[发明专利]远程感知监测全局目标空间覆盖优化方法

说明书

本发明公开的一种远程感知监测全局目标空间覆盖优化方法，能够有效感知一定高度范围内的空中目标。本发明可以通过下述方案实现：首先筛选出能够感知到待感知目标空间的传感器，组成感知覆盖的三维空间有向传感器网络，建立集合覆盖模型；统计三维待感知空间离散点的覆盖范围，计算感知覆盖率，迭代优化适应度函数；调整有向传感器求整个有向传感器网络对待感知空间的感知覆盖率，利用随机搜索算法，迭代优化每个传感器的俯仰角和方位角，对指定的地球表面三维空中目标进行感知覆盖，直到满足覆盖率要求或迭代次数要求，利用所述智能优化算法输出优化参数调整传感器的方位角和俯仰角，通过对主感知方向的优化，获得全局最优空间覆盖。

技术领域

本发明涉及广泛应用于环境监测和交通监控等领域之中的传感器网络覆盖感知领域，尤其是三维有向传感器对地球表面三维空间远距离感知覆盖的优化方法。

技术背景

当今,“人机物”三元对象广泛的存在于网络空间之中，其中,无线多媒体传感器实现多媒体内容的压缩和以较低通信量进行数据传输，所产生的数据成了网络空间对象中一个重要的组成部分，并为无线多媒体传感器网络在实际中的应用提供理论基础和有力保障。覆盖作为衡量传感器网络监测能力的重要指标,直接关系到网络的服务质量,无线多媒体传感器网络有效空间覆盖率反映了监测空间中能有效参与目标跟踪和识别等后续工作的能力，是检验无线多媒体传感器网络能否正常工作的重要指标。作为一种比较高级的传感器网络形式，易于将人们的认识角度延伸到普遍的物理环境当中，深刻地影响信息世界与物理世界的交互形式。当人们需要监测某个区域时，往往要借助无线传感器节点。根据环境和需求的不同，传感器节点会以随机或者确定的方式部署在检测区域。这些数量众多、功能独立的传感器节点形成了一个监测网络，这也被称为无线传感器网络WSN(WirelessSensor Network)。WSN是由大量的资源受限(例如CPU、电池能量、通信带宽等)的传感器节点组成，这些传感器节点实时的对目标区域进行监控感知，采集感知对象的各种信息(例如空气湿度、地面气温以及污染物浓度等)，然后对采集到信息数据进行计算处理，并将处理后的数据通过无线通信用多跳的方式传递给网络汇点或者观察者终端，从而有效的将物理世界、计算网络和现实世界联系起来，给人们提供了一种全新的观察物理世界的能力。WSN技术主要任务是感知和监测目标区域，要实现对目标区域内的各种环境或对象进行感知与监测，首要的工作是对目标区域进行有效的覆盖控制。WSN的覆盖控制问题就是传感器节点通过调整自身的坐标位置完成对目标区域的监测，并执行对目标对象的感知任务，它从根本上反映了WSN对指定区域的监控感知程度。无线传感器网络的节点是一个微型化的嵌入系统，由数据收集单元(一个或多个传感器设备)、数据处理单元(一个微型的微控制器)、数据传输单元(一个无线电收发器)和电源管理单元(通常为电池)四个部分组成。传感器节点能进行数据采集、数据处理、数据传输等各项工作，而不同的传感器节点也具有不同的功能。功能独立的传感器节点相互合作通过物理感知实时检测并采集它感知区域内的信息，传感器节点之间通过无线方式进行通信和信息交互。在无线传感器网络中，感知节点将数据信息通过逐级跳跃的方式传送到网关节点，网关节点负责和外部网络进行信息交互，利用Internet或卫星网络将数据传送到管理节点。网关节点不同于感知节点，它的能量一般没有限制不需要考虑能耗问题，因此它的数据处理能量，通信能力和存储能力也远远超越感知节点，并且它是无线传感器网络WSN与卫星网络或Internet等外部网络之间的连接点。用户通过管理节点就能完成对目标的监测和数据的采集，从而将物理世界、计算世界和人类社会连接成一个整体。无线传感器网络WSN将客观世界的信息转换成了由监测数据组成的信息世界，让人类可以从不同的角度来感知世界，增加了人类认识世界的手段。无线传感器网络WSN的实际应用非常广阔，可以应用于各种监测系统，如栖息地环境的监测、室内气候控制的监测；事物监控(结构监测、设备状态维护监测)；事物与事物之间以及周围环境的监测；自然灾害预测和医疗应用等领域。并为传感器节点在同一系统中的低功耗信号处理和低功耗计算等关键技术提出了解决方案。无线传感器网络体系结构在无线传感网络WSN中，每个传感器节点之间是相互独立的。每个节点一般都具有一定的数据处理、存储和通信的能力，但是能量是有限的。由于感知区域被大量的传感器节点所覆盖，每个节点将其感知范围内采集到的数据通过多跳的方式汇集到网关节点。网关节点和传感器节点之间也是以相同的方式进行信息交互，节点之间一般都是无线通信。网关节点通过Internet或卫星网络将数据传送到任务管理节点。传感器节点价格低廉、部署便捷且隐蔽性强。在野外地区或者不宜人工监测区域布置无线传感器网络可进行长期无人不间断监测。在农业生态环境上将传感器节点部署在农业生态区，可以实时监测到气候变化以及土地适度等，农民可以根据无线传感器网络采集到的信息预防自然灾害，提高农作物产量。无线传感器节点被部署在三维空间后组成三维监测网络，可以为各种三维环境收集监测信息。节点主要用于收集数据，它是整个网络数据流的源头。从网络层的角度来看，它既是网络终端又是路由器，它既发送感应数据又需要转发接收的数据，在转发过程中还涉及到数据的管理、存储和融合的功能传感器节点由一个电源(一般电池)、一个通信设备(无线电收发器)、一个传感器或者多个传感器、多个模数转换器(ADC)、一个微处理器和数据存储器组成的。传感器位于最前端，主要功能是负责监测目标和采集数据，此时得到的数据为模拟数据。ADC的主要功能是负责模拟数据和数字数据之间的转换。处理器单元连接感知单元、存储单元和通信单元，主要负责控制节点数据的收集、处理、存储以及网络收发。通信部分负责与周围网络设备连接，包括数据的接收和发送。能量供应部分负责为节点的运行提供能量，通常采用微型电池。