基于超图理论的物联网实体关系网络建模

胡弥亨

摘要：目前，现有物联网信息交互技术在解决智慧交互问题时尚存在不足，主要表现在未能体现出物联实体间多维的、动态的、复杂的网状交互关系，不能满足物联实体间智慧交互的要求。该文针对实体间多维动态网状的数据特征，基于超图理论构建了一个物联网实体关系网络模型。该模型能有效的匹配物联网数据特征，并能够有效的对实体间隐性关系进行预测。该文基于麻省理工学院的现实挖掘数据集进行了实验，实验结果证明，在真实物联网环境下，该文所构造的模型相比基于超网络的物联网网络模型准确率提高了5.9个百分点，体现了该模型的有效性。

关键词：超图理论；物联网；智能物联；网络建模；节点相似度

1背景

智慧物联是指物联网中的实体能像人一样具有自主思维能力，能够智能地提供服务和应用。目前，现有物联网信息交互技术在解决智慧交互问题时尚存在不足，主要表现在未能体现出物联实体间多维的、动态的、复杂的网状交互关系，不能满足物联网实体间智慧交互的要求。因此，有必要依据实体间多维动态网状的交互特征，构建出可以准确反映网络中各实体间关系演化的实体交互关系网络模型。

通过构建物联网实体交互关系网络模型，以此来促进信息交互，通过模型的动态演化，可以预测新加入物联网络的实体与已有的实体之间的关系，同时也可以用于分析社会关系或者社交网络中的人与人之间的交互关系。

2相关工作

物联网实体关系网络模型构建的主要方法有：

1）基于复杂网络模型的关系网络建模。圣母大学的Barabsi和Abert在Science上发表的论文，提出了BA无标度网络模型，揭示了复杂网络的无标度特性和节点连接的度优先机制。BA模型的出现，让复杂网络研究进入了一个新的纪元。复杂网络不只局限于数学的范畴，而是开始从物理学、生物学、社会科学等学科得到了应用。Kumpula发布了KOSKK模型算法，是在原有MVS模型中加入关系连接权重，即节点间的连线是不一样的。使用权重可以表示此关系连接的亲密程度和在关系网络中的重要程度。使用KOSKK算法模拟的关系网络模型是一个有权的网络，较好地反映了社会网络社区结构效应。但是复杂网络也有其限制性，它无法描述多层网络间的关系。而物联网多为综合网络，这些综合网络节点与节点、边与边之间都不同质，复杂网络无法描述网络之间的相互作用。

2）基于超网络模型的建模。对照复杂网络的含义，可以说超网络也是一类特殊的复杂网络，一些学者通过复杂网络研究提供的经验深人研究超网络的拓扑结构，Emesto等人将复杂网络上的集聚系数参数推广到了超网络中；Wang Z P等学者则研究网络图的一些参数性质及其应用，并用类似的方法和参数来研究超网络。目前对于一些多维、多属性、网络中嵌套网络的问题，一些学者开尝试采用超网络的思想来解决这类问题。Naguraney将多分层多标准的超网络应用在供应链网络上，这些模型描述了供应链中不同决策者的独立行为以及决策者之间相互影响的竞争行为，进而得到了供应链系统达到均衡的条件，确定了供应链中所涉及的交易价格与交易量。Hammond和Beullens综合了供应链网络均衡模型和回收超网络模型，构建了一个由生产商和需求市场组成的闭环供应链超网络模型。

目前，除了Nagurney等学者着重研究的多层超网络外，还有一类基于超图来定义的超网络。超图概念是C.Berge提出的，第一次系统的建立了无向超图理论，并应用拟阵结构来研究超图理论在运筹学方面的应用。由于超圖理论比较复杂抽象，研究者很不容易入门，超图理论的发展一直比较缓慢。近年来，随着智能物联网络研究的不断深入，智能物联网络理论及应用研究得到了前所未有的蓬勃发展。然而，现实世界中的许多系统是复杂多变的，网络的规模在不断扩大，仅凭原有的复杂网络模型建模难以模拟节点之间的多维异质的关系。在这种情况下，如果用原来的简单图的方法来处理这类问题，就很难理清楚各类网络之间的关系，而超图中的超边可包含任意多个节点来表示三维或更多维的关系。因此，基于超图结构的超网络越来越为人们所重视，超图理论及其应用的研究已经成为人们广泛关注的一个重要研究方向。JiaJun Bu等人年提出了一种通过超图模型来进行兴趣推荐的方法。Flora Amato等人则提出了基于超图的社会网络建模的方法。

3基于超图的物联网实体关系模型

3.1超图基本定义

在本文物联网关系模型中，实体可以分为以下三类：

·主观实体：物联网中需要实现智慧交互的实体集合。主观实体一般是手机、汽车等物体，可以类比为社会网络中的人、用户这一概念。在本模型中，主观实体可以拥有自己的基本信息、历史数据。