Wireless sensor and actor networks (WSANs): αλγόριθμοι αναγνώρισης γεγονότων βασισμένων σε τεχνικές ασαφούς λογικής με πρόβλεψη για απαίτηση απόκρισης πραγματικού χρόνου

Abstract

Event detection in real environments is a research area that has attracted a lot ofinterest. The discipline of artificial intelligence seems to have gained significant ground.The main objective of these areas is the creation of appropriate algorithms and buildingmodels on real data sets, so that the evaluation metrics are able to confirm their abilityto detect whether or not the existence of real events. Assuming a reliable system(evaluated by the relevant metrics (Accuracy, Sensitivity, Specificity)) the basic researchproblem is to investigate the performance of the above system when the application ishosted in a WSN topology, and more particularly when the system is executed in realWSN hardware platforms which are characterized by limited-resources and under theerror-prone nature of wireless communications. Hence, the problem is examined fromtwo perspectives: i.) What are the limitations during the development and theimplementation of such systems in WSN infrastructures and ii.) how the performance ofsuch systems is affected while the Network QoS varies within the network topology.For these reasons we designed and developed two fuzzy logic systems, whichevaluated in the Matlab environment. Then the above systems implemented in C andexecuted by the embedded WSN platforms TelosB hardware platforms. Theexperimental evaluation confirmed our initial beliefs about the impact of networkconditions on the performance of the algorithm and the monolithic approach of localprocessing demonstrated to affect vital to the application itself.Driven by these observations, we propose novel techniques in order to implement fuzzylogic systems in WSN infrastructures targeting optimal resource allocation within anetwork topology. Towards this objective, the technique denoted as Directed AcyclicGraph to Network Graph (DAG2NG) is presented leading to the distributed implementation of the Fuzzy Logic. Moreover, the event triggered execution of theFuzzy Inference Systems is implemented in order to achieve optimal CPU utilization.The task scheduling problem, is extended beyond the framework of the fuzzy logic. Sowe design, study and evaluate a series of scheduling models that allow the distributionof tasks within the wireless nodes. The application of these models in the field of WSNsallows the study of the energy efficiency, response time and justice between nodes in aseries of algorithmic problems (parallel, nonparallel, hybrid), which can exist in variousWSN applications.The semantic relationship between the wireless nodes, is another object of this thesis.Both the event triggered implementation of fuzzy logic systems and the management ofthe nodes participating in a task assignment model, involve the discovery of semanticneighbors. So we propose two new semantic discovery algorithms neighbors, whom weevaluate.The thesis concludes with the proposal of a new algorithm that seeks to give a newdimension and answer to the problem of node-to-actor coordination.The assignment of the sensors at specific actors, taking into account the actors’capabilities as well as the heterogeneity of the network, lead to the proposal of a newsensor-to-actor coordination algorithm based on the Voronoi tesselation.

