一種多源傳感器數(shù)據(jù)層疊降維分類(lèi)融合器設(shè)計(jì)*

葉成景，郭海濤，陳紅玲，楊葉芬*

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090；2.華南理工大學(xué)土木交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

近幾年，多源傳感器技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展階段，各項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟，使得多源傳感器的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。 多源傳感器的主要作用是對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的多樣化信息進(jìn)行采集，并經(jīng)過(guò)重定位后傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一處理[1]。 由于傳感器種類(lèi)眾多，為提升傳感器壽命，相關(guān)研究學(xué)者提出在傳送數(shù)據(jù)之前，通過(guò)數(shù)據(jù)融合[2]對(duì)其進(jìn)行整合、特征提取和融合處理，以此來(lái)減少傳感器節(jié)點(diǎn)的通信錯(cuò)誤率。 一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多傳感器的融合問(wèn)題提出了一些比較好的方法。

文獻(xiàn)[3]研究了一種復(fù)雜環(huán)境下的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，根據(jù)信任度結(jié)果，引入證據(jù)迭代融合思想，從證據(jù)源層面對(duì)證據(jù)沖突進(jìn)行修正。 融合修正后的證據(jù)數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的融合。 文獻(xiàn)[4]提出基于流形學(xué)習(xí)的多源傳感數(shù)據(jù)融合方法，采用T-SNE 算法將高維多源傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，更新低維概率矩陣，使多源傳感器數(shù)據(jù)距離較小點(diǎn)之間產(chǎn)生合理的排斥梯度，完成數(shù)據(jù)融合。 文獻(xiàn)[5]提出基于數(shù)據(jù)相關(guān)性的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，采用MDF 技術(shù)識(shí)別組別數(shù)據(jù)中的隱藏關(guān)聯(lián)特征，通過(guò)融合關(guān)聯(lián)特征完成多傳感器數(shù)據(jù)的融合。文獻(xiàn)[6]針對(duì)無(wú)人機(jī)的檢測(cè)與跟蹤提出一種多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，度量數(shù)據(jù)集的可信度，根據(jù)可信度結(jié)果，構(gòu)建高斯過(guò)程模型，完成多傳感器數(shù)據(jù)融合。但是，以上方法在融合過(guò)程中，都存在效率較低的問(wèn)題。

為了提高多源傳感器數(shù)據(jù)分類(lèi)與融合的質(zhì)量，此次研究從深度學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，針對(duì)多源傳感器提出了一種新的數(shù)據(jù)融合方法。

1 基于深度學(xué)習(xí)的層疊自動(dòng)降維分類(lèi)器(SAESM)設(shè)計(jì)

本文利用深度學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)層疊自動(dòng)降維分類(lèi)器(SAESM)，處理多源傳感器中的低維數(shù)據(jù)，得到理想的特征提取結(jié)果。 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下詳述。

數(shù)據(jù)降維，將數(shù)據(jù)從高維特征空間向低維特征空間映射的過(guò)程，可以避免雜亂、無(wú)效數(shù)據(jù)的干擾，提高運(yùn)算質(zhì)量與效率。 設(shè)計(jì)的自動(dòng)降維分類(lèi)器(SAESM)是一種單隱層結(jié)構(gòu)，SAESM 結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 SAESM 結(jié)構(gòu)圖

輸入層，指輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)必須是數(shù)值，也就是說(shuō)非數(shù)值的內(nèi)容需要轉(zhuǎn)化為數(shù)值，通常情況下，數(shù)據(jù)處理過(guò)程是創(chuàng)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型最耗時(shí)的部分。

隱含層，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)神經(jīng)元組成，是處理數(shù)據(jù)以獲得所需輸出的核心部分。 數(shù)據(jù)將穿過(guò)隱含層，進(jìn)行許多權(quán)重和偏差調(diào)節(jié)。

輸出層，是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中處理數(shù)據(jù)的最終產(chǎn)物，可以表示不同的事物。 通常情況下，輸出層由神經(jīng)元組成，每個(gè)神經(jīng)元代表一個(gè)對(duì)象。

SAESM 降維分類(lèi)器的目標(biāo)是尋找傳感節(jié)點(diǎn)中的最優(yōu)融合參數(shù)(W，b)，融合參數(shù)決定了數(shù)據(jù)融合的性能，選取最優(yōu)融合參數(shù)可以提高數(shù)據(jù)的融合能力。

