基于有向著色圖的智能家庭事故安全處置模型

孫偉強，王闖

（1.遼寧廣播電視大學 遼寧 沈陽 110034；2.中國電信本溪分公司 遼寧 本溪 117000）

基于有向著色圖的智能家庭事故安全處置模型

孫偉強1，王闖2

（1.遼寧廣播電視大學 遼寧 沈陽 110034；2.中國電信本溪分公司 遼寧 本溪 117000）

針對目前的智能家庭網(wǎng)絡(luò)模型都不具備事故安全檢測和處置能力，采用綜合運用集合概念、有向圖概念和著色的方法、動態(tài)多任務(wù)多Agent技術(shù)，建立了具有事故安全檢測和處置能力的智能家庭網(wǎng)絡(luò)模型。通過具體實例說明用電安全、事故安全檢測和安全事故處置啟動3個方面工作機制的同時，對模型應(yīng)用進行了驗證和分析，說明該模型在智能家庭網(wǎng)絡(luò)事故安全檢測和處置方面具有一定的應(yīng)用價值。

智能家庭；有向圖；著色；動態(tài)多任務(wù)；事故安全處置

目前針對智能家庭網(wǎng)絡(luò)［1-4］安全的研究主要集中在信息安全［5］領(lǐng)域，在智能家庭面臨的事故安全方面處置方面的研究和應(yīng)用則很少，智能家庭事故安全包括：

1）電能超載帶來的用電安全問題，例如導致線路過熱引起的火災(zāi)隱患；

2）電磁輻射帶來的危害健康的問題，例如家庭電器啟動后造成室內(nèi)電磁環(huán)境的惡化；

3）電氣安全引起的問題，例如由于家電工作失序、狀態(tài)錯誤、設(shè)備短路等造成的安全隱患；

4）用水、燃氣的安全管理和監(jiān)控問題，例如水管破裂、燃氣泄漏等可能發(fā)生的情況引起的事故隱患；

5）智能家庭面臨的其他事故安全隱患，包括：固定資產(chǎn)安全，家庭設(shè)施安全，家庭環(huán)境安全，生命安全等隱患。

由于智能家庭的概念深入人們實際生活，與信息安全相較，事故安全尤為突出和重要，目前在智能家庭網(wǎng)絡(luò)的事故安全處置的研究和應(yīng)用方面，還是一個真空地帶，目前，沒有相關(guān)的理論、模型和實際應(yīng)用軟件產(chǎn)品提供應(yīng)用的支撐。

在本文的研究中，將通過有向圖、集合的模型，狀態(tài)著色、動態(tài)多任務(wù)［6］多Agent［7-10］方法建立智能家庭網(wǎng)絡(luò)事故安全檢測和處置模型，并結(jié)合典型應(yīng)用案例的場景進行模型應(yīng)用分析來檢驗?zāi)Ｐ偷目尚行浴?/p>

1　模型提出

1.1理論模型

首先給出相關(guān)的幾何定義：

定義1 SH=｛Ai|Ai是一臺智能家電，其中i∈Z+｝，SH為位于一個智能家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部智能家電設(shè)備的集合。

定義2任務(wù)區(qū)設(shè)備集合TAi是完成一項任務(wù)的全部設(shè)備的集合，例如，用來完成炒菜的數(shù)字炊具以及配合數(shù)字炊具完成整個炒菜過程的其他設(shè)備構(gòu)成的集合。

根據(jù)定義可知：TA1∪TA2∪…∪TAn=SH，其中n是智能家庭網(wǎng)絡(luò)包含的任務(wù)數(shù)目。

而且還可以知道，對于任意TAi、TAj和TAk三個任務(wù)區(qū)設(shè)備集合，有三種可能情況可能發(fā)生：

TAi∩TAj=φ，TAi∩TAj≠φ，TAi∩TAj=TAk，其中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，n；k=1，2，…，n。

研究可知，當兩個任務(wù)區(qū)設(shè)備有交集存在時，交集所含設(shè)備都是某一報警任務(wù)區(qū)設(shè)備集合的子集，甚至就是一個完整的報警任務(wù)區(qū)的設(shè)備集合，也就是說，交集集中的設(shè)備都是各類傳感器設(shè)備或數(shù)字電源開關(guān)設(shè)備。

