GB/T 44283-2024 物联网 语义互操作实现框架

　　ICS 35.110 CCS L 79

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 44283—2024

　　物联网 语义互操作实现框架

　　Internet of things—Framework for semantic interoperation implementation

　　2024-08-23 发布 2025-03-01 实施

　　发

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　布

　　GB/T 44283—2024

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 缩略语 1

　　5 物联网系统语义互操作实现框架 2

　　6 语义模型 2

　　6.1 概述 2

　　6.2 语义标注 3

　　6.3 语义管理 3

　　6.4 语义推理 4

　　6.5 语义查询 4

　　7 语义模型部署 4

　　7.1 应用部署 4

　　7.2 拓展部署 4

　　8 语义互操作信息记录 5

　　9 语义互操作维护 5

　　10 语义互操作协商 5

　　10.1 连接参数协商 5

　　10.2 数据交互协商 6

　　10.3 语义表示协商 6

　　附录 A (资料性) 本体开发 7

　　参考文献 10

　　Ⅰ

　　GB/T 44283—2024

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第 1 部分： 标准化文件的结构和起草规则》 的规定起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由全国信息技术标准化技术委员会 (SAC/TC 28)提出并归口。

　　本文件起草单位： 重庆邮电大学、 中国电子技术标准化研究院、重庆邮电大学工业互联网研究院、深圳赛西信息技术有限公司 、江苏赛西科技发展有限公司 、 山东省计算中心( 国家超级计算济南中心)、工因特(重庆) 科技有限公司、无锡物联网产业研究院、江苏中天科技股份有限公司、北京东土科技股份有限公司、重庆市质量和标准化研究院、北京邮电大学、 中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司、 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司、 中移(杭州) 信息技术有限公司、成都秦川物联网科技股份有限公司、江苏思行达信息技术有限公司、上海天臣微纳米科技股份有限公司、广东省工业边缘智能创新中心有限公司、浙江晶日科技股份有限公司、无锡物联网创新中心有限公司、安徽电信规划设计有限责任公司、西安电子科技大学。

　　本文件主要起草人： 耿道渠 、 王晓春 、杨宏 、魏旻 、 高新波 、苏静茹 、卓兰 、 陈志刚 、乔楠 、张焱、汪晶晶、李刚、黄庆卿、郭雄、吴明娟、张弛、葛永新、孙旭、张程、余能超、高伟东、赵松、刘汝超、王宁、施超、梁永增、唐永强、张旭、周立雄、王博、黄少婕、章军辉、庄宝森、刘琼、王楠楠、陈晟民。

　　Ⅲ

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　　1

　　物联网

　　

　　语义互操作实现框架

　　1 范围

　　本文件给出了物联网系统语义互操作实现框架，描述了实现语义互操作的语义模型和语义模型部署、语义互操作信息记录、语义互操作维护、语义互操作协商等基本操作。

　　本文件适用于物联网系统语义互操作的设计与实施。

　　2 规范性引用文件

　　本文件没有规范性引用文件。

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　语义信息 semantic information

　　数据所携带的具有明确含义和上下文关系的信息。

　　3.2

　　语义互操作 semantic interoperation

　　在特定领域背景中，物联网实体对交互数据的含义进行解析并响应的过程。

　　3.3

　　物联网实体 IoT entity

　　参与到物联网系统中的物理实体。

　　注： 包括物体、设备、 网关、应用、系统等。

　　[ 来源： GB/T 41782.1—2022 ，3.8，有修改 ] 3.4

　　语义模型 semantic model

　　面向知识共享的具备领域知识表达和交互机制的模型。

　　3.5

　　本体 ontology

　　使用计算机能处理的语言对特定知识领域内的实体及其相互关系的具体描述。

　　[ 来源： ISO/IEC 19763﹘3:2020 ，3.3.1.1 ，有修改 ]

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　JSON JavaScript 对象表示法(JavaScript Object Notation)

　　ORSD 本体需求规格说明书(Ontology Requirements Specification Document)

　　OWL 网络本体语言(Web Ontology Language)

　　RDF 资源描述框架(Resource Description Framework)

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　　SPARQL SPARQL 协议和 RDF 查询语言 (SPARQL Protocol and RDF Query Language)

　　XML 可扩展置标语言(Extensible Markup Language)

　　5 物联网系统语义互操作实现框架

　　本文件根据 GB/T 41782 . 1 — 202 2 对语义互操作的描述，构建语义互操作实现框架，见图 1。其中：

　　—语义模型包含语义互操作所需的功能模块，是实现物联网语义互操作的核心;

　　—语义模型部署是将语义模型部署到物联网系统的操作，使系统具备语义表示和语义处理能力;

