面向CPS系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)價值評估建模研究

李建武，張　治，董　蕾

( 1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 網(wǎng)絡(luò)空間研究所，北京 100846；

2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

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面向CPS系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)價值評估建模研究

李建武1，張治2，董蕾2

( 1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 網(wǎng)絡(luò)空間研究所，北京 100846；

2.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876)

摘要：信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System,CPS)集計算、通信、控制為一體，通信在其中發(fā)揮著不可替代的作用。CPS系統(tǒng)的復(fù)雜集成特性，決定了其存在海量異質(zhì)的數(shù)據(jù)，如果采用傳統(tǒng)的透明通信方式，不考慮數(shù)據(jù)的價值，勢必造成系統(tǒng)資源的極大浪費，降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸效率。因此，提出了基于數(shù)據(jù)價值進(jìn)行選擇性傳輸?shù)睦砟?，結(jié)合認(rèn)知自適應(yīng)方法構(gòu)建了通信數(shù)據(jù)價值的評價模型。通過研究綜合多指標(biāo)的信息價值熵理論的CPS信息綜合評價模型，解決CPS系統(tǒng)中業(yè)務(wù)信息的選擇性傳輸問題。提高CPS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的高效傳輸，有望解決CPS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮Ａ啃院蛯崟r性難題。

關(guān)鍵詞：CPS；信息價值熵；認(rèn)知自適應(yīng)；信息價值評價；選擇傳輸機制

0引言

隨著嵌入式計算、無線感知網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)化控制等技術(shù)的快速發(fā)展和持續(xù)融合，信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical Systems，CPS)受到研究人員的關(guān)注。美國國家科學(xué)基金會最早提出CPS的定義[1]：“計算資源與物理資源間的緊密集成與深度協(xié)作”。除美國外，歐盟、日本和韓國等也開展類似研究，歐盟在近期啟動ARTEMIS等重大項目，將CPS作為智能系統(tǒng)的一個重要研究方向[2-4]。近年，我國也啟動了面向CPS的系統(tǒng)平臺的“863計劃”項目[5]。

CPS是一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)平臺，其核心是通過3C (Computation,Communication and Control,3C)的有機融合與深度協(xié)作，實現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)，以使系統(tǒng)更加可靠、高效和實時協(xié)同，并具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。作為面向資源優(yōu)化配置和高效能持續(xù)利用的智能系統(tǒng)，CPS實現(xiàn)計算資源與物理資源的緊密結(jié)合，能夠從根本上改變?nèi)伺c物理世界交互方式[6]。然而，目前CPS系統(tǒng)研究剛剛起步，面臨眾多挑戰(zhàn)亟待解決[7-9]，其中異質(zhì)海量的數(shù)據(jù)傳輸問題是本文研究的重點。

1研究方案

CPS是一個多維度開放式系統(tǒng)，具有高度的復(fù)雜性，能支持建造國家甚至全球范圍內(nèi)的大型或者特大型物理設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。它是由諸多具有通信、計算和決策控制功能的設(shè)備組成，使物理設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)及自治功能，所有設(shè)備相互協(xié)作，使整個系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。在系統(tǒng)中參與信息傳輸?shù)脑O(shè)備繁多、業(yè)務(wù)多樣，造成了CPS中存在大量的異質(zhì)海量數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的可靠傳輸成為CPS發(fā)展的難題。

在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中，信息以透明方式進(jìn)行傳輸，如果不考慮待傳輸信息的價值，發(fā)送的大量無價值信息會造成傳輸時延過大和系統(tǒng)資源的極大浪費，降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸效率。因此本文提出基于價值評估的非透明傳輸方案。非透明傳輸能高效整合系統(tǒng)資源，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的高效傳輸，降低通信系統(tǒng)的傳輸時延，提高CPS資源利用效率，意義重大。同時，對其他無線網(wǎng)絡(luò)，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要的指導(dǎo)意義，并且對于“互聯(lián)網(wǎng)”向“互聯(lián)網(wǎng)+”時代過渡起到了不可估量的推動作用。

本研究目標(biāo)是建立面向CPS具有認(rèn)知自適應(yīng)能力的通信數(shù)據(jù)價值評估模型，從CPS中信息價值與業(yè)務(wù)需求的內(nèi)在關(guān)系出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)論和信息論給出基于業(yè)務(wù)的信息價值熵的定義，提出基于信息價值熵理論的具有認(rèn)知自適應(yīng)功能的信息評價模型，研究基于認(rèn)知自適應(yīng)的深度學(xué)習(xí)方法，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)信息的自我價值評估和自我選擇性傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)，建立完善的仿真平臺，用于對價值評估模型和信息選擇性傳輸機制進(jìn)行性能分析和測試驗證。

