孫偉強(qiáng)，王闖

（1.遼寧廣播電視大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)電信本溪分公司 遼寧 本溪 117000）

基于有向著色圖的智能家庭事故安全處置模型

孫偉強(qiáng)1，王闖2

（1.遼寧廣播電視大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)電信本溪分公司 遼寧 本溪 117000）

針對(duì)目前的智能家庭網(wǎng)絡(luò)模型都不具備事故安全檢測(cè)和處置能力，采用綜合運(yùn)用集合概念、有向圖概念和著色的方法、動(dòng)態(tài)多任務(wù)多Agent技術(shù)，建立了具有事故安全檢測(cè)和處置能力的智能家庭網(wǎng)絡(luò)模型。通過(guò)具體實(shí)例說(shuō)明用電安全、事故安全檢測(cè)和安全事故處置啟動(dòng)3個(gè)方面工作機(jī)制的同時(shí)，對(duì)模型應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，說(shuō)明該模型在智能家庭網(wǎng)絡(luò)事故安全檢測(cè)和處置方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

智能家庭；有向圖；著色；動(dòng)態(tài)多任務(wù)；事故安全處置

目前針對(duì)智能家庭網(wǎng)絡(luò)［1-4］安全的研究主要集中在信息安全［5］領(lǐng)域，在智能家庭面臨的事故安全方面處置方面的研究和應(yīng)用則很少，智能家庭事故安全包括：

1）電能超載帶來(lái)的用電安全問(wèn)題，例如導(dǎo)致線路過(guò)熱引起的火災(zāi)隱患；

2）電磁輻射帶來(lái)的危害健康的問(wèn)題，例如家庭電器啟動(dòng)后造成室內(nèi)電磁環(huán)境的惡化；

3）電氣安全引起的問(wèn)題，例如由于家電工作失序、狀態(tài)錯(cuò)誤、設(shè)備短路等造成的安全隱患；

4）用水、燃?xì)獾陌踩芾砗捅O(jiān)控問(wèn)題，例如水管破裂、燃?xì)庑孤┑瓤赡馨l(fā)生的情況引起的事故隱患；

5）智能家庭面臨的其他事故安全隱患，包括：固定資產(chǎn)安全，家庭設(shè)施安全，家庭環(huán)境安全，生命安全等隱患。

由于智能家庭的概念深入人們實(shí)際生活，與信息安全相較，事故安全尤為突出和重要，目前在智能家庭網(wǎng)絡(luò)的事故安全處置的研究和應(yīng)用方面，還是一個(gè)真空地帶，目前，沒(méi)有相關(guān)的理論、模型和實(shí)際應(yīng)用軟件產(chǎn)品提供應(yīng)用的支撐。

在本文的研究中，將通過(guò)有向圖、集合的模型，狀態(tài)著色、動(dòng)態(tài)多任務(wù)［6］多Agent［7-10］方法建立智能家庭網(wǎng)絡(luò)事故安全檢測(cè)和處置模型，并結(jié)合典型應(yīng)用案例的場(chǎng)景進(jìn)行模型應(yīng)用分析來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目尚行浴?/p>

1　模型提出

1.1理論模型

首先給出相關(guān)的幾何定義：

定義1 SH=｛Ai|Ai是一臺(tái)智能家電，其中i∈Z+｝，SH為位于一個(gè)智能家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部智能家電設(shè)備的集合。

定義2任務(wù)區(qū)設(shè)備集合TAi是完成一項(xiàng)任務(wù)的全部設(shè)備的集合，例如，用來(lái)完成炒菜的數(shù)字炊具以及配合數(shù)字炊具完成整個(gè)炒菜過(guò)程的其他設(shè)備構(gòu)成的集合。

根據(jù)定義可知：TA1∪TA2∪…∪TAn=SH，其中n是智能家庭網(wǎng)絡(luò)包含的任務(wù)數(shù)目。

而且還可以知道，對(duì)于任意TAi、TAj和TAk三個(gè)任務(wù)區(qū)設(shè)備集合，有三種可能情況可能發(fā)生：

TAi∩TAj=φ，TAi∩TAj≠φ，TAi∩TAj=TAk，其中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，n；k=1，2，…，n。

