改進MHNA對智能家庭事故安全檢測的研究

孫偉強，張騫

（1.遼寧廣播電視大學，遼寧沈陽110034；2.東軟集團技術戰略與發展部，遼寧沈陽110004）

改進MHNA對智能家庭事故安全檢測的研究

孫偉強1，張騫2

（1.遼寧廣播電視大學，遼寧沈陽110034；2.東軟集團技術戰略與發展部，遼寧沈陽110004）

為了使智能家庭網絡體系結構模型MHNA具備事故安全檢測預防能力，在給出事故安全檢測所需理論支持后，改進MHNA模型中關于智能家電分子化服務的形式化描述，設計了化合器工作模型，優化該模型智能支持層和服務化合層的結構和工作機制，使MHNA具備了智能家庭事故安全檢測預防的能力。最后利用改進的MHNA對具體應用實例的工作過程進行分析和闡述，實驗證明改進的MHNA模型在事故安全檢測預防的應用上能夠收到較好效果。

智能家庭；智能家電；分子化服務；事故安全

【本文獻信息】孫偉強，張騫.改進MHNA對智能家庭事故安全檢測的研究［J］.電視技術，2015，39（10）.

目前，對智能家庭網絡的著述很多，但是重點都放在了如何構建網絡［1-2］，如何完成遠程控制［3］，網絡內部如何協調互助［4］，如何實現信息安全［5］等問題上。智能家庭事故安全應該作為智能家庭網絡能否成功實施的前提和基礎進行研究。

智能家庭網可能發生的安全事故包括：電能超載、電磁輻射、電氣安全、用水安全、燃氣安全、固定資產安全、家庭設施安全，家庭環境安全、生命安全等問題。

智能家庭網絡工作期間出現的安全事故大致來自以下幾種情況：

1）單一家電的故障或事故。例如家電中只有洗衣機工作的情況下，出現漏電情況。

2）多個家電同時工作時產生的故障或事故。例如洗衣機、電視機、計算機同時處于工作狀態時，功率過載導致斷電情況的發生。

3）多個家電協同工作時產生的狀態錯誤、故障或事故。例如智能炒鍋在炒菜的情況下，自動排煙系統和電子報警系統三者之間協同工作，但是電子報警系統發出警報后自動排煙系統沒有啟動或者智能炒鍋仍處于工作狀態。

4）外在誘因引起的家電工作異常，進而引發故障或事故。例如裝入食材的電飯鍋內沒有裝入水，但是卻接到煮飯指令而進入加熱等情況。

MHNA（Molecule-service-based Home Network Architecture）［6］模型主要用于家庭網關［7］的原型設計，在MHNA模型中，家庭網絡內的所有家電可以被服務分子化，再在化合規則的指導下進行服務化合，提供人性的服務，給用戶帶來更高的體驗價值。但是問題是，體驗價值高的人性化服務是否會引入安全事故不得而知，而且，由于人工干預規則的形成過程也可能引入導致安全事故的不確定性因素。筆者認為，應該把安全事故的檢測和避免放在基礎性的位置進行考慮，本文通過對MHNA模型的改進，使這一模型在事故安全處置方面也具有很強的能力。

1　MHNA模型概述

圖1　MHNA分層體系模型

該模型中，操作系統層主要指各智能家電內部可移植性強的嵌入式操作系統。而分子化合層主要完成對各個設備所提供的服務進行分子化過程，各個設備借助各自子網標準規定的服務和事件管理機制進行工作，將各個設備提供的子服務信息提交給子網互聯層。子網互聯層利用OSGI（開放服務網關接口）規范主要完成兩方面任務：首先，利用子網代理［8-9］以統一的信息格式將分子化合層提供的子服務向所在子網的事件注冊表、子服務注冊表進行注冊，完成各自子網資源的統一和集中；其次，子網互聯層的事件組合工廠接收來自服務化合層的代表，能夠完成一定任務的子服務群的事件鏈按照所屬子網進行拆解，并下達到各子網的事件組合車間進行事件裝配，各子網代理對裝配的任務進行執行。服務化合層通過HMI（人機接口）和智能支持層維護一個化合規則庫，化合器在判斷哪些子服務處于活躍狀態后，利用化合規則庫中的規則對來自子網互聯層的子服務信息和事件進行組合，并將最終形成的事件鏈送往子網互聯層執行。智能支持層主要通過自適應和自學習對規則庫中的規則進行優化，提高整個模型的智能性、方便性，貼合主人的生活習慣。

