基于蟻群算法的物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺研究與應(yīng)用

耿潘潘,張勇昌

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221116 )

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心是網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng),整個系統(tǒng)由計算機控制協(xié)調(diào)完成,通過網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)與執(zhí)行器的執(zhí)行命令傳輸給網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。在很多場景中,執(zhí)行器和傳感器分布的距離相對較遠(yuǎn),但在一些運動控制的應(yīng)用過程中要求控制具有高度的時間敏感性,必須要求連接控制器、傳感器和執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)能保證其時間的確定性,不僅要有確定的網(wǎng)絡(luò)延時,而且要有穩(wěn)定的延遲變化。因此,研究時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的調(diào)度算法成為熱點問題。

1 城市物聯(lián)網(wǎng)平臺相關(guān)理論及設(shè)計

1.1 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層以及應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)資源調(diào)度主要是負(fù)責(zé)對各設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、實時性進行規(guī)劃。針對時間敏感性網(wǎng)絡(luò)必須要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r可靠性,然而當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中各設(shè)備間數(shù)據(jù)幀在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的管理下傳輸時,往往由于傳輸數(shù)據(jù)量過大造成設(shè)備反應(yīng)遲緩,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時。由于物理網(wǎng)絡(luò)接口限制,為避免出現(xiàn)電信號干擾,在同一時刻兩個數(shù)據(jù)包不能通過同一端口傳輸,因此,必須對數(shù)據(jù)幀傳輸路徑進行優(yōu)化選擇以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。

1.2 基于蟻群系統(tǒng)的TSN調(diào)度算法

時間敏感網(wǎng)絡(luò)因其高數(shù)據(jù)傳輸容量和優(yōu)先級設(shè)置功能而迅速發(fā)展。將改進的蟻群算法運用于時間敏感網(wǎng)絡(luò)以確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖钚⊙舆t、可靠性和容錯性[1]。

(1)

當(dāng)每只螞蟻的全局遍歷完成后,全局信息素根據(jù)式(2)更新一次。

τij(t+1)=(1-ρ)τij(t)+Δτij

(2)

(3)

考慮蟻群循環(huán)模型對信息增量全局變化統(tǒng)籌的優(yōu)越性,在蟻群算法分析中將其作為基本模型進行處理,模型如式(4)所示。

(4)

式中,Q為信息素強度,Lk為第k個螞蟻周游的路程長度。

2)基于改進蟻群系統(tǒng)的TSN調(diào)度算法。一般來說,初始信息值相對穩(wěn)定,但由于物聯(lián)網(wǎng)路徑復(fù)雜,螞蟻的方向和路徑選擇可能非?；靵y,有些甚至走入死胡同,從而導(dǎo)致后續(xù)螞蟻找不到最優(yōu)解[3]。為了使初始信息更好地引導(dǎo)螞蟻前進并找到最優(yōu)解,本文對初始信息進行改進：

(5)

?Fi∈Fq(1≤i≤m),?Ei∈Fpe(1≤j≤m)

(6)

為了提高螞蟻的隨機搜索能力,采用自適應(yīng)偽隨機比選擇下一個節(jié)點,即對位于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點j的螞蟻,根據(jù)公式(7)選擇下一個節(jié)點：

τij=(1-ρ)τij+ξτ0

(7)

蟻群系統(tǒng)的全局信息素更新規(guī)則如下：

(8)

(9)

為了避免過早收斂到局部最優(yōu)解,對全局信息素更新規(guī)則進行改進：

當(dāng)τ≤τmax：

(10)

(11)

當(dāng)τ>τmax：

(12)

(13)

其中,

(14)

如果在鏈路選擇的過程中,經(jīng)過一定數(shù)量的迭代仍然沒有找到最優(yōu)解,則系統(tǒng)從最大功率路徑中選擇一定數(shù)量的鏈路對其信息素進行清除,使其跳出局部最優(yōu)重新迭代,從而避免路徑選擇陷入局部最優(yōu)解。

1.3 MQTT通信協(xié)議

消息隊列遙測傳輸協(xié)議(MQTT)是構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上用于機器對機器通信的一種基于發(fā)布/訂閱模式的輕量級通信協(xié)議,該協(xié)議可以為遠(yuǎn)程的設(shè)備提供實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。MQTT的特點是使用有限的帶寬和極少的代碼提供高效的消息服務(wù)。MQTT的低成本和高效率使其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有得天獨厚的優(yōu)勢[4]。

