆棧（第 1 - 4 層）管理，這些堆棧定義了在網(wǎng)絡(luò)上的點(diǎn)之間可靠地傳輸和接收數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施。

句法互操作性，或在兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器之間交換結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的能力，通常由 OSI 模型的第 5 層和第 6 層處理。在這里，XML 和 JSON 等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式提供了允許系統(tǒng)識(shí)別正在傳輸或接收的數(shù)據(jù)類(lèi)型的語(yǔ)法。

語(yǔ)義互操作性使系統(tǒng)能夠以上下文方式（通常通過(guò)使用元數(shù)據(jù)）解釋結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的含義，并在 OSI 堆棧的第 7 層中實(shí)現(xiàn)。

在 OSI 框架中，每個(gè)抽象層的正確實(shí)現(xiàn)有助于形成互操作性瀑布，技術(shù)互操作性支持句法互操作性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互操作性。技術(shù)互操作性目前在多域通信網(wǎng)絡(luò)中得到很好的理解和標(biāo)準(zhǔn)化，將句法和語(yǔ)義層作為真正可互操作的機(jī)器對(duì)機(jī)器 （M2M） 數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵可尋址點(diǎn)。

從句法互操作性到語(yǔ)義互操作性的轉(zhuǎn)變

OSI 模型的第 1 層到第 4 層提供了一套不可知的基于 Internet 協(xié)議 （IP） 的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，句法和語(yǔ)義互操作性通常依賴(lài)于基于系統(tǒng)和數(shù)據(jù)類(lèi)型優(yōu)化的行業(yè)特定格式和協(xié)議。手。為支持這些垂直市場(chǎng)中的 M2M 通信而對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了數(shù)十億美元的投資，這一事實(shí)變得更加復(fù)雜［4］。

為了在這些情況下促進(jìn)廣泛的句法互操作性，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟 （IIC）最近發(fā)布了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接框架”或 IICF［3］。IICF 通過(guò)組合表示層和會(huì)話(huà)層（第 5 層和第 6 層）重新定義了傳統(tǒng)的 OSI 模型，以提供所有必要的機(jī)制來(lái)“促進(jìn)端點(diǎn)如何明確地結(jié)構(gòu)化和解析數(shù)據(jù)”（圖 2）。一組“核心連接標(biāo)準(zhǔn)”（目前是數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù) （DDS）、OPC 統(tǒng)一架構(gòu) （OPC-UA）、oneM2M 和 Web 服務(wù)）支持跨行業(yè)句法互操作性，這些標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)一組建議的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行通信網(wǎng)關(guān)。

【圖2 | 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的連接框架層為跨不同系統(tǒng)和域的句法互操作性提供了基礎(chǔ)。］

IICF 框架層允許在不同的服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 級(jí)別的應(yīng)用程序之間傳輸狀態(tài)、事件和流。這樣的架構(gòu)足以滿(mǎn)足句法互操作性的要求。

除了 IICF 的句法互操作層之外，還有信息層（OSI 模型中的應(yīng)用層），其中語(yǔ)義互操作性尚未指定。這里發(fā)生的分布式數(shù)據(jù)管理和互操作性依賴(lài)于兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器之間的指定本體，以自動(dòng)準(zhǔn)確地解釋交換數(shù)據(jù)的含義（上下文）并將其應(yīng)用于有價(jià)值的目的。正如 IICF 的句法互操作方法所建議的那樣，該本體必須考慮在不同系統(tǒng)和環(huán)境之間交換的元數(shù)據(jù) 。它代表了連接系統(tǒng)之間最高級(jí)別的互操作性。