　　—语义互操作信息记录是物联网系统对语义互操作过程中的相关信息进行记录的操作，为后续的语义互操作维护提供信息支撑;

　　—语义互操作维护是对语义关系、推理规则等进行维护的操作，为语义模型的更新提供支撑;

　　—语义互操作协商是物联网系统之间通过协商在连接参数、数据交互、语义表示等方面达成一致的操作，使各物联网系统具备与其他系统语义互操作的能力。

　　图 1 语义互操作实现框架

　　语义互操作包括物联网系统内语义互操作和物联网系统间语义互操作：

　　—物联网系统内语义互操作涉及语义模型部署、语义互操作信息记录、语义互操作维护等基本操作，使系统能基于语义模型以一致的方式解析和处理来自内部不同实体之间的交互数据，并将机器可理解的语义信息反馈给相应实体，进而使系统具备内部实体之间语义互操作的能力;

　　—物联网系统间语义互操作涉及交互的物联网系统内的语义模型部署、语义互操作信息记录、语义互操作维护等基本操作，以及交互的物联网系统间的语义互操作协商。交互方之间通过语义互操作协商，在连接参数、数据交互、语义表示等方面达成一致，使交互方能够基于各自的语义模型解析和处理来自其他系统的实体的交互数据，并将机器可理解的语义信息反馈给本系统的相应实体，进而使各系统具备与其他系统语义互操作的能力。

　　6 语义模型

　　6.1 概述

　　语义模型的功能模块包括语义标注、语义管理、语义推理、语义查询等，功能描述如下。

　　a) 语义标注 ：用于对物联网系统及其相关领域信息进行描述、组织和解释。

　　2

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　　b) 语义管理 ：用于存储、合并、索引物联网系统及其相关领域的语义信息。

　　c) 语义推理 ：用于对已有的知识进行逻辑推理或推断，得到新的知识或结论。

　　d) 语义查询 ：用于识别查询请求，并在知识库中执行相应的查询操作，将查询结果反馈给用户。

　　6.2 语义标注

　　6.2.1 标注对象

　　标注对象包括但不限于：

　　a) 实体信息，包括实体的类型(传感器、智能设备等)、 属性、功能等信息;

　　b) 数据信息，包括数据的类型(数值、文本、图形等)、 单位、范围等信息;

　　c) 事件信息，包括事件的类型(状态或位置变化等)、 触发条件、发生时间等信息;

　　d) 关系信息，包括实体之间的依赖关系、事件之间的因果关系等信息。

　　6.2.2 标注方法

　　语义标注通过本体为标注对象赋予明确的语义含义，使其转化为语义信息，本体开发相关内容见附录 A。 标注方法包括但不限于如下内容。

　　a) 手动标注方法。

　　b) 自动标注方法：

　　1) 基于规则的标注方法;

　　2) 基于机器学习的标注方法。

　　6.3 语义管理

　　6.3.1 管理对象

　　管理对象包括但不限于：

　　a) 本体;

　　b) 实例化数据;

　　c) 推理规则;

　　d) 语义映射表( 图)。

　　6.3.2 管理操作及其方法

　　管理操作及其方法包括但不限于如下内容。

　　a) 语义信息存储，基于图数据库以三元组(主体-谓词-客体) 的形式存储物联网系统及其相关领域的语义信息。

　　b) 语义信息合并，目的是对来自不同源的语义信息进行整合，包括：

　　1) 通过计算不同语义信息之间的语义相似度，确定需要合并的知识;

　　2) 通过择优或删除等方式对重复、不一致或矛盾的语义信息进行消歧;

　　3) 通过融合、对齐、交叉等策略，对多个语义信息进行集成。

　　c) 语义信息索引，将知识库中概念、关系等的语义信息提取出来，并建立索引以支持语义级别的检索。

　　3

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　　6.4 语义推理

　　6.4.1 推理对象

　　推理对象包括但不限于：

　　a) 概念;

　　b) 属性，包括对象属性和数据属性;

　　c) 关系，包括等价关系、父子关系和实例关系等。

　　6.4.2 推理方法

　　推理方法包括但不限于：

　　a) 符号逻辑推理，通过逻辑规则和符号计算进行推理;

　　b) 关联规则推理，通过挖掘数据中的关联关系进行推理;

　　c) 本体推理，通过本体的概念、属性、关系的定义进行推理;

　　d) 统计推理，通过统计模型(频率推理、概率推理) 和机器学习算法进行推理。

　　6.5 语义查询

　　6.5.1 查询对象

　　查询对象包括但不限于：

　　a) 实体信息，包括实体关联信息、实体属性信息、实体功能信息等;

