張 生 福

(青海民族大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 青海 西寧 810007)

0 引 言

如何提高畜牧業(yè)資源管理效率[1]、獲取畜禽群定位信息[2]及其生理規(guī)律信息和捕獲牧區(qū)[3]幾何特性，以便實(shí)現(xiàn)畜禽群[4]的實(shí)時(shí)跟蹤和牧區(qū)資源的智能管理，成為畜牧業(yè)信息化和智能化[5]的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

文獻(xiàn)[6]采用定點(diǎn)數(shù)據(jù)研究了南極洲一個(gè)農(nóng)場(chǎng)畜牧區(qū)的表面映射問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)介紹了一種基于記憶卡的開(kāi)源、低成本和低功耗解決長(zhǎng)期放牧牲畜的方法。文獻(xiàn)[8]從云計(jì)算信任管理的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了能夠計(jì)算用戶評(píng)價(jià)可信度的方案，并將信任結(jié)果作為可信權(quán)重。文獻(xiàn)[9]從現(xiàn)代畜牧業(yè)管理的實(shí)際需要出發(fā)，將云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，搭建了一體化畜牧業(yè)營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]從云計(jì)算的大數(shù)據(jù)分流需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了能夠識(shí)別并優(yōu)化大數(shù)據(jù)聚類(lèi)和模式的解決方案。

在上述研究基礎(chǔ)上，從牧區(qū)羊群定位大數(shù)據(jù)采集，軌跡相關(guān)與分割出發(fā)，通過(guò)自適應(yīng)云計(jì)算控制，提出了一種羊群大數(shù)據(jù)軌跡的自適應(yīng)畜牧業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)。

1 羊群大數(shù)據(jù)軌跡挖掘模型

本文在以羊群為主的牧區(qū)中部署大規(guī)模定位傳感器，同時(shí)羊群隨身附帶定位信號(hào)發(fā)生器。這樣，處于放牧狀態(tài)的羊群所攜帶的傳感器周期性與牧區(qū)定位傳感器建立無(wú)線連接，頻繁交互數(shù)據(jù)。為了提高定位精度和數(shù)據(jù)傳輸效率，將整個(gè)牧區(qū)分為多個(gè)子牧區(qū)。在羊群所攜帶的傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中增加子牧區(qū)標(biāo)識(shí)。每個(gè)子牧區(qū)由一個(gè)或多個(gè)匯聚定位點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該區(qū)域的羊群定位數(shù)據(jù)到服務(wù)器。圖1給出了羊群牧區(qū)軌跡獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖1 羊群牧區(qū)軌跡定位拓?fù)?/p>

該牧區(qū)的定位數(shù)據(jù)可由式(1)得到：

(1)

式中：函數(shù)f(t)表示時(shí)域上統(tǒng)計(jì)每個(gè)子牧區(qū)的羊群定位傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，函數(shù)F(t)表示服務(wù)器端收到的定位數(shù)據(jù)，t表示統(tǒng)計(jì)時(shí)間。此外，α表示羊群大數(shù)據(jù)冗余度，x1和x2分別表示2個(gè)不同時(shí)刻的定位大數(shù)據(jù)，R(x1,x2)表示x1和x2的數(shù)據(jù)相關(guān)函數(shù)，R1表示數(shù)據(jù)相似門(mén)限值。參數(shù)m表示子牧區(qū)個(gè)數(shù)，n表示高度相似的定位數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)刻。

圖1所示牧區(qū)周期性將羊群定位數(shù)據(jù)匯聚到服務(wù)器，如何存儲(chǔ)這些定位數(shù)據(jù)和從中挖掘信息形成實(shí)時(shí)、可靠的羊群大數(shù)據(jù)軌跡成為關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，羊群的分割大數(shù)據(jù)軌跡容易混淆羊群定位信息，降低定位精度。而且，大數(shù)據(jù)定位高冗余度信息會(huì)導(dǎo)致羊群軌跡的可信度和有效性的降低。

因此，從羊群大數(shù)據(jù)定位信息維度和軌跡源數(shù)據(jù)冗余度出發(fā)，結(jié)合牧區(qū)基本網(wǎng)絡(luò)度、子牧區(qū)羊群軌跡、軌跡相交與分隔以及子牧區(qū)特征化等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)軌跡挖掘。

定義1牧區(qū)基本網(wǎng)絡(luò)度LTN=(m,n)，準(zhǔn)確反映了牧區(qū)羊群的子區(qū)域劃分情況和軌跡冗余大數(shù)據(jù)集。

