传感网环境下事件驱动的林火动态观测方法研究

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火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。全世界每年发生大量的森林火灾,给生态环境造成严重破坏,给人民生命财产造成巨大损失。如何对森林进行全面观测,及时获取环境信息,对林火的发生进行预测预报,以求尽可能地降低火灾造成的损失,一直是人类关心的重要研究课题。传统的观测以人工和半自动化的手段为主,观测过程比较繁琐,信息处理的效率比较低,不利于火险信息的及时发现。随着对地观测技术的发展,越来越多的空、天、地传感器加入了环境观测的行列,使人类能够更快地获取森林环境信息。而自上世纪末开始的计算机、通讯、微电子等领域的快速发展和融合,催生了传感网技术。这种技术整合了环境观测所需的感知、存储、通讯、网络、计算等等资源,可以大大提高空间信息的发现、获取和处理的自动化水平,从而提高环境观测的效率。在过去的十多年中,传感网技术获得了迅速地发展,在许多领域得到了研究和应用。但是,如何将传感网技术应用于森林环境观测,提高林火观测的水平,仍然是个有待深入研究的课题。在地学领域,传感网技术的研究和应用大多以OGC发展的系列规范为基础。OGC为了促进地理信息的开放和互操作,发展了多个系列的服务规范,其中包括地学信息服务(OGC Web Service)系列规范和传感网服务(Sensor Web Service)系列规范。这些服务规范均针对面向服务的架构(Service Oriented Architecture, SOA)设计。SOA架构可以很好地整合现有的资源,使它们协同工作,但是本身最适合的的模式是请求-响应,这种模式缺乏反应性。而环境观测是个感知的过程,除了被动的获取环境信息以外,主动地对环境变化作出反应也很重要。为此,OGC试图为系列服务规范引入事件驱动的方法,以弥补这方面的不足。经过十多年的努力,现有的研究成果已经能够支撑一些基于事件驱动的观测应用。目前,国内外与之相关的应用研究还比较少。论文从林火动态化观测的需求出发,研究在传感网环境下使用事件驱动方法观测林火所需的一些关键技术。主要工作和研究成果如下:(1)针对事件驱动的林火观测方法的需求,回顾和总结了林火观测的基本原理和方法、OGC系列规范中与传感网应用有关的服务规范的研究和发展、事件驱动技术的研究和发展、以及传感网中对事件驱动技术的研究和发展,指出了在传感网环境下实现事件驱动应用的基本思路。(2)林火观测事件的分层、分类和建模方法。它们是事件驱动技术应用的设计基础。事件存在多种层次,但是人们在日常生活中谈论的事件并无明确的层次区分。而事件处理中这种区分是必要的,因为不同层次的事件处理方法可能会不一样。分析了观测与环境之间的层次关系,给出了观测事件的三种抽象层次。以一种林火预测模型为基础,研究了林火观测过程中的事件,并对它们进行了分类。在此基础上,建立了观测事件的概念模型。(3)林火观测事件的处理方法。事件处理是事件驱动的关键。论文主要研究了观测事件处理中的几项关键技术,包括观测事件的组织、观测事件的过滤、复杂观测事件的处理和观测事件处理流程的建模。分析了传感网系列规范中对这些关键技术的支持。然后以一种林火预测模型为基础,研究了前三种技术的实现方法。最后采用有限状态机对观测事件处理流程进行了建模。(4)适用于林火观测的事件驱动架构。事件驱动架构是设计和实现事件驱动应用的基础,大致包含四个部分:事件产生、事件通道、事件处理和事件消费。论文针对林火观测的需要,分析了这四部分中必需的构件。然后在此基础上构建并详细分析了观测事件的处理流程。接着,以该流程和现有数据服务设施为基础,设计了观测事件驱动的概念框架。最后,以概念框架为基础,采用传感网相关技术,设计了一种适用于林火观测的事件驱动架构。(5)观测事件和事件模式的编码。基于观测与测量(Observations and Measurements, O&M)规范对观测信息进行编码和基于事件模式描述语言(Event Pattern Markup Language, EML)对事件模式进行编码是传感网技术的研究热点和远景目标。论文采用现有的O&M规范对观测事件进行编码,采用EML规范对事件模式进行编码,并使二者配合完成了事件过滤。(6)针对一种林火预测方案,建立了仿真的林火观测实验平台,验证了论文提出的模型和方法的可行性。实验根据事件驱动架构划分为四个阶段,每个阶段分别测试了一些关键技术。此外,通过实验平台中各模块协同工作的时序图说明了事件驱动架构的运行过程。
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