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基于XML的数据描述在智能建筑中的应用

dqfxm2003  发表于 2006/10/4 11:52:11      1431 查看 2 回复  [上一主题]  [下一主题]

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摘要 针对智能建筑和数字城市在数字化和信息化建设中对开放性、可扩展性、互操作性、统一性等方面的需求,结合可扩展标记语言XML在数据描述和交换方面所体现出来的优势,提出了一种基于XML的数据描述方法,对设备、数据、模块等基本对象进行了数据模式定义和实例描述。这种方法能够很方便地应用到智能建筑、城市基础设施乃至数字城市信息化建设中。

关键词:XML,智能建筑,数字城市,数据描述

1 引言
  全球智能建筑的市场需求现在正由原来的单一楼宇自控厂商的产品的驱动转向系统和技术的驱动。客户关心的问题不再是这个项目具体是谁做的,利用哪个厂商的产品,他们需要的是一个真正开放的系统,要求是厂商的独立、低成本、高可靠的开放系统。传统的智能建筑系统是采用专有的封闭系统结构,其数据信息在当前的信息领域形成一个难以理解和使用的信息孤岛。由于系统中数据的描述说明和数据本身是完全分开的,这使得单独一个数据片很难有机地和数据代表意义的说明相结合,从而造成数据能够得到但难以使用。这违反了数据可用性的基本原则,在此基础上很难谈得上开放性、互操作性和可扩展性。当前需要一种能够将数据和其代表的意义相结合的数据信息表达方式,使数据片本身是可被理解和使用的,并将这种方式方法标准化,进而形成智能建筑中信息描述的标准。
  系统集成是指为实现某种目标而使某一组子系统或全部子系统有机结合生成一种能够涵盖信息的收集、综合、信息的分析、处理信息的多共享的能力,而不是多种多样子系统的产品设备的简单堆集,仍单独发挥其子系统功能的系统。然而在智能建筑的系统集成中,各种子系统之间相对独立但又相互关联在一起,每种子系统可能由不同的工具和语言开发、运行在不同的平台和操作系统之上,支持不同的数据模型和数据库,支持不同的应用协议等。这些子系统之间的差异和不统一为系统集成带来了很大的困难,子系统之间数据的可理解性、可用性存在着极大的困难。因而有必要提供一种统一的数据描述和数据交换的框架和标准,便于各子系统的应用程序之间进行数据的交换与共享,真正实现系统的信息共享。
  数字城市的基本内涵是利用现代信息技术实现城市中各行业、各领域的信息化,并将城市中的众多信息孤岛连接起来形成一个整体。智能建筑的内涵实际是在建筑物中实现信息化,构成建筑物的信息系统,或称智能建筑信息系统,是传统的建筑与信息技术密切结合的产物。智能建筑是数字城市中的基本信息站点,其关系是一种小集成与大集成的关系。不管是数字城市还是智能建筑,它们的基础都是数据信息的可得性和可用性,都需要一种通用的、开放的、可扩展的数据交换标准,规范所有系统、区域中的数据信息,便于统一集成、利用和交流,促进数字化、信息化的实施与完善。
  随着信息领域中可扩展标记语言XML的出现,为数据的可理解性和可用性提供了一种很好的解决方法。各个领域纷纷出台了以XML为基础的领域数据描述标准,如电子商务、电子政务、化学、数学等。智能建筑领域也必须尽快出台自己领域的数据描述语言标准,只有在此基础上智能建筑中数据的可用性才有真正的保证。
  本文将针对智能建筑在数字化、信息化建设方面的需求,结合智能建筑自身的特征、流程和模型,提出一种基于XML的数据描述规范,并对智能建筑中的设备、变量等基本对象进行了简单的介绍和说明。

