[發明專利]基于李雅普諾夫優化的移動群智感知動態能量均衡方法

在審

• 申請號: 202210690725.2
• 申請日: 2022-06-17
• 公開（公告）號: CN115203899A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 吳亞輝;常沙;馬武彬;周浩浩;戴超凡;鄧蘇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/18;G06N3/12;G06Q10/04;G06Q10/06
• 代理公司: 長沙大珂知識產權代理事務所(普通合伙) 43236
• 代理人: 伍志祥

本發明屬于移動群智感知領域，公開了基于李雅普諾夫優化的移動群智感知動態能量均衡方法，包括以下步驟：將能量均衡問題構建為時間離散模型；利用李雅普諾夫優化算法確定動態負載均衡策略，將系統效用作為目標函數，利用參與者剩余能量方差衡量負載均衡程度；基于線性規劃與遺傳算法對問題進行求解，得到針對在線任務的長期動態能量均衡，并將任務分配給感知參與者。本發明不以犧牲系統效益為代價，盡可能降低能量消耗并使參與者能量達到相對均衡，從而維持參與者數量，延長移動群智感知系統壽命，促進感知任務的完成，實現了任務準入策略和任務分配方案的長期在線動態控制。

技術領域

本發明屬于移動群智感知技術領域，尤其涉及基于李雅普諾夫優化的移動群智感知動態能量均衡方法。

背景技術

移動群智感知中，移動感知設備的電池容量有限。當部分參與者能量消耗過快、電池剩余容量不足時，將退出系統，無法繼續執行感知任務。參與者數量急劇下降，將嚴重影響移動群智感知系統壽命和感知數據質量。因此選擇合理的任務分配方案，盡可能降低參與者能量消耗并維持參與者間的能量負載均衡，對于延長移動群智感知系統壽命、促進感知任務的完成至關重要。在現有研究中，能量均衡的實現往往伴隨著系統效益的犧牲。

近年來，隨著無線通信技術的發展和人們收入水平的提高，移動設備用戶數量呈現爆發式增長。隨著計算機硬件技術的進步和感知設備小型化，越來越多的感知設備被嵌入到移動設備中，如，相機，麥克風，加速度計、電子羅盤等。移動群智感知技術將這些感知設備越來越多的應用于交通管理、健康監測、環境保護等領域，使得環境感知和信息收集更加靈活、方便、高效。移動群智感知(Mobile Crowdsensing，MCS)由Raghu K.Ganti等于2011年首次提出，用于表示廣泛的社區感知。移動群智感知提供了一種收集感知數據并提取有效信息的范式，該范式中包含大量移動設備，這些設備能夠提供感知、計算和通信能力，通過服務器的招募和協調，對周圍環境進行感知，如：監測空氣質量、噪音指數、交通擁堵狀況等。獲取感知數據后，移動設備通過蜂窩移動網絡、WIFI或藍牙等方式，將數據上傳至數據收集服務器，為各類應用提供數據支持。移動群智感知近年來受到了廣泛的關注。

移動群智感知典型系統由感知平臺和感知參與者兩部分構成，如圖1所示。感知平臺負責收集各類外部應用程序發送的感知數據請求、招募并選擇適當的感知參與者、分配感知任務、接收參與者發送的感知數據并提供給各類應用程序。感知參與者，即上述的各類移動設備，主要負責執行感知任務，獲取、存儲并上傳感知數據到感知平臺。當感知平臺接收到感知信息請求后，通過一定的激勵機制和選擇決策，將感知任務分配給合適的參與者；參與者對原始數據進行感知、收集和處理，通過無線通信發送至感知平臺。感知平臺對數據進行存儲和處理，最終服務于各類外部應用。

上述移動群智感知流程可以大致概括為：任務分配、數據感知、數據處理和數據上傳四個階段。現有關于移動群智感知的研究主要圍繞上述四個階段展開，主要包括：激勵機制設計、任務分配策略和資源調度機制設計、數據處理方式改進、數據傳輸形式創新等，研究目的主要有招募足夠多的參與者、節約成本、降低總體能耗、縮短任務完成時間、提高數據質量、保護參與者隱私安全等。

在移動群智感知中，移動感知設備大多小巧輕便，便于攜帶，如智能手機、智能手環等，但電池容量有限且能量消耗無法通過感知平臺的獎勵和回饋得到快速補充。參與者在執行感知任務時的能量消耗主要由傳感數據采集、本地數據處理和數據傳輸造成，直接影響著感知設備的電池剩余容量。當部分參與者執行任務較多、能量消耗過快、電池剩余容量不足時，將退出系統，無法繼續執行感知任務。參與者數量急劇下降，將嚴重影響移動群智感知系統壽命和感知數據質量。因此維持參與者間的能量均衡對于參與者數量的維持和感知任務的完成至關重要。