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面向客运车站环境监测的WSN覆盖策略

更新时间:2016-07-05

客运车站是旅客乘坐火车出行过程中进行候车、登乘、中转换乘的主要场所,而客运站内的环境状况也直接影响着旅客出行的舒适体验度.通常情况下,客运站内的环境主要由温度、湿度、亮度和噪声等4个关键要素形成,考虑到无线传感器网络所具有的免布线、低功耗、部署灵活、易维护等特点,通过在客运车站内部署温度、湿度、亮度、噪声等传感器监测客运站环境参数,并依据旅客舒适度指标自动调整车站空调、风机、照明、LED显示屏、扬声器等设备,从而为旅客的温馨出行提供保障.

针对无线传感器网络,网络的覆盖情况反映了其对被监测区域的监控完整程度,是衡量无线传感器网络服务质量的一项基本指标[1].因而,如何针对车站内各环境因素的特点合理部署传感器节点从而达到对客运车站无盲区全覆盖的监测是基于WSN的客运站环境监测研究中首要解决的问题.

后来,是杨剑帮了她这个忙。杨剑从女人好友的嘴里知道了这些事,尽管他没有征得女人同意就做了,还是让女人的心宽慰了一下。杨剑找了他的一个当省领导的哥们,又由那个省领导给省卫生部门的主管领导打了电话,女人医院那个看她不顺眼的领导才极其不情愿的为她晋升职称上开了绿灯。

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为了实现对被监测区域的充分覆盖,实际工程中往往通过大规模、高密度地部署传感器节点来提高网络的覆盖率.然而,在这样的部署策略下,虽然可以显著提高网络覆盖率,但同时也会造成网络中节点的覆盖区域严重重叠,由此引起信息的冗余采集和传输,以及信道冲突和干扰.

现有针对网络覆盖控制的相关研究主要可以分为两类:一类是基于冗余节点的休眠调度策略,如文献[2]中采用对满足冗余的节点进行休眠调度方法保证网络的覆盖率和连通性,同时减少网络总能耗.文献[3]提出了基于冗余节点休眠和分阶段唤醒的传感器网络三维覆盖控制算法.不同于基于休眠调度策略通常需要部署大量的冗余节点;另一类覆盖控制方法是以Voronoi图为基础研究无线网络的空洞侦测和修复策略.文献[4]将全覆盖问题转化为Voronoi构建和圆覆盖的几何问题.文献[5]研究了基于Voronoi图和移动节点的动态空洞修复.文献[6-8]研究了不同应用领域中将Voronoi图用于基于能耗的传感器部署.文献[9]提出基于Voronoi覆盖机制的MRTc算法,通过准确控制节点工作状态,实现活动节点对目标区域的完全覆盖.然而,现有的基于Voronoi网络覆盖的文献中大都采用静态修复的方式,容易造成网络中存在大面积感知区域重叠,且在空洞修复过程中缺乏对传感器节点感知区域和Voronoi多边形几何位置的量化描述.

本文作者结合客运车站环境监测需求,通过初始部署的传感器节点将车站中被监测区域进行Voronoi划分,并利用局部Voronoi图寻找覆盖率最小的区域,提出了三角覆盖比的概念,对Voronoi多边形与传感器节点感知范围的位置关系进行量化描述,同时从空洞的占比大小角度寻找具有最小覆盖比的区域作为优先修复区,并指定节点部署具体位置来迭代添加新的传感器节点.所提方法完全采用分布式的计算方式,针对密集部署的传感器网络本文所提算法的复杂度也不会出现指数增加.

本文的主要工作:1)通过已部署节点将整个被监测区域进行Voronoi划分,提出针对Voronoi图中每个三角形区域的空洞面积覆盖比概念;2)提出基于Voronoi三角形覆盖比的网络全覆盖算法(VTR),通过指定每次新节点的部署位置,迭代更新Voronoi划分,在保证网络完全覆盖的同时减小覆盖冗余.

