一种高价值对象储运全程信息压缩重构方法及系统

1.本发明属于储运监测技术领域，具体涉及一种高价值对象储运全程信息压缩重构方法及系统。


背景技术：

2.随着物流行业的发展，特殊高价值对象，如复杂机电设备、石油、煤层气和危险化学物质的储运安全越来越受关注。为了保证这些特殊高价值对象的储运安全，其储运过程往往配备完善的监测系统，对储运过程的温度、湿度、压力、加速度等履历信息进行全程监测。由于监测参数众多，监测数据量巨大，这将带来一系列的数据传输、存储和提取等问题。为此，急需一种针对高价值对象的储运信息压缩系统，既可降低监测结果数据量，又不影响监测精度。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决现有储运信息监测系统存在的监测参数众多、监测数据量巨大和监测精度低的技术问题，提供一种高价值对象储运全程信息压缩重构方法及系统。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
5.一种高价值对象储运全程信息压缩重构方法，其具体步骤为：
6.1)采用传感器采集相应的储运信号；
7.2)对采集到的信号根据变化速率进行自适应分类，分为缓变信号和速变信号；
8.3)对不同类型信号进行不同方法的压缩采样。若是缓变信号，则采用确定性采样方法进行采样；若是速变信号，则采用压缩感知的随机采样方法进行采样，并对随机采样的速变信号进行投影测量；
9.4)对不同类型信号进行不同方法的数据重构。若是缓变信号，则利用插值法对测量结果进行插值来重构采样数据；若是速变信号，则先利用插值法对测量结果进行插值，再利用压缩感知重构算法进行数据重构。
10.进一步地，所述插值法为中值插值、拉格朗日插值、线性插值、最邻近插值、zero阶梯插值或样条多项式插值方法中的任意一种。
11.进一步地，所述压缩感知重构算法为最优化逼近方法、贪婪算法或非凸方法中的任意一种。
12.采用一种高价值对象储运全程信息压缩重构方法的系统，其由电源模块、信号采集模块、信号判定模块、中央控制模块、确定性采样模块、随机采样模块、数据投影模块、数据重构模块、通信模块、警报模块、数据存储模块和数据监测中心组成；
13.所述电源模块由主电源、备用电源、充电电路和电源转换电路构成，所述电源模块与信号采集模块、信号判定模块、中央控制模块、确定性采样模块、随机采样模块、数据投影模块、数据重构模块、通信模块、警报模块和数据存储模块连接并对上述模块进行供电；
14.所述信号采集模块与中央控制模块和电源模块连接，其通过传感器采集储运过程
中需要监测的信号，并将采集到的相应信号送至中央处理模块；
15.所述中央控制模块是整个系统的核心，其与信号采集模块、信号判定模块、数据重构模块、通信模块、数据存储模块、警报模块和电源模块连接，将信号采集模块传送的监测信号输送给信号判定模块；将从数据重构模块传送来的重构出的数据传送至通信模块、警报模块和数据存储模块，并控制通信模块、警报模块和数据存储模块的运行工作；
16.所述信号判定模块与中央控制模块、电源模块、确定性采样模块和随机采样模块连接，根据信号变化的速率对从中央控制模块接收到的需要监测的信号实现自适应分类，即分为缓变信号和速变信号，并将缓变信号传送至确定性采样模块，将速变信号传送至随机采样模块；
17.所述确定性采样模块与信号判定模块和数据重构模块连接，所述确定性采样模块对温度、湿度缓变信号进行采样，一般采用香农采样定理进行采样。并将采样的缓变信号传送至数据重构模块；
18.所述随机采样模块与信号判定模块和数据投影模块连接，所述随机采样模块采用压缩感知的随机采样方法对加速度、压力、冲击力速变信号进行采样，并将随机采样的速变信号传送给数据投影模块；
19.所述数据投影模块与随机采样模块和数据重构模块连接，所述数据投影模块是将随机采样模块传送的随机采样后的速变信号从原始高维速变信号映射到低维空间，进而实现信号的随机采样测量，并将随机采样测量的速变信号传送给数据重构模块；
20.所述数据重构模块与缓变信号的确定性采样模块、速变信号的数据投影模块和中央控制模块连接；所述数据重构模块对确定性采样模块传送来的缓变信号和数据投影模块传送来的速变信号进行重构；对于缓变信号的数据采用插值法重构出原始信号；对于速变信号的数据，先对随机测量的数据进行插值，再利用重构算法对插值结果进行重构，最后将重构出的数据送至中央控制模块；
21.所述通信模块与电源模块和中央控制模块连接，将中央控制模块传输的重构出的数据通过通信模块发送至数据监测中心；
22.所述数据监测中心与通信模块连接，用来接收从通信模块发送的数据，相关人员可从此模块获得监测信号；
23.所述数据存储模块与电源模块和中央控制模块连接，将重构出的数据存储到数据存储模块中，以防数据传输过程的丢失；
24.所述警报模块与电源模块和中央控制模块连接，当中央控制模块监测到采集的参数数据超过设定阈值时，通过警报模块发出一级警报；在系统上电后的自检过程，若有模块异常则发出二级警报。
25.进一步地，所述随机采样模块的随机采样过程如下：
26.(1)设原始信号x是n
·
1维的离散信号，则有
27.x＝ψ
·
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
28.其中，ψ为稀疏基，信号在ψ域上是稀疏的，θ是原始信号x在ψ域上的投影系数；若上述方程是可逆的，则表示原始信号x是稀疏的，稀疏信号的表示是压缩感知的先决条件；
29.(2)寻找一个n
·
n维的采样矩阵a，采样结果y
s
可表示为
30.y
s
＝a
·
x＝a
·
ψ
·
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
31.进一步地，所述数据投影模块的数据投影过程如下：
32.寻找一个m
·
n维的测量矩阵φ，一般选择高斯随机矩阵作为随机测量矩阵，将原始信号x映射到低维空间，则有
33.y＝φ
·
y
s
＝φ
·
a
·
x＝φ
·
a
·
ψ
·
θ
ꢀꢀꢀ
(3)
34.式中，y为m
·
1维的压缩信号；其中m为观测点数量，且为了确保数据的重构，m应满足下式：
35.m>k
·
log2(n/k)
ꢀꢀꢀ
(4)
36.式中，k是测量信号的稀疏度；
37.所述公式(3)还能写成：
[0038][0039]
其中为m
·
n维的矩阵，称为感知矩阵；
[0040]
为了确保数据的重构，测量矩阵φ通常需要满足以下要求：
[0041]
①
测量矩阵φ必须与稀疏基ψ是无关的；
[0042]
②
测量矩阵φ需满足约束等距性即需满足下列方程：
[0043]
(1
‑
δ)||x||
22
≤||φx||
22
≤(1+δ)||x||
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0044]
式中：δ是rip系数，且0<δ<1。
[0045]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0046]
1、本发明将高价值对象储运信号进行归类，针对不同信号提出不同的数据压缩、重构方法；
[0047]
2、本发明针对不同信号实施不同的压缩、重构方法及装置，不仅可以降低监测的数据量，节约系统功耗、体积和成本，同时也能提高监测数据的精确度。
附图说明
[0048]
图1是本发明系统的示意图；
[0049]
图2是本发明压缩感知随机采样原理图；
[0050]
图3是本发明压缩感知数据投影原理图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0052]
本实施例中的一种高价值对象储运全程信息压缩重构方法，其具体步骤为：
[0053]
1)采用传感器采集相应的储运信号；
[0054]
2)对采集到的信号根据变化速率进行自适应分类，分为缓变信号和速变信号；
[0055]
3)对不同类型信号进行不同方法的压缩采样。若是缓变信号，则采用确定性采样方法进行采样；若是速变信号，则采用压缩感知的随机采样方法进行采样，并对随机采样的速变信号进行投影测量；
[0056]
4)对不同类型信号进行不同方法的数据重构。若是缓变信号，则利用插值法对测量结果进行插值来重构采样数据；若是速变信号，则先利用插值法对测量结果进行插值，再
