第八章

數(shù)字孿生技術(shù)01情景感知技術(shù)概述上章內(nèi)容02智能物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的情景感知技術(shù)03情景感知技術(shù)的發(fā)展趨勢02協(xié)同聯(lián)盟技術(shù)本章內(nèi)容03協(xié)同方法01協(xié)同技術(shù)概述04協(xié)同技術(shù)的問題協(xié)同技術(shù)概述8.1協(xié)同技術(shù)是智能物聯(lián)網(wǎng)的基石、發(fā)展的重要方向，旨在解決資源、任務(wù)、信息三大核心問題。協(xié)同問題三大核心領(lǐng)域：協(xié)同資源的使用：解決資源有限性（能量、通信能力等）協(xié)同任務(wù)的分配和執(zhí)行：優(yōu)化任務(wù)分解與并行處理協(xié)同信息與信號(hào)處理：處理異構(gòu)數(shù)據(jù)聚合與動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性問題協(xié)同技術(shù)的基本概念協(xié)同技術(shù)的必要性-執(zhí)行層面能量有限：依賴電池供電，需協(xié)同延長網(wǎng)絡(luò)壽命通信能力有限：通過多跳路由與數(shù)據(jù)融合彌補(bǔ)執(zhí)行能力有限：需協(xié)同感知以獲取全局信息分布式部署：通過協(xié)作提升靈活性與可靠性04030201協(xié)同技術(shù)的必要性-應(yīng)用層面多任務(wù)并行性統(tǒng)籌多用戶請求，優(yōu)化資源調(diào)度實(shí)時(shí)性優(yōu)先分配資源給高實(shí)時(shí)性任務(wù)資源競爭解決用戶對(duì)資源的獨(dú)占沖突，減少等待時(shí)間協(xié)同技術(shù)的七大挑戰(zhàn)可擴(kuò)展性：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模動(dòng)態(tài)變化，需分布式算法支持實(shí)時(shí)性：平衡協(xié)同時(shí)間與任務(wù)執(zhí)行時(shí)間穩(wěn)健性：應(yīng)對(duì)設(shè)備失效與環(huán)境噪聲相位變換：臨界負(fù)載下計(jì)算復(fù)雜度劇增局部信息與全局目標(biāo)的矛盾能量問題：協(xié)同算法需兼顧能耗優(yōu)化高效能性：適應(yīng)不同負(fù)載下的性能要求協(xié)同聯(lián)盟技術(shù)8.2定義：節(jié)點(diǎn)通過協(xié)商形成聯(lián)盟，共同承擔(dān)任務(wù)，調(diào)整目標(biāo)、消解沖突、共享資源，以最優(yōu)配置和最高效率求解，實(shí)現(xiàn)全局利益最大化。在物聯(lián)網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)視為智能體，通過聯(lián)盟實(shí)現(xiàn)協(xié)同。協(xié)同聯(lián)盟

協(xié)同聯(lián)盟過程及其聯(lián)系

協(xié)同聯(lián)盟過程及其聯(lián)系定義：通過能力向量、任務(wù)需求向量和特征函數(shù)，將聯(lián)盟生成問題形式化為一個(gè)組合優(yōu)化問題。單任務(wù)聯(lián)盟生成

目標(biāo)：尋找最優(yōu)聯(lián)盟C，使V(C)盡可能大多任務(wù)聯(lián)盟生成0201

1.排序2.串行求解利用“熟悉度”指導(dǎo)后續(xù)搜索，加速計(jì)算3.復(fù)用經(jīng)驗(yàn)依次求解各任務(wù)的最優(yōu)聯(lián)盟03

