一種二維入侵監(jiān)測(cè)區(qū)域的可變k覆蓋優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種二維入侵監(jiān)測(cè)區(qū)域的可變k覆蓋優(yōu)化方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)入侵對(duì)象的運(yùn)行軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)、可靠的監(jiān)控是入侵監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 通常，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效策略是：監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在可預(yù)見(jiàn)入侵對(duì)象運(yùn) 行軌跡附近區(qū)域快速部署一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的多重監(jiān)測(cè)。其中，無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微型傳感器，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的多跳自組 織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對(duì)原有區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要進(jìn)行位置的調(diào)整及優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)不同區(qū) 域的不同覆蓋要求：重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多重覆蓋，一般區(qū)域僅要求實(shí)現(xiàn)1重覆蓋。
[0003] 針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究。吳春瓊等提出一種基于能量預(yù)測(cè)的節(jié) 點(diǎn)調(diào)度算法，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗，但該算法降低了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率；吳蘇豫等構(gòu)建了節(jié)點(diǎn)連通圖， 并據(jù)此發(fā)現(xiàn)可休眠節(jié)點(diǎn)，但僅適用于需大致覆蓋的場(chǎng)景；黃守志等提出基于網(wǎng)格劃分的冗 余節(jié)點(diǎn)判定方法，準(zhǔn)確性高且計(jì)算簡(jiǎn)便，但該算法僅考慮網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋的情況，沒(méi)有考慮覆 蓋目標(biāo)熱點(diǎn)區(qū)域需要多重覆蓋的需求；王成等提出一個(gè)基于Voronoi圖的k覆蓋算法，該算 法可判斷網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，且可實(shí)現(xiàn)多重覆蓋，但該算法計(jì)算復(fù)雜度較高。
[0004] 實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)區(qū)域可能需要實(shí)現(xiàn)不均勻覆蓋，即不同的目標(biāo)點(diǎn)要求不同的覆 蓋重?cái)?shù)。目前該領(lǐng)域研究中，尚未發(fā)現(xiàn)有針對(duì)覆蓋的可變性進(jìn)行深入研究的成果?；诖?， 有必要提出一種二維入侵監(jiān)測(cè)區(qū)域的可變k覆蓋優(yōu)化方法來(lái)解決上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種二維入侵監(jiān)測(cè)區(qū)域的可變k覆蓋優(yōu)化 方法，該方法通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的重新部署實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同時(shí)間的靈活可變覆蓋，在傳感器節(jié) 點(diǎn)有限的情況下，充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)作用，既可保證重點(diǎn)區(qū)域的多重覆蓋，又可滿足一般區(qū)域的 覆蓋要求，以消耗較少的能量為代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵對(duì)象的有效監(jiān)測(cè)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種二維入侵監(jiān)測(cè)區(qū)域的可變k覆蓋優(yōu)化方法，包括：
[0008] 步驟（1):將入侵對(duì)象抽象為一個(gè)點(diǎn)，建立單點(diǎn)入侵的二維監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋模型；
[0009] 步驟（2):根據(jù)單點(diǎn)入侵的二維監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋模型以及網(wǎng)格聚類算法，對(duì)二維監(jiān) 測(cè)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)劃分后的每個(gè)網(wǎng)格的覆蓋度進(jìn)行聚類，再根據(jù)當(dāng)前覆蓋度和需 求覆蓋度的比較，在二維監(jiān)測(cè)區(qū)域中進(jìn)行移動(dòng)部署傳感器節(jié)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)二維監(jiān)測(cè)區(qū)域的 可變k覆蓋。
