劉 玲 張亦禎

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，中國(guó) 上海 201306)

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)外貿(mào)易的不斷拓展，海上交通運(yùn)輸逐漸增多和水上旅游業(yè)日漸繁榮，我國(guó)海上運(yùn)輸船舶數(shù)量及從事水上工作的人員迅速增長(zhǎng)，而海難事故也時(shí)常發(fā)生，遇難人數(shù)居高不下，海上搜救日益繁重。在整個(gè)救援中，救援的成功率和救援效率是衡量海上救援的一個(gè)重要指標(biāo)，因此，在一定時(shí)間范圍內(nèi)提高搜救成功率是重要且有其現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)階段已經(jīng)有比較多的技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用于海上搜救，比如搜救雷達(dá)應(yīng)答器、GMDSS 系統(tǒng)設(shè)備等等，這些設(shè)備的使用在一定程度上提高了落水人員被搜救成功的概率。然而這些設(shè)施和相關(guān)技術(shù)只能提供我們海事發(fā)生的地點(diǎn)，搜救工作在其附近區(qū)域展開(kāi)。而落水人員、救生筏等物體是時(shí)刻移動(dòng)的，如果移動(dòng)的物體能主動(dòng)的將物理位置等信息傳送給搜救方，那么搜救方就可以進(jìn)行更加明確的目標(biāo)搜救，這樣就可以縮短搜尋時(shí)間，提高搜救效率和成功率。而將無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用于海上搜救就可以實(shí)現(xiàn)落水人員、救生筏等移動(dòng)物體自主向搜救小組報(bào)告自身位置等相關(guān)信息的目的。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network,WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力，它們通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的Ad-Hoc 系統(tǒng)；其目的是感知、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)的對(duì)象，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果發(fā)送給終端管理節(jié)點(diǎn)[2]。將傳感器節(jié)點(diǎn)分別安裝于救生衣、救生筏、救援直升機(jī)、搜救船舶等物體上，在海難發(fā)生后，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)啟動(dòng)工作實(shí)現(xiàn)自主報(bào)告自身位置等信息的目的。

本文充分考慮無(wú)線(xiàn)傳感器定位要求和搜救直升機(jī)等的特點(diǎn)，提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位的海上立體搜救。由直升機(jī)搭載錨節(jié)點(diǎn)充當(dāng)移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)利用最小二乘法實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位,達(dá)到落水人員等落水物體主動(dòng)示位、提高搜救成功率的目的。

本文其它各部分按如下方式組織：第1 節(jié)介紹了相關(guān)研究工作：第2 節(jié)介紹了海上例題搜救中的節(jié)點(diǎn)定位；第3 節(jié)利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本文提出的方法進(jìn)行評(píng)估；第4 節(jié)是結(jié)論。

1 相關(guān)工作

傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)只有結(jié)合其位置信息才有意義，且傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、布局和目標(biāo)跟蹤等操作都依賴(lài)于節(jié)點(diǎn)的有效定位[3]，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定位至關(guān)重要。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中有錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)兩種，錨節(jié)點(diǎn)是指能夠通過(guò)自身攜帶的GPS 或其它設(shè)備獲得自己當(dāng)前位置信息的節(jié)點(diǎn)；未知節(jié)點(diǎn)是指不能夠自主獲得自己地理坐標(biāo)信息需要通過(guò)定位算法獲得位置信息的節(jié)點(diǎn)。

在基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位中，根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)路徑的動(dòng)態(tài)性可以?xún)深?lèi)：靜態(tài)路徑和動(dòng)態(tài)路徑。文獻(xiàn)[4,5]等提出了移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)按照靜態(tài)路徑(即確定的軌跡)移動(dòng)。文獻(xiàn)[6]提出了基于位置邊界線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位方法，其主要思想是通過(guò)未知節(jié)點(diǎn)能否接收到移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)廣播的信息來(lái)確定一組或多組其估算區(qū)域的邊界線(xiàn)，當(dāng)獲得足夠多的位置邊界線(xiàn)后，通過(guò)邊界線(xiàn)所圍圖形的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。該算法中的錨節(jié)點(diǎn)有2 種移動(dòng)方式：直線(xiàn)和隨機(jī)移動(dòng)，即Gauss—Markov 運(yùn)動(dòng)模型。該方法可以實(shí)現(xiàn)未知節(jié)點(diǎn)的定位，錨節(jié)點(diǎn)需要與未知節(jié)點(diǎn)較頻繁地進(jìn)行通信來(lái)確定邊界線(xiàn)，這可能會(huì)造成局部節(jié)點(diǎn)的能量消耗過(guò)快，且定位周期會(huì)比較長(zhǎng)，不適用于大型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的定位。文獻(xiàn)[7,8]等提出了錨節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)路徑算法。同時(shí)，由于傳感器應(yīng)用環(huán)境的不同，節(jié)點(diǎn)定位又分為2D 和3D 定位。而3D 定位更適合應(yīng)用于對(duì)高度有更多要求的實(shí)際環(huán)境中。

