信息物理融合系統(tǒng)中基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件監(jiān)測問題研究.pdf

1、信息物理融合系統(tǒng)是由傳感器、執(zhí)行器、控制器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成的大規(guī)模、分布式的異構(gòu)系統(tǒng)，它將計(jì)算過程與物理過程緊密融合，其理論研究和關(guān)鍵技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和商業(yè)界的高度重視和廣泛關(guān)注。正確、全面地觀察和理解物理世界是信息物理融合系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)核心問題。信息物理融合系統(tǒng)通過感知部件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來獲得物理世界的信息。由于信息物理融合系統(tǒng)是由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、3G、藍(lán)牙等）互聯(lián)而成，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備涉及多種不同

2、的感知器和不同的執(zhí)行器。不同感知設(shè)備會產(chǎn)生不同類型的數(shù)據(jù)。在信息物理融合系統(tǒng)的研究中，如何有效的融合這些多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)而正確的反映物理世界的狀態(tài)是十分重要的研究課題。事件能夠有效的反映物理世界的狀態(tài)，本文研究信息物理融合系統(tǒng)中的事件監(jiān)測問題，并從基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件模型、基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件覆蓋、基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件檢測以及基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件調(diào)度等方面展開研究。
　　首先，為了抽象和描述信息物理融合系統(tǒng)中的事件，本文研究了基于多模

3、態(tài)數(shù)據(jù)的事件模型問題。在信息物理融合系統(tǒng)中，通過部署在系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)來獲得物理世界的信息。信息物理融合系統(tǒng)通常包含若干個(gè)異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包含不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)具有不同的感知、計(jì)算和通信能力。將異構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的不同類型的感知數(shù)據(jù)融合是一個(gè)十分重要并亟待解決的問題。在本文中，我們首先提出了基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件模型，以事件為載體將多種不同模態(tài)的數(shù)據(jù)融合計(jì)算。文中描述并定義了信息物理融合系統(tǒng)中的事件，

4、給出了基本事件和復(fù)合事件的定義，并提出了事件的合成規(guī)則。我們還提出帶有置信度的基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件模型。能夠反應(yīng)物理世界狀態(tài)或者對象信息的最小的數(shù)據(jù)看做基本事件，并且僅涉及單一模態(tài)的數(shù)據(jù)，基本事件通過一系列的合成規(guī)則不斷地合成復(fù)合事件。這些由多模態(tài)的數(shù)據(jù)組成的復(fù)合事件能夠幫助我們更好地理解物理世界。在事件模型中，我們引入了置信度，每一個(gè)基本事件的置信度表示其對復(fù)合事件發(fā)生的支持程度。進(jìn)而使模型能夠提供靈活、有效的事件的近似處理。

5、　　其次，為了保證事件能夠被正確、全面的監(jiān)測，本文研究了信息物理融合系統(tǒng)基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件的覆蓋問題。事件覆蓋是事件監(jiān)測的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。覆蓋質(zhì)量反映了事件或者網(wǎng)絡(luò)區(qū)域被監(jiān)控的效果。傳統(tǒng)的覆蓋問題中考慮基本事件，這些基本事件僅涉及單一模態(tài)的數(shù)據(jù)并且僅描述某一側(cè)面的性質(zhì)。然而，監(jiān)測的對象通常都十分復(fù)雜，并且不能被單一模態(tài)的數(shù)據(jù)簡單判定。因此，我們首次提出并研究監(jiān)測系統(tǒng)中復(fù)合事件的覆蓋問題，其中復(fù)合事件是由多模態(tài)數(shù)據(jù)生成的基本事件復(fù)合而成的。

6、復(fù)合事件覆蓋問題的目標(biāo)是確定最佳的代價(jià)分配方案，既確定每類節(jié)點(diǎn)需要部署的數(shù)量，進(jìn)而保證監(jiān)測系統(tǒng)在代價(jià)約束的條件下獲得最佳的事件監(jiān)測效果。本文形式化的定義了復(fù)合事件的最優(yōu)覆蓋問題，并分析了問題的復(fù)雜性。提出了兩個(gè)精確算法和一個(gè)近似算法來解決最優(yōu)覆蓋質(zhì)量問題。精確算法適用于節(jié)點(diǎn)類別較少或者需要精確結(jié)果的應(yīng)用。近似算法適用于規(guī)模較大的應(yīng)用中。另外，本文對精確算法的效率和近似算法的近似比都進(jìn)行了分析。
　　然后，為了快速的獲得事件的信息，

7、本文研究了基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件檢測問題。事件檢測是監(jiān)測系統(tǒng)的基本任務(wù)之一。不同類型的數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系使得復(fù)合事件檢測成為一個(gè)艱巨的任務(wù)。傳統(tǒng)的事件檢測方法需要收集所有的事件數(shù)據(jù)，無疑會造成巨大的能量開銷。然而，組成復(fù)合事件的多模態(tài)數(shù)據(jù)之間并不是完全獨(dú)立的，每一種模態(tài)的數(shù)據(jù)從不同的側(cè)面描述復(fù)合事件的信息，并為復(fù)合事件的發(fā)生提供支持。因此利用了模態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，可以使用部分感知數(shù)據(jù)來近似地檢測復(fù)雜的事件。本文研究帶有置信度閾值的復(fù)合事件

8、近似檢測問題。為了減少能量消耗，我們形式化定義了最優(yōu)傳輸模式問題，該問題的目標(biāo)是盡量減少傳輸?shù)交镜臄?shù)量，在保證基站獲得的數(shù)據(jù)能夠有效的判定復(fù)合事件的同時(shí)，使傳輸消耗的能量達(dá)到最小值。我們分析了最優(yōu)傳輸模式問題的復(fù)雜性，并針對不同情景給出了基于動態(tài)規(guī)劃的精確算法和基于貪心策略的近似算法來解決該問題。
　　最后，為了延長事件監(jiān)測的服務(wù)周期，本文研究了基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件調(diào)度問題。傳感器節(jié)點(diǎn)通常是由電池供電的，因此在保證系統(tǒng)的監(jiān)測質(zhì)量

9、的同時(shí)，盡可能的減少能耗，延長系統(tǒng)的生命周期是十分重要的問題。節(jié)點(diǎn)調(diào)度利用了感知數(shù)據(jù)的冗余性，為解決系統(tǒng)能量瓶頸問題提供了有效的方法。在近似事件檢測的基礎(chǔ)上，本文研究基于多模態(tài)數(shù)據(jù)的事件調(diào)度，該問題的目標(biāo)是在滿足事件的近似監(jiān)測效果的同時(shí)，制定最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度策略，盡可能的降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，最大化系統(tǒng)的生命周期，進(jìn)而保證事件監(jiān)測的可持續(xù)性。本文分析了節(jié)點(diǎn)調(diào)度問題的復(fù)雜性，并證明其屬于NP-完全問題，并設(shè)計(jì)了近似算法來解決節(jié)點(diǎn)調(diào)度問題，證明