尋找多源傳感網(wǎng)絡(luò)全局最優(yōu)解對(duì)分類(lèi)過(guò)程的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化[7]，深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練的過(guò)程本質(zhì)是對(duì)權(quán)重進(jìn)行更新，在對(duì)一個(gè)新的模型進(jìn)行訓(xùn)練之前，需要每個(gè)參數(shù)有相應(yīng)的初始權(quán)值，初始權(quán)值的選擇對(duì)于局部極小點(diǎn)的放置和網(wǎng)絡(luò)收斂速度的提高均有一定程度的影響；神經(jīng)元是一個(gè)多輸入單輸出的非線(xiàn)性單元，輸入之和需要超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，輸出才會(huì)有反應(yīng)，這個(gè)數(shù)值一般稱(chēng)為閾值。

使輸入的傳感節(jié)點(diǎn)信息x在輸出結(jié)果y的作用下實(shí)現(xiàn)降維，以此獲得隱藏層的輸出結(jié)果a(k，2)，并將a(k，2)看作是輸入項(xiàng)經(jīng)過(guò)降維處理后得到的特征結(jié)果，用于分類(lèi)。

在計(jì)算過(guò)程中，要確保a(k，2)的特征具有稀疏魯棒性，就要通過(guò)三個(gè)約束函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如式(1)所示:

為了控制損失函數(shù)值最小，通過(guò)梯度下降算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)降維。 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下詳述:

步驟1 對(duì)所有層數(shù)l，使單元偏置變量參數(shù)滿(mǎn)足ΔW(k，l)=0、Δb(k，l)= 0；

步驟2 將i的取值范圍設(shè)定在1 ～m之間，計(jì)算公式為:

式中:α(k，l)表示l層單元n的損失參數(shù)，δ(k，l+1)表示l+1層中單元n的殘差，T表示損失約束項(xiàng)。

步驟3 更新算法中的參數(shù)值:

步驟4 返回步驟2，循環(huán)計(jì)算，直至滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定的條件時(shí)輸出(W(k，1)，b(k，1)，W(k，2)，b(k，2))。

完成以上降維處理后，設(shè)計(jì)分類(lèi)器。

層疊自動(dòng)分類(lèi)器SAESM 是由若干個(gè)降維處理器經(jīng)過(guò)層層級(jí)聯(lián)作用后得到的，SAESM 有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，輸入項(xiàng)在經(jīng)過(guò)多次降維處理后才會(huì)輸出結(jié)果，剔除了大部分的冗余信息。 SAESM 中各個(gè)層的參數(shù)值都可以通過(guò)貪婪算法計(jì)算得出，即使用上一個(gè)層的輸出結(jié)果作為下一個(gè)層的輸入項(xiàng)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示。

將SAESM 中的隱藏層層數(shù)設(shè)置為Nk層，輸入數(shù)據(jù)x經(jīng)過(guò)貪婪算法的處理后，得到參數(shù)和輸出結(jié)果a(1，2)，過(guò)程如圖1(a)所示。 再將a(1，2)作為輸入項(xiàng)，經(jīng)過(guò)下一輪的貪婪算法[8]后得到輸出結(jié)果a(2，2)，過(guò)程如圖1(b)所示。

重復(fù)訓(xùn)練過(guò)程，對(duì)含有Nk層AE 的SAESM 經(jīng)過(guò)逐層貪婪訓(xùn)練后得到參數(shù)組為{(W(k，1)，b(k，1))｜k=1，…，Nk｜}，將(W(k，1)，b(k，1))看作SAESM 各個(gè)層級(jí)之間的連接權(quán)重值。 多源傳感器編碼分類(lèi)器如圖2所示。

圖2 多源傳感器特征分類(lèi)模型

特征提取的結(jié)果對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)融合的準(zhǔn)確率起到?jīng)Q定作用，是數(shù)據(jù)能否順利完成融合的關(guān)鍵所在。所以，通過(guò)級(jí)聯(lián)作用，將SAESM 和Softmax 分類(lèi)器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了特征分類(lèi)。 實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

步驟1 通過(guò)訓(xùn)練樣本無(wú)監(jiān)督訓(xùn)練無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以此獲得參數(shù){(W(k，1)，b(k，1)) ｜k=1，…，Nk}；

步驟2 經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，得到傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)特征，經(jīng)過(guò)有監(jiān)督訓(xùn)練和Softmax 分類(lèi)器的作用，輸出參數(shù)(Wc，θc)；

步驟3 將步驟1、步驟2 所得的參數(shù)看作原始數(shù)據(jù)。 在SAESM 模型中，通過(guò)有監(jiān)督訓(xùn)練算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，然后將調(diào)整后的傳感器網(wǎng)絡(luò)和Softmax 分類(lèi)器[9]作為特征提取模型中的提取模塊和分類(lèi)模塊，完成多源傳感數(shù)據(jù)的特征提取與分類(lèi)。