2 海上立體搜救中的節(jié)點(diǎn)定位

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的部署

在海上搜救過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署通常由兩部分組成：1）節(jié)點(diǎn)被預(yù)先安放于船舶、救生衣、救生筏、救援船舶、救援直升機(jī)等救援設(shè)備上。這部分節(jié)點(diǎn)的位置信息在一定程度上就代表等待救援的落水人員或者物品的位置信息，是搜救中需要特別關(guān)注的節(jié)點(diǎn)。2）在救援過(guò)程中為保障這些節(jié)點(diǎn)自組織成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，救援直升機(jī)或者船舶可以根據(jù)救援需要隨時(shí)拋灑節(jié)點(diǎn)于ROI。在節(jié)點(diǎn)部署過(guò)程中，考慮一下因素：(1)節(jié)點(diǎn)成本，救援中傳感器節(jié)點(diǎn)需要量較大，因此高成本的錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量不宜過(guò)多。(2)節(jié)點(diǎn)能耗，未知節(jié)點(diǎn)能量有限，我們利用移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)可以均衡整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的能耗，降低網(wǎng)絡(luò)因個(gè)別節(jié)點(diǎn)無(wú)能量而癱瘓的概率。因此，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的合理部署及定位都很重要。節(jié)點(diǎn)間通信信息包括如下內(nèi)容：ID、定位次數(shù)、地理信息坐標(biāo)、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)、生命體征、RSSI 信號(hào)強(qiáng)度等。

在海上搜救中，直升機(jī)具有很強(qiáng)的靈活性、快速反應(yīng)能力。由直升機(jī)搭載傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，這樣來(lái)均衡整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗、適應(yīng)海上搜救中的各種惡劣天氣。在3D 定位算法中，要獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置信息，要求一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)接收至少來(lái)自3 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并且至少有一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)不在同一平面。為此，設(shè)定三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)同時(shí)安放在直升機(jī)上，并且搭載在直升機(jī)上的錨節(jié)點(diǎn)呈正三角形分布與地面平行，這樣未知節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位的概率就大幅度提高。

海難事故發(fā)生之后，落水人員或者其它物體會(huì)在風(fēng)、流等的作用下移動(dòng)，因此隨著時(shí)間的推移搜索區(qū)域再逐漸增大。然而，這些物體落水之后具有相同或者相似的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，物體間的相對(duì)位置或者所在區(qū)域相對(duì)較近，因此，我們采用擴(kuò)展方形搜尋方式如圖2(a)所示。這種搜尋方式對(duì)物體所在區(qū)域較近時(shí)是一種很有效的搜尋方式。搜救中，在同一區(qū)域內(nèi)，直升機(jī)至少執(zhí)行兩次搜尋任務(wù)，當(dāng)直升機(jī)完成第一次搜尋后，它可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二次搜索，圖2(b)所示的路線(xiàn)為第二次搜索直升機(jī)路徑，這樣在第一次搜索中沒(méi)有完成定位的節(jié)點(diǎn)會(huì)有機(jī)會(huì)在第二次搜索中實(shí)現(xiàn)定位。而直升機(jī)的搜索路線(xiàn)即為移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)路徑。

圖1

2.2 定位算法

2.2.1 RSSI 測(cè)距模型

其中，d 是接收信息節(jié)點(diǎn)與發(fā)射信息節(jié)點(diǎn)間的距離，d0是參考距離，PL（d）相距距離d 時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，PL（d0）是相距參考距離時(shí)d0接收到的信號(hào)強(qiáng)度Xσ是平均值為0 的高斯分布隨機(jī)變數(shù)，其范圍是4～10，n 為衰減因子，取值范圍是2～5。

