Rambler's Top100
Статьи ИКС № 11 2014
Михаил САМСОНОВ  Александр РОСЛЯКОВ  Александр ГРЕБЕШКОВ  11 ноября 2014

Когнитивный интернет вещей. Вещи все лучше адаптируются к людям

Интернет вещей (Internet of things, IoT) – как открытая парадигма – обогащается принципами когнитивности, которые предполагают кооперацию и «разумность» мириад взаимосвязанных объектов. 

Александр Гребешков, технический директор филиала, ГК «Старт»  Александр Росляков, заместитель директора филиала по перспективным разработкам, ГК «Старт»  Михаил Самсонов, вице-президент, ГК «Старт»

Когнитивность в радиосетях

 П р и н ц и п   к о г н и т и в н о с т и

Когнитивность предполагает наличие у объекта следующих свойств:

способность к анализу своего состояния и к последующей реконфигурации с учетом состояния окружающих объектов и для достижения целей, обусловленных выполняемыми задачами;

способность адаптировать свое состояние к имеющимся условиям или событиям на основе определенных критериев и знаний о своих предыдущих состояниях;

возможность динамически изменять свою топологию и/или эксплуатационные параметры в соответствии с требованиями конкретного пользователя;

самостоятельный выбор определенной конфигурации на основе правил и в условиях распределенного управления;

возможность самостоятельно планировать свою работу в сложившейся ситуации.

Идея когнитивноcти применительно к свойствам радиоэлектронных средств (РЭС) впервые была высказана еще в 1999 г., а позднее оформилась в виде концепции когнитивного радио (Cognitive Radio, CR). Суть CR заключается в том, что беспроводные абонентские устройства (например смартфоны) и связанные с ними сети могут быть достаточно автономны и «разумны» при выборе и использовании доступных радиоресурсов и сетевых коммуникаций. «Правила поведения» таких устройств зависят от потребности пользователей в определенных услугах. При этом РЭС должны обеспечивать оптимальное и помехозащищенное использование радиоресурсов.

Устройства когнитивного радио с помощью зондирования могут идентифицировать временно свободные части радиочастотного спектра, которые ранее выделялись для использования другим средствам. Когнитивные РЭС временно занимают такие свободные полосы или радиоканалы для приема и передачи информации, не создавая в выбранном диапазоне помех радиоэлектронным средствам. Описываемые свойства когнитивных радиосетей (Cognitive Radio Network, CRN) проявляются в первую очередь за счет использования программного управления сетями и сетевыми элементами.

Для получения услуг в когнитивных радиосетях пользователь может использовать терминал, основанный на принципе программного управления протоколами и параметрами интерфейсов радиодоступа, – SDR (Software-Defined Radio). У таких устройств широкие технические возможности выбора различных сетей связи для получения требуемых услуг. Абонентские SDR-устройства имеют возможность работы во многих стандартах беспроводной связи – GSM/GPRS/EDGE, UMTS, Wi-Fi, LTE – и использовать диапазон частот телевидения, как это предусмотрено стандартом IEEE 802.22–2011. Следует отметить, что принципы SDR и свойства когнитивности распространяются также на оборудование базовых станций и могут быть применимы в устройствах IoT.

Архитектура CIoT

Когнитивный интернет вещей (Cognitive Internet of Things, CIoT) – это новая концепция инфокоммуникационной сети, в которой вещи (физические или виртуальные) взаимосвязаны и взаимодействуют при минимальном человеческом вмешательстве. Объекты такой сети могут составлять определенное представление о своем состоянии, состоянии окружающих объектов, могут воспринимать знания об окружающей среде, делать логические выводы из накопленных знаний, адаптироваться к внешним и внутренним условиям.

Рассмотрим базовые принципы архитектуры когнитивного интернета вещей. Концепция CIoT предполагает наличие у интернет-вещей обязательных механизмов кооперации и «разумности». Соответственно, в архитектуру CIoT (рис. 1) входят такие «разумные» элементы, как когнитивные узлы и когнитивные элементы, которые способны автономно изменять свои технические характеристики в соответствии с определенными условиями. Отличие узлов от элементов состоит в том, что к узлу дополнительно могут подключаться так называемые простые (некогнитивные) узлы. Все эти сетевые элементы объединяются в домены автономности, где они тесно связаны между собой, в том числе на определенной территории, и могут кооперировать свое поведение. При этом каждый элемент в домене сохраняет свойство автономности и определенную независимость. В свою очередь, многие домены автономности могут взаимодействовать и кооперироваться в рамках мультидоменной кооперации.

 
 

Для организации взаимодействия в каждом автономном домене используется когнитивный агент, который взаимодействует с когнитивными или простыми узлами и элементами. Таким образом, взаимодействие доменов возможно как в целом, так и на уровне отдельного когнитивного элемента. Следует учитывать, что в домене могут присутствовать некогнитивные сетевые узлы, которые находятся под управлением когнитивных узлов.

Схема когнитивного управления в СIoT

CIoT использует схему когнитивного управления. Оно основано на концепции виртуального объекта, который является представлением физического объекта. Виртуальный объект динамически создается (удаляется) с помощью программных средств, описывая тем самым динамику изменений объекта физического. Для выполнения определенных приложений виртуальные объекты в предлагаемой схеме могут автоматически объединяться в композитные (сложносоставные) виртуальные объекты (рис. 2).