2 多源傳感器的數(shù)據(jù)融合方法設(shè)計(jì)

根據(jù)上文構(gòu)建的特征提取分類(lèi)模型，完成多源傳感器數(shù)據(jù)的特征提取與分類(lèi)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行多源傳感器的數(shù)據(jù)融合研究。

在本文的研究過(guò)程中，為了使結(jié)果更傾向于理想結(jié)果，選取的多源傳感器具備以下三點(diǎn)性質(zhì):

①傳感器中各個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備一個(gè)單獨(dú)的ID 號(hào)碼，確定位置后不再進(jìn)行移動(dòng)。 各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的初始能量是相同的，不可互相補(bǔ)充；

②將匯聚節(jié)點(diǎn)的位置設(shè)定在感知區(qū)域以外，固定且不可移動(dòng)，電源補(bǔ)給充足，對(duì)于傳輸?shù)酱说臄?shù)據(jù)具有超強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力；

③匯聚節(jié)點(diǎn)處的功率較其他節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)較大，所以可直接向其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。 各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可自主感知到其所在的位置。

多源傳感器數(shù)據(jù)融合方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:

①根據(jù)傳感器下達(dá)的指令，匯聚節(jié)點(diǎn)首先轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類(lèi)型，并從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)中選取與之對(duì)應(yīng)的包含標(biāo)簽信息的樣本數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)上文提到的訓(xùn)練方法對(duì)多源傳感器數(shù)據(jù)的分類(lèi)特征進(jìn)行訓(xùn)練；

②簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在接收到訓(xùn)練完成的數(shù)據(jù)后，根據(jù)多源傳感器數(shù)據(jù)特征，然后將特征數(shù)據(jù)傳送至簇首節(jié)點(diǎn)；

③根據(jù)分簇協(xié)議要求[10-11]，將多源傳感器內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，并選取一個(gè)合適的簇首節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的主要作用是整合所有節(jié)點(diǎn)信息表，然后統(tǒng)一傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)這些信息表融合處理；

④簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)Softmax 分類(lèi)器的作用，按照類(lèi)別的劃分用式(6)的方法進(jìn)行同類(lèi)特征融合:式中:Nc表示特征數(shù)據(jù)劃分的類(lèi)別數(shù)量，c表示特征數(shù)據(jù)的類(lèi)別號(hào)，nc表示特征數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，α(Nk，nl)(i，c)表示經(jīng)過(guò)SAESM 的訓(xùn)練后，最終得到的樣本數(shù)據(jù)特征[12]，本文將其確定為c類(lèi)特征。

通過(guò)上述過(guò)程，在已知多源傳感數(shù)據(jù)特征分類(lèi)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多源傳感器的分簇性質(zhì)，在Softmax 分類(lèi)器的作用下，實(shí)現(xiàn)多源傳感器數(shù)據(jù)的融合。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 多源傳感器參數(shù)

由于此次需要驗(yàn)證多源傳感器數(shù)據(jù)融合的效果，因此需要對(duì)多源傳感器進(jìn)行選擇。 為了提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，選擇的傳感器有SHT30 溫濕度傳感器與MPU9250 磁場(chǎng)姿態(tài)角度傳感器。 兩種傳感器可以采集多種數(shù)據(jù)類(lèi)型，包括溫濕度數(shù)據(jù)、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)以及角速度數(shù)據(jù)，可以滿(mǎn)足多源傳感器數(shù)據(jù)融合的實(shí)驗(yàn)要求。

SHT30 溫濕度傳感器與MPU9250 磁場(chǎng)姿態(tài)角度傳感器參數(shù)分別如表1 與表2 所示。

表1 SHT30 溫濕度傳感器參數(shù)

表2 MPU9250 磁場(chǎng)姿態(tài)角度傳感器參數(shù)

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩種傳感器的運(yùn)行時(shí)間均設(shè)定為6 h，采集兩種傳感器在6 h 內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。 由于兩種傳感器的精度較高，因此并不需要對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可以直接用于實(shí)驗(yàn)研究。

SHT30 溫濕度傳感器與MPU9250 磁場(chǎng)姿態(tài)角度傳感器所采集的數(shù)據(jù)分別如圖3 與圖4 所示。

圖3 SHT30 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)

圖4 MPU9250 磁場(chǎng)姿態(tài)角度傳感器數(shù)據(jù)

將上述數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)融合的實(shí)驗(yàn)研究，以充分證明所提出方法的融合性能。