H αναγνώριση γεγονότων κατά την παρακολούθηση ενός περιβάλλοντος αποτελεί έναιδιαίτερα ευρύ ερευνητικό αντικείμενο που έχει αποσπάσει το αντίστοιχο ερευνητικόενδιαφέρον. Ο επιστημονικός κλάδος της τεχνητής νοημοσύνης φαίνεται να έχει κερδίσεισημαντικό έδαφος. Ο βασικός στόχος των συγκεκριμένων περιοχών, είναι η δημιουργίακατάλληλων αλγορίθμων αλλά και η οικοδόμηση μοντέλων πάνω σε σετ πραγματικώνδεδομένων, ούτως ώστε οι μετρικές αξιολόγησης τους να επιβεβαιώνουν την ικανότητα τουςνα ανιχνεύουν πραγματικά γεγονότα αλλά και να ανιχνεύουν την μη ύπαρξη πραγματικώνγεγονότων. Δεδομένου λοιπόν ενός τέτοιου συστήματος που η απόδοση του έχει κριθεί από τιςαντίστοιχες μετρικές (Accuracy, Sensitivity, Specificity) θέτουμε στο προσκήνιο το ερευνητικόπρόβλημα της απόδοσης ενός τέτοιου συστήματος όταν η εφαρμογή του γίνεται εντός μιαςWSN τοπολογίας, και πιο συγκεκριμένα όταν η εκτέλεση του γίνεται από τις περιορισμένες σεπόρους WSN hardware πλατφόρμες, και κάτω από την επιρρεπή σε λάθη φύση τωνασυρμάτων επικοινωνιών.Έτσι η διατριβή αυτή πιάνει το παραπάνω σύστημα από δύο σκοπιές: i.) ποιοι είναι οιπεριορισμoί που τίθενται σε έναν developer κατά την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων σε WSNinfrastrucures και ii.) πως επηρεάζεται η απόδοση τέτοιων συστημάτων όταν το Network QoSαλλάζει μέσα στο δίκτυο. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν και αναπτύχθηκαν δύοσυστήματα ασαφούς λογικής που αφού αξιολογήθηκαν στο περιβάλλον του Matlab,υλοποιήθηκαν σε C και εκτελέστηκαν από τις ενσωματωμένες WSN πλατφόρμες υλικούTelosB. Η πειραματική αξιολόγηση, επιβεβαίωσε τις αρχικές μας πεποιθήσεις για την επίδρασητων δικτυακών συνθηκών στην απόδοση του αλγορίθμου ενώ η μονολιθική προσέγγιση τουlocal processing έδειξε να επηρρεάζει ζωτικά την ίδια την εφαρμογή.Ορμούμενοι από αυτά τα συμπεράσματα, η συγκεκριμένη διατριβή έρχεται να μελετήσει και ναπροτείνει νέες τεχνικές εκτέλεσης συστημάτων ασαφούς λογικής, επιδιώκωντας τη βέλτιστη κατανομή πόρων των κόμβων εντός μιας δικτυακής τοπολογίας. Στο πλαίσιο αυτόπροτείνεται η τεχνική Directed Acyclic Graph to Network Graph (DAG2NG) που επιδιώκει τηνκατανεμημένη υλοποίηση τέτοιων συστημάτων. Η event triggered στρατηγική εκτέλεσηςσυστημάτων ασαφούς λογικής σχεδιάζεται και υλοποιείται στη συγκεκριμένη διατριβήπροκειμένου να επιτύχει βέλτιστη χρήση του υπολογιστικού κόστους του αλγορίθμουασαφούς συμπερασμού.Η κατανομή των εργασιών μεταξύ των κόμβων μιας δικτυακής τοπολογίας, επεκτείνεται καιπέρα από το πλαίσιο της ασαφούς λογικής. Έτσι σχεδιάζουμε μελετούμε και αξιολογούμε μιασειρά μοντέλων επεξεργασίας που επιτρέπουν τη κατανομή εργασιών εντός των ασυρμάτωνκόμβων. Η εφαρμογή των μοντέλων αυτών στο χώρο των WSNs επιτρέπει τη μελέτη τηςενεργειακής απόδοσης, της χρονικής απόκρισης αλλά και της δικαιοσύνης μεταξύ των κόμβωνσε μια σειρά αλγοριθμικών προβλημάτων (parallel, nonparallel, hybrid), που μπορεί ναυπάρξουν σε διάφορες WSN εφαρμογές.Η σημασιολογική συγγένεια των ασυρμάτων κόμβων, έρχεται επίσης σαν αντικείμενο μελέτηςτης συγκεκριμένης διατριβής. Τόσο η event triggered υλοποίηση των συστημάτων ασαφούςλογικής όσο και η διαχείριση των κόμβων που συμμετέχουν σε ένα μοντέλο επεξεργασίας,προϋποθέτουν την ανακάλυψη των σημασιολογικών γειτόνων. Έτσι προτείνουμε δύο νέουςαλγορίθμους ανακάλυψης σημασιολογικών γειτόνων, τους οποίους και αξιολογούμε.Η παρούσα διατριβή καταλήγει με την πρόταση ενός νέου αλγορίθμου που επιδιώκει να δώσειμια νέα απάντηση στο πρόβλημα του node-to-actor coordination. Η κατανομή των sensors σεσυγκεκριμένους actors λαμβάνοντας υπόψιν, τις δυνατότητες των actors αλλά και τηνανομοιογένεια του δικτύου, οδηγεί στην πρόταση ενός νέου αλγορίθμου sensor-to-actorcoordination που κάνει χρήση του Voronoi tesselation.