核心問題：如何劃分聯(lián)盟效用，保證公平性與穩(wěn)定性聯(lián)盟形成機(jī)制要求：有效性：各方分享所有共同效用；協(xié)同聯(lián)盟形成的基本理論穩(wěn)定性：個(gè)體、群體、聯(lián)盟均無動(dòng)機(jī)偏離；簡單性：計(jì)算與通信開銷盡可能??；分布性：不需要中央決策，支持分布式。定義：按節(jié)點(diǎn)對(duì)聯(lián)盟邊際貢獻(xiàn)的加權(quán)平均分配效用，公平但計(jì)算復(fù)雜度與節(jié)點(diǎn)數(shù)成指數(shù)關(guān)系，且易導(dǎo)致聯(lián)盟不穩(wěn)定。聯(lián)盟形成方法-Shapley值法缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜度高過分強(qiáng)調(diào)平等，忽視具體行動(dòng)差異?？赡軐?dǎo)致聯(lián)盟不穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)：公平合理，理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)充分考慮節(jié)點(diǎn)的邊際貢獻(xiàn)定義：承認(rèn)聯(lián)盟形成歷史產(chǎn)生的效用不平衡，保證原成員效用“非減”，以鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)大聯(lián)盟。新增效用按當(dāng)前成員數(shù)平均分配，保證原成員效用不減少，激勵(lì)聯(lián)盟擴(kuò)張。節(jié)點(diǎn)退出需補(bǔ)償他人損失，強(qiáng)制維持穩(wěn)定，但可能打擊高貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入意愿聯(lián)盟形成方法-非減性效用分配定義：為解決傳統(tǒng)方法的局限性，引入模糊評(píng)判來量化節(jié)點(diǎn)能力貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)更合理的“按勞分配”。原成員效用非減且處于優(yōu)勢；新節(jié)點(diǎn)對(duì)分配方案滿意，不會(huì)輕易退出；對(duì)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)具有很好的激勵(lì)機(jī)制。聯(lián)盟形成方法-基于利益均衡的分配定義：當(dāng)聯(lián)盟達(dá)到Nash平衡時(shí)，任何節(jié)點(diǎn)都無法通過單方面改變策略（脫離或加入）來獲得更大效用，此時(shí)聯(lián)盟是穩(wěn)定的。聯(lián)盟形成方法-聯(lián)盟形成的Nash平衡問題S中的節(jié)點(diǎn)不會(huì)脫離聯(lián)盟，因?yàn)闊o法獲得更大效用。01內(nèi)部穩(wěn)定S外的節(jié)點(diǎn)不會(huì)加入聯(lián)盟，因?yàn)闊o法獲得任何效用。02外部穩(wěn)定定義：在智能物聯(lián)網(wǎng)中，為實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享和問題分布求解，可采用的通信模式大致劃分為5種：無通信模式、消息模式、方案傳遞模式、黑板模式和Agent通信語言模式等。無通信模式：節(jié)點(diǎn)通過“理性”思考和推理而不以通信的方式得到其他節(jié)點(diǎn)的任務(wù)方案或計(jì)劃。這種模式適用于節(jié)點(diǎn)目標(biāo)之間沒有實(shí)質(zhì)性沖突的情形。會(huì)造成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)困難、性能降低、系統(tǒng)功能和規(guī)模不易擴(kuò)展等限制和缺點(diǎn)。協(xié)同聯(lián)盟通信機(jī)制消息模式：節(jié)點(diǎn)使用一組事先約定的格式和規(guī)則通過消息形式相互傳遞計(jì)算請求和處理結(jié)果，當(dāng)特定狀態(tài)出現(xiàn)或預(yù)先定義的事件發(fā)生時(shí)，這些規(guī)則就會(huì)被激活，節(jié)點(diǎn)于是采取相應(yīng)的行動(dòng)。協(xié)同聯(lián)盟通信機(jī)制方案傳遞模式：是指在相互協(xié)作的節(jié)點(diǎn)之間，一方給另一方傳遞其整個(gè)任務(wù)方案，相互取得對(duì)問題的一致理解和相應(yīng)的解決方案。但是時(shí)空開銷較大；傳輸過程易出錯(cuò)；不靈活；無法在狀態(tài)多變、不確定的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下應(yīng)用。協(xié)同聯(lián)盟通信機(jī)制黑板模式：每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過直接對(duì)黑板內(nèi)容進(jìn)行讀和寫來獲得消息、結(jié)果和過程信息。