WSNs巡航覆蓋中基于合力勢場的移動策略比較*

張紅艷, 張振亞, 謝陳磊

(安徽建筑大學 智能建筑與建筑節能安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)[1～3]應用于建筑能效狀態監測時，監測區域信息采集過程有兩個顯著特點[4]:興趣點位置和其鄰近節點在空間上不連續;興趣點不需要實時地收集信息。當無線傳感器網絡需要監測建筑能效狀態時，所有興趣點位置都需要被無線傳感器節點覆蓋用于獲取所有有用的信息參數，且無線傳感器網絡覆蓋技術[5～8]可以用于每個興趣點位置的全覆蓋。事實上，在能效監測過程中并不是所有的興趣點的信息都需要被實時采集，同時不是所有監測區域在任何位置的信息都需要采集。由于以上提到的這兩個新特點，使用地毯覆蓋[9]或者柵欄覆蓋[10]采集建筑能效監測所需的信息，必然面臨著因構建無線傳感器網絡的部署浪費而造成的尷尬局面。

利用無線傳感器網絡構建能效狀態監測過程時，移動節點[11,12]可以用于在適時的時間內采集所需信息。由于使用了移動節點，傳感器節點的數目可以明顯降低，傳感器網絡的復雜性也相應降低。同時，移動節點的使用大大提高了無線傳感器網絡的靈活性，可用于應對一些突發事件。由于移動節點硬件和維護成本高，因此在移動節點的數量和移動性能已知的前提下，有必要為每個移動節點規劃一個合理的移動路徑。本文使用勢場[13，14]實現了移動節點移動路徑的規劃，利用移動節點與興趣點之間的相互作用力與磁相互作用的“同極相斥、異極相吸”的原理，從兩種角度構建合力勢場。

1 無線傳感器網絡巡航覆蓋

設Ω?R2為監測區域，Pi∈Ω為興趣點，即移動傳感器節點(簡稱移動節點)需部署在其周圍，感知其目標信息的位置點，其中i=1,2,…，n。若傳感器sj部署在興趣點Pi處，則Pi被sj覆蓋。如果每個興趣點Pi附近目標信息需要周期性的采集，且一次信息采集過程的執行應在每個T時刻前完成，T被稱為Pi的最大訪問期限。由于P={P1,P2,…,Pn}中Pi的信息不需要連續采集，一個移動節點可以在其最大訪問期限之前移動到Pi處完成對其的信息采集即可。

設P={Pi∈Ω?R2,i=1,2,…，n}為興趣點集，T為相對應于興趣點集P的最大訪問期限，Pj1,Pj2，…，Pjs為第j個移動節點在T前訪問興趣點的訪問序列，且Pjk≠Pj(k+1)，其中k=1,2，…，s-1，則〈Pj1,Pj2，…，Pjs〉是第j個移動節點在時刻T前的移動路徑。每個興趣點被移動節點覆蓋的過程即為所有興趣點的信息采集過程。特別地，如果對任意移動節點sj，Pj1=Pjs，那么可認為所有興趣點在最大訪問期限前完成被移動節點覆蓋的一次有效巡航覆蓋。

鑒于移動節點的移動性能限制與興趣點離散特性，為了有效完成無線傳感器網絡的巡航覆蓋，在無線傳感器網絡中的移動節點的數目通常大于1，且所有興趣點都可以被巡航覆蓋中移動節點定期訪問。為了保證巡航覆蓋的有效性，移動節點的移動、信息收集和其他輔助動作等行為應保證在一定成本范圍內。因此需要對移動節點的移動路徑進行規劃。