但MHNA模型存在一個顯著的問題，就是該模型只描述了如何有序地為家庭主人提供服務，而沒有考慮到該服務是否蘊含著事故安全威脅。

2　基于事故安全思想改進的面向分子化的設備描述

2.1家庭網用電安全模型

保障智能家庭網絡事故安全首先應該重視網絡用電的安全，為此，本文設計如下：

定義1：

SHA=｛Di|Di是智能家庭網絡中的一臺智能家電，i∈Z+｝（1）式中：SHA為智能家庭網上的智能家電設備（Smart Household Appliances）的集合。

定義2：

任務區設備集合TAi是完成一項任務的全部設備的集合，例如，用來完成炒菜的數字炊具以及配合數字炊具完成整個炒菜過程的其他設備構成的集合。

根據定義可知

式中：n是智能家庭網絡包含的任務數目。

而且還可以知道，對于任意TAi、TAj和TAk三個任務區設備集合，有三種可能情況可能發生

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，n；k=1，2，…，n。

通過研究發現，當任意兩個任務區有交集存在時，交集所包含的設備都是某一報警任務區設備集合的子集，甚至就是一個完整的報警任務區設備集合，也就是說，交集集中的設備都是各類傳感器設備或數字電源開關設備。這為本文的事故安全檢測和報警研究提供了方向。

定義3：

式（6）用來表示智能家庭網上的設備Di的全部子服務的集合。智能家電有一個特殊狀態，即沒有能量的狀態，表示為ф，當設備處于該狀態時，認為設備對外提供的服務是零服務。從嚴格意義上來說，處于零服務的電器已經不屬于網絡上的一部分了。因此這種特殊情況不在家電子服務集合描述范圍內。

根據定義3，不難給出全部智能家電的全部子服務的集合

那么，任意時刻，智能家電網全部設備所處的子服務狀態SN（State of Network）可以用網絡上所有設備所處的子服務狀態進行描述，即智能家庭網子服務向量。

定義4：式中：i取決于智能家庭內包含的家電設備數量；j取決于智能家庭中子服務數量最多的家電的子服務數量，那么任意時刻智能家庭網子服務向量可以表現為1×n向量形式

與SN相對的就是，存在家庭網絡任意時刻子服務激活向量ST，如果利用1表示家電設備的子服務處于激活狀態，0表示該家電設備全部子服務處于休眠狀態，則這個向量可以表示成1×n向量形式

式中：sti=1或0。當家電設備處于某個分子化服務狀態時，其功耗是一定的，則可以定義家庭網絡任意時刻的功耗向量P［10］，P可以表示成n×1向量形式式中：pi為非負整數。

另外假設家庭建筑供電額定功率為W千瓦/時，則家電安全的限制規則Rp為

2.2具有事故安全檢測處置能力的化合器工作模型

MHNA模型中并未詳細闡明化合器的工作原理，為了使MHNA具有事故安全檢測、預防、處置的能力，明確了該模型的服務化合層的化合器工作模型，如圖2所示。

圖2　具有事故安全檢測處置能力的化合器工作模型

通過圖3知道，化合器產生的事件鏈分為3類：第一類是正常的任務事件鏈；第二類是正常事件和預警時間構成的事件鏈；第三類是警報處置事件鏈。

事件鏈的生成利用了定義2的思想，首先將智能家庭網絡按照完成的任務進行分區進行集合，然后將任務劃分為正常任務和警報任務，通過識別和抽取正常任務的警戒設備后，通過HMI的方式分別將對應設備添加進正常任務區設備數據庫、警戒區設備數據庫和報警處置任務區數據庫。用來與化合規則庫一同指導為了完成一個任務而進行的事件抽取過程。根據任務的類型有選擇的對其中的事件著色，如果事件是正常設備的著為綠色，如果是警戒設備的著為黃色，如果事件屬于警報處置的一律著為紅色。

2.3基于事故安全思想改進的面向分子化的設備描述

事件鏈為執行的過程中除了會產生用電安全問題外，還可能由于執行時序的錯誤而產生安全事故。另外，建立了具有事故安全檢測處置能力的化合器工作模型，那么MHNA模型中對分子化服務的表達就無法適應現在的需要了，為此，通過為分子化服務描述增加如下屬性來實現安全事件的檢測和預防：

