تلفیق اطلاعات

به منظور مشاوره آنلاین رایگان با آی دی تلگرامی من به آدرس Research_moghimi@ ارتباط بر قرار کنید.

۱- تلفیق اطلاعات یا Data fusion

۱-۱ تلفیق اطلاعات چیست؟

با یک مثال ساده شروع می کنم، اعضا و جوارح خود را فرض کنید، هر قسمت را به عنوان یک سنسور فرض کنید که اطلاعاتی را به مغز شما می فرستند در مغز پردازش می شوند و خروجی مناسبی را  اعمال می کند. کار دیتا فیوژن همان کار مغز است که اطلاعات را با هم می آمیزد و اطلاعاتی جدید از ان استنتاج می کند که قبل از این توسط هیچ سنسوری قابل استنتاج  نبود، همین مبحث را میتوان در بسیاری از زمینه ها مانند دیتابیس گسترش داد و داده ها را در دیتا بیس آمیخت.

به ادامه مطلب رجوع کنید

به عنوان مثال دوم برای درک بهتر تلفیق اطلاعات فرض کنید دو سنسور داریم یکی راداری که مشخص می کند هواپیمای دشمن در چه نقطه ای قرار دارد اما از نظر ارتفاعی هیچ اطلاعی به ما نمی دهد(برخی رادار ها دارای چنین قابلیتی هستند، در اینجا فقط به عنوان یک مثل و برای فهم بهتر مطلب فرض شده که چنین راداری در اختیار نداریم) و سنسور مادون قرمزی که ارتفاع را به ما می دهد اما هیچ اطلاعاتی در مورد نقطه وجود دشمن نمی دهد حال اگر این دو را با هم ترکیب کنیم مزیت اصلی تلفیق اطلاعات آشکار می شود. در این صورت می توانیم اطلاعاتی در مورد مکان و موقعیت هواپیمای دشمن و بسیاری از اطلاعت دیگر که از مجموع اطلاعات این دو سنسور استخراج می شود مانند سرعت آن و آرایش و رفتار آن و … استنتاج و استخراج کنیم. شکل زیر بیانگر این موضوع است :

شکل شماره یک – تلفیق دو سنسور[۸]

آنچه مشخص است وقتی اطلاعات تلفیق می شوند یعنی اطلاعات بیشتری تولید می شود و اطلاعات بیشتر یعنی قدرت بیشتر.

دیتا فیوژن کاربرد های بسیاری دارد از جمله آن می توان به موارد زیر اشاره کرد :

i)                    Transportation, aviation, Intelligent Cars Transportation System

and motorways management

ii)                  Multimedia communications,audio–visual fusion for teleconferencing

iii)                Robotics, 3-D vision

iv)                Wearable computing, monitoring the disabled and elderly.

 یکی از اصطلاحاتی که زیاد به آن برخورد می کنیم اصطلاح fuse است که با توجه به مثال بالا کاری که مغز هنگام دریافت چندین سیگنال از سنسور ها انجام می دهد مثلا آنها را پردازش می کند و خروجی مناسب تولید می کند را شامل می شود. حال اگر همین معنا را به دیتا فیوژن تعمیم دهیم زیاد کار سختی نخواهد بود.

۲-۱ Framework های دیتا فیوژن

 ۱-۲-۱ فریم ورک چیست؟

            چارچوبی که به ما می گوید برای کار با سنسور هایی که به صورت مرکزی در حال سرویس دادن به ما هستند چگونه و از کجا شروع کنیم،‌ چه کارهایی انجام دهیم و به چه نتایجی برسیم به عنوان مثال در مهندسی نرم افزار ما متدولوژی های زیادی داریم که توسط آنها طراحی و توسعه نرم افزارمان را مدیریت می کنیم ، در بحث حاضر فریم ورک همان متودولوژی ها در مهندسی نرم افزار اند. یکی از مشهورترین فریم ورک ها، فریم ورک JDL  یا The Joint Directors of Laboratories  می باشد که از معنی تحت الفظی آن ترکیب و Join مدیران آزمایشگاه ها، درون سازمان پدافند آمریکا می باشد.که برای کارهای نظامی طراحی شده است.

