一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统及方法

专利名称：一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统及采用该系统 的抗灾方法，是一种对灾区进行灾民辅助求救与互救、灾民定位与营救、抗灾网络重构与修 复的嵌入式系统。
背景技术：
现在便携式嵌入式系统普及的趋势越来越明显，例如便携式家教辅助嵌入式系 统、便携式信息管理嵌入式系统等，而嵌入式系统网络的自重构与免疫计算本身就是一个 难题，且这方面的问题是传统嵌入式系统研究所忽视的，所以具有自重构网络特性的抗灾 嵌入式系统设计是难中之难。传统的嵌入式系统软件开发方法本质上属于非仿生的常规编程方法，传统软件开 发方法不可能模仿生物信息网络的自重构特性和免疫能力，从而在复杂多变的灾区环境中 系统的薄弱环节会造成不可挽回的重大损失。而且，嵌入式抗灾系统必须能在未知灾区环 境中独立工作，必须具有自重构和自修复的能力。在地震、洪灾、火灾和战场等危险环境中， 嵌入式抗灾系统工作的环境十分恶劣；灾民与救援队的通讯又常常是不频繁的和延时的， 这就导致专家干预有限、昂贵、慢速、不可靠或不可能，因而嵌入式抗灾系统能够自主地求 救、搜救和修复故障至关重要。人工免疫网络由人类的自然免疫网络灵感启发而来，其生物医学理论基础是免疫 网络理论、克隆选择理论、免疫耐受学说、抗体分子结构学说等。自然免疫网络的必要生物 基础是人体能根据异体的特征和位置激发相邻区域的大量免疫细胞和免疫分子，调节全身 淋巴系统的免疫能力部署，实现生物免疫网络的重构，以最大效率和最小损失为目标消除 异体，恢复机体的正常工作。但是，传统的人工免疫网络仅仅模拟特异型免疫网络机制、克 隆选择机制、免疫学习机制等，没有建立免疫网络的自重构模型，以最大限度发挥受损人工 免疫网络的主动作用。

发明内容
本发明的目的是提供一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统及采 用该系统的抗灾方法。为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了 一种基于自重构人工免疫网 络的抗灾嵌入式智能系统，其特征在于包括
由嵌入式芯片、存储器、液晶显示屏、输入输出设备和总线组成的嵌入式系统； 用于收集灾区环境信息的传感器模块；
自重构人工免疫网络软件系统，其根据人工免疫网络的自重构结构和调节算法将多个 嵌入式系统连接成人工免疫网络，根据某些网络节点的求救信号和施救信号调节抗灾网络 的部署，利用其他网络节点修复受损的网络节点；无线通信模块，用于接收来自嵌入式系统及传感器模块的信号并与自重构人工免疫网 络软件系统相互通信；
求救信号探测与定位模块，探测灾民求救时发出的信号源，根据可探测信号的精确位 置计算找出灾民的数字定位；
耐用电池，为灾民提供足够时间的求救电子器电池供应。本发明的另一个技术方案是提供了一种采用上述系统的抗灾方法，其特征在于， 步骤为
步骤1、灾民通过抗灾嵌入式智能系统发出求救信号；
步骤2、其他灾民和救援队的抗灾嵌入式智能系统通过所述求救信号检测与定位模块 检测所述求救信号，并找到所述灾民的精确位置；
步骤3、根据抗灾嵌入式智能系统网络的受损情况重构抗灾网络； 步骤4、根据灾民的状况和灾区的交通信息制定所述灾民的营救计划，通过所述无线通 信模块和所述抗灾网络调集营救设备和人员，并实施灾民营救；
步骤5、对所述灾民的营救结果和所述抗灾网络的自重构结果进行存储记忆。本发明的优点是解决传统抗灾过程嵌入式系统求救和搜救功能不强和抗灾网络 缺乏自重构能力和免疫力的问题，为抗灾嵌入式系统的灾民辅助求救与互救、灾民定位与 营救、抗灾网络重构与修复提供新的途径。


图1给出了抗灾嵌入式智能系统网络的重构算法流程图； 图2给出了抗灾嵌入式智能系统的免疫计算模型示意图3给出了基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统的结构示意图； 图4给出了基于自重构人工免疫网络的嵌入式智能系统抗灾流程图。
