基于蟻群算法的物聯網智能控制平臺研究與應用

耿潘潘,張勇昌

(江蘇建筑職業技術學院,江蘇 徐州 221116 )

工業物聯網的核心是網絡物理系統,整個系統由計算機控制協調完成,通過網絡將傳感器數據與執行器的執行命令傳輸給網絡物理系統。在很多場景中,執行器和傳感器分布的距離相對較遠,但在一些運動控制的應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、傳感器和執行器的網絡能保證其時間的確定性,不僅要有確定的網絡延時,而且要有穩定的延遲變化。因此,研究時間敏感網絡(TSN)的調度算法成為熱點問題。

1 城市物聯網平臺相關理論及設計

1.1 物聯網基礎技術

物聯網的基礎架構可分為感知層、網絡層、控制層以及應用層。物聯網資源調度主要是負責對各設備間數據傳輸的可靠性、實時性進行規劃。針對時間敏感性網絡必須要保證數據傳輸的實時可靠性,然而當物聯網中各設備間數據幀在網絡協議的管理下傳輸時,往往由于傳輸數據量過大造成設備反應遲緩,導致網絡延時。由于物理網絡接口限制,為避免出現電信號干擾,在同一時刻兩個數據包不能通過同一端口傳輸,因此,必須對數據幀傳輸路徑進行優化選擇以提高網絡傳輸效率。

1.2 基于蟻群系統的TSN調度算法

時間敏感網絡因其高數據傳輸容量和優先級設置功能而迅速發展。將改進的蟻群算法運用于時間敏感網絡以確保網絡傳輸的最小延遲、可靠性和容錯性[1]。

(1)

當每只螞蟻的全局遍歷完成后,全局信息素根據式(2)更新一次。

τij(t+1)=(1-ρ)τij(t)+Δτij

(2)

(3)

考慮蟻群循環模型對信息增量全局變化統籌的優越性,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)基于改進蟻群系統的TSN調度算法。一般來說,初始信息值相對穩定,但由于物聯網路徑復雜,螞蟻的方向和路徑選擇可能非?；靵y,有些甚至走入死胡同,從而導致后續螞蟻找不到最優解[3]。為了使初始信息更好地引導螞蟻前進并找到最優解,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,采用自適應偽隨機比選擇下一個節點,即對位于網絡節點j的螞蟻,根據公式(7)選擇下一個節點：

τij=(1-ρ)τij+ξτ0

(7)

蟻群系統的全局信息素更新規則如下：

(8)

(9)

為了避免過早收斂到局部最優解,對全局信息素更新規則進行改進：

當τ≤τmax：

(10)

(11)

當τ>τmax：

(12)

(13)

其中,

(14)

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

1.3 MQTT通信協議

消息隊列遙測傳輸協議(MQTT)是構建于TCP/IP協議上用于機器對機器通信的一種基于發布/訂閱模式的輕量級通信協議,該協議可以為遠程的設備提供實時可靠的數據傳輸服務。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。MQTT的低成本和高效率使其在物聯網應用中具有得天獨厚的優勢[4]。

MQTT協議的應用主體包括代理服務器、消息訂閱者和消息發布者。代理服務器主要負責消息訂閱者和發布者之間的消息傳輸交互。消息訂閱者通過代理服務器轉發的客戶端發布的主題消息接收消息[5]。MQTT協議的控制消息決定了客戶端和服務器之間的可靠通信。一個MQTT數據包由固定頭、可變頭、消息體三部分構成。固定頭表示數據包類型及數據包的分組類標識,是所有MQTT控制消息固有的標頭?？勺冾^位于固定頭和消息體之間,不是所有的MQTT消息都有。數據包類型決定可變頭是否存在及其具體內容。訂閱者和發布者通過自定義消息標識符交換消息。MQTT控制消息的最后一部分是消息體。消息體按照預定規則確定和發送格式及內容的應用程序中特定的消息。