定義2子牧區(qū)羊群軌跡Ts=(LL,NL,SL,ZL)。參數(shù)LL表示子牧區(qū)定位編號(hào)，NL表示對(duì)應(yīng)子牧區(qū)的羊群規(guī)模，SL表示羊群在子牧區(qū)內(nèi)覆蓋面積，ZL表示該子牧區(qū)的軌跡大數(shù)據(jù)規(guī)模。在空間上，通過(guò)羊群覆蓋面積與估計(jì)幾何特征相結(jié)合，基于子牧區(qū)幾何特征，將該子牧區(qū)內(nèi)的羊群軌跡進(jìn)行線性化處理，將動(dòng)態(tài)的軌跡歸一化為靜態(tài)幾何空間域。

圖2給出了三維空間域上，三條羊群軌跡相交的情況。

圖2 軌跡相交與分隔

圖2中共有4個(gè)交點(diǎn)，分別是O1、O2、O3和O4。軌跡相交描述如公式所示：

(2)

式中：L1、L2和L3表示三條羊群軌跡。

通過(guò)基于離散趨勢(shì)的軌跡分隔，將4個(gè)交點(diǎn)分別映射到對(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)軸上，如公式所示：

(3)

式中:函數(shù)I表示離散與坐標(biāo)軸相切分隔過(guò)程。映射點(diǎn)I1、I2、I3和I4位于同xy平面，映射點(diǎn)I5位于z坐標(biāo)軸。

因此，羊群大數(shù)據(jù)軌跡移動(dòng)點(diǎn)集合向量O的時(shí)空特性即時(shí)域向量TO和空域向量SO如式(4)所示。根據(jù)時(shí)域和空域的互相關(guān)性、結(jié)合羊群移動(dòng)軌跡的大數(shù)據(jù)挖掘門(mén)限值以及軌跡分割后的三維空間移動(dòng)點(diǎn)映射關(guān)系，按照牧區(qū)分割域?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)軌跡的重定位。

(4)

該模型的難點(diǎn)在于獲取圖2所示的多條羊群軌跡的相交判斷。當(dāng)軌跡Fk(t)與Fk+1(t)滿足式(5)所示關(guān)系，則表明它們具有至少1個(gè)交點(diǎn)。

(5)

2 自適應(yīng)畜牧業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)

基于羊群大數(shù)據(jù)軌跡的畜牧業(yè)管理系統(tǒng)由羊群軌跡數(shù)據(jù)采集、軌跡相交與分割、軌跡幾何特征分析、牧區(qū)羊群定位信息融合、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與羊群信息云計(jì)算等模塊組成。該云計(jì)算系統(tǒng)的每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一組或多組算法，以畜牧業(yè)云計(jì)算為核心，多個(gè)模塊的算法進(jìn)行自適應(yīng)規(guī)劃與調(diào)度，如圖3所示。其中，因?yàn)檠蛉捍髷?shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)的冗余度和不規(guī)則軌跡，針對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行多維融合，并行執(zhí)行多個(gè)模塊算法，在降低冗余度的同時(shí)提高羊群大數(shù)據(jù)軌跡精確度。

圖3 云計(jì)算系統(tǒng)模塊架構(gòu)

基于羊群大數(shù)據(jù)軌跡的畜牧業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)的多模塊自適應(yīng)工作流程描述如下：

模塊1：采集羊群大數(shù)據(jù)軌跡。

輸入：LTN=(m,n)，R1。

輸出：Ts=(LL,NL,SL,ZL)。

While(t<=n){

x1=f(t1);

x2=f(t2);

If(R(x1,x2)>R1)

ZL(t)=f(t1);

};

為每個(gè)子牧區(qū)分配定位編號(hào)LL=random(m);

根據(jù)定位信息分析每個(gè)子牧區(qū)的羊群規(guī)模并賦值給NL；

獲取每個(gè)子牧區(qū)部署的大規(guī)模傳感器信息；

分析每個(gè)子牧區(qū)內(nèi)覆蓋面積并賦值給SL;

將Ts轉(zhuǎn)發(fā)給模塊2。

模塊2：軌跡相交與分割。

輸入：羊群軌跡維度，SL和ZL。

輸出：幾何特征和統(tǒng)計(jì)特征。

獲取羊群所有軌跡集合FT；

While(i

If (Li∩Li+1≠?){

降維映射獲取Oi的坐標(biāo)軸點(diǎn)集合Ai；

多維映射獲取Oi的平面點(diǎn)集合Bi；

將Ai和Bi進(jìn)行幾何劃分;

