面向三层结构的群智感知任务分配方法与流程

本发明属于群智感知技术领域，具体涉及到面向三层结构的群智感知任务分配方法。

背景技术：

近年来，移动智能设备，如智能手表、智能手机、平板电脑等，伴随着移动计算和无线通信技术的迅速发展得到广泛普及，其存储、计算、通信能力得到不断加强，并配备了众多传感器，如麦克风、摄像头、gps、重力仪、陀螺仪、血压传感器、温度传感器等。在此基础上，人们利用大量普通移动用户使用的移动设备作为基本感知单元，通过物联网/移动互联网进行协作，实现感知任务分发与感知数据收集利用，最终完成大规模、复杂的城市与社会感知任务。为了充分、低成本地利用这些移动智能设备的感知、计算和存储资源，群智感知计算模式应运而生并得到广泛研究和应用。与基于传感网和物联网的感知方式不同，群智感知以大量普通用户作为感知源，强调利用大众的广泛分布性、灵活移动性和机会连接性进行感知，并为城市及社会管理提供智能辅助支持。它可应用在很多重要领域，如智能交通、公共安全、社会化推荐、环境监测、城市公共管理等诸多领域，因而得到了世界各国政府、产业界和学术界的高度关注。

一个群智感知应用系统一般包含3个组成部分：云平台，即系统，任务请求者和任务完成者。任务请求者向云平台发布感知任务需求，并从云平台接收任务结果；云平台主要负责任务发布、任务分配、感知数据收集和任务质量评估；任务完成者，即携带移动智能设备的普通移动用户，从云平台接收所分配的任务并负责数据感知和收集，并将感知数据发送给云平台。在群智感知系统中，任务分配是实施群智感知的基础。云平台需要根据任务请求者提交的任务需求，并结合当前移动用户的状态，将各个任务分配给参与群智感知的众多用户，分配的依据是实现特定的优化目标，如最大化整体收益、最大化任务接收率等。

从现有的研究成果上看，当前的面向群智感知的任务分配方法和系统尚未考虑以下几个方面：

1、边缘节点发挥的重要作用。

2、各个子任务的权重以及对所分配用户数目的要求。

在现有任务分配方法中，一般由平台收集当前需要执行的所有任务，并向所有用户发送需要执行的任务集合，根据各个用户自身的具体情况分配任务。事实上，由平台直接收集所有的用户和任务信息会影响任务分配的速度和安全性，且用户在全局的分布并不均匀，子任务对所分配用户数目的要求各不相同，用户数目符合子任务权重要求的用户合作完成任务则可以获得更高质量的感知数据。因此，任务分配过程中可增加边缘节点服务，且不同子任务的用户可以按照各自的子任务权重要求来合作完成一个高质量需求的任务。此外，云平台可以提高任务预算分配的合理程度，比如云平台可以充分利用任务的结余预算，将其分配给部分初始预算不足的任务，在节省任务预算的同时有望大幅提高任务分配率。但是，当前的在线任务分配方法尚未考虑这些因素，在很大程度上限制了群智感知的应用范围。

因此，为适应大规模群智感知应用场景，同时提高平台的任务分配速度和任务分配率，在考虑任务的质量需求和子任务权重要求之间的关系以及云平台对任务预算的合理调配的情况下，设计一种基于面向三层结构的群智感知任务分配方法是十分必要的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种任务分配速度快、应用范围广的面向三层结构的群智感知任务分配方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：

(1)收集感知任务

感知任务γ是由n个子任务组成：

γ＝{τ1,τ2,...,τn}

其中，n为有限的正整数，每个子任务τi对应一个区域li和权重wi，wi∈(0,1)，li∈l，i∈{1,...,n}。

l＝{1,2,...,l}

l为有限的区域集合，l为一个有限的正整数。

w1+w2+...+wn＝1.0

感知任务γ具有一个总预算b和一个分布参数θ，总预算b和分布参数θ为有限的正实数。

(2)为每个子任务分配子预算

云平台为感知任务γ的每个子任务τi∈γ分配子预算bi如下：

bi＝wi×b

(3)发送子任务和子预算到边缘节点

每个区域li内存在一个边缘节点ei，该边缘节点ei负责管理本区域内的子任务τi和在本区域的移动用户，云平台将各个子任务τi以及子任务τi所分配的子预算bi发送给子任务τi对应区域li的边缘节点ei。