3.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證所提方法在多源傳感器數(shù)據(jù)融合方面是否合理有效，與基于流形學(xué)習(xí)的融合方法[4]、基于數(shù)據(jù)相關(guān)性的融合方法[5]進(jìn)行對(duì)比仿真分析驗(yàn)證。仿真分析在MATLAB 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)C++進(jìn)行仿真編程。 為了使仿真分析公平合理，所提出方法、基于流形學(xué)習(xí)方法、基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法均選擇未優(yōu)化的LEACH 協(xié)議和第一類(lèi)傳感器通信能耗模型:

式中:d表示多源傳感器內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的坐標(biāo)距離；Eelec表示多源傳感器發(fā)送/接收節(jié)點(diǎn)所消耗的能耗，通常情況下Eelec=50 J；εamp表示多源傳感器在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中所消耗的能耗，εamp=100 J；Efuse表示數(shù)據(jù)融合過(guò)程中產(chǎn)生的能耗，Efuse=0.5 J。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 特征提取分類(lèi)性能

對(duì)所提出方法、基于流形學(xué)習(xí)方法、基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法在特征分類(lèi)方面的性能進(jìn)行對(duì)比仿真分析，對(duì)比仿真分析結(jié)果如表3 所示。 其中，l表示網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。

表3 特征提取結(jié)果

從表3 中可以看出，對(duì)于三種類(lèi)型的多源傳感器數(shù)據(jù)，不管網(wǎng)絡(luò)層數(shù)怎樣變化，所提出方法特征提取分類(lèi)正確的樣本數(shù)量明顯高于基于流形學(xué)習(xí)方法與基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法。 這是由于所提出方法在構(gòu)建SAESM 模型時(shí)，通過(guò)不斷增加隱藏層的個(gè)數(shù)使得模型具有更加優(yōu)秀的特征提取分類(lèi)效果，同時(shí)避免了算法陷入局部極值，所以，所提出方法具有較強(qiáng)的特征提取分類(lèi)效果。

3.4.2 數(shù)據(jù)融合能耗性能

通過(guò)上述分析可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中的樣本類(lèi)別共計(jì)100 種，對(duì)不同數(shù)據(jù)融合方法的能耗性能展開(kāi)對(duì)比仿真分析。 所提出方法、基于流形學(xué)習(xí)方法、基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法的數(shù)據(jù)融合能耗對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 能耗對(duì)比結(jié)果

從圖5 中可以看出，所提出方法、基于流形學(xué)習(xí)方法、基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法在處理數(shù)據(jù)融合時(shí)都具有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，而基于流形學(xué)習(xí)方法與基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法的能耗均高于所提出方法，其中，基于流形學(xué)習(xí)方法的能耗最高，基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法的能耗次之，所提出方法的能耗最少。 這是由于所提出方法特征提取分類(lèi)步驟在簇首節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完成，傳輸至融合階段的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)分類(lèi)處理，因此，降低了數(shù)據(jù)融合能耗。

3.4.3 融合后數(shù)據(jù)噪聲對(duì)比

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合后，多源傳感器中的數(shù)據(jù)量明顯減少，但融合后的數(shù)據(jù)中含有一定的干擾噪聲數(shù)據(jù)，而一旦噪聲過(guò)大，則會(huì)降低融合后多源傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量。 因此，有必要對(duì)所提出方法、基于流形學(xué)習(xí)方法、基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法融合后的噪聲數(shù)據(jù)含量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。 融合后的噪聲數(shù)據(jù)含量對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 融合后噪聲數(shù)據(jù)量對(duì)比

從圖6 中可以看出，所提出方法與基于流形學(xué)習(xí)方法的在3 000 輪左右，噪聲數(shù)據(jù)量逐漸趨于平穩(wěn)，而基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法的噪聲數(shù)據(jù)量持續(xù)增加，并且所提出方法融合后的噪聲數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基于流形學(xué)習(xí)方法與基于數(shù)據(jù)相關(guān)性方法。 這是由于所提出方法運(yùn)用了SAESM 模型進(jìn)行特征提取與分類(lèi)，可以對(duì)不同類(lèi)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的融合，降低了數(shù)據(jù)之間誤差，使得融合后的噪聲數(shù)據(jù)量明顯降低。

4 結(jié)論

基于多源傳感器采集數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜程度高的特點(diǎn)，為了滿(mǎn)足實(shí)際需求，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)自編碼器理論，對(duì)多源傳感器數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行了深入研究。從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)融合方法的性能進(jìn)行研究，該方法在進(jìn)行多源傳感器數(shù)據(jù)融合時(shí)，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征提取分類(lèi)，降低了數(shù)據(jù)融合能耗，并且融合后噪聲數(shù)據(jù)量明顯降低，大大提高了多源傳感器數(shù)據(jù)融合的質(zhì)量。 因此，所提出方法具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)槎嘣磦鞲衅鲾?shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展提供一種新的參考思路。