　　b) 数据信息，包括静态数据信息、动态数据信息等。

　　6.5.2 查询过程及其方法

　　查询过程及其方法包括但不限于：

　　a) 指令解析，将用户查询请求解析为系统可执行的查询指令;

　　b) 语义理解，识别用户意图中的概念 、属性及其关系，并转化为特定的语义查询语言，包括RDF查询语言(如SPARQL) 或其他自定义的语义查询语言;

　　c) 语义关联，将用户查询意图映射到底层知识库中对应的概念、关系或属性;

　　d) 查询优化，通过查询优化算法和分布式查询处理等技术手段提高查询性能(如响应时间、准确性、完整性等);

　　e) 结果反馈，将查询结果以易于理解和可视化( 图形、表格等) 的方式呈现给用户。

　　7 语义模型部署

　　7.1 应用部署

　　语义模型中关键功能软件(如语义标注、语义推理等) 可部署在相应的设备上 。 当语义互操作各参与方的数据更新较为频繁时，为提升互操作访问速度，关键功能软件可部署在云上。

　　7.2 拓展部署

　　在现有的语义模型中拓展部署新的异构物联网实体，包括如下四个步骤：

　　a) 异构物联网实体的语义注册;

　　b) 异构物联网实体概念的一致性表述;

　　c) 异构物联网实体所交互的实例化数据之间的对齐;

　　4

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　　d) 部署完成和验证确认。

　　8 语义互操作信息记录

　　物联网系统可对语义互操作过程中的相关信息进行记录，为后续分析、验证、审计和维护等提供依据。语义互操作信息记录包括但不限于以下内容。

　　a) 交互信息记录：

　　1) 交互标识记录： 为跟踪和区分不同系统或设备的语义交互，记录交互过程分配的唯一标识符;

　　2) 交互类型记录 ：记录交互的类型，包括数据交换、信息传递和请求访问等;

　　3) 交互对象记录 ：记录交互发起系统和接收系统的标识;

　　4) 交互数据记录 ：记录交互过程中涉及的具体数据内容，包括数据的名称、值和单位等;

　　5) 交互日志记录： 以日志的形式描述交互过程，包括交互的时间 、标识 、类型 、数据和状态等。

　　b) 服务信息记录：

　　1) 服务标识记录： 为确认不同服务的名称和身份，记录服务过程分配的唯一标识符;

　　2) 服务类型记录 ：记录服务的类型，包括设备控制、决策推理和知识查询等;

　　3) 服务内容记录： 记录服务的具体流程及结果，包括服务发现、服务调用、服务响应和异常处理等;

　　4) 服务日志记录： 以日志的形式描述服务过程，包括服务的时间、标识、类型、 内容、状态和接口规范等。

　　9 语义互操作维护

　　为适应不断变化的环境和应用需求，可对语义互操作所涉及的语义模型、数据和协议等进行持续更新和维护。语义互操作维护的内容包括但不限于：

　　a) 程序维护，包括语义功能模块程序代码的错误修正、性能提升等;

　　b) 关系维护，包括由设备或知识库变动导致的语义关系更新、语义描述修改等;

　　c) 规则维护，包括推理规则的迭代更新和推理过程的调整优化等;

　　d) 数据维护，包括原始数据和语义实例化数据的备份与恢复、清洗与校验等;

　　e) 协议维护，包括互操作过程中各协议的优化、拓展和兼容性处理等。

　　10 语义互操作协商

　　10.1 连接参数协商

　　物联网系统间语义互操作的连接参数协商内容包括但不限于：

　　a) 连接参数的值大小写敏感，连接参数大小写不敏感;

　　b) 请求参数没有顺序要求，可任何次序给出;

　　c) 布尔参数用YES、Y、ON、TRUE、T或1表示打开，用NO、N、OFF、FALSE、F或0表示关闭;

　　d) 每个连接参数均有一个默认值，并有明确的使用环境，在必要时使用命令或指定的程序选项来覆盖它。

　　5

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　　10.2 数据交互协商

　　物联网系统间语义互操作的数据交互协商内容包括但不限于：

　　a) 数据交互过程所采用的通信协议;

　　b) 数据交互模式(批量传输、实时流式传输或请求-响应模式);

　　c) 交互数据的编码格式、数据结构和字段定义等;

　　d) 数据交互过程的参数，包括传输速率、数据包大小、压缩和加密等。

　　10.3 语义表示协商

　　物联网系统间语义互操作的语义表示协商包括但不限于以下内容。

　　a) 语义互操作参与方对语义表示方式(如本体) 的一致性进行协商。

　　b) 语义互操作参与方根据对系统或设备语义描述的差异情况构建语义映射表( 图 )，过程如下：

　　1) 确定源语义描述和目标语义描述对应的概念和属性;

