CN108769164A - 一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法。该方法首先在海洋三维空间中构建近似最优全覆盖模型来定点投放物联网的探测节点，即近似最少覆盖集；再针对海洋的地形特点及洋流的潮汐效应，提出了覆盖空洞的检测方法；最后，针对所检测出来的覆盖空洞，进行定点增投物联网的探测节点，实现满足初始覆盖率并且连通的节点子集，即连通覆盖集。本发明有助于对指定海洋三维空间的覆盖与探测，达到均衡和减少全网资源消耗，提高海洋物联网的适应能力。

Description

一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法

技术领域

本发明属于海洋物联网探测技术领域，尤其涉及一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法。

背景技术

21世纪是海洋世纪，是下一代产业和科技革命的主战场，世界各国纷纷将目光转向海洋，开发海洋资源和发展海洋经济成为拥有海洋国家的重要经济战略方向。认识海洋、发展海洋、控制海洋已成为当今海洋技术领域发展的主旋律，而提高对海洋信息的获取能力已成为世界各国急需解决的重要课题。

以声波为通信载体，由多个部署在目标海域的水下传感器节点组成的水声通信网络成为研究热点，其通过节点间信息互联，极大提高海洋信息获取的能力。由于水下人工操作困难，建立高度智能的无人自治的多功能海洋信息网络必将成为主流。然而，水声信道恶劣，信道传播损耗大、海洋环境噪声强，使物理层的特性影响了网络上层建设；同时，在海洋环境中发送数据消耗的功率也比陆地无线网络大很多，更换电池也是一个比较困难的工作；研究海洋三维监测物联网的节能有效覆盖连通目标空间的部署具有重大意义。

由于覆盖和检测问题是物联网应用的基本问题之一，近年来获得了研究者的广泛关注，并针对二维平面和三维空间环境做了很多工作。Jenn-Wei Lin,Yi-Ting Chen等人在期刊《IEEE Transactions onWireless Communications》上发表了论文“Improving thecoverage ofrandomized scheduling in wireless sensor networks”，针对二维静态随机部署的无线传感器网络提出通过Voronoi判定网络的覆盖性并在需要时添加覆盖补救节点。然而，二维的Voronoi判定性不能直接移到三维动态海洋场景。Habib M.Ammari等人在期刊《IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems》上发表了论文“Critical Density for Coverage and Connectivity in Three-Dimensional WirelessSensor Networks Using Continuum Percolation”，基于Reuleaux四面体模型对三维无线传感器网络的K-覆盖问题进行了研究。然而，四面体模型在最少覆盖集上要低于其他正多面体模型。Nazrul Alam等人在《MobiCom'06,Proceedings ofthe 12th annualinternational conference on Mobile computing and networking》会议上宣读了“Coverage and connectivity in three-dimensional networks”，考察了几种几何模型对三维空间的纯几何覆盖，分别计算了“体积商(volumetric quotient)”，试图用较少的点覆盖尽量大的三维空间。Mohamed K.Watfa,Sesh Commuri等人在《InternationalSymposium on Wireless Pervasive Computing》会议上宣读了论文“Optimalitymeasures for coverage in 3D wireless sensornetworks”，针对随机部署的三维无线传感器网络，提出一种基于投影的区域冗余覆盖判定方法。该算法为三维空间几何问题向二维空间转化提供了很好的思路，但文中并没有提出一个针对全网的覆盖算法，若相邻节点同时休眠会形成覆盖空洞。

在实际应用中，大部分研究主要采用纯计算几何、单位圆/单位球、二值检测模型以及信号的独立同分布等理想化假设和方法，没有考虑在实际应用中目标空间内的待测数据信号特征的多样性、环境噪声干扰的复杂性、节点感知模型的差异性，以及信号与节点等相关联因素的空间分布特性等均会对覆盖与检测效果和性能产生直接的影响；再就是大部分研究针对理想的二维平面场景，而海洋探测物联网实际应用都要求在三维空间进行部署，无法用二维模型表征。此外，海洋探测物联网的应用中节点通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，且监测的环境具有流动性，难以将数目众多的探测节点准确放置在预定位置，呈现出的是在空间中的一些随机部署特征。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，本方法有助于对指定海洋三维空间的覆盖与探测，达到均衡和减少全网资源消耗，提高海洋物联网的适应能力。

