展柜微环境下多传感器信息融合主要算法设计

温永刚 王琬茹

1.天津商业大学宝德学院 天津 300384；2.天津工业大学 天津 300382

随着文物预防性保护理念以及工业智能制造理念的日益深入，国内众多相关文物保护制造企业依托各项新技术，在新型智能文物展柜的设计生产与制造过程方面逐步探索出了物联网技术与文物预防性保护理念深层次智能融合的研究发展方向。因为微环境的保持对展柜内文物的稳定保存起着至关重要的作用，所以智能文物展柜的设计中需要重点面对与解决的问题是展柜内微环境的实时监测与环境参数调整。而文物展柜微环境所涉及的影响因素是多种多样的，可以涉及温度、湿度、光照、紫外线等多种影响因素。如何解决多环境参数综合作用与影响下的微环境稳定性监测与调控，无论是从监测方面的数据模型建立还是环境参数调控时的有效性评价，都需要相应的算法与策略设计。

1 文物展柜微环境下多环境参数信息数据预处理

复杂环境下文物展柜内微环境监测与控制过程中，需要同时对采集得到的多种环境参数数据进行综合处理。而系统首先要解决的重要问题就是多种监控数据的数据融合会导致多数据通道之间噪声与干扰的产生是无法避免的，它对系统多环境参数数据采集的精确性与调控的稳定性起着至关重要的影响。而解决这一问题的思路，即是在对采集的多数环境数据进行分析处理之前进行数据预处理，主要解决时间配准与异常值剔除两项任务。

1.1 展柜微环境下多传感器数据的时间配准

多传感器信息数据预处理过程中首先要解决的问题是传感器配准。如同数据通信过程中要解决的传输同步问题一样，多传感器环境下多传感器数据也需要无误差地完成同一时间基准的采样、转换以及数据传输。而在实际工作环境中，不同传感器其采样频率、转换周期、数据上传周期等参数都有着较大的差异，并且受数据传输模式造成传输延迟也大不相同，因此必须要将各个传感器不同步的测量数据完成融合前的同步准备。

对于本系统而言，因为涉及的展柜微环境监测传感器工作模式都是处于相对匀速运动模型的采样，因此本系统的传感器时间配准采用最小二乘配准法来完成。采用的基本思路是利用最小二乘配准算法策略，将系统内所有微环境监测传感器某个时间阶段内多次的测量数值合成为一个虚拟的测量数值，减少多个环境监测数值之间的差异影响，进行统一量化。

1.2 异常值剔除

在统计学中所谓的异常值代表的是测量数据集合设D={Y(T1)，…Y(TN)}为对动态目标的一序列跟踪测t数据所组成的集合，D中严重偏离大部分数据所呈现变化趋势的一小部分数据点称为异常值。本系统拟采用的是3σ准则进行异常值分析，简单且实用。其对传感器上传数据进行融合之前进行分析判断，对于某一传感器数据值队列，规定测量中出现的异常值只含有随机误差。而根据随机误差的正态分布规律，其残余误差落在±3σ以外的概率约为0.3%，若发现有大于3σ的残余误差的测量值，系统将该点认定为一个异常值，系统要予以剔除。当然前提假设系统传感器获得的数据样本服从于同一个正态分布，因此该方式对传感器异常监测值的剔除是一个近似的方法。

2 数据关联算法

文物展柜内微环境监测与调控需要解决的一项重要问题即是对多环境监测数据实施数据关联。因为影响文物展柜微环境的稳定性调控涉及多项环境参数数据的监测与分析处理，而在复杂环境下数据杂波与彼此的干扰会对测量数据值产生不确定性，只有通过对测量数据进行数据关联才能实现多维数据融合，为系统性的监测与调控提供数据基础支持。

2.1 数据预选

数据预选阶段是实施微环境监控数据关联的基础数据操作，实施的基本思路即是将展柜内各种环境参数传感器所获取的各种测量数据根据展柜所处的实际环境情况进行信息选择与排除过滤，最大程度保留传感器获取的真实有效数据。

2.2 计算关联矩阵

关联矩阵可定量描述量测—量测对或量测—目标对间相似程度，包括了数据关联度量标准、逻辑原则、相似性计算方法等方面，是数据关联的重点步骤。一般常根据实际应用情况选择某种相似性度量方法对落入关联门之内的每一个量测计算关联度，根据量测和目标之间的关联度建立对应关联矩阵。目前，用于衡量量测—量测对或量测—目标对间联系度的方法有：概率相似法、距离度量法、关联系数法等。

