面向CPS系統的通信數據價值評估建模研究

李建武，張　治，董　蕾

( 1.中國電子信息產業發展研究院 網絡空間研究所，北京 100846；

2.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

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面向CPS系統的通信數據價值評估建模研究

李建武1，張治2，董蕾2

( 1.中國電子信息產業發展研究院 網絡空間研究所，北京 100846；

2.北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

摘要：信息物理系統(Cyber Physical System,CPS)集計算、通信、控制為一體，通信在其中發揮著不可替代的作用。CPS系統的復雜集成特性，決定了其存在海量異質的數據，如果采用傳統的透明通信方式，不考慮數據的價值，勢必造成系統資源的極大浪費，降低網絡系統的傳輸效率。因此，提出了基于數據價值進行選擇性傳輸的理念，結合認知自適應方法構建了通信數據價值的評價模型。通過研究綜合多指標的信息價值熵理論的CPS信息綜合評價模型，解決CPS系統中業務信息的選擇性傳輸問題。提高CPS系統中數據的高效傳輸，有望解決CPS系統中數據傳輸的海量性和實時性難題。

關鍵詞：CPS；信息價值熵；認知自適應；信息價值評價；選擇傳輸機制

0引言

隨著嵌入式計算、無線感知網絡、網絡化控制等技術的快速發展和持續融合，信息物理系統(Cyber Physical Systems，CPS)受到研究人員的關注。美國國家科學基金會最早提出CPS的定義[1]：“計算資源與物理資源間的緊密集成與深度協作”。除美國外，歐盟、日本和韓國等也開展類似研究，歐盟在近期啟動ARTEMIS等重大項目，將CPS作為智能系統的一個重要研究方向[2-4]。近年，我國也啟動了面向CPS的系統平臺的“863計劃”項目[5]。

CPS是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統平臺，其核心是通過3C (Computation,Communication and Control,3C)的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務，以使系統更加可靠、高效和實時協同，并具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。作為面向資源優化配置和高效能持續利用的智能系統，CPS實現計算資源與物理資源的緊密結合，能夠從根本上改變人與物理世界交互方式[6]。然而，目前CPS系統研究剛剛起步，面臨眾多挑戰亟待解決[7-9]，其中異質海量的數據傳輸問題是本文研究的重點。

1研究方案

CPS是一個多維度開放式系統，具有高度的復雜性，能支持建造國家甚至全球范圍內的大型或者特大型物理設備網絡。它是由諸多具有通信、計算和決策控制功能的設備組成，使物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調及自治功能，所有設備相互協作，使整個系統處于最佳狀態。在系統中參與信息傳輸的設備繁多、業務多樣，造成了CPS中存在大量的異質海量數據，其數據的可靠傳輸成為CPS發展的難題。

在傳統通信系統中，信息以透明方式進行傳輸，如果不考慮待傳輸信息的價值，發送的大量無價值信息會造成傳輸時延過大和系統資源的極大浪費，降低網絡系統的傳輸效率。因此本文提出基于價值評估的非透明傳輸方案。非透明傳輸能高效整合系統資源，實現通信數據的高效傳輸，降低通信系統的傳輸時延，提高CPS資源利用效率，意義重大。同時，對其他無線網絡，尤其是無線傳感器網絡具有重要的指導意義，并且對于“互聯網”向“互聯網+”時代過渡起到了不可估量的推動作用。

本研究目標是建立面向CPS具有認知自適應能力的通信數據價值評估模型，從CPS中信息價值與業務需求的內在關系出發，結合系統論和信息論給出基于業務的信息價值熵的定義，提出基于信息價值熵理論的具有認知自適應功能的信息評價模型，研究基于認知自適應的深度學習方法，實現對業務信息的自我價值評估和自我選擇性傳輸等關鍵技術，建立完善的仿真平臺，用于對價值評估模型和信息選擇性傳輸機制進行性能分析和測試驗證。

1.1綜合多指標信息價值熵

CPS可以用于多種不同應用場景，如交通、醫療、電力、制造等。每一CPS應用場景中廣泛分布著多種不同類型的傳感器，它們采集的信息種類多樣(如：文字信息、圖像信息、音頻信息和視頻信息等)，其重要程度和復雜程度不盡相同。信息的重要程度和復雜程度共同決定了信息的價值。從重要性角度看，信息越重要，則價值越大；從復雜性角度看，信息變化越劇烈，突發事件越多，則價值越大。傳統的透明傳輸沒有考慮待傳輸信息的價值，發送的無價值信息造成了系統資源的極大浪費。因此，考慮通過研究基于價值評估的非透明傳輸機制來合理、高效利用系統資源。

在評估信息價值的過程中，提出綜合多指標的信息價值熵概念來對信息價值進行理論指導。信息價值熵的定義是：信息價值熵用來描述信息價值的不確定性，衡量信息的價值高低，信息熵越大，價值越高。

