位置信息挖掘中差異化服務(wù)機(jī)制設(shè)計(jì)

位置信息挖掘中差異化服務(wù)機(jī)制設(shè)計(jì)

移動(dòng)智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進(jìn)步促進(jìn)了基于站點(diǎn)服務(wù)的開(kāi)發(fā)（lbs）技術(shù)的蓬勃發(fā)展。lbs技術(shù)不僅可以應(yīng)用于定位旅行的旅行，還可以應(yīng)用于用戶(hù)感興趣點(diǎn)的建議，以及基于社交網(wǎng)絡(luò)信息的共享，如圖1所示。然而，用戶(hù)通過(guò)積極報(bào)告地理位置為服務(wù)提供必要的服務(wù)，如圖1所示。當(dāng)用戶(hù)試圖提供服務(wù)時(shí)，他們的個(gè)人信息不可避免地會(huì)被泄露，這會(huì)影響用戶(hù)的生活和工作。用戶(hù)向服務(wù)提供的信息是分散的，但服務(wù)提供方可以利用這些信息來(lái)挖掘用戶(hù)的生活習(xí)慣、興趣和社交網(wǎng)絡(luò)等個(gè)人信息來(lái)獲得收入。從商業(yè)角度分析,服務(wù)提供方希望通過(guò)提供服務(wù)換取用戶(hù)位置信息獲益,而用戶(hù)則通過(guò)上報(bào)自身位置信息獲得所需的服務(wù)等級(jí),雙方均可從LBS系統(tǒng)中獲益.但在實(shí)際的服務(wù)方和被服務(wù)方所構(gòu)成的聯(lián)合體中雙方都被視為理性個(gè)體,即雙方各自?xún)A向于自身收益的最大化.此外,不同用戶(hù)對(duì)服務(wù)水平和位置隱私的偏好存在差異,而服務(wù)提供方對(duì)特定用戶(hù)的真實(shí)偏好類(lèi)型未知,導(dǎo)致信息的不對(duì)稱(chēng),所以服務(wù)提供方在提供服務(wù)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)更好的個(gè)性化服務(wù),從而獲得最佳收益.合同理論是解決信息不對(duì)稱(chēng)場(chǎng)景的一種有效機(jī)制現(xiàn)有的位置信息挖掘領(lǐng)域的研究工作中,文獻(xiàn)作為經(jīng)濟(jì)學(xué)理論的一個(gè)重要的分支,同博弈論、拍賣(mài)理論一樣,合同理論得到了十分廣泛的應(yīng)用.合同理論研究的是當(dāng)其中一方知道某些信息而另一方不知道這些信息時(shí),如何設(shè)計(jì)合理的合同契約來(lái)解決這一信息不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題.通常合同理論的建立基于以下2個(gè)條件1)合同契約雙方存在一定的利益沖突;2)合同契約雙方之間存在信息不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題.因此,許多場(chǎng)景也可以運(yùn)用合同理論來(lái)解決偏好未知等信息不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題.比如如何針對(duì)小區(qū)緩存系統(tǒng)中視頻內(nèi)容提供商的實(shí)際偏好類(lèi)型未知的問(wèn)題,構(gòu)建服務(wù)提供商和視頻內(nèi)容提供商的收益函數(shù)以及最優(yōu)合同本文研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:1)考慮LBS場(chǎng)景下不同用戶(hù)對(duì)服務(wù)水平和位置隱私的偏好存在差異,針對(duì)偏好的差異性設(shè)計(jì)合適的機(jī)制,使得服務(wù)提供方的收益最大化;2)針對(duì)LBS場(chǎng)景下的信息不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,提出使用合同理論方法,為不同偏好類(lèi)型的用戶(hù)設(shè)計(jì)不同的最優(yōu)合同組合,建立最優(yōu)合同模型并使用拉格朗日乘子法進(jìn)行求解,提供差異化的服務(wù).1用戶(hù)方社會(huì)服務(wù)的提供方和n種偏好類(lèi)型的用戶(hù)關(guān)系用戶(hù)在使用LBS系統(tǒng)中通常具有隱私保護(hù)意識(shí),本文假設(shè)用戶(hù)普遍采取的位置信息保護(hù)策略為模糊法假設(shè)服務(wù)提供方無(wú)法準(zhǔn)確獲取每個(gè)用戶(hù)的具體偏好信息,但可以知道用戶(hù)的服務(wù)水平偏好分布情況.