[发明专利]基于移动轨迹的矿井安全监测机会网络路由方法

权利要求书

1.基于移动轨迹的矿井安全监测机会网络路由方法，其特征在于：

所述机会网络路由方法基于如下设备：

连接矿井有线网络的交换机，交换机在井上和井下均有设置，安装于矿车上的无线网络移动终端和矿工随身携带便携式智能移动终端，井下各处安装有各类功能的传感器，所述传感器具备感知数据探测功能和无线网络通讯功能，在本方法中将矿车和矿工身上携带的移动终端视为移动节点，矿井内的交换机视为固定节点；

步骤1：节点初始化消息副本；

源节点初始化：移动节点采集的传感器的数据产生待转发的消息，该移动节点成为消息数据的源节点，源节点产生待转发的消息后将其复制为L份消息副本，得到节点初始化能量为E_init，井下移动节点过去的移动轨迹信息，此时初始化完成；

移动节点初始化：当移动节点得到消息数据时，进行初始化得到节点初始化能量为E_init，井下移动节点过去的移动轨迹信息，此时初始化完成；

初始化完成后，根据节点携带的消息副本数量采取不同的信息传输方式，当消息副本数量大于1时，进入步骤2；当消息副本数量等于1时，进入步骤3；

步骤2：基于效用值的多副本分配传输：

当节点携带的消息副本数量大于1时，实行基于效用值的多副本分配策略：携带消息的节点和邻居节点相遇，搜索邻居节点是否有目的节点，若有目的节点，则向目的节点转发；若没有目的节点则根据历史移动轨迹信息计算效用值：如果消息是紧急数据，则根据效用值分配消息副本数量；如果消息是非紧急数据，则设立效用值门限值，选出高于效用值门限值的节点，这些节点根据效用值分配消息副本数量；

步骤3：基于最优期望能耗的单副本传输：

当节点携带的消息副本数量为1时，实行基于期望能耗的单副本传输策略，节点和邻居节点相遇，根据历史移动轨迹信息获取移动路径，选出能够在消息存活期间完成数据传输任务的移动路径加入候选集合R；

从候选集合R中选出期望能耗最优的移动路径，如果该路径第二个节点为邻居节点则将数据副本转发给邻居节点，否则携带消息不转发。

2.根据权利要求1所述的基于移动轨迹的矿井安全监测机会网络路由方法，其特征在于：

所述步骤2：基于效用值的多副本分配传输：

源节点产生待转发的消息后，首先源节点在其缓存中复制数量为L的消息副本，携带消息副本的节点在移动过程中会与其他节点相遇，如果相遇节点没有该消息副本，消息副本分配策略会根据相遇节点的传输能力来选择是否分发消息副本以及分配的消息副本数量；节点的传输能力采用效用值进行表示，效用值基于节点的活跃度和剩余能量进行计算；效用值高的节点将获得更多的消息副本，利用该节点较强的传输能力将数据传送到目的节点；

Ⅰ节点初始消息副本数量：

节点初始消息副本数量L，按下式计算：

上式中，a是延迟约束因子，延迟约束因子为网络平均延时的倍数，M为网络中移动节点的个数，H_M为调和级数，其对应的计算公式如下：

上式中，r是阶数，最后通过对表达式(1)求解，并对求出的解向上取整即可得到初始消息副本数量L；

Ⅱ节点移动轨迹相似度：

通过井下定位系统获得所有移动节点最近一天的移动轨迹，由于矿工的移动轨迹和历史移动轨迹存在偏差，需要对矿工当前的移动轨迹和历史移动轨迹进行相似度计算以衡量该节点历史移动轨迹信息的可用性；对轨迹相似度采用如下方法进行计算：

每隔t时间获取一次节点的位置信息，节点的历史轨迹按照时间顺序由轨迹点组成；设历史移动轨迹为{p₁,p₂,...,p_n1}，该节点当前的移动轨迹为{q₁,q₂,...,q_m1},匹配个数计算公式如下：

上式中，L(p,q)为两轨迹中匹配点个数；x＝min(m₁,n₁),其中m₁为当前节点的移动轨迹点个数，n₁为历史移动轨迹点个数；

上式中，|p_iq_i|表示两轨迹点距离，当两轨迹点距离小于等于α时，match函数取值为1，否则为0；其中，α为当前节点移动轨迹点和历史移动轨迹点的误差大小，可根据定位间隔时间和节点的移动速度适当调整；

节点i的轨迹相似度计算如下：

上式中，s(i)为节点i的轨迹相似度，L(p,q)为两轨迹中匹配点个数；x＝min(m₁,n₁),其中m₁为当前节点的移动轨迹点个数，n₁为历史移动轨迹点个数；

Ⅲ节点活跃度：

结合煤矿井下应用场景，考虑矿工节点的工种属性，计算节点活跃度；当节点i和节点j相遇，节点的活跃度按下式(7)进行计算：

CEN(i,j)＝N_a(i)∪N_a(j) (6)

上式中，CEN(i,j)为根据历史移动轨迹信息，CEN(i,j)是节点i和节点j所遇到的节点集合的并集，N_a(i)和N_a(j)分别为根据历史移动轨迹，节点i和节点j遇到的节点集合；

上式中，N_ac(i)表示节点i的活跃度，N_l(i)表示根据定位系统获取的历史移动轨迹信息中，节点i接下来将会遇到的节点集合，N_o(i)表示节点i之前遇到的节点的集合；其中b为N_l(i)集合中工种种类数，a为根据历史轨迹节点i和节点j遇到的不同工种的个数总和，s(i)为节点i的轨迹相似度，参见式(5)；

Ⅳ效用值计算：

基于节点活跃度以及节点剩余能量计算节点效用值U(i)：

上式中，E_cur(i)为节点i的当前剩余能量，E_init为节点i的初始能量，N_ac(i)为节点i的活跃度，w为属性的权重大小，属性的权重为设定值；

Ⅴ不同数据类型的副本分发：

考虑到矿井下，智能移动终端的资源有限，存在紧急的实时性数据和非紧急的非实时性数据，针对不同类型的数据采取不同的副本分发策略；根据消息的紧急性选择是否设定效用值门限：对于紧急数据，不设效用值门限，让更多的节点分配到消息副本参与消息的转发；对于非紧急数据，设立效用值门限，当相邻节点的效用值U(i)高于效用值门限U_th(i)才可根据效用值大小分配消息副本，让性能强的节点参与副本分配；

效用值门限值的计算如下：

上式中，U_th(i)为节点i分配副本给邻居节点的效用值门限，N(i)为节点i的邻居节点集合，U(j)为邻居节点的效用值，k为节点i的邻居节点个数；

Ⅵ消息副本的分配：

当携带消息副本的节点i和邻居节点相遇时，对于没有该消息副本的每个邻居节点，将会根据效用值大小分配消息副本，如果是非紧急数据需要先选出高于效用值门限的邻居节点，然后根据效用值分配副本；假设有k个邻居节点，邻居节点j按下式计算分配的消息副本数量：

上式中，m(j)为节点j缓存中消息m的副本数量，m(i)为节点i的消息副本数量；

节点i按照计算的数量将消息副本分配给节点j，节点i分配完消息副本后，节点i的消息副本更新为m_up(i)：

上式中，m_up(i)为更新后节点i缓存中消息m的副本数量；

在副本分配传输过程中，携带消息副本的节点和邻居节点相遇，如邻居节点如果拥有了该消息副本，则不参与步骤2的分配和步骤3的传输，如邻居节点如果不拥有该消息副本，则参与步骤2的分配和步骤3的传输。