擬考慮通過事件發生的概率來定義事件的信息量，事件Si的信息量為：

Ii=-log2pi。

pi為事件i發生的概率，從上面描述可知，信息的價值與信息的重要程度和復雜程度有關，復雜程度與信息的變化快慢有關。由此，可先定義事件變化的概率為pij，變化概率可以通過轉換概率或者其他形式定義。事件的重要程度權重為wi，因此，可擬定義信息價值熵為：

事件的重要程度權重wi與事件Si的特征參量和目標對Si的需求有關，Si經過特征提取后的特征參數矩陣用αi表示，目標對Si的需求程度用βi表示。wi是關于αi和βi的函數，暫且用f表示，即：

wi=f(αi,βi)。

本方案試圖解決信息價值重要程度權重的定量表示問題，即函數f(αi,βi)是否有閉合的表達式問題。在此基礎上，找到一種合理的非透明傳輸機制，依據信息價值權重的大小對信息進行選擇性傳輸，信宿分析接收到的信息實時調整需求程度βi并反饋給信源，優化信息價值重要程度權重表達式。

1.2基于信息價值熵的CPS信息綜合評價模型

在信息價值熵理論基礎上，構建cps信息價值綜合評價模型，通過認知學習對信息進行自適應調整篩選，有望實現從海量數據中挑選“有價值”的信息進行傳輸，如圖1所示，其具體研究方法如下：

步驟1：研究基于價值熵理論的信息選擇方法。cps系統中，首先對大量部署的傳感器收集的海量信息進行統一的數據特征參數表征，采用適當的算法量化特征在衡量信息價值大小時所占的權重；接著分析信息的屬性參數和業務參數之間的關系，使用信息價值熵理論模型進行信息屬性參數估計、信息維度估計等計算，得出信息基于某一業務參數的價值；然后設定信息價值的門限值對傳輸的信息進行選擇，對達到門限值的(符合業務需求)信息進行之后的計算、處理，而未達到門限值(不符合業務需求)的信息則被擯棄。

步驟2：研究基于認知的信息預處理方法。在海量信息特征表征、參數估計、維度估計的基礎上，通過信息感知、深度學習、知識推理和綜合等方法對海量信息進行預處理，包括消除重復信息、消除噪聲、數據類型轉換、業務分級、傳輸信息調整篩選等，實現對海量信息的初步“過濾”，有效減少信息傳輸和存儲時間，提升CPS中信息計算、決策控制效率。

步驟3：研究面向CPS的基于認知自適應的信息價值評價機制。首先對符合業務需求的有價值信息通過CPS中的計算、決策和控制模塊實現對物理實體的改變，獲得用戶體驗反饋；然后通過認知學習，不斷調整信息選擇模型的參數設置，改進參數估計、維度估計等算法，優化信息選擇方法的同時優化信息預處理方法，實現信息價值評價機制的自適應性，對減少信息傳輸時延、降低信息計算復雜度、提高資源利用效率、促進系統高效運轉具有重要意義。

圖1　面向CPS的基于認知自適應的信息價值評價模型

1.3基于認知自適應的信息評價與傳輸管理技術方案設計

1.3.1認知學習方法

在海量數據情況下，傳統的淺層學習難以勝任充分發掘海量數據中蘊藏的豐富信息，基于認知概念的理解，在此基礎上研究認知學習方法，通過構建具有多層的認知學習模型和海量的訓練數據，來學習更有用信息的特征。通過基于信息價值熵的CPS信息綜合評價模型的研究，擬采取一種具有一般描述意義的認知學習方法。

如圖2所示，學習作為認知模型學習能力的提供者，包含多種的機器學習方法。判斷功能為認知功能提供最初的信息判斷機制。推理功能為認知模型提供多種推理能力，對認知環路中的計劃和決策功能提供支持。決策功能為認知模型提供優化回饋能力，對推理所形成的策略進行優選，因此決策功能往往結合推理功能使用。

圖2　認知學習流程圖

1.3.2優化信息評價模型方案

(1)認知自適應的信息價值評價機制

針對信息價值判決準則的結果進行認知學習，通過評價反饋回環，將認知學習結果傳遞給信息價值評價模型，信息價值評價模型將反饋學習結果用來對自身評價機制進行優化調整，進而不斷優化有價值信息提取、信息預處理，從而最終提升信息價值評價結果或信息價值判決預測的準確性。

(2)有價值信息處理

① 信息表征

CPS信息產生于多域的認知環境，具有復雜性、多變性的特性。因此需要對信息價值進行合理的表征。在表征的過程中需要對無線環境域、網絡環境域以及用戶環境域進行粗細粒度的表征。認知信息表征的關鍵是需要通過模式識別、信息融合和機器學習等方法，從大量數據中提取有價值的信息，因此認知信息表征需要解決的一個關鍵問題是將隱藏在大量數據中的信息價值提取挖掘出來，便于認知CPS管理設備所理解。