所屬設備名稱、設備狀態、服務執行的功率，服務開始執行的時間、服務執行的時間長度、事件顏色。

根據上述思想，在分子化服務層，智能家庭設備可以被描述成若干分子化服務的集合，可以形式化描述為

這一表達式把智能家電設備抽象為子服務的集合。

其中每一個子服務分為服務信息和事件信息兩部分，表達形式如下

該子服務中的服務信息部分表達形式為

式中：ServiceName表示該子服務的名字；subnet代表該子服務所在的子網；DeviceName表示該服務所屬的設備；Attributes表示該子服務的屬性；interface表示該子服務調用的接口。

Attributes的表達形式如下

attributes=（serviceState，Power，durationTime，……）（16）式中：serviceState表示該子服務進行中設備所處狀態，狀態有兩個：激活狀態和休眠狀態。Power表示該子服務的能耗功率。durationTime表示該子服務從激活開始持續的時間，時間取值分為3種情況：第一種情況是具體表示時間的數值，是該設備本身已經設定了的該狀態存續時間長度，例如洗衣機甩干時間；第二種情況是特殊符號“Rdm”，表示該時間不確定，例如電視播放時間；第三種情況是特殊符號“Lst”，表示非特殊情況將一直處于打開狀態，如家庭防盜報警器。

子服務的事件信息表示為

式中：events_receive表示收到的事件的集合；events_send表示發出的事件的集合。它們的表達形式如下

式（18）中任意收到的事件表達形式為

式中：subnet表示發出事件的源子網；SourceDevice表示發出事件設備；DestDevice表示該事件請求的設備名稱；eventColor表示該事件的顏色，顏色取值有3種：G表示正常事件、Y表示預警事件、R表示事故處理事件，interface表示請求該設備的該接口代表的子服務。

式（18）中任意發出的事件表達形式為式中：subnet表示接收事件的目標子網；SourceDevice表示發出事件設備；DestDevice表示該事件請求的設備名稱；eventColor的說明參考上述顏色說明；interface表示請求調用目標設備的接口。

3　改進的智能支持層和服務化合層

通過以上分析，安全事故的檢測和處置分3種情形：第一種情形就是安全事故，包括電壓超載、由分子服務執行時序交叉紊亂使原本正常的任務產生了事故，這種情形需要系統自動處理或避免；第二種情形就是由于攜帶警戒事件的任務的執行，這類任務需跟蹤執行過程并進行預警提示和處理，系統在進入預警分子服務執行的過程中預先生成可能事故的處置事件鏈備用；最后一種情形就是任務完全是正常的，不需要預警和處置。

基于該思路，不妨分為兩個，即：禁用規則數據庫和化合規則數據庫，這兩個規則庫中可以通過HMI加入元規則（規則生成的規則）和規則。這樣，智能支持層的結構就變成如圖3所示結構。

圖3　改進的MHNA智能支持層結構

通過為智能支持層增加正常任務區設備庫、警戒區設備庫、警報處置任務區設備庫，并通過可以HMI為其增加設備數據，目的是為化合規則的規則進行分類著色和對化合器生成的事件鏈中的事件進行著色，關于事件鏈的生成過程參見本文2.2部分。

這里需要說明的是禁止規則庫和化合規則庫上面都應用了自適應和自學習理論，其原理及α1、α2和β1、β2請參考MHNA［6］相關的闡述。

4　研究實例

本文假設：在家庭網絡中的3個子網中，一個是Jini網，連接了門鈴和攝像頭；一個子網是HAVi網，連接了電視機；還有一個是Ethernet網，該網絡是室內監控網絡。

當陌生人按下門鈴時，門鈴開始鳴叫，并且攝像頭開始錄像，并向電視機發出傳輸錄像的請求，電視機接到請求后將畫面切換給錄像接入并提供給家居主人操作選單，主人通過確認圖像并選擇選單操作后關閉門鈴鈴音、關閉攝像頭、啟動室內監控（由于室內監控的進行可以當作一個獨立任務來看待，并由于篇幅所限，不對這部分進行描述）。研究實例的MHNA模型表示如圖4所示。

