[發明專利]一種基于生物啟發的多目標動態監測系統與方法

有效

• 申請號: 201810177758.0
• 申請日: 2018-03-05
• 公開（公告）號: CN108391232B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發明（設計）人: 華翔;姜冰清;孫一陽;董兆鑫;雷斌;李曉艷;郭錦;謝勤
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: H04W4/021
• 分類號: H04W4/021;H04W4/029;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 無錫松禾知識產權代理事務所(普通合伙) 32316
• 代理人: 朱亮淞

1.一種基于生物啟發的多目標動態監測系統，其特征在于：包括若干個分布式的監測節點，單個所述監測節點的監測范圍半徑為R_d，單個所述監測節點的可通信范圍半徑為R_c，其中滿足R_d＞R_c，各相鄰監測節點之間相互通信連接；單個所述監測節點包括休眠狀態和喚醒狀態，單個所述監測節點在喚醒狀態下自動收集并跟蹤處理范圍半徑R_d內突然出現的目標動態信息；

若干監測節點在穩定狀態下的期望喚醒比例預設為P，每個監測節點將P作為自我調控時的參考目標；

每個所述監測節點上設置一個激素濃度池，每個激素濃度池里面包含活躍激素池和休眠激素池，兩種激素作為監測節點之間信息傳遞的媒介，分別是活躍激素AH_x和休眠激素SH_x；設定t時刻N_i監測節點的激素濃度水平表示為Hc_x(i,t)，監測節點的濃度切換門限表示為Switch-Hc_x；監測節點N_i根據下式來判斷自己的工作狀態：

t時刻監測節點N_i向N_j發送的喚醒激素或休眠激素分別表示為AH_x(i,j,t)和SH_x(i,j,t)，滿足：

對于監測節點N_i，其在t時刻收到的SH_x和AH_x對其激素濃度Hc_x(i,t)的取值按照如下規則變化：

Hc(i,t)＝Hc(i,t-1)+ΔAH+ΔSH

其中AH_x和SH_x可以互相拮抗，當Hc(i,t)＝Hc(i-1,t)時，即節點N_i激素濃度在一個時間單位后取值未發生變化，那么ΔAH＝-ΔSH；當Hc(i,t)≠Hc(i,t-1)時，即節點Ni激素濃度在一個時間單位后取值未發生變化，那么ΔAH≠-ΔSH；

采用基于概率的激素發送方式，監測節點N_i在t時刻發送的SH_x和AH_x的概率為P_SH(i,t)和P_AH(i,t)，其中P_SH(i,t)和P_AH(i,t)滿足：P_SH(i,t)+P_AH(i,t)＝1，P_AH(i,t)，P_SH(i,t)∈[0，1]；

喚醒監測節點激素發送概率的調節過程，當環境監測信息輸入后，喚醒監測節點首先判斷感測范圍內是否具有監測目標存在，如果有目標存在，對其進行編號，每個監測節點設定一個目標標識，表示為：

無目標時，監測節點對自己發送SH_x調節自身激素水平，然后監測節點通過本輪接收到的其他監測節點發送的激素來估計自身管理區域內的監測節點喚醒比例為：

其中，C(i，R_C)表示節點N_i在可通信范圍半徑R_c下的所有節點集合；

則該監測節點用其與網絡整體喚醒期望值P進行比較，得到兩者誤差：

ε(i，t)＝P’(i，t)-P

同時設定一個概率閾值Δ，當|ε(i，t)|≤Δ時，N_i將AH_x和SH_x的概率設定為同一值，維持網絡穩定；只有當|ε(i，t)|＞Δ時，網元才調整激素發送的概率，若ε大于0，則下一工作循環應提高SH_x的發送概率，反之提高AH_x的發送概率；

監測區域有目標時，首先對目標進行編號，編號之后的所有活躍激素和休眠激素都采用與目標同樣的編號，編號方式如下：當identifying＝1，令X＝1，若已有X＝1，則令X＝X+1；