1.1綜合多指標(biāo)信息價值熵

CPS可以用于多種不同應(yīng)用場景，如交通、醫(yī)療、電力、制造等。每一CPS應(yīng)用場景中廣泛分布著多種不同類型的傳感器，它們采集的信息種類多樣(如：文字信息、圖像信息、音頻信息和視頻信息等)，其重要程度和復(fù)雜程度不盡相同。信息的重要程度和復(fù)雜程度共同決定了信息的價值。從重要性角度看，信息越重要，則價值越大；從復(fù)雜性角度看，信息變化越劇烈，突發(fā)事件越多，則價值越大。傳統(tǒng)的透明傳輸沒有考慮待傳輸信息的價值，發(fā)送的無價值信息造成了系統(tǒng)資源的極大浪費。因此，考慮通過研究基于價值評估的非透明傳輸機制來合理、高效利用系統(tǒng)資源。

在評估信息價值的過程中，提出綜合多指標(biāo)的信息價值熵概念來對信息價值進(jìn)行理論指導(dǎo)。信息價值熵的定義是：信息價值熵用來描述信息價值的不確定性，衡量信息的價值高低，信息熵越大，價值越高。

擬考慮通過事件發(fā)生的概率來定義事件的信息量，事件Si的信息量為：

Ii=-log2pi。

pi為事件i發(fā)生的概率，從上面描述可知，信息的價值與信息的重要程度和復(fù)雜程度有關(guān)，復(fù)雜程度與信息的變化快慢有關(guān)。由此，可先定義事件變化的概率為pij，變化概率可以通過轉(zhuǎn)換概率或者其他形式定義。事件的重要程度權(quán)重為wi，因此，可擬定義信息價值熵為：

事件的重要程度權(quán)重wi與事件Si的特征參量和目標(biāo)對Si的需求有關(guān)，Si經(jīng)過特征提取后的特征參數(shù)矩陣用αi表示，目標(biāo)對Si的需求程度用βi表示。wi是關(guān)于αi和βi的函數(shù)，暫且用f表示，即：

wi=f(αi,βi)。

本方案試圖解決信息價值重要程度權(quán)重的定量表示問題，即函數(shù)f(αi,βi)是否有閉合的表達(dá)式問題。在此基礎(chǔ)上，找到一種合理的非透明傳輸機制，依據(jù)信息價值權(quán)重的大小對信息進(jìn)行選擇性傳輸，信宿分析接收到的信息實時調(diào)整需求程度βi并反饋給信源，優(yōu)化信息價值重要程度權(quán)重表達(dá)式。

1.2基于信息價值熵的CPS信息綜合評價模型

在信息價值熵理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建cps信息價值綜合評價模型，通過認(rèn)知學(xué)習(xí)對信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整篩選，有望實現(xiàn)從海量數(shù)據(jù)中挑選“有價值”的信息進(jìn)行傳輸，如圖1所示，其具體研究方法如下：

步驟1：研究基于價值熵理論的信息選擇方法。cps系統(tǒng)中，首先對大量部署的傳感器收集的海量信息進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)特征參數(shù)表征，采用適當(dāng)?shù)乃惴炕卣髟诤饬啃畔r值大小時所占的權(quán)重；接著分析信息的屬性參數(shù)和業(yè)務(wù)參數(shù)之間的關(guān)系，使用信息價值熵理論模型進(jìn)行信息屬性參數(shù)估計、信息維度估計等計算，得出信息基于某一業(yè)務(wù)參數(shù)的價值；然后設(shè)定信息價值的門限值對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行選擇，對達(dá)到門限值的(符合業(yè)務(wù)需求)信息進(jìn)行之后的計算、處理，而未達(dá)到門限值(不符合業(yè)務(wù)需求)的信息則被擯棄。

步驟2：研究基于認(rèn)知的信息預(yù)處理方法。在海量信息特征表征、參數(shù)估計、維度估計的基礎(chǔ)上，通過信息感知、深度學(xué)習(xí)、知識推理和綜合等方法對海量信息進(jìn)行預(yù)處理，包括消除重復(fù)信息、消除噪聲、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)分級、傳輸信息調(diào)整篩選等，實現(xiàn)對海量信息的初步“過濾”，有效減少信息傳輸和存儲時間，提升CPS中信息計算、決策控制效率。

步驟3：研究面向CPS的基于認(rèn)知自適應(yīng)的信息價值評價機制。首先對符合業(yè)務(wù)需求的有價值信息通過CPS中的計算、決策和控制模塊實現(xiàn)對物理實體的改變，獲得用戶體驗反饋；然后通過認(rèn)知學(xué)習(xí)，不斷調(diào)整信息選擇模型的參數(shù)設(shè)置，改進(jìn)參數(shù)估計、維度估計等算法，優(yōu)化信息選擇方法的同時優(yōu)化信息預(yù)處理方法，實現(xiàn)信息價值評價機制的自適應(yīng)性，對減少信息傳輸時延、降低信息計算復(fù)雜度、提高資源利用效率、促進(jìn)系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)具有重要意義。

