展柜微環境下多傳感器信息融合主要算法設計

溫永剛 王琬茹

1.天津商業大學寶德學院 天津 300384；2.天津工業大學 天津 300382

隨著文物預防性保護理念以及工業智能制造理念的日益深入，國內眾多相關文物保護制造企業依托各項新技術，在新型智能文物展柜的設計生產與制造過程方面逐步探索出了物聯網技術與文物預防性保護理念深層次智能融合的研究發展方向。因為微環境的保持對展柜內文物的穩定保存起著至關重要的作用，所以智能文物展柜的設計中需要重點面對與解決的問題是展柜內微環境的實時監測與環境參數調整。而文物展柜微環境所涉及的影響因素是多種多樣的，可以涉及溫度、濕度、光照、紫外線等多種影響因素。如何解決多環境參數綜合作用與影響下的微環境穩定性監測與調控，無論是從監測方面的數據模型建立還是環境參數調控時的有效性評價，都需要相應的算法與策略設計。

1 文物展柜微環境下多環境參數信息數據預處理

復雜環境下文物展柜內微環境監測與控制過程中，需要同時對采集得到的多種環境參數數據進行綜合處理。而系統首先要解決的重要問題就是多種監控數據的數據融合會導致多數據通道之間噪聲與干擾的產生是無法避免的，它對系統多環境參數數據采集的精確性與調控的穩定性起著至關重要的影響。而解決這一問題的思路，即是在對采集的多數環境數據進行分析處理之前進行數據預處理，主要解決時間配準與異常值剔除兩項任務。

1.1 展柜微環境下多傳感器數據的時間配準

多傳感器信息數據預處理過程中首先要解決的問題是傳感器配準。如同數據通信過程中要解決的傳輸同步問題一樣，多傳感器環境下多傳感器數據也需要無誤差地完成同一時間基準的采樣、轉換以及數據傳輸。而在實際工作環境中，不同傳感器其采樣頻率、轉換周期、數據上傳周期等參數都有著較大的差異，并且受數據傳輸模式造成傳輸延遲也大不相同，因此必須要將各個傳感器不同步的測量數據完成融合前的同步準備。

對于本系統而言，因為涉及的展柜微環境監測傳感器工作模式都是處于相對勻速運動模型的采樣，因此本系統的傳感器時間配準采用最小二乘配準法來完成。采用的基本思路是利用最小二乘配準算法策略，將系統內所有微環境監測傳感器某個時間階段內多次的測量數值合成為一個虛擬的測量數值，減少多個環境監測數值之間的差異影響，進行統一量化。

1.2 異常值剔除

在統計學中所謂的異常值代表的是測量數據集合設D={Y(T1)，…Y(TN)}為對動態目標的一序列跟蹤測t數據所組成的集合，D中嚴重偏離大部分數據所呈現變化趨勢的一小部分數據點稱為異常值。本系統擬采用的是3σ準則進行異常值分析，簡單且實用。其對傳感器上傳數據進行融合之前進行分析判斷，對于某一傳感器數據值隊列，規定測量中出現的異常值只含有隨機誤差。而根據隨機誤差的正態分布規律，其殘余誤差落在±3σ以外的概率約為0.3%，若發現有大于3σ的殘余誤差的測量值，系統將該點認定為一個異常值，系統要予以剔除。當然前提假設系統傳感器獲得的數據樣本服從于同一個正態分布，因此該方式對傳感器異常監測值的剔除是一個近似的方法。

2 數據關聯算法

文物展柜內微環境監測與調控需要解決的一項重要問題即是對多環境監測數據實施數據關聯。因為影響文物展柜微環境的穩定性調控涉及多項環境參數數據的監測與分析處理，而在復雜環境下數據雜波與彼此的干擾會對測量數據值產生不確定性，只有通過對測量數據進行數據關聯才能實現多維數據融合，為系統性的監測與調控提供數據基礎支持。

2.1 數據預選

數據預選階段是實施微環境監控數據關聯的基礎數據操作，實施的基本思路即是將展柜內各種環境參數傳感器所獲取的各種測量數據根據展柜所處的實際環境情況進行信息選擇與排除過濾，最大程度保留傳感器獲取的真實有效數據。

2.2 計算關聯矩陣

關聯矩陣可定量描述量測—量測對或量測—目標對間相似程度，包括了數據關聯度量標準、邏輯原則、相似性計算方法等方面，是數據關聯的重點步驟。一般常根據實際應用情況選擇某種相似性度量方法對落入關聯門之內的每一個量測計算關聯度，根據量測和目標之間的關聯度建立對應關聯矩陣。目前，用于衡量量測—量測對或量測—目標對間聯系度的方法有：概率相似法、距離度量法、關聯系數法等。