監測節點Ni首先對自己發送AH_x，同時盡可能的喚醒周邊監測節點，為實現這一目標，監測節點N_i將發送概率P_AH(i，t)設定為1；確定AH_x的發送范圍為R_wk＝min(R_c，2R_d)；設定自我管理區域的監測節點喚醒率P′可調節，當監測節點監測到目標后根據自身的AH_x激素水平對P′進行調節，使得監測節點可以最大限度的喚醒其管理區域內其他網元，在請求處理完畢以后通過1的過程重新回歸動態平衡；對于P′的設定可以由下面公式表示：

P′設定為當前激素水平和最高激素水平的比值，這樣便形成一個正反饋體系，當周圍激活監測節點越多時本監測節點管理區域內監測節點激活率越高，越能更加快速的喚醒其他監測節點；

在所述基礎上對每個監測節點的激素濃度進行預處理，設定活躍度的最大值Max_Hc，最小值Min_Hc，則網元活躍度預處理用下面公式表達：

在經過上述過程之后，每個自治監測節點就可以通過前面提到的工作狀態判斷公式來確定自己的工作狀態，監測區域內監測節點的工作狀態通過設定活躍激素與休眠激素來實現，監測節點休眠狀態與喚醒狀態的轉換；

當監控區域內沒有目標出現，監控網絡中沒有異常情況的時候，系統進入常規監測狀態，監測節點間通過相互作用維持網絡穩定；監測系統的每一個監測節點都具有自我管理能力，可以合理調節自身工作狀態，監控區域內監測節點在沒有目標出現以及異常情況時進入休眠狀態，系統處于穩定工作狀態，整體網絡喚醒概率較低，此時監測系統的穩定通過激活監測節點與未激活監測節點相互的激素交換實現；

監測區域在有異常信息或入侵目標出現后，監測系統進入的不同于正常工作狀態的情況為應激工作狀態，對于多個目標的處理，采用對目標編號的方法，對于不同的目標進行標號同時其監測工作過程中采用對應標號的激素，若出現兩個目標T1和T2，激素1和激素2兩種激素參與監測節點通信，監測節點A探測到目標T1后，提升自身管理區域的局部喚醒概率到較高的狀態，然后對周圍陰影監測節點發送活躍激素1進行喚醒，對于監測節點B，在接收到周邊監測節點的活躍激素1后，同樣提高自身管理區域內的局部喚醒概率，并根據局部喚醒率對周邊陰影監測節點發送活躍激素1，監測節點C同理，但是由于距離目標T較遠，C監測節點的局部喚醒概率提高程度較少，而距離目標T1最遠的D監測節點，處于目標T1的應激工作區域之外，不受激素1的影響，監測節點D在探測到目標T2后，進行與監測節點A同樣的工作過程，在經過一輪激素作用后，監測系統可以實現對目標T1與T2的移動路徑進行預測，并且提前激活了處于目標路徑周圍的監測節點，保證了監測網絡對于移動目標的跟蹤性能以及監測的精確度，當目標移動到其他位置后，通過激素調節關閉多余的監測節點，降低系統能耗，在目標T消失后，監測網絡通過激素作用迅速回到原本的正常工作狀態；

在監測系統中，出現某個監測節點需要切換監測目標的情況，目標T1首先出現在監測節點A的監測范圍內，這時通過監測節點A對目標T1進行編號，并且采用激素1作為與其他監測節點的信息交互方式，當目標T1移動到指定位置后，讓監測節點A的監測對象從T1切換到T2；具體實現方式如下：首先，當目標T1離開監測節點A的監測范圍后，監測節點A的激素水平會通過局部喚醒概率P’與整體喚醒概率P的對比進行調整，監測節點A的激素1水平將會從工作狀態的較高水平逐漸降低到休眠狀態的正常水平，即監測節點A在目標1離開自身監測范圍后會退出對目標T1的監測狀態，監測節點A的監測范圍內又出現了新的目標T2，此時監測節點A可以作為一個空閑監測節點對目標進行捕捉，并進入對目標T2的監測工作狀態中。