2.3 选择合适的赋值策略

在构造的关联矩阵基础上，需选择合适的赋值策略将量测分配给目标，实现真正的关联并进行状态更新。通常赋值策略分两大板块内容：分别是基于算法的赋值策略与基于非算法的赋值策略，本系统在赋值策略选择依据方面主要是针对文物展柜内微环境监测实际情况以及系统对数据关联的具体要求。

3 基于模糊评价的文物展柜微环境状态辨识算法设计

3.1 模糊综合评判

模糊评价理论的基本思想是利用模糊数学变化原理，将与评价对象有关的各个方面因素统一考虑在内，形成一个对评价对象全方位的综合性判断。在文物展柜微环境调控系统中，当系统接收到各传感器的数据信息后，因为各环境参数之间存在着较为密切的影响关系，例如，光照与温、湿度数值之间存在着互相的影响，因此在制定微环境调控策略时需要对微环境中各种传感器的测量数据进行综合研判。

模糊评价理论的基本方法是设置指标集与评判集，其中设置U={u1，u2，u3…，un}文物展柜微环境下的n种调控指标，称之为微环境调控目标指标集。V={v1，v2，v3…，vm}是为U中诸指标制定的m种评判集。需要注意的是，两类集合中的名称与具体的元素数量是通过人为判断进行命名与设置。因为在实际使用中无法做到对指标集V进行完全与完整的指标设置，带有一定的模糊性，故在本系统设置该评价集时采用的是V上的一个模糊子集V’={v’1，v’2，…，v’m}∈F(V)。

3.2 模型建立

将模糊综合评价原理运用到文物展柜微环境状态识别与调控的过程即利用多个传感器的测量数据内容对模糊对象进行模糊评定得出对应的模糊矩阵，然后根据各个评定因素的权重进行综合，以得到初步的融合结果，针对该微环境调控的状态辨别模型设计步骤如下：

(1)确定指标集并建立评判表。

(2)构建评判矩阵。

(3)确定权重向量。本系统所涉及的主要影响展柜内微环境稳定性的环境参数传感器对应的指标权值确定，所依据的是国家制定的相应的文物保护环境标准。

(4)生成合成算子。将制定微环境传感器权重向量与决策矩阵的合成结果作为评语集上的模糊子集，并生成对应的合成算子。

4 DS证据理论在微环境多传感器数据决策级数据融合的算法设计

当前微环境下的环境数据感知的研究在多参数监测与数据融合方面还有较大的短板。重要的原因是这些环境因素的传感器一方面本身受温、湿度影响较大，另一方面彼此之间又存在较强的交叉敏感性。这就造成了多源性环境感知数据存在着较大的误差，无法准确地体现微环境的真实情况。因此对环境感知数据误差的补偿修正直接影响到整个微环境稳定性的调节，本项目针对文物展柜微环境监测平台得到多源性环境感知数据，对其存在的交叉敏感误差与实际监测过程中产生的动态误差的检测与修正主要涉及两个方面内容：首先是展柜内微环境调控目标值的合理确定；其次是在目标值确定的基础上对微环境调控精度的保证。对于前者本课题的解决思路是拟采用DS证据理论对文物展柜中所涉及的各种传感器数值信息进行数据融合处理，通过理论计算以期达到制定相对最优的环境调控目标的目的；而对于后者则是通过运用控制理论中的不变性原理设计多参数下的耦合调控算法模型。

4.1 文物展柜微环境状态下多传感器信息融合对精确度调控目标的影响因素分析

对于文物展柜内微环境中的温、湿度调控效果而言，主要的影响因素在于供气设备与展柜并不处于同一位置，必然存在两位置之间的温、湿度值的差异。同时，由于距离的关系传送气体的管道在进行气体输送时也会产生不可避免的损耗与误差。

微环境调控设备可以采用单机服务模式与多机联网服务模式，随着物联网技术与无线通信技术的不断深入应用，展柜微环境调控日益向网络化方向发展，进而由一组调控设备通过管道线路连接多台文物展柜进行统一网络化气体供应与调节的综合性微环境调控系统是当前文保研究与制造的重点研究方向。进行微环境温、湿度调节过程中，系统不仅需要对被调节展柜的微环境温、湿度数值与调控设备气体输出端口的温、湿度数值进行采集，还需要考虑到调控设备出口测量的气体湿度值与调控对象文物展柜内实际气体相对湿度值的不一致性，会产生调控的偏差。例如，某书籍文物展柜要求保持的微环境最佳温度为20℃，湿度值为55%，此为调控目标。调控设备所在机房的温度值为25℃，如果仅是在设备气体出口处测量的湿度值为55%，当气体通过管道到达展柜后。随着展柜内温度值的下降，根据相关公式可以推算出，气体的饱和含水量会随着温度降低而降低，最终导致展柜内的相对湿度上升，会超过55%的预期目标值，造成展柜内微环境调控出现偏差。