針對(duì)服務(wù)提供方對(duì)用戶(hù)偏好類(lèi)型未知引起的信息不對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題,提出使用合同理論方法,對(duì)服務(wù)提供方和N種偏好類(lèi)型的用戶(hù)進(jìn)行建模分析.A.服務(wù)提供方模型服務(wù)提供方制定合同組合為{P,SL},由服務(wù)水平和用戶(hù)享受服務(wù)時(shí)需要提供的個(gè)人位置隱私組成.其中SL代表服務(wù)方提供的服務(wù)水平,而P代表LBS用戶(hù)方使用服務(wù)時(shí)需要付出的個(gè)人位置隱私的等級(jí).P={P服務(wù)提供方的收益主要來(lái)源于用戶(hù)在使用服務(wù)時(shí)付出的個(gè)人位置信息.假設(shè)服務(wù)提供方獲取用戶(hù)位置信息的單位收益為Φ,提供服務(wù)水平需要的單位成本為Ψ,則服務(wù)提供方為偏好類(lèi)型π其中αB.用戶(hù)方模型用戶(hù)的收益主要來(lái)源于所獲得的服務(wù),不同用戶(hù)對(duì)服務(wù)等級(jí)的偏好不同,因而單位服務(wù)水平帶給不同用戶(hù)的收益也有差異,假設(shè)偏好類(lèi)型π其中:h(π所以h(π2基于同理論的最優(yōu)合同組合設(shè)計(jì)考慮到LBS系統(tǒng)中用戶(hù)對(duì)服務(wù)等級(jí)和位置隱私的偏好類(lèi)型不同,服務(wù)提供方也無(wú)法準(zhǔn)確獲知各自偏好信息,故提出構(gòu)建最優(yōu)合同模型.合同理論作為不完全信息場(chǎng)景的有效機(jī)制算法,可以解決信息不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題.服務(wù)提供方的目標(biāo)是如何為各個(gè)偏好類(lèi)型的用戶(hù)設(shè)計(jì)一系列最優(yōu)的合同組合,使得每個(gè)類(lèi)型的用戶(hù)只能選擇其中一種最優(yōu)合同最大化自身收益.在設(shè)計(jì)最優(yōu)合同過(guò)程中,考慮N種類(lèi)型的用戶(hù)滿(mǎn)足個(gè)體理性(IndividualRationality,IR)和激勵(lì)兼容(IncentiveCompatibility,IC)2.1基于激勵(lì)兼容ic的偏好類(lèi)型定義1個(gè)體理性定義2激勵(lì)兼容基于IR和IC約束條件,最優(yōu)合同模型描述如下:基于文獻(xiàn)證根據(jù)激勵(lì)兼容IC的約束條件,偏好類(lèi)型π證根據(jù)激勵(lì)兼容IC的約束條件獲得偏好類(lèi)型π由于函數(shù)h(π引理3LBS場(chǎng)景下,用戶(hù)方與服務(wù)提供方之間的任意一個(gè)可行合同(P證如果用戶(hù)對(duì)服務(wù)水平的偏好類(lèi)型為π故用戶(hù)使用LBS服務(wù)過(guò)程中,當(dāng)服務(wù)水平的偏好類(lèi)型滿(mǎn)足π2.2最優(yōu)合同求解本小節(jié)是對(duì)逆向選擇問(wèn)題(5)進(jìn)行求解.為了降低求解的復(fù)雜度,首先減少約束條件的個(gè)數(shù),在減少的同時(shí)需要保證問(wèn)題解的準(zhǔn)確性.從優(yōu)化問(wèn)題(5)中可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)合同模型總共有N個(gè)IR約束條件,下面通過(guò)消除其中的N-1個(gè)IR約束條件簡(jiǎn)化優(yōu)化問(wèn)題.