(4)为每个子任务分配移动用户

各边缘节点ei为子任务τi分配移动用户，步骤如下；

1)边缘节点ei确定其所在区域内的用户集合ui：

其中，ki是边缘节点ei所在区域的移动用户数目。

2)边缘节点ei确定所有移动用户执行子任务τi的代价cij，其中，代价cij为正实数。

3)边缘节点ei按照代价cij从小到大对移动用户进行排序。

4)在不超过子任务τi的子预算bi的前提下，边缘节点ei依次选择移动用户并加入被选用户集合ui’，即满足：

其中，xij表示是否选择移动用户加入ui’的变量，xij＝1表示将移动用户加入ui’，xij＝0表示不将移动用户加入ui’。

5)边缘节点ei将子任务τi的被选用户数与任务权重之比ri和子任务τi的剩余预算ri发送给云平台，

ri＝bi-ci

其中，mi是被选用户集合ui’中的用户个数，wi是子任务τi的权重，ci是被选用户集合ui’的总代价，

(5)调整各子任务分配的移动用户

云平台对各子任务分配的用户进行调整，包括以下步骤：

1)云平台选择需要增加用户的子任务τp，τp是r最小的子任务，r是被选用户数与任务权重之比；云平台将总剩余预算r发送给该子任务τp对应区域lp的边缘节点ep，p∈{1,...,n}，总剩余预算r按下式确定：

2)边缘节点ep判断是否存在移动用户且满足

cpj≤r

其中，up表示边缘节点ep所在区域内的移动用户集合，up’表示边缘节点ep已选择的移动用户集合，cpj是移动用户执行子任务τp的代价；若存在，则边缘节点ep选择代价最小的移动用户加入集合up’；若不存在，则将总剩余预算r发送给云平台，转至步骤5)。

3)边缘节点ep将总剩余预算更新为r-cpj’，并确定子任务τp的被选用户数与任务权重之比rp。

其中，mp是up’中的用户个数，wp是子任务τp的权重，cpj’是移动用户执行对应子任务τp的代价；边缘节点ep将更新后的总剩余预算和rp发送给云平台。

4)云平台选择需要增加用户的子任务τp；云平台将总剩余预算r发送给该子任务τp对应区域lp的边缘节点ep，转至步骤2)。

5)云平台确定所有子任务的r的期望值e：

并确定对应的方差σ²：

若σ²<θ或δσ≤0，则该任务分配结束，其中，δσ表示σ更新前减去更新后的差值；否则，云平台选择需要减少用户的子任务τq，τq是r最大的子任务，r是被选用户数与任务权重之比；云平台将总剩余预算r发送给该子任务对应区域lq的边缘节点eq，q∈{1,...,n}。

6)边缘节点eq选择一个代价最大的移动用户移至uq-uq’，其中uq表示边缘节点eq所在区域内的移动用户集合，uq’表示边缘节点eq已选择的移动用户集合，边缘节点eq将总剩余预算更新为r+cqj，并确定子任务τq的被选用户数与任务权重之比rq：

其中，cqj是移动用户执行子任务τq的代价，mq是uq’中的用户个数，wq是子任务τq的权重，边缘节点eq将更新后的剩余预算和rq发送给云平台，转至步骤4)。

在本发明的收集感知任务步骤(1)中，所述的感知任务γ中的各个子任务τi∈γ的权重wi通过如下公式得到：

式中，ki为子任务τi对应区域li中的移动用户数目，ks为子任务τs对应区域ls中的移动用户数目，ls∈l。

在本发明的调整各子任务分配的移动用户步骤(5)中，所述的需要增加用户的子任务τp为：r最小的子任务数目多于1个，需要增加用户的子任务τp是r最小的子任务中权重最大的子任务。

在本发明的调整各子任务分配的移动用户步骤(5)的步骤5)中，所述的需要减少用户的子任务τq为：r最大的子任务数目多于1个，需要减少用户的子任务τq是r最大的子任务中权重最小的子任务。