具体实施例方式以下结合实施例来具体说明本发明。 实施例本实施例以一种自行设计的自重构人工免疫网络为例，按照以下步骤构建基 于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统。1、构建自重构人工免疫网络
自重构人工免疫网络软件系统是基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统的 智能中心，具有一定的学习能力，建立在人工免疫网络、示例学习等机制的基础上。自重构 人工免疫网络软件系统负责检测、识别、学习和记忆系统异常和灾民求救信号，并对受损的 抗灾网络进行重构，进行最大限度的抗灾工作。自重构人工免疫网络软件系统由正常的关 键节点、正常的非关键节点、受损的关键节点、对受损关键节点的重构算法、免疫算法和受 损的非关键节点组成。正常的关键节点是人工免疫网络发挥正常功能的主要部分，它们包括灾民便携 的抗灾嵌入式系统、救援队便携的抗灾设备；正常的非关键节点是与网络抗灾功能无关的应用提供机器，包括常规应用程序的服务器；受损的关键节点是在灾害中受损的抗灾嵌入 式系统，也是灾民的受害信号之一，在抗灾网络中有必要针对受损的关键节点进行重构操 作；重构算法的步骤主要包括检测受损节点，判断受损的关键节点及其备用节点，将备用节 点替换受损的关键节点，根据抗灾任务重新优化人工免疫网络的配置和修复受损的关键节 点，如图1所示，其具体步骤是
步骤1、检测已搭建起的抗灾网络的受损节点；
步骤2、依次判定所述受损节点是否为关键节点，如果此受损节点不是关键节点，就进 入步骤5，如果此受损节点是关键节点，进入步骤3 ；
步骤3、判定所述受损节点是否有备用节点，如果存在备用节点，就用其备用节点部分 替代所述受损节点的位置，并调整此节点的重要度权值；
步骤4、根据当前抗灾任务和状况重新优化抗灾网络的配置；
步骤5、屏蔽所述受损节点的输出信息链，修复该节点的软件损坏部分，将硬件受损的 节点进行硬件修理或更换；
步骤6、所述受损节点修复后，将此节点再换回其原来的位置，如果所述受损节点已完 全修复，就恢复原来的网络优化配置，否则根据所述受损节点的修复程度再次调整此节点 的重要度权值，并优化抗灾网络的配置。免疫算法是实现系统异常/灾民求救信号检测、学习、灾民营救和系统修复的核 心算法，包括正常模型构建算子、自体/系统异常/灾民求救信号检测算子、未知异体学习 算子、系统异常消除算子和系统修复算子，如图2所示，其算法流程是
步骤1、根据系统组件的时间属性和空间属性构建系统的正常模型，根据嵌入式抗灾系 统的属性配置构建抗灾系统的正常信号模型；自重构人工免疫网络软件系统的正常状态由 其所有文件的正常状态唯一确定，也就是说只有当其全部文件的状态都是正常的时，整个 自重构人工免疫网络软件系统的状态才是正常的；只要有一个文件的状态是异常的，整个 自重构人工免疫网络软件系统的状态就是异常的；
步骤2、根据待测组件的时间属性和空间属性检测系统异常，根据嵌入式抗灾系统的正 常信号模型检测灾民求救信号；
自体的检测率P(Ih)和异体的检测率PCa)分别表示为
卿=生
Sj
嶋二 ^
Sn
式中，已检测的自体个数为&，已检测的异体个数为 ，自体的总数为&。步骤3、根据系统异常和灾民求救信号的可测特征识别异常和求救信号的类型，对 于无法归类的未知异常和未知求救信号，进入步骤4，否则进入步骤6 ；
步骤4、根据免疫学习规则和示例学习方法寻找与待识别异体最相似的已知异体，利用 待测异体的已识别特征和待识别特征，判定未知异体的类型和处理方法；
假设已知异体的特征维度表示为0 ,异体q的特征向量表示为,那么所
有已知异体的特征空间表示为(( ι>_广,其中)=1,2,·"，！/ , if表示已知异体的总数。对于未知异体^，该异体的特征维度中有个维度是已知的，这些已知的维度值表示为 ，…,那么未知异体学习的过程表示为
Ck~ As{{ujivujh,"' ,u jiJ)
式中，以表示与未知异体Q最相似的已知异体，A表示最相似异体搜索算子，未知异 体Ci!的未知维度表示为fcA』A，'"，W rJ。步骤5、在系统异常/灾民求救信号的存储器中记忆未知系统异常和灾民未知求 救信号的类别和处理方法；
