CN105072626A - 计算失效覆盖面积的分布式算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算失效覆盖面积的分布式算法，利用GG平面化后的连通状态，每个节点按照顺时针方向搜寻下一个关联节点，直到完成一个闭合的区间，闭合回路就是此失效区域的边界。边界上的节点根据距离Sink节点距离更近的原则，将边界上的全部节点信息汇总到通信头节点，由通信头节点把信息发送给Sink节点，然后Sink节点处理计算出失效区域面积。本发明提供的计算失效覆盖面积的分布式算法，实时检测和发现传感器失效区域，及时精确的提供失效区域的边界和失效区域面积，让决策者针对传感器失效区域问题，快速有效且有针对性的做出一系列维护措施或补救方案，从而保障人身财产的安全。

Description

计算失效覆盖面积的分布式算法

技术领域

本发明涉及一种计算失效覆盖面积的分布式算法，属于气体监测技术领域。

背景技术

无线传感器网络是由大规模部署的成百上千个传感器节点构成，以其低成本、微型化、低功耗和灵活组网、铺设方式等适用于无人看守的特点，已经得到广泛是使用，尤其是应用于突发事件的监控和定位。它对保障生产安全环境安全已经是必不可少的一个环节。随着环境安全问题越来越受到重视，监测无线传感器网络中传感器节点信息，保证传感器节点可靠有效运行也非常重要。但是如果某片区域传感器节点出现故障或者其他原因导致无法正常工作，可能会产生无法预知的严重问题。本文针对无线传感器网络中出现部分传感器节点失效，导致失效传感器节点所在的一小片区域无法实时监控、无法及时发现危险、无法找到失效区域具体位置和无法知道失效覆盖面积等问题，提出计算失效覆盖面积的分布式算法来计算失效区域准确位置和覆盖面积。它将广泛应用于火灾早期监测、毒气扩散、易燃易爆气体泄漏、气态生化剂传播等场合；有助于提高人们对突发事件的快速反应能力，保障环境安全无危害；有助于人们实时有效采取措施，补救失效区域可能出现的问题。目前为止，尚不存在相关研究对此区域进行研究和计算，计算失效覆盖面积的分布式算法。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足：1、实时监控危险区域，实时性问题；2、检测到气体泄漏，快速响应方面问题；3、失效区域覆盖面积精确度问题，本发明提供一种计算失效覆盖面积的分布式算法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种计算失效覆盖面积的分布式算法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：当传感器节点发现一跳邻居节点中存在传感器节点变成失效节点时，此时标记自己为关联节点；

步骤二：关联节点发起实施GG平面化，利用GG平面化算法将平面上所有的传感器节点进行平面化，得到节点新的连通情况；

步骤三：搜寻失效区域边界，每一个关联节点在步骤二的连通的基础之上，按照顺时针方向搜寻其他关联节点；如果关联节点一跳内邻居节点存在关联节点，则按照顺时针方向直接将它们连接，标记此连接路径；如果一跳内邻居节点顺时针方向没有关联节点，则下一跳节点继续按照顺时针方向搜寻下去，直到找到下一个关联节点，标记这两个关联节点连接路径，直到完成一个闭合回路；

步骤四：根据失效区域边界节点与Sink节点的距离最近原则，设置距离Sink节点最近的边界节点为通信头节点，通信头节点将边界路径上汇总的所有边界节点信息发送给Sink节点；

步骤五：Sink节点收到信息，依照辛普森面积公式计算得到失效区域的面积，根据信息中GPS坐标信息得到失效区域面积。

作为优选方案，所述步骤四中当汇总边界节点信息出现距离最近问题时，边界上传感器节点根据最后收到信息的方向，此时按照最后收到信息的反方向继续将信息发送下去，直到两边的信息相遇，即在某个传感器节点收集到了边界全部节点的信息，此时，收集到了边界全部节点信息的传感器节点即为汇聚信息节点；汇聚信息节点将全部的信息发送给通信头节点，如果有多个通信头节点，则选择汇聚信息节点最近的通信头节点为最终的通信头节点，把边界上所有节点的坐标信息和ID信息发送给Sink节点。

作为优选方案，所述步骤五中辛普森面积公式设置为：

S为气体泄漏区域的面积，(x_i,y_i)是第i个边界节点的坐标，n是边界节点的个数。

有益效果：本发明提供的计算失效覆盖面积的分布式算法，工作原理是无线传感器网络中传感器节点检测到自己一跳内邻居节点成为失效节点，则标记自己为关联节点。利用GG平面化后的连通状态，每个节点按照顺时针方向搜寻下一个关联节点。如果一跳内邻居节点存在另一个关联节点，则按照顺时针方向直接将它们连接，标记此连接路径；如果一跳内邻居节点顺时针方向没有关联节点，则下一跳节点继续按照顺时针方向搜寻下去，直到找到下一个关联节点，标记此连接路径，直到完成一个闭合回路，闭合回路就是此失效区域的边界。边界上的节点根据距离Sink节点距离更近的原则，将边界上的全部节点信息汇总到通信头节点，由通信头节点把信息发送给Sink节点，然后Sink节点处理计算出失效区域面积。

在危险区域部署无线传感器网络，实时检测和发现传感器失效区域，及时精确的提供失效区域的边界和失效区域面积，让决策者针对传感器失效区域问题，快速有效且有针对性的做出一系列维护措施或补救方案，从而保障人身财产的安全。

附图说明

图1为本发明失效覆盖面积算法流程图；

图2为GG平面化算法原理示意图；

图3为传感器节点部署示意图；

图4为标记关联节点示意图；

图5为GG平面化的结果示意图；

图6为划定的失效区域边界示意图；

图7为发送信息给Sink节点的过程示意图；

图8为距离最近问题的解决方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种计算失效覆盖面积的分布式算法，包括如下步骤：

步骤一：当传感器节点发现一跳邻居节点中存在传感器节点变成失效节点时，此时标记自己为关联节点；

步骤二：关联节点发起实施GG平面化，利用GG平面化算法将平面上所有的传感器节点进行平面化，得到节点新的连通情况；

步骤三：搜寻失效区域边界，每一个关联节点在步骤二的连通的基础之上，按照顺时针方向搜寻其他关联节点；如果关联节点一跳内邻居节点存在关联节点，则按照顺时针方向直接将它们连接，标记此连接路径；如果一跳内邻居节点顺时针方向没有关联节点，则下一跳节点继续按照顺时针方向搜寻下去，直到找到下一个关联节点，标记这两个关联节点连接路径，直到完成一个闭合回路；

步骤四：根据失效区域边界节点与Sink节点的距离最近原则，设置距离Sink节点最近的边界节点为通信头节点，通信头节点将边界路径上汇总的所有边界节点信息发送给Sink节点；

步骤五：Sink节点收到信息，依照辛普森面积公式计算得到失效区域的面积，根据信息中GPS坐标信息得到失效区域面积。

作为优选方案，所述步骤四中当汇总边界节点信息出现距离最近问题时，边界上传感器节点根据最后收到信息的方向，此时按照最后收到信息的反方向继续将信息发送下去，直到两边的信息相遇，即在某个传感器节点收集到了边界全部节点的信息，此时，收集到了边界全部节点信息的传感器节点即为汇聚信息节点；汇聚信息节点将全部的信息发送给通信头节点，如果有多个通信头节点，则选择汇聚信息节点最近的通信头节点为最终的通信头节点，把边界上所有节点的坐标信息和ID信息发送给Sink节点。

作为优选方案，所述步骤五中辛普森面积公式设置为：

S为气体泄漏区域的面积，(x_i,y_i)是第i个边界节点的坐标，n是边界节点的个数。

GG(GabrielGraph)平面化算法是基于地理信息将无线传感器节点部署在一个二维坐标的平面内，根据路由算法每个节点都知道自己节点位置和邻居节点信息，从而移除跳范围内一些通信链路，产生一个没有链路交叉的局部网络。

具体描述如图2所示：二维坐标的平面内存在这样的三个节点，节点u和节点v这两个节点都在彼此的一跳通信范围内，节点w位置在以节点u和节点v为直径的圆内(阴影部分)，定义两个节点之间的距离为D，定义节点u和节点v的中点是m点，节点w的位置用数学公式(1)表示是：

$D_{u,v}^2<(D_{u,w}^2+D_{w,v}^2),\&ForAll;w\&NotEqual;u,v---\left(1\right)$

GG平面化算法根据公式(2)所示的原则，当节点w，满足公式(2)，则删除掉节点u和节点v的直接的通信链路，即在节点u和节点v的一跳的通信列表中将彼此节点信息从列表中删除，从而重新建立节点u与节点w，节点v与节点w的链路关系。

D_m,w＜D_u,m(2)

GG平面化算法可以大量减少节点之间的链路信息，当一个节点在它通信范围内不停的发送数据包且占用公共传输通道的时候，此时MAC协议将会提出隐藏终端的问题，它会通知所有发送接收终端争夺网络资源，导致更多的问题。只用更少的链路连接能提高空间的多样性和稳定性。

如图3所示，在气体泄漏的情况下，将传感器节点撒入可能泄漏的区域，即图3中灰色的区域。传感器节点实时地根据检测到泄漏气体的值，得到的已经报警的传感器节点的分布情况。淡白色的节点表示报警节点，黑色的节点表示失效节点，失效节点所在区域是失效区域。在实际环境中部署无线传感器网络，由于地理环境因素或者某些局部区域环境突变或者是部分传感器节点能量耗尽等因素，导致一部分传感器节点无法与其他传感器节点进行通信，或者无法加入到无线传感器网络中。这些传感器节点无法完成既定任务，无法提供有效的信息，即定义这些传感器节点是失效节点。

如图4所示，当传感器节点发现一跳邻居节点中存在传感器节点变成失效节点时，此时标记自己为关联节点，即为图4中白色的节点。

如图5所示，利用GG平面化算法将平面上所有的传感器节点进行平面化，失效节点无法参与到GG平面化算法中，即得到图5的显示结果。

如图6所示，在GG平面化算法基础上，根据传感器节点已经标记的情况，寻找失效区域边界。每一个关联节点在GG平面化连通的基础之上，按照顺时针方向，进行广播，搜寻下一个关联节点。如果一跳内邻居节点存在关联节点，则按照顺时针方向直接将它们连接，标记此连接路径；如果一跳内邻居节点顺时针方向没有关联节点，则下一跳节点继续按照顺时针方向搜寻下去，直到找到下一个关联节点，标记此连接路径，直到完成一个闭合回路。即得到图6中的失效区域边界结果。

如图7所示，搜寻通信头节点是在得到失效区域边界基础上，边界上的传感器节点知道一跳内的相邻的边界上的传感器节点距离Sink节点的距离D，然后边界上的传感器节点将自身信息发送给距离Sink节点距离比自己更近的邻居节点，收到信息的传感器节点将收到的信息和自身的信息进行整合，然后按照距离Sink节点近的原则，继续把信息发送给下一个边界上的传感器节点。最终汇集了边界上所有传感器节点信息的节点即为通信头节点。通信头节点将所有信息发送给Sink节点，然后让Sink节点计算出失效区域的面积。

根据Sink节点收到的数据，使用辛普森面积公式计算此多边形的面积，也就是失效区域的面积S。当计算面积是多边形顶点呈顺时针方向时所得辛普森面积为正值，逆时针方向时辛普森面积为负值，而多边形几何面积为其辛普森面积的绝对值。公式(3)中的(x_i,y_i)是第i个边界传感器节点的坐标，n是边界传感器节点的个数：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{x}_i(y_{i+1}-y_{i-1})/2---\left(3\right)$

距离最近问题是指：当失效区域边界有个凹边形的时候，即当某个传感器节点的距离比邻居节点的距离都近，但是超过两跳后的边界上的传感器节点距离这几个凹处传感器节点距离都远，这样会导致此凹槽处传感器节点收集到此凹口处的所有信息，而不能发送给整个边界上的通信头节点。或者发送给与Sink节点的距离一样的节点，即可能存在的多个通信头节点，都会导致信息汇总出现问题。

解决距离最近问题方法如下：边界上传感器节点根据最后收到信息的方向，此时按照最后收到信息的反方向继续将信息发送下去，直到两边的信息相遇，即在某个传感器节点收集到了边界全部节点的信息，此时，收集到了边界全部节点信息的传感器节点即为汇聚信息节点。汇聚信息节点将全部的信息发送给通信头节点，如果有多个通信头节点，则选择汇聚信息节点最近的通信头节点为最终的通信头节点，把边界上所有节点的GPS(坐标信息)和ID信息发送给Sink节点。

如图8所示，边界其它节点和节点4都会将自己的信息发送给节点5和节点3，这样导致节点3和节点5汇集了边界路线上各节点的信息，而不能最终将信息汇总到一个节点上。节点3和节点5根据节点最后收到信息的方向，此时沿着另一个方向继续将信息发送下去，直到两边的信息相遇，即在节点4相遇，且完成了边界节点一圈内信息收集，并决定将全部的信息发送到距离Sink节点距离最短的节点3，由节点3全部发送给Sink节点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种计算失效覆盖面积的分布式算法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：当传感器节点发现一跳邻居节点中存在传感器节点变成失效节点时，此时标记自己为关联节点；

步骤二：关联节点发起实施GG平面化，利用GG平面化算法将平面上所有的传感器节点进行平面化，得到节点新的连通情况；

步骤三：搜寻失效区域边界，每一个关联节点在步骤二的连通的基础之上，按照顺时针方向搜寻其他关联节点；如果关联节点一跳内邻居节点存在关联节点，则按照顺时针方向直接将它们连接，标记此连接路径；如果一跳内邻居节点顺时针方向没有关联节点，则下一跳节点继续按照顺时针方向搜寻下去，直到找到下一个关联节点，标记这两个关联节点连接路径，直到完成一个闭合回路；

步骤四：根据失效区域边界节点与Sink节点的距离最近原则，设置距离Sink节点最近的边界节点为通信头节点，通信头节点将边界路径上汇总的所有边界节点信息发送给Sink节点；

步骤五：Sink节点收到信息，依照辛普森面积公式计算得到失效区域的面积，根据信息中GPS坐标信息得到失效区域的位置。

2.根据权利要求1所述的计算失效覆盖面积的分布式算法，其特征在于：所述步骤四中当汇总边界节点信息出现距离最近问题时，边界上传感器节点根据最后收到信息的方向，此时按照最后收到信息的反方向继续将信息发送下去，直到两边的信息相遇，即在某个传感器节点收集到了边界全部节点的信息，此时，收集到了边界全部节点信息的传感器节点即为汇聚信息节点；汇聚信息节点将全部的信息发送给通信头节点，如果有多个通信头节点，则选择汇聚信息节点最近的通信头节点为最终的通信头节点，把边界上所有节点的坐标信息和ID信息发送给Sink节点。

3.根据权利要求1所述的计算失效覆盖面积的分布式算法，其特征在于：所述步骤五中辛普森面积公式设置为：

S为气体泄漏区域的面积，(x_i,y_i)是第i个边界节点的坐标，n是边界节点的个数。