數據融合技術

周航正

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

關鍵詞 數據融合 無線傳感器 網絡

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A

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

1數據融合的作用

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

1.1降低網絡能耗

由于單一傳感器節點的監測范圍有限，所以無線傳感器網絡通常會采用大規模布設節點的方式來保證信息采集的完整性和準確性，有時多個節點的監測數據可能完全相同或者極為相似，這使得多個節點上傳的監測數據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，反而會對網絡的能量造成極大消耗。

數據融合技術的意義就是要對上述情況下的數據進行處理，根據信息的相關性和事先預定的規則去除冗余信息，在保證數據完整性的同時盡可能減小數據量。

1.2提升數據準確性

由于各種干擾和節點本身存在的缺陷等問題，單一節點采集到的數據可靠性并不是很高，有可能出現誤報、錯報等情況。

因此靠少數幾個分散的節點采集到的數據是無法保證準確性的，所以要對監測同一目標的多個傳感器采集到的數據進行融合來提升數據的準確性。

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

1.3提高網絡工作效率

數據融合技術減少了網絡中需要傳輸的數據量，減輕了網絡傳輸的擁塞程度，從而減小了網絡的傳輸時延，提高了系統的實時性。即使在極端狀況下，網絡傳輸的數據量沒有變化也可對多個分組進行合并，減少分組個數，降低傳輸過程中的沖突碰撞現象，提高信道利用率。

2數據融合的分類

無線傳感器網絡的數據融合技術可以從不同的角度進行分類，本文根據數據的抽象程度將操作級別的數據融合技術分為以下三類：

2.1數據級融合

數據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據，是面向數據的融合。數據級融合是直接對接收到的傳感器數據進行融合，然后在進行特征提取和屬性判決的數據融合技術。數據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據量較大，數據之間的相似度高，因此融合操作的計算量是巨大的，處理代價較高。另外，數據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據的不確定性、不完全性和不穩定性，要求在數據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點的數據進行處理，然后提取關鍵特征，再執行融合操作。特征級融合通過一些特征提取手段，將數據表示為一系列的特征向量，來反映事物的屬性。作為一種面向監測對象特征的融合，它是利用從各個傳感器原始數據中提取的特征信息，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據量、計算量都不大。關鍵特征的提取就是將傳感器采集到的數據轉化為能體現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據。通常，所提取的特征信息應該是數據信息的充分表示量或統計量，據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，得出對監測目標的初步決策，然后每個傳感器將決策信息傳輸到融合中心，通過決策級融合進行判決，做出最終決策。決策級融合根據用戶的應用需求做出較高級的決策，是最高層次的數據融合。相比前兩個層次的數據融合，決策級融合操作的數據量、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。決策級融合的優點在于實時性好，另外，在出現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數據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據融合算法的優劣：

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

（2）完整性。完整性是指匯聚節點在計算融合后數據時所使用的讀數占所有讀數的百分比。

（3）延遲時間。因為匯聚節點需要等待多個傳感器節點上傳的數據，所以數據融合會使系統產生一定的時延。

（4）信息開銷。數據融合最主要的優點就是能減小信息開銷，從而提高能量效率和延長網絡的生存期。

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

參考文獻

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