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基于多设备协同的深度学习模型推理关键技术研究

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基于多设备协同的深度学习模型推理关键技术研究

作者：陈楠杭州电子科技大学

学位级别：硕士

深度学习和边缘计算的不断发展促成了边缘智能领域的诞生,边缘智能因为结合了两者的优势而具备巨大的应用潜力,但也面临着诸多挑战。其中,深度学习模型算力需求与边缘设备硬件性能之间不匹配的问题尤为突出。具体来说,因为深度学习的不... 详细信息

深度学习和边缘计算的不断发展促成了边缘智能领域的诞生,边缘智能因为结合了两者的优势而具备巨大的应用潜力,但也面临着诸多挑战。其中,深度学习模型算力需求与边缘设备硬件性能之间不匹配的问题尤为突出。具体来说,因为深度学习的不断发展,相关模型变得愈发复杂,因而也就需要更多的算力支持,而这与硬件性能受限的边缘设备发生了冲突。该问题极大地影响了深度学习在边缘智能场景中应用的推进,如何解决这一问题成为了研究重点。因此,本文围绕该问题,针对以下内容进行了深入研究:(1)本文针对该问题综合分析现有方法,发现现有方法或是依赖于网络状态或是对模型精度影响较大。因而,本文提出了一种基于局部知识蒸馏的边缘通信压缩方法。首先对原始复杂模型进行分析并初次拆分;然后针对部分模型进行网络结构再设计,同时构建编码器-解码器结构用于压缩高维特征信息,以降低多设备协同执行深度学习模型推理时设备间的通信数据量;接着,为最大程度地降低模型结构调整造成的精度损失,本文利用局部知识蒸馏方法对模型进行训练;最后,按照编码器-解码器结构对新模型进行拆分部署。(2)本文针对网络动态变化的场景,提出一种自适应通信压缩算法,旨在根据网络带宽情况,自适应地调整模型编码器-解码器结构的压缩率,从而提高模型的有效精度;然后,针对现有跨设备任务协同算法通常是对于特定设备或任务的具体实现而缺乏通用性的问题,提出了一种通用的跨设备任务协同算法结构,用以保障多设备间协同任务的有序推进;最终,围绕本文提出的算法,在实验室自研编程平台的基础上,实现了基于多设备协同的深度学习模型推理系统用以完成边缘可编程控制器设备上协同任务的编程、编译与运行控制。最后,本文以经典深度学习模型为例,验证本文提出的基于局部知识蒸馏的边缘通信压缩方法的有效性。实验结果证明,该方法降低了传统方法对网络状态的依赖,尤其是在网络状态较差时,用于网络传输的耗时分别降低了83.46%、78.84%和89.66%,极大地提高了方法在低带宽情况下的有效性,同时保证了模型精度。并证明本文提出的自适应通信压缩方法在网络动态变化时能提高模型的有效精度。通过实际工程验证,证明本文提出的基于多设备协同的深度学习模型推理系统为本文研究的问题提供了有效的解决方案。

关键词：边缘智能设备协同边缘计算深度学习

移动边缘计算中设备协同的任务卸载和资源分配研究

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移动边缘计算中设备协同的任务卸载和资源分配研究

作者：刘钊源华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着无线通信技术的不断发展,5G与后5G通信网络将支撑各种新型应用与服务。由于移动设备硬件条件有限,依靠自身的电池容量和计算资源无法承担新型智能业务和计算密集型应用。为了克服这些问题,移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)... 详细信息

随着无线通信技术的不断发展,5G与后5G通信网络将支撑各种新型应用与服务。由于移动设备硬件条件有限,依靠自身的电池容量和计算资源无法承担新型智能业务和计算密集型应用。为了克服这些问题,移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)的概念应运而生,通过在网络边缘侧为用户提供类似云服务器的存储和计算服务,从而有效地降低任务时延,缓解网络拥塞。然而,由于MEC服务器资源有限,难以满足所有用户的需求。本文选取支持邻近设备之间进行直接通信的设备间(Devic e-to-Devi ce,D2D)通信技术和无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术来辅助MEC网络进行通信,因此在设备协同的MEC通信网络中设计高效的计算卸载策略是研究的重点。本文的主要研究工作如下:第一,分析阐述了移动边缘计算技术相关的理论知识和两种协同设备通信方式,并对论文中的相关优化算法进行概述,比如粒子群算法和Lyapunov理论优化。第二,针对MEC服务器覆盖场景下用户卸载请求较多可能形成过载的情况,引入D2D卸载来进行协同计算。同时考虑到不同卸载方式可能引起的干扰,提出一种基于粒子群-匹配的算法寻找最优卸载策略、MEC服务器资源分配和信道分配策略,实现最小化系统成本。第三,考虑将无人机作为协助通信设备引入MEC网络,当系统内的终端设备进行任务长期动态卸载时,为最小化系统平均能量消耗,通过Lyapunov优化算法为终端建立缓冲队列,并提出了一种基于粒子群-模拟退火算法的方法来优化卸载策略和传输功率。仿真结果表明,与现有方案相比,本文提出的两种联合优化算法能够有效利用资源并降低系统成本。本文针对设备协同的移动边缘计算网络下的任务卸载和资源分配等联合优化问题进行研究,在不同通信场景下建立了边缘计算网络的卸载模型,提出了两种联合优化算法,满足了不同场景下的业务需求,为设备协同的MEC通信网络的仿真和系统设计提供了良好的参考价值。