步骤6、根据异体处理方法消除系统异常，并对灾民进行施救； 步骤7、对系统的受损组件和抗灾网络的受损节点进行修复。在构建自重构人工免疫网络的第1步和第5步中用到免疫算法，根据已构建的系 统正常模型、抗灾系统正常信号模型和自体/系统异常/灾民求救信号检测模型检测已搭 建起的抗灾网络的受损节点；根据系统异常的识别、学习和记忆模型与算子，以及系统异常 消除与修复算子修复该节点的软件损坏部分。2、构建抗灾嵌入式系统的硬件模块
在构建抗灾嵌入式系统的硬件模块时，首先要对系统硬件从结构上进行正确划分和选 择，即将系统硬件划分为若干个功能组件，其中一些组件对实现系统的整体功能是必要的。 此抗灾嵌入式系统由嵌入式芯片、存储器、液晶显示屏、输入输出设备、网络接口和总线组 成，主要完成嵌入式系统的基础硬件功能，如图3所示。嵌入式芯片是抗灾嵌入式系统的计算核心，包括Intel芯片、三星芯片和国产芯 片；存储器是抗灾嵌入式系统的数据存储单元，包括内存条和闪存；液晶显示屏是抗灾嵌 入式系统的信息显示和用户交互的界面，采用真彩触摸屏；输入输出设备包括数字键盘、串 口、USB接口、串口 /USB转换器；网络接口是抗灾嵌入式系统有线联网的接口。3、构建无线通信模块
无线通信模块是连接灾民、救援队和抗灾设备的主要通信工具，将各个抗灾嵌入式智 能系统连接起来，构成与外部网络互通的通信网络，为灾民之间、灾民与救援队之间的联系 提供了通信平台。设计无线通信模块时，不同的抗灾任务对求救信号的可探测距离和抗灾 网络的通信需求都有特定的要求，根据这些用户需求选择“蓝牙”通信模式、无线传感器模 式、手机通信模式和无线网卡连接模式。“蓝牙”通信模式是短距离、低功耗的无线通信方式，具有性能稳定、信息传输可 靠、移动性强、组网灵活等优势。例如，“蓝牙”通信模块可以使用以BlUecore02为内核的 “蓝牙”芯片，型号为BCM-04 ；所述“蓝牙”芯片体积小，功耗低，提供了多种通信接口，如USB 接口、UART接口和语音接口。无线传感器是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器，这些小型传感器一般称 作传感器节点。所述无线传感器通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。例 如，基于ZigBee标准的无线传感器采用网格网络分布式网络架构，可提供多条传输路径，故能提高网络的可靠性、扩展性和网络自我修复能力。手机通信是灾害发生前用户最常用的无线通信方式，在灾害发生后如果手机通信 的信号中转站仍然能够工作，这也是一种实用的抗灾通信模式。但是，由于灾害的巨大破坏 力和未知性，手机通信往往由于硬件损伤中断，或者由于手机电池耗尽而不能工作，因此此 时需要修复手机通信的硬件设施，为抗灾手机配用耐用电池。无线网卡是笔记本电脑通用的上网工具，在保证笔记本电脑正常工作和安全的情 况下，这也是一种可行的抗灾通信方式。4、构建求救信号探测与定位模块
求救信号探测与定位模块是借助无线通信模块接收求救信号，并精确找出信号源位置 的计算模块。在人工免疫网络软件系统中，求救信号探测是与自体/异体检测模块一致的。 灾民通过抗灾嵌入式系统反馈的信号分为正常信号和异常信号两种模式，在灾害发生的前 提下，异常信号视为求救信号。信号定位模块可以为抗灾嵌入式系统和灾民定位，把现场的位置通过无线传输模 块发送给外界，使得外界知道灾民所处的位置，有利于灾民救援工作。例如，将GPS接收机 的小型化OEM板与单片机相结合，利用其输出的数据信息，配置相应的外围设备，即可开发 GPS应用系统；GPS定位系统可以在灾害发生时提供灾民的具体位置并传达给救援人员，加 快救援效率。再如，我国的“北斗”导航系统也可以完成信号定位的功能。5、构建传感器模块
传感器模块是抗灾嵌入式系统感知灾区环境的组件，包括摄像头、红外传感器、声纳传 感器、雷达感知器、温度传感器、气体浓度传感器和无线传感器。传感器模块完成声音采集、 图像采集、温度采集、气体浓度采集等功能，由于传感器所采集的是模拟信号，所以要通过 A/D转换器进行信号数字化。上述提供的一个系统可应用在抗灾方法上，如图4所示，步骤为 步骤1、灾民通过抗灾嵌入式智能系统发出求救信号；