2 基于合力勢場的移動傳感器節點移動策略

在無線傳感器網絡巡航覆蓋中，目標位置不確定，因此，機器人和多智能體領域中用于路徑規劃的勢場并不能直接的應用于無線傳感器網絡巡航覆蓋中。

2.1 勢場定義

在無線傳感器網絡巡航覆蓋中，移動節點與興趣點之間存在吸引力，使得移動節點可以往興趣點的位置移動。相應地，移動節點與移動節點之間存在排斥力。由于移動節點之間斥力的存在使得移動節點在移動的過程中就會避免發生碰撞。這種吸引力和排斥力可以參照磁相互作用，吸引力與興趣點的訪問期限和當前時間的之間差值有關，差值定義為興趣點的緊急等級。緊急等級值越小，引力越大。因此將巡航覆蓋中興趣點的緊急等級與磁化強度對應。排斥力與與移動節點之間的距離密切相關，當距離較小時，排斥力就迅速增大，以達到避免碰撞的目的。

設P為所有興趣點集，S={s1,s2,…,sm}為所有移動節點集,Mmax為所有興趣點的最大磁化強度，Ti為興趣點Pi的訪問期限，Δt為移動節點運行時間，興趣點Pi的磁化強度為MPi=Mmax·exp((Δt-Ti)/Ti)，表面積為APi。若對于?i∈Z+，1≤i≤n，有APi=AP。移動節點sj的磁化強度為Msj，表面積為Asj，對于?j∈Z+，1≤j≤m，有Msj=Ms，Asj=As，則第k個移動節點sk處的第j個移動節點sj所受斥力為

(1)

第j個移動節點sj受到來自第i個興趣點Pi的引力為

(2)

假定Mmax已知，APi和ASj為確定值，且移動節點的移動速度一定，由式(1)和式(2)可知，移動節點之間斥力主要取決于Msj和移動節點之間的距離，而移動節點和興趣點的引力主要取決于興趣點的緊急等級和興趣點與移動節點之間的距離。由于無線傳感器網絡巡航覆蓋應用的特殊性，本文根據從移動節點選擇目標和興趣點選擇目標兩個角度，分別提出兩種策略。

2.2 移動節點角度尋找目標興趣點的移動策略

當移動節點作為主體，選擇下一步移動目標時，把在當前時刻，當前位置對移動節點產生引力最大的某個興趣點作為目標，也就是作為下一個目標興趣點進行訪問。由于每個移動節點都是一個主體，在選擇下一個移動目標并進行移動時可能會產生碰撞，因此，在確定移動目標之后對移動方向的確定也是很有必要的。對每個移動節點來說，首先根據式(1)計算當前移動節點與所有未訪問興趣點之間的引力大小，選擇對其引力最大的興趣點作為下一移動目標，然后根據式(2)計算當前移動節點與在距離影響范圍內的其他移動節點之間的斥力，并且計算合力方向，根據合力方向進行訪問，直至所有的興趣點訪問完畢。

策略1

輸入：所有興趣點集P={Pi∈Ω?R2，i=1,2,…,n},所有未訪問興趣點集P′={Pi∈P}，興趣點之間距離矩陣D=(dij)n×n，移動節點的個數m，移動傳感器移動速度v，移動節點運行時間t(s)，興趣點的訪問期限集T={Ti∈Z,i=1,2,…,n},興趣點最大磁化強度Mmax，移動節點磁化強度MS，興趣點表面積AP，移動節點表面積AS，空氣中的磁導率μ0。

輸出：所有移動節點的移動路徑list。

1)t(0)=0;P′=P

2) while(P′)

3) for(i=0;i

4) 計算t(s)

5)以未訪問興趣點集P′為被訪問節點，依據式(1)構建移動節點si的引力勢場，計算對移動節點si產生引力最大的興趣點p

6)根據式(2)構建移動節點si的斥力勢場，計算對移動節點si產生的合力方向

7)list_add(p);并根據合力方向進行移動

8)P′_delete(p)

9) end for

10)end while

11)輸出list

2.3 興趣點角度尋找合適移動節點的移動策略

從興趣點角度選擇移動節點根據興趣點緊急等級的角度進行，以每個興趣點為計算對象，根據式(1)計算興趣點與所有移動節點之間的引力大小，選出引力最大的移動節點和興趣點并根據式(2)計算選出的移動節點與在距離影響范圍內的其他移動節點之間的斥力，然后計算合力方向，把當前移動興趣點作為選中移動節點的下一移動目標，并在移動時根據合力方向進行，直至所有興趣點訪問完畢。