关键词：移动边缘计算设备协同粒子群算法任务卸载资源优化

ScudDevice：普适设备协同语义服务基础框架

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ScudDevice：普适设备协同语义服务基础框架

作者：袁振浙江大学

学位级别：硕士

普适计算正成为当前计算技术发展的一个重要趋势。普适计算环境下各类应用系统需要综合不同设备提供的各种服务,而这些设备的类型、架构、使用方式和管理手段等往往存在很大差异,使得设备间的协同非常困难。本文以建立普适设备协同语义... 详细信息

普适计算正成为当前计算技术发展的一个重要趋势。普适计算环境下各类应用系统需要综合不同设备提供的各种服务,而这些设备的类型、架构、使用方式和管理手段等往往存在很大差异,使得设备间的协同非常困难。本文以建立普适设备协同语义服务的基础框架为主要目标,在SOA框架下从设备服务的角度研究普适设备的协同问题,增加设备服务的语义描述,为普适计算的上层应用提供基础服务,方便设备间的协同工作。本文的主要贡献包括:1)将SOA架构扩展至设备层,实现了普适设备服务化,为实现设备服务的主动协同提供运行时保障;2)添加普适设备的语义描述,对设备信息进行了本体建模,推动了设备服务系统间的协同,促进设备服务的重用和统一管理;3)建立了普适设备协同语义服务的基础框架ScudDevice,方便了普适计算的上层应用开发。

关键词：普适计算设备服务语义服务服务匹配服务组合设备协同

基于分布式优化的移动边缘计算任务调度和设备协同算法研究

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基于分布式优化的移动边缘计算任务调度和设备协同算法研究

作者：王雪北京交通大学

学位级别：硕士

近年来,随着移动互联网与物联网技术的快速发展,计算密集型应用及时延敏感型应用应运而生,显然,在移动设备上运行这样的应用是不切实际的。在以往的研究中,用户将计算任务卸载到云端以满足设备的高计算需求。然而,基于云的解决方案导致... 详细信息

近年来,随着移动互联网与物联网技术的快速发展,计算密集型应用及时延敏感型应用应运而生,显然,在移动设备上运行这样的应用是不切实际的。在以往的研究中,用户将计算任务卸载到云端以满足设备的高计算需求。然而,基于云的解决方案导致了巨大额外带宽占用及无法预测的长时延。为了解决这一问题,移动边缘计算将服务器部署在网络边缘,提供近距离、低时延的服务。随着数据规模的增大,单个移动边缘服务器的计算方式会带来巨大的计算压力。为了解决这一问题,本文提出以协同的方式进行计算,一方面考虑当设备具有自私性时,如何鼓励设备的协作;另一方面当设备具有协作意愿后,怎样进行协同计算,如机器学习任务中存在扩展性及隐私等问题时,如何计算。针对以上挑战,本文以移动边缘服务器为中心,利用周边可用资源协同计算,进一步提升移动边缘计算系统的计算性能,使用分布式优化技术交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)对问题进行求解。主要内容及创新点如下:一、针对单移动边缘服务器多边缘计算设备间的任务调度问题,本文提出一种分布式任务调度算法,移动边缘服务器通过召集近端可用资源,提高计算效率。现有研究中仅关注了团结协作的场景,本文进一步研究了边缘计算设备的自私性问题。在边缘计算设备具有理性思维的情况下,通常不会与移动边缘服务器进行协同计算,因此需要设计有效的激励机制鼓励边缘计算设备的协同。针对该问题,本文提出基于ADMM的斯坦克尔伯格博弈算法,通过对非凸问题进行转化,利用斯坦克尔伯格博弈理论,结合分布式ADMM优化技术,对任务调度问题进行求解。通过实验验证本文提出的算法的收敛性、稳定性与可扩展性。二、在单移动边缘服务器与多物联网设备协同计算的场景下,我们认为物联网设备具备共同执行任务的可能性。本文研究了机器学习中的回归问题。基于移动边缘服务器的集中式解决方案,可能会导致可扩展性、计算性能和隐私问题。为了应对这些挑战,本文提出基于ADMM的分布式设备协同算法,引入辅助变量将问题分解为多个子问题。由于子问题的不可导性与复杂性,分别针对子问题设计次微分演算法和改进的共轭梯度法进行求解。对典型数据集进行实验研究,结果表明我们的算法能够快速收敛到集中式方法的最优解。通过与传统集中式方法和独立方法对比,我们的算法表现出良好的扩展性能及效率。

