2.1.2　传感器云

信息物理系统在工业4.0环境下的应用包含两个关键方面^[201]：无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）与云计算（cloud computing）。传感器获取到的数据对机器行为的建模以及过程优化至关重要，这些数据蕴含极其重要的潜在信息，可以应用于生产状态预测与调整、生产线优化以及能量节约等方面。云计算系统根据需求来提供共享的计算机处理资源和数据。传感器网络与云计算二者的结合引入了传感器云（sensor cloud）的概念。

传感器云^[202]是指通过将物理传感器连接至云来进行管理的基础设施，其采用自动方式为用户提供服务实例，即虚拟传感器（virtual sensor）。文献[203]给出了虚拟传感器的定义：虚拟传感器是物理传感器的仿真，其数据是从底层的物理传感器获取的。“虚拟”这个概念对用户是透明的，即从用户的角度来看，所获得的服务实例与系统中的其他物理资源在使用上没有任何区别。生成服务实例的前提条件是存在传感器设备和用来创建虚拟传感器的服务模板。传感器云使用传感器建模语言来描述物理传感器的元数据（metadata），总的来说，其致力于通过云来管理传感器。具体来说，传感器云由构建于物理无线传感器设备之上的虚拟传感器组成，用户能够根据应用程序的特定需求来对传感器云中的虚拟传感器进行动态增减。虚拟传感器通过实施分布透明（distribution transparency）和位置透明（location transparency）来为用户提供定制化的视图。对于无线传感器来说，其硬件几乎无法胜任并行任务。因此，在传统的云计算方案中运行多个虚拟机的方法是不可行的。为了解决该问题，传感器云通常将虚拟传感器实现为与之对应的物理传感器的软件镜像。虚拟传感器包含物理传感器相关的元数据，同时记录了当前持有该虚拟传感器的用户。此外，虚拟传感器还可以包含数据处理代码，其能够根据用户发出的复杂查询来对数据进行处理。在虚拟传感器实现方面，通常包含如下四种配置模式。

1.一对多

一对多是指单个物理传感器对应多个虚拟传感器。尽管用户各自持有虚拟镜像，但底层的物理传感器由访问该传感器的全体虚拟传感器共享。中间件针对全体用户进行考量，计算该物理传感器的采样时长和采样频率。当新用户加入或者现有用户离开系统时，中间件对采样时长和采样频率重新进行评估。因此，系统是动态的。

2.多对一

多对一是指若将地理范围划分为多个区域，则每个区域可以包含一个或多个物理传感器和传感器网络。当用户请求针对来自某个区域的特定现象（specific phenomenon）实施数据聚合时，所有底层无线传感器网络都以特定现象使能（enabled）的方式启动，用户从这些无线传感器网络来访问聚合过的数据。全体底层传感器进行数据传感的采样时间间隔与用户所请求的采样时间间隔相同。本配置模式在底层传感器发生失效时能够提供容错（fault tolerance）。单个虚拟传感器与多个底层物理传感器进行通信，然后将数据的聚合视图（aggregated view）呈现给用户。当物理传感器失效时，传感器云面向无线传感器网络的层会捕获到失效以及与失效物理传感器通信的虚拟传感器。处于工作状态的传感器能够在给定的服务质量（quality of service）范围内提供数据。因此，虚拟传感器能够适应拓扑和面向无线传感器层的变化。同时，虚拟传感器对用户是透明的。

3.多对多

多对多是指单个物理传感器能够对应多个虚拟传感器，同时其可以是传感器网络的一部分，以便为单个虚拟传感器提供聚合过的数据。换言之，多对多配置模式是前述一对多与多对一的结合。

4.衍生

衍生是指从多个物理传感器组合形式衍生出虚拟传感器的通用型配置模式。本配置模式可以看作是前述三种配置模式的泛化，不同之处在于与虚拟传感器通信的物理传感器的类型，即虚拟传感器与多个类型的物理传感器进行通信。前述三种配置模式中，虚拟传感器仅与同一类型的物理传感器进行通信。