圖4　研究實例

4.1分析準備

1）把各智能電器的服務進行分子化描述，分子化描述的具體內容請參見本文2.3節。

（1）門鈴

經服務分子化后的形式化描述的關鍵部分說明如下：

門鈴工作狀態：（DoorBellRinging，2，5）工作態下功率為2瓦/時，狀態持續5 s。

門鈴接收的事件：event_doorbell_sleep。

門鈴發出的事件：event_camera_capturing（事件的目的設備：攝像頭）。

（2）攝像頭

分子化為抓取圖像、傳輸圖像、停止傳輸3個子服務，經服務分子化后的形式化描述關鍵部分如下：

DoorCamera=（ImageCapturing，ImageTransfering，StopImageTransfering），門口攝像頭包含的分子化服務主要包括圖像采集和圖像傳輸兩個服務。

攝像頭抓取和傳輸狀態分別為：

（ImageStartCapturing，3，5）表示攝像頭最多在門鈴鳴叫的5秒時間段內不停的采集圖像，功率為3 W/h。

（ImageStartTransfer，3，Rdm）表示攝像頭傳輸圖像的功率為3 W/h，傳輸用時不確定。

攝像頭接收的事件：event_camera_capturing，event_image_transfering，event_camera_transferstopped。

攝像頭發出的事件：event_tv_ready（事件的目的設備：電視），event_tv_display（事件的目的設備：電視）。

（3）智能電視

分子化為接收準備、接收顯示和結束顯示3個子服務，服務分子化后的形式化描述關鍵部分如下。

電視機等待接收、顯示和接受停止狀態：

（WaitTransfer，50，Rdm）表示電視機等待傳輸狀態下的功率為50 W/h，持續時間長度隨機；

（ReceiptDisplay，60，Rdm）表示電視機進入錄像接收和顯示狀態的功率為60 W/h，持續時間長度隨機；

（FinishDisplay，60，1）表示電視機結束錄像顯示切換回電視節目狀態的功率為60 W/h，持續時間1 s。

電視機接收的事件：event_tv_ready，event_tv_display。

電視機發出的事件：event_image_transfering（事件的目的設備：攝像頭），event_camera_transferstopped（事件的目的設備：攝像頭），event_doorbell_sleep（事件的目的設備：門鈴），event_start_monitoring（事件的目的設備：室內監控）。

2）各子網進行對網內設備的子服務進行注冊。門鈴按鈕的開關監測服務與攝像頭的圖像抓取、圖像傳輸服務將被Jini子網的服務收集器LUS（Lookup Service）收集并注冊。電視機的接收準備、接收顯示和結束顯示服務被HAVi子網的Registry模塊注冊。注冊信息包括收到事件與事件激發的子服務之間的關系、子服務的屬性、接口等，便于子網調用這些服務。

3）兩個子網的事件車間EW（Event Workshop）收集各子服務發出的事件及其所關心的事件。這些事件包括

4）各子網代理通過接口得到各自子網服務注冊信息和相關的事件作為自身能夠對外提供的服務和能夠發出和響應的事件，各子網代理應用在OSGI規范下以BundIe的形式接入子網互聯層的Java平臺，將各子網包含的子服務的interface的進行封裝后向子網互聯層的運行平臺的注冊表（Registry）進行注冊，并向子網互聯層的事件管理器EM（Event Manager）進行事件注冊。

5）用戶通過HMI向智能支持層加入設備信息、元規則進行學習和應用。假定系統額定功率為65 W/h并被配置到服務化合層，而且根據應用實際還有其他規則被加入禁止規則數據庫，例如，event_tv_display-＞event_camera_capturing。另外，假設經過一段時間運行和元化合規則的增加，化合規則數據庫中出現了兩條規則：

event_tv_ready-＞event_tv_display-＞event_image_transfering-＞event_camera_capturing----A

event_tv_ready-＞event_camera_capturing-＞event_image_transfering-＞event_tv_display-＞event_doorbell_sleep（event_start_monitoring）----B

6）服務化合層首先根據激活事件抽取相關的事件，并進行著色，顯然event_start_monitoring被記為Y，其他事件記為G。服務化合層首先從化合規則數據庫抽取化合規則，參考數據庫中的設備信息、和禁止規則，并對化合規則進行隱患檢測，當化合規則不包含安全事故隱患的情況下生成可執行事件鏈。例如：

（1）服務化合層取得規則A；

（2）服務化合層首先利用規則Rp檢測發現規則A不存在功率隱患，再利用禁止規則庫中的規則、設備信息庫進行檢測，在利用規則event_tv_display-＞event_camera_capturing進行檢測時，發現該隱患規則序列出現在了規則A中，則說明A是存在事故安全隱患的規則，規則A不能用于事件鏈的生成。

