一种针对物联网智能系统的规则冲突检测方法_杨波.pdf
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1、一种针对物联网智能系统的规则冲突检测方法杨波1,2,3郭浩然2冯俊辉2李戈4,5金芝4,51(北京林业大学信息学院北京100083)2(北方工业大学信息学院北京100144)3(国家林业和草原局林业智能信息处理工程技术研究中心(北京林业大学)北京100083)4(北京大学计算机学院北京100871)5(高可信软件技术教育部重点实验室(北京大学)北京100871)()A Rule Conflict Detection Approach for Intelligent System of Internet of ThingsYangBo1,2,3,GuoHaoran2,FengJunhui2,Li
2、Ge4,5,andJinZhi4,51(School of Information Science&Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083)2(School of Information Science&Technology,North China University of Technology,Beijing 100144)3(Engineering Research Center for Forestry Oriented Intelligent Information Processing,National Fores
3、try and Grassland Administration(Beijing Forestry University),Beijing 100083)4(School of Computer Science,Peking University,Beijing 100871)5(Key Laboratory of High Confidence Software Technologies(Peking University),Ministry of Education,Beijing 100871)AbstractThecoreoftheInternetofthings(IoT)system
4、architectureisthelogiccontroller.Thelogiccontrollerusesrulestocontrolthebusinesslogic,whichreducesthedevelopmentandmaintenancecostsoftheIoTsystemandimprovestheflexibilityoftheIoTdevices.AsthescaleoftheIoTsystemexpands,therelationshipbetweentherulesbecomescomplicated.Thismaycauseruleconflicts.Inrespo
5、nsetothisproblem,someresearchershaveproposedsomedetectionmethodsforruleconflicts.However,theexistingruleconflictdetectionmethodsstillhavesomeproblems,suchasincompleteanalysisofruleconflicttypesandlowaccuracyofdetectionresults.Forthesereasons,aformalruleconflictdetection(FRCD)methodforthecontrollogic
6、oftheIoTintelligentsystemisproposed.Thismethodformalizesthestructureofrules,anddefinesrulesasacombinationofcontrolsubjects,actions,triggerconditions,andsymbols.Thenaccordingtotheinfluenceoftherulesonthesystemandthestructuralcharacteristicsoftherules,7typesofruleconflictsaresummarized.Finally,analgor
7、ithmforruleconflictdetectionisdesigned,andthe detailed process of rule conflict detection is introduced.We carry out experiments on two IoT systems andcomparethemwiththreetypicalIoTruleconflictdetectionmethods.Thesethreemethodsaretheformalrulemodelconflict detection method based user,triggers,enviro
8、nment entities,and actuators(UTEA),semantic web-basedpolicyinteractiondetectionwithrules(SPIDER),identifyingrequirementsinteractionsusingsemiformal(IRIS).Theexperimentalresultsshowthattheformalruleconflictdetectionmethodinthispaperismoreeffective.Key wordsInternetofthings;intelligentsystem;ruleconfl