۱-۲-۱ JDL Framework

به منظور آشنایی با این فریم ورک باید سطوح آن را مورد بررسی قرار دهیم.شکل شماره یک این موضوع را روشن می کند.

شکل شماره ۲ – مدل JDL

سطوح اصلی این فریم ورک به قرار زیر می باشد :

Level 1: object refinement

Level  ۲:  situation assessment

Level 3: threat assessment

با توضیح هر قسمت این مدل آشکارتر می شود.

سطح یک : اشیاء را تعریف می کند. برای این تعریف باید یک تصویر کلی از موقعیت موجود آن شیء یا Object گزارش شود.  این کار بوسیله Fuse‌ شدن خصایص و ویژگی های آن  آبجکت که از چندین منبع یا سنسور یا هر منبع دیگری استخراج شده انجام می شود. این تعریف را به صورت واضح تر از یک منبع دیگر عنوان می کنیم :

این مرحله وظیفه مخلوط کردن و به هم پیوند دادن اطلاعات مختلف مکانی، زمانی و … برای اینکه آبجکتی بدست بیاوریم که تصفیه شده و منفرد باشد مثل اسلحه، یک موقعیت یا پلتفرم یا واحد نظامی جغرافیایی یا هر چیز دیگر را به عنوان یک آبجکت شسته و رفته بدست می آوریم.

این مرحله شامل ۴  قسمت می باشد: Data alignment و Data association و Object estimation و Object identity

سطح دوم : سعی دارد تصویری از اطلاعات کامل نشده از مرحله یک تصویر بکشد.  این کار را با ارتباط بین موجودیت های دیگر که برای مجموعه ما مهم است و  همچنین رویدادهای مشاهده شده انجام میدهد. تعریف دیگری از [۸] بیان شده است :‌  این مرحله یک شرح و توضیح از ارتباطات  ما بین اشیاء یا ابجکت ها و رویدادها در بطن محیط اطراف آنها تعریف می کند. اشیاعی که توزیع شده اند و از بخش اول یا level یک بدست آمده اند، بررسی می شوند تا به یک واحد معنا دار تبدیل شوند. در کل این مرحله به اطلاعات ارتباطی بین اشیاء می پردازد. انواع و اقسام ارتباطات وجود دارد مثل ارتباطات فیزیکی ، اتصالات communications,  causal,  temporal, که هدف از این کار تعیین کردن معنی و مفهوم مجموعه موجودیت ها است.این آنالیز در زمینه های مختلفی مثل زمین، رسانه های اطراف، آب شناسی،آب و هوا و دیگر فاکتورها می باشد.

مرحله سوم نتایج مرحله دوم را به اندازه توان  تولید و انجام می دهد. این مرحله مزایا و معایب یک دوره از عملیات را نسبت به دوره دیگر(مثلا دوره قبلی) محسابه می کند. به بیانی دیگر در منبعی دیگر این مرحله مسئول برنامه ریزی موقعیت موجود برای آینده است. در واقع استدلال و استنتاج می کند که رفتار هدف(مثل دشمن) یا آسیب پذیری های آن و … چگونه خواهد بود و این رفتارها را استدلال می کند. مثلا در این مرحله می توان قصد و نیت دشمن را با توجه به عوامل مختلفی مثل سطح آموزش، سیاست اطراف و موقعیت موجود بدست آوریم. در این مرحله فرضیه استراتژی دشمن و تاکتیک ها و محیط اطراف و… پردازشها بر این پایه بنا شده اند.

مرحله دیگری به عنوان مرحله چهارم در نظر گرفته می شود که با عنوان “تعریف پردازش” تعریف می شود.این مرحله را می توان در شکل بالا بصورت یک حلقه ی فیدبک مشاهده کرد.هدف از این مرحله مانیتور کردن کارایی سیستم برای بهینه کردن دسترسی به سنسورها می باشد.