圖1　面向CPS的基于認(rèn)知自適應(yīng)的信息價值評價模型

1.3基于認(rèn)知自適應(yīng)的信息評價與傳輸管理技術(shù)方案設(shè)計

1.3.1認(rèn)知學(xué)習(xí)方法

在海量數(shù)據(jù)情況下，傳統(tǒng)的淺層學(xué)習(xí)難以勝任充分發(fā)掘海量數(shù)據(jù)中蘊藏的豐富信息，基于認(rèn)知概念的理解，在此基礎(chǔ)上研究認(rèn)知學(xué)習(xí)方法，通過構(gòu)建具有多層的認(rèn)知學(xué)習(xí)模型和海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，來學(xué)習(xí)更有用信息的特征。通過基于信息價值熵的CPS信息綜合評價模型的研究，擬采取一種具有一般描述意義的認(rèn)知學(xué)習(xí)方法。

如圖2所示，學(xué)習(xí)作為認(rèn)知模型學(xué)習(xí)能力的提供者，包含多種的機器學(xué)習(xí)方法。判斷功能為認(rèn)知功能提供最初的信息判斷機制。推理功能為認(rèn)知模型提供多種推理能力，對認(rèn)知環(huán)路中的計劃和決策功能提供支持。決策功能為認(rèn)知模型提供優(yōu)化回饋能力，對推理所形成的策略進(jìn)行優(yōu)選，因此決策功能往往結(jié)合推理功能使用。

圖2　認(rèn)知學(xué)習(xí)流程圖

1.3.2優(yōu)化信息評價模型方案

(1)認(rèn)知自適應(yīng)的信息價值評價機制

針對信息價值判決準(zhǔn)則的結(jié)果進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，通過評價反饋回環(huán)，將認(rèn)知學(xué)習(xí)結(jié)果傳遞給信息價值評價模型，信息價值評價模型將反饋學(xué)習(xí)結(jié)果用來對自身評價機制進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而不斷優(yōu)化有價值信息提取、信息預(yù)處理，從而最終提升信息價值評價結(jié)果或信息價值判決預(yù)測的準(zhǔn)確性。

(2)有價值信息處理

① 信息表征

CPS信息產(chǎn)生于多域的認(rèn)知環(huán)境，具有復(fù)雜性、多變性的特性。因此需要對信息價值進(jìn)行合理的表征。在表征的過程中需要對無線環(huán)境域、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境域以及用戶環(huán)境域進(jìn)行粗細(xì)粒度的表征。認(rèn)知信息表征的關(guān)鍵是需要通過模式識別、信息融合和機器學(xué)習(xí)等方法，從大量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，因此認(rèn)知信息表征需要解決的一個關(guān)鍵問題是將隱藏在大量數(shù)據(jù)中的信息價值提取挖掘出來，便于認(rèn)知CPS管理設(shè)備所理解。

② 信息度量

在CPS環(huán)境中，受到傳遞有價值信息信道容量的影響，需要進(jìn)一步考慮如何在保障信息有價值的情況下減少信道流量。因此，需要通過數(shù)學(xué)分析度量信息價值，研究信息價值增益與認(rèn)知開銷之間的關(guān)系，以度量結(jié)果指導(dǎo)構(gòu)建合理的認(rèn)知方法、決策需要認(rèn)知的信息價值以及認(rèn)知的信息價值量。

1.3.3優(yōu)化傳輸管理方案

針對CPS中業(yè)務(wù)的動態(tài)變化，擬研究基于認(rèn)知學(xué)習(xí)方法的業(yè)務(wù)選擇傳輸預(yù)測機制，以及最優(yōu)業(yè)務(wù)選擇傳輸?shù)脑u估方法。具體如下：

(1)基于認(rèn)知學(xué)習(xí)的非透明自適應(yīng)傳輸機制

研究不同應(yīng)用場景下的傳輸進(jìn)行自適應(yīng)管理，使模型的信息傳輸具有自適應(yīng)的功能；從系統(tǒng)性能的角度，研究設(shè)計針對傳輸性能的認(rèn)知學(xué)習(xí)方法；從用戶需求角度，對實際用戶體驗結(jié)果的認(rèn)知學(xué)習(xí)方法。

(2)基于認(rèn)知回環(huán)中反向控制的優(yōu)化方法

針對CPS中多域環(huán)境感知、資源管理和控制的自主性要求，通過認(rèn)知學(xué)習(xí)將傳輸性能結(jié)果反饋給信息評價模型，從而形成統(tǒng)一的信息價值框架來指導(dǎo)和解決多種信息業(yè)務(wù)的傳輸管理與分配的關(guān)鍵問題，指導(dǎo)業(yè)務(wù)選擇性傳輸。

