时空感知事件关联：原理、应用与未来趋势

### 时空感知事件关联：原理、应用与未来趋势 #### 1. 引言 在当今的计算环境中，事件关联在发布/订阅系统里的重要性日益凸显。随着无线设备和传感器的事件监测能力大幅提升，发布/订阅系统中的选择性数据传播需要在事件关联方面具备更复杂的时间和空间分辨率。例如，在商店场景中，当店内顾客总数达到120人后50分钟内，对打30%折扣的商品进行通知，这种订阅需求无法单纯通过过滤来描述，因为它涉及相对时间点的时间间隔约束。 无线传感器网络（WSNs）带来了新的挑战，如数据聚合、冗余处理、数据总结和质量控制等。WSNs旨在连接现实世界和虚拟世界，传感器能检测现实世界的状态变化，但原始传感器信息通常需处理成高级事件以建模现实世界的行为。 我们期望实现更复杂、明确的时空事件关联。时空查询可能涉及对象和查询位置随时间的变化，例如移动查询静止对象、静止查询移动对象以及移动查询移动对象等场景。事件关联是一个从事件源到最终订阅者的多步骤操作，它将无线设备收集的信息整合为更高级的信息或知识。 #### 2. 背景 近年来，移动设备变得无处不在，无线传感器网络由分布在环境中的传感器节点组成，与其他设备进行通信。在这样的普适计算环境中，自动、自组织和自管理系统至关重要，这需要更复杂的通信机制和智能的数据处理。 异步发布/订阅事件通知模式逐渐流行，它允许用户订阅特定事件并在事件发布时接收通知，如亚马逊购物提醒、eBay拍卖通知和股票报价及新闻提醒等。发布/订阅是构建分布式应用的强大抽象，通信基于消息且可匿名，参与者解耦，适用于高度动态、分散的系统。 大多数分布式事件中间件包含发布者、订阅者和事件代理网络三个主要元素。事件代理通常以任意拓扑结构连接。早期的事件中间件系统多基于组或主题通信，而基于内容的订阅能根据消息内容传递消息，提供更灵活的订阅过滤功能。 #### 3. 事件与查询模型 ##### 3.1 事件模型 为了处理需要整合多个连续属性（如时间、空间等）的事件类型，我们需要明确地对事件进行建模。传感器数据操作分为两个步骤：首先处理传感器数据以生成有意义的事件，这涉及信号处理和多种算法；然后在生成原始事件后，计算更高级的信息。 事件分为原始事件和复合事件。原始事件是在某一时刻发生的状态转换，每次发生称为一个事件实例；复合事件由原始或复合事件通过一组运算符组合定义。 ##### 3.2 时间戳 时间在现实世界中可能是连续的，但我们将其定义为离散且有限精度的。每个事件都有一个与发生时间相关的时间戳，由于实现系统中存在不确定性，时间戳是事件发生时间的近似值。时间戳有三种表示形式：基于点的时间戳、基于点 - 区间的时间戳和基于区间的时间戳。复合事件的持续时间取决于组合语义和时间系统。 ##### 3.3 空间戳 空间戳是事件的可选属性，用于指示事件发生的位置，可表示绝对位置、相对位置或分组信息。目前，空间戳的语义依赖于应用，没有全局排序方案。 ##### 3.4 持续时间 复合事件可以有持续时间，其发生时间表示绑定事件实例的持续时间。持续事件可以看作是对两个原始事件的抽象，它捕捉了事件发生时间和检测时间的不确定性。确定复合事件的持续时间需要组合语义和时间系统信息。 ##### 3.5 重复处理 在传感器网络中，为避免事件丢失，可能会产生事件副本。处理重复事件需根据应用和上下文进行，可通过选择和聚合运算符结合事件消费策略来实现。 ##### 3.6 类型化事件 事件类型描述事件的结构，可通过XML、属性 - 值对或强类型对象来定义。订阅可以表示为谓词的选择，消息与订阅匹配时，所有谓词都需基于消息内容评估为真。 ##### 3.7 超立方体中的事件 基于内容的发布/订阅中的事件过滤可视为高维空间中的查询。我们采用基于RTree的多维索引方案Hypercube，将发布和订阅建模为超立方体，匹配视为n维空间中超立方体的交集查询。超立方体可以自然地表示事件和订阅，提供范围查询、附近查询和点查询等功能。 例如，在音乐在线市场中，事件可以用包含媒体、类别和年份三个维度的立方体表示，订阅可以是点查询、部分匹配查询或范围查询。 #### 4. 事件关联 ##### 4.1 关联定义语言 传统的发布/订阅系统具有可扩展性，但订阅语言通常是SQL的简单子集，表达能力不足。数据流管理系统提供了更具表达性的语言，但在分布式环境中的可扩展性方面工作较少。在事件关联中，需要平衡事件/查询的表达性与事件的质量和准确性。 许多表达性语言在主动数据库社区被引入，用于复杂的事件 - 条件 - 动作（ECA）规则。不同的复合事件定义语言有不同的特点，如Snoop和ODE使用正则表达式和非确定性有限状态自动机（FSA）来描述复合事件，但一些语言的语义不够清晰。在WSNs中，基于Petri网的事件描述语言如SNEDL逐渐出现，可形成事件层次结构。 ##### 4.2 中间件中的事件关联 对现有事件关联机制的比较研究表明，事件关联可部署在应用程序、事件通知服务或中间件框架中。复合事件的定义和检测在分布式环境中存在差异，相同名称的事件组合运算符可能有不同的语义，且运算符的精确语义描述很少被解释。 我们定义了一个分类方案，包括合取、析取、序列、并发、否定、迭代、选择、聚合、空间限制和时间限制等运算符。不同系统对这些运算符的支持和参数设置不同，大多数系统将参数反映在实现中，消费模式和重复处理的参数很少被明确描述。 以下是部分系统的比较： | 系统 | 特点 | | --- | --- | | ECCO | 提出的原型，基于数据中心的异步通信 | | Opera | 用于大规模分布式系统的事件组合框架，基于有限状态自动机 | | CEA | 剑桥事件架构，扩展了面向对象的中间件 | | Schwiderski | 增强分布式事件排序，引入基于2g - 优先级的序列和并发运算符 | | A - mediAS | 可适应不同应用的事件通知服务 | |