نمونه دیگری از این مدل را در شکل  زیر مشاهده می کنید :

شکل شماره ۳ – مدل JDL از نگاهی دیگر[۶]

۲-۲-۱ Barwise and devlin Framework

            این مدل، مدلی است بسیار مشهور که صحبت های اصلی ما برای پیاده سازی و … بر مبنای این مدل می باشد. در ادامه این نوشتار پس از ارائه مقداری جزئیات ، این مدل را معرفی می کنیم..

قسمت هایی از مراجع [۱,۲,۳,۴,۵,۶,۷,۸] را برای فهم این موضوع مطالعه کردیم. در ابتدای کار این مدل کمی گنگ است اما در طول این گزارش نکات کور و تاریک روشن خواهد شد انشاءالله.

۲-۲ کاربرد تلفیق اطلاعات

در مرجع شماره [۹] نیز یکی از کاربرد های تلفیق اطلاعات پیاده سازی شده است. در این مقاله که به بحث مدیریت آب و رصد کردن میزان مصرف آب در یک بازه زمانی خاص پرداخته شده ، این کار را در سطح آزمایشگاه و در یک محیط کوچک مانند یک انستیتو انجام داده است. هدف از این کار افزایش سطح مدیرت آب و مهم شمردن آن و حفاظت و مراقبت از آن عنوان شده است. نویسنده در این مقاله از ۳ نوع سنسور مختلف(یکی برای اندازه گیری دما ، دیگری برای اندازه گیری تعداد کاربران و سومین سنسور مربوط به کلاک واقعی) برای رصد کردن مقدار آب در چند روز متمادی بهره گرفته است و بکمک یک مدل تخمینی، تخمین زده است که چه میزان آب مصرف شده است و این میزان را با مقدار واقعی مقایسه نموده است.

سیستم سنسوری این مقاله در شکل زیر قابل نمایش است :

شکل شماره ۴ – مجموعه سنسور های مختلف مورد استفاده در سیستم[۹]

هدف اصلی از این مقاله

An intelligent water consumptionmonitoring system to improve the care and the management of water.

عنوان شده است. در هر حال آنچه در اینجا برای ما مهم است کاربرد تلفیق اطلاعات  می باشد.

۲-  آگاهی وضعیتی یا Situation awareness

۱-۲ تاریخچه

این علم را  باروایز و پری در مقاله خود [۱۱] در سال ۱۹۸۱ کشف کرده و به مجامع جهانی معرفی نمودند. پس از آن دولین در کتابچه خود[۱۲] آن را تکمیل نمود. در ابتدا صحبت تنها آگاهی وضعیتی توسط انسان بود اما به تدریج توسط افرادی مانند کوکار و … این علم به یکی از علوم حوزه کامپیوتر تبدیل شد به صورتی که کوکار در یکی از مقالات خود [۱۳] یک مدل برای پیاده سازی SA توسط کامپیوتر ارائه می کند.داستان به جنگ آمریکا و کره بر می گردد که در آن خلبانان آمریکایی برای جنگ باید اطلاعاتی در مورد حوزه دشمن داشته باشند و باید هر خلبان به محدوده دشمن وارد شود تا بتواند به وی ضربه وارد کند که این مستلزم دانستن اطلاعاتی در مورد وضع موجود و دشمن می باشد. حال گاهی پیش می آمد که خلبان آگاهی از مکان خود را از دست می داد. از اینجا بود که استارت یک علم جدید به نام Situation awareness زده شد.

۲-۲ Situation awareness چیست؟

Situation awareness یعنی ادراک آنچه که در اطراف هر شیء مورد نظر ما در حال انجام شدن است چه آنچه با چشم دیده می شود چه بدون آن . این اطلاعات باید برای ما مهم باشد و نیاز به داشتن آن اطلاعات داشته باشیم.

(Endsley, 1988) می گوید :

the perception of the elements in the environment within a volume of time and space, the comprehension of their meaning and the projection of their status in the near future

برداشتی از عوامل و موجودیت های محیط پیرامون ما طوری که زمان و فضا را در نظر بگیریم و درک و فهم معنی آن عوامل و موجودیت ها و نگاه به وضعیت آنها در آینده نزدیک.

در این جمله سه مرحله اصلی و اساسی مدل  Endsley برای آگاهی وضعیتی را مشخص می کند.