一些行業(yè)組織已努力實(shí)施涵蓋盡可能廣泛的行業(yè)和系統(tǒng)的語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型（信息模型）。這些聯(lián)盟包括對(duì)象管理組 （OMG）、IPSO 聯(lián)盟、開(kāi)放連接基金會(huì) （OCF）、開(kāi)放組、zigbee、全球標(biāo)準(zhǔn) 1 （GS1）、Schema.org、Project Haystack， 和別的。然而，他們?cè)趯?shí)現(xiàn)適用于基礎(chǔ)廣泛的跨行業(yè)用例的語(yǔ)義數(shù)據(jù)方案方面在很大程度上沒(méi)有成功，因?yàn)樗麄兊慕?jīng)驗(yàn)往往基于狹窄的技術(shù)或行業(yè)細(xì)分集。

以下文章系列介紹了如何利用每種方法的最佳屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)行業(yè)和 環(huán)境的可擴(kuò)展語(yǔ)義互操作性。

描述數(shù)據(jù)的含義——數(shù)據(jù)語(yǔ)義

從傳感器到執(zhí)行器的數(shù)據(jù)

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在改變我們的世界，影響著我們管理和運(yùn)營(yíng)家庭、建筑物、商店、醫(yī)院、工廠和城市等環(huán)境的方式。成本更低的傳感器、更強(qiáng)大的控制器、“云”、智能設(shè)備和新的軟件應(yīng)用程序正在實(shí)現(xiàn)管理從設(shè)施到供應(yīng)鏈的一切的新方法。

智能設(shè)備正在顯著增加我們環(huán)境中可用數(shù)據(jù)的數(shù)量和類(lèi)型，而新的軟件應(yīng)用程序正在創(chuàng)造從這些數(shù)據(jù)中受益的新方法。這些進(jìn)步共同推動(dòng)了我們管理和操作這些環(huán)境的方式發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，使我們能夠從基于簡(jiǎn)單反饋回路的傳統(tǒng)控制策略轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)告知各方智能設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)際性能的。

所有這些趨勢(shì)在有效結(jié)合使用時(shí)都有助于提高效率并節(jié)省總體運(yùn)營(yíng)成本。但是，訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)是一回事。使其具有可操作性是另一回事。隨著可用數(shù)據(jù)比以往任何時(shí)候都多，行業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)。

毫無(wú)疑問(wèn)，廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的最大障礙是互操作性。麥肯錫的一份報(bào)告估計(jì)，在物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)互操作性將在整個(gè)可用市場(chǎng)中增加 40% 的價(jià)值。

來(lái)自智能設(shè)備的數(shù)據(jù)以多種不同的格式進(jìn)行存儲(chǔ)和通信。它具有不一致的、非標(biāo)準(zhǔn)的命名約定，并提供非常有限的描述符以使我們能夠理解其含義。簡(jiǎn)而言之，來(lái)自智能設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)缺乏描述其自身含義的信息。在沒(méi)有意義的情況下，需要進(jìn)行耗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，然后才能有效地使用數(shù)據(jù)來(lái)產(chǎn)生價(jià)值。結(jié)果是來(lái)自當(dāng)今設(shè)備的數(shù)據(jù)雖然在技術(shù)上“可用”，但很難使用，從而限制了各方從數(shù)據(jù)中包含的價(jià)值中充分受益的能力。

為了在分析、遠(yuǎn)程設(shè)備管理和自動(dòng)化系統(tǒng)等增值應(yīng)用程序中利用數(shù)據(jù)，我們需要了解數(shù)據(jù)的含義。例如，如果我們從樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS） 中的傳感器 點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，它可能包含 77.6 的值。

【圖3 | 示例傳感器值］

在我們首先了解值的數(shù)據(jù)類(lèi)型之前，我們無(wú)法進(jìn)行任何有效的分析或處理。該值是否代表溫度、速度、壓力或其他一些數(shù)據(jù)類(lèi)型？

【圖4 | 具有數(shù)據(jù)類(lèi)型語(yǔ)義的示例值］

如果該值代表一個(gè)溫度，那么我們需要知道它是 77.6 華氏度還是攝氏度。度量單位是我們理解和使用數(shù)據(jù)所需的另一個(gè)基本描述符。

【圖5 | 具有單位語(yǔ)義的示例值］

繼續(xù)我們的示例，如果我們只知道數(shù)據(jù)類(lèi)型（溫度）和測(cè)量單位（oF），我們?nèi)匀徊惶私庵?77.6 的重要性。溫度值是否代表空氣、水或其他一些環(huán)境條件？