由图2可以看出,果蔬运输系统是一个闭环系统,通过对车辆、驾驶员、果蔬等参数的实时监控,并将数据及时传送到数据中心,通过分析处理将反馈信息反馈到运输过程各参数,对参数进行相应调整,实现智能果蔬运输,达到运输的最佳效果。

1 全覆盖模型构建

1.1 感知模型

假设客运车站中部署的传感器节点集合为S={s1,s2,…,sn},其中节点si的感知半径为Rsi,所有节点的传输半径相同记为R,客运站中需被监测的目标点集合为X={x1,x2,…,xt},传感器节点si与被监测目标点xj之间的距离用欧式距离d(si,xj)表示,目标点xj被传感器节点si感知的概率pij由节点的感知模型决定.

现有文献中关于传感器节点感知模型的研究大致可以分为二元感知模型,概率感知模型和分段感知模型[10]3类.由于概率感知模型和分段感知模型在满足一定感知概率的条件下可以简化为二元感知模型,且目前关于WSN覆盖问题的研究工作中大部分采用二元感知模型[11],本文为了计算和分析的方便,同样采用如下所述的二元感知模型.

具体地,在二元感知模型中,位于传感器节点si感知范围内的一点xj的被感知的概率pij为1,超出感知范围的感知概率则为0,

(1)

1.2 连通覆盖模型

针对客运车站的环境监测,通常需要部署不同类型的传感器节点如温、湿度传感器、亮度传感器和噪声传感器节点等.而不同类型的传感器所具有的感知半径不完全相同,假设温度、湿度、亮度和噪声传感器的感知半径分别为RtRhRlRn,由于传感器节点的传输半径通常至少为其感知半径的2倍[12-13],即R≥2max {Rt,Rh,Rl,Rn},令rmax=max {Rt,Rh,Rl,Rn},则有R≥2rmax.

针对传感器节点传输半径和感知半径的不同,本文给出如下的WSN的连通覆盖和感知覆盖的定义,并进一步给出两者之间相关性的定理.

定义1(连通覆盖) 对于空间V中传感器节点集合S={s1,s2,…,sn},若对于∀siS,∃sjSij,使得d(si,sj)≤R,则称传感器节点集S对空间V是连通覆盖的.

[3] 蒋鹏, 陈峰.基于冗余节点休眠和分阶段唤醒策略的传感器网络三维覆盖控制方法[J]. 电子与信息学报, 2009,31(12):2807-2812.

此外,本文的研究对于客运站监测区域中实际部署传感器节点实现网络的全覆盖具有良好的借鉴意义.在以后的工作中可以进一步研究算法的精度及模型的应用规模.

证明:采用反证法,假设对于给定的节点si,节点集S中任意一个节点sj(ij)都有d(si,sj)>Rsi+rmax,则节点si和节点sj的连线上至少存在一点p使得d(si,p)>Rsid(sj,p)>Rsj.

那么,对于除si外的所有节点来说,在满足上述不等式约束的点p的集合中总能找到一个公共点p′,使得d(sj,p′)>Rsj对所有的节点同时成立.这显然与感知覆盖的定义是相违背,因而假设不成立,证明得证.

由定理1可知满足感知覆盖的节点集S={s1,s2,…,sn}中任意两个节点sisj均有d(si,sj)≤Rsi+rmax,又由于rmax=max {Rt,Rh,Rl,Rn},且R≥2rmax,所以有d(si,sj)≤2rmaxR.也即满足感知覆盖的节点集一定满足连通覆盖,因而下面主要考虑客运车站中节点部署的感知覆盖问题.

1.3 Voronoi分割与覆盖模型

基于客运车站待监测区域中已部署传感器节点的位置,首先构建每个传感器节点的Voronoi多边形.具体地,如图1所示,节点s1周围存在s2s6共5个节点,连接s1和其余几个节点并作连线的垂直平分线,则垂直平分线所分割空间中靠近节点s1一侧的区域所构成的交集即为节点s1的Voronoi多边形,记为Vs1.显然,对于区域内任意一点pVs1,有d(p,s1)≤d(p,si),i∈{2,3,4,5,6}.