شکل شماره ۵ – مدل آگاهی وضعیتی اندسلی

آنچه برای اندسلی مهم است این است که knowing what is going on یا دانستن اینکه چه چیز دارد روی می دهد یا دارد چه می شود.

اکنون مراحل مختلف SA را از [۱۰] شرح می دهیم :

۱-     Level 1 – Perception of cues : یا درک و فهمیدن اینکه چه اطلاعاتی برای ما از محیط پیرامون ما  مورد نیاز است. نتایج نشان می دهد در کاربرد خلبانی ۷۶% از خطاها به همین علت رخ داده است.

۲-    Level 2 – Comprehension :  SA چیزی فراتر از برداشت کردن(Perception) است. در این مرحله صحبت از ترکیب یا تلفیق اطلاعات[۱] و تفسیر آنها است. همچنین صحبت از ذخیره[۲] و دستکاری و نگهداشت[۳] آنها به میان می آید. آنچه اندسلی  می گوید این است که تکه های مفید اطلاعاتی را تلفیق کنیم تا ارتباط آنها را به هدف شخصی که این اطلاعات را برای آن هدف جمع آوری کرده است  بدست بیاوریم. نتایج نشان می دهد تنها ۲۰ درصد از خطاهای یک خلبان به این علت می باشد.

۳-    Level 3 – Projection: توسط این مرحله باید بتوان با توجه به اطلاعات موجود آینده نزدیک را پیشبینی کرد. البته شاید این پیش بینی درست از آب در نیاید. مشکلی نیست با فیدبک موجود آن را تصحیح می کنیم. این مرحله سخت ترین مرحله است و نیازمند متخصص و فرد خبره در زمینه مورد نظر می باشد. اندسلی  زمینه های مختلفی را بررسی کرده است از جمله جنگ هوایی، کنترل ترافیک هوایی ، دارو و … و به این نتیجه رسیده است که این مرحله یکی از سخت ترین مراحل می باشد.

۴-    Decision making: این مرحله خارج از مراحل SA مدل اندسلی در شکل بالا به تصویر کشیده شده است. هدف از این مرحله که باید توسط فرمانده یا مدیر متخصص انجام شود این است که با توجه به اطلاعات موجود این فرد خبره تصمیم بگیرد که باید چه کاری انجام دهد.

در برخی موارد SA یک فرایند RealTime می باشد که بیشتر در مرحله دوم یا Level 2 به چشم می خورد.

سوالی که شاید در ذهن خطور کند این است که چگونه باید از SA اگاه شد یا چطور باید آن را بدست آورد؟

جواب این سوال این خواهد بود که همانطور که اطلاعات توسط اعضا و جوارح مختلف بدن مانند پوست و  چشم و لب و قوای مختلف  سمع و بصر و … به واحد پردازش مرکزی بدن یعنی مغز وارد می شود اطلاعات مختلف در SA از مناطق مختلفی مانند سنسورها، فرد متخصص ، قوانین مختلف موجود و … به سیستم وارد می شود. شکل زیر می تواند موضوع را کامل تر کند.

شکل شماره ۶ – سنسور های مختلف ورودی به ذهن فرد [۱۰]

مشاهده می کنید که اطلاعات از منابع مختلفی به ذهن فرد وارد می شود دلیل این امر این است که SA یک فرایند ذهنی است. اطلاعات از جهان واقعی و سیستم(حتی اطلاعات جدیدی که از اطلاعات موجود استنتاج می شود) و حتی افراد دیگر و تیم متخصص و… به فرد داده می شود. البته صحبت ما دادن اطلاعات به سیستم می باشد اما اندسلی  در مقاله خود [۱۰] فقط از Human SA یا آگاهی وضعیتی ذهنی و قابل فهم توسط انسان صحبت به میان آورده است. در ادامه Comuter processable SA‌  یا آگاهی موقعیتی که توسط کامپیوتر قابل پردازش است را نیز بررسی خواهیم کرد. اطلاعاتی که از منابع مختلف بدست می آید قابل پردازش هستند و می توان تحلیل ها را بر پایه آن انجام داد در حالت کلی ما را قادر می کند تا بر روی آنها کارهایی انجام دهیم نتیجتا خروجی ما اطلاعات سودمند است. به عبارت دیگر می گوییم دانش و فهم مکان و موقعیت موجود که به ترویج به موقع  مربوط است و ارزیابی صحیح از عملیات دوستانه یا رقابتی یا دیگر عملیات درون میدان جنگ به منظور تسهیل تصمیم گیری . دیدگاه اطلاعاتی و توانایی پرورش و توانایی تشخیص سریع زمینه و رویداد های به هم مرتبط که کاملا آشکار شده اند.