在本发明的收集感知任务步骤(1)中，所述的分布参数θ为2.0以下的正实数。

在本发明的收集感知任务步骤(1)中，所述的分布参数θ为0.1。

本公开与现有技术相比的优点在于：

由于本发明采用了面向三层结构的群智感知任务分配方法，将任务分配分为云平台、边缘节点、移动用户，通过边缘节点服务将收集、计算、分配等业务下沉至边缘，降低了响应时延，减轻了中心平台的通信和计算压力，解决了现有的平台直接收集所有用户和任务信息带来的问题。任务分配过程中增加边缘节点服务，在满足安全隐私保护的同时还可提高任务分配的速度，扩大了群智感知的应用范围。

本发明考虑了任务的质量需求和子任务权重要求之间的关系，用户数目符合子任务权重要求的用户合作完成任务可以获得更高质量的感知数据，在任务预算的约束条件下，根据子任务权重要求来选取不同的用户协作完成感知任务，在满足感知数据质量的同时节省了任务预算。

本发明考虑了任务的预算对任务分配的影响，提出了能够提高任务分配率的方法，任务预算将被平台拆分为两部分，一部分预算用来保证本任务的正常分配，剩余部分预算由平台分配给因初始预算不足而无法分配的任务，提高了任务分配率。分配过程中所有预算不足的任务都平等获得平台预算补充，体现了按权重公平分配。该方法既促使任务的预算得到更充分地应用，也能使更多的任务被成功分配。

附图说明

图1是本发明实施例1的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例的面向三层结构的群智感知任务分配方法由下述步骤组成(参见图1)：

(1)收集感知任务

感知任务γ是由n个子任务组成

γ＝{τ1,τ2,...,τn}

其中，n为有限的正整数，每个子任务τi对应一个区域li和权重wi，可表示为τi＝(li,wi)，wi∈(0,1)，li∈l，i∈{1,...,n}，本实施例的n为5，τ1＝(1,0.2)，τ2＝(2,0.2)，τ3＝(3,0.2)，τ4＝(4,0.2)，τ5＝(5,0.2)。

l＝{1,2,...,l}

l为有限的区域集合，l为一个有限的正整数。

w1+w2+...+wn＝1.0

感知任务γ具有一个总预算b和一个分布参数θ，总预算b和分布参数θ为有限的正实数，本实施例的总预算为b为200，分布参数θ为0.1，l为5。

(2)为每个子任务分配子预算

云平台为感知任务γ的每个子任务τi∈γ分配子预算bi如下：

bi＝wi×b

该步骤中b1为40，b2为10，b3为40，b4为40，b5为40。

(3)发送子任务和子预算到边缘节点

每个区域li内存在一个边缘节点ei，该边缘节点ei负责管理本区域内的子任务τi和在本区域的移动用户，云平台将各个子任务τi以及子任务τi所分配的子预算bi发送给子任务τi对应区域li的边缘节点ei。

(4)为每个子任务分配移动用户

各边缘节点ei为子任务τi分配移动用户，步骤如下；

1)边缘节点ei确定其所在区域内的用户集合ui：

其中，ki是边缘节点ei所在区域的移动用户数目，该步骤中k1为5，k2为5，k3为5，k4为5，k5为5。

2)边缘节点ei确定所有移动用户执行子任务τi的代价cij，其中，代价cij为正实数，本实施例的cij取值如下：

3)边缘节点ei按照代价cij从小到大对移动用户进行排序，排序结果如下：u1为u2为u3为u4为u5为

4)在不超过子任务τi的子预算bi的前提下，边缘节点ei依次选择移动用户并加入被选用户集合ui’，即满足：

其中，xij表示是否选择移动用户加入ui’的变量，xij＝1表示将移动用户加入ui’，xij＝0表示不将移动用户加入ui’，该步骤中的u1’为u2’为u3’为u4’为u5’为

5)边缘节点ei将子任务τi的被选用户数与任务权重之比ri和子任务τi的剩余预算ri发送给云平台，

ri＝bi-ci

其中，mi是被选用户集合ui’中的用户个数，wi是子任务τi的权重，ci是被选用户集合ui’的总代价，该步骤中m1为3，m2为4，m3为4，m4为5，m5为4，r1为10，r2为15，r3为4，r4为3，r5为1，r1为15.00，r2为20.00，r3为20.00，r4为25.00，r5为20.00。

该步骤中c1为30，c2为25，c3为36，c4为37，c5为39。

(5)调整各子任务分配的移动用户

云平台对各子任务分配的用户进行调整，包括以下步骤：

1)云平台选择需要增加用户的子任务τp，τp是r最小的子任务，r是被选用户数与任务权重之比；云平台将总剩余预算r发送给该子任务τp对应区域lp的边缘节点ep，p∈{1,...,n}，总剩余预算r按下式确定：