策略2

輸入：所有興趣點集P={Pi∈Ω?R2,i=1,2,…,n}，所有未訪問興趣點集P′={Pi∈P}，興趣點之間距離矩陣D=(dij)n×n，移動節點的個數m，移動傳感器移動速度v，移動節點運行時間t(s)，興趣點的訪問期限集T={Ti∈Z,i=1,2,…,n},興趣點最大磁化強度Mmax，移動節點磁化強度MS，興趣點表面積AP，移動節點表面積AS，空氣中的磁導率μ0。

很多學者都在研究高管薪酬激勵與技術創新之間的關系，其理論各不相同，但核心基本相似：為獲超額利潤與競爭優勢，企業傾向于高管做技術創新，而高管進行技術創新的程度與企業的薪酬激勵相關，因此，提高高管薪酬是企業技術創新的基本手段。技術創新是企業發展的根本，技術創新需要資金等條件的保障。高管是企業發展的關鍵因素，讓高管利益與企業利益進行掛鉤，是企業進行技術創新突破的關鍵。通過薪酬激勵，促使高管引領企業技術創新，是保障企業科學發展的重要手段[4]。

輸出：所有移動節點的移動路徑list。

1)t(0)=0;P′=P

2)while(P′)

3) for(i=0;i

4) 計算t(s)

5)以未訪問興趣點集P′為被訪問節點，依據式(1)構建所有未訪問興趣點對每個移動節點的引力勢場，計算興趣點對所有移動節點的引力，得出引力最大所對應的興趣點p及移動節點si

6)根據式(2)計算當移動節點si把興趣點p作為下一步移動目標時，si當前所受合力方向d

7)判斷是否存在極小值，若存在，則根據圖1進行解決，否則,結束

8)list_add(s,p);并沿著方向d進行移動;∥將p加入到s列表中

9)P′_delete(p)

10) end for

11)end while

12)輸出list

圖1 極小點問題的解決

3 實驗結果

為了驗證文中提到的基于合力勢場的移動策略的有效性及兩種角度移動策略的優越性，本文對人工數據進行了仿真實驗。在人工數據中，所有興趣點都是在一個10 m×10 m正方形區域內隨機分布的，移動速度均為5 m/min,并設所有移動節點磁化強度相同，同時所有興趣點的最大訪問期限相同。對策略1和策略2分別進行了4次實驗，并對實驗結果進行分組比較，第一組和第二組實驗結果針對移動節點個數為3，興趣點個數從30～1 000個不等時，分別使用2種策略得到移動路徑平均值和完成一次巡航覆蓋平均時間的比較，結果如圖2所示；第三組和第四組實驗結果針對興趣點個數為1 000，移動節點個數從3～50個不等時，分別使用2種策略得到移動路徑平均值和完成一次巡航覆蓋平均時間的比較，結果如圖3所示。

圖2 實驗結果(移動節點個數相同、興趣點個數不同)

圖3 實驗結果(移動節點個數不同、興趣點個數不同)

可以看出，針對4組實驗，當移動節點的個數相同、興趣點個數不同時和興趣點個數相同、移動節點數不同時，使用兩種策略的結果比較表明策略2的移動路徑平均值比策略1的要短，并且完成一次巡航覆蓋所需要的平均時間比策略1用時要少。

4 結束語

本文中提出了基于合力勢場的兩種移動策略。在基于無線傳感器網絡巡航覆蓋中合力勢場的研究基礎上，對兩種不同角度的移動路徑規劃進行了比較，即分別從興趣點選擇移動節點的角度和移動節點選擇興趣點的角度規劃的路徑進行了實驗對比，結果表明從興趣點選擇移動節點角度出發的策略在時間和路程上均具有優越性。在后續的研究中考慮使移動節點能夠自主學習，在學習上一次巡航訪問歷史后能夠重新規劃出更合適的路徑是下一步研究的工作。