[0010] 所述步驟（1)中建立單點(diǎn)入侵的二維監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋模型的過(guò)程為：
[0011] 步驟（1.1):劃分區(qū)域，根據(jù)入侵對(duì)象預(yù)測(cè)運(yùn)行軌跡以及監(jiān)測(cè)區(qū)域中不同目標(biāo)區(qū) 域所需監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)程度及等級(jí)進(jìn)行劃分監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)等級(jí)；
[0012] 步驟（1. 2):確定向整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域拋灑傳感器節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量；
[0013] 步驟（1. 3):網(wǎng)格聚類，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)單位長(zhǎng)度的正方形網(wǎng)格cell，將 覆蓋度相同的cell劃分到同一聚類區(qū)域中，直到不再有覆蓋度相同的網(wǎng)格為止。
[0014] 所述步驟（1. 1)中劃分區(qū)域的過(guò)程，包括：
[0015] 獲取入侵對(duì)象預(yù)測(cè)運(yùn)行軌跡，將入侵軌跡向左、向右分別移動(dòng)固定距離形成四條 軌跡線；其中，中間兩條相鄰的軌跡線之間的區(qū)域設(shè)為用于實(shí)現(xiàn)3重覆蓋的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域， 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域左右兩邊均依次設(shè)為用于實(shí)現(xiàn)2重覆蓋的次重點(diǎn)區(qū)域以及用于實(shí)現(xiàn)1重完全 覆蓋的一般區(qū)域。
[0016] 所述步驟（1. 1)中劃分區(qū)域的過(guò)程，還包括：
[0017] 假設(shè)入侵對(duì)象為規(guī)則性前進(jìn)，則入侵對(duì)象預(yù)測(cè)運(yùn)行軌跡為一條曲線；
[0018] 通過(guò)監(jiān)測(cè)入侵監(jiān)測(cè)區(qū)域中其地理位置的實(shí)時(shí)變化情況，獲取預(yù)測(cè)入侵軌跡。
[0019] 所述步驟（1. 2)中確定向整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域拋灑傳感器節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量n為：
[0023] 其中，Nt為整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)1重覆蓋時(shí)所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量；為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的 面積；由<2)為次重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積；由為一般區(qū)域的面積；dk3為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域；d k2 為次重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域；dkl為一般區(qū)域；整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)閄*Y大小的二維矩形區(qū)域；整個(gè)監(jiān)測(cè) 區(qū)域的橫向所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量為|整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的縱向所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量為x2 + ￡ □為取整符號(hào)，rem為取余數(shù)；Rs為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑；X和Y均大于零。
[0024] 所述步驟（1. 3)中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積;為：
[0025] S(d,j - c j 5' (dk,) -fc, S" (dk,) ( 6 )
[0026] 其中，A、迖均為權(quán)重?cái)?shù)，S'（dk3)為入侵點(diǎn)處于左側(cè)邊緣底端，入 侵軌跡約最長(zhǎng)時(shí)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域d k3的面積；S"（dk3)為入侵點(diǎn)處于左側(cè)邊緣中心時(shí)，重點(diǎn) 監(jiān)測(cè)區(qū)域dk3的面積。
[0027] 所述步驟（2)中，在監(jiān)測(cè)區(qū)域中進(jìn)行移動(dòng)部署傳感器節(jié)點(diǎn)的過(guò)程，包括：
[0028] 步驟（2. 1):在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域拋灑最大數(shù)量的拋灑傳感器節(jié)點(diǎn)，并對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn) 行網(wǎng)格劃分，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的覆蓋度，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域初始覆蓋矩陣；入侵對(duì)象達(dá)到后預(yù)測(cè)入 侵軌跡，并根據(jù)預(yù)測(cè)的入侵軌跡以及監(jiān)測(cè)區(qū)域中不同目標(biāo)區(qū)域所需監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)程度及等級(jí) 進(jìn)行劃分監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)等級(jí)，同時(shí)向整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播；