根據(jù)激勵(lì)兼容IC條件,對(duì)于偏好類(lèi)型為π即對(duì)于任意偏好類(lèi)型π此時(shí),式(3)個(gè)體理性約束條件可轉(zhuǎn)化為式(10),最低偏好類(lèi)型的用戶(hù)將獲得零收益.文獻(xiàn)從激勵(lì)兼容約束條件以及優(yōu)化問(wèn)題(5)中發(fā)現(xiàn),本模型總共有N考慮偏好類(lèi)型為π根據(jù)式(11),可得以下條件:同理,考慮偏好類(lèi)型為π根據(jù)式(13),可得以下條件:根據(jù)上述LUICs和LDICs條件(12)和(14),可將激勵(lì)兼容IC約束條件進(jìn)行轉(zhuǎn)化,得到:提供更好的服務(wù)水平需要更高的成本,服務(wù)提供方在最大化自身收益時(shí),必須滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)體理性條件與激勵(lì)兼容條件,再盡量降低自身提供服務(wù)的成本,即提供的服務(wù)水平在符合條件的情形下應(yīng)取最小值.故根據(jù)上式(15),不等式的下界是理性的服務(wù)提供方在確定服務(wù)水平SL經(jīng)過(guò)上述IC和IR約束條件的減少,原始優(yōu)化問(wèn)題(5)的約束條件變更為(10)和(16),新的最優(yōu)合同模型定義為:對(duì)于優(yōu)化問(wèn)題(17),采取拉格朗日乘子法針對(duì)上述優(yōu)化問(wèn)題,分別考慮i=1,i=2,3,…,N-1和i=N3種情況,迭代求解最優(yōu)合同.下面首先分別對(duì)變量求偏導(dǎo)數(shù),令偏導(dǎo)數(shù)為0,求解式(18)的最大值,即優(yōu)化問(wèn)題(17)的最優(yōu)解:1)當(dāng)i=N時(shí),分別對(duì)P根據(jù)式(20),可求得用戶(hù)在使用服務(wù)時(shí)上報(bào)的個(gè)人位置隱私P根據(jù)式(20)、(21)還可以計(jì)算出i=N時(shí),υ2)當(dāng)i=2,3,…,N-1時(shí),對(duì)式(19)進(jìn)行求解,可得:利用υ3)當(dāng)i=1時(shí),對(duì)式(19)進(jìn)行求解,可得:根據(jù)等式-α求得個(gè)人位置隱私P3不同用戶(hù)偏好類(lèi)型時(shí)的仿真結(jié)果對(duì)本文所提出的最優(yōu)合同機(jī)制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證合同理論在LBS場(chǎng)景下的性能.假設(shè)用戶(hù)位置信息的單位收益與服務(wù)的單位成本之比Φ/Ψ=3.為簡(jiǎn)單起見(jiàn),假設(shè)LBS用戶(hù)的偏好類(lèi)型服從均勻分布,即α首先設(shè)定用戶(hù)對(duì)服務(wù)水平的偏好類(lèi)型數(shù)N=5,參考文獻(xiàn)[21]中對(duì)用戶(hù)偏好類(lèi)型的設(shè)定,5類(lèi)偏好類(lèi)型{π在下面的實(shí)驗(yàn)仿真中,設(shè)定用戶(hù)對(duì)服務(wù)等級(jí)的偏好類(lèi)型數(shù)N=12,且這12(i=1,2,…,12)種偏好類(lèi)型呈現(xiàn)遞增趨勢(shì).圖3～圖6分別將信息不對(duì)稱(chēng)情形(即服務(wù)提供方無(wú)法獲知用戶(hù)的偏好類(lèi)型)時(shí)設(shè)計(jì)的最優(yōu)合同與完全信息(服務(wù)提供方了解每一個(gè)用戶(hù)的偏好類(lèi)型)時(shí)進(jìn)行仿真對(duì)比.圖3描述的是不同用戶(hù)偏好類(lèi)型下用戶(hù)保護(hù)策略模糊法中的模糊等級(jí)(策略k的選擇)以及最優(yōu)合同中用戶(hù)所能獲得服務(wù)等級(jí).可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)用戶(hù)對(duì)服務(wù)等級(jí)的偏好程度增強(qiáng)時(shí),用戶(hù)更愿意付出自己的部分位置隱私,此時(shí)模糊等級(jí)k的數(shù)值越來(lái)越小,即用戶(hù)在上報(bào)自身位置時(shí)的模糊程度降低,而所能獲得的服務(wù)等級(jí)越來(lái)越高.