研究可知，當(dāng)兩個(gè)任務(wù)區(qū)設(shè)備有交集存在時(shí)，交集所含設(shè)備都是某一報(bào)警任務(wù)區(qū)設(shè)備集合的子集，甚至就是一個(gè)完整的報(bào)警任務(wù)區(qū)的設(shè)備集合，也就是說(shuō)，交集集中的設(shè)備都是各類傳感器設(shè)備或數(shù)字電源開(kāi)關(guān)設(shè)備。

通過(guò)對(duì)任務(wù)區(qū)設(shè)備的分析可知，一個(gè)任務(wù)區(qū)的設(shè)備可以分成多種角色，從安全事故處置角度出發(fā)，可以大致將一個(gè)任務(wù)區(qū)的設(shè)備歸為三類：功能設(shè)備、監(jiān)控預(yù)警設(shè)備、事故處置設(shè)備。一個(gè)任務(wù)區(qū)設(shè)備只有覆蓋了這三類設(shè)備，才有可能是有安全保障的。為了建立我們的模型，我們定義相應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)的顏色集合。

定義3 C=｛g，y，r｝，其中g(shù)表示設(shè)備處于安全狀態(tài)，也表示任務(wù)處于正常的執(zhí)行狀態(tài)；y表示設(shè)備處于監(jiān)控預(yù)警狀態(tài)，也表示任務(wù)處于監(jiān)控預(yù)警狀態(tài)；r表示設(shè)備處于事故處置狀態(tài)，也表示任務(wù)處于事故處置狀態(tài)。

定義4 Si=｛sij|sij是智能家電Ai執(zhí)行的一個(gè)功能或處于功能執(zhí)行的狀態(tài)，其中j=1，2，…，n｝，該集合表示了智能家電Ai的全部功能執(zhí)行的狀態(tài)集合。智能家電有一個(gè)特殊狀態(tài)，就是沒(méi)有能量的狀態(tài)，表示為ф，當(dāng)設(shè)備處于該狀態(tài)時(shí)，我們認(rèn)為該設(shè)備已經(jīng)不屬于網(wǎng)絡(luò)的一部分了。

定義5有向著色圖定義如下：G=（C，S，E），其中：C為顏色集合；S=｛Si|i∈N｝；E=｛

下面，以炒菜為例，給出任務(wù)圖的定義，如圖1所示。

圖1　以炒菜為例的有向著色圖Fig.1　Colored graph for cooking case

在該圖中我們需要說(shuō)明的是：

1）每一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行包含的家電設(shè)備是確定的，本例中包含的家電設(shè)備有家庭網(wǎng)關(guān)、智能炒勺、數(shù)字滅火器、數(shù)字排煙機(jī)、電能超載預(yù)警器。

2）任務(wù)的執(zhí)行會(huì)有兩種結(jié)果，即任務(wù)完成和任務(wù)中止。

3）任務(wù)包含的每一家電所處狀態(tài)最多有3種，即正常工作狀態(tài)、預(yù)警態(tài)、事故處置態(tài)。

4）任一家電在任意狀態(tài)下的工作時(shí)間是確定的，圖中介于兩個(gè)狀態(tài)之間的有向弧上的數(shù)字表示設(shè)備處于指向狀態(tài)的存續(xù)時(shí)間（毫秒）、存續(xù)電壓（伏特）和存續(xù)電流（安培），用三維向量表示。向量中標(biāo)為c的表示該數(shù)據(jù)量需要根據(jù)該任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)而定。

5）原則上，除電能超載預(yù)警器外，當(dāng)任一設(shè)備所處狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，都要預(yù)先進(jìn)行超載計(jì)算。

該例子在狀態(tài)執(zhí)行順序上如圖2所示。

從圖2中可以看出：

1）任務(wù)執(zhí)行分為正常執(zhí)行和異常中止。

2）任務(wù)中止的情形分為3種情況，分別是火警及處理、電能超載及處理、食材預(yù)置錯(cuò)誤及處理。

圖2　炒菜任務(wù)狀態(tài)執(zhí)行順序圖Fig.2　State execution sequential chart of cooking task