1.4 平臺整體框架設計

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

2)控制平臺體系架構。物聯網智能控制平臺體系架構從上到下依次為應用服務層、服務管理層、網絡接入層和設備感知層。應用服務層主要為用戶根據需求提供應用服務。該層主要是Web客戶端通過對RESTful數據接口的請求獲取數據提供用戶需求的應用服務。服務管理層主要是通過對數據庫中數據的提取對設備感知數據進行存儲、校驗和分析處理,并在Web端進行歷史數據統計和業務數據構建服務。網絡接入層主要負責對終端設備的鑒別和認證,設備通過有線網絡或無線GPRS方式向網絡云端發出客戶端的認證請求,通過鑒別和認證的合法設備獲得相應的訪問權限設置。設備感知層主要負責對傳感器等設備的控制及數據采集管理,將各傳感器獲取的數據通過網絡傳輸給上層服務器。物聯網智能控制平臺體系架構如圖1所示。

平臺工作流程：①設備數據采集。人類世界和物理世界的數據由傳感器和其他終端設備采集。②嵌入式主機獲取設備數據。通過網絡通信、傳感器網絡等技術將數據傳輸到安裝有嵌入式操作系統的主機。③通過通信協議發布數據。嵌入式主機采集的數據由目標服務器通過通信協議傳輸到互聯網,底層設備獨立于數據采集,從底層設備到應用服務器的數據傳輸更加透明。④物聯網服務器向應用服務器發布數據。物聯網基礎數據交互模塊將數據以XML的形式進行處理,然后通過Web服務將數據服務發布到應用服務器。⑤應用服務器負責物聯網服務器管理。物聯網服務器由應用服務器為其提供所需的服務管理功能,所有應用節點只需要對應用服務器進行操作即可獲取相應的數據[6]。服務器從物聯網服務器接收新的或更新的數據服務,并通過消息機制為各個客戶端應用節點提供已訂閱服務主題。⑥應用節點請求或響應所需服務。平臺通過路由選擇處理或本地分發的方式將消息發布到訂閱該主題的應用節點。應用節點將審核通過的所需消息服務交由應用服務器處理。

2 城市物聯網平臺仿真實驗測試與分析

2.1 測試環境

根據本文創設的物聯網業務和功能設計要求,在測試過程中,準備一個數據采集、處理和發布網絡服務器,負責數據的采集和發布。同時,數據庫和Web服務器也部署在這臺服務器上,以保證數據在數據入庫和展示過程中的穩定性和及時性。

2.2 系統平臺設置

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

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

2.3 實驗結果及分析

1)通信能力測試。系統的速度和實時性直接取決于物聯網平臺的網絡傳輸能力。因此,通信的成功率可以用來衡量傳輸的可靠性。計算公式如下：

(15)

式中：a為系統接收數據的數量,b為系統實際發送的次數(按設定的頻率計算),T1為發送數據之間的時間間隔,T2為系統存儲的實際數據傳送的時間間隔。

平臺在室內、空曠區域、移動物體等不同環境下進行測試,同時將終端節點與協調設備的距離分別設置為50、100、150、200、300、500 m。測試結果如圖2所示,當通信環境的距離≤100 m時,各個環境的通信成功率為100%。在200 m的通信距離下,各個環境的通信成功率超過95%;在500 m通信距離的情況下,各個環境的通信成功率都在92%以上。

圖2 不同環境下數據傳輸的成功率

2)性能測試。本次性能測試使用平臺通信協議和其他兩種傳統的通信協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,采用不同通信協議的網關系統對1 000條由真實終端設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

根據統計結果分析,本文使用的通信協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,本文使用的通信協議處理效率高于其他通信協議,而且本文協議具有更低的時延和傳輸穩定性。

3)智能環境監測與災害預警測試。物聯網智能控制平臺通過對工業園區有害物質的監測,進行實時數據統計。如果檢測的數據異常,即數據超過閾值,系統會進行報警,顯示異常數據的位置和異常對象,檢索相應的方案并提供給用戶。同時,現場會彈出視頻監控和通信提醒系統,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,本文構建的物聯網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。

3 結語

在科技的推動和人類社會發展的要求下,新時代智慧城市建設已成為城市發展的新趨勢。通過智慧手段改善城市環境,提高城市安全系數,滿足城市交通需求,實現高效、綠色、低碳和可持續的城市發展。物聯網智能控制平臺可以在智慧城市建設的很多物聯網應用場景中實現,以快速構建通用物聯網應用、降低開發成本、提高物聯網應用程序開發效率。