基于语义的智慧健康应用平台解决方案(3)

以上介绍所构成的语义本体库，包括电子健康档案基础语义本体库、健康小屋编号语义库、监测设备语义本体库、健康项目语义本体库。

以健康小屋中身体成分分析终端所采集数据的语义为例，说明如下。

3.3 基于语义的健康应用平台方案

结合健康应用的特点，参考健康物联网本体库定义和健康信息模型，设计基于语义的健康应用平台方案。该平台架构如图6所示。

较之智慧健康基础应用架构(如图3所示)，该平台架构在专用网元和应用平台之间增加了应用支撑平台(M2M平台)，相应在支撑平台侧增加了M2M语义库网元。

信息模型在语义物联网逻辑架构中涉及到资源抽象层和数据层两个层次。其中，资源描述模型是资源抽象层的核心内容，通过约束属性及属性层级关系的方式规范了一个集合内数据信息的描述模型，从而可以屏蔽系统内同层次数据在资源描述模型上的异构；资源描述文件是将具体数据填入资源描述模型后得到的单个资源的映射，属于数据层。

从知识覆盖面来说，本体是资源描述的知识源。本体涵盖了领域/系统中的全部通用知识，资源描述模型结合资源自身特点，选取部分知识节点构造出树形描述框架。

图6 基于语义的智慧健康应用平台架构

图7 智慧健康业务平台数据展示界面

从资源使用来说，资源描述是资源开放的实质性内容，用户通过调用资源描述来获取资源的信息。本体对用户可暴露也可隐藏。

从知识的互联互通来说，跨描述模型的知识互联互通需要借助物联网本体来实现，不同描述模型的不同标签可借助本体的知识全集和关系建立关联，从而实现知识的跨系统理解。

M2M语义库主要是按照健康场景和架构定义对健康模型进行语义定义，如健康终端(health device)对其采集数据项(如，blood pressure、heart rate等)语义的含义、取值、关系进行定义。

M2M平台作为该平台架构的主要组成部分，主要承担的基本功能包括健康采集设备和网关的注册、认证，应用平台的注册、认证，还有部分通用支撑能力的保障。针对M2M语义能力的保障，主要体现在M2M语义解析，根据健康领域M2M语义库的定义，实现各类异构健康数据的解析、标准化。如图7所示。

基于语义的智慧健康应用平台，在完成标准语义转化后可以通过支撑平台与M2M语义库交互，在业务层面可满足多类健康M2M语义建模、语义查询、语义推理和语义组合；在数据层面，更加便于异构健康数据的相互识别、共享和新型业务模式的构建。

通过实现基于语义的智慧健康应用平台方案，独立于各第三方健康应用系统的统一数据表达格式，便于融合各第三方的现有数据，也有利于未来系统功能的扩展，同时，便于知识提取和知识表达，代替现有大量人工干预的枯燥工作。引入知识处理，提高了处理问题的精度和效率；通过提供知识管理与推理，对宏观把握信息系统提供决策支持，为未来大数据应用奠定基础。

作者简历

李建功

硕士，现从事泛在网及物联网架构设计工作，牵头负责中国联通物联网终端及中间件、中国联通智慧医疗研发项目，牵头完成基于泛在网的医疗健康监测业务场景及技术要求等标准制定等工作。

李士宁

贾雪琴

博士，担任国际电信联盟ITU-T SG13项目的editor，负责 “Requirements and network capabilities for EHM monitoring services”项目，参加CCSA TC10泛在网标识、物联网需求、物联网架构等多项标准和研究报告的编写。