MQTT協(xié)議的應(yīng)用主體包括代理服務(wù)器、消息訂閱者和消息發(fā)布者。代理服務(wù)器主要負(fù)責(zé)消息訂閱者和發(fā)布者之間的消息傳輸交互。消息訂閱者通過代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的客戶端發(fā)布的主題消息接收消息[5]。MQTT協(xié)議的控制消息決定了客戶端和服務(wù)器之間的可靠通信。一個MQTT數(shù)據(jù)包由固定頭、可變頭、消息體三部分構(gòu)成。固定頭表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標(biāo)識,是所有MQTT控制消息固有的標(biāo)頭?？勺冾^位于固定頭和消息體之間,不是所有的MQTT消息都有。數(shù)據(jù)包類型決定可變頭是否存在及其具體內(nèi)容。訂閱者和發(fā)布者通過自定義消息標(biāo)識符交換消息。MQTT控制消息的最后一部分是消息體。消息體按照預(yù)定規(guī)則確定和發(fā)送格式及內(nèi)容的應(yīng)用程序中特定的消息。

1.4 平臺整體框架設(shè)計

1)面向服務(wù)的架構(gòu)。面向服務(wù)的架構(gòu),也稱為SOA,是一種組件模型,通過這些服務(wù)之間精確定義的接口和協(xié)議,將不同的應(yīng)用模塊連接起來。接口是中性定義的,必須獨立于服務(wù)使用的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。

2)控制平臺體系架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺體系架構(gòu)從上到下依次為應(yīng)用服務(wù)層、服務(wù)管理層、網(wǎng)絡(luò)接入層和設(shè)備感知層。應(yīng)用服務(wù)層主要為用戶根據(jù)需求提供應(yīng)用服務(wù)。該層主要是Web客戶端通過對RESTful數(shù)據(jù)接口的請求獲取數(shù)據(jù)提供用戶需求的應(yīng)用服務(wù)。服務(wù)管理層主要是通過對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的提取對設(shè)備感知數(shù)據(jù)進行存儲、校驗和分析處理,并在Web端進行歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)接入層主要負(fù)責(zé)對終端設(shè)備的鑒別和認(rèn)證,設(shè)備通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線GPRS方式向網(wǎng)絡(luò)云端發(fā)出客戶端的認(rèn)證請求,通過鑒別和認(rèn)證的合法設(shè)備獲得相應(yīng)的訪問權(quán)限設(shè)置。設(shè)備感知層主要負(fù)責(zé)對傳感器等設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)采集管理,將各傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給上層服務(wù)器。物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺體系架構(gòu)如圖1所示。

平臺工作流程：①設(shè)備數(shù)據(jù)采集。人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)由傳感器和其他終端設(shè)備采集。②嵌入式主機獲取設(shè)備數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b有嵌入式操作系統(tǒng)的主機。③通過通信協(xié)議發(fā)布數(shù)據(jù)。嵌入式主機采集的數(shù)據(jù)由目標(biāo)服務(wù)器通過通信協(xié)議傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng),底層設(shè)備獨立于數(shù)據(jù)采集,從底層設(shè)備到應(yīng)用服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸更加透明。④物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交互模塊將數(shù)據(jù)以XML的形式進行處理,然后通過Web服務(wù)將數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布到應(yīng)用服務(wù)器。⑤應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器管理。物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器由應(yīng)用服務(wù)器為其提供所需的服務(wù)管理功能,所有應(yīng)用節(jié)點只需要對應(yīng)用服務(wù)器進行操作即可獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)[6]。服務(wù)器從物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器接收新的或更新的數(shù)據(jù)服務(wù),并通過消息機制為各個客戶端應(yīng)用節(jié)點提供已訂閱服務(wù)主題。⑥應(yīng)用節(jié)點請求或響應(yīng)所需服務(wù)。平臺通過路由選擇處理或本地分發(fā)的方式將消息發(fā)布到訂閱該主題的應(yīng)用節(jié)點。應(yīng)用節(jié)點將審核通過的所需消息服務(wù)交由應(yīng)用服務(wù)器處理。

2 城市物聯(lián)網(wǎng)平臺仿真實驗測試與分析

2.1 測試環(huán)境

根據(jù)本文創(chuàng)設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和功能設(shè)計要求,在測試過程中,準(zhǔn)備一個數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)布網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)布。同時,數(shù)據(jù)庫和Web服務(wù)器也部署在這臺服務(wù)器上,以保證數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)入庫和展示過程中的穩(wěn)定性和及時性。

2.2 系統(tǒng)平臺設(shè)置

1)用戶管理。使用root用戶登錄,可以通過系統(tǒng)設(shè)置中的“角色設(shè)置”功能設(shè)置用戶的角色。一般可以分為：管理員、普通用戶和企業(yè)用戶等,各類用戶權(quán)限模塊由管理員劃分管理。

2)平臺設(shè)置。平臺設(shè)置包括視頻設(shè)置、檢測設(shè)置、方案設(shè)置和通信設(shè)置,主要是對平臺網(wǎng)絡(luò)、安全密鑰、版本信息、升級文件等進行管理。檢測設(shè)置主要是設(shè)置網(wǎng)絡(luò)、傳感器、報警閾值和相關(guān)硬件。方案設(shè)置主要包括管理及建立數(shù)字集群和通信通道。通信設(shè)置主要是對平臺中各設(shè)備間通信參數(shù)的設(shè)置。視頻設(shè)置主要包括對管理攝像頭的名稱、IP和碼流設(shè)施,以及基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機算法建立視頻分析、行為分析和異常行為分析。

2.3 實驗結(jié)果及分析

1)通信能力測試。系統(tǒng)的速度和實時性直接取決于物聯(lián)網(wǎng)平臺的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。因此,通信的成功率可以用來衡量傳輸?shù)目煽啃?。計算公式如下?/p>

(15)

式中：a為系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的數(shù)量,b為系統(tǒng)實際發(fā)送的次數(shù)(按設(shè)定的頻率計算),T1為發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時間間隔,T2為系統(tǒng)存儲的實際數(shù)據(jù)傳送的時間間隔。

平臺在室內(nèi)、空曠區(qū)域、移動物體等不同環(huán)境下進行測試,同時將終端節(jié)點與協(xié)調(diào)設(shè)備的距離分別設(shè)置為50、100、150、200、300、500 m。測試結(jié)果如圖2所示,當(dāng)通信環(huán)境的距離≤100 m時,各個環(huán)境的通信成功率為100%。在200 m的通信距離下,各個環(huán)境的通信成功率超過95%;在500 m通信距離的情況下,各個環(huán)境的通信成功率都在92%以上。

圖2 不同環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?/p>

2)性能測試。本次性能測試使用平臺通信協(xié)議和其他兩種傳統(tǒng)的通信協(xié)議比較計算射頻報文處理所需時間分析其處理效率。實驗仿真,采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)對1 000條由真實終端設(shè)備上報的射頻報文消息處理時間進行比較。消息處理耗時分布如圖3所示。

圖3 消息處理耗時分析

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析,本文使用的通信協(xié)議的平均處理時間僅為1 ms(獲得的最高時間精度為毫秒),而其他兩種通信協(xié)議的平均處理時間為1.3到2.4 ms。對比表明,本文使用的通信協(xié)議處理效率高于其他通信協(xié)議,而且本文協(xié)議具有更低的時延和傳輸穩(wěn)定性。

3)智能環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警測試。物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺通過對工業(yè)園區(qū)有害物質(zhì)的監(jiān)測,進行實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計。如果檢測的數(shù)據(jù)異常,即數(shù)據(jù)超過閾值,系統(tǒng)會進行報警,顯示異常數(shù)據(jù)的位置和異常對象,檢索相應(yīng)的方案并提供給用戶。同時,現(xiàn)場會彈出視頻監(jiān)控和通信提醒系統(tǒng),供管理人員指揮。

通過對該平臺的功能和性能進行測試表明,本文構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺的通信成功率在通信距離小于100 m時達到100%,在通信距離500 m時達到92%以上。所使用的通信協(xié)議處理千條消息僅需1 ms,控制方式的效率明顯提高。通過該平臺的實施,可以對城市能源使用進行合理監(jiān)控和管理,降低能源使用過程的損壞,推動低碳智慧城市的建設(shè)。

3 結(jié)語

在科技的推動和人類社會發(fā)展的要求下,新時代智慧城市建設(shè)已成為城市發(fā)展的新趨勢。通過智慧手段改善城市環(huán)境,提高城市安全系數(shù),滿足城市交通需求,實現(xiàn)高效、綠色、低碳和可持續(xù)的城市發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)智能控制平臺可以在智慧城市建設(shè)的很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中實現(xiàn),以快速構(gòu)建通用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、降低開發(fā)成本、提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)效率。