通過對任務(wù)區(qū)設(shè)備的分析可知，一個任務(wù)區(qū)的設(shè)備可以分成多種角色，從安全事故處置角度出發(fā)，可以大致將一個任務(wù)區(qū)的設(shè)備歸為三類：功能設(shè)備、監(jiān)控預(yù)警設(shè)備、事故處置設(shè)備。一個任務(wù)區(qū)設(shè)備只有覆蓋了這三類設(shè)備，才有可能是有安全保障的。為了建立我們的模型，我們定義相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)的顏色集合。

定義3 C=｛g，y，r｝，其中g(shù)表示設(shè)備處于安全狀態(tài)，也表示任務(wù)處于正常的執(zhí)行狀態(tài)；y表示設(shè)備處于監(jiān)控預(yù)警狀態(tài)，也表示任務(wù)處于監(jiān)控預(yù)警狀態(tài)；r表示設(shè)備處于事故處置狀態(tài)，也表示任務(wù)處于事故處置狀態(tài)。

定義4 Si=｛sij|sij是智能家電Ai執(zhí)行的一個功能或處于功能執(zhí)行的狀態(tài)，其中j=1，2，…，n｝，該集合表示了智能家電Ai的全部功能執(zhí)行的狀態(tài)集合。智能家電有一個特殊狀態(tài)，就是沒有能量的狀態(tài)，表示為ф，當設(shè)備處于該狀態(tài)時，我們認為該設(shè)備已經(jīng)不屬于網(wǎng)絡(luò)的一部分了。

定義5有向著色圖定義如下：G=（C，S，E），其中：C為顏色集合；S=｛Si|i∈N｝；E=｛

下面，以炒菜為例，給出任務(wù)圖的定義，如圖1所示。

圖1　以炒菜為例的有向著色圖Fig.1　Colored graph for cooking case

在該圖中我們需要說明的是：

1）每一個任務(wù)的執(zhí)行包含的家電設(shè)備是確定的，本例中包含的家電設(shè)備有家庭網(wǎng)關(guān)、智能炒勺、數(shù)字滅火器、數(shù)字排煙機、電能超載預(yù)警器。

2）任務(wù)的執(zhí)行會有兩種結(jié)果，即任務(wù)完成和任務(wù)中止。

3）任務(wù)包含的每一家電所處狀態(tài)最多有3種，即正常工作狀態(tài)、預(yù)警態(tài)、事故處置態(tài)。

4）任一家電在任意狀態(tài)下的工作時間是確定的，圖中介于兩個狀態(tài)之間的有向弧上的數(shù)字表示設(shè)備處于指向狀態(tài)的存續(xù)時間（毫秒）、存續(xù)電壓（伏特）和存續(xù)電流（安培），用三維向量表示。向量中標為c的表示該數(shù)據(jù)量需要根據(jù)該任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)而定。

5）原則上，除電能超載預(yù)警器外，當任一設(shè)備所處狀態(tài)發(fā)生變化時，都要預(yù)先進行超載計算。

該例子在狀態(tài)執(zhí)行順序上如圖2所示。

從圖2中可以看出：

1）任務(wù)執(zhí)行分為正常執(zhí)行和異常中止。

2）任務(wù)中止的情形分為3種情況，分別是火警及處理、電能超載及處理、食材預(yù)置錯誤及處理。

圖2　炒菜任務(wù)狀態(tài)執(zhí)行順序圖Fig.2　State execution sequential chart of cooking task

3）任務(wù)正常完成的情形主要以數(shù)字炒勺的工作過程為主線，每次發(fā)生狀態(tài)的變化前都預(yù)先進行電能超載計算，從而為電能預(yù)警和處置提供支持。

定義6任一任務(wù)任意時刻的功率計算公式為：

假設(shè)智能家庭網(wǎng)絡(luò)功率閾值為W，那么，任意時刻智能家庭網(wǎng)絡(luò)功耗必須滿足：

1.2動態(tài)多任務(wù)多Agent模型

目前多Agent系統(tǒng)［11-12］的研究已經(jīng)非常廣泛和成熟，比較典型的多Agent系統(tǒng)模型包括集中式、分布式、混合式、多任務(wù)式等，各個模型的應(yīng)用特點在這里不再贅述。