Композитные объекты представляют множество семантически совместимых, взаимодействующих виртуальных объектов и предлагаемых ими услуг, что позволяет реализовывать IoT-услуги согласно заявленным требованиям. Такие объединенные объекты могут повторно использовать существующие индивидуальные объекты вне их «родного» контекста, или домена. Композитный объект позволяет поддерживать характеристики и обеспечивать конфигурацию отдельных виртуальных объектов в изменяющихся условиях или в контексте их применения.

Завершающей частью рассматриваемой схемы является введение так называемой логики услуг, которая позволяет транслировать требования приложений или пользователей IoT композитному виртуальному объекту, который будет предоставлять услугу.

В результате в схеме когнитивного управления CIoT появляется три общесистемных уровня:

1) уровень виртуальных объектов;

2) уровень композитных виртуальных объектов;

3) уровень услуг.

На уровне виртуальных объектов когнитивность обеспечивает самоуправление и самостоятельную конфигурацию для постоянного взаимодействия с физическим объектом, а также для управления информационными потоками.

На уровне композитных виртуальных объектов когнитивность позволяет принимать решения об использовании различных объектов. Для этого осуществляется мониторинг или поиск виртуальных объектов и связанных с ними физических объектов. Здесь широко применяется технология машинного обучения, техника распознавания образов для оценки возможности использования идентифицируемого виртуального объекта для данного приложения пользователя IoT.

Когнитивность на уровне услуг необходима для обработки требований приложения IoT и для отбора композитного виртуального объекта уровнем ниже. В результате система CIoT может действовать как бы от имени и по поручению пользователя на основании анализа базы знаний о его предпочтениях и по результатам машинного обучения. Помимо этого, реализуются процедуры безопасности, авторизации, устанавливаются приоритеты использования определенных объектов.

CIoT на скорой помощи

Рассмотрим пример практического применения когнитивного интернета вещей для оптимизации времени оказания неотложной медицинской помощи больному по конкретному адресу. Допустим, больной находится под дистанционным контролем системы медицинского мониторинга на базе услуги IoT. В определенный момент сенсорная система, находящаяся непосредственно на теле больного, зафиксировала ухудшение его состояния: резкое учащение дыхания, сильное изменение пульса, сердечную аритмию, физические признаки обморока.

Показания сенсоров (физических объектов) приводят к изменению состояния виртуальных объектов, связанных с физическим объектом через шлюз. Специальное приложение для обработки и трансляции показаний сенсоров (реализуемое, например, смартфоном или планшетом) обрабатывает указанную информацию виртуального объекта и преобразует ее в вид, который может быть передан и использован композитным виртуальным объектом, в данном случае – центром скорой медицинской помощи.

Если необходимый центр скорой помощи не найден или отсутствует свободный медицинский автомобиль (согласно базе знаний, требуемый физический объект), то задействуется другой подходящий для данного случая виртуальный объект, например сенсор пожарной сигнализации. В результате в схему включается новый композитный виртуальный объект – служба спасения 112. В итоге скорая помощь может быть оказана больному не медицинским центром, а службой спасения, специалисты которой также имеют навыки первой медицинской помощи.

Если предположить, что событие происходит в «умном городе», то медицинская информация о состоянии больного может передаваться параллельно в медицинский центр и «умный автомобиль» службы спасения. Одновременно тревожное сообщение транслируется в службу регулирования дорожного движения, которая организует для автомобиля «зеленую улицу» в направлении дома больного. Таким образом, описанная ситуация наглядно показывает преимущества когнитивности и когнитивного управления применительно к реализации задач интернета вещей.

Что могут когнитивные интернет-вещи на практике?

Они способны использовать технологии получения знаний о своей операционной и географической среде, местонахождении (например стандартные технологии позиционирования ГЛОНАСС/GPS); устанавливать самостоятельно или использовать готовые правила взаимодействия между объектами (интернет-вещами); динамически и автономно корректировать свои текущие параметры и протоколы в соответствии с полученными знаниями для достижения заранее определенных целей, в частности выбирать наиболее подходящую технологию передачи радиосигнала; наконец, на основе достигнутых результатов они могут обучаться.

Перспективы когнитивных интернет-вещей

По прогнозам специалистов, до 2020 г. к интернету будет подключено не менее 50 млрд различных устройств. Они будут отличаться друг от друга назначением, функциями, конструкцией. Для оперативного взаимодействия как с соседними устройствами, так и с глобальными сетями, интернет-вещи должны обладать автономностью, способностью анализировать данные из окружающего мира и делать логические выводы на основе полученной информации. К примеру, уже сейчас появляются когнитивные решения с использованием виртуальных объектов. Так, например, возможно управлять городскими светофорами не только по расписанию, но и с учетом фактического числа автомобилей, которые приближаются к перекрестку или уже находятся на нем. А в будущем, с учетом развития всепроникающих сетей, несомненно, будут разработаны еще более интересные и нужные человеку решения когнитивного интернета вещей. 
________________________________________________________________

В предыдущих статьях авторов (см. ИКС №5’2013, с. 62 и №10’2013, с. 58) были представлены базовые принципы перспективной концепции интернета вещей, обозначены проблемы и задачи ее практической реализации.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: