CN102735332A - 一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置，属于民用航空设备技术领域，本方法利用在监测区域内分布的汇聚节点和移动传感监测节点，通过各个汇聚节点收集初始状态的移动传感监测节点的位置信息，将这些位置信息传回中央处理计算机；中央处理计算机根据噪声监测区域的实际需要，建立相应的监测区域模型，并利用优化覆盖算法模拟移动传感节点的虚拟移动，完成优化传感器节点的布局优化工作，中央处理计算机完成优化计算后，将经过优化后的位置信息传递给相应的各汇聚节点，通过汇聚节点发出指令，各移动传感节点按照指令移动到优化后的位置，完成对监测区域的覆盖优化。本发明具有具有自适应强、节约资源、优化速度快的特点。

Description

一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置

技术领域

本发明涉及民用航空监测设备技术领域，特别是涉及一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置。

背景技术

现有机场噪声自动监测系统均由国外研制，成本高且噪声计算模型、噪声评价指标、软硬件设计都没有具体考虑我国机场的运行特征，导致实际应用过程中难以充分发挥效用，系统的核心技术受制于人。更为重要的是，目前的机场噪声监测系统，由于缺少理论方法和技术的支持，其监测点布局主要借助专家经验完成，受监测模式、成本等局限，监测点数量较少，无法实现机场周围噪声的全面精确度量，同时系统可扩展性也差，面向未来机场全面感知难以实现与其它监测系统互联。

传感网络的蓬勃兴起使得机场噪声的全面感知成为可能。无线传感网络由于具有大量的监测传感装置，可以对被监测进行全面的感知监测，因而被广泛的应用于各种环境监测当中。在相当多的应用中，由于传感节点是随机部署在目标监测区域的，而传感节点又无法根据监测的具体需要二次调整位置，这使得传感网络的覆盖效果往往不尽如人意。

现有的机场噪声监测覆盖方法及装置，大多都是对目标区域进行均匀覆盖，且这些均匀覆盖分布的噪声监测设备为固定安装方式，因此通过长期的使用环节发现，这种传统的均匀覆盖布局的机场噪声监测系统存在如下的缺陷：一、浪费大量的资源，因为在机场噪声监测过程中，如果要想达到理想的覆盖率，则需要布局大量的机场噪声监测装置，由于机场的噪声分布是不均匀的，因此会造成局部地区覆盖率低，无法满足机场噪声监测的需要，局部地区覆盖率过高，浪费大量的资源；二、由于采用的是均匀分别的覆盖方法，因此采集到的航空器噪声信息中存在大量的噪声，不利于后期信息的分析处理，造成信息处理过程复杂，进而影响信息处理的速度；三、由于噪声监测装置均匀分别于机场的各个位置，因此不具有自动调整位置的能力。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的为：提供这样的一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置：通过中央处理计算机建立监测模型，利用汇聚节点获取监测区域内每个移动传感监测节点的位置信息，进而完成对监测区域内每个移动传感监测节点的位置优化，具有自适应强、节约资源、优化速度快的特点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将机场划分为监测热点区域、监测障碍区域和监测边界，在每个监测区域没置若干个移动传感监测节点，在每个监测区域至少设置一个汇聚节点；

步骤二、所述移动传感监测节点采集民用航空器噪声，将所述民用航空器噪声和自身位置信息发送给汇聚节点；

步骤三、所述汇聚节点将接收到的民用航空器噪声发送给中央处理计算机；

步骤四、所述中央处理计算机建立监测模型；

步骤五、所述中央处理计算机根据监测模型，对所述移动传感监测节点的位置进行覆盖优化，将优化信令通过所述汇聚节点发送给所述移动传感监测节点；

步骤六、每个移动传感监测节点接收到位置优化信令后自动调整自身位置。

作为优选方案，本发明还采用了如下技术方案：

移动传感监测节点在所述的监测热点区域内为均匀分布；

移动传感监测节点在所述的监测热点区域内为非均匀分布；

所述汇聚节点上设有GPS定位装置。

所述步骤四的具体建立过程为：

划分网格，将每个监测区域划分为网格，将移动传感监测节点的感知半径和监测半径，以及每个移动传感监测节点的各种虚拟力触发和转化距离换算为相应区域的网格距离，并设置每次迭代移动传感监测节点最大可以移动的虚拟网格距离；

每个移动传感监测节点受到的虚拟力的合力为：

其中：F_i代表虚拟力的合力，

代表移动传感监测节点之间的相互作用力，

代表监测障碍区域的移动传感监测节点的作用力，

代表监测热点区域的移动传感监测节点的作用力，

代表监测边界的移动传感监测节点的作用力，k代表网络中移动传感监测节点的总数目；

所述移动传感监测节点的位置更新公式为：

其中，（x_new,y_new）代表移动传感监测节点更新后的位置，（x_old,y_old）代表移动传感监测节点更新前的位置，

代表移动传感监测节点

在仿真模型中所受的虚拟力合力，代表受力阈值，

表示代表每次移动传感监测节点可以移动的最大距离；

所述移动传感监测节点之间的相互作用力

的计算公式为：

其中， 

表示引力系数， 

表示斥力系数，

代表两个移动传感监测节点

之间的距离，

是引力和斥力发生转化的距离阈值，

表示

的方向；

所述监测热点区域的移动传感监测节点的作用力

的计算公式为：

其中，k代表热点区域内的网格数目，

是移动传感监测节点和热点区域内一个网格

的距离，

是是否受力的判断阈值；

所述监测障碍区域的移动传感监测节点的作用力

的计算公式为：

其中，k代表障碍区域内的网格数目，

是传感节点

和障碍区域内一个网格

的距离，

是是否受力的判断阈值；

所述监测边界的移动传感监测节点的作用力

的作用是当移动传感监测节点即将运动出监测区域时，使移动传感监测节点向相反方向移动相同距离。

所述监测热点区域包括：临时热点区域和临时边界。

所述临时热点区域的覆盖率为：

其中Cov代表所述临时热点区域的覆盖率，n是所述临时热点区域中网格的总个数，m是所述临时热点区域中被传感器覆盖的网格数个数。

所述覆盖率的临界值为50%，当所述覆盖率不小于50%是则认为是该临时热点区域的覆盖率正常，当所述覆盖率小于50%是则认为是该临时热点区域的覆盖率不正常。

一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化装置，其特征在于：包括：移动传感监测节点、汇聚节点和中央处理计算机；其中：

移动传感监测节点，采集周围民用航空器噪声，将所述民用航空器噪声和自身位置信息发送给汇聚节点；

汇聚节点，接收周围移动传感监测节点发送过来的航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息，并将所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息发送给中央处理计算机；

中央处理计算机，建立监测模型并接收所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息，通过所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息经过分析后，对所述移动传感监测节点的位置进行调整，并将所述移动传感监测节点的位置调整信令通过所述汇聚节点下发给相应的移动传感监测节点。

进一步，所述汇聚节点上设有GPS定位装置。

本发明具有的优点和积极效果是：一、通过中央处理计算机建立监测模型，利用汇聚节点获取监测区域内每个移动传感监测节点的位置信息，进而完成对监测区域内每个移动传感监测节点的位置优化，使得移动传感监测节点的布局更加合理，保证了机场各个区域的覆盖率，节省了大量的资源，提高航空器噪声的信噪比，同时，通过中央处理计算机对移动传感监测节点的位置进行优化，使得移动传感监测节点具有很强的自适应性。

附图说明

图1是本发明一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化装置的结构示意图；

图2是本发明一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化装置的信号流程图；

图3是本发明一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法的流程示意图；

图4是本发明一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置的移动传感监测节点初始分布图；

图5是本发明一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置的移动传感监测节点优化后的分布图。

其中：1、移动传感监测节点；2、汇聚节点；3、中央处理计算机。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化设备，包括：移动传感监测节点、汇聚节点和中央处理计算机；其中：

移动传感监测节点，在机场的监测区域内放置大量的移动传感监测节点，通过移动传感监测节点采集周围民用航空器噪声，并将所述民用航空器噪声和自身位置信息发送给汇聚节点；

汇聚节点，用于接收周围移动传感监测节点发送过来的航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息，并将所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息发送给中央处理计算机；因此在机场的监测区域内同时设置一定数量的汇聚节点；

中央处理计算机，建立监测模型并接收所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息，通过所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息经过分析后，对所述移动传感监测节点的位置进行调整，并将所述移动传感监测节点的位置调整信令通过所述汇聚节点下发给相应的移动传感监测节点。

在本具体实施中，所述汇聚节点上设有GPS定位装置，但并不代表GPS定位装置为唯一的信号传输方式，所述汇聚节点通过GPS定位装置获取周围移动传感监测节点的精确位置信息和移动传感监测节点发送过来的航空器噪声信息，并将接收到的位置信息和航空器噪声信息通过GPS定位装置发送给中央处理计算机。

请参阅图2，一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化装置，其具体的工作过程为：移动传感监测节点从监测周围的环境信息，将环境信息中的航空器噪声信息过滤出来后，将航空器噪声信息和自身的位置信息传输给汇聚节点，汇聚节点将接收到的航空器噪声信息和移动传感监测节点的位置信息传输给中央处理计算机，中央处理计算机结合数据库中的监测模型实现对航空器噪声信息和移动传感监测节点的位置信息的分析，进而对移动传感监测节点的位置进行调整，并将位置调整信令通过汇聚节点转发给相应的移动传感监测节点，移动传感监测节点接收到位置调整信令后完成位置的调整。在上述过程中，中央处理计算机不停的将航空器噪声的分析结果和每个移动传感监测节点的位置发送给用户，用户可以随时根据需要利用中央处理计算机完成对特定、全部或者是局部的移动传感监测节点进行调度。

请参阅图3，一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，包括如下步骤：

步骤一、将机场划分为监测热点区域、监测障碍区域和监测边界，在每个监测区域没置若干个移动传感监测节点，在每个监测区域至少设置一个汇聚节点；在初始布局移动传感监测节点位置时，移动传感监测节点在每个区内可以是均匀分布，也可以是非均匀分布；所述汇聚节点上设有GPS定位装置；

步骤二、所述移动传感监测节点采集民用航空器噪声，将所述民用航空器噪声和自身位置信息发送给汇聚节点；

步骤三、所述汇聚节点将接收到的民用航空器噪声发送给中央处理计算机；

步骤四、所述中央处理计算机建立监测模型；

步骤五、所述中央处理计算机根据监测模型，对所述移动传感监测节点的位置进行覆盖优化，将优化信令通过所述汇聚节点发送给所述移动传感监测节点；

步骤六、每个移动传感监测节点接收到位置优化信令后自动调整自身位置。

其中，所述步骤四的具体建立监测模型过程为：

划分网格，将每个监测区域划分为网格，将移动传感监测节点的感知半径和监测半径，以及每个移动传感监测节点的各种虚拟力触发和转化距离换算为相应区域的网格距离，并设置每次迭代移动传感监测节点最大可以移动的虚拟网格距离；

每个移动传感监测节点受到的虚拟力的合力为：

其中：F_i代表虚拟力的合力，

代表移动传感监测节点之间的相互作用力，

代表监测障碍区域的移动传感监测节点的作用力，

代表监测热点区域的移动传感监测节点的作用力，

代表监测边界的移动传感监测节点的作用力，k代表网络中移动传感监测节点的总数目；

所述移动传感监测节点的位置更新公式为：

其中，（x_new,y_new）代表移动传感监测节点更新后的位置，（x_old,y_old）代表移动传感监测节点更新前的位置，

代表移动传感监测节点

在仿真模型中所受的虚拟力合力，

代表受力阈值，

表示代表每次移动传感监测节点可以移动的最大距离；

所述移动传感监测节点之间的相互作用力的计算公式为：

其中， 

表示引力系数， 

表示斥力系数，

代表两个移动传感监测节点

之间的距离，

是引力和斥力发生转化的距离阈值，

表示

的方向；

所述监测热点区域的移动传感监测节点的作用力

的计算公式为：

其中，k代表热点区域内的网格数目，

是移动传感监测节点

和热点区域内一个网格的距离，

是是否受力的判断阈值；

所述监测障碍区域的移动传感监测节点的作用力

的计算公式为：

其中，k代表障碍区域内的网格数目，

是传感节点

和障碍区域内一个网格

的距离，是是否受力的判断阈值；

所述监测边界的移动传感监测节点的作用力

的作用是当移动传感监测节点即将运动出监测区域时，使移动传感监测节点向相反方向移动相同距离。

为了使覆盖率具有更高的可靠性，经常采用将监测热点区域进一步划分为临时热点区域和临时边界，所述临时边界的作用是：热点区域外的移动传感监测节点可以进入监测热点区域，但是防止监测热点区域内的移动传感监测节点离开热点区域，所述临时热点区域的覆盖率计算公式为：

其中Cov代表所述临时热点区域的覆盖率，n是所述临时热点区域中网格的总个数，m是所述临时热点区域中被传感器覆盖的网格数个数。

一般情况下将所述覆盖率的临界值设为50%，当所述覆盖率不小于50%是则认为是该临时热点区域的覆盖率正常，当所述覆盖率小于50%是则认为是该临时热点区域的覆盖率不正常，即覆盖率偏低，需要增加移动传感监测节点的数量。

请参阅图4，一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置，该图示区域内有三个监测热点区域、一个监测障碍区域；整个监测区域中共设置传感器节点240个，汇聚节点隐去(汇聚节点只负责信息的收集与传输，位置并不变动)，从图示中可以看出，三个监测热点区域内的移动传感监测节点数量少于监测障碍区域内的移动传感监测节点数量，因此此时的移动传感监测节点分布是不合理的；