图1 节点s1的Voronoi多边形 Fig.1 Voronoi polygon of node s1

定义3(Voronoi三角形覆盖比) 将Voronoi多边形内的节点与Voronoi多边形的各顶点相连,构成多个三角形,以节点为圆心,以传感器感知距离为半径作圆,则每个三角形与圆的交集大小与三角形自身面积大小的比值为Voronoi三角形覆盖比.

由于传感器节点si通过自身与至少3个邻居节点的位置信息可以获得多边形Vsi的各边长度,以及由节点siVsi中相邻两个顶点所构成的三角形的各边长度[14].如图2所示,设节点si与顶点AB所构成三角形的三边长度为siA=l1siB=l2AB=l3,由此可以得到三角形3个内角的大小为

图2 节点感知范围与Voronoi覆盖关系 Fig.2 Relationship between the sensing range of node and Voronoi coverage

根据节点感知半径大小的不同,节点的感知覆盖范围通常与节点的Voronoi多边形呈现如图2所示的3种不同的关系.具体地,假设与传感器节点si共有Voronoi边AB的传感节点为sj,那么针对图2中所示节点si的感知范围与Voronoi三角形siAB的覆盖关系有以下结论:

1)图2(a)中,节点si感知范围与Voronoi的三角形siAB覆盖比为

2)图2(b)中,节点si感知范围与Voronoi的三角形siAB覆盖比为

(2)

[4] LIN J W, CHEN Y T. Improving the coverage of randomized scheduling in wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2008, 7(1):4807-4812.

针对Voronoi多边形与内部传感器节点所构成的多个三角形,通过上述Voronoi三角形覆盖比的分类计算可获得每个三角形的Voronoi三角形覆盖比情况.

引理1[14] 假设Voronoi内存在一定数量的空洞,且si作为Voronoi内的节点,若要部署新的节点来对区域空洞进行最大范围的修复,那么新节点必位于si和Voronoi边集构成夹角的角平分线上.

依据引理1可知针对存在空洞的Voronoi多边形中添加新的传感器节点的最优方位为夹角的平分线上,又由于对两个相邻的Voronoi多边形具有公共Voronoi边的两个三角形是对称的,如图3所示,节点sisj为相邻的两个传感器节点,且它们具有公共的Voronoi边AB,三角形siAB和三角形sjAB是关于边AB对称的,本文选择节点si和Voronoi边集所构成夹角的角平分线与对应Voronoi公共边AB的交点作为新的传感器节点候选部署位置.

图3 邻接Voronoi多边形 Fig.3 Adjacent Voronoi polygons

对于同构的无线传感器网络来说,节点具有相同的感知范围,因而图3所示的以AB为公共边的邻接三角形siABsjAB具有相同的Voronoi三角形覆盖比,对于含有覆盖空洞的四边形区域siAsjB来说,其感知覆盖比与三角形siABsjAB的Voronoi三角形覆盖比相同.而对于客运车站环境中具有不同类型传感器节点的异构网络,节点感知范围的不同会导致对称三角形siABsjAB的Voronoi三角形覆盖比并不相同,这里采用邻接三角形siABsjAB的Voronoi三角形覆盖比的乘积作为四边形区域siAsjB的感知覆盖比.对于位于监测区域边界的三角形来说,它们不存在上述邻接三角形,因而这些区域的感知覆盖比即为自身Voronoi三角形覆盖比.针对客运车站中整个WSN覆盖网络,覆盖比最小的区域具有最高的优先级来部署新的传感器节点.

1.4 算法设计

针对客运车站中存在感知覆盖空洞的WSN,1.3节中指出在空洞修复过程中新的传感器节点的添加区域和部署位置通过算法1(VTR算法)详细说明如何通过逐个添加节点来迭代地修复覆盖空洞.

算法1.VTR算法输入:已知部署位置的初始传感器节点集S和客运站被监测区域大小输出:全覆盖的客运站环境监测网络1:for ∀si∈S2:构建Voronoi多边形Vsi及对应顶点集V(si)和边集E(si)3:连接si与多边形Vsi中每个顶点,与E(si)构成三角形集合T(si)4:计算T(si)中每个三角形与以si为圆心感知半径为Rsi的感知范围的三角形覆盖比VT(si)5:end for 6:VTS()=∪si∈SVT(si)7:合并VT(S)中的邻接三角形区域,并计算每个区域的感知覆盖比,记为VT'(S)8:计算集合VT′(S)取得最小值的区域Area和与其关联的一个传感器节点sa,sa,Area[]=argmin {VT′(S)}9:获得以sa为顶点的夹角平分线与Area内Voronoi边的交点p10:在p点部署新的传感器节点s′,且S=S∪s′11:重复1~10直到minVT′S(){}=1

上述算法中1~5步依据被监测区域中当前所部署传感器节点集合S将被监测区域进行Voronoi划分,并针对每个传感器节点计算其对应Voronoi图中每个三角形区域的覆盖比.步骤6获得整个被监测区域中所有三角形区域覆盖比集合VT(S),步骤7合并VT(S)中具有公共Voronoi边的区域,并重新计算每个区域的覆盖比VT′(S),步骤8中找到集合VT′(S)中取值最小元素所对应的区域和传感器节点.步骤9和10中,以第8步获得的传感器节点为顶点作角平分线,角平分线与Area区域内的Voronoi边的交点作为新部署传感器节点的位置,然后更新传感器节点集S.第11步重复上述过程,直到被监测区域达到全覆盖,也即区域内所有Voronoi三角形覆盖比为1,min{VT′(S)}=1.

2 实验仿真与结果分析

仿真实验基于Matlab R2014a平台进行,首先模拟一个200 m×200 m大小的客运站区域,在其中随机部署一定数量的某一类型传感器节点,且传感器节点可以通过定位技术获得自身位置和邻居节点的位置信息.

被监测区域中初始部署20个传感器节点,图4和图5分别给出了感知半径Rs为20 m和30 m时的被监测区域的Voronoi划分和网络覆盖情况.显然,同样的部署情况下,节点的感知范围大小直接影响着网络的覆盖情况,Rs为20 m时区域内的网络覆盖率仅为39.2%,而Rs为30 m时网络覆盖率为78.3%,也即图4的网络空洞要明显大于图5.

图4 Rs=20 m时初始覆盖及Voronoi划分 Fig.4 Initial coverage and Voronoi division whenRs=20 m

图5 Rs=30 m时初始覆盖及Voronoi划分 Fig.5 Initial coverage and Voronoi division whenRs=30 m

通过本文所提的VTR算法对上述覆盖空洞进行修复,为了说明本文算法的有效性,将仿真结果与文献[4]中所提出的空洞修复策略(PAL算法)进行比较.图6和图7分别为VTR算法和PAL算法在Rs=20 m时的覆盖空洞修复情况,VTR算法需要新添加50个节点完成全覆盖,而PAL算法则需要添加57个,且从图7中可以发现PAL算法所实现的网络覆盖仍然存在少量空洞区域,这主要是由于PAL算法对覆盖区域的空洞面积估算不够准确[14],使得无法对空洞面积进行有效修复.

信息化以计算机为主体,说明了信息化是建立在现代信息科技和网络的基础上的。信息化表明了信息技术的广泛运用。智能工具解放了人类的基本性工作甚至一些复杂性的工作。信息化让人们获得资源的渠道变得更多,获得的资源也更多。这让社会的基本提升了不止一个等级。在相应的信息化理论领域不断研究,探索信息化时代的新道路、新模式。同时,获取新的信息资源,为下一步商业计划做好充足的信息准备。

图6 Rs=20 m时VTR全覆盖和冗余情况 Fig.6 Full coverage and redundancy of VTR whenRs=20 m

图7 Rs=20 m时PAL全覆盖和冗余情况 Fig.7 Full coverage and redundancy of PAL whenRs=20 m

图8和图9分别为VTR算法和PAL算法在Rs=30 m时的覆盖空洞修复情况.此时,VTR算法需要新添加13个节点即可完成对被监测区域的全覆盖,而PAL算法则需要添加20个节点,且两者均能达到对被监测区域的完全覆盖.

第二、牢牢把握我国工人运动的时代主题,为实现中华民族伟大复兴的中国梦而奋斗。当代工人阶级肩负着神圣历史使命,习近平总书记强调:工会要牢牢抓住这个主题,把推动科学发展、实现稳中求进作为发挥作用的主战场,把做好新形势下职工群众工作、调动职工群众积极性和创造性作为中心任务,使中国梦真正同每个职工的个人理想和工作生活紧密结合起来,真正落实到实际行动之中。

图8 Rs=30 m时VTR全覆盖和冗余情况 Fig.8 Full coverage and redundancy of VTR whenRs=30 m

图9 Rs=30 m时PAL全覆盖和冗余情况 Fig.9 Full coverage and redundancy of PAL whenRs=30 m

ZHANG Shengfeng, XU Zhiliang, WU Xiaobei, et al. Dynamic full repairing of coverage holes in wireless sensor networks[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2013,37(6): 819-825. (in Chinese)

(2)脱硫剂循环量:在改造前原吸收塔溶剂(MDEA)循环量大,而改造后,吸收塔I溶剂(MDEA)循环量降低,吸收塔II溶剂(GL-DS)循环量22t/h。

进一步通过改变网络中初始部署的节点个数,即改变初始节点浓度来观察VTR和PAL算法在所需添加新节点个数及至少被3个节点(N≥3)覆盖的区域大小的变化.由于初始部署节点的随机性,取20次实验的平均值作为仿真结果.图10描述了VTR和PAL算法在不同初始部署节点个数下冗余覆盖的变化情况,随着初始部署节点个数的增加,覆盖冗余都呈上升趋势,但PAL算法的增加幅度要大于VTR算法.图11给出了在增加初始部署节点的个数时两种算法所需添加新的传感器节点的个数的变化,两者均呈线性下降的趋势.而结合图10和图11的仿真结果,可以得到随着初始部署节点个数的增加,本文提出的VTR算法在控制覆盖冗余方面可以获得比PAL算法更优的性能.

1 VTR与PAL覆盖冗余比情况比较 %

Tab.1 Compare of redundant coverage ratio between VTR and PAL

冗余覆盖节点个数Rs=30 mRs=20 mVTRPALVTRPALN>0100.0100.0100.098.0N>172.778.971.671.9N=253.937.750.839.0N=317.729.019.925.0N>31.112.20.97.9

图10 冗余覆盖与初始节点个数 Fig.10 Redundant coverage ratio vs number of initial nodes

图11 新添加节点个数与初始节点个数 Fig.11 Number of newly added nodes vs initial nodes

3 结论

针对基于WSN的车站环境监测的全覆盖问题,本文作者提出了基于Voronoi三角形覆盖比的全覆盖算法,VTR算法具有以下优点:

江苏省城际铁路项目兼具公益性和经营性特点,采用PPP模式可以在垄断性强的铁路领域中合理引入市场竞争机制,同时保证了政府和私营机构共同的风险分担和利益分配。在运营管理方面,通过铁路建设项目公私合作,同时发挥政府的权威性和民营企业的灵活性,有利于提高效率和降低工程造价,并在一定程度上可保证民间资本的利润,提高民营企业投资铁路项目的积极性。同时,江苏省具有较强的财政实力,在财政能力可支撑范围内选择PPP模式有助于最大限度地实现社会效益最大化。总体而言,在PPP模式下,政府和私营机构创造的社会效益可在整体上实现“帕累托最优”,也更符合城际铁路建设的宗旨,因此该模式对江苏省城际铁路项目适用性较强。

1)将传感器节点感知范围与Voronoi多边形的覆盖比进行量化描述,并指定了新添加节点的具体部署位置;2)通过动态添加节点的方式进行覆盖漏洞的修复,有效地降低了传感器节点感知区域的重叠.

定理1 若传感器节点集合S={s1,s2,…,sn}满足对空间V的感知覆盖,则对于∀siS,∃sjSij,使得d(si,sj)≤Rsi+rmax.

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定义2(感知覆盖) 对于空间V中的传感器节点集合S={s1,s2,…,sn},若空间V中任意一点p,∃siS使得d(si,p)≤Rsi,则称传感器节点集S对空间V是感知覆盖的.