تمام یا قسمتی از منابع [۱۰,۱۱,۱۲,۱۳,۱۴] را مطالعه کرده و در این نوشتار مورد استفاده قرار داده ایم.

۳-۲ چند کاربرد

به عنوان اولین کاربرد می توان به مقاله ای  از ژورنال معتبر IEEE اشاره کرد که مدل سه لایه آقای باروایز را که در بالا توضیح داده شد برای یک کاربرد در حوزه مدیریت جاده و وسایل نقلیه اعمال کرده است.[۱۵]

این مقاله به گفته خود یک ربات نرم افزاری بکمک سنسور های نصب شده در جاده و اطلاعاتی که از راننده می گیرد طراحی می کند تا تصمیم گیری های تولید شده توسط آن را با تصمیماتی که انسان می گیرد مقایسه کند. هدف این است تا میزان خطای این سیستم را که یک سیستم خود مختار می باشد استخراج شود تا برای تحقیقات بعدی مورد استفاده قرار گیرد.

از ارائه جزئیات خود داری می کنیم. هدف از این نوشتار ارائه کاربردی از پیاده سازی مدل باروایز است که مدل مشهوری در SA‌ می باشد. شکل زیر یک رابط کاربری را نشان می دهد که شامل چندین قسمت می باشد.

شکل شماره ۷ – رابط کاربری ورودی به سیستم

تمام مراحل SA یا Situation awareness  که سه مرحله اساسی است را در شکل بالا مشاهده می کنید. مرحله اول که مرحله شناسایی محل موجود و آبجکت های مهم که در هدف ما مهم و موثر می باشد دقیقا مطابق با مرحله اول مدل باروایز می باشد . علاوه بر این تعدادی سنسور در جاده کار گذاشته شده است که اطلاعاتی از قبیل تعداد ماشین های عبوری، ترافیک موجود ، موانع طبیعی و مصنوعی موجود در جاده و خطوط عابر پیاده نزدیک شهر ها را به سیستم مرکزی مخابره می کند که این را نیز می توان در سطح دوم تصور کرد. آنچه در مقاله صحبت شده این است که راننده در حین رانندگی باید به سوالات مختلف پاسخ دهد. به عنوان مثال یکی از این سوالات این است که فاصله شما تا مقصد چقدر می باشد و راننده باید یکی از ۴ گزینه ای که در شکل مشخص است را انتخاب کند. مرحله دوم از مراحل Situation awareness در شکل بالا نشان داده شده است. در مدل باروایز این مرحله به عنوان مرحله ای شناخته می شود که اطلاعات مهم دیگر از مناطق و جایگاه های دیگری به سیستم تزریق می شود. در شکل تعدادی سوال را مشاهده می کنید از جمله اینکه سرعت شما سریع است یا آرام است یا انسان ها در مسیر مشاهده می شوند یا خیر. این اطلاعات به سیستم وارد می شود و توسط ماشین استنتاج سیستم مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این اطلاعات، اطلاعاتی که از سنسور های مختلف هم وارد شده نیز در این مرحله با اطلاعات موجود تلفیق می شود. مرحله سوم نیز سوال یا سوالاتی از کاربر می پرسد که بوسیله این سوالات آینده را پیشبینی می کند.که این سوالات همان هدف مرحله سوم از مدل باروایز را ارضاء می کند. هدف این بود که مراحل مختلف آگاهی مکانی یا SA را توسط یک مقاله به تصویر بکشیم. البته در مقاله به علت کارایی پایین رابط کاربری  بالا یک اینترفیس بهتر و جدیدتر مورد ارزیابی قرار گرفته است که در اینجا از صحبت در مورد آن خودداری می کنیم.