2 XML简介
  可扩展标记语言XML(eXtensible Markup Language)的前身是SGML(Standard General Markup Language),1996年W3C开始设计一种可扩展的语言,使其能够将SGML的灵活性和强大功能与已经能够被广泛采用的HTML结合起来,这后来使XML继承了SGML的规范,但较SGML更为简化、易于使用。1998年2月W3C推出了XML 1.0的标准。XML是一种界定文本的简便标准方法,曾经被人们称为"网络上的ASCII码",它使用标记来说明描述的概念,而用属性来控制它们的结构。与注重数据更重视表达方式的HTML不同,XML只关心数据本身,所以对于人的感官来说,HTML是更容易接受的方式,但计算机在处理HTML的时候,没有办法很好地区分各种数据和它们之间的相互关系,所以也就无法按照人们的意愿处理这些数据,而XML则容易被计算机识别,通过解析器分解一个个的对象模型供浏览器、应用程序或数据库使用。
  XML允许我们以自然和直观的方式对信息系统建模。这是因为XML使我们能够以更符合我们做事的方式来表示信息。现在有的信息建模的机制允许我们描述想做的事情的特征,而不是如何去做它。在反映现实世界运作方式方面,XML确实比它之前的数据建模机制做得更好。XML为信息建模提供了许多功能强大的能力。XML是自描述和信息完整的,应用程序可利用这一特性通过少量必要的编程或无需编程来自动构建自身。它具有以下特点:
· 异构性:每条“记录”可以包含不同的数据字段。现实世界并非整齐划一地被组织成表、行和列。能够不受限制地按信息存在的方式表示信息好处很大。
· 可扩展性:可随意添加新的数据类型,不需要事先决定。这使我们能够利用更改而不是避免或更改。
· 灵活性:数据字段会在大小和配置方面随情况的变化而变化。XML对数据没有限制;每个数据元素的长短按需要决定。
  XML使用四个基本组件表示信息:数据元素、标记、属性和层次结构。每个组件都有专门的用途,每一个都代表信息不同的“维”:
* 在XML中,数据元素等价于传统意义上的“数据”。但是,对于一个数据,如果不加以任何标记,不知道数据定义是什么,那么这种数据毫无意义。
* XML通过添加标记给数据添加上下文,从而赋予它意义,描述了数据元素是什么。
* 属性告诉我们关于数据元素的信息或如何解释它们。
* 为了给出数据的含义,必须提供完整的上下文,而不仅仅是紧邻的标记或属性。层次结构就是将一种对XML信息组件的一种排序方式,将所有的内容组织和关联起来,是一种空间的结构表达方式。包括上下层组织关系,兄弟元素关系等。
  例如,接收者收到一个数据片“38”,对此可能有多种理解,可能是“38分”,“38岁”,“38妇女节”,“38号的鞋子”等。由于数据的含义不明确,数据片不可用。但是,如果使用XML来进行描述,其结果将大不相同。下面例子就使用XML对一个数据片进行了明确定的描述。这片数据不管谁收到,都是可以理解和可用的。



3 设备描述
  设备是智能建筑中最基本的对象,也是智能大厦运行管理维护的基本单元。在硬件上包含一些基本的物理模块,如传感器、控制器、执行器、网络接口等基本部件;在软件上,则包含一个能够独立自主地运行的应用系统。通常,在结构上,设备都包含有不同类型和数量的子部件,通过有效的集成有组合成为一个相对独立的系统。但是,对于设备自身,可以归纳出关于设备的一些基本信息描述,形成相对通用的设备描述,这里称之为设备对象。设备对象类型定义为一个标准对象,其属性表示设备的外部可见一致性代码。设备对象包含以下基本元素:
* 设备标识(DeviceID):是一个用来标识该设备的字符串。在符合标准体系的所有设备中唯一标识该设备。
* 类型(OType):字符串类型,表示在某特别对象类型分类中的隶属关系。
* 生产商(VendorName):字符串类型,标明设备的制造商。
* 型号(ModelName):字符串类型,由生产商确定的表示设备的型号的字符串。
* 硬件版本(FirmwareRevision):字符串类型,由生产商分配的标识安装在该设备中的硬件和固化软件的版本的字符串。
* 软件版本(SoftwareVersion):字符串类型,表示该设备中安装的应用软件版本号。字符串由生产商自行确定,但建议使用日期时间标记、程序员姓名、主文件版本号等。
* 协议版本(ProtocolVersion):字符串类型,表示该设备支持的标准协议的版本。每次修订都将版本号加1,初始分布为1。
* 本地时间(LocalDateTime):日期时间类型,表示设备的本地时间,如果没有本地时间,则可以忽略。
* IP地址(IP):字符串类型,表示设备的IP地址。
* MAC地址(MAC):字符串类型,表示设备的物理MAC地址。
* 状态(Status):StatusType状态类型,用于检测对象的当前状态。
* 安装位置(Location):字符串类型,表示设备的物理安装位置。
* 名称(Name):字符串类型,表示该设备的名称。
* 描述(Description):字符串类型,设备的基本特征与功能的描述文字。
  上面描述的设备的属性信息需要一种更为规范的语法来进行定义,通过这个规范可以用来检验每个设备的描述数据片是否合法。这个规范实际上就是设备的XML模式定义,使用XML模式定义语言(XML Schema Definition Language)来描述。XML模式(XML Schema)是W3C的推荐标准,于2001年5月正式发布,是XML数据建模的一个国际标准。XML模式是用来定义XML文件的文本结构、数据类型等XML文件描述规则的,它本身也是一个xml文件。所不同的是,XML模式定义文件所描述的是对引用它的xml文件的元素和属性的具体类型的定义。
  设备对象的XML模式定义如下:


  上述模式定义中,第1行定义了设备的数据类型,类型的名字“Device”是一个关键字。第2行说明“Device”这种数据类型由3-16行的一系列元素所组成。3-16行分别定义设备中元素的名称(name)、类型(type)和约束(minOccurs等)。其中“minOccurs="0"”表示该元素可以不出现,若没有注明约束,则说明该元素必须且只出现一次,比如3,4行的“DeviceID”和“OType”这两个元素都必须出现且只出现一次。
  下面给出了一个设备的基本描述的实例,它描述了该设备的必要信息和一些可选信息。



4 数据描述
4.1 数字量I/O对象
  数字量I/O对象包括操作按钮开关、监测开关、控制继电器、中间数字量等开环类开关量输入、输出,同时也使用于有反馈控制效果的闭环的开关量输出。此处规范控制系统中数字量I/O类对象的数据模式,它主要包括以下基本属性元素:
* 标识(OID):字符串类型,标识对象的编码,在有这个属性的设备中是唯一的。
* 类型(OType):字符串类型,表示在某特别对象类型分类中的隶属关系。
* 控制值(Dval):无符号实数类型,以工程单位表示输入控制值的当前值。
* 刷新时间(Interval):这无符号整型类型,表示在正常运行时两次控制值更新之间的最大时间间隔(以百分之一为单位)。
* 反馈值(Sval):实数类型,以工程单位表示输出结果的测试当前值。当脱离服务或管制为“TRUE”时,反馈值属性是可写的。
* 管制(Occupy):布尔类型,如果管制被置为活动状态(真),则反馈值不随物理设备或对象内部逻辑的变化而变化,控制值不随同步命令的变化而变化。
* 状态(Status):StatusType类型,用于检测对象的当前状态。有“活动”与“非活动”两种状态。
* 名称(Name):字符串类型,标识该数字量的名称。
* 描述(Description):字符串类型,是一个由可打印字符的字符串,其内容不作规定,用于描述该数字量的特征、属性、功能等。
* 单位(Unit):Unit工程单位类型,表示这个对象的测量单位。
* 累计活动时间(ActiveTime):无符号整型类型,表示该属性最近一次被置为零以来,当前值为活动的累计时间(以秒为单位)。
* 状态改变次数(ValChangeTimes):无符号整型类型,表示该属性最近一次被设置为非活动以来,当前值属性改变状态的次数。
* 时间延迟(TimeDelay):无符号整型类型,定义从当前值属性处于由高阈值和低阈值确定的范围之处开始,到生成一个进入异常通告之间的最小时间间隔(以秒为单位),或者从当前值属性进入由高阈值和低阈值确定的范围(包括或值宽度属性值确定的范围)之内时,到生成一个进入正常事件的最小时间间隔(以秒为单位)。如果对象支持内部报告则必须具备这个属性。
* 时间戳(TimeStamp):日期时间类型DateTime,表示该对象当前的时间戳。
XML模式定义如下:




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  下面的实例描述说明了有反馈的风机控制的数字量I/O对象:


4.2 模拟量I/O对象
  模拟量I/O对象的描述与数字量I/O对象的描述比较类似,这里只给出一个具体的模拟量I/O对象的实例。下述实例描述了一个控制压力传感器采集的压力这个模拟量I/O对象。



5 结束语
  基于XML的数据描述能够满足智能建筑信息化建设中数据的标准化、可理解、可用性等方面的需求,为智能建筑系统集成、数字城市的发展提供了很好的解决方案。使用XML描述的主要目的,使得各种数据更为标准化,并且能够很好地被应用程序所理解处理,为信息化、数字化、智能化提供基础。本文的工作是数字城市和系统集成通信协议标准研究的一部分。关于数字城市和系统集成通信协议标准中的系统模型、对象模型和服务模型等内容,我们将在后续的文章中陆续介绍。

参考文献
[1] XML1.1规范,http://www.w3c.org/xml/。
[2] XML Schema,http://www.w3c.org/xml/Schema/。
[3] 郭维钧,工业以太网及在智能建筑中的应用,智能建筑,2003.8。
[4] 方甲松,ENC系统:智能建筑一体化集成的一种完整的解决方案,智能建筑,2002.8。
[5] 毛剑瑛,中央集成管理系统与控制网络,智能建筑,2003.3。
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