基于免疫进化的物联网系统架构优化

收稿日期：２０２００９０７；修回日期：２０２０１０２０ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５７２４４７）；河南省重点研发与推广专项资助项 目（２０２１０２３１０５２２）
作者简介：张玉（１９８２），女，河南郑州人，副教授，主要研究方向为物联网性能优化、智能计算；杜猛猛（１９９４），男（通信作者），河北沧州人，研 究生，主要研究方向为进化计算、物联网性能优化（ｑ８２８０４６２＠ｑｑ．ｃｏｍ）；张红艳（１９８２），女，河南郑州人，讲师，主要研究方向为优化理论及应用； 李虎（１９８２），男，河南郑州人，讲师，硕士，主要研究方向为智能计算、物联网安全．
图 １ 层级物联网应用系统模型及其运行机制 Ｆｉｇ．１ ＨｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌＩｏＴａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌａｎｄｉｔｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ
虽然，系统使用信息标签机制并行处理检索请求，但系统
宽度和深度对性能表现有很大的影响。若系统中某些中介器
或聚合器节点的下属数据库节点过多，系统的宽度过高，可能
计的系统性能很大程度上取决于设计者自身的知识储备和设 计经验，性能难以保障。在设计大规模的系统时，当系统中的 智能体或构件动态地增加或减少时，通过人工方式更加难保证 系统的整 体 性 能。文 献 ［６］提 出 了 一 种 组 织 结 构 设 计 语 言 （ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅ，ＯＤＭＬ）。在分布式传感 器系统和信息检索系统的环境下，定义了一种定量的组织效能 函数去度量系统性能。虽然使用硬约束、等价类、平行搜索和 抽象思维的方式方法，去帮助设计人员减少系统组织设计的复 杂度，但是方法没有发生质的改变，并且这一设计过程还是很 大程度地依赖于设计者。另一个智能体系统的组织架构研究 者 ＫＢＯＲＧ［７］，其采用应用等级和协作层级度的组织 架 构 知 识，去有选择地发现有用的部分系统组织。与 ＯＤＭＬ方法相 似，ＫＢＯＲＧ仅仅帮助设计人员删除部分无用的系统组织，但 是在系统组织结构设计过程中，人工方式还是占主导地位。文 献［８］提出了 一 种 优 化 系 统 组 织 结 构 的 方 法———基 于 遗 传 算 法的层级搜索算法，提出了将系统组织结构表征转换为基因表 征的映射方法，基于该方法可使用遗传算法来产生适宜的物联 网系统组织实例。文献［８］代替以往的穷举法，一定程度上取 代了人工设计的方式，但在算法寻优的过程中，解种群的多样
摘 要：随着众多的智能设备成为物联网系统的构件，其系统架构形式和规模呈现出多样化、巨大化的特点。 物联网系统的性能取决于其本身的组织架构。因此，物联网系统组织架构方式的优化尤为重要。由于系统架构 本质为系统节点的排列组合问题，将系统架构问题转换为系统效能值的优化问题，提出了一种基于免疫进化的 求解算法。该算法采用层次编码方式，将系统组织架构转换为整数编码形式，设计了自适应层级交叉算子、小扰 动变异算子，并采用个体激励度来引导算法的搜索方向，搜索出满足性能要求的物联网系统结构。实验结果表 明：该算法可获得具有高效能值的系统组织架构，在成功率、相对错误率和收敛速度上的表现较优。 关键词：物联网；组织结构；进化算法；免疫算法 中图分类号：ＴＰ３９９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１３６９５（２０２１）０７０２３２０４４０６ ｄｏｉ：１０．１９７３４／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３６９５．２０２０．０９．０２３３
ＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＩｏＴｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄｏｎｉｍｍｕｎｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ
ＺｈａｎｇＹｕ１，ＤｕＭｅｎｇｍｅｎｇ２，ＺｈａｎｇＨｏｎｇｙａｎ１，ＬｉＨｕ１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００４４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｇｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｍａｎｙｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｄｅｖｉｃｅｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ’ｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｆｏｒｍ ａｎｄｓｃａｌｅａｒｅｓｈｏｗｉｎｇｄｉｖｅｒｓｉｆｉｅｄａｎｄｈｕｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｎＩｏＴｓｙｓｔｅｍｄｅｐｅｎｄｓｏｎｉｔｓｏｗｎｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓｓｙｓｔｅｍ ｉｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ． Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｅｓｓｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｔｈｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｙｓｔｅｍ ｎｏｄｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎｔｏｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｕｔｉｌｉｔｙｖａｌｕｅ，ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｄａｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｉｍｍｕｎｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｕｓｅｄａｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｏｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｏａｎｉｎｔｅｇｅｒｃｏｄｉｎｇｆｏｒｍ．Ｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄａｎａｄａｐｔｉｖｅｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｃｒｏｓｓｏｖｅｒｏｐｅｒａｔｏｒａｎｄａｓｍａｌｌｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｍｕｔａｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｏｒ，ａｎｄｕｓｅｄｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｇｕｉｄｅｔｈｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄｓｅａｒｃｈｆｏｒｔｈｅａｌｇｏ ｒｉｔｈｍｔｈａｔｍｅｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎｏｂｔａｉｎａｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｓｕｃｃｅｓｓｒａｔｅ，ｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｒａｔｅａｎｄｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｓｐｅｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ（ＩｏＴ）；ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｉｍｍｕｎｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ
０ 引言
目前，物联网 技 术 已 经 得 到 了 广 泛 应 用。 伴 随 着 智 能 手 机、智能传感器等一系列智能设备的普及，智能设备逐渐成为 物联网系统的主要构件。如何提高物联网的系统性能对物联 网进一步发展起着重要作用。由于智能设备本身拥有一定的 数据处理能力和决策能力，在一定程度上能提高物联网系统的 整体性能。同时，５Ｇ技术的发展和应用，提升了物联网构件之 间的数据传输速率，减少了延迟，在一定程度上也提升了物联 网系统的整体 性 能 ［１］。 此 外，物 联 网 系 统 中 部 分 信 息 处 理 任 务也逐步推向网络的边缘进行处理，以便提高物联网的整体性 能［２，３］。在物联网领域中，当物联网系统由相同数量和种类的 设备构成，设备间自组织形式不同，从而系统的组织架构不同， 其性能表现也参差不齐。因此，合适的系统架构是决定系统性 能的主要因素。物联网组织架构的本质是合理地组织系统节 点，使系统节点之间相互协作产生的集体效应最大，从而处理 系统所面临的各种状况。文献［４，５］提出一种组织架构方法， 其主要目的是指导设计人员如何去设计系统组织架构。但是， 以人工方式设计的系统组织，其设计过程非常耗时，并且所设
会引起上级节点的过负载，且当其上级节点发生故障时，该设
计方式会引起该节点下属的存储资源不可用，很大程度上降低
第 ７期
张 玉，等：基于免疫进化的物联网系统架构优化
·２０ ４５ ·
性和搜索精度难以保证。 由于物联网系统架构本质为系统节点的排列组合问题，是
一个 ＮＰｈａｒｄ问题，生物启发式算法是求解此类问题的有效方 法。免疫优化算法是一种生物自启发式随机搜索算法，通过模 拟生物免疫系统的机制和功能，来解决众多的全局优化问题。 该算法具有强全局搜索力、高鲁棒性的特点，且在寻优过程中， 免疫算法引入亲和度评价算子、个体浓度评价算子以及激励度 评价算子，通过其种群多样性保持机制以及隐含的并行分布式 搜索机制，最终 搜 索 出 满 足 要 求 的 全 局 最 优 解 ［９］。 免 疫 优 化 算法已经在无人机［１０］、车间作业 调 度［１１］、车 辆 调 度［１２］、无 线 传感器网络［１３］等领域得到了广泛应用。
因此，为了高效、合理地组织物联网系统构件，让系统内构 件高效动态地合作，使系统性能达到最高，本文将物联网组织 架构问题建模为优化问题，并首次将免疫算法引入物联网系统 结构优化问题，提出了一种免疫进化算法（ｉｍｍｕｎｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＩＥＡ）进 行 求 解。该 算 法 以 系 统 的 效 能 值 （ｕｔｉｌｉｔｙ， ｕ）［６，８］为目标函数，根据所给定的物联网节点，自动地搜索出 满足性能需求的物联网系统组织实例。实验结果表明：本文算 法所搜索出的组织实例的效能值高于其他算法，同时 ＩＥＡ在 相对错误率、正确率以及收敛速率［８］上的表现较好。
１ 物联网组织结构优化模型
目前，在日常工作和生活中通用的组织架构方式为层级结 构。在设计物联网系统时，完全可以使用层级结构的理论，将 功能和性能相似的设备实体都安置在同一结构层次，设计出满 足需求 的 物 联 网 应 用 系 统。其 中，端 对 端 信 息 检 索 系 统［６］ （ｐｅｅｒｔｏｐｅｅｒｉｎｆｏｍａｔｉｏｎｒｅｔｒｉｅｖａｌｓｙｓｔｅｍ，Ｐ２ＰＩＲｓｙｓｔｅｍ）便是一 个具有层级结构 特 性 的 物 联 网 应 用 系 统，其 本 质 是 一 个 树 结 构。本文使用 ＯＤＭＬ建模语言对该系统进行建模，其系统整 体由中介器、聚集器和数据库三种节点构成，并且以端对端的 方式将节点连接起来，每个节点与其他节点进行信息交互，并 且节点之间通力合作为系统使用者提供服务；同时，每个节点 建立其相对应的局部储存索引和信息搜索引擎；此外，每个节 点同时承担多个功能角色，例如转发搜索查询请求、向上级节 点返回搜索查询结果等功能 。 ［６，８］ 上述物联网应用系统的运 行方式和基本架构如图 １所示，从图中可知中介器位于系统的 顶层，并且每个中介器都拥有与之对应的信息标签［６］，该标签 记录了中介器所下属的数据库所存储数据的类型和数据特征。 数据库和聚合器为中介器的下属节点，其中数据库节点主要存 储数据和处理用户检索请求，聚集器对其下属的数据库节点进 行信息整合和管理。当用户发送检索请求给系统某个中介器 后，该中介器将请求转发给其临近的中介器，并比较其信息标 签，寻找信息标签与用户检索请求相似或相同的中介器，将检 索请求发送给这些相似的中介器进行并行检索处理，并且中介 器所下属的数据库节点处理请求，反馈相应的检索结果给其中 介器，中介器将最终的检索结果传递给用户。
第 ３８卷第 ７期 ２０２１年 ７月
计算机应用研究 ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓ
Ｖｏｌ３８Ｎｏ７ Ｊｕｌ．２０２１
基于免疫进化的物联网系统架构优化
张 玉１，杜猛猛２，张红艳１，李 虎１
（１．郑州师范学院 信息科学与技术学院，郑州 ４５００４４；２．天津工业大学 计算机科学与技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ院，天津 ３００３８７）