毛峻岭

博士，工程师，主要研究方向为物联网技术与标准。

1 基于M2M语义的技术架构语义是指数据的含义，被赋予含义的数据就转化为了信息，数据的含义就是语义。语义具有领域性特征，M2M语义即是指物联网领域的数据含义，物联网领域的一些术语和数据在解释上存在差异、理解不同。需要由统一的M2M语义描述物联网术语和数据的解释，也就是用户用来联系物联网环境里现实世界的途径。海量的M2M终端带来的异构性问题给物联网资源互通带来挑战。基于M2M可理解的语义技术,目前,正逐步运用于资源描述,共享和信息整合领域，加入语义将有助于在物联网领域建立M2M可理解的自描述数据。然而M2M语义技术还处于起步阶段，在跨平台的资源互操作性上效果不显著。 本文结合现有的物联网本体参考模型及功能架构，提出物联网语义架构，以促进物联网资源的互操作性 语义参考模型本文考虑的物联网语义参考模型基于通用M2M总体架构设计[1-3]，如图1所示。其中考虑的参考模型主要关注在公共服务层提供语义能力，用以支撑物联网应用对语义能力的需求。图1 物联网语义参考模型在语义参考模型中，主要包含应用和语义服务中间件两个实体，其中应用实体位于应用层，与通用M2M总体架构中的应用实体一致。语义服务中间件实体位于公共服务层，包含于通用M2M总体架构中的CSE(Common Service Entity，共同服务实体)中。应用和语义服务中间件之间通过Mca参考点相连，语义服务中间件之间通过Mcc参考点相连，Mcc’参考点用于语义服务中间件与外部语义服务设施的连接。应用可以通过Mca参考点调用语义服务中间件提供的语义能力实现应用需求。当语义服务中间件无法提供应用所需的语义能力时，语义服务中间件可以通过Mcc参考点或者Mcc’参考点调用其他语义服务中间件或者外部语义服务设施提供的语义能?语义功能架构物联网基本语义功能架构如图2所示，其功能大致可以分为三个层面[4-5]。第一个层面，设备抽象、M2M数据和数据仓库等功能模块构建了M2M底层的抽象设备和数据等资源的数据库，提供可调用的底层资源。第二个层面，本体模型、本体和语义注释等功能模块将底层资源做语义增强，对底层资源增加语义的描述，提供语义化的资源。第三个层面，语义分析和查询、语义mash-up和推理提供对语义化的资源进行语义查询和处理的能力，让应用可以根据需求找到目标资源。图2 物联网基本语义功能架构2 智慧健康应用场景语义技术需求2.1 智慧健康应用场景智慧健康应用是以个人全生命周期电子健康档案(PHR)为中心，对接多种类型的健康监测设备，包括企业/社区健康小屋设备、家庭便携健康监测设备、可穿戴式健康监测设备，承载异构健康档案数据，包括社区电子健康档案数据、体检报告数据、慢病数据、运动健康等数据，结合用户标示与健康设备M2M标示，以及个人电子健康档案数据，实现统一信息绑定和认证，为对外提供全生命周期的健康信息服务提供技术保障。智慧健康应用架构图如图3所示，左侧展示智慧健康的感知层，感知层中包括便携式健康终端、健康小屋类采集终端、智能手机终端，终端采用移动网和固网接入；中间展示为智慧健康的网络层，主要包括运营商的接入网、传输网以及M2M业务支撑平台，图中右侧为架构的应用层，主要为智慧健康(健康管理)平台及数据中心 智慧健康场景语义技术需求智慧健康场景中涉及实体较多，有健康采集设备、移动通信终端、业务支撑类系统、健康应用类系统等，由于这类实体在智慧健康场景中没有定义，极大地影响了智慧健康场景中终端与系统之间的互操作性。图3 智慧健康应用架构图在该场景中，健康采集设备包括便捷式健康终端、可穿戴式健康终端、健康小屋等采集设备；移动通信终端包括智能手机类终端、家用数据网关类终端；需要对不同类健康终端、通信终端进行定义和标准化语义，而且终端的数据接口定义需要进行语义标准化。研究智慧健康场景中M2M语义功能中本体的层次定义，一方面有助于提高本体的灵活性，另一方面有助于增加本体的可扩展性。结合智慧健康应用本体分类以及健康本体层次需求，提出了健康本体模型，具体包括多层次本体架构、每个层次本体的定义和范围及层次之间的关系模型等。