2.3 選擇合適的賦值策略

在構造的關聯矩陣基礎上，需選擇合適的賦值策略將量測分配給目標，實現真正的關聯并進行狀態更新。通常賦值策略分兩大板塊內容：分別是基于算法的賦值策略與基于非算法的賦值策略，本系統在賦值策略選擇依據方面主要是針對文物展柜內微環境監測實際情況以及系統對數據關聯的具體要求。

3 基于模糊評價的文物展柜微環境狀態辨識算法設計

3.1 模糊綜合評判

模糊評價理論的基本思想是利用模糊數學變化原理，將與評價對象有關的各個方面因素統一考慮在內，形成一個對評價對象全方位的綜合性判斷。在文物展柜微環境調控系統中，當系統接收到各傳感器的數據信息后，因為各環境參數之間存在著較為密切的影響關系，例如，光照與溫、濕度數值之間存在著互相的影響，因此在制定微環境調控策略時需要對微環境中各種傳感器的測量數據進行綜合研判。

模糊評價理論的基本方法是設置指標集與評判集，其中設置U={u1，u2，u3…，un}文物展柜微環境下的n種調控指標，稱之為微環境調控目標指標集。V={v1，v2，v3…，vm}是為U中諸指標制定的m種評判集。需要注意的是，兩類集合中的名稱與具體的元素數量是通過人為判斷進行命名與設置。因為在實際使用中無法做到對指標集V進行完全與完整的指標設置，帶有一定的模糊性，故在本系統設置該評價集時采用的是V上的一個模糊子集V’={v’1，v’2，…，v’m}∈F(V)。

3.2 模型建立

將模糊綜合評價原理運用到文物展柜微環境狀態識別與調控的過程即利用多個傳感器的測量數據內容對模糊對象進行模糊評定得出對應的模糊矩陣，然后根據各個評定因素的權重進行綜合，以得到初步的融合結果，針對該微環境調控的狀態辨別模型設計步驟如下：

(1)確定指標集并建立評判表。

(2)構建評判矩陣。

(3)確定權重向量。本系統所涉及的主要影響展柜內微環境穩定性的環境參數傳感器對應的指標權值確定，所依據的是國家制定的相應的文物保護環境標準。

(4)生成合成算子。將制定微環境傳感器權重向量與決策矩陣的合成結果作為評語集上的模糊子集，并生成對應的合成算子。

4 DS證據理論在微環境多傳感器數據決策級數據融合的算法設計

當前微環境下的環境數據感知的研究在多參數監測與數據融合方面還有較大的短板。重要的原因是這些環境因素的傳感器一方面本身受溫、濕度影響較大，另一方面彼此之間又存在較強的交叉敏感性。這就造成了多源性環境感知數據存在著較大的誤差，無法準確地體現微環境的真實情況。因此對環境感知數據誤差的補償修正直接影響到整個微環境穩定性的調節，本項目針對文物展柜微環境監測平臺得到多源性環境感知數據，對其存在的交叉敏感誤差與實際監測過程中產生的動態誤差的檢測與修正主要涉及兩個方面內容：首先是展柜內微環境調控目標值的合理確定；其次是在目標值確定的基礎上對微環境調控精度的保證。對于前者本課題的解決思路是擬采用DS證據理論對文物展柜中所涉及的各種傳感器數值信息進行數據融合處理，通過理論計算以期達到制定相對最優的環境調控目標的目的；而對于后者則是通過運用控制理論中的不變性原理設計多參數下的耦合調控算法模型。

4.1 文物展柜微環境狀態下多傳感器信息融合對精確度調控目標的影響因素分析

對于文物展柜內微環境中的溫、濕度調控效果而言，主要的影響因素在于供氣設備與展柜并不處于同一位置，必然存在兩位置之間的溫、濕度值的差異。同時，由于距離的關系傳送氣體的管道在進行氣體輸送時也會產生不可避免的損耗與誤差。

微環境調控設備可以采用單機服務模式與多機聯網服務模式，隨著物聯網技術與無線通信技術的不斷深入應用，展柜微環境調控日益向網絡化方向發展，進而由一組調控設備通過管道線路連接多臺文物展柜進行統一網絡化氣體供應與調節的綜合性微環境調控系統是當前文保研究與制造的重點研究方向。進行微環境溫、濕度調節過程中，系統不僅需要對被調節展柜的微環境溫、濕度數值與調控設備氣體輸出端口的溫、濕度數值進行采集，還需要考慮到調控設備出口測量的氣體濕度值與調控對象文物展柜內實際氣體相對濕度值的不一致性，會產生調控的偏差。例如，某書籍文物展柜要求保持的微環境最佳溫度為20℃，濕度值為55%，此為調控目標。調控設備所在機房的溫度值為25℃，如果僅是在設備氣體出口處測量的濕度值為55%，當氣體通過管道到達展柜后。隨著展柜內溫度值的下降，根據相關公式可以推算出，氣體的飽和含水量會隨著溫度降低而降低，最終導致展柜內的相對濕度上升，會超過55%的預期目標值，造成展柜內微環境調控出現偏差。