② 信息度量

在CPS環境中，受到傳遞有價值信息信道容量的影響，需要進一步考慮如何在保障信息有價值的情況下減少信道流量。因此，需要通過數學分析度量信息價值，研究信息價值增益與認知開銷之間的關系，以度量結果指導構建合理的認知方法、決策需要認知的信息價值以及認知的信息價值量。

1.3.3優化傳輸管理方案

針對CPS中業務的動態變化，擬研究基于認知學習方法的業務選擇傳輸預測機制，以及最優業務選擇傳輸的評估方法。具體如下：

(1)基于認知學習的非透明自適應傳輸機制

研究不同應用場景下的傳輸進行自適應管理，使模型的信息傳輸具有自適應的功能；從系統性能的角度，研究設計針對傳輸性能的認知學習方法；從用戶需求角度，對實際用戶體驗結果的認知學習方法。

(2)基于認知回環中反向控制的優化方法

針對CPS中多域環境感知、資源管理和控制的自主性要求，通過認知學習將傳輸性能結果反饋給信息評價模型，從而形成統一的信息價值框架來指導和解決多種信息業務的傳輸管理與分配的關鍵問題，指導業務選擇性傳輸。

(3)均衡信息傳輸與信息價值的博弈研究

通過認知學習回環，調整信息價值評價模型，針對信息傳輸速率、實時性和可靠性等系統性能需求與用戶實際對信息價值量的需求進行博弈研究，找出兩者的博弈均衡點，實現信息傳輸性能和信息價值量的最大化。

2技術路線及驗證方案

本研究的技術路線，如圖3所示。

圖3　研究技術路線圖

作為基礎性科學研究，合理地制定實驗方案，前期理論論證以及設計驗證平臺，是方案成功與否的關鍵。實驗方案包括以下組成部分：信息價值熵的理論推導、綜合多指標多維信息價值熵算法仿真和認知自適應的信息價值評價機制的構建。

2.1信息價值熵理論推導

圖4　信息價值自適應評估過程

2.2綜合多指標多維信息價值熵算法仿真實驗

在理論推導的基礎上，利用計算機對信息進行參數分析與特征數據提取，對得到的信息參數特征進行仿真特性分析。在獲取信息參數特征數據后，利用所研究的信息價值熵理論，對信息和信息參數利用計算機仿真進行信息參數統一表征、權重分配、估計，以及信息維度估計和降維，得到信息的價值熵表征。

2.3認知自適應的信息價值評價機制研究

從CPS實際應用場景出發，建立具有不同業務需求的CPS仿真模擬場景，以所研究的多指標多維信息價值熵算法以及信息價值判決準則為基礎，加入認知學習實驗，包括機器學習、統計分析、反向控制優化、信息傳輸與價值博弈等實驗手段，綜合分析信息評價機制輸出結果、用戶反饋、系統性能需求等指標，進行認知自適應信息評價機制組合實驗。

3結束語

本研究從CPS中信息價值與業務需求的內在關系出發，研究系統的信息價值理論和信息傳輸理論，分別提出基于業務的信息價值熵定義和通用模型，以及基于價值熵理論的具有認知自適應功能的信息傳輸模型。通過建立分析仿真平臺，形成完善的價值熵理論模型和信息傳輸模型性能分析和測試驗證；有望實現信息價值評價機制的自適應性，對減少信息傳輸時延、降低信息計算復雜度、提高資源利用效率、促進系統高效運轉具有重要意義。

參考文獻

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Research of Communication Data Value Assessment Model Based on Cognitive Self-adapting for CPS

LI Jian-wu1，ZHANG Zhi2，DONG Lei2

(1.Institute of Cyber Space of CCID,Beijing 100846,China;2.College of Information and Communication Engineering of BUPT,Beijing 100876,China)

Abstract：Cyber Physical System (CPS) integrates the functions of computation,control and communication together.The complex integration of CPSs has huge device groups to constitute a large heterogeneous network by interconnection,and both devices and businesses are miscellaneous and various.The key point is the research on how to transfer the valuable information in different businesses effectually and reliably in limited transfer resources.In this paper,we propose a concept of selective transmission scheme based on data value,and construct an evaluation model for the value of communication data by combining the cognitive adaptive method.CPS information comprehensive evaluation model,based on the comprehensive evaluation of information value entropy,is studied to solve the problem of selective transmission of business information in CPS system.Improvement of data transmission efficiency in CPS system is expected to facilitate mass and real-time data transmission in CPS system.

Key words：CPS; cognitive adaptive; entropy of information value; selective transmission mechanism

中圖分類號：TN91

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-12-4

作者簡介：李建武(1984—)，男，博士，主要研究方向：移動網絡安全及應用。張治(1977—)，男，副教授，主要研究方向：寬帶移動通信、5G關鍵技術、信號檢測與處理等。

收稿日期：2015-11-02

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.03

引用格式：李建武，張治，董蕾.面向CPS系統的通信數據價值評估建模研究[J].無線電通信技術,2016,42(2):12-15,40.