時空流計算模型及其在邊緣計算環(huán)境下的驗證.pdf

1、近年來，移動傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展催生了大量帶有地理空間信息的移動數(shù)據(jù)，這些移動數(shù)據(jù)具有持續(xù)到達(dá)、內(nèi)容無限增長的流質(zhì)特征，被稱為時空流數(shù)據(jù)。由于時空流數(shù)據(jù)具有上述特點，傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫的理論技術(shù)方法難完成實時計算，時空流數(shù)據(jù)的實時處理、分析、挖掘成為了國內(nèi)外GIS的研究的熱點和難點。
　　時空流的計算速率表示單位時間內(nèi)所處理流數(shù)據(jù)元組的數(shù)出量，是評價時空流處理方法優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。本文圍繞如何提高時空流數(shù)據(jù)實時處理的計算速率問題

2、，從模型表達(dá)、數(shù)據(jù)組織、查詢優(yōu)化等方面出發(fā)，構(gòu)建基于基調(diào)代數(shù)的移動對象流質(zhì)數(shù)據(jù)模型，設(shè)計應(yīng)對頻繁更新時空流概要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并提出利用邊緣計算框架的流式空間大數(shù)據(jù)分布式空間計算方法，從而建立一套包含時空流數(shù)據(jù)模型表達(dá)、空間算法實現(xiàn)和時空流大數(shù)據(jù)并行化、邊緣計算環(huán)境下時空流中心分散化處理的理論、技術(shù)、方法體系，為提高時空流計算速率提供一套完整的解決方案。
　　本文的具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)詳細(xì)闡述基調(diào)代數(shù)表達(dá)方法，分析基調(diào)代

3、數(shù)表達(dá)的移動對象抽象數(shù)據(jù)模型類型體系和操作算子，區(qū)分了離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型，提出從離線移動抽象數(shù)據(jù)類型向在線時空流數(shù)據(jù)類型的提升方法，構(gòu)建時空流數(shù)據(jù)模型。
　　(2)針對無約束空間和路網(wǎng)約束條件下移動對象運動特征，設(shè)計兩種不同抽象數(shù)據(jù)模型離散化方法。為了達(dá)到提高時空流更新、查詢計算速率的目的，無約束空間下，在傳統(tǒng)空間索引的基礎(chǔ)上添加二級索引完成自底向上更新方式;路網(wǎng)約束空間下，設(shè)計相應(yīng)的路網(wǎng)節(jié)點、邊界表并提出基于更新消息

4、的CKNN算法，最終分別實現(xiàn)路網(wǎng)約束空間和無約束空間下的時空流數(shù)據(jù)概要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。實驗結(jié)果表明，無約束環(huán)境下，空間驅(qū)動型空間索引（網(wǎng)格索引）比數(shù)據(jù)驅(qū)動型空間索引（R樹索引）具有較高的計算速率，更加適合移動對象的頻繁更新;路網(wǎng)約束環(huán)境下，本文提出的UCKNN算法與IMA算法和CKNN算法相比具有更高的計算輸出率。
　　(3)針對移動對象單數(shù)據(jù)集內(nèi)部空間查詢（范圍查詢、鄰近查詢）和多數(shù)據(jù)集之間的空間計算（空間連接查詢），提出兩種時空

5、流大數(shù)據(jù)分布式計算方案，探索影響時空流數(shù)據(jù)處理計算速率的多個因素并驗證方案的可行性，以提高時空流數(shù)據(jù)計算速率。實驗證明，應(yīng)用四叉樹作為二級索引，在不同的分區(qū)網(wǎng)格大小、移動對象數(shù)量以及不同比例下的更新、查詢混合流都具有較好的計算速率。
　　(4)針對時空流數(shù)據(jù)源地理分布廣泛產(chǎn)生的大量網(wǎng)絡(luò)寬帶消耗問題，指出傳統(tǒng)云中心處理模式在實時計算上的不足引入邊緣計算模式，基于此將邊緣集群部署于北京、杭州、鄭州和湖州四地，從網(wǎng)絡(luò)傳輸效率、邊緣集群數(shù)

6、量和本地、全局任務(wù)比例等多個角度進(jìn)行時空流處理計算速率的探索性實驗，進(jìn)一步探究在邊緣計算模式下時空流實時處理的計算速率變化規(guī)律。
　　研究及結(jié)果表明，本文提出的時空流抽象數(shù)據(jù)模型能夠表達(dá)通用的時空流數(shù)據(jù)對象表達(dá)、移動對象空間索引能應(yīng)對移動對象高度頻繁的數(shù)據(jù)更新、時空流分布式處理方法能在大數(shù)據(jù)環(huán)境下實時完成空間數(shù)據(jù)計算、邊緣計算范式下的時空流實時處理方案能有效的解決地域分布廣泛的數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的時空流數(shù)據(jù)的快速處理問題，具有重要的科學(xué)和