面向类型化资源的价值导向的处理优化系统

本发明是一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统开发方法，将物联网中 汇集到的资源从概念上划分为数据、信息和知识等类型的资源，并将传感器分为数据传感 器、信息传感器和知识传感器，分别采集数据、信息和知识类型的资源，当用户发出资源请 求后，对资源进行相应处理，并通过资源类型转化优化资源的处理和存储过程，属于分布式 计算和软件工程学技术交叉领域。

随着物联网技术的发展，使用传感器网络采集的资源量急剧增长，物联网环境下 实时资源传输调度的性能决定了物联网中传感节点的进程管理和内存管理效率，研究资源 调度对改善物联网的系统控制性能、提高网络的连通性和资源完善实时收发能力具有重要 意义。物联网包含资源采集、传输、处理、控制与服务等过程,实现了复杂工业制造全流程的 优化调度控制与动态信息服务。传统的资源处理方法不考虑资源类型转换，用户发出资源 请求后，处理的资源在传输过程中容易受网络带宽、转发长度的限制，造成传输效率低的问 题；本发明提出一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统开发方法，关键技术在于 物联网数据采集终端在特定场景下布置的传感器组采集到以数据、信息和知识等形式存在 的原始资源，通过转换资源类型改变资源规模，协同调整资源计算和存储的代价，优化资源 利用率和传输效率。

技术问题：本发明的目的是为解决物联网络有限带宽与海量资源传输需求的矛 盾，通过比较直接处理资源和转换资源类型后再进行处理两种方案的代价确定资源的处理 方案，并将资源的收集、传输、存储、处理、转换、创建、显示、保护和使用作为相关资源的相 应活动进行建模，从而实现在有限的网络带宽资源下的动态资源分配，提高网络资源利用 率和采集到的资源的处理效率。

技术方案：本发明是一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统开发方法， 通过数据传感器、信息传感器和知识传感器采集到的数据、信息和知识等类型的资源在传 输过程中由于网络带宽等资源有限导致传输效率低，资源分配不均，无法及时满足用户的 资源请求，本发明提出通过转换资源类型改变资源规模，提高资源利用率和传输效率；

本发明提出对资源的收集、传输、存储、处理、转换、创建、显示、保护和使用作为相关资 源的相应活动进行建模，定义资源建模包括采用资源实例、资源类型、资源集合的概念对资 源分类的描述、资源类型转换的描述，具体定义如下：

（1）资源实例(RINS)：描述原子级别的资源，作为资源分类树的最底层结点，资源实例 包括资源类型(REtype)和资源规模(REsca)两个属性，可表示为RINS:=；

（2）资源类型(TypeDIK)：本发明定义资源包含三种类型，分别是数据、信息和知识，可表 示为TypeDIK:=。表1给出了对DataDIK、 InformationDIK和KnowledgeDIK等资源类型的解释；

（3）资源集合(RC)：资源集合是不同类型或相同类型资源的集合，由资源实例构成；

表1.资源类型的渐进形式

Data DIK Information DIK Knowledge DIK

语义负载 没有指定利益相关者/机器 指定利益相关者/机器 对已知信息进行抽象

形式 元素的概念集合 数据的概念映射和相关关系组合 对信息的进一步分类与抽象

用法 统计与传输 交互 推理与预测

子图 DataGraph DIK InformationGraph DIK KnowledgeGraph DIK

子图表达形式 数组、链表、栈、树、图等 关系数据库 语义网络

体系结构

图1给出了面向类型化资源的价值导向的处理优化系统的体系结构，图2给出了面向类 型化资源的价值导向的处理优化系统的流程图。本发明将传感器分为数据传感器、信息传 感器和知识传感器，分别采集数据、信息和知识等类型的资源，并将采集到的资源集合定义 为RES:={RESD, RESI, RESK }，每种资源的规模为Amt={AmtD, AmtI, AmtK }，表2所示为RES 中单位资源类型转换的原子代价，数据和信息之间的转换需要上下文背景的支持，数据是 通过观察直接得到的，其本身不包含语义信息，通过对数据赋予上下文背景，数据才能转换 成信息；数据和知识之间的转换在不同阶段有不同的约束信息，在数据抽取阶段，选择的数 据转换集合应符合领域知识的基本描述，并根据特定领域的概念描述，将数据分组归类，以 实例形式对数据进行抽象和封装；信息到知识的转换需要经验规则的支持。而通过推理知 识可得到相关的数据和信息，通过分析和观察信息可得到数据。表3所示为单位资源类型转 换的规模增量，表4所示为单位资源的处理代价和存储代价；

表2.RES中单位资源类型转换的原子代价

Data DIK Information DIK Knowledge DIK

Data DIK TCost D-D TCost D-I TCost D-K

Data DIK TCost I-D TCost I-I TCost I-K

Data DIK TCost K-D TCost K-I TCost K-K

表3.单位资源类型转换的规模增量

Data DIK Information DIK Knowledge DIK

Data _DIK

Information _DIK

Knowledge _DIK

表4.单位资源的处理代价和存储代价

Data DIK Information DIK Knowledge DIK

处理代价(CostPR) CostPR D CostPR I CostPR K

存储代价(STCost) STCost D STCost I STCost K

有益效果：

本发明提出了一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统开发方法，通过衡量资 源处理的代价确定资源处理方案，优化资源处理和存储，有利于缓解物联网资源传输过程 中存在的负载不均衡、实时性可靠性难以保障等问题。通过传感器组采集到的以数据、信息 和知识等形态存在的资源，应用物联网传输网络将这些资源传输至资源处理结点，优化资 源分配。本发明提出通过数据、信息和知识等资源之间的类型转换改变资源规模，解决了受 网络带宽资源有限导致资源无法传输效率低、网络资源利用率不高的问题。该方法具有如 下优点：