本发明的目的是这样实现的：

一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，包括以下步骤：

S1、在海洋三维空间中构建近似最优全覆盖截顶正八面体模型来定点投放物联网的探测节点，形成三维水声通信网络；

S2、采用三视图投影法，对覆盖模型在海洋环境中的覆盖空洞进行检测；

S3、针对所检测出来的覆盖空洞，进行定点增投物联网的探测节点；同时，运用Voronoi单元划分方法去除冗余节点。

优选地，S1包括以下步骤：

S101：设探测节点的感知半径为R_s；以探测节点为圆心，得到感知球体，建立内接感知球体的截顶正八面体模型，并作为填充三维空间的基础覆盖单元；

S102：将一个位置固定的基础覆盖单元拼接若干其他基础覆盖单元，形成三维覆盖模型，三维覆盖模型的外形适配待覆盖的三维区域；

S103：以一个基础覆盖单元为中心，其最多可以拼接六个一跳邻基础覆盖单元，对应的六个探测节点为中心探测节点的转发集，转发集既负责区域探测，又负责中心探测节点的数据转发。

优选地，S2包括以下步骤：

S201：首先，将探测节点的感知区域抽象为一个以自己位置为球心，以R_s为半径的球体，其中R_s是节点的感知半径；对节点v来说，N(v)表示节点v的一跳邻节点；节点v及其一跳邻节点的感知球体共同形成感知区域，如果找出所有对该感知区域边界有贡献的节点u_i的集合B(v)，其中u_i∈N(v)，那么B(v)将可以将节点v的感知球的区域覆盖，完成节点v处的局部覆盖；

S202：求解对节点v及其所有一跳邻节点的感知球体共同形成的感知区域边界有贡献的节点集B(v)问题，转化为求解三个投影平面YOZ、XOZ、XOY上对节点v及其所有一跳邻节点感知球体形成的投影区域边界有贡献的邻节点集B_x(v)、B_y(v)、B_z(v)；采用三视图投影法，投影后三个投影平面YOZ、XOZ、XOY的信息可以共同反映出三维空间的节点之间及节点对应覆盖球体之间的位置关系；再由B(v)＝B_x(v)∪B_y(v)∪B_z(v)得到节点v的B(v)，即对于必有其覆盖球体Q(v)在某一投影面上的投影圆C(v)对Q(N(v))的投影区域边界有贡献，建立节点v处的局部覆盖模型；

S203：运用S201的方法求出三维水声通信网络中每个节点的B(.)，然后从中心节点开始广播B(.)，确定全网的连通覆盖集；选取算法开始节点s，实施如下步骤：

S2031:s节点将包含B(s)的消息广播给N(s)，等待N(s)广播来的含有s标记的数据包，收到后节点s加入覆盖集，否则结束算法；

S2032:N(s)中节点若已收到过包含B(s)的数据包，结束算法，否则检查自己是否属于B(s)；若属于B(s)，继续下一步，否则结束算法；

S2033:N(s)中节点将自己替换为s，返回第S2032步，直至不能执行。

优选地，S3包括以下步骤：

S301:对覆盖空洞定点增投探测节点；

S302:运用Voronoi单元划分方法去除冗余覆盖节点，优化连通集：

S3021:以G\u表示从全部节点集合G中删除任一节点u的剩余节点集合，以G\u中的节点划分Voronoi单元，若以G\u中的节点为球心，Rs为半径的球体能将对应的Voronoi单元一一覆盖，可以判定u为冗余节点；识别完G中所有冗余节点后，再按邻节点中是否含有冗余节点将冗余节点划分为依赖冗余节点和独立冗余节点；

S3022:对独立冗余节点可以直接从G中删除，再对依赖冗余节点集求解其最大独立集MIS，将在MIS中的冗余节点从G中删除，得到精简后的连通覆盖集。

由于采用了上述技术方案，本发明基于物联网在信息感知和事件检测方面的实际应用特点和需求，考虑被测数据特征、环境因素和节点分布的影响，首先，构建近似最优全覆盖截顶正八面体模型来定点投放物联网的探测节点；再采用三视图投影法，对覆盖模型在海洋环境中的覆盖空洞进行检测；最后，针对所检测出来的覆盖空洞，进行定点增投物联网的探测节点，达到优化部署三维海洋物联网覆盖和检测性能的目标。本方法有助于对指定海洋三维空间的覆盖与探测，达到均衡和减少全网资源消耗，提高海洋物联网的适应能力。