9、ict;conflictdetection;ruleformalization收稿日期:2021-09-15;修回日期:2022-06-19基金项目:中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金(BLX202003);国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(62072007,62192733,61832009,62192730,61772078,61502011);北京林业大学热点追踪项目(BLRD202124)ThisworkwassupportedbytheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities(BLX202003)
10、,theNationalNaturalScienceFoundationofChina(62072007,62192733,61832009,62192730,61772078,61502011),and the Focus Tracking Project of Beijing Forestry University(BLRD202124).通信作者:金芝()计 算 机 研 究 与 发 展DOI:10.7544/issn1000-1239.202110941JournalofComputerResearchandDevelopment60(3):592605,2023摘要物联网系统架构的核心
11、是逻辑控制器,逻辑控制器中使用规则控制业务逻辑,减少物联网系统的开发、维护成本,提高物联网设备的灵活性.但随着物联网系统的规模扩大,规则间的关系变得复杂,从而可能产生规则冲突.为避免规则发生冲突,一些研究者提出了规则冲突检测方法.但是,以往的规则冲突检测方法还存在规则冲突类型分析不全面、检测结果准确性较低的问题.为此提出一种针对物联网系统控制逻辑的形式化规则冲突检测方法(formalruleconflictdetection,FRCD).该方法首先形式化定义规则及规则冲突,其中将规则定义为控制主体、动作、触发条件、符号的组合;然后根据规则对系统的影响以及规则的结构特征,总结出 7 类规则冲突类
12、型;最后设计规则冲突检测的算法,并介绍规则冲突检测的详细过程.在 2 个物联网系统上开展实验,与已有的 3 种典型的物联网规则冲突检测方法进行对比.这 3 种方法分别是基于用户、触发器、环境实体和作动器的冲突检测方法(user,triggers,environmententities,andactuators,UTEA)、基于 Web 语义的策略冲突检测方法(semanticWeb-basedpolicyinteractiondetectionwithrules,SPIDER)和半形式化的冲突检测方法(identifyingrequirementsinteractionsusingsemifo
13、rmal,IRIS).实验结果显示,FRCD 规则冲突检测方法效果更好.关键词物联网;智能系统;规则冲突;冲突检测;规则形式化中图法分类号TP391物联网指的是物体与物体之间的互联网络,它通过无线传感技术,利用传感器获取物体和环境的信息,实现物理设备之间、物理设备与网络之间信息传输与资源共享1.一般来说,物联网系统架构中通过逻辑控制器来感知物理环境的状态并调度物理设备以提供想要的服务.将设备控制逻辑从控制器中分离出来,可以方便物联网系统的设计和支持系统的演化,从而减少物联网系统的开发和维护成本,提高物联网系统架构的灵活性.这种将设备逻辑控制从控制器中分离出来的物联网系统,在一定程度上可以认为是
14、一种智能系统.物联网系统架构中的核心逻辑控制器使用规则来控制业务逻辑,规则一般由 2 部分构成:约束部分和动作部分.约束部分是物联网系统中的实体状态构成的条件,这些条件随着物联网系统规模的扩大而变得复杂.当约束部分包含的条件所组成的逻辑表达式成立时,触发规则的动作部分,从而改变物联网系统中某些实体的状态.而这些实体状态的改变,将触发物联网系统中的其他规则,从而导致物联网系统的状态发生新的变化.当物联网系统中实体的状态,不能使得所有规则约束部分的条件得到满足时,系统将产生规则间的冲突,从而使得物联网系统的运行出现问题.图 1 是典型的物联网系统架构,主要分为外部元素、网络层、控制系统 3 部分.
15、外部元素包括传感器和设备.传感器是信息流动的源头,可以采集温度、湿度、光强、压力等物理量;设备包括可编程的硬件,是信息流动的目的地.网络层完成信息传输,实现外部元素与控制系统的连接2-3.控制系统完成物理设备的逻辑控制,是信息的加工处理部分.外部元素传感器设备网络层网络层控制命令控制系统状态数据Fig.1TypicalInternetofthingssystemarchitecture图1典型的物联网系统架构图 2 是使用规则推理作为控制系统核心的架构,它包括交互处理模块和规则推理模块,交互处理模块将环境和设备的状态数据格式化后传递到规则推理模块,并根据规则推理信息来控制设备状态.规则推理模块
16、包括知识和推理引擎.知识是由逻辑构成控制系统交互处理模块控制信息格式化数据规则推理模块知识推理引擎Fig.2Ruleinferencecontrolsystemarchitecture图2规则推理控制系统架构杨波等:一种针对物联网智能系统的规则冲突检测方法593的规则,当知识部署在推理机中,推理机可以根据知识,对输入的外部元素的状态数据进行逻辑推理4.在物联网系统中,规则调度流程大致是这样的:外部状态数据通过网络层传递进控制系统.交互处理模块将状态数据格式化后传递到规则推理模块.规则推理模块经过推理,输出控制信息传递到交互处理模块.交互处理模块根据控制信息生成设备控制命令,通过网络层发送到相应
17、的控制设备.在一些复杂的物联网运行的场景中,如果 2 条或多条规则出现冲突,带来的后果是比较严重的,甚至是灾难性的.例如,智能会议室中投影仪开启或关闭的规则出现混乱,导致会议无法正常进行.无人驾驶的物联网系统,如果因为规则的冲突,导致传递给车辆的信息是错误的,导致无人驾驶车辆出现偏离正常行驶路线,甚至导致车毁人亡的灾难事件.图 3 表示 2 种典型的物联网中的规则冲突案例.图 3(a)中,用户编写 2 条规则 R1和 R2,当环境温度为22C 时,2 条规则都被触发.电暖气制热与空调制冷,对环境温度产生相反的影响,从而产生消极影响冲突.R1:当温度小于25,打开电暖气升温到27R2:当温度大于
