《智能物联网技术与应用》课件 第八章 数字孪生技术

第八章

数字孪生技术01情景感知技术概述上章内容02智能物联网环境下的情景感知技术03情景感知技术的发展趋势02协同联盟技术本章内容03协同方法01协同技术概述04协同技术的问题协同技术概述8.1协同技术是智能物联网的基石、发展的重要方向，旨在解决资源、任务、信息三大核心问题。协同问题三大核心领域：协同资源的使用：解决资源有限性（能量、通信能力等）协同任务的分配和执行：优化任务分解与并行处理协同信息与信号处理：处理异构数据聚合与动态网络不稳定性问题协同技术的基本概念协同技术的必要性-执行层面能量有限：依赖电池供电，需协同延长网络寿命通信能力有限：通过多跳路由与数据融合弥补执行能力有限：需协同感知以获取全局信息分布式部署：通过协作提升灵活性与可靠性04030201协同技术的必要性-应用层面多任务并行性统筹多用户请求，优化资源调度实时性优先分配资源给高实时性任务资源竞争解决用户对资源的独占冲突，减少等待时间协同技术的七大挑战可扩展性：网络规模动态变化，需分布式算法支持实时性：平衡协同时间与任务执行时间稳健性：应对设备失效与环境噪声相位变换：临界负载下计算复杂度剧增局部信息与全局目标的矛盾能量问题：协同算法需兼顾能耗优化高效能性：适应不同负载下的性能要求协同联盟技术8.2定义：节点通过协商形成联盟，共同承担任务，调整目标、消解冲突、共享资源，以最优配置和最高效率求解，实现全局利益最大化。在物联网中终端节点视为智能体，通过联盟实现协同。协同联盟

协同联盟过程及其联系

协同联盟过程及其联系定义：通过能力向量、任务需求向量和特征函数，将联盟生成问题形式化为一个组合优化问题。单任务联盟生成

目标：寻找最优联盟C，使V(C)尽可能大多任务联盟生成0201

1.排序2.串行求解利用“熟悉度”指导后续搜索，加速计算3.复用经验依次求解各任务的最优联盟03

核心问题：如何划分联盟效用，保证公平性与稳定性联盟形成机制要求：有效性：各方分享所有共同效用；协同联盟形成的基本理论稳定性：个体、群体、联盟均无动机偏离；简单性：计算与通信开销尽可能小；分布性：不需要中央决策，支持分布式。定义：按节点对联盟边际贡献的加权平均分配效用，公平但计算复杂度与节点数成指数关系，且易导致联盟不稳定。联盟形成方法-Shapley值法缺点：计算复杂度高过分强调平等，忽视具体行动差异。可能导致联盟不稳定优点：公平合理，理论基础坚实充分考虑节点的边际贡献定义：承认联盟形成历史产生的效用不平衡，保证原成员效用“非减”，以鼓励节点扩大联盟。新增效用按当前成员数平均分配，保证原成员效用不减少，激励联盟扩张。节点退出需补偿他人损失，强制维持稳定，但可能打击高贡献节点加入意愿联盟形成方法-非减性效用分配定义：为解决传统方法的局限性，引入模糊评判来量化节点能力贡献，实现更合理的“按劳分配”。原成员效用非减且处于优势；新节点对分配方案满意，不会轻易退出；对节点执行任务具有很好的激励机制。联盟形成方法-基于利益均衡的分配定义：当联盟达到Nash平衡时，任何节点都无法通过单方面改变策略（脱离或加入）来获得更大效用，此时联盟是稳定的。联盟形成方法-联盟形成的Nash平衡问题S中的节点不会脱离联盟，因为无法获得更大效用。01内部稳定S外的节点不会加入联盟，因为无法获得任何效用。02外部稳定定义：在智能物联网中，为实现知识共享和问题分布求解，可采用的通信模式大致划分为5种：无通信模式、消息模式、方案传递模式、黑板模式和Agent通信语言模式等。无通信模式：节点通过“理性”思考和推理而不以通信的方式得到其他节点的任务方案或计划。这种模式适用于节点目标之间没有实质性冲突的情形。会造成系统实现困难、性能降低、系统功能和规模不易扩展等限制和缺点。协同联盟通信机制消息模式：节点使用一组事先约定的格式和规则通过消息形式相互传递计算请求和处理结果，当特定状态出现或预先定义的事件发生时，这些规则就会被激活，节点于是采取相应的行动。协同联盟通信机制方案传递模式：是指在相互协作的节点之间，一方给另一方传递其整个任务方案，相互取得对问题的一致理解和相应的解决方案。但是时空开销较大；传输过程易出错；不灵活；无法在状态多变、不确定的现实环境下应用。协同联盟通信机制黑板模式：每个节点通过直接对黑板内容进行读和写来获得消息、结果和过程信息。特点是集中控制、共享数据结构、解决单一任务效率高。Agent通信语言模式（ACL）：节点可以通过某种“高级”的通信语言来表达它关于其生存环境的认识、观念、态度，以及它的知识、解题能力、合作愿望和方式、情感和它对问题空间的理解和定义。（<原语>，<消息内容>）——原语即消息类型，它的定义基于言语行为理论；消息内容除包含发送者、接收者、发送时间等固定信息外，还包括相关领域信息描述，研究者需给出非形式化的语义解释。ACL中最知名的语言就是KQML。协同联盟通信机制协同方法8.3协商：就是在一群智能体间进行一系列的通信，使得多个智能体为了解决某些共同问题而遵守大家都赞同的协议。合作网：一种基于经济隐喻的协同方法，通过“招标-投标-中标”的流程实现任务分配。适用于任务层次清晰、可分解、耦合性弱的场景。协商&合作网角色：管理者和承包者。管理者是拥有任务的智能体，承包者是执行任务的智能体。合作网定义：允许节点对任务子集进行投标，通过逐步增加任务间的连接，迭代改进分配方案，最终找到全局最优解。步骤如下：1.生成初始分配方案。2.初始化任务连接图，每个向量对应一个任务。3.迭代改进分配方案，过程为：先在两个非连接图间增加一条边，再根据最新增加的边改进分配的方案。基于协商的智能物联网协同方法——迭代式组合拍卖方法在智能物联网的水下声波网络中，移动目标的追踪典型地体现了协同技术的核心挑战：单个终端节点能力有限（仅能测量距离或速度分量），必须通过多节点协同才能完成精确定位与测速。思考定义：为解决大规模网络协同问题，采用分区管理策略，通过预定义组织结构来限制信息传播距离，减少通信量，提高可扩展性。基于组织结构设计的方法简单分层：将网络划分为区域，每个区域设有区域管理员和追踪管理员。垂直分层：在区域管理者之上再形成多层结构，适用于超大规模网络。定义：将协同问题（如检测调度）建模为分布式约束满足问题，利用成熟算法（如DBA,DSA）求解。基于分布式约束满足（DCSP）作用：为了实现不同通信方式和通信协议实体协同互连通信，可以使用代理（Proxy）实现多种通信协议之间的相互转换。代理还可以用作数据缓冲装置，在物联网空间和应用系统之间进行内容匹配和内容过滤等。代理框架主要功能：基于代理的方法适配模块开发适配模块选择语境监测适配模块载入和执行协同技术的问题8.4协同技术的问题在以终端协同为基础的、有基础设施网络与无基础设施网络的融合网络环境中，无线技术的异构性，各种无基础设施网络所共有的多跳性、动态性和自组织性，以及终端之间的协同性会带来路由协议、网络控制技术、移动性管理、服务