步骤2、其他灾民和救援队的抗灾嵌入式智能系统通过所述求救信号检测与定位模块 检测所述求救信号，并找到所述灾民的精确位置；
步骤3、根据抗灾嵌入式智能系统网络的受损情况重构抗灾网络； 步骤4、根据灾民的状况和灾区的交通信息制定所述灾民的营救计划，通过所述无线通 信模块和所述抗灾网络调集营救设备和人员，并实施灾民营救；
步骤5、对所述灾民的营救结果和所述抗灾网络的自重构结果进行存储记忆。这个实例 所采用的自重构人工免疫网络和抗灾嵌入式系统可以推广到其他嵌入式系统，用来实现嵌 入式系统的异常检测、病毒预防、目标搜索、网络安全和异常软件系统修复。
权利要求
一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统，其特征在于包括由嵌入式芯片、存储器、液晶显示屏、输入输出设备和总线组成的嵌入式系统；用于收集灾区环境信息的传感器模块；自重构人工免疫网络软件系统，其根据人工免疫网络的自重构结构和调节算法将多个嵌入式系统连接成人工免疫网络，根据某些网络节点的求救信号和施救信号调节抗灾网络的部署，利用其他网络节点修复受损的网络节点；无线通信模块，用于接收来自嵌入式系统及传感器模块的信号并与自重构人工免疫网络软件系统相互通信；求救信号探测与定位模块，探测灾民求救时发出的信号源，根据可探测信号的精确位置计算找出灾民的数字定位；耐用电池，为灾民提供足够时间的求救电子器电池供应。
2.如权利要求1所述的一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统，其特征 在于所述自重构人工免疫网络按以下步骤构建步骤1、检测已搭建起的抗灾网络的受损节点；步骤2、依次判定所述受损节点是否为关键节点，如果此受损节点不是关键节点，就进 入步骤5，如果此受损节点是关键节点，进入步骤3 ；步骤3、判定所述受损节点是否有备用节点，如果存在备用节点，就用其备用节点部分 替代所述受损节点的位置，并调整此节点的重要度权值；步骤4、根据当前抗灾任务和状况重新优化抗灾网络的配置；步骤5、屏蔽所述受损节点的输出信息链，修复该节点的软件损坏部分，将硬件受损的 节点进行硬件修理或更换；步骤6、所述受损节点修复后，将此节点再换回其原来的位置，如果所述受损节点已完 全修复，就恢复原来的网络优化配置，否则根据所述受损节点的修复程度再次调整此节点 的重要度权值，并优化抗灾网络的配置。
3.如权利要求1所述的一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统，其特征 在于还包括一常规应用程序模块，在灾害没有发生的情况下完成辅助教学、娱乐、信息管 理和通信功能。
4.一种采用如权利要求1或2所述的一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能 系统的抗灾方法，其特征在于，步骤为步骤1、灾民通过抗灾嵌入式智能系统发出求救信号；步骤2、其他灾民和救援队的抗灾嵌入式智能系统通过所述求救信号检测与定位模块 检测所述求救信号，并找到所述灾民的精确位置；步骤3、根据抗灾嵌入式智能系统网络的受损情况重构抗灾网络； 步骤4、根据灾民的状况和灾区的交通信息制定所述灾民的营救计划，通过所述无线通 信模块和所述抗灾网络调集营救设备和人员，并实施灾民营救；步骤5、对所述灾民的营救结果和所述抗灾网络的自重构结果进行存储记忆。
全文摘要
本发明涉及一种基于自重构人工免疫网络的抗灾嵌入式智能系统，其特征在于包括由嵌入式芯片、存储器、液晶显示屏、输入输出设备和总线组成的嵌入式系统；用于收集灾区环境信息的传感器模块；自重构人工免疫网络软件系统、无线通信模块、求救信号探测与定位模块及耐用电池。本发明还提供了一种应用上述系统的抗灾方法。本发明的优点是解决传统抗灾过程嵌入式系统求救和搜救功能不强和抗灾网络缺乏自重构能力和免疫力的问题，为抗灾嵌入式系统的灾民辅助求救与互救、灾民定位与营救、抗灾网络重构与修复提供新的途径。
文档编号G06N3/06GK101984457SQ20101053851
公开日2011年3月9日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者龚涛 申请人:东华大学