　　2) 确定映射关系类型，包括等价关系、父子关系和实例关系等;

　　3) 按照映射关系类型将概念或属性以表格、图形等形式呈现。

　　6

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　　附 录 A (资料性)本体开发

　　A.1 本体开发的基本原则

　　A.1.1 清晰性原则

　　本体能清晰有效地表达所定义术语的预期含义。

　　A.1.2 客观性原则

　　本体术语的定义是客观的、形式化的，且与背景独立，并能用自然语言说明。

　　A.1.3 一致性原则

　　本体能支持与其定义一致的推理，其定义的公理及用自然语言说明的文档具有一致性。

　　A.1.4 最小本体约定原则

　　采用定义约束最弱公理以及仅定义通讯所需词汇的方式来满足特定的知识共享需求。

　　A.1.5 可扩展性原则

　　本体能为预期任务提供概念基础，并支持在已有概念基础上定义新的术语，而不必修改已有概念的定义。

　　A.1.6 编码中立性原则

　　本体编码保持中立，且概念的描述不依赖于某一种特殊符号层的表示方法。

　　A.2 本体开发流程

　　A.2.1 概述

　　本体开发包括本体需求分析、本体构建、本体实例化、本体评估、本体序列化等步骤，本体开发流程如图 A.1 所示。

　　图 A.1 本体开发流程

　　7

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　　A.2.2 本体需求分析

　　A.2.2.1 文档共享

　　本体开发团队收集来自物联网领域专家或用户的共享文档 。文档包括但不限于手册 、数据集 、标准、API 规范和数据格式等。

　　A.2.2.2 用例规格说明

　　本体开发团队收集本体开发可能使用的对物联网应用或流程的一般描述，这些描述通常由领域专家和软件开发人员用自然语言编写。

　　A.2.2.3 目的和范围识别

　　本体开发团队与物联网领域专家或用户进行协作，为每个需求用例定义本体或本体模块的目的和范围。

　　A.2.2.4 需求建议

　　本体需求建议由本体开发团队以共享文档作为输入，以需求问答的形式编写本体需求提案 。收集需求的方法采用但不限于表格法，其中可包括以下字段： 需求标识符 、需求问答 、 出处信息(需求来源)、 注释、与其他需求的关系、优先级和状态(建议，接受，拒绝)。

　　A.2.2.5 需求完成

　　本体开发团队与物联网领域专家或用户协作验证上一步定义的本体需求建议是否正确和完整。

　　A.2.2.6 ORSD 的格式化

　　ORSD 由本体开发团队编写，并就本体涵盖哪些需求与物联网领域专家或用户达成一致 。其中ORSD 包含以下方面：

　　a) 待开发本体的目的、范围和详细程度;

　　b) 待开发本体的预期用途和用户。

　　A.2.3 本体构建

　　A.2.3.1 构建原则

　　本体构建通常采用模块化的设计原则，根据知识范围的定义自顶向下把本体划分成若干模块，包括通用本体、跨域本体、领域本体，具体描述如下：

　　a) 通用本体涵盖独立于特定问题或领域的一般概念;

　　b) 跨域本体与多个领域中的共享任务或活动相关;

　　c) 领域本体描述了物联网领域应用功能;

　　d) 在保证各本体模块完整性的同时，维护本体模块之间的依赖链接。

　　A.2.3.2 构建步骤

　　本体构建步骤如下：

　　a) 确定本体的领域和范围;

　　b) 确定已有本体复用的可能性;

　　c) 列举本体中的重要术语;

　　d) 定义概念及概念之间的层次关系;

　　e) 确定各概念的属性;

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　　f) 定义属性间的相互关系。

　　A.2.4 本体实例化

　　本体实例化的内容包括：

　　a) 被细化并达到最小可行状态的本体可实例化成为用例或解决方案的一部分，且此本体通常采用实际环境中部署的设备来填充;

　　b) 从不同的传感器或网关本地收集原始数据，并通过语义标注将其转换为对应本体的实例。

　　A.2.5 本体序列化

　　为集成序列化的数据集，实例化的本体可被建模为特定数据格式，包括 RDF/OWL、JSON、 XML 或任何其他格式。

　　A.2.6 本体评估

　　本体评估内容包括本体及其内在的质量特征 。评估标准包括准确性、完整性、简洁性、适用性、清晰度、计算效率和一致性等。为确保本体的有效性和适应性，评估结果可为本体构建提供指导和反馈。

　　9

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 41782.1—2022 物联网 系统互操作性 第 1 部分： 框架

　　[2] ISO/IEC 19763﹘3:2020 Information technology—Metamodel framework for interoperability (MFI) —Part 3: Metamodel for ontology registration

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