}

獲取軌跡分割后統(tǒng)計(jì)信息的期望E(FT)和方差D(FT);

分析軌跡幾何特征，返回交點(diǎn)的映射點(diǎn)幾何；

返回冗余度

}

模塊3：降低冗余度和提高軌跡精度。根據(jù)式(6)降低牧區(qū)羊群定位大數(shù)據(jù)的冗余度，并經(jīng)式(7)提高整個(gè)牧區(qū)的羊群軌跡精度。

(6)

式中：f1(t)表示根據(jù)降維之前的冗余相關(guān)獲得大數(shù)據(jù)集，f2(t)表示全局定位大數(shù)據(jù)去冗余后軌跡幾何，α1表示基于幾何劃分和特征提取以及降維后的冗余度。

(7)

式中：β1表示圖3中“高精度羊群軌跡”模塊算法執(zhí)行后結(jié)果，β表示三維空間域上的羊群軌跡精度。

結(jié)合式(3)和式(6)可知，α1遠(yuǎn)小于α，同時(shí)β1明顯高于β。

模塊4：信息融合。參照式(8)對(duì)牧區(qū)羊群信息進(jìn)行融合處理。

(8)

模塊5：畜牧業(yè)云計(jì)算管理。為畜牧業(yè)管理提供與計(jì)算平臺(tái)、算法和決策依據(jù)。

上述模塊中，羊群大數(shù)據(jù)軌跡的采集通過(guò)部署定位傳感器節(jié)點(diǎn)獲得，軌跡相交與分割算法通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)，信息融合與畜牧業(yè)云計(jì)算管理通過(guò)MATLAB與C++混合編程實(shí)現(xiàn)。

云計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于平滑前文所建立的羊群大數(shù)據(jù)軌跡挖掘模型提供的大數(shù)據(jù)，有效消除數(shù)據(jù)抖動(dòng)，可參考式(9)：

(9)

式中：函數(shù)K用于消除抖動(dòng)。S(f(t))獲得羊群對(duì)軌跡f(t)的數(shù)據(jù)規(guī)模。

3 算法性能分析

本文所提出的基于羊群大數(shù)據(jù)軌跡的自適應(yīng)畜牧業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)記為ACBT，其性能主要體現(xiàn)在軌跡定位精度、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與云計(jì)算結(jié)果精度等方面。本文在形如圖1所示的牧區(qū)中部署了表1所述的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并采用表1所述的服務(wù)器作為云計(jì)算服務(wù)器端，統(tǒng)計(jì)上述幾方面性能。羊群實(shí)際統(tǒng)計(jì)方法描述如下：(1) 羊群軌跡由人工提前設(shè)定；(2) 羊群由引導(dǎo)車(chē)帶領(lǐng)按照預(yù)定軌跡行動(dòng)；(3) 羊群移動(dòng)速度隨機(jī)變化；(4) 引導(dǎo)車(chē)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)羊群軌跡信息。性能結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

續(xù)表1

圖4給出了1個(gè)羊群的實(shí)際移動(dòng)軌跡(實(shí)線表示)與基于ACBT系統(tǒng)分析結(jié)果得到的羊群軌跡(虛線表示)的對(duì)比結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，ACBT系統(tǒng)的羊群軌跡與實(shí)際情況非常相近，最大誤差1.05米，最小誤差精確到0.56米。這是因?yàn)锳CBT系統(tǒng)從羊群的分割大數(shù)據(jù)軌跡混淆現(xiàn)象和大數(shù)據(jù)定位高冗余度出發(fā)，從基本網(wǎng)絡(luò)度、子牧區(qū)羊群軌跡、軌跡相交與分隔以及子牧區(qū)幾何特征等多角度出發(fā)，特別是多維映射、降維映射和幾何劃分等模塊算法，有效提高了羊群軌跡定位精度。

圖4 ACBT的羊群軌跡精度對(duì)比

隨著子牧區(qū)激活個(gè)數(shù)增加，圖5分析了兩種不同羊群規(guī)模下，ACBT系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的羊群軌跡大數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)空間利用率。該性能反映了ACBT系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理能力。從圖5可以看出，1個(gè)羊群與5個(gè)羊群下，ACBT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間利用率相差不大，在2.5%左右，且整體變化趨勢(shì)相近。結(jié)果表明，ACBT系統(tǒng)對(duì)于羊群規(guī)模不敏感，可以有效管理軌跡大數(shù)據(jù)信息。這主要得益于ACBT系統(tǒng)的模塊4即信息融合，服務(wù)器只管理融合處理后的羊群信息。