如果是建筑物內(nèi)樓層的空氣溫度，則對(duì)居住者來(lái)說(shuō)可能有點(diǎn)熱。如果是鍋爐的水溫，可能太涼了。

【圖6 | 具有對(duì)象語(yǔ)義的示例值］

最后，如果 value 表示建筑物內(nèi)樓層的空氣溫度，則建筑物無(wú)人使用時(shí)可能很好，但有人占用時(shí)則不然。所以活動(dòng)的日期和時(shí)間也很重要。

【圖7 | 帶時(shí)間戳的示例值］

假設(shè)值為 77.6 的傳感器由名稱(chēng)（即標(biāo)識(shí)符）“zn3-wwfl4”標(biāo)識(shí)。如果我非常熟悉建筑系統(tǒng)和安裝時(shí)使用的命名約定，我可能能夠確定這意味著 3 區(qū)，西翼，4 樓。這會(huì)給我一些信息來(lái)處理。如果我對(duì)建筑物很了解，我可能還可以判斷出標(biāo)識(shí)符“zn3-wwfl4”是按占用計(jì)劃 #1（上午 7 點(diǎn) 30 分至下午 6 點(diǎn) 30 分）運(yùn)行的樓層的空氣溫度，并且具有占用的冷卻設(shè)定點(diǎn)為 74 oF。

有了這些附加信息，我可以確定 77.6 的值不適合工作日上午 9:00 ——它太熱了，會(huì)導(dǎo)致乘客抱怨。然而，使我能夠做出決定的是關(guān)于特定傳感器含義的大量信息。由于我對(duì)建筑物的個(gè)人了解，我碰巧擁有的信息——但信息未記錄在控制系統(tǒng)（或任何單個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）中，并且不以任何一致的“機(jī)器可讀”格式提供。

這是使用當(dāng)今系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)所面臨的挑戰(zhàn)——表示、交流和解釋數(shù)據(jù)含義的能力。這種“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”通常被稱(chēng)為元數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)語(yǔ)義。

擁有有關(guān)傳感器點(diǎn)的適當(dāng)元數(shù)據(jù)將使我們能夠了解當(dāng)前值 77.6 的影響，而無(wú)需依賴(lài)個(gè)人對(duì)系統(tǒng)的了解。如上所述，如果我們知道與傳感器關(guān)聯(lián)的位置相關(guān)的時(shí)間表，我們可以確定它在占用時(shí)間內(nèi)溫度過(guò)高，并且居住者很可能不舒服。

但是，如果沒(méi)有必要的元數(shù)據(jù)，我們就無(wú)法確定當(dāng)前值的影響及其與正常系統(tǒng)操作的關(guān)系。因此，為了提供數(shù)據(jù)的有效使用，我們需要將元數(shù)據(jù)與傳感器 值結(jié)合起來(lái)。手動(dòng)完成時(shí)，此過(guò)程稱(chēng)為映射或數(shù)據(jù)規(guī)范化。歷史上，利用時(shí)間序列數(shù)據(jù)的這一步驟一直是一個(gè)耗時(shí)的手動(dòng)過(guò)程，這大大增加了新軟件應(yīng)用程序（如分析、遠(yuǎn)程設(shè)備管理和自動(dòng)化系統(tǒng)）的實(shí)施成本。

