[发明专利]一种面向三维有向感知模型的WMSN全目标覆盖方法

说明书

技术领域

本发明属于无线多媒体传感器网络领域，具体地说，涉及一种面向三维有向感知模型的WMSN全目标覆盖方法。

背景技术

无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSN)全目标覆盖问题是指：使用最少的传感器监控全部目标，避免传感器资源的浪费以及网络性能的下降，属于WMSN覆盖控制领域中的一个基本问题。该问题需要同时考虑传感器节点的感知模型、节点与目标点的覆盖条件、全目标问题的数学建模以及如何进行优化求解等。其中，真实覆盖场景的模拟效果直接依赖于所建立的节点模型以及目标点的覆盖关系，而所建立的全目标问题数学建模以及进行求解的优化方法将直接影响最终效果。

2015年，王艳娇(王艳娇，毕晓君，滕志军，等.三维无线多媒体传感器网络全目标覆盖算法[J].《吉林大学学报(工)》，2015，45(5):1671-1679)等人提出一种无线多媒体传感器全目标覆盖方法，该方法基于如下背景：传感器节点处于三维物理世界、目标点位于二维平面上，基于该背景，提出两阶段的目标覆盖算法，该算法相继优化传感器节点的仰俯角和偏向角，通过节点监测区域计算，建立偏向角调配方案的数学简化模型，得出最佳偏向角，将各传感器节点设置在最优偏向角下，针对该模型特点，并设计适应度求解模型，继而利用差分进化算法调整各节点的仰俯角，最终实现少量节点覆盖全部目标的目的。

通过深入分析发现，现有技术的主要缺点有如下两点：第一，现有技术所涉背景与实际覆盖情况不匹配：现有方法中传感器节点处于三维物理世界、目标点位于二维平面，而实际全目标覆盖场景中，传感器节点和目标节点都位于三维物理世界；第二，现有技术中以差分进化算法作为全目标覆盖方法的主体算法，差分进化算法自身存在收敛速度不够快、收敛精度不够高等缺陷，导致全目标覆盖方法所获结果不够理想。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种面向三维有向感知模型的WMSN全目标覆盖方法，本发明以引力搜索算法作为全目标覆盖方法的主体优化算法，建立了符合实际全目标覆盖情况的覆盖控制模型，即将传感器节点与目标都置于三维物理空间中；另一方面，鉴于大量实验研究表明，与差分进化算法相比，引力搜索算法在收敛精度和收敛速度上都更为优秀。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种面向三维有向感知模型的WMSN全目标覆盖方法，包括以下步骤：

步骤1、构建传感器的初始目标覆盖条件；

步骤2、对初始目标覆盖条件中的参数、网络结构与种群进行初始化处理：

步骤3、用GSA算法求适应度函数，计算得出每个粒子的质量、合力和加速度，并更新每个粒子的速度和位置；

步骤4：判断是否达到最大迭代次数，若达到，转至步骤5；若达不到，则转至步骤3；

步骤5：输出最终得到覆盖全部目标时所需的传感器数目。

进一步地，步骤1中构建传感器的初始目标覆盖条件具体为：

若某目标M(x₁,y₁,z₁)被传感器节点P覆盖，则传感器节点与目标的空间覆盖关系应满足距离条件和角度条件，具体如下：

步骤1.1、距离条件：

若传感器节点P能够监测到目标M，则传感器节点P与目标M的距离应小于传感器节点P的监测距离R，具体表示如公式(1)

||PM||≤R(1)

式中，PM―表示传感器与监测目标之间的距离；

R―表示传感器监测半径；

步骤1.2、角度条件：

通过传感器节点与监测目标在空间覆盖关系能够知道，由几何向量关系推导出如果要满足目标点M在传感器P的区域视角内，假设目标M在传感器节点感知区域的极值点，即PM与PP'之间的夹角为α/2，推导出cos(α/2)＝PM PP'/PM×PP'；而余弦函数在[0,π]是减函数，因此，目标点M必须在传感器节点P的区域视角内，则满足条件的计算公式如公式(2)

式中α―表示传感器感知区域视角；

―表示PM与PP'之间的夹角。

P’(x,y,z)表示主感知方向与感知区域在球面上的交点，其中，主感知方向是指传感器节点视角所朝向的方向，P₀与P’分别为P与P’在XOY面上的投影，则P₀P”＝Rsinγ；

x的坐标表示为：x＝x₀+P₀P”cosθ＝x₀+Rsinγcosθ；