3）任務(wù)正常完成的情形主要以數(shù)字炒勺的工作過(guò)程為主線，每次發(fā)生狀態(tài)的變化前都預(yù)先進(jìn)行電能超載計(jì)算，從而為電能預(yù)警和處置提供支持。

定義6任一任務(wù)任意時(shí)刻的功率計(jì)算公式為：

假設(shè)智能家庭網(wǎng)絡(luò)功率閾值為W，那么，任意時(shí)刻智能家庭網(wǎng)絡(luò)功耗必須滿足：

1.2動(dòng)態(tài)多任務(wù)多Agent模型

目前多Agent系統(tǒng)［11-12］的研究已經(jīng)非常廣泛和成熟，比較典型的多Agent系統(tǒng)模型包括集中式、分布式、混合式、多任務(wù)式等，各個(gè)模型的應(yīng)用特點(diǎn)在這里不再贅述。

通過(guò)對(duì)智能家庭網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析，可以知道該網(wǎng)絡(luò)是具有動(dòng)態(tài)的、多任務(wù)的特點(diǎn)，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的智能家庭網(wǎng)絡(luò)安全處置模型主要包括：中心Agent、任務(wù)Agent、設(shè)備Agent、規(guī)則庫(kù)、規(guī)則可實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)和手工添加。這些Agent依據(jù)上述有向著色圖理論共同工作在動(dòng)態(tài)多任務(wù)多Agent模型中，從而可以具備自學(xué)習(xí)、自檢測(cè)、具有事故安全處置能力的特點(diǎn)。

該模型工作過(guò)程如圖3所示。

圖3　動(dòng)態(tài)多任務(wù)多Agent模型工作過(guò)程Fig.3　Working process of dynamic Multi-Task Multi-Agent model

1.3任務(wù)執(zhí)行規(guī)則模型

根據(jù)有向著色圖模型，任務(wù)執(zhí)行規(guī)則模型包括3個(gè)基本的規(guī)則庫(kù)：

任務(wù)規(guī)則（TR）：包括對(duì)應(yīng)命令、任務(wù)ID、任務(wù)名稱、設(shè)備ID、是否主導(dǎo)設(shè)備、設(shè)備占用情況；

設(shè)備初始狀態(tài)規(guī)則（EISR）：設(shè)備ID、設(shè)備初始狀態(tài)、狀態(tài)性質(zhì)、功率、持續(xù)時(shí)間；

執(zhí)行規(guī)則（ER）：包括規(guī)則ID、規(guī)則前項(xiàng)設(shè)備ID、規(guī)則前項(xiàng)狀態(tài)、規(guī)則后項(xiàng)設(shè)備ID、規(guī)則后項(xiàng)狀態(tài)、規(guī)則性質(zhì)、功率、持續(xù)時(shí)間

設(shè)備初始狀態(tài)規(guī)則和執(zhí)行規(guī)則中的狀態(tài)性質(zhì)和規(guī)則性質(zhì)具有排他性，包含3種，分別是正常工作狀態(tài)、預(yù)警態(tài)、事故處置態(tài)。其中執(zhí)行規(guī)則對(duì)應(yīng)有向著色圖模型中的邊，由此可知，執(zhí)行規(guī)則庫(kù)ER中的規(guī)則是一種推導(dǎo)規(guī)則和產(chǎn)生式，另外，結(jié)合圖1、圖2可以看出，當(dāng)圖中的狀態(tài)在正常工作態(tài)之間變換時(shí)隱含的是正常規(guī)則，規(guī)則性質(zhì)是g；從正常工作態(tài)過(guò)度到預(yù)警態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的規(guī)則隱含預(yù)警規(guī)則，規(guī)則性質(zhì)是y；從預(yù)警態(tài)過(guò)度到事故處置態(tài)隱含事故處置規(guī)則，規(guī)則性質(zhì)是r。

針對(duì)這3個(gè)規(guī)則庫(kù)，可以制定自學(xué)習(xí)規(guī)則用于生成新規(guī)則，也可以通過(guò)人機(jī)接口的方式為手動(dòng)添加規(guī)則提供支持。