附图说明

图1为本发明实施步骤图；

图2为截顶正八面体的结构示意图；

图3为理想情况下最优覆盖模型中节点位置关系示意图；

图4为一个节点需要的转发集示意图；

图5为三维探测节点局部覆盖模型示意图；

图6为三视图投影法应用示意图。

具体实施方式

实施例

一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，其步骤如图1所示。

步骤S1，理想情况下近似构建和拓展截顶正八面体模型覆盖的最优几何模型。

S101：根据Kelvin猜想，设定三维海洋探测节点的感知半径为R_s。以探测节点为圆心，建立内接截顶正八面体填充三维空间的最优规则几何模型，如图2所示。

S102：以任意一个截顶正八面体的探测节点位置固定，选取网络中距离各个理想位置(即以截顶正八面体填充三维空间，其中心为节点所处位置，其外接球半径为感知半径，能达到以最少的节点无空洞地覆盖指定三维区域)为部署位置，如图3所示。

S103：截顶八面体共四边形面的邻节点位置O与相邻的六个节点，为节点O的转发集，如图4所示。负责其所有一跳邻节点数据的转发，所以这六个节点既作为覆盖代理节点参与完成区域探测任务，又作为连通代理节点完成节点O的通信转发任务。

经过以上三步，可以近似构建和拓展截顶正八面体模型覆盖的最优几何模型。由于拓展规则几何模型会带来空间结构的变化扭曲，再就是海洋地形及潮汐效应的影响，使求出的工作节点并不一定位于最优部署位置，带来的后果是求出的覆盖集不一定满足初始覆盖率，从而产生覆盖空洞。所以要判断三维水声网络中是否产生覆盖空洞，并对产生的覆盖空洞进行处理。

步骤S2：覆盖空洞的检测

S201：结合三视图投影法和节点二维单跳覆盖信息建立三维水声通信网络的局部覆盖模型，将三维空间几何问题向二维平面转化。首先，将探测节点的感知区域抽象为一个以自己位置为球心，以R_s为半径的球体，其中R_s是节点的感知半径。对节点v来说，N(v)表示节点v的一跳邻节点。若能找出所有对节点v及其一跳邻节点的感知球共同形成区域的边界有贡献的节点u_i的集合B(v)，其中u_i∈N(v)，那么B(v)将可以将节点v的感知球的区域覆盖，节点v处的局部覆盖由此完成，如图5所示。

S202：求解对节点v及其所有一跳邻节点的感知球体共同形成的区域表面积有贡献的邻节点集B(v)问题，可以转化为求解三个投影平面YOZ、XOZ、XOY上对节点v及其所有一跳邻节点感知球体形成的投影区域边界有贡献的邻节点集B_x(v)、B_y(v)、B_z(v)。采用如图6所示的三视图投影法，投影后三个投影平面YOZ、XOZ、XOY的信息可以共同反映出三维空间的节点之间及节点对应覆盖球体之间的位置关系。再由B(v)＝B_x(v)∪B_y(v)∪B_z(v)得到节点v的B(v)，即对于必有其覆盖球体Q(v)在某一投影面上的投影圆C(v)对Q(N(v))的投影区域边界有贡献，节点v处的局部覆盖模型将由此建立。

S203：运用S201的方法求出三维水声通信网络中每个节点的B(.)，然后从中心节点开始广播B(.)确定全网的连通覆盖集。选取算法开始节点s，实施如下步骤：

S2031:s节点将包含B(s)的消息广播给N(s)，等待N(s)广播来的含有s标记的数据包，收到后节点s加入覆盖集，否则结束算法。

S2032:N(s)中节点若已收到过包含B(s)的数据包，结束算法，否则检查自己是否属于B(s)。若属于B(s)，继续下一步，否则结束算法。

S2033:N(s)中节点将自己替换为s，返回第S2032步，直至不能执行。

在全网执行上述算法的过程中，能逐步去掉对局部覆盖区域的边界没有贡献的节点，由于采用对一跳邻节点广播的方式，最后得到所有的覆盖空洞。

步骤S3：覆盖空洞的定点增投

S301:覆盖空洞的定点增投探测节点

S302:运用Voronoi单元划分方法去除冗余覆盖优化连通集。

通过将局部覆盖集拓展至全网得到全网连通覆盖集的方法以较大冗余确保覆盖性。本发明为了得到较少的工作节点集，拟采取基于Voronoi单元划分思想的方法去除冗余覆盖节点。