2)边缘节点ep判断是否存在移动用户且满足

cpj≤r

其中，up表示边缘节点ep所在区域内的移动用户集合，up’表示边缘节点ep已选择的移动用户集合，cpj是移动用户执行子任务τp的代价；该步骤中p为1，若存在，则边缘节点ep选择代价最小的移动用户加入集合up’；若不存在，则将总剩余预算r发送给云平台，转至步骤5)，该步骤中j’为5，由于c1,5≤r成立，边缘节点e5选择代价最小的移动用户加入集合u1’。

3)边缘节点ep将总剩余预算更新为r-cpj’，并确定子任务τp的被选用户数与任务权重之比rp：

其中，mp是up’中的用户个数，wp是子任务τp的权重，cpj’是移动用户执行对应子任务τp的代价；该步骤中边缘节点ep将更新后的总剩余预算和rp发送给云平台。

4)云平台选择需要增加用户的子任务τp；云平台将总剩余预算r发送给该子任务τp对应区域lp的边缘节点ep，转至步骤2)，直至cpj≤r不能成立。

5)云平台确定所有子任务的r的期望值e：

并确定对应的方差σ²：

若σ²<θ或δσ≤0，则该任务分配结束，其中，δσ表示σ更新前减去更新后的差值；否则，云平台选择需要减少用户的子任务τq，τq是r最大的子任务，r是被选用户数与任务权重之比，在该步骤中e为22.00，对应的方差σ²为6.00，q为1；云平台将总剩余预算r发送给该子任务对应区域lq的边缘节点eq。

6)边缘节点eq选择一个代价最大的移动用户移至uq-uq’，其中uq表示边缘节点eq所在区域内的移动用户集合，uq’表示边缘节点eq已选择的移动用户集合，边缘节点eq将总剩余预算更新为r+cqj，并确定子任务τq的被选用户数与任务权重之比rq：

其中，cqj是移动用户执行子任务τq的代价，mq是uq’中的用户个数，wq是子任务τq的权重，边缘节点eq将更新后的剩余预算和rq发送给云平台，该步骤中更新后的剩余预算为17，q为1，r1为20.00，转至步骤4)，直至σ²<θ或δσ≤0，得到任务分配结果为：u1’为u2’为u3’为u4’为u5’为

完成面向三层结构的群智感知任务分配。

实施例2

本实施例的面向三层结构的群智感知任务分配方法由下述步骤组成：

(1)收集感知任务

感知任务γ是由n个子任务组成

γ＝{τ1,τ2,...,τn}

其中，n为有限的正整数，每个子任务τi对应一个区域li和权重wi，可表示为τi＝(li,wi)，wi∈(0,1)，li∈l，i∈{1,...,n}，本实施例的n为5，τ1＝(1,0.1)，τ2＝(2,0.15)，τ3＝(3,0.2)，τ4＝(4,0.25)，τ5＝(5,0.3)。

l＝{1,2,...,l}

l为有限的区域集合，l为一个有限的正整数。

w1+w2+...+wn＝1.0

感知任务γ具有一个总预算b和一个分布参数θ，总预算b和分布参数θ为有限的正实数，本实施例的总预算为b为100，分布参数θ为2.0，l为5。

(2)为每个子任务分配子预算

云平台为感知任务γ的每个子任务τi∈γ分配子预算bi如下：

bi＝wi×b

该步骤中b1为10，b2为15，b3为20，b4为25，b5为30。

(3)发送子任务和子预算到边缘节点

每个区域li内存在一个边缘节点ei，该边缘节点ei负责管理本区域内的子任务τi和在本区域的移动用户，云平台将各个子任务τi以及子任务τi所分配的子预算bi发送给子任务τi对应区域li的边缘节点ei。