利用压缩感知重构算法进行数据重构。
[0057]
所述插值法为中值插值、拉格朗日插值、线性插值、最邻近插值、zero阶梯插值或样条多项式插值方法中的任意一种。
[0058]
所述压缩感知重构算法为最优化逼近方法、贪婪算法或非凸方法中的任意一种。
[0059]
如图1所示，本实施例中的一种高价值对象储运全程信息压缩重构系统，其由电源模块、信号采集模块、信号判定模块、中央控制模块、确定性采样模块、随机采样模块、数据投影模块、数据重构模块、通信模块、警报模块、数据存储模块和数据监测中心组成；
[0060]
所述电源模块由主电源、备用电源、充电电路和电源转换电路构成，所述电源模块与信号采集模块、信号判定模块、中央控制模块、确定性采样模块、随机采样模块、数据投影模块、数据重构模块、通信模块、警报模块和数据存储模块连接并对上述模块进行供电；当系统开始工作时，由主电源对整个系统进行供电，检测到主电源电量低于设定阈值时，切换到备用电源临时供电，同时为主电源接通充电电路；当主电源充电完成后，自动切换到主电源，并为备用电源接通充电电路，充电完成后断开充电电路。
[0061]
所述信号采集模块与中央控制模块和电源模块连接，其通过传感器采集储运过程中需要监测的信号，并将采集到的信号送至中央处理模块；所述传感器为温度传感器、湿度传感器、速度传感器和压力传感器等。
[0062]
所述中央控制模块是整个系统的核心，其与信号采集模块、信号判定模块、数据重构模块、通信模块、数据存储模块、警报模块和电源模块连接，将信号采集模块传送的监测信号输送给信号判定模块；将从数据重构模块传送来的重构出的数据传送至通信模块、警报模块和数据存储模块，并控制通信模块、警报模块和数据存储模块的运行工作；所述中央控制模块的控制芯片可选用xilinx公司和altera公司的fpga芯片、英国arm公司的arm7、arm9系列和arm单片机、ti公司的dsp系列芯片和intel公司的51单片机。
[0063]
所述信号判定模块与中央控制模块、电源模块、确定性采样模块和随机采样模块连接，根据信号变化的速率对从中央控制模块接收到的需要监测的信号实现自适应分类，即分为缓变信号和速变信号，并将缓变信号传送至确定性采样模块，将速变信号传送至随机采样模块。
[0064]
所述确定性采样模块与信号判定模块和数据重构模块连接，所述确定性采样模块对温度、湿度等缓变信号进行采样，一般采用香农采样定理进行采样。并将采样的缓变信号传送至数据重构模块。
[0065]
所述随机采样模块与信号判定模块和数据投影模块连接，所述随机采样模块采用压缩感知的随机采样方法对加速度、压力、冲击力等速变信号进行采样，并将随机采样的速变信号传送给数据投影模块。
[0066]
所述随机采样模块的随机采样过程如下：
[0067]
(1)设原始信号x是n
·
1维的离散信号，则有
[0068]
x＝ψ
·
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0069]
其中，ψ为稀疏基，信号在ψ域上是稀疏的，θ是原始信号x在ψ域上的投影系数；若上述方程是可逆的，则表示原始信号x是稀疏的，稀疏信号的表示是压缩感知的先决条件。
[0070]
(2)寻找一个n
·
n维的采样矩阵a，采样结果y
s
可表示为
[0071]
y
s
＝a
·
x＝a
·
ψ
·
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)。
[0072]
压缩感知随机采样的原理如图2所示。
[0073]
所述数据投影模块与随机采样模块和数据重构模块连接，所述数据投影模块是将随机采样模块传送的随机采样后的速变信号从原始高维速变信号映射到低维空间，进而实现信号的随机采样测量，并将随机采样测量的速变信号传送给数据重构模块。
[0074]
所述数据投影模块的数据投影过程如下：
[0075]
寻找一个m
·
n维的测量矩阵φ，一般选择高斯随机矩阵作为随机测量矩阵，将原始信号x映射到低维空间，则有
[0076]
y＝φ
·
y
s
＝φ
·
a
·
x＝φ
·
a
·
ψ
·
θ
ꢀꢀꢀ