18、20,开空调降温到15电暖器空调温度R3:当灯是开启的,关闭窗帘R4:当光线强度小于3 000lm,开灯R5:当灯是开启的,打开窗帘窗帘灯(a)规则冲突案例1(b)规则冲突案例2Fig.3Ruleconflictcases图3规则冲突案例图 3(b)中,用户编写 3 条规则 R3,R4和 R5,当环境光强为 2000lm 时,3 条规则都被触发.受到规则R3和 R4的影响,窗帘处于不断开关的状态,从而产生执行矛盾冲突.图 3(a)和图 3(b)中所展示的规则间的冲突是由于现有的物联网规则冲突的分类还不够精细,使得已有的冲突检测方法不一定能检测到这 2 种规则冲突,从而出现规则冲突漏检的问题.针
19、对物联网系统中存在的规则冲突的问题,一些学者对此展开研究.Shehara 等人5提出一种需求交互分类法,用于对软件系统中的需求交互进行分类和识别.文献 5 提出的分类法是一个 4 层金字塔的形式,在第 1 层定义 6 个主要交互类别,在第 2 层定义 17 个交互子类别,在第 3 层定义 29 个交互类型,在第 4 层定义 29 个交互场景,每个交互场景都有一个相应的交互检测指南来描述如何检测交互.该文 献 还 提 出 一 种 半 形 式 化 的 冲 突 检 测 方法 IRIS(identifyingrequirementsinteractionsusingsemiformal)来识别需求冲突
20、,成为形式化方法的重要基础.Hu 等人6通过分析智能家居系统的本体模型,实现知识重用和上下文语义建模,提出基于 Web 语义的策略冲突检测方法 SPIDER(semanticWeb-basedpolicyinteractiondetectionwithrules),来探测智能家庭服务中的规则冲突,为本体编辑工具 Protg7和规则引擎工具Jess8提供功能支持.然而 IRIS 和 SPIDER 这 2 种方法在规则冲突分类时只考虑离散的系统状态.例如图 3(a)所示的案例 1,用户只考虑到设备开、关等的离散状态,不能得知温度这样连续状态的变化范围,从而出现规则冲突漏检现象.Sun 等人9在对智
21、能家居现状的分析基础上,提出一种基于用户、触发器、环境实体和作动器(user,triggers,environmententities,andactuators,UTEA)的冲突检测方法,他们通过用户、触发器、环境实体和执行器的建模方法,探测智能家具系统的规则冲突,为连续的系统状态提供解决方法,并引入用户优先级的权限控制.方法 UTEA 解决在智能家居中,规则增加所带来的规则冗余、冲突等问题.然而此方法需要依赖系统的初始状态,没有被触发的规则不被算法检测,导致检测的准确性下降.例如规则冲突案例 2 中如果当环境光强初始为 4000lm,并且灯处于关闭状态时,3 条规则都没有被触发.此时 UTE
22、A 方法不能检测出规则冲突.这些研究在解决物联网系统中的规则冲突问题上取得一定的效果,但是这些研究对规则冲突类型分析还不是很全面,并且检测的准确性有待提高.为此,本文提出一种物联网系统的形式化规则冲突检测方法(formalruleconflictdetection,FRCD).该方法首先利用形式化的方法将物联网中的规则及不同的规则冲突进行建模,同时考虑到连续的系统状态量.这样针对不同的规则冲突,对这些规则的形式化表达进行区分,并且不依赖于系统的初始状态,从而使得不同的规则冲突能够清楚地得到检测.然后,方法 FRCD 能够对输入的物联网规则进行解析,得到规则的各种条件,基于解析的结果,对这些条件
23、594计算机研究与发展2023,60(3)进行分解,这样可以帮助简化规则条件逻辑.最后,根据不同的规则冲突类型,检测出相应的冲突.本文的主要贡献包括 3 方面:1)通过调研和分析已有的物联网系统的规则,将目前的物联网系统中的规则冲突细分为类,分别是执行覆盖冲突、执行矛盾冲突、消极影响冲突、独占资源冲突、直接忽略依赖冲突、直接循环依赖冲突、间接循环依赖冲突.2)基于对物联网系统的规则冲突分类,对不同的规则冲突进行形式化表示,使得冲突的检测能够自动化进行,且针对不同的规则冲突能够进行很好地区分,在一定程度上能提高规则冲突检测的准确性.3)设计并实现规则冲突检测的原型系统,在 2个物联网系统中进行实
24、验验证.实验的结果表明,本文的方法 FRCD 在物联网系统的规则冲突检测的 F1值上,表现比其他 3 种冲突检测方法更优秀.1相关工作 1.1规则授权访问与规则完整性Kim10针对由 RIF11规则推理引起的授权问题,提出应用图标记算法,解决由规则推断引起的 RDF12元组安全签名不一致的问题.Yu 等人13提出授权规则规范语言模型,解决同一个服务被授权模型里的规则同时接受和拒绝的问题.Fisler 等人14分析基于角色的规则访问控制策略,认为多终端决策图是一种可扩展的访问控制策略解决方法,是实现规则访问控制策略的验证方法.Abdullah 等人15提出一种形式化规则检查器,通过控制器安全策略
25、,以确保控制器和执行器的行为安全性.Wang 等人16针对物联网安全审计日志分散在各个设备上,不能用于重建安全事务工作流的问题,提出一种以平台为中心的物联网集中审计方法,此方法对物联网应用程序和设备应用编程接口进行高效的自动化测试,以生成包括恶意行为在内的系统活动审计日志.Bu 等人17针对错误的设备控制对系统正确性产生影响的问题,提出一种端到端的线性混合自动机模型,用来协助非专业物联网用户进行规则可信检查,确保物联网系统可用性.Ma18认为基于规则图的方法,可以解决数据不一致性问题,并利用规则图来描述规则的层次结构,动态评估数据的一致性.Nandi19为了解决用户在编写规则触发部分经常犯错误
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