基于虚拟力修正的有向传感器网络覆盖研究

发布时间：2020-05-20 22:09

【摘要】：近年来有向传感器网络能够在工农业、环境监测、军事等重要领域得到普遍的应用,得益于视频、超声波诸类传感器对图像、视音频等多媒体信息的有效采集和处理。而有向传感器网络覆盖质量的保证,是相关工作开展的必要前提。在有向传感器网络中,合理的覆盖控制策略决定着网络服务质量的高低。网络中分布着一定数量的有向传感器节点,只有使得传感器节点对监测目标或监测区域具备有效感知,才能保证节点获取到有效且完整的信息数据。在现有有向传感器网络覆盖控制方法的研究中,虚拟力是近几年来优化效果较为突出的方法模型,因此,研究虚拟力算法并进行相应修正对提升有向传感器监测性能具有重大意义。本文基于以往虚拟力的算法研究思想,针对其一些不合理,不完善的算法模型,提出了改进虚拟力的优化算法。本文重点围绕传感器区域覆盖、节点能耗均衡策略、目标移动路径覆盖等一系列问题展开了深入研究,本文主要的研究工作和成果如下:1.研究了可旋转的有向传感器模型感知特性,依托虚拟势场的覆盖优化方法,根据虚拟力思想易陷入局部次优解以及存在不合理斥力的情况,设计出一种改进虚拟力的区域覆盖优化算法,通过对虚拟力合理添加修正指标,提高监测区域的覆盖率。一系列仿真实验验证了算法的可行性和有效性。2.分析传感器节点能耗问题,定义节点的能耗指标模型,让节点依据自身剩余能量对所受虚拟力进行判断修改,权衡转动角度和能耗的关系,在保证网络覆盖质量的前提下,最大化均衡节点能量和降低网络能耗,延长网络覆盖控制的时间。3.针对移动目标路径覆盖问题进行研究,分析目标移动路径的特性,以路径轨迹点为导向,设计出一种引力势场增强的目标路径覆盖策略,优先覆盖重要轨迹点并以共同轨迹点覆盖率修正节点间斥力,全面提高目标路径的整体覆盖率。4.将虚拟力修正的有向传感器网络覆盖算法运用到小水电厂区远程监控系统,利用C/S架构实现厂区监控、入侵预警、节能管理和决策管理等一系列功能。本文着力研究基于虚拟力的有向传感器覆盖控制算法,并依据其不合理不完善之处,改进虚拟力,扩展区域覆盖的研究,加入节点能耗均衡的考虑,优化目标路径的高效覆盖策略。
【图文】：

效果图,剩余能量,网络覆盖,算法

浙江工业大学硕士学位论文最少剩余能量占比是指在网络节点调整优化结束后，节点中的最少剩余能量与初始能量的比值，该值能够反映出节点的能量利用率，是旋转调整能耗多还是正常感知能耗多。（4）剩余能量标准差剩余能量标准差是对算法优化后的网络中所有节点剩余能量所求得的标准差，该值能够正确反映出节点感知方向调整过程中能耗均衡问题，是本章研究问题的主要评价指标。根据这些评价指标并基于上述所设置的仿真参数，在节点调整迭代次数设定为 40 个周期下，对三种算法进行了多次的实验仿真，所得实验结果数据取均值后绘制如下图 4-6和图 4-7 所示。

对比图,对比图,算法,指标

浙江工业大学硕士学位论文测的能量则所占不多，不利于网络对周围事物感知监控这一主要任务的实施和持续。但EBPFCEA 算法则兼顾各节点的剩余能量，将各节点旋转调整能耗降到最低，使得节点在进行网络感知监控任务时，仍具有原百分之九十的能量，有效地控制了调整阶段的能耗，提高了节点的能量利用率。同时图 4-7(b)也显示出了该算法对节点能耗均衡的可行性，，节点剩余能量多则所受虚拟斥力大，调整旋转角度大，“能者多动”这一原则使得各节点能耗保持均等。而 PFCEA 算法中节点能耗均衡则是由于每个节点每一次感知方向的调整都采用固定角度旋转，因而各节点的能耗量基本都一样，除非存在小部分节点所受虚拟斥力小于阈值，不转动，进而没有产生旋转能耗。MVPFCEA 算法节点调整感知方向过程时中则是典型地依据了节点所受虚拟力大小改变旋转角度大小，旋转能耗的差异化导致后续各节点的剩余能量参差不齐，不利于整个网络生命周期的延长。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5

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