S3021:以G\u中的节点划分Voronoi单元(G\u表示从全部节点集合G中删除u的剩余节点集合)，若以G\u中的节点为球心，Rs为半径的球体能将对应的Voronoi单元一一覆盖，可以判定u为冗余节点。识别完G中所有冗余节点后，再按邻节点中是否含有冗余节点将冗余节点划分为依赖冗余节点和独立冗余节点。

S3022:对独立冗余节点可以直接从G中删除，再对依赖冗余节点集求解其最大独立集MIS，将在MIS中的冗余节点从G中删除，可得到精简后的连通覆盖集。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在海洋三维空间中构建近似最优全覆盖截顶正八面体模型来定点投放物联网的探测节点，形成三维水声通信网络；

S2、采用三视图投影法，对覆盖模型在海洋环境中的覆盖空洞进行检测；

S3、针对所检测出来的覆盖空洞，进行定点增投物联网的探测节点；同时，运用Voronoi单元划分方法去除冗余节点。

2.根据权利要求1所述的一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，其特征在于，S1包括以下步骤：

S101：设探测节点的感知半径为R_s；以探测节点为圆心，得到感知球体，建立内接感知球体的截顶正八面体模型，并作为填充三维空间的基础覆盖单元；

S102：将一个位置固定的基础覆盖单元拼接若干其他基础覆盖单元，形成三维覆盖模型，三维覆盖模型的外形适配待覆盖的三维区域；

S103：以一个基础覆盖单元为中心，其最多可以拼接六个一跳邻基础覆盖单元，对应的六个探测节点为中心探测节点的转发集，转发集既负责区域探测，又负责中心探测节点的数据转发。

3.根据权利要求1所述的一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，其特征在于，S2包括以下步骤：

S201：首先，将探测节点的感知区域抽象为一个以自己位置为球心，以R_s为半径的球体，其中R_s是节点的感知半径；对节点v来说，N(v)表示节点v的一跳邻节点；节点v及其一跳邻节点的感知球体共同形成感知区域，如果找出所有对该感知区域边界有贡献的节点u_i的集合B(v)，其中u_i∈N(v)，那么B(v)将可以将节点v的感知球的区域覆盖，完成节点v处的局部覆盖；

S202：求解对节点v及其所有一跳邻节点的感知球体共同形成的感知区域边界有贡献的节点集B(v)问题，转化为求解三个投影平面YOZ、XOZ、XOY上对节点v及其所有一跳邻节点感知球体形成的投影区域边界有贡献的邻节点集B_x(v)、B_y(v)、B_z(v)；采用三视图投影法，投影后三个投影平面YOZ、XOZ、XOY的信息可以共同反映出三维空间的节点之间及节点对应覆盖球体之间的位置关系；再由B(v)＝B_x(v)∪B_y(v)∪B_z(v)得到节点v的B(v)，即对于必有其覆盖球体Q(v)在某一投影面上的投影圆C(v)对Q(N(v))的投影区域边界有贡献，建立节点v处的局部覆盖模型；

S203：运用S201的方法求出三维水声通信网络中每个节点的B(.)，然后从中心节点开始广播B(.)，确定全网的连通覆盖集；选取算法开始节点s，实施如下步骤：

S2031:s节点将包含B(s)的消息广播给N(s)，等待N(s)广播来的含有s标记的数据包，收到后节点s加入覆盖集，否则结束算法；

S2032:N(s)中节点若已收到过包含B(s)的数据包，结束算法，否则检查自己是否属于B(s)；若属于B(s)，继续下一步，否则结束算法；

S2033:N(s)中节点将自己替换为s，返回第S2032步，直至不能执行。

4.根据权利要求1所述的一种海洋监测物联网三维空间探测节点的部署方法，其特征在于，S3包括以下步骤：

S301:对覆盖空洞定点增投探测节点；

S302:运用Voronoi单元划分方法去除冗余覆盖节点，优化连通集：

S3021:以G\u表示从全部节点集合G中删除任一节点u的剩余节点集合，以G\u中的节点划分Voronoi单元，若以G\u中的节点为球心，Rs为半径的球体能将对应的Voronoi单元一一覆盖，可以判定u为冗余节点；识别完G中所有冗余节点后，再按邻节点中是否含有冗余节点将冗余节点划分为依赖冗余节点和独立冗余节点；

S3022:对独立冗余节点可以直接从G中删除，再对依赖冗余节点集求解其最大独立集MIS，将在MIS中的冗余节点从G中删除，得到精简后的连通覆盖集。