數(shù)據(jù)融合技術

周航正

摘 要 本文對數(shù)據(jù)融合技術的作用、分類、衡量標準和技術難點做了介紹，說明了數(shù)據(jù)融合技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的重要性以及數(shù)據(jù)融合技術在改進本系統(tǒng)中起到的作用。

關鍵詞 數(shù)據(jù)融合 無線傳感器 網(wǎng)絡

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

因為無線傳感器網(wǎng)絡通常需要大面積部署節(jié)點來采集盡可能多的信息，但許多節(jié)點可能采集到類似數(shù)據(jù)，而且節(jié)點在收發(fā)數(shù)據(jù)的時候消耗的能量在節(jié)點總能量消耗中占有極大的比例，所以，降低采集數(shù)據(jù)的不確定性和噪聲干擾，并且減少無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的傳輸數(shù)據(jù)量就成為了降低網(wǎng)絡能耗和提升網(wǎng)絡工作效率的重要方式。

1數(shù)據(jù)融合的作用

無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，相對于網(wǎng)絡本身來說，用戶更關注網(wǎng)絡中采集和處理的數(shù)據(jù)。在無線傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)融合技術主要作用在于降低網(wǎng)絡能耗、提升數(shù)據(jù)準確性和提高網(wǎng)絡工作效率。

1.1降低網(wǎng)絡能耗

由于單一傳感器節(jié)點的監(jiān)測范圍有限，所以無線傳感器網(wǎng)絡通常會采用大規(guī)模布設節(jié)點的方式來保證信息采集的完整性和準確性，有時多個節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可能完全相同或者極為相似，這使得多個節(jié)點上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)中會存在大量冗余信息。如果將這些信息全部上報的話，并不會使用戶得到更多信息，反而會對網(wǎng)絡的能量造成極大消耗。

數(shù)據(jù)融合技術的意義就是要對上述情況下的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)信息的相關性和事先預定的規(guī)則去除冗余信息，在保證數(shù)據(jù)完整性的同時盡可能減小數(shù)據(jù)量。

1.2提升數(shù)據(jù)準確性

由于各種干擾和節(jié)點本身存在的缺陷等問題，單一節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)可靠性并不是很高，有可能出現(xiàn)誤報、錯報等情況。

因此靠少數(shù)幾個分散的節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)是無法保證準確性的，所以要對監(jiān)測同一目標的多個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行融合來提升數(shù)據(jù)的準確性。

由于鄰近節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)差異較小，所以即使有個別節(jié)點出現(xiàn)誤報和錯報等情況也可以通過數(shù)據(jù)融合技術來去除異常數(shù)據(jù)。也就是說當個別節(jié)點出現(xiàn)故障時，也可利用其鄰居節(jié)點采集到的信息進行更正，不會影響到整個無線傳感器網(wǎng)絡的正常工作。

1.3提高網(wǎng)絡工作效率

數(shù)據(jù)融合技術減少了網(wǎng)絡中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕了網(wǎng)絡傳輸?shù)膿砣潭龋瑥亩鴾p小了網(wǎng)絡的傳輸時延，提高了系統(tǒng)的實時性。即使在極端狀況下，網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量沒有變化也可對多個分組進行合并，減少分組個數(shù)，降低傳輸過程中的沖突碰撞現(xiàn)象，提高信道利用率。

2數(shù)據(jù)融合的分類

無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合技術可以從不同的角度進行分類，本文根據(jù)數(shù)據(jù)的抽象程度將操作級別的數(shù)據(jù)融合技術分為以下三類：

2.1數(shù)據(jù)級融合

數(shù)據(jù)級融合是最底層的融合，融合對象是多個傳感器采集得到的原始數(shù)據(jù)，是面向數(shù)據(jù)的融合。數(shù)據(jù)級融合是直接對接收到的傳感器數(shù)據(jù)進行融合，然后在進行特征提取和屬性判決的數(shù)據(jù)融合技術。數(shù)據(jù)級融合對原始信息的保留最好，能夠提供其他層次融合所不具有的細微信息。這類融合在大多數(shù)情況下僅與傳感器的類型密切相關，與用戶需求無關。它的局限性主要在于：由于所要處理的傳感器數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)之間的相似度高，因此融合操作的計算量是巨大的，處理代價較高。另外，數(shù)據(jù)級融合是在信息的最底層進行的，考慮到無線傳感器的原始數(shù)據(jù)的不確定性、不完全性和不穩(wěn)定性，要求在數(shù)據(jù)融合時有較高的糾錯能力。

2.2特征級融合

特征級融合是指首先對各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)進行處理，然后提取關鍵特征，再執(zhí)行融合操作。特征級融合通過一些特征提取手段，將數(shù)據(jù)表示為一系列的特征向量，來反映事物的屬性。作為一種面向監(jiān)測對象特征的融合，它是利用從各個傳感器原始數(shù)據(jù)中提取的特征信息，來進行綜合分析和處理的中間層次的融合過程。特征級融合操作的數(shù)據(jù)量、計算量都不大。關鍵特征的提取就是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉化為能體現(xiàn)目標根本屬性的特征向量。特征級屬性融合的關鍵就是提取有效的關鍵特征，去除無效甚至對立的特征數(shù)據(jù)。通常，所提取的特征信息應該是數(shù)據(jù)信息的充分表示量或統(tǒng)計量，據(jù)此對多傳感器信息進行分類、匯集和綜合。

2.3決策級融合

決策級融合是在信息表示的最高層次上進行的融合處理。多個傳感器監(jiān)測同一個目標，每個傳感器在本地完成預處理、特征抽取、識別或判斷，得出對監(jiān)測目標的初步?jīng)Q策，然后每個傳感器將決策信息傳輸?shù)饺诤现行模ㄟ^決策級融合進行判決，做出最終決策。決策級融合根據(jù)用戶的應用需求做出較高級的決策，是最高層次的數(shù)據(jù)融合。相比前兩個層次的數(shù)據(jù)融合，決策級融合操作的數(shù)據(jù)量、計算量最小。

決策級融合直接針對具體決策目標，充分利用了特征級融合所得出的目標的各類特征信息，并給了簡明而直觀的結果。決策級融合的優(yōu)點在于實時性好，另外，在出現(xiàn)一個或幾個傳感器失效時，仍能給出最終決策，因而具有良好的容錯性。

3數(shù)據(jù)融合算法的衡量標準

我們一般用以下幾個衡量標準來判斷數(shù)據(jù)融合算法的優(yōu)劣：

（1）準確度。準確度是指通過數(shù)據(jù)融合算法后得到的值和數(shù)據(jù)真值的差，是衡量數(shù)據(jù)融合算法優(yōu)劣最重要的標準。

（2）完整性。完整性是指匯聚節(jié)點在計算融合后數(shù)據(jù)時所使用的讀數(shù)占所有讀數(shù)的百分比。

（3）延遲時間。因為匯聚節(jié)點需要等待多個傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)融合會使系統(tǒng)產(chǎn)生一定的時延。

（4）信息開銷。數(shù)據(jù)融合最主要的優(yōu)點就是能減小信息開銷，從而提高能量效率和延長網(wǎng)絡的生存期。

數(shù)據(jù)融合技術能夠有效的降低系統(tǒng)能耗，提高數(shù)據(jù)準確率，但也會給系統(tǒng)帶來一些負面影響。比如，增加了系統(tǒng)時延，降低了系統(tǒng)的魯棒性，所以一個好的數(shù)據(jù)融合算法應該權衡各種因素，以保證系統(tǒng)的良好運行。

參考文獻

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