特點(diǎn)是集中控制、共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、解決單一任務(wù)效率高。Agent通信語言模式（ACL）：節(jié)點(diǎn)可以通過某種“高級(jí)”的通信語言來表達(dá)它關(guān)于其生存環(huán)境的認(rèn)識(shí)、觀念、態(tài)度，以及它的知識(shí)、解題能力、合作愿望和方式、情感和它對(duì)問題空間的理解和定義。（<原語>，<消息內(nèi)容>）——原語即消息類型，它的定義基于言語行為理論；消息內(nèi)容除包含發(fā)送者、接收者、發(fā)送時(shí)間等固定信息外，還包括相關(guān)領(lǐng)域信息描述，研究者需給出非形式化的語義解釋。ACL中最知名的語言就是KQML。協(xié)同聯(lián)盟通信機(jī)制協(xié)同方法8.3協(xié)商：就是在一群智能體間進(jìn)行一系列的通信，使得多個(gè)智能體為了解決某些共同問題而遵守大家都贊同的協(xié)議。合作網(wǎng)：一種基于經(jīng)濟(jì)隱喻的協(xié)同方法，通過“招標(biāo)-投標(biāo)-中標(biāo)”的流程實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配。適用于任務(wù)層次清晰、可分解、耦合性弱的場景。協(xié)商&合作網(wǎng)角色：管理者和承包者。管理者是擁有任務(wù)的智能體，承包者是執(zhí)行任務(wù)的智能體。合作網(wǎng)定義：允許節(jié)點(diǎn)對(duì)任務(wù)子集進(jìn)行投標(biāo)，通過逐步增加任務(wù)間的連接，迭代改進(jìn)分配方案，最終找到全局最優(yōu)解。步驟如下：1.生成初始分配方案。2.初始化任務(wù)連接圖，每個(gè)向量對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)。3.迭代改進(jìn)分配方案，過程為：先在兩個(gè)非連接圖間增加一條邊，再根據(jù)最新增加的邊改進(jìn)分配的方案。基于協(xié)商的智能物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同方法——迭代式組合拍賣方法在智能物聯(lián)網(wǎng)的水下聲波網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)目標(biāo)的追蹤典型地體現(xiàn)了協(xié)同技術(shù)的核心挑戰(zhàn)：單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)能力有限（僅能測量距離或速度分量），必須通過多節(jié)點(diǎn)協(xié)同才能完成精確定位與測速。思考定義：為解決大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問題，采用分區(qū)管理策略，通過預(yù)定義組織結(jié)構(gòu)來限制信息傳播距離，減少通信量，提高可擴(kuò)展性?；诮M織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法簡單分層：將網(wǎng)絡(luò)劃分為區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)有區(qū)域管理員和追蹤管理員。垂直分層：在區(qū)域管理者之上再形成多層結(jié)構(gòu)，適用于超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。定義：將協(xié)同問題（如檢測調(diào)度）建模為分布式約束滿足問題，利用成熟算法（如DBA,DSA）求解?；诜植际郊s束滿足（DCSP）作用：為了實(shí)現(xiàn)不同通信方式和通信協(xié)議實(shí)體協(xié)同互連通信，可以使用代理（Proxy）實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。代理還可以用作數(shù)據(jù)緩沖裝置，在物聯(lián)網(wǎng)空間和應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行內(nèi)容匹配和內(nèi)容過濾等。代理框架主要功能：基于代理的方法適配模塊開發(fā)適配模塊選擇語境監(jiān)測適配模塊載入和執(zhí)行協(xié)同技術(shù)的問題8.4協(xié)同技術(shù)的問題在以終端協(xié)同為基礎(chǔ)的、有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)與無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無線技術(shù)的異構(gòu)性，各種無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)所共有的多跳性、動(dòng)態(tài)性和自組織性，以及終端之間的協(xié)同性會(huì)帶來路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、移動(dòng)性管理、服務(wù)