（3）與（2）過程相同，對規則B進行檢測，發現B能用于事件鏈的生成。

根據沒有隱患的化合規則，利用子網互聯層的運行平臺中的事件管理器EM注冊的事件和注冊表（Registry）注冊的服務最終形成事件鏈，如圖5所示。

圖5　實例中生成的事件鏈順序圖

在圖5中，存在于同一個框內的兩個事件，表示它們可以被同時發出。

7）事件管理器EM根據服務化合層形成的事件鏈，為解決事件鏈跨子網問題，通過對事件鏈上的事件對應的子服務進行分析，能夠把該事件鏈拆分為各子網的事件鏈。同時事件管理器EM完成子網互聯層內的事件鏈注冊。

8）各子網收到的事件車間及子網按所形成的事件鏈注冊事件。

Jini：event_camera_capturing-＞event_image_transfering-＞event_camera_transferstopped-＞

event_doorbell_sleep（event_start_monitoring）；HAvi：event_tv_ready-＞event_tv_display。

4.2服務階段

門鈴按下，門鈴按鈕的開關監測服務發出event_camera_capturing事件，激活Jini代理服務。Jini代理發出指令命令攝像頭捕捉視頻流，攝像頭捕捉視頻流的同時，發出用來激活電視進行接收準備的event_tv_ready事件，這時HAvi代理服務被激活并發出指令命令電視機著手開始準備視頻流接收，電視機準備接收視頻流工作結束后，電視機發出event_image_transfering事件給攝像頭，攝像頭就開始傳輸圖像。與此同時，攝像頭發出event_tv_display事件給電視機，電視機開始播放圖像，經人工確認后，電視機發出event_doorbell_sleep事件給門鈴，讓門鈴停止鳴叫，同時發出event_camera_transferstopped事件給攝像頭，命令攝像頭停止圖像采集和圖像傳輸，發出黃色事件event_start_monitoring給室內監控系統激活監控系統開始工作。當攝像頭收到該事件后也退出工作狀態。

利用改進的MHNA模型完成整個過程的流程如圖6所示。

圖6　實例執行過程圖

5　小結

筆者對MHNA模型進行了改進，對該模型中家電設備分子化服務的形式化描述進行了細化和完善。改進的重點放在化合規則在智能家庭事故安全的檢測和預防方面。通過智能家庭能耗功率的檢測、設備分類、事件著色和對化合后的分子化服務的事件時序進行檢測，完善了具有協作關系的智能家電的分子化服務的事件鏈構成。而且通過在化合規則應用前引入禁止規則進行優化，不僅保障了安全，而且提升了智能家庭網絡工作的效率，使MHNA體系模型具備了事故安全檢測、安全預防、事故處理的能力。

物聯網技術［11-12］和嵌入式技術［2］的廣泛應用推廣，為智能家庭網絡的應用提供了更廣闊的應用空間，但是事故安全才是智能家庭得以實施的基礎和前提之一，也是家電協同和信息安全問題的前提，本文最后通過利用改進的形式化描述、事件鏈形成過程、服務序列執行過程，對實例進行了詳細解析，說明了事故安全檢測如何實施，證明了這個改進的MHNA模型在事故安全檢測和預防方面的可行性和有效性。

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Research on Accident Security Detection of Smart Home by Improving MHNA

SUN Weiqiang1，ZHANG Qian2
（1.Liaoning Radio and TV University，Shenyang 110034，China；2.TSD of Neusoft，Shenyang 110004，China）

In order to make the MHNA model which is one of the smart household network’s architecture model can detect and prevent accident from occurring.After the relate theory is given，the formal description about molecular service of Smart household appliances in this model is improved，the chemical combination device is designed；both the structure and the working mechanism of intelligent support layer and service combination layer are also improved in this model.The above work enabled this model have power to detect and prevent the security accidents.This improved model is used to analyze and descripts the procedure of a concrete application instance in the end，it is proved the better effect can be made while the model is applied to detect and prevent the security accidents in smart home network.

smart home；smart household appliance；molecular service；accident security

TP393

A

10.16280/j.videoe.2015.10.009

時雯

2014-09-19

孫偉強（1975—），講師，碩士，主研數據挖掘、信息安全、計算機網絡等；

張騫（1979—），系統分析師，博士，主研體系結構、分布式計算、人工智能等。