能够解决上文所提出之困难的能力,就是动感。胡塞尔认为,在一切对象构造中“必然涉及两种感觉……第一种是以侧显化的方式构成着事物本身的相应特征”[注][德]埃德蒙德·胡塞尔:《现象学的构成研究》,李幼蒸译,北京:中国人民大学出版社,2013年,第48页。 ,以及作为第二种感觉的动感:“在对第一种感觉的一切这样的把握中第二种感觉必然参与……后者相应地属于每一种构成的把握”[注]同上,第48页。 ,因此动感就贯穿于诸异质领域之中。

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3)图2(c)中,节点si感知范围与Voronoi的三角形siAB覆盖比为1.

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此外,图6和图9还对VTR和PAL算法的覆盖冗余情况进行比较,其中浅蓝色区域表示同时被两个节点覆盖的区域,绿色区域为同时被3个节点覆盖区域,红色则为同时被4个及以上节点覆盖的区域.表1中给出了VTR和PAL算法覆盖冗余的数值比较,其中Rs表示节点的感知半径,N表示感知区域被覆盖节点的个数,N>0表示至少被一个节点感知覆盖,N>1表示被多于1个节点同时感知的区域,也即冗余覆盖情况.比较N>1的情况,可以发现VTR中总的冗余覆盖面积比要略小于PAL,且VTR的冗余覆盖多集中于N=2时,也即同时被两个节点感知,而PAL中N≥3时的冗余覆盖较为严重,而过大的覆盖冗余将会导致信息的重复采集和传输,从而加剧网络的能量消耗.这里冗余覆盖比的计算是通过将被多个节点重叠感知的区域面积与整个被监测区域面积进行比较获得.

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看到这个妈妈的问题,这些旧事一下子浮现在脑海。在“阅读”这件事儿上,我们中国是真正的发展中国家。我小时候,绝大多数家长对孩子的关注还停留在吃饱穿暖上;比我小一轮的80后,大人们的关注或许已经转移到了学习上,但是我认为也是停留在“成绩”上。我小时候的中文阅读,完全没有阅读内容来匹配我的阅读兴趣,所以才会有爬墙上看报纸的经历;80后的情况大为改观,父母手头宽裕,可以有钱来买一些课外书,不过大多数父母更愿意掏钱给孩子买题库吧。

紫坪铺龙抬头无压泄洪洞洞内最大流速约45 m/s,经水工模型试验,将初步设计阶段反弧末端2道通气槽改为5道掺气坎,其中斜井段(龙抬头段)设置3道,导流结合段设置2道,使每道掺气设施保护段长度均小于200 m。九甸峡工程有压放空泄洪排沙洞在井塔式进水口采用旁通充水管和通气管,为防止高速水流冲蚀破坏,在闸门出口以后的泄槽(流速为 33~34 m/s)底部设垂直跌坎,以 1∶8底坡直至挑流鼻坎反弧段为起点,闸门后的泄槽两侧各突扩80 cm。

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设计阶段是项目建设成本控制的关键和重点。设计质量的优劣直接影响项目建设产生的费用和施工工期的成本,直接决定人力、物力、财力的投入,因此,甲方在本阶段管理中,要特别注意初步设计和概算编制。通过初步设计和概算编制将立项批复中的内容具体化和明确化,使其成为下一阶段项目实施的具体指导性依据。

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经历活动课程的评价由以下两部分构成,一是经历活动的评价。通过对每一次经历活动的评价,诊断和改进经历活动,使活动在原有基础上得到提升和发展。二是幼儿发展评价。建立幼儿成长档案,融过程与结果为一体,兼容观察法、谈话法、调查问卷法等多种评价方法,通过对幼儿发展的评价,了解经历活动的目标是否适宜、内容是否能满足幼儿需要、实施效果是否能促进幼儿和谐发展。教师可以制作经历活动适宜性和有效性评价量表、幼儿成长档案、家长观察和信息反馈表,在教师、家长、管理者的共同参与和相互合作中,促进每个幼儿的发展。

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2)____Christmas is a day when people celebrate the good harvest and thank God for it.

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邓胜
《北京交通大学学报》2018年第2期文献

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