(3)均衡信息傳輸與信息價值的博弈研究

通過認(rèn)知學(xué)習(xí)回環(huán)，調(diào)整信息價值評價模型，針對信息傳輸速率、實時性和可靠性等系統(tǒng)性能需求與用戶實際對信息價值量的需求進(jìn)行博弈研究，找出兩者的博弈均衡點，實現(xiàn)信息傳輸性能和信息價值量的最大化。

2技術(shù)路線及驗證方案

本研究的技術(shù)路線，如圖3所示。

圖3　研究技術(shù)路線圖

作為基礎(chǔ)性科學(xué)研究，合理地制定實驗方案，前期理論論證以及設(shè)計驗證平臺，是方案成功與否的關(guān)鍵。實驗方案包括以下組成部分：信息價值熵的理論推導(dǎo)、綜合多指標(biāo)多維信息價值熵算法仿真和認(rèn)知自適應(yīng)的信息價值評價機制的構(gòu)建。

2.1信息價值熵理論推導(dǎo)

圖4　信息價值自適應(yīng)評估過程

2.2綜合多指標(biāo)多維信息價值熵算法仿真實驗

在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，利用計算機對信息進(jìn)行參數(shù)分析與特征數(shù)據(jù)提取，對得到的信息參數(shù)特征進(jìn)行仿真特性分析。在獲取信息參數(shù)特征數(shù)據(jù)后，利用所研究的信息價值熵理論，對信息和信息參數(shù)利用計算機仿真進(jìn)行信息參數(shù)統(tǒng)一表征、權(quán)重分配、估計，以及信息維度估計和降維，得到信息的價值熵表征。

2.3認(rèn)知自適應(yīng)的信息價值評價機制研究

從CPS實際應(yīng)用場景出發(fā)，建立具有不同業(yè)務(wù)需求的CPS仿真模擬場景，以所研究的多指標(biāo)多維信息價值熵算法以及信息價值判決準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，加入認(rèn)知學(xué)習(xí)實驗，包括機器學(xué)習(xí)、統(tǒng)計分析、反向控制優(yōu)化、信息傳輸與價值博弈等實驗手段，綜合分析信息評價機制輸出結(jié)果、用戶反饋、系統(tǒng)性能需求等指標(biāo)，進(jìn)行認(rèn)知自適應(yīng)信息評價機制組合實驗。

3結(jié)束語

本研究從CPS中信息價值與業(yè)務(wù)需求的內(nèi)在關(guān)系出發(fā)，研究系統(tǒng)的信息價值理論和信息傳輸理論，分別提出基于業(yè)務(wù)的信息價值熵定義和通用模型，以及基于價值熵理論的具有認(rèn)知自適應(yīng)功能的信息傳輸模型。通過建立分析仿真平臺，形成完善的價值熵理論模型和信息傳輸模型性能分析和測試驗證；有望實現(xiàn)信息價值評價機制的自適應(yīng)性，對減少信息傳輸時延、降低信息計算復(fù)雜度、提高資源利用效率、促進(jìn)系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)具有重要意義。

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Research of Communication Data Value Assessment Model Based on Cognitive Self-adapting for CPS

LI Jian-wu1，ZHANG Zhi2，DONG Lei2

(1.Institute of Cyber Space of CCID,Beijing 100846,China;2.College of Information and Communication Engineering of BUPT,Beijing 100876,China)

Abstract：Cyber Physical System (CPS) integrates the functions of computation,control and communication together.The complex integration of CPSs has huge device groups to constitute a large heterogeneous network by interconnection,and both devices and businesses are miscellaneous and various.The key point is the research on how to transfer the valuable information in different businesses effectually and reliably in limited transfer resources.In this paper,we propose a concept of selective transmission scheme based on data value,and construct an evaluation model for the value of communication data by combining the cognitive adaptive method.CPS information comprehensive evaluation model,based on the comprehensive evaluation of information value entropy,is studied to solve the problem of selective transmission of business information in CPS system.Improvement of data transmission efficiency in CPS system is expected to facilitate mass and real-time data transmission in CPS system.

Key words：CPS; cognitive adaptive; entropy of information value; selective transmission mechanism

中圖分類號：TN91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-12-4

作者簡介：李建武(1984—)，男，博士，主要研究方向：移動網(wǎng)絡(luò)安全及應(yīng)用。張治(1977—)，男，副教授，主要研究方向：寬帶移動通信、5G關(guān)鍵技術(shù)、信號檢測與處理等。

收稿日期：2015-11-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.03

引用格式：李建武，張治，董蕾.面向CPS系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)價值評估建模研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):12-15,40.