張紅艷, 張振亞, 謝陳磊

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

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)[1～3]應(yīng)用于建筑能效狀態(tài)監(jiān)測時，監(jiān)測區(qū)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(jié)點在空間上不連續(xù);興趣點不需要實時地收集信息。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要監(jiān)測建筑能效狀態(tài)時，所有興趣點位置都需要被無線傳感器節(jié)點覆蓋用于獲取所有有用的信息參數(shù)，且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)[5～8]可以用于每個興趣點位置的全覆蓋。事實上，在能效監(jiān)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(jiān)測區(qū)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(jiān)測所需的信息，必然面臨著因構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署浪費而造成的尷尬局面。

利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建能效狀態(tài)監(jiān)測過程時，移動節(jié)點[11,12]可以用于在適時的時間內(nèi)采集所需信息。由于使用了移動節(jié)點，傳感器節(jié)點的數(shù)目可以明顯降低，傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性也相應(yīng)降低。同時，移動節(jié)點的使用大大提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的靈活性，可用于應(yīng)對一些突發(fā)事件。由于移動節(jié)點硬件和維護(hù)成本高，因此在移動節(jié)點的數(shù)量和移動性能已知的前提下，有必要為每個移動節(jié)點規(guī)劃一個合理的移動路徑。本文使用勢場[13，14]實現(xiàn)了移動節(jié)點移動路徑的規(guī)劃，利用移動節(jié)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(gòu)建合力勢場。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巡航覆蓋

設(shè)Ω?R2為監(jiān)測區(qū)域，Pi∈Ω為興趣點，即移動傳感器節(jié)點(簡稱移動節(jié)點)需部署在其周圍，感知其目標(biāo)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(biāo)信息需要周期性的采集，且一次信息采集過程的執(zhí)行應(yīng)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(xù)采集，一個移動節(jié)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(shè)P={Pi∈Ω?R2,i=1,2,…，n}為興趣點集，T為相對應(yīng)于興趣點集P的最大訪問期限，Pj1,Pj2，…，Pjs為第j個移動節(jié)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(jié)點在時刻T前的移動路徑。每個興趣點被移動節(jié)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(jié)點sj，Pj1=Pjs，那么可認(rèn)為所有興趣點在最大訪問期限前完成被移動節(jié)點覆蓋的一次有效巡航覆蓋。

鑒于移動節(jié)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(wǎng)絡(luò)的巡航覆蓋，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點的數(shù)目通常大于1，且所有興趣點都可以被巡航覆蓋中移動節(jié)點定期訪問。為了保證巡航覆蓋的有效性，移動節(jié)點的移動、信息收集和其他輔助動作等行為應(yīng)保證在一定成本范圍內(nèi)。因此需要對移動節(jié)點的移動路徑進(jìn)行規(guī)劃。

2 基于合力勢場的移動傳感器節(jié)點移動策略

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巡航覆蓋中，目標(biāo)位置不確定，因此，機(jī)器人和多智能體領(lǐng)域中用于路徑規(guī)劃的勢場并不能直接的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巡航覆蓋中。

2.1 勢場定義

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巡航覆蓋中，移動節(jié)點與興趣點之間存在吸引力，使得移動節(jié)點可以往興趣點的位置移動。相應(yīng)地，移動節(jié)點與移動節(jié)點之間存在排斥力。由于移動節(jié)點之間斥力的存在使得移動節(jié)點在移動的過程中就會避免發(fā)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(dāng)前時間的之間差值有關(guān)，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(qiáng)度對應(yīng)。排斥力與與移動節(jié)點之間的距離密切相關(guān)，當(dāng)距離較小時，排斥力就迅速增大，以達(dá)到避免碰撞的目的。

設(shè)P為所有興趣點集，S={s1,s2,…,sm}為所有移動節(jié)點集,Mmax為所有興趣點的最大磁化強(qiáng)度，Ti為興趣點Pi的訪問期限，Δt為移動節(jié)點運行時間，興趣點Pi的磁化強(qiáng)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(jié)點sj的磁化強(qiáng)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(jié)點sk處的第j個移動節(jié)點sj所受斥力為

(1)

第j個移動節(jié)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(jié)點的移動速度一定，由式(1)和式(2)可知，移動節(jié)點之間斥力主要取決于Msj和移動節(jié)點之間的距離，而移動節(jié)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(jié)點之間的距離。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)巡航覆蓋應(yīng)用的特殊性，本文根據(jù)從移動節(jié)點選擇目標(biāo)和興趣點選擇目標(biāo)兩個角度，分別提出兩種策略。