通過對智能家庭網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析，可以知道該網(wǎng)絡(luò)是具有動態(tài)的、多任務(wù)的特點，因此我們設(shè)計的智能家庭網(wǎng)絡(luò)安全處置模型主要包括：中心Agent、任務(wù)Agent、設(shè)備Agent、規(guī)則庫、規(guī)則可實現(xiàn)自學習和手工添加。這些Agent依據(jù)上述有向著色圖理論共同工作在動態(tài)多任務(wù)多Agent模型中，從而可以具備自學習、自檢測、具有事故安全處置能力的特點。

該模型工作過程如圖3所示。

圖3　動態(tài)多任務(wù)多Agent模型工作過程Fig.3　Working process of dynamic Multi-Task Multi-Agent model

1.3任務(wù)執(zhí)行規(guī)則模型

根據(jù)有向著色圖模型，任務(wù)執(zhí)行規(guī)則模型包括3個基本的規(guī)則庫：

任務(wù)規(guī)則（TR）：包括對應(yīng)命令、任務(wù)ID、任務(wù)名稱、設(shè)備ID、是否主導設(shè)備、設(shè)備占用情況；

設(shè)備初始狀態(tài)規(guī)則（EISR）：設(shè)備ID、設(shè)備初始狀態(tài)、狀態(tài)性質(zhì)、功率、持續(xù)時間；

執(zhí)行規(guī)則（ER）：包括規(guī)則ID、規(guī)則前項設(shè)備ID、規(guī)則前項狀態(tài)、規(guī)則后項設(shè)備ID、規(guī)則后項狀態(tài)、規(guī)則性質(zhì)、功率、持續(xù)時間

設(shè)備初始狀態(tài)規(guī)則和執(zhí)行規(guī)則中的狀態(tài)性質(zhì)和規(guī)則性質(zhì)具有排他性，包含3種，分別是正常工作狀態(tài)、預(yù)警態(tài)、事故處置態(tài)。其中執(zhí)行規(guī)則對應(yīng)有向著色圖模型中的邊，由此可知，執(zhí)行規(guī)則庫ER中的規(guī)則是一種推導規(guī)則和產(chǎn)生式，另外，結(jié)合圖1、圖2可以看出，當圖中的狀態(tài)在正常工作態(tài)之間變換時隱含的是正常規(guī)則，規(guī)則性質(zhì)是g；從正常工作態(tài)過度到預(yù)警態(tài)時對應(yīng)的規(guī)則隱含預(yù)警規(guī)則，規(guī)則性質(zhì)是y；從預(yù)警態(tài)過度到事故處置態(tài)隱含事故處置規(guī)則，規(guī)則性質(zhì)是r。

針對這3個規(guī)則庫，可以制定自學習規(guī)則用于生成新規(guī)則，也可以通過人機接口的方式為手動添加規(guī)則提供支持。

1.4任務(wù)創(chuàng)建和執(zhí)行模型

在任務(wù)執(zhí)行規(guī)則模型參與下的任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)執(zhí)行的流程如圖4所示。

圖4　任務(wù)創(chuàng)建過程和任務(wù)執(zhí)行過程的流程Fig.4　Flow chart of task creation and task execution

顯然，在我們的模型下的智能家庭網(wǎng)絡(luò)是一個多任務(wù)系統(tǒng)，多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度可參照傳統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度算法，以及現(xiàn)代多Agent模型下的任務(wù)分配模型的研究成果［10］。

2　任務(wù)實例分析

實例分析仍以炒菜為例進行，假設(shè)目前智能家庭網(wǎng)絡(luò)具有一個洗衣任務(wù)正在進行，目前家庭網(wǎng)關(guān)中心Agent檢測到主人通過遠程方式傳送一條炒菜命令，很顯然洗衣任務(wù)與炒菜任務(wù)處于無交集的兩個任務(wù)區(qū)，接下來：

2.1規(guī)則庫準備工作

建立TR如表1。

建立EISR如表2。

建立ER如表3。

2.2根據(jù)規(guī)則庫導出任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列

假設(shè)任務(wù)的額定功率為，則根據(jù)上述規(guī)則庫，可以構(gòu)建任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列如圖5所示。