关键词：移动边缘计算任务调度设备协同交替方向乘子法斯坦克尔伯格博弈 LASSO回归

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基于物联网智能连接的多设备协同监测技术

基于物联网智能连接的多设备协同监测技术

作者：高雄武汉理工大学

学位级别：硕士

随着我国老龄化的加重,人们对健康监测系统的需求和重视与日俱增。健康监测系统已经成为业界研究的热点,并且也取的了不错的成果。但是,随着各种监测设备不断增多,人们对健康监测的要求也会随之提高。本文针对多种设备协同使用的场景展... 详细信息

随着我国老龄化的加重,人们对健康监测系统的需求和重视与日俱增。健康监测系统已经成为业界研究的热点,并且也取的了不错的成果。但是,随着各种监测设备不断增多,人们对健康监测的要求也会随之提高。本文针对多种设备协同使用的场景展开研究,搭建了基于物联网智能连接的多设备协同监测技术的健康监测系统。本文从设备连接、设备数据传输、设备协同监测等方面进行研究,主要研究内容如下:（1）搭建了健康监测系统的架构。将系统分为感知层,数据传输层,应用层,云服务层,并对每层进行了介绍。其中,应用层是系统的核心,通过MVP架构设计了应用层的软件。软件分为视图界面层,数据服务层,业务逻辑层,每层通过接口进行解耦。（2）通过对用户连接设备时的场景进行分析,选取了时间、地点等决策属性构建了基于决策树ID3算法的用户行为预测模型,并通过后剪枝策略对模型进行验证。当用户使用健康监测设备时,模型预测将要使用的设备,完成对设备的智能连接。（3）基于边缘计算的思想,在设备端对不同设备的冗余数据产生方式和数据类型进行分析,采用基于事件驱动的传输算法、行程长度编码算法、最优曲线拟合算法等对不同的设备分别进行冗余数据处理,从边缘侧解决数据流量剧增带来的数据通讯和数据存储的压力。（4）针对多个健康监测设备之间的协同问题,通过对每个设备的事件进行定义,采用基于事件驱动的方式进行设备之间的协同,并采用D-S证据理论算法对多设备数据进行融合,判断用户的健康状况。在本文设定的基本协同规则之外,开发了用户自定义多设备之间协同方式的模式,满足用户个性化需求。

关键词：智能连接精简数据传输设备协同健康预警

智能化采煤设备优化配置及其对煤矿生产效率的影响研究

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中国设备工程 2024年第4期 26-28页

作者：赵相海兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿山东郓城274705

本文通过分析智能化采煤设备的优化配置方法以及对煤矿生产效率的影响机制,得出智能化设备可以显著提高煤矿安全性和经济效益的结论。研究表明,智能设备在提升单个设备性能、实现设备协同、智能决策等方面发挥重要作用,但也需要注意系... 详细信息

本文通过分析智能化采煤设备的优化配置方法以及对煤矿生产效率的影响机制,得出智能化设备可以显著提高煤矿安全性和经济效益的结论。研究表明,智能设备在提升单个设备性能、实现设备协同、智能决策等方面发挥重要作用,但也需要注意系统的稳定性和安全性,避免过度依赖。总体而言,智能化设备是实现煤矿智能化、安全化、绿色化转型的重要手段。

关键词：智能化采煤设备优化配置煤矿生产效率设备协同

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安全苛刻系统自动化测试的形式化语义模型

软件学报 2014年第3期25卷 489-505页

作者：吕江花马世龙李先军高世伟软件开发环境国家重点实验室(北京航空航天大学计算机学院) 北京100191

安全苛刻系统的可信性需求典型而迫切,其可信性评估和验证具有测试依赖性.安全苛刻系统一般是复杂系统,手工测试实际上不可行,发展自动化测试手段是必然趋势.针对安全苛刻系统测试过程自动化中存在的高阶协同、实时和时序性,以Ambient... 详细信息