1.4任務(wù)創(chuàng)建和執(zhí)行模型

在任務(wù)執(zhí)行規(guī)則模型參與下的任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)執(zhí)行的流程如圖4所示。

圖4　任務(wù)創(chuàng)建過(guò)程和任務(wù)執(zhí)行過(guò)程的流程Fig.4　Flow chart of task creation and task execution

顯然，在我們的模型下的智能家庭網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度可參照傳統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度算法，以及現(xiàn)代多Agent模型下的任務(wù)分配模型的研究成果［10］。

2　任務(wù)實(shí)例分析

實(shí)例分析仍以炒菜為例進(jìn)行，假設(shè)目前智能家庭網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)洗衣任務(wù)正在進(jìn)行，目前家庭網(wǎng)關(guān)中心Agent檢測(cè)到主人通過(guò)遠(yuǎn)程方式傳送一條炒菜命令，很顯然洗衣任務(wù)與炒菜任務(wù)處于無(wú)交集的兩個(gè)任務(wù)區(qū)，接下來(lái)：

2.1規(guī)則庫(kù)準(zhǔn)備工作

建立TR如表1。

建立EISR如表2。

建立ER如表3。

2.2根據(jù)規(guī)則庫(kù)導(dǎo)出任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列

假設(shè)任務(wù)的額定功率為，則根據(jù)上述規(guī)則庫(kù)，可以構(gòu)建任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列如圖5所示。

表1　炒菜任務(wù)的任務(wù)規(guī)則庫(kù)Tab.1　Task rules for cooking task

表2　炒菜任務(wù)的對(duì)應(yīng)的初始狀態(tài)規(guī)則庫(kù)Tab.2　Initial state rules for cooking task

2.3任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列中事故安全處理引發(fā)條件分析

通過(guò)圖5，我們能夠看出以下情況：

1）如果忽略能量超載預(yù)警器本身能耗，單純衡量其他3個(gè)智能家電的能耗，如果：

0 mw<能耗閾值≤660 mw時(shí)，任務(wù)啟動(dòng)之前便進(jìn)入能耗超載處理；

660 mw<能耗閾值≤1 540 mw時(shí)，只有在烹炒階段才能導(dǎo)致能耗超載處里被引發(fā)；

表3　炒菜任務(wù)的對(duì)應(yīng)的執(zhí)行規(guī)則庫(kù)Tab.3　Execution rules for cooking task

1 540 mw<能耗閾值時(shí)，整個(gè)任務(wù)執(zhí)行期間不會(huì)引發(fā)能耗超載處理。

2）當(dāng)食材加入錯(cuò)誤被檢測(cè)到時(shí)，會(huì)引發(fā)食材錯(cuò)誤處理。

3）當(dāng)檢測(cè)到火災(zāi)隱患時(shí)，會(huì)引發(fā)火險(xiǎn)處理。

4）可以明確安全事故的性質(zhì)、發(fā)生時(shí)機(jī)、處置辦法，如果加入更多的因素分析，該模型將更強(qiáng)大。

3　結(jié)　論

首先從集合運(yùn)算的角度給出了智能家庭任務(wù)區(qū)的定義，并分析了任務(wù)區(qū)之間相交部分設(shè)備的特點(diǎn)、通過(guò)分析一個(gè)任務(wù)區(qū)的多個(gè)家電設(shè)備協(xié)作完成一項(xiàng)任務(wù)的情況下各設(shè)備前后功能之間的關(guān)系，利用有向圖對(duì)任務(wù)的完成進(jìn)行了描述，并利用圖的著色的辦法對(duì)任務(wù)中有前后關(guān)聯(lián)的家電功能進(jìn)行著色的辦法，讓對(duì)應(yīng)于一個(gè)任務(wù)的有向圖中具有事故安全處置的部分突出出來(lái)，再通過(guò)面向任務(wù)執(zhí)行的可能結(jié)果對(duì)圖的節(jié)點(diǎn)有序的重新排列，讓圖中隱含的處置規(guī)則更加明了，讓我們能夠很好地給出3類規(guī)則的定義。