有趣的是，憑借過(guò)去十年獲得的所有功能以及標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的采用，大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)幾乎沒(méi)有能力捕獲有關(guān)其包含的數(shù)據(jù)的語(yǔ)義信息。沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的方法來(lái)表示它們生成或包含的數(shù)據(jù)的含義。系統(tǒng)為傳感器點(diǎn)提供標(biāo)識(shí)符（ zn3 -wwfl4）、值（77.6） 和單位（oF），但幾乎沒(méi)有其他信息。結(jié)果是，在有效使用傳感器之前，需要一個(gè)勞動(dòng)密集型過(guò)程來(lái)“映射”數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)映射） 數(shù)據(jù)可以開(kāi)始了。顯然，這對(duì)有效使用智能設(shè)備提供的數(shù)據(jù)造成了重大障礙。

【圖8 | 數(shù)據(jù)交換和規(guī)范化］

到 2020 年，物聯(lián)網(wǎng)中的連接設(shè)備將超過(guò) 250 億臺(tái)。這些設(shè)備一起將產(chǎn)生前所未有的海量數(shù)據(jù)，為了創(chuàng)造價(jià)值，必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效索引、共享、存儲(chǔ)、查詢(xún)和分析。

越來(lái)越多地，這些數(shù)據(jù)被規(guī)范化為時(shí)間序列數(shù)據(jù)——標(biāo)記有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)——并以定期間隔（基于間隔）或狀態(tài)（或值）更改（基于事件）傳輸。

【圖9 | 時(shí)間序列和事件］

雖然分析應(yīng)用程序只需要時(shí)間序列數(shù)據(jù)的單向流，但自動(dòng)化系統(tǒng)需要雙向數(shù)據(jù)流來(lái)將測(cè)量數(shù)據(jù)從傳感器和命令消息傳輸?shù)綀?zhí)行器。

【圖10 | 雙向數(shù)據(jù)流］

元數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)

那么我們?nèi)绾尾拍懿东@所有這些信息，共享它，并將其與我們的自動(dòng)化系統(tǒng)和智能設(shè)備中的數(shù)據(jù)元素相關(guān)聯(lián)呢？我們不能簡(jiǎn)單地嘗試使用標(biāo)準(zhǔn)化的點(diǎn)標(biāo)識(shí)符來(lái)做到這一點(diǎn)。即使在我們的簡(jiǎn)單示例中，我們的元數(shù)據(jù)也比在點(diǎn)標(biāo)識(shí)符中有效捕獲的要多。除此之外，隨著時(shí)間的推移，我們可能希望添加許多其他數(shù)據(jù)元素，這些數(shù)據(jù)元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的簡(jiǎn)單示例，顯然我們需要另一種方法。一個(gè)有效的解決方案需要具備以下特點(diǎn)：

它應(yīng)該將點(diǎn) 標(biāo)識(shí)符與相關(guān)元數(shù)據(jù)的表示分離。現(xiàn)實(shí)情況是，我們?cè)跀?shù)千個(gè)系統(tǒng)中擁有數(shù)百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，并且它們的點(diǎn) 標(biāo)識(shí)符無(wú)法更改。這根本不是一種選擇——也沒(méi)有必要。需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化模型來(lái)將元數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的點(diǎn)標(biāo)識(shí)符相關(guān)聯(lián)。

它應(yīng)該利用標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù) 標(biāo)識(shí)符庫(kù)來(lái)提供元數(shù)據(jù)術(shù)語(yǔ)的一致性。這將使軟件應(yīng)用程序無(wú)需規(guī)范化即可解釋數(shù)據(jù)含義。隨著新應(yīng)用程序的引入，該庫(kù)需要由行業(yè)專(zhuān)家維護(hù)。因此，元數(shù)據(jù)方法需要可擴(kuò)展。

跨行業(yè)用例

語(yǔ)義互操作性的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是能夠跨不同行業(yè)實(shí)現(xiàn)互操作性，每個(gè)行業(yè)都有自己的環(huán)境和互操作性用例。在本系列的后續(xù)部分中，將討論五個(gè)相互關(guān)聯(lián)的行業(yè)——住宅和建筑、能源、零售、醫(yī)療保健以及運(yùn)輸和物流。

審核編輯：郭婷