[發明專利]一種面向三維有向感知模型的WMSN全目標覆蓋方法

在審

• 申請號: 201710563781.9
• 申請日: 2017-07-12
• 公開（公告）號: CN107222873A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 王艷嬌;李曉杰
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W16/22;H04W84/18
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙)11531
• 代理人: 李宏偉

技術領域

本發明屬于無線多媒體傳感器網絡領域，具體地說，涉及一種面向三維有向感知模型的WMSN全目標覆蓋方法。

背景技術

無線多媒體傳感器網絡(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSN)全目標覆蓋問題是指：使用最少的傳感器監控全部目標，避免傳感器資源的浪費以及網絡性能的下降，屬于WMSN覆蓋控制領域中的一個基本問題。該問題需要同時考慮傳感器節點的感知模型、節點與目標點的覆蓋條件、全目標問題的數學建模以及如何進行優化求解等。其中，真實覆蓋場景的模擬效果直接依賴于所建立的節點模型以及目標點的覆蓋關系，而所建立的全目標問題數學建模以及進行求解的優化方法將直接影響最終效果。

2015年，王艷嬌(王艷嬌，畢曉君，滕志軍，等.三維無線多媒體傳感器網絡全目標覆蓋算法[J].《吉林大學學報(工)》，2015，45(5):1671-1679)等人提出一種無線多媒體傳感器全目標覆蓋方法，該方法基于如下背景：傳感器節點處于三維物理世界、目標點位于二維平面上，基于該背景，提出兩階段的目標覆蓋算法，該算法相繼優化傳感器節點的仰俯角和偏向角，通過節點監測區域計算，建立偏向角調配方案的數學簡化模型，得出最佳偏向角，將各傳感器節點設置在最優偏向角下，針對該模型特點，并設計適應度求解模型，繼而利用差分進化算法調整各節點的仰俯角，最終實現少量節點覆蓋全部目標的目的。

通過深入分析發現，現有技術的主要缺點有如下兩點：第一，現有技術所涉背景與實際覆蓋情況不匹配：現有方法中傳感器節點處于三維物理世界、目標點位于二維平面，而實際全目標覆蓋場景中，傳感器節點和目標節點都位于三維物理世界；第二，現有技術中以差分進化算法作為全目標覆蓋方法的主體算法，差分進化算法自身存在收斂速度不夠快、收斂精度不夠高等缺陷，導致全目標覆蓋方法所獲結果不夠理想。

發明內容

有鑒于此，本發明針對上述的問題，提供了一種面向三維有向感知模型的WMSN全目標覆蓋方法，本發明以引力搜索算法作為全目標覆蓋方法的主體優化算法，建立了符合實際全目標覆蓋情況的覆蓋控制模型，即將傳感器節點與目標都置于三維物理空間中；另一方面，鑒于大量實驗研究表明，與差分進化算法相比，引力搜索算法在收斂精度和收斂速度上都更為優秀。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種面向三維有向感知模型的WMSN全目標覆蓋方法，包括以下步驟：

步驟1、構建傳感器的初始目標覆蓋條件；

步驟2、對初始目標覆蓋條件中的參數、網絡結構與種群進行初始化處理：

步驟3、用GSA算法求適應度函數，計算得出每個粒子的質量、合力和加速度，并更新每個粒子的速度和位置；

步驟4：判斷是否達到最大迭代次數，若達到，轉至步驟5；若達不到，則轉至步驟3；

步驟5：輸出最終得到覆蓋全部目標時所需的傳感器數目。

進一步地，步驟1中構建傳感器的初始目標覆蓋條件具體為：

若某目標M(x₁,y₁,z₁)被傳感器節點P覆蓋，則傳感器節點與目標的空間覆蓋關系應滿足距離條件和角度條件，具體如下：

步驟1.1、距離條件：

若傳感器節點P能夠監測到目標M，則傳感器節點P與目標M的距離應小于傳感器節點P的監測距離R，具體表示如公式(1)

||PM||≤R(1)

式中，PM―表示傳感器與監測目標之間的距離；

R―表示傳感器監測半徑；

步驟1.2、角度條件：

通過傳感器節點與監測目標在空間覆蓋關系能夠知道，由幾何向量關系推導出如果要滿足目標點M在傳感器P的區域視角內，假設目標M在傳感器節點感知區域的極值點，即PM與PP'之間的夾角為α/2，推導出cos(α/2)＝PM PP'/PM×PP'；而余弦函數在[0,π]是減函數，因此，目標點M必須在傳感器節點P的區域視角內，則滿足條件的計算公式如公式(2)

式中α―表示傳感器感知區域視角；

―表示PM與PP'之間的夾角。

P’(x,y,z)表示主感知方向與感知區域在球面上的交點，其中，主感知方向是指傳感器節點視角所朝向的方向，P₀與P’分別為P與P’在XOY面上的投影，則P₀P”＝Rsinγ；

x的坐標表示為：x＝x₀+P₀P”cosθ＝x₀+Rsinγcosθ；