[0029] 步驟（2. 2):利用覆蓋度矩陣對(duì)不同監(jiān)測(cè)等級(jí)的監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行分別進(jìn)行網(wǎng)格聚 類；比較網(wǎng)格的實(shí)際覆蓋度與需求覆蓋度，并形成需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)集合A及需要增加傳感器 節(jié)點(diǎn)的區(qū)域集合B;
[0030] 步驟（2. 3):根據(jù)集合A中傳感器節(jié)點(diǎn)與集合B中網(wǎng)格形心的歐氏距離，建立集合 A與B間的點(diǎn)與區(qū)域的移動(dòng)調(diào)整關(guān)系；傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)更新傳感器節(jié)點(diǎn)位置及 覆蓋矩陣，直至實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域所劃分的區(qū)域的覆蓋滿意度均不小于整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋滿 意度閾值。
[0031] 所述步驟（2. 2)中形成需要移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)集合A及需要增加傳感器節(jié)點(diǎn)的區(qū)域 集合B的具體過(guò)程為：
[0032] 若KramntU. D > K ，則此網(wǎng)格處有冗余傳感器節(jié)點(diǎn)，將離此網(wǎng)格最遠(yuǎn)的傳感器 節(jié)點(diǎn)vm依次加入需移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)集合A，即v mG A;
[0033] 若D，則此網(wǎng)格處覆蓋傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)不足，需要添加傳感器節(jié) 點(diǎn)，令該網(wǎng)格cell G B，B為需要添加傳感器節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)網(wǎng)格的集合；
[0034] 其中，為網(wǎng)格cell ^的當(dāng)前覆蓋度，K_du為網(wǎng)格cell ^的需求覆蓋 度，cell i為橫坐標(biāo)為i且縱坐標(biāo)為j的網(wǎng)格，i G [0, X-l]，j G [0, Y-l]，X為監(jiān)測(cè)區(qū)域 水平長(zhǎng)度，Y為監(jiān)測(cè)區(qū)域垂直長(zhǎng)度；m = 1，2, 3,...，M ;M小于等于傳感器節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)量n， M和n均為正整數(shù)；X和Y均大于零。
[0035] 所述步驟（2. 3)中傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程，包括：
[0036] 步驟（2.3. 1):根據(jù)A中傳感器節(jié)點(diǎn)Vni的地理位置以及B中網(wǎng)格cell^的形心地 理位置，求取\與cell u之間歐式距離；
[0037] 步驟（2. 3. 2):在B中按優(yōu)先級(jí)順序?qū)ell排列成一新隊(duì)列，其中，B中優(yōu)先級(jí)以 cell需求覆蓋度心^^為依據(jù)，K 越高需求級(jí)別越高，排在隊(duì)列前端，優(yōu)先被滿足；
[0038] 步驟（2. 3. 3):從B中按隊(duì)列順序依次取出cell，找到A中與其距離最近的傳感器 節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行移動(dòng)填補(bǔ)，然后分別從A、B集合中去除已處理的傳感器節(jié)點(diǎn)和cell;
[0039]步驟（2. 3. 4):重復(fù)步驟（2. 3. 1)-(2. 3. 3)，直到集合B為空。
[0040] 所述步驟（2. 3)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域所劃分的區(qū)域S的覆蓋滿意度S(C)為：
[0041 ]
[0042] 其中，C為整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域；為網(wǎng)格cell ^的當(dāng)前覆蓋度，K_d&;)為 網(wǎng)格cell^的需求覆蓋度，cell^為橫坐標(biāo)為i且縱坐標(biāo)為j的網(wǎng)格，i G [0，X_l]， j e [0, Y-l]，X為監(jiān)測(cè)區(qū)域C的水平長(zhǎng)度，Y為監(jiān)測(cè)區(qū)域C的垂直長(zhǎng)度；X和Y均大于零。
[0043] 本發(fā)明的有益效果為：
[0044] 本發(fā)明提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下的可變k覆蓋模型，并基于區(qū)域網(wǎng)格劃分聚類算 法，設(shè)計(jì)一種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署策略，本發(fā)明的該方法通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的重新部署實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不 同時(shí)間的靈活可變覆蓋，在傳感器節(jié)點(diǎn)有限的情況下，充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)作用，既可保證