به عنوان کاربردی دیگر می توان به آگاهی از موقعیت در حوزه پزشکی اشاره کرد که به توضیح مختصری از آن بسنده می کنیم. آنالیز سلامت بیمار و موضوع کیفیت بهداشت و درمان. بیشتر آگاهی از موقعیت به موضوعاتی که مربوط به مدیریت اورژانس مربوط  می شود و بیشتر به مواردی ارجاع دارد که در آن به مجموعه ای از داده ها در سیستم اورژانس ارجاع می دهیم یا برای نظارت بر روی داده های بیماران کاربرد دارد.


[۱]Combine

[۲]Store

[۳]retain

Dr. Stefan B. Williams , Mtrx 4700: Experimental Robotics , “data fusion and estimation” ,[۱]

[۲] Danilo P. Mandic, Dragan Obradovic, Anthony Kuh, Tulay Adali,Udo Trutschell , Martin Golz , Philippe De Wilde , Javier Barria ,Anthony Constantinides  and Jonathon Chambers ,”data fusion for modern engineering applications: an overview” Springer,2005

[۳]A dehghan , S.K niksorush , B Moshiry , “data fusion methods based on kalman filter ” he 12st Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE),Mashad, Iran

[۴] فرشته لگزی ، “تلفیق اطلاعات سنسوری به منظور حرکت” ، ۱۳۸۷

[۵]Asheq Khan , “Data Fusion in Sensor Networks“, Univercity at Buffalo

[۶] علیزاده حوا، کاهانی محسن، بهکمال بهشید ، شکیبا علیرضا ، چارچوب داده آمیزی معنایی مبتنی بر مدل JDL” ، پنجمین کنفرانس ملی فرماندهی و کنترل ایران، ۱۳۹۰

[۷] مجله کنترل ،مقاله تحت عنوان “بهینه سازی موثر فرایند با استفاده از تکنیک های فیلتر کالمن در ترکیب اطلاعات حاصل از چند سنسور” دوره هشتم ، شماره شش، صفحه ۷ ،انجمن مهندسان کنترل ابزار دقیق ایران،  ۱۳۸۷

[۸] Hall, David L., and James Llinas. “An introduction to multisensor data fusion.” Proceedings of the IEEE 85.1 (1997): 6-23.

[۹] Rivera-Mejia, J., Seanez-Hernandez, C., Hernandez-Lopez, A., & Lopez-Perez, A. (2011, May). “Intelligent sensor with data fusion to improve the care and management of water” In Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2011 IEEE (pp. 1-5). IEEE.

[۱۰] Endsley, M. R. (2000). “Theoretical underpinnings of situation awareness: A critical review“. Situation awareness analysis and measurement, 3-32.

[۱۱]Barwise, J., & Perry, J. (1981). “Situations and attitudes“. The Journal of Philosophy, 78(11), 668-691.

[۱۲] Devlin, K. (2006). “Situation theory and situation semantics“. Handbook of the History of Logic, 7, 601-664.

[۱۳] Kokar, M. M., Matheus, C. J., & Baclawski, K. (2009). “Ontology-based situation awareness“. Information fusion, 10(1), 83-98.

[۱۴] Dr. Steve Kass , “Military Psychology: Situation  Awareness“, University of West Florida

[۱۵] Scholtz, J. C., Antonishek, B., & Young, J. D. (2005).” Implementation of a situation awareness

assessment tool for evaluation of human-robot interfaces“. Systems, Man and Cybernetics, Part A: Systems and Humans, IEEE Transactions on35(4), 450-459.

[۱۶] www.wikipedia.com

نظر شما

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پاسخ من را به ایمیلم ارسال کن

پرفروش ترین محصولات

جدید ترین محصولات


مشاوره می خواهید؟ ما همیشه آنلاین هستیم. در هر حوزه ای در تلگرام یا واتس آپ با شماره تلفن 09367938018 ارتباط بگیرید
+