请参阅图5，一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法及装置，该图是利用本发明方法优化后的移动传感监测节点分布示意图，从图中可以看出，经过优化后，三个监测热点区域内的的覆盖率明显提高，而一个监测障碍区域的覆盖率明显降低，极大地提高了移动传感监测节点的使用效率，减少了资源的浪费。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将机场划分为监测热点区域、监测障碍区域和监测边界，在每个监测区域没置若干个移动传感监测节点，在每个监测区域至少设置一个汇聚节点；

步骤二、所述移动传感监测节点采集民用航空器噪声，将所述民用航空器噪声和自身位置信息发送给汇聚节点；

步骤三、所述汇聚节点将接收到的民用航空器噪声发送给中央处理计算机；

步骤四、所述中央处理计算机建立监测模型；

步骤五、所述中央处理计算机根据监测模型，对所述移动传感监测节点的位置进行覆盖优化，将优化信令通过所述汇聚节点发送给所述移动传感监测节点；

步骤六、每个移动传感监测节点接收到位置优化信令后自动调整自身位置。

2.根据权利要求1所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：移动传感监测节点在所述的监测热点区域内为均匀分布。

3.根据权利要求1所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：移动传感监测节点在所述的监测热点区域内为非均匀分布。

4.根据权利要求1所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：所述汇聚节点上设有GPS定位装置。

5.根据权利要求1所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：所述步骤四的具体建立过程为：

划分网格，将每个监测区域划分为网格，将移动传感监测节点的感知半径和监测半径，以及每个移动传感监测节点的各种虚拟力触发和转化距离换算为相应区域的网格距离，并设置每次迭代移动传感监测节点最大可以移动的虚拟网格距离；

每个移动传感监测节点受到的虚拟力的合力为：

其中：F_i代表虚拟力的合力，

代表移动传感监测节点之间的相互作用力，

代表监测障碍区域的移动传感监测节点的作用力，

代表监测热点区域的移动传感监测节点的作用力，

代表监测边界的移动传感监测节点的作用力，k代表网络中移动传感监测节点的总数目；

所述移动传感监测节点的位置更新公式为：

其中，（x_new,y_new）代表移动传感监测节点更新后的位置，（x_old,y_old）代表移动传感监测节点更新前的位置，

代表移动传感监测节点

在仿真模型中所受的虚拟力合力，

代表受力阈值，

表示代表每次移动传感监测节点可以移动的最大距离；

所述移动传感监测节点之间的相互作用力

的计算公式为：

其中， 

表示引力系数， 

表示斥力系数，

代表两个移动传感监测节点

之间的距离，

是引力和斥力发生转化的距离阈值，

表示

的方向；

所述监测热点区域的移动传感监测节点的作用力的计算公式为：

其中，k代表热点区域内的网格数目，

是移动传感监测节点和热点区域内一个网格

的距离，

是是否受力的判断阈值；

所述监测障碍区域的移动传感监测节点的作用力

的计算公式为：

其中，k代表障碍区域内的网格数目，

是传感节点和障碍区域内一个网格

的距离，

是是否受力的判断阈值；

所述监测边界的移动传感监测节点的作用力

的作用是当移动传感监测节点即将运动出监测区域时，使移动传感监测节点向相反方向移动相同距离。

6.根据权利要求1所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：所述监测热点区域包括：临时热点区域和临时边界。

7.根据权利要求6所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：所述临时热点区域的覆盖率为：

其中Cov代表所述临时热点区域的覆盖率，n是所述临时热点区域中网格的总个数，m是所述临时热点区域中被传感器覆盖的网格数个数。

8.根据权利要求7所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化方法，其特征在于：所述覆盖率的临界值为50%，当所述覆盖率不小于50%是则认为是该临时热点区域的覆盖率正常，当所述覆盖率小于50%是则认为是该临时热点区域的覆盖率不正常。

9.一种移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化装置，其特征在于：包括：移动传感监测节点、汇聚节点和中央处理计算机；其中：

移动传感监测节点，采集周围民用航空器噪声，将所述民用航空器噪声和自身位置信息发送给汇聚节点；

汇聚节点，接收周围移动传感监测节点发送过来的航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息，并将所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息发送给中央处理计算机；

中央处理计算机，建立监测模型并接收所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息，通过所述航空器噪声和每个移动传感监测节点位置信息经过分析后，对所述移动传感监测节点的位置进行调整，并将所述移动传感监测节点的位置调整信令通过所述汇聚节点下发给相应的移动传感监测节点。

10.根据权利要求9所述的移动传感器网络机场噪声监测覆盖优化装置，其特征在于：所述汇聚节点上设有GPS定位装置。

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