2.2.2 定位算法

圖2 基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的海上搜救的模型

基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的海上搜救模型可以用圖2 表示，A、B、C 為直升機(jī)上同一平面的三個(gè)信標(biāo)，未知節(jié)點(diǎn)U 處于海面上。

首先，錨節(jié)點(diǎn)廣播自身的位置信息，未知節(jié)點(diǎn)接收到后保存信息，通過(guò)RSSI 信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算得到與錨節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離。

其次，計(jì)算得到未知節(jié)點(diǎn)U（xi，yi，zi）與移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)A、B、C 間的距離，根據(jù)歐氏空間中兩點(diǎn)間的距離公式得到式(3):

其中dia，dib，dic分別表示未知節(jié)點(diǎn)和三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)A、B、C 的距離，可以通過(guò)式子(1)計(jì)算出；各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)表示與圖2 一致。上式可變形為：

式(4)的線(xiàn)性方程可以表示為AX＝b，其中，

通過(guò)解上面的式子，可以得出未知節(jié)點(diǎn)U（xi，yi，zi）的坐標(biāo)為：X=（ATA）-1ATb。

在定位過(guò)程中，我們根據(jù)節(jié)點(diǎn)信息中生命指數(shù)來(lái)控制節(jié)點(diǎn)定位次數(shù)，以減少節(jié)點(diǎn)間的通信、節(jié)約定位計(jì)算過(guò)程中的能量消耗：如果判斷生命指數(shù)非零，那么我們?cè)谒阉鬟^(guò)程中要完成此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的定位或多次（n≤5）定位，甚至直升機(jī)可以輕微調(diào)整飛行路徑；若是生命指數(shù)為零，那么節(jié)點(diǎn)定位次數(shù)可以只實(shí)現(xiàn)一次或者多次（n≤3）。

3 仿真及分析

本文用MATLAB 7.10 平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。仿真參數(shù)設(shè)置如下：在一個(gè)1000m×1000m×300m 的空間內(nèi)隨機(jī)的分布著200 個(gè)未知節(jié)點(diǎn)，10-20 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。通過(guò)仿真分析比較本文定位算法與傳統(tǒng)3D 定位算法及文獻(xiàn)[11]一種新的3D 定位算法的比較,從定位誤差及定位時(shí)間兩方面進(jìn)行比較。

圖3 RSSI 測(cè)距誤差與定位誤差

從圖3 可以看出RSSI 測(cè)距誤差與節(jié)點(diǎn)定位誤差之間的關(guān)系。隨著測(cè)距誤差的增大，定位誤差也在增大。但是在相同的測(cè)距誤差之下，本文算法的定位精度要更高，這是因?yàn)樵摱ㄎ凰惴ǖ膶?shí)時(shí)性更強(qiáng)。

圖4 定位誤差與搜尋時(shí)間

從圖4 中可以看出，隨著搜尋時(shí)間的增加，節(jié)點(diǎn)的定位誤差也在增加。搜尋時(shí)間長(zhǎng)是由于節(jié)點(diǎn)無(wú)法達(dá)到實(shí)現(xiàn)定位的條件，同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性，隨著時(shí)間的推移測(cè)距誤差也會(huì)逐漸增大，從而導(dǎo)致定位精度的降低。而本文定位算法受時(shí)間影響較小，說(shuō)明它的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)定位的海上立體搜救，一種應(yīng)用于海上搜救直升機(jī)搭載無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的定位算法，通過(guò)對(duì)落水物攜帶的節(jié)點(diǎn)的定位來(lái)達(dá)到搜救落水人員等的目的，該應(yīng)用可以改變過(guò)去落水物在水中只能等待救援的被動(dòng)局面，實(shí)現(xiàn)它們可以主動(dòng)向救援隊(duì)伍發(fā)送自己的位置信息的目的。同時(shí)，這種應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的多次定位，這樣節(jié)點(diǎn)的位置信息的實(shí)時(shí)性會(huì)更強(qiáng)，也可以提高救援效率和救援的成功率。然而，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間距離的測(cè)量誤差是定位誤差的主要來(lái)源，測(cè)距誤差的修正是我們下一步工作的重點(diǎn)。

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