同時，由于在實際應用過程當中，設備機房與展廳展柜之間有一定的距離限制，導致氣體在管道中的傳輸會有一定程度的數量損耗，最終進入展柜內的氣體總量會小于設備出氣口的氣體輸出量，這也會對最終的展柜微環境調控結果產生影響，無法實現精確調節。

本研究的出發點是通過設計基于文物展柜微環境控制的多傳感器融合算法，運用DS證據理論，通過對文物展柜內置溫濕度傳感器獲得的數據信息、展柜所在環境中溫濕度傳感器獲得的溫濕度數據信息以及供氣裝置所在設備間出氣口的溫濕度數據信息進行信息融合，即可以對文物展柜微環境中溫濕度測控的目標值計算出相應的調控方向，并對調控效果進行優化。

4.2 系統功能模型設計

系統的功能模型在設計上采用三級融合模式設置，分別為數據級融合、特征級融合以及決策級融合。該模型將各場所內溫濕度傳感器獲得的實際數據信息與展柜目標溫濕度信息作為模型的初始數據，第一層是對這些數據進行初級的數據級融合，該層融合的主要任務是完成偏差值的計算，包括當前文物展柜內部空氣溫濕度值與目標溫濕度值之間的偏差值以及設備間內出氣口相對濕度與展柜目標溫濕度值之間的偏差值。第二層是對數據級融合中出現的偏差實施特征提取，進行特征級融合。第三層是決策融合，通過運用DS證據理論實現特征信息融合，并最終得到優化的調整方案結果。

4.3 系統結構模型設計

系統結構設計采用倒置式結構，首先，通過展廳文物展柜內目標溫度值T1計算出展柜內氣體在該溫度下的飽和含水量數值X1(T1條件下極限水蒸氣含量值)，再通過對展柜內的目標相對濕度值Y1計算出達到該相對濕度時的目標絕對濕度值Z(既理想狀態下單位體積展柜內氣體中所含的水蒸氣含量值)。其次，利用氣體提供裝置在設備間內溫度值T2，計算出在該溫度值下供氣裝置出氣口處所提供氣體的飽和含水量數值X2(T2條件下極限水蒸氣含量值)，最后，通過展柜內的目標絕對濕度值Z與X2的比值計算得到供氣裝置出氣口處所提供氣體的理論調控目標相對濕度Y2。將得到的展柜內的目標相對濕度值Y1、設備間理論調控目標相對濕度Y2以及當前溫度下展柜內的實際相對濕度Y3進行判斷比較。如果存在相應的偏差，如果存在偏差則計算出該偏差值，作為下一級融合對象，以完成最后的數據修正。

5 系統整體方案設計

針對影響文物展柜的微環境穩定性的主要環境參數：展柜內的溫度、濕度、氣體(尤其是有害氣體)、光照、紫外線強度、有害生物等，本研究課題擬開發設計一種多參數的展柜微環境測控系統，在監測文物展柜微環境各項參數的同時對展柜內進行微環境調控，達到文物預防性保護的最佳效果，該系統綜合物聯網與網絡通信技術實現展柜微環境數據的監測、采集、傳輸與參數調控，并通過C/S結構網絡模式將數據信息送達后臺服務器端，實現系統數據的集中式管理。

5.1 系統硬件設計方案

綜合而言，該系統在硬件設計方面需要完成監控數據集成端與微環境控制端兩個主要組成部分。其中的監控數據集成端負責完成展柜內多個傳感器信號的采集與預處理，并完成對后臺服務器端環境信息的上傳與相關環境調整裝置控制指令的下達；微環境控制端的主要功能是通過接收服務器的下達的操控指令，實現外界空氣進量閥門的精確控制。

5.2 總體軟件設計方案

系統主要的軟件設計包含三個主要組成部分：監控數據集成端軟件設計、微環境控制端模塊軟件設計與后臺服務器端軟件設計。

監控數據集成端軟件設計主要包含了傳感器采集程序設計、人機界面交互設計、通信功能模塊設計、與微環境控制端模塊數據通信模塊設計。微環境控制端模塊軟件設計主要包括與監控數據集成端數據通信模塊設計、閥門開合控制模塊設計及開合度檢測功能設計。后臺服務器端軟件設計主要包括人機交互界面設計、通信功能模塊設計與溫濕度控制功能模塊設計。