時(shí)空流計(jì)算模型及其在邊緣計(jì)算環(huán)境下的驗(yàn)證.pdf

1、近年來(lái)，移動(dòng)傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展催生了大量帶有地理空間信息的移動(dòng)數(shù)據(jù)，這些移動(dòng)數(shù)據(jù)具有持續(xù)到達(dá)、內(nèi)容無(wú)限增長(zhǎng)的流質(zhì)特征，被稱為時(shí)空流數(shù)據(jù)。由于時(shí)空流數(shù)據(jù)具有上述特點(diǎn)，傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)的理論技術(shù)方法難完成實(shí)時(shí)計(jì)算，時(shí)空流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、分析、挖掘成為了國(guó)內(nèi)外GIS的研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　時(shí)空流的計(jì)算速率表示單位時(shí)間內(nèi)所處理流數(shù)據(jù)元組的數(shù)出量，是評(píng)價(jià)時(shí)空流處理方法優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。本文圍繞如何提高時(shí)空流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的計(jì)算速率問(wèn)題

2、，從模型表達(dá)、數(shù)據(jù)組織、查詢優(yōu)化等方面出發(fā)，構(gòu)建基于基調(diào)代數(shù)的移動(dòng)對(duì)象流質(zhì)數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)頻繁更新時(shí)空流概要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并提出利用邊緣計(jì)算框架的流式空間大數(shù)據(jù)分布式空間計(jì)算方法，從而建立一套包含時(shí)空流數(shù)據(jù)模型表達(dá)、空間算法實(shí)現(xiàn)和時(shí)空流大數(shù)據(jù)并行化、邊緣計(jì)算環(huán)境下時(shí)空流中心分散化處理的理論、技術(shù)、方法體系，為提高時(shí)空流計(jì)算速率提供一套完整的解決方案。
　　本文的具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)詳細(xì)闡述基調(diào)代數(shù)表達(dá)方法，分析基調(diào)代

3、數(shù)表達(dá)的移動(dòng)對(duì)象抽象數(shù)據(jù)模型類型體系和操作算子，區(qū)分了離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型，提出從離線移動(dòng)抽象數(shù)據(jù)類型向在線時(shí)空流數(shù)據(jù)類型的提升方法，構(gòu)建時(shí)空流數(shù)據(jù)模型。
　　(2)針對(duì)無(wú)約束空間和路網(wǎng)約束條件下移動(dòng)對(duì)象運(yùn)動(dòng)特征，設(shè)計(jì)兩種不同抽象數(shù)據(jù)模型離散化方法。為了達(dá)到提高時(shí)空流更新、查詢計(jì)算速率的目的，無(wú)約束空間下，在傳統(tǒng)空間索引的基礎(chǔ)上添加二級(jí)索引完成自底向上更新方式;路網(wǎng)約束空間下，設(shè)計(jì)相應(yīng)的路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、邊界表并提出基于更新消息

4、的CKNN算法，最終分別實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)約束空間和無(wú)約束空間下的時(shí)空流數(shù)據(jù)概要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)約束環(huán)境下，空間驅(qū)動(dòng)型空間索引（網(wǎng)格索引）比數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型空間索引（R樹(shù)索引）具有較高的計(jì)算速率，更加適合移動(dòng)對(duì)象的頻繁更新;路網(wǎng)約束環(huán)境下，本文提出的UCKNN算法與IMA算法和CKNN算法相比具有更高的計(jì)算輸出率。
　　(3)針對(duì)移動(dòng)對(duì)象單數(shù)據(jù)集內(nèi)部空間查詢（范圍查詢、鄰近查詢）和多數(shù)據(jù)集之間的空間計(jì)算（空間連接查詢），提出兩種時(shí)空

5、流大數(shù)據(jù)分布式計(jì)算方案，探索影響時(shí)空流數(shù)據(jù)處理計(jì)算速率的多個(gè)因素并驗(yàn)證方案的可行性，以提高時(shí)空流數(shù)據(jù)計(jì)算速率。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用四叉樹(shù)作為二級(jí)索引，在不同的分區(qū)網(wǎng)格大小、移動(dòng)對(duì)象數(shù)量以及不同比例下的更新、查詢混合流都具有較好的計(jì)算速率。
　　(4)針對(duì)時(shí)空流數(shù)據(jù)源地理分布廣泛產(chǎn)生的大量網(wǎng)絡(luò)寬帶消耗問(wèn)題，指出傳統(tǒng)云中心處理模式在實(shí)時(shí)計(jì)算上的不足引入邊緣計(jì)算模式，基于此將邊緣集群部署于北京、杭州、鄭州和湖州四地，從網(wǎng)絡(luò)傳輸效率、邊緣集群數(shù)

6、量和本地、全局任務(wù)比例等多個(gè)角度進(jìn)行時(shí)空流處理計(jì)算速率的探索性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究在邊緣計(jì)算模式下時(shí)空流實(shí)時(shí)處理的計(jì)算速率變化規(guī)律。
　　研究及結(jié)果表明，本文提出的時(shí)空流抽象數(shù)據(jù)模型能夠表達(dá)通用的時(shí)空流數(shù)據(jù)對(duì)象表達(dá)、移動(dòng)對(duì)象空間索引能應(yīng)對(duì)移動(dòng)對(duì)象高度頻繁的數(shù)據(jù)更新、時(shí)空流分布式處理方法能在大數(shù)據(jù)環(huán)境下實(shí)時(shí)完成空間數(shù)據(jù)計(jì)算、邊緣計(jì)算范式下的時(shí)空流實(shí)時(shí)處理方案能有效的解決地域分布廣泛的數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的時(shí)空流數(shù)據(jù)的快速處理問(wèn)題，具有重要的科學(xué)和