數(shù)據(jù)融合技術(shù)

周航正

摘 要 本文對數(shù)據(jù)融合技術(shù)的作用、分類、衡量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)難點(diǎn)做了介紹，說明了數(shù)據(jù)融合技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要性以及數(shù)據(jù)融合技術(shù)在改進(jìn)本系統(tǒng)中起到的作用。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)融合 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常需要大面積部署節(jié)點(diǎn)來采集盡可能多的信息，但許多節(jié)點(diǎn)可能采集到類似數(shù)據(jù)，而且節(jié)點(diǎn)在收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)候消耗的能量在節(jié)點(diǎn)總能量消耗中占有極大的比例，所以，降低采集數(shù)據(jù)的不確定性和噪聲干擾，并且減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的傳輸數(shù)據(jù)量就成為了降低網(wǎng)絡(luò)能耗和提升網(wǎng)絡(luò)工作效率的重要方式。

1數(shù)據(jù)融合的作用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，相對于網(wǎng)絡(luò)本身來說，用戶更關(guān)注網(wǎng)絡(luò)中采集和處理的數(shù)據(jù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要作用在于降低網(wǎng)絡(luò)能耗、提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和提高網(wǎng)絡(luò)工作效率。

1.1降低網(wǎng)絡(luò)能耗

由于單一傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測范圍有限，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常會采用大規(guī)模布設(shè)節(jié)點(diǎn)的方式來保證信息采集的完整性和準(zhǔn)確性，有時(shí)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可能完全相同或者極為相似，這使得多個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)中會存在大量冗余信息。如果將這些信息全部上報(bào)的話，并不會使用戶得到更多信息，反而會對網(wǎng)絡(luò)的能量造成極大消耗。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)的意義就是要對上述情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)信息的相關(guān)性和事先預(yù)定的規(guī)則去除冗余信息，在保證數(shù)據(jù)完整性的同時(shí)盡可能減小數(shù)據(jù)量。

1.2提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

由于各種干擾和節(jié)點(diǎn)本身存在的缺陷等問題，單一節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)可靠性并不是很高，有可能出現(xiàn)誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)等情況。

因此靠少數(shù)幾個(gè)分散的節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)是無法保證準(zhǔn)確性的，所以要對監(jiān)測同一目標(biāo)的多個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由于鄰近節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)差異較小，所以即使有個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)誤報(bào)和錯(cuò)報(bào)等情況也可以通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)來去除異常數(shù)據(jù)。也就是說當(dāng)個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，也可利用其鄰居節(jié)點(diǎn)采集到的信息進(jìn)行更正，不會影響到整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

1.3提高網(wǎng)絡(luò)工作效率

數(shù)據(jù)融合技術(shù)減少了網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膿砣潭龋瑥亩鴾p小了網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。即使在極端狀況下，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量沒有變化也可對多個(gè)分組進(jìn)行合并，減少分組個(gè)數(shù)，降低傳輸過程中的沖突碰撞現(xiàn)象，提高信道利用率。

2數(shù)據(jù)融合的分類

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行分類，本文根據(jù)數(shù)據(jù)的抽象程度將操作級別的數(shù)據(jù)融合技術(shù)分為以下三類：

2.1數(shù)據(jù)級融合

數(shù)據(jù)級融合是最底層的融合，融合對象是多個(gè)傳感器采集得到的原始數(shù)據(jù)，是面向數(shù)據(jù)的融合。數(shù)據(jù)級融合是直接對接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后在進(jìn)行特征提取和屬性判決的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。數(shù)據(jù)級融合對原始信息的保留最好，能夠提供其他層次融合所不具有的細(xì)微信息。這類融合在大多數(shù)情況下僅與傳感器的類型密切相關(guān)，與用戶需求無關(guān)。它的局限性主要在于：由于所要處理的傳感器數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)之間的相似度高，因此融合操作的計(jì)算量是巨大的，處理代價(jià)較高。另外，數(shù)據(jù)級融合是在信息的最底層進(jìn)行的，考慮到無線傳感器的原始數(shù)據(jù)的不確定性、不完全性和不穩(wěn)定性，要求在數(shù)據(jù)融合時(shí)有較高的糾錯(cuò)能力。

2.2特征級融合

特征級融合是指首先對各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后提取關(guān)鍵特征，再執(zhí)行融合操作。特征級融合通過一些特征提取手段，將數(shù)據(jù)表示為一系列的特征向量，來反映事物的屬性。作為一種面向監(jiān)測對象特征的融合，它是利用從各個(gè)傳感器原始數(shù)據(jù)中提取的特征信息，來進(jìn)行綜合分析和處理的中間層次的融合過程。特征級融合操作的數(shù)據(jù)量、計(jì)算量都不大。關(guān)鍵特征的提取就是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能體現(xiàn)目標(biāo)根本屬性的特征向量。特征級屬性融合的關(guān)鍵就是提取有效的關(guān)鍵特征，去除無效甚至對立的特征數(shù)據(jù)。通常，所提取的特征信息應(yīng)該是數(shù)據(jù)信息的充分表示量或統(tǒng)計(jì)量，據(jù)此對多傳感器信息進(jìn)行分類、匯集和綜合。

2.3決策級融合

決策級融合是在信息表示的最高層次上進(jìn)行的融合處理。多個(gè)傳感器監(jiān)測同一個(gè)目標(biāo)，每個(gè)傳感器在本地完成預(yù)處理、特征抽取、識別或判斷，得出對監(jiān)測目標(biāo)的初步?jīng)Q策，然后每個(gè)傳感器將決策信息傳輸?shù)饺诤现行?，通過決策級融合進(jìn)行判決，做出最終決策。決策級融合根據(jù)用戶的應(yīng)用需求做出較高級的決策，是最高層次的數(shù)據(jù)融合。相比前兩個(gè)層次的數(shù)據(jù)融合，決策級融合操作的數(shù)據(jù)量、計(jì)算量最小。

決策級融合直接針對具體決策目標(biāo)，充分利用了特征級融合所得出的目標(biāo)的各類特征信息，并給了簡明而直觀的結(jié)果。決策級融合的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)性好，另外，在出現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)傳感器失效時(shí)，仍能給出最終決策，因而具有良好的容錯(cuò)性。

3數(shù)據(jù)融合算法的衡量標(biāo)準(zhǔn)

我們一般用以下幾個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)來判斷數(shù)據(jù)融合算法的優(yōu)劣：

（1）準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確度是指通過數(shù)據(jù)融合算法后得到的值和數(shù)據(jù)真值的差，是衡量數(shù)據(jù)融合算法優(yōu)劣最重要的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）完整性。完整性是指匯聚節(jié)點(diǎn)在計(jì)算融合后數(shù)據(jù)時(shí)所使用的讀數(shù)占所有讀數(shù)的百分比。

（3）延遲時(shí)間。因?yàn)閰R聚節(jié)點(diǎn)需要等待多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)融合會使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的時(shí)延。

（4）信息開銷。數(shù)據(jù)融合最主要的優(yōu)點(diǎn)就是能減小信息開銷，從而提高能量效率和延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠有效的降低系統(tǒng)能耗，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，但也會給系統(tǒng)帶來一些負(fù)面影響。比如，增加了系統(tǒng)時(shí)延，降低了系統(tǒng)的魯棒性，所以一個(gè)好的數(shù)據(jù)融合算法應(yīng)該權(quán)衡各種因素，以保證系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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