圖4描述的是信息不對(duì)稱(chēng)與完全信息兩種情形時(shí)用戶(hù)收益與用戶(hù)偏好類(lèi)型的關(guān)系.從圖中發(fā)現(xiàn),完全信息時(shí),用戶(hù)方的收益始終為0,這是因?yàn)榇藭r(shí)的服務(wù)提供方了解每個(gè)用戶(hù)的偏好,所以設(shè)計(jì)合同時(shí),為了最大化自身收益,使得每個(gè)用戶(hù)的獲得的收益均為0.相反,當(dāng)LBS用戶(hù)的偏好類(lèi)型未知時(shí),用戶(hù)方可以從隱藏的位置信息中獲得非負(fù)的收益,從圖可知用戶(hù)對(duì)服務(wù)水平的偏好類(lèi)型越高,所能獲得的收益也越高,這一結(jié)果也正好驗(yàn)證了引理3所給出的結(jié)論.圖5(見(jiàn)第248頁(yè))描述的是服務(wù)提供方的收益與用戶(hù)偏好類(lèi)型之間的關(guān)系,在信息不對(duì)稱(chēng)時(shí)服務(wù)方所獲得的收益一直低于完全信息情形.同樣,這也是因?yàn)橛脩?hù)對(duì)服務(wù)等級(jí)和個(gè)人位置隱私的偏好類(lèi)型未知時(shí),服務(wù)提供方在不完全信息下所設(shè)計(jì)的合同無(wú)法達(dá)到完全信息情形下的理想收益,導(dǎo)致部分收益損失.圖6(見(jiàn)第248頁(yè))描述的是雙方總收益與用戶(hù)偏好類(lèi)型的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),本文所設(shè)計(jì)的信息不對(duì)稱(chēng)情形下最優(yōu)合同的總收益接近完全信息時(shí)的總收益.由于完全信息情形下,服務(wù)提供方直接為每個(gè)用戶(hù)設(shè)計(jì)最大化自身收益的合同,使得每個(gè)用戶(hù)收益均為0;而信息不對(duì)稱(chēng)情形下,服務(wù)提供方只能根據(jù)個(gè)體理性和激勵(lì)兼容性質(zhì)為各個(gè)類(lèi)型用戶(hù)設(shè)計(jì)合理的合同,使得非最低偏好類(lèi)型的用戶(hù)均能獲得比最低偏好類(lèi)型用戶(hù)更高的收益.因此,隱藏的具體偏好信息幫助用戶(hù)方從服務(wù)提供方獲得信息收益,完全信息情形下總收益略高于信息不對(duì)稱(chēng)情形,圖4和圖5也可驗(yàn)證這一點(diǎn).因而,從雙方總收益角度可以發(fā)現(xiàn),本文利用合同理論為各個(gè)偏好類(lèi)型所設(shè)計(jì)的最優(yōu)合同是可行并且有效的.4基于位置服務(wù)場(chǎng)景的仿真結(jié)果本文針對(duì)LBS系統(tǒng)中服務(wù)提供方與用戶(hù)之間的信息不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題,在位置信息挖掘過(guò)程中,提出了基于合同理論的差異化服務(wù)的算法機(jī)制設(shè)計(jì).該算法機(jī)制提出為每一種偏好類(lèi)型的用戶(hù)分別設(shè)計(jì)各自的最優(yōu)合同,使得用戶(hù)方在收益非負(fù)的情況下無(wú)法通過(guò)選擇其他類(lèi)型的合同提高自身收益,從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)提供方和用戶(hù)方各自收益的最大化.仿真結(jié)果表明,當(dāng)用戶(hù)對(duì)服務(wù)水平的偏好上升時(shí),用戶(hù)愿意共享更多的個(gè)人位置隱私以獲得更高的服務(wù)水平,同時(shí)獲得的收益也隨之提升.可見(jiàn),本算法機(jī)制同時(shí)可以激勵(lì)LBS用戶(hù)共享更多個(gè)人位置隱私.此外,通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),不對(duì)稱(chēng)信息下雙方的總收益接近完全信