表1　炒菜任務(wù)的任務(wù)規(guī)則庫Tab.1　Task rules for cooking task

表2　炒菜任務(wù)的對應(yīng)的初始狀態(tài)規(guī)則庫Tab.2　Initial state rules for cooking task

2.3任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列中事故安全處理引發(fā)條件分析

通過圖5，我們能夠看出以下情況：

1）如果忽略能量超載預(yù)警器本身能耗，單純衡量其他3個智能家電的能耗，如果：

0 mw<能耗閾值≤660 mw時，任務(wù)啟動之前便進入能耗超載處理；

660 mw<能耗閾值≤1 540 mw時，只有在烹炒階段才能導致能耗超載處里被引發(fā)；

表3　炒菜任務(wù)的對應(yīng)的執(zhí)行規(guī)則庫Tab.3　Execution rules for cooking task

1 540 mw<能耗閾值時，整個任務(wù)執(zhí)行期間不會引發(fā)能耗超載處理。

2）當食材加入錯誤被檢測到時，會引發(fā)食材錯誤處理。

3）當檢測到火災(zāi)隱患時，會引發(fā)火險處理。

4）可以明確安全事故的性質(zhì)、發(fā)生時機、處置辦法，如果加入更多的因素分析，該模型將更強大。

3　結(jié)　論

首先從集合運算的角度給出了智能家庭任務(wù)區(qū)的定義，并分析了任務(wù)區(qū)之間相交部分設(shè)備的特點、通過分析一個任務(wù)區(qū)的多個家電設(shè)備協(xié)作完成一項任務(wù)的情況下各設(shè)備前后功能之間的關(guān)系，利用有向圖對任務(wù)的完成進行了描述，并利用圖的著色的辦法對任務(wù)中有前后關(guān)聯(lián)的家電功能進行著色的辦法，讓對應(yīng)于一個任務(wù)的有向圖中具有事故安全處置的部分突出出來，再通過面向任務(wù)執(zhí)行的可能結(jié)果對圖的節(jié)點有序的重新排列，讓圖中隱含的處置規(guī)則更加明了，讓我們能夠很好地給出3類規(guī)則的定義。

圖5　以炒菜為例的任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列Fig.5　Sequence of task execution state for cooking

得到3類規(guī)則的特點和定義，不僅有助于定義規(guī)則庫和定義規(guī)則庫的生成規(guī)則，而且有助于利用這個模型進行任務(wù)執(zhí)行的過程模擬，這對手工定義任務(wù)的完善和安全提供了非常有價值的幫助，同時也為任務(wù)執(zhí)行過程中預(yù)先做好事故安全處置準備提供了依據(jù)。

通過3種規(guī)則庫的構(gòu)建和使用，可以清晰給出整個任務(wù)完成中各個家電的功能狀態(tài)的變化以及何時、什么原因觸發(fā)事故安全處置。

最后通過智能家庭完成炒菜任務(wù)這個實例結(jié)合動態(tài)多任務(wù)多Agent技術(shù)對該模型進行了驗證和分析，不僅證明該模型的有效性，也能夠看出該模型簡單有效，而且還為模型的應(yīng)用提供了很大的靈活性，該模型不僅可以用于自定義任務(wù)的檢測，還為事故安全處置提供了預(yù)測和響應(yīng)能力。

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Accident security disposal model of smart home based on the colored graph

SUN Wei-qiang1，WANG Chuang2
（1.Liaoning Radio and TV University，Shenyang 110034，China；2.China Telecom Benxi Branch，Benxi 117000，China）

For the models of smart home network at present had not the capability of accident security detecting and disposing. Set conception，digraph，put color and dynamic multi-task multi-agent technology were adopted during the smart home model with the capability of accident security detecting and disposing was put forward.The concrete case was used to descript the mechanism of power security，accident security detecting and accident disposing；the model applicability was verified and analyzed.It is proved that the model has application value on accident security detection and disposition in smart home network.

smart home；graph；put color；dynamic multi-task；accident security disposition

TN92

A

1674－6236（2016）03-0086-05

2015-03-31稿件編號：201503468

孫偉強（1975—），男，黑龍江龍江人，碩士，講師。研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、信息安全、計算機網(wǎng)絡(luò)等。