(4)为每个子任务分配移动用户

各边缘节点ei为子任务τi分配移动用户，步骤如下；

1)边缘节点ei确定其所在区域内的用户集合ui。

其中，ki是边缘节点ei所在区域的移动用户数目，该步骤中k1为2，k2为3，k3为4，k4为5，k5为6。

2)边缘节点ei确定所有移动用户执行子任务τi的代价cij，其中，代价cij为正实数，本实施例的cij取值如下：

3)边缘节点ei按照代价cij从小到大对移动用户进行排序，排序结果如下：u1为u2为u3为u4为u5为

4)在不超过子任务τi的子预算bi的前提下，边缘节点ei依次选择移动用户并加入被选用户集合ui’，即满足：

其中，xij表示是否选择移动用户加入ui’的变量，xij＝1表示将移动用户加入ui’，xij＝0表示不将移动用户加入ui’，该步骤中的u1’为u2’为u3’为u4’为u5’为

5)边缘节点ei将子任务τi的被选用户数与任务权重之比ri和子任务τi的剩余预算ri发送给云平台，

ri＝bi-ci

其中，mi是被选用户集合ui’中的用户个数，wi是子任务τi的权重，ci是被选用户集合ui’的总代价，该步骤中m1为2，m2为1，m3为4，m4为3，m5为2，r1为0，r2为0，r3为4，r4为4，r5为9，r1为20.00，r2为6.67，r3为20.00，r4为12.00，r5为6.67。

该步骤中c1为10，c2为15，c3为16，c4为21，c5为21。

(5)调整各子任务分配的移动用户

云平台对各子任务分配的用户进行调整，包括以下步骤：

1)云平台选择需要增加用户的子任务τp，τp是r最小的子任务，r是被选用户数与任务权重之比；云平台将总剩余预算r发送给该子任务τp对应区域lp的边缘节点ep，p∈{1,...,n}，总剩余预算r按下式确定：

2)边缘节点ep判断是否存在移动用户且满足

cpj≤r

其中，up表示边缘节点ep所在区域内的移动用户集合，up’表示边缘节点ep已选择的移动用户集合，cpj是移动用户执行子任务τp的代价；该步骤中p为5，若存在，则边缘节点ep选择代价最小的移动用户加入集合up’；若不存在，则将总剩余预算r发送给云平台，转至步骤5)，该步骤中j’为6，由于c5,6≤r，边缘节点e5选择代价最小的移动用户加入集合u5’。

3)边缘节点ep将总剩余预算更新为r-cpj’，并确定子任务τp的被选用户数与任务权重之比rp：

其中，mp是up’中的用户个数，wp是子任务τp的权重，cpj’是移动用户执行对应子任务τp的代价；该步骤中边缘节点ep将更新后的总剩余预算和rp发送给云平台。

4)云平台选择需要增加用户的子任务τp；云平台将总剩余预算r发送给该子任务τp对应区域lp的边缘节点ep，转至步骤2)，直至cpj≤r不能成立。

5)云平台确定所有子任务的r的期望值e：

并确定对应的方差σ²：

若σ²<θ或δσ≤0，则该任务分配结束，其中，δσ表示σ更新前减去更新后的差值；否则，云平台选择需要减少用户的子任务τq，τq是r最大的子任务，r是被选用户数与任务权重之比，在该步骤中e为13.73，对应的方差σ²为29.08，q为1；云平台将总剩余预算r发送给该子任务对应区域lq的边缘节点eq。

6)边缘节点eq选择一个代价最大的移动用户移至uq-uq’，其中uq表示边缘节点eq所在区域内的移动用户集合，uq’表示边缘节点eq已选择的移动用户集合，边缘节点eq将总剩余预算更新为r+cqj，并确定子任务τq的被选用户数与任务权重之比rq：

其中，cqj是移动用户执行子任务τq的代价，mq是uq’中的用户个数，wq是子任务τq的权重，边缘节点eq将更新后的剩余预算和rq发送给云平台，该步骤中更新后的剩余预算为12，q为1，r1为10.00，转至步骤4)，直至σ²<θ或δσ≤0，得到任务分配结果为：u1’为u2’为u3’为u4’为u5’为

完成面向三层结构的群智感知任务分配。

实施例3

在以上的实施例1、2的收集感知任务步骤(1)为：

感知任务γ是由n个子任务组成

γ＝{τ1,τ2,...,τn}

其中，n为有限的正整数，每个子任务τi对应一个区域li和权重wi可以通过如下公式得到：

式中，ki为子任务τi对应区域li中的移动用户数目，ks为子任务τs对应区域ls中的移动用户数目，ls∈l。

其它步骤与相应的实施例相同。完成面向三层结构的群智感知任务分配。