需要将智慧健康场景中所产生的数据进行资源抽象，抽象为以统一格式描述的资源，然后将这些资源以及资源之间的关联关系在本体构建模块进行信息提取、知识元建立和本体构造，形成该智慧健康应用系统的本体模型，并保存在本体库中，也可与已经存在的上层本体、领域本体进行关联，形成统一本体知识库。上层M2M应用可以基于统一本体库及开放接口、mashup等模块，构建基于语义的M2M应用。图4 健康域本体构建架构图需要将智慧健康场景中涉及的对文本信息源进行分词、去停止词等预处理；通过模式提取从文本信息源中获取知识元组(知识元组由概念与概念间的关系组成)；计算知识元组全集中概念、关系的语义相似性，合并相似的概念、关系构成初始化本体；计算初始化本体中概念、关系的重要度及布尔关系，构成层次化的本体[4]。健康领域本体构建结构如图4所示。3 基于M2M语义的智慧健康应用平台解决方案3.1 健康本体模型搭建目前的物联网本体都是基于领域专家人工构建，较权威的有W3C语义传感器网络孵化器构建的SSN本体，此外还有CSIRO、MMI、CESN、A3ME、OntoSensor等十余个物联网领域本体。这些本体以粗粒度方式描述了物联网领域的基本概念，但受限于人工构建速度的局限和物联网技术的飞速发展，这些本体缺乏对特定系统特征、新兴概念的描述，不适合直接运用在特定的物联网系统中。本文将通过健康领域的语义本体需求考虑如何自动构建健康本体模型[6-9]。健康本体是健康领域相结合的知识库，按照健康业务定义的概念及概念间关系的方式为整个领域建立网状的知识系统。在智慧健康业务场景中实现异构数据的互操作是一个核心问题，需要整合各种信息系统的数据，如电子健康档案、健康档案、实验室检查系统(LIS)等。以上所述信息系统数据的结构化表达就是采用基于XML的数据表达形式，为计算机系统对这些数据进行自动化处理提供基础。这个基于XML的结构化表达并没有涉及到数据本身在语义层面上的关联性。为实现这些结构化数据之间的互操作，通常需要引入规范化的术语，使得异构系统之间采用共同的结构化表达方式以及规范化的术语来实现数据表达上的一致性。这种采用统一标准的结构化处理方法限制了现有的不同系统所开发的健康信息系统的整合与数据共享。健康场景中涉及的数据互操作并非要求我们把不同的健康监测终端、健康信息系统改造成一个统一的标准化系统。我们只需要采用一种国际标准化的数据描述语言作为中介语义实现其异构数据之间的互操作就可以达到目的。语义数据描述语言为这种数据互操作提供了技术基础。首先，结构化是语义化的基础，同时，语义化还实现了面向概念的关联性描述，支持知识处理与推理，及最大程度的数据共享。如图5所示，本体按照描述粒度和概念覆盖面可以分为三个层次，即上层本体、领域本体和系统本体。上层本体描述了一个领域中最普遍的概念。选择领域中合适的现有本体作为上层本体可以充分利用现有的权威领域知识，同时，下层不同本体中的概念都可以通过上层本体建立关系，实现跨本体的知识互通；领域本体为领域知识提供了更为细粒度的知识，并可以按照不同的描述侧重分为不同的类型，现有的物联网领域本体可以分为设备描述本体和观测描述本体；系统本体将特定系统的知识与领域知识相结合，为特定的一个或多个系统制定知识库，为系统内部的语义搜索、服务组合提供支撑。图5 健康物联网本体体系3.2 健康信息模型搭建一般来讲，信息模型是对实体的抽象，包括实体的属性、实体之间的关系以及对实体的操作。在智慧健康场景中，健康信息模型描述实体之间的接口，即接口的数据类型和结构。通常各个健康应用之间交互的数据结构是不需要暴露给CSE[3]的。在这种情况下，健康应用之间的接口包含一个“容器”子资源。CSE不需要了解容器的内部结构，容器甚至可以被加密。当CSE需要为智慧健康应用提供相关的代理功能时，智慧健康应用应该向CSE暴露其数据类型和结构。描述健康实体接口结构的信息，即信息模型，包括参数名称、取值范围、层级结构等。如果接口使用了过程调用，还需要包含输入或者输出参数的信息。