1）对资源类型的划分

本发明提出在概念上将资源划分为数据（DataDIK）、信息（InformationDIK）和知识 （KnowledgeDIK），便于挖掘资源之间的联系和转换资源类型，进而改变资源规模，动态适应 网络带宽、缓存等资源限制；

2）存储与计算一体化协同调整

一种面向类型化资源的物联网资源采集传输优化系统开发方法，本发明将资源从概念 上划分为数据、信息和知识三张类型，通过转换资源类型进而改变资源规模，有利于降低资 源的存储代价和处理代价，通过协同调整资源处理和存储的代价，优化资源利用率和处理 效率，降低资源在传输给用户时的带宽需要；

3）动态分配网络资源

通过对已有资源的细分和合理存储，优化了资源存储的空间效率，降低物联网传输资 源的过程中占用的网络带宽资源，动态分配网络带宽资源，提高资源利用率。

图1是一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统的体系结构。

图2是一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统开发方法的流程图。

一种面向类型化资源的价值导向的处理优化系统开发方法，使用传感器网络采集 以数据(DataDIK)、信息(InformationDIK)和知识(KnowledgeDIK)等形式存在的资源，在物联 网传输网络种将这些资源传输到资源处理平台，通过数据、信息和知识等资源之间的类型 转换改变资源规模，解决了受网络带宽资源有限导致资源无法传输效率低、网络资源利用 率不高的问题。具体实施方式为：

步骤1）对应于图2中步骤001，获取物联网中传感器组采集到的数据、信息和知识类型 的资源实例集合RES；

步骤2）资源处理代价（Costpro）与资源规模和用户请求的资源量有关，资源存储代价与 资源规模有关，对应于图2中步骤002，根据公式1和公式2计算直接处理和存储资源集合RES 的代价：

(1)

(2)

其中CostPR取值包括{CostPRD, CostPRI, CostPRK}，分别表示处理单位数据资源、信 息资源和知识资源的原子代价，μ表示用户请求的资源量占原始资源规模的比重，STCost表 示存储单位资源的原子代价；

步骤3）对应于图2中步骤003，对RES中每个元素依次取TypeDIK中的值，004计算资源类 型转换代价（CostMT）：

(3)

其中表示进行类型转换的资源的规模占原始资源规模的比重，TCost表示单位资源类 型转换的原子代价，取值包括{TCostD-D, TCostD-I, TCostD-K, TCostI-D, TCostI-I, TCostI-K, TCostK-D, TCostK-I, TCostK-K}；

步骤4）对应于图2中步骤005，对每种情形，根据公式4计算资源类型转换后的资源规模 Amt’，更新资源规模集合，006计算类型转换后的处理代价和存储代价：

(4)

其中表示单位资源类型转换后规模的增量，取值包括∆AmtD-D，∆AmtD-I，∆AmtD-K，∆ AmtI-D，∆AmtI-I，∆AmtI-K，∆AmtK-D，∆AmtK-I，∆AmtK-K；

步骤5）对应于图2中步骤007，本发明定义对网络资源利用的限制模型的目标函数包含 带宽使用均衡度（UE_BW）和节点资源转发的等待时间(WTime)两个参数，其中带宽使用均衡 度为带宽空闲率（IRate_BW）的方差，带宽空闲率和带宽使用均衡度的计算方式如公式5和 6：

(5)

(6)

其中BWij表示从节点i到节点j的链路的带宽，Fij表示链路上的流量，l表示平均分组长 度；

步骤6）对应于图2中步骤008，在一个节点上资源转发的等待时间包括转发等待率 （WRate）和等待均衡度（WEqu），等待均衡度为资源转发等待率的方差，转发等待率和等待均 衡度可根据就公式7和8计算：

(7)

(8)

其中Ni表示第i个节点需转发的资源的平均分组个数，Hi表示节点i的缓冲区长度。009 本发明定义网络资源的优化目标函数为：

(9)

其中α和β分别表示带宽使用均衡度和等待均衡度的权重系数，可通过数据训练得出，F 的值越小，表示网络流量分布越均衡；

步骤7）对应于图2中步骤010，选出直接处理和存储资源和转换资源类型后再进行处理 和存储两种方式中满足带宽、传输缓存等网络资源限制的处理和存储方案；

步骤8）对应于图2中步骤011，根据公式10计算并比较直接传输资源和转换资源类型后 再进行处理等不同方案下的所需投入（Inves）：

(10)

其中表示单位资源传输代价和存储代价之和所需用户投入，表示单位资源类型转换所需用户投入；

步骤9）对应于图2中步骤012，根据公式11计算不同处理优化方案的效益比（Inve_ Cos）：

(11)

步骤10）对应于图2中步骤013和014，获取用户可接受的预投入范围和预期效益比（Inve_Cos₀）本发明定于用户的可接受预投入为UInve {UInve_down,UInve_up}；

步骤11）对应于图2中步骤015，在所需用户投入满足的方案中选择效益比较大，016并按照该方案对资源进行存储和处理。