圖5 存儲(chǔ)空間利用率

圖6分析了在羊群移動(dòng)速度遞增的情況下，ACBT系統(tǒng)的云計(jì)算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果的誤差率對(duì)比情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ACBT系統(tǒng)的誤差率要小于實(shí)際統(tǒng)計(jì)方案。結(jié)果表明，ACBT系統(tǒng)的云計(jì)算可以準(zhǔn)確地得出用于畜牧業(yè)管理的決策依據(jù)。這是因?yàn)锳CBT系統(tǒng)的云計(jì)算系統(tǒng)模塊之間按照自適應(yīng)工作流程有序地運(yùn)行，而且時(shí)間復(fù)雜度明顯低于實(shí)際統(tǒng)計(jì)方案。

圖6 誤差率

4 結(jié) 語(yǔ)

畜牧業(yè)的智能化進(jìn)程中面臨著牧區(qū)資源管理難、畜禽群跟蹤難和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率低等一系列問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題基于羊群大數(shù)據(jù)軌跡模型，提出了畜牧業(yè)實(shí)時(shí)云計(jì)算系統(tǒng)。以降低羊群大數(shù)據(jù)信息維度和消除軌跡源數(shù)據(jù)的高冗余度為目標(biāo)，一方面通過(guò)定義牧區(qū)羊群定位信息采集網(wǎng)絡(luò)度等基本元素，設(shè)計(jì)羊群軌跡獲取及其相交與分隔算法。結(jié)合牧區(qū)幾何特征分析，提出了多維度牧區(qū)羊群大數(shù)據(jù)軌跡挖掘模型。另一方面，設(shè)計(jì)了基于羊群大數(shù)據(jù)軌跡的畜牧業(yè)云計(jì)算系統(tǒng)的多模塊自適應(yīng)控制算法。該算法包括羊群軌跡數(shù)據(jù)采集、軌跡相交與分割、軌跡幾何特征分析、牧區(qū)羊群定位信息融合、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與羊群信息云計(jì)算等多個(gè)模塊。在牧區(qū)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，該云計(jì)算系統(tǒng)與實(shí)際統(tǒng)計(jì)方案相比，在羊群軌跡定位精度、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理水平與云計(jì)算結(jié)果精度等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王國(guó)剛,王明利,楊春.中國(guó)畜牧業(yè)地理集聚特征及其演化機(jī)制[J].自然資源學(xué)報(bào),2014,29(12):2137-2146.

[2] 熊本海,楊振剛,楊亮,等.中國(guó)畜牧業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(S1):237-246.

[3] 魏秀娟.大數(shù)據(jù)時(shí)代畜牧業(yè)信息化建設(shè)芻議[J].中國(guó)畜牧雜志,2014,50(10):38-41.

[4] 何東健,劉冬,趙凱旋.精準(zhǔn)畜牧業(yè)中動(dòng)物信息智能感知與行為檢測(cè)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(5):231-244.

[5] 張鎖良,宋宇軒.我國(guó)畜牧業(yè)存在的問(wèn)題、對(duì)策以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[J].家畜生態(tài)學(xué)報(bào),2014,35(11):6-10.

[6] Reyes R D,Munoz A R,Radic S S.Mapping of the affected surface by the presence of Hieracium pilosella in a livestock farm of the region de Magallanes y Antarctica Chilena, using Sentinel-2 data[C]//First IEEE International Symposium of Geoscience and Remote Sensing.IEEE,2017:1-4.

[7] Mazhar S,Gul J,Mueen F,et al.Design of a memory-card based low-cost GPS data-logger for livestock monitoring[C]//IEEE Sensors Conference 2015,Busan,Korea,1-4 Nov 2015.

[8] 廖子淵,陳明志,鄧輝.基于評(píng)價(jià)可信度的云計(jì)算信任管理模型研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全,2016(2):33-39.

[9] 謝秋波,孟祥寶,黃家懌,等.基于云計(jì)算的現(xiàn)代畜牧業(yè)營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2014(3):67-73.

[10] 姜明月.云計(jì)算平臺(tái)下的大數(shù)據(jù)分流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(2):28-32.