现有信息模型主要由系统专家手动构建，缺乏上层规范、通用知识体系的约束，影响了跨系统数据在知识理解层面上的互通性。基于上节介绍的本体所构建的知识系统，定义和关联资源描述schema中的各个标签名和标签关系，从而达到不同资源描述schema基于本体互联互通的目标。以上介绍所构成的语义本体库，包括电子健康档案基础语义本体库、健康小屋编号语义库、监测设备语义本体库、健康项目语义本体库。以健康小屋中身体成分分析终端所采集数据的语义为例，说明如下 基于语义的健康应用平台方案结合健康应用的特点，参考健康物联网本体库定义和健康信息模型，设计基于语义的健康应用平台方案。该平台架构如图6所示。较之智慧健康基础应用架构(如图3所示)，该平台架构在专用网元和应用平台之间增加了应用支撑平台(M2M平台)，相应在支撑平台侧增加了M2M语义库网元。信息模型在语义物联网逻辑架构中涉及到资源抽象层和数据层两个层次。其中，资源描述模型是资源抽象层的核心内容，通过约束属性及属性层级关系的方式规范了一个集合内数据信息的描述模型，从而可以屏蔽系统内同层次数据在资源描述模型上的异构；资源描述文件是将具体数据填入资源描述模型后得到的单个资源的映射，属于数据层。从知识覆盖面来说，本体是资源描述的知识源。本体涵盖了领域/系统中的全部通用知识，资源描述模型结合资源自身特点，选取部分知识节点构造出树形描述框架。图6 基于语义的智慧健康应用平台架构图7 智慧健康业务平台数据展示界面从资源使用来说，资源描述是资源开放的实质性内容，用户通过调用资源描述来获取资源的信息。本体对用户可暴露也可隐藏。从知识的互联互通来说，跨描述模型的知识互联互通需要借助物联网本体来实现，不同描述模型的不同标签可借助本体的知识全集和关系建立关联，从而实现知识的跨系统理解。M2M语义库主要是按照健康场景和架构定义对健康模型进行语义定义，如健康终端(health device)对其采集数据项(如，blood pressure、heart rate等)语义的含义、取值、关系进行定义。M2M平台作为该平台架构的主要组成部分，主要承担的基本功能包括健康采集设备和网关的注册、认证，应用平台的注册、认证，还有部分通用支撑能力的保障。针对M2M语义能力的保障，主要体现在M2M语义解析，根据健康领域M2M语义库的定义，实现各类异构健康数据的解析、标准化。如图7所示。基于语义的智慧健康应用平台，在完成标准语义转化后可以通过支撑平台与M2M语义库交互，在业务层面可满足多类健康M2M语义建模、语义查询、语义推理和语义组合；在数据层面，更加便于异构健康数据的相互识别、共享和新型业务模式的构建。通过实现基于语义的智慧健康应用平台方案，独立于各第三方健康应用系统的统一数据表达格式，便于融合各第三方的现有数据，也有利于未来系统功能的扩展，同时，便于知识提取和知识表达，代替现有大量人工干预的枯燥工作。引入知识处理，提高了处理问题的精度和效率；通过提供知识管理与推理，对宏观把握信息系统提供决策支持，为未来大数据应用奠定基础。参考文献[1] ITU-T Y.2060: Overview of Internet of Things[S][2] oneM2M TR-0007: Study of Abstraction and Semantics enablement [S][3] oneM2M TR-0007: oneM2M Functional Architecture[S][4] CCSA TC10.语义物联网中的本体构建和资源描述构建技术研究[S][5] 毛峻岭,贾雪琴,刘红旗.物联网语义架构和语义关键技术研究[J].信息通信技术,2014,8(5):26-3[6] Shih Cho Wei,Chen Ming Yen,Chu Hui Chuan,et of domain 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文章来源：《智慧健康》 网址: http://www.zhjkzz.cn/qikandaodu/2021/0418/1238.html