2.2 移動節(jié)點角度尋找目標(biāo)興趣點的移動策略

當(dāng)移動節(jié)點作為主體，選擇下一步移動目標(biāo)時，把在當(dāng)前時刻，當(dāng)前位置對移動節(jié)點產(chǎn)生引力最大的某個興趣點作為目標(biāo)，也就是作為下一個目標(biāo)興趣點進(jìn)行訪問。由于每個移動節(jié)點都是一個主體，在選擇下一個移動目標(biāo)并進(jìn)行移動時可能會產(chǎn)生碰撞，因此，在確定移動目標(biāo)之后對移動方向的確定也是很有必要的。對每個移動節(jié)點來說，首先根據(jù)式(1)計算當(dāng)前移動節(jié)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(biāo)，然后根據(jù)式(2)計算當(dāng)前移動節(jié)點與在距離影響范圍內(nèi)的其他移動節(jié)點之間的斥力，并且計算合力方向，根據(jù)合力方向進(jìn)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(jié)點的個數(shù)m，移動傳感器移動速度v，移動節(jié)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(qiáng)度Mmax，移動節(jié)點磁化強(qiáng)度MS，興趣點表面積AP，移動節(jié)點表面積AS，空氣中的磁導(dǎo)率μ0。

輸出：所有移動節(jié)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(jié)點，依據(jù)式(1)構(gòu)建移動節(jié)點si的引力勢場，計算對移動節(jié)點si產(chǎn)生引力最大的興趣點p

6)根據(jù)式(2)構(gòu)建移動節(jié)點si的斥力勢場，計算對移動節(jié)點si產(chǎn)生的合力方向

7)list_add(p);并根據(jù)合力方向進(jìn)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(jié)點的移動策略

從興趣點角度選擇移動節(jié)點根據(jù)興趣點緊急等級的角度進(jìn)行，以每個興趣點為計算對象，根據(jù)式(1)計算興趣點與所有移動節(jié)點之間的引力大小，選出引力最大的移動節(jié)點和興趣點并根據(jù)式(2)計算選出的移動節(jié)點與在距離影響范圍內(nèi)的其他移動節(jié)點之間的斥力，然后計算合力方向，把當(dāng)前移動興趣點作為選中移動節(jié)點的下一移動目標(biāo)，并在移動時根據(jù)合力方向進(jìn)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(jié)點的個數(shù)m，移動傳感器移動速度v，移動節(jié)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(qiáng)度Mmax，移動節(jié)點磁化強(qiáng)度MS，興趣點表面積AP，移動節(jié)點表面積AS，空氣中的磁導(dǎo)率μ0。

很多學(xué)者都在研究高管薪酬激勵與技術(shù)創(chuàng)新之間的關(guān)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(yōu)勢，企業(yè)傾向于高管做技術(shù)創(chuàng)新，而高管進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的程度與企業(yè)的薪酬激勵相關(guān)，因此，提高高管薪酬是企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的基本手段。技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的根本，技術(shù)創(chuàng)新需要資金等條件的保障。高管是企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，讓高管利益與企業(yè)利益進(jìn)行掛鉤，是企業(yè)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新突破的關(guān)鍵。通過薪酬激勵，促使高管引領(lǐng)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，是保障企業(yè)科學(xué)發(fā)展的重要手段[4]。

輸出：所有移動節(jié)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(jié)點，依據(jù)式(1)構(gòu)建所有未訪問興趣點對每個移動節(jié)點的引力勢場，計算興趣點對所有移動節(jié)點的引力，得出引力最大所對應(yīng)的興趣點p及移動節(jié)點si

6)根據(jù)式(2)計算當(dāng)移動節(jié)點si把興趣點p作為下一步移動目標(biāo)時，si當(dāng)前所受合力方向d

7)判斷是否存在極小值，若存在，則根據(jù)圖1進(jìn)行解決，否則,結(jié)束

8)list_add(s,p);并沿著方向d進(jìn)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(jié)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(yōu)越性，本文對人工數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真實驗。在人工數(shù)據(jù)中，所有興趣點都是在一個10 m×10 m正方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布的，移動速度均為5 m/min,并設(shè)所有移動節(jié)點磁化強(qiáng)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(jìn)行了4次實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分組比較，第一組和第二組實驗結(jié)果針對移動節(jié)點個數(shù)為3，興趣點個數(shù)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(jié)果如圖2所示；第三組和第四組實驗結(jié)果針對興趣點個數(shù)為1 000，移動節(jié)點個數(shù)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(jié)果如圖3所示。

圖2 實驗結(jié)果(移動節(jié)點個數(shù)相同、興趣點個數(shù)不同)

圖3 實驗結(jié)果(移動節(jié)點個數(shù)不同、興趣點個數(shù)不同)

可以看出，針對4組實驗，當(dāng)移動節(jié)點的個數(shù)相同、興趣點個數(shù)不同時和興趣點個數(shù)相同、移動節(jié)點數(shù)不同時，使用兩種策略的結(jié)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(jié)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(wǎng)絡(luò)巡航覆蓋中合力勢場的研究基礎(chǔ)上，對兩種不同角度的移動路徑規(guī)劃進(jìn)行了比較，即分別從興趣點選擇移動節(jié)點的角度和移動節(jié)點選擇興趣點的角度規(guī)劃的路徑進(jìn)行了實驗對比，結(jié)果表明從興趣點選擇移動節(jié)點角度出發(fā)的策略在時間和路程上均具有優(yōu)越性。在后續(xù)的研究中考慮使移動節(jié)點能夠自主學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)上一次巡航訪問歷史后能夠重新規(guī)劃出更合適的路徑是下一步研究的工作。