安全苛刻系统的可信性需求典型而迫切,其可信性评估和验证具有测试依赖性.安全苛刻系统一般是复杂系统,手工测试实际上不可行,发展自动化测试手段是必然趋势.针对安全苛刻系统测试过程自动化中存在的高阶协同、实时和时序性,以Ambient演算、CCS演算、论域理论等为基础,给出测试过程的高阶协同定义,建立一种层次化演算模型,为测试过程提供一种信息化和自动化手段.模型通过对被测产品、测试设备与测试任务的抽象与组织,给出安全苛刻系统测试过程自动化的工作模式.最后,通过扩展标记转换系统定义,给出高阶协同行为的收敛性和正确性的证明,论证了模型的可计算性,验证了安全苛刻系统测试的可自动化.模型已应用于航天器的自动化测试中,并成为航天器测试行为的日常工作规范.

关键词：安全苛刻系统测试自动化测试设备协同高阶演算标记转换系统实时

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航电系统并行检测过程与检测设备解耦方法

航空学报 2019年第8期40卷 161-174页

作者：刘艳芳吕江花马世龙黎涛北京航空航天大学计算机学院北京100083 北京航空航天大学软件开发环境国家重点实验室北京100083

航电系统在使用或升级改造过程中进行可靠性检测是必不可少的。特别是在当前批量航电系统大量投入使用的背景下,迫切需要能高效、快速、准确地对系统进行可靠性检测。由于航电系统安全性要求高,内置检测软件受限,需要外置检测设备通过... 详细信息

航电系统在使用或升级改造过程中进行可靠性检测是必不可少的。特别是在当前批量航电系统大量投入使用的背景下,迫切需要能高效、快速、准确地对系统进行可靠性检测。由于航电系统安全性要求高,内置检测软件受限,需要外置检测设备通过航电系统指定接口进行检测,检测过程也不允许出现任何泄露等行为。检测设备与具体航电系统耦合,检测过程与具体检测设备耦合,难以实现批量航电系统并行检测。为此,通过引入逻辑检测设备,给出了一种航电系统并行检测分层框架,解决检测设备与被测系统耦合的问题,同时也保证了检测的安全性。通过逻辑检测设备、检测跳转机和被测主机上检测行为的描述,给出了一种面向通用航电系统并行检测的检测设备协同机制,解决检测过程与检测设备耦合的问题,从而支持多个航电系统并行检测。最后,实现了一个通用航电系统并行检测系统,并通过实际应用和实验对比验证所提方法的有效性。

关键词：航电系统并行检测检测过程检测设备解耦合设备协同

MagicWatch：手表平台上的智能影子研究与实践

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MagicWatch：手表平台上的智能影子研究与实践

作者：杨峰浙江大学

学位级别：硕士

追寻更加友好、有效以及方便的人机交互手段,一直是一个非常热门的研究话题。不少研究人员已经在人机交互领域做了很多研究。随着穿戴式计算的迅速兴起,基于穿戴式设备的人机交互研究也越来越受到人们的关注。而智能手表作为穿戴式设备... 详细信息

追寻更加友好、有效以及方便的人机交互手段,一直是一个非常热门的研究话题。不少研究人员已经在人机交互领域做了很多研究。随着穿戴式计算的迅速兴起,基于穿戴式设备的人机交互研究也越来越受到人们的关注。而智能手表作为穿戴式设备的一种典型的设备形式,其研究价值凸显。对此,本文设计并实现了一种基于智能影子的,以智能手表为平台的人机交互服务系统,称之为MagicWatch。利用MagicWatch,通过方便地感知用户的手势动作及意图,根据上下文情境,使用者在云平台及其他核心技术的支持下,可以完成特定的任务。本文的贡献有：1)提出了支持智能手表的新型人机交互的解决方案,并从交互与通信、开放与授权、协同模型以及系统架构等方面对其进行阐述;2)基于普适服务总线,实现了MaigcWatch上的一些关键服务;3)设计并实现了MagicWatch交互与服务系统,该平台基于智能影子,支持数据和服务的开放,能很好的实现无缝交互,使设备间的协同更自然成为可能;4)在MagicWatch系统之上,设计和实现了iCard、iScenery、iWeibo及iTask四个应用。

关键词：智能手表智能影子人机交互设备协同