圖5　以炒菜為例的任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)序列Fig.5　Sequence of task execution state for cooking

得到3類規(guī)則的特點(diǎn)和定義，不僅有助于定義規(guī)則庫(kù)和定義規(guī)則庫(kù)的生成規(guī)則，而且有助于利用這個(gè)模型進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行的過(guò)程模擬，這對(duì)手工定義任務(wù)的完善和安全提供了非常有價(jià)值的幫助，同時(shí)也為任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中預(yù)先做好事故安全處置準(zhǔn)備提供了依據(jù)。

通過(guò)3種規(guī)則庫(kù)的構(gòu)建和使用，可以清晰給出整個(gè)任務(wù)完成中各個(gè)家電的功能狀態(tài)的變化以及何時(shí)、什么原因觸發(fā)事故安全處置。

最后通過(guò)智能家庭完成炒菜任務(wù)這個(gè)實(shí)例結(jié)合動(dòng)態(tài)多任務(wù)多Agent技術(shù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，不僅證明該模型的有效性，也能夠看出該模型簡(jiǎn)單有效，而且還為模型的應(yīng)用提供了很大的靈活性，該模型不僅可以用于自定義任務(wù)的檢測(cè)，還為事故安全處置提供了預(yù)測(cè)和響應(yīng)能力。

［1］呂琳琳，張敏.關(guān)于網(wǎng)關(guān)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2012，31（3）：232-234.

［2］鄭魏，李智敏，駱德漢.智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2013，37（21）：56-59.

［3］李培琳，白鶴，萬(wàn)倩，等.智能家庭網(wǎng)絡(luò)概念的研究［J］.廣播與電視技術(shù)，2012（9）：86，88，90.

［4］席巖，沈陽(yáng)，毛旭，等.智能家庭相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議及技術(shù)規(guī)范分析［J］.廣播電視信息，2013，260（12）：78-80，83.

［5］李楠，趙晨斌，史炳榮.數(shù)字家庭的信息安全架構(gòu)研究 ［J］.信息通信技術(shù)，2014，42（5）：47-51，57.

［6］李磊，楊西龍，汪貽生，等.基于Multi-Agent的軍事虛擬物流業(yè)務(wù)協(xié)同控制模型［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014，174 （4）：128-130，134.

［7］王良周，于衛(wèi)紅，黃廣超.基于信息融合的多Agent智能家居系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（9）：2747－2751.

［8］劉相娟，鄧文新.基于語(yǔ)義的Agent架構(gòu)模型［J］.煤炭技術(shù)，2012，31（6）：222-224.

［9］周尤明，高濟(jì).基于服務(wù)的規(guī)范多Agent系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），2012，33（6）：663-670.

［10］劉科，郭小和，周繼強(qiáng)，等.基于multi-agent的多任務(wù)分配問(wèn)題研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014，31（7）：1980-1983，1988.

［11］鄭炎，李龍騰，劉春曉，等.多Agent協(xié)作可交互的遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.電視技術(shù)，2013，37（1）：144-146.

［12］張曉燕.基于多Agent的協(xié)同制造平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2012，12：66-68.

Accident security disposal model of smart home based on the colored graph

SUN Wei-qiang1，WANG Chuang2
（1.Liaoning Radio and TV University，Shenyang 110034，China；2.China Telecom Benxi Branch，Benxi 117000，China）

For the models of smart home network at present had not the capability of accident security detecting and disposing. Set conception，digraph，put color and dynamic multi-task multi-agent technology were adopted during the smart home model with the capability of accident security detecting and disposing was put forward.The concrete case was used to descript the mechanism of power security，accident security detecting and accident disposing；the model applicability was verified and analyzed.It is proved that the model has application value on accident security detection and disposition in smart home network.

smart home；graph；put color；dynamic multi-task；accident security disposition

TN92

A

1674－6236（2016）03-0086-05

2015-03-31稿件編號(hào)：201503468

孫偉強(qiáng)（1975—），男，黑龍江龍江人，碩士，講師。研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、信息安全、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。