同时，由于在实际应用过程当中，设备机房与展厅展柜之间有一定的距离限制，导致气体在管道中的传输会有一定程度的数量损耗，最终进入展柜内的气体总量会小于设备出气口的气体输出量，这也会对最终的展柜微环境调控结果产生影响，无法实现精确调节。

本研究的出发点是通过设计基于文物展柜微环境控制的多传感器融合算法，运用DS证据理论，通过对文物展柜内置温湿度传感器获得的数据信息、展柜所在环境中温湿度传感器获得的温湿度数据信息以及供气装置所在设备间出气口的温湿度数据信息进行信息融合，即可以对文物展柜微环境中温湿度测控的目标值计算出相应的调控方向，并对调控效果进行优化。

4.2 系统功能模型设计

系统的功能模型在设计上采用三级融合模式设置，分别为数据级融合、特征级融合以及决策级融合。该模型将各场所内温湿度传感器获得的实际数据信息与展柜目标温湿度信息作为模型的初始数据，第一层是对这些数据进行初级的数据级融合，该层融合的主要任务是完成偏差值的计算，包括当前文物展柜内部空气温湿度值与目标温湿度值之间的偏差值以及设备间内出气口相对湿度与展柜目标温湿度值之间的偏差值。第二层是对数据级融合中出现的偏差实施特征提取，进行特征级融合。第三层是决策融合，通过运用DS证据理论实现特征信息融合，并最终得到优化的调整方案结果。

4.3 系统结构模型设计

系统结构设计采用倒置式结构，首先，通过展厅文物展柜内目标温度值T1计算出展柜内气体在该温度下的饱和含水量数值X1(T1条件下极限水蒸气含量值)，再通过对展柜内的目标相对湿度值Y1计算出达到该相对湿度时的目标绝对湿度值Z(既理想状态下单位体积展柜内气体中所含的水蒸气含量值)。其次，利用气体提供装置在设备间内温度值T2，计算出在该温度值下供气装置出气口处所提供气体的饱和含水量数值X2(T2条件下极限水蒸气含量值)，最后，通过展柜内的目标绝对湿度值Z与X2的比值计算得到供气装置出气口处所提供气体的理论调控目标相对湿度Y2。将得到的展柜内的目标相对湿度值Y1、设备间理论调控目标相对湿度Y2以及当前温度下展柜内的实际相对湿度Y3进行判断比较。如果存在相应的偏差，如果存在偏差则计算出该偏差值，作为下一级融合对象，以完成最后的数据修正。

5 系统整体方案设计

针对影响文物展柜的微环境稳定性的主要环境参数：展柜内的温度、湿度、气体(尤其是有害气体)、光照、紫外线强度、有害生物等，本研究课题拟开发设计一种多参数的展柜微环境测控系统，在监测文物展柜微环境各项参数的同时对展柜内进行微环境调控，达到文物预防性保护的最佳效果，该系统综合物联网与网络通信技术实现展柜微环境数据的监测、采集、传输与参数调控，并通过C/S结构网络模式将数据信息送达后台服务器端，实现系统数据的集中式管理。

5.1 系统硬件设计方案

综合而言，该系统在硬件设计方面需要完成监控数据集成端与微环境控制端两个主要组成部分。其中的监控数据集成端负责完成展柜内多个传感器信号的采集与预处理，并完成对后台服务器端环境信息的上传与相关环境调整装置控制指令的下达；微环境控制端的主要功能是通过接收服务器的下达的操控指令，实现外界空气进量阀门的精确控制。

5.2 总体软件设计方案

系统主要的软件设计包含三个主要组成部分：监控数据集成端软件设计、微环境控制端模块软件设计与后台服务器端软件设计。

监控数据集成端软件设计主要包含了传感器采集程序设计、人机界面交互设计、通信功能模块设计、与微环境控制端模块数据通信模块设计。微环境控制端模块软件设计主要包括与监控数据集成端数据通信模块设计、阀门开合控制模块设计及开合度检测功能设计。后台服务器端软件设计主要包括人机交互界面设计、通信功能模块设计与温湿度控制功能模块设计。