(3)
[0077]
式中，y为m
·
1维的压缩信号；其中m为观测点数量，且为了确保数据的重构，m应满足下式：
[0078]
m>k
·
log2(n/k)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0079]
式中，k是测量信号的稀疏度；
[0080]
所述公式(3)还能写成：
[0081][0082]
其中为m
·
n维的矩阵，称为感知矩阵；
[0083]
为了确保数据的重构，测量矩阵φ通常需要满足以下要求：
[0084]
①
测量矩阵φ必须与稀疏基ψ是无关的；
[0085]
②
测量矩阵φ需满足约束等距性即需满足下列方程：
[0086]
(1
‑
δ)||x||
22
≤||φx||
22
≤(1+δ)||x||
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0087]
式中：δ是rip系数，且0<δ<1。
[0088]
压缩感知数据投影的原理如图3所示。
[0089]
所述数据重构模块与缓变信号的确定性采样模块、速变信号的数据投影模块和中央控制模块连接；所述数据重构模块对确定性采样模块传送来的缓变信号和数据投影模块传送来的速变信号进行重构；对于缓变信号的数据采用插值法重构出原始信号；对于速变信号的数据，先对随机测量的数据进行插值，再利用重构算法对插值结果进行重构，最后将重构出的数据送至中央控制模块。
[0090]
插值法采用中值插值、拉格朗日插值、线性插值、最邻近插值、zero阶梯插值、样条多项式插值等方法中的任意一种。重构算法采用以基追踪(basic pursuit,bp)为代表的最优化逼近方法、以正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit,omp)为代表的贪婪算法以及以迭代硬阈值(iterative hard thresholding,iht)为代表的非凸方法中的任意一种。
[0091]
所述通信模块与电源模块和中央控制模块连接，将中央控制模块传输的重构出的数据通过通信模块发送至数据监测中心。通信模块可采用蓝牙、zigbee、gprs、红外通讯技术、近距离无线通信(nfc)、家庭射频、超宽带、wifi等无线通信模块。
[0092]
所述数据监测中心与通信模块连接，用来接收从通信模块发送的数据，相关人员可从此模块获得监测信号。
[0093]
所述数据存储模块与电源模块和中央控制模块连接，将重构出的数据存储到数据
存储模块中，以防数据传输过程的丢失。所述数据存储模块采用flash存储器或sd卡。flash存储芯片可以采用三星、东芝、英特尔等公司的flash芯片，sd卡可以采用索尼、闪迪、天硕等品牌的。
[0094]
所述警报模块与电源模块和中央控制模块连接，当中央控制模块监测到采集的参数数据超过设定阈值时，通过警报模块发出一级警报；在系统上电后的自检过程，若有模块异常则发出二级警报。
[0095]
本发明系统的工作过程为：
[0096]
1、系统上电，由主电源供电系统开始工作。
[0097]
2、各个模块进行自检，若有问题通过中央处理器传送至警报模块，发出二级警报。
[0098]
3、信号采集模块通过传感器采集对应的储运信号。
[0099]
4、信号判定模块识别采集到的信号并根据变化速率进行自适应分类。
[0100]
5、当信号判定模块识别出监测信号类型时，进入采样模块对信号开始对应采样。
[0101]
若是缓变信号，则信号进入确定性采样模块，对信号进行确定性采样，一般采用香农采样定理进行采样；若是速变信号，则系统进入随机采样模块，采用压缩感知的随机采样方法进行采样。
[0102]
6、所述数据投影模块对随机采样模块采集的速变信号随机测量完成后，进入数据重构模块。
[0103]
若是缓变信号，利用插值法对测量结果进行插值；若是速变信号，先利用插值法对测量结果进行插值，再利用压缩感知重构算法进行数据重构。
[0104]
7、所述数据重构模块将重构完的数据送入中央处理模块，由中央处理模块控制，传入数据存储模块，将监测到的数据存储起来，并通过通信模块发送至数据监测中心。