一种三维地形中传感器部署点规划方法、系统及存储介质技术方案

一种三维地形中传感器部署点规划方法、系统及存储介质，该方法包括以下步骤：建立待覆盖区域的三维地形；输入指定覆盖率、传感器的参数值和部署高度，计算传感器的初始数量并给出传感器的初始部署坐标；建立基于可视域算法的目标函数；利用模式搜索算法调用所述目标函数，优化各传感器的坐标点，计算优化后的传感器覆盖率；比较优化后的传感器覆盖率与指定覆盖率的大小，若优化后的传感器覆盖率大于或等于指定覆盖率，则规划结束，若优化后的传感器覆盖率小于指定覆盖率，则传感器数量加1并返回步骤四。本发明专利技术能够避免在部署规划过程中陷入局部最优，有效地提高部署规划的合理性和整体的覆盖率，实现数量最少的传感器部署达到期望的指定覆盖率。望的指定覆盖率。望的指定覆盖率。

【技术实现步骤摘要】
一种三维地形中传感器部署点规划方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及传感器网络覆盖感知领域，具体涉及一种三维地形中传感器部署点规划方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]中国的陆上边境线长达2万多公里，很多地方都是人迹罕至的区域。特别是西藏和新疆等边境地区，海拔高、地形复杂、自然条件恶劣，要对这些区域实施管控，难度非常大。依靠无人值守设备，如光学、红外、声音等传感器实施区域监控，取代有人巡逻，将大大节省人力和物力。
[0003]专利CN105208569A公开了一种旨在增强复杂三维场景区域传感器网络覆盖能力的方法，该方法构建三维地形场景后，将若干传感器初始部署于三维地形场景中，运用模拟退火思想对各传感器节点的部署坐标进行优化，之后考虑场景中部署的各传感器节点与其相邻的节点的关系，逐个优化各传感器节点的偏向角度。现有的规划方法在坐标优化过程中，基于传感器节点与相邻节点的关系逐个优化传感器的偏向角，容易陷入局部最优的规划结果，难以达到所需的覆盖率。
[0004]此外，由于边境地区地形复杂、高低起伏，传感器的感知会受到三维地形遮蔽的影响，存在盲区。如图1所示，传感器的感知模型为球形，但受遮蔽效应的影响，图1中只有白色区域能够被传感器感知得到。传统规划方法的传感器部署点为统一绝对高度，未考虑到传感器需要部署于高低起伏的三维地形表面，因而无法有效地解决地形遮蔽效应对传感器感知产生的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的在于提供一种三维地形中传感器部署点规划方法，以解决现有技术中传感器规划方法容易陷入局部最优、未考虑地形遮蔽效应而导致的难以适用于复杂地形传感器部署规划的问题，实现部署最少的传感器对特定关键区域实施达到指定覆盖率的覆盖式监控，避免规划过程陷入局部最优。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]一种三维地形中传感器部署点规划方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：输入栅格地图数据，根据所述栅格地图数据建立待覆盖区域的三维地形；
[0009]步骤二：输入指定覆盖率、以及传感器的参数值和部署高度，基于所述栅格地图数据、指定覆盖率、以及传感器的参数值和部署高度计算传感器的初始数量num，其中num正整数，并随机给出num个传感器的坐标点；
[0010]步骤三：建立基于可视域算法的目标函数，所述目标函数的输入为传感器的坐标点，所述目标函数的输出为传感器覆盖率的倒数；
[0011]步骤四：利用模式搜索算法调用所述目标函数，优化各传感器的坐标点，计算优化后的传感器覆盖率；
[0012]步骤五：比较优化后的传感器覆盖率与指定覆盖率的大小，若所述优化后的传感器覆盖率大于或等于所述指定覆盖率，则规划结束，若所述优化后的传感器覆盖率小于所述指定覆盖率，则传感器的数量加1并返回步骤四。
[0013]本技术方案中，在步骤一中输入栅格地图数据，根据输入的栅格地图数据建立待覆盖区域的三维地形，该三维地形中包含若干个栅格点。在一个或多个实施例中，所使用的三维地形栅格地图数据为一个n*3的矩阵，其中，n为三维地形中栅格点的数量，第一列为栅格点的地理经度数据、第二列为栅格点的地理纬度数据、第三列为栅格点所在经纬度对应的高程数据，该三维地形高低起伏，并会对传感器产生遮蔽效应，影响传感器的感知范围。
[0014]步骤二中，需要输入期望通过规划达到的指定覆盖率，以及传感器的参数值和部署高度。传感器的参数值可以是传感器的感知模型、传感器的感知半径等参数。结合使用的栅格地图数据和输入的指定覆盖率、传感器的参数值、部署高度计算传感器的初始数量num，该num为覆盖所述三维地形所需的最小值，之后随机给出num个传感器的坐标点。
[0015]步骤三中，建立基于可视域(Viewshed)算法的传感器覆盖率目标函数，所述目标函数的输入为随机部署的num个传感器的坐标点，所述目标函数的输出为传感器覆盖率的倒数。本技术方案中，所述可视域算法基本原理是通过判断传感器坐标点与传感器感知半径内的其他点构成的视线(Line of Sight)是否被阻挡来计算传感器的实际感知范围，即可视域。
[0016]步骤四中，通过基于模式搜索(Pattern Search)的优化算法规划传感器的部署点，并根据优化结构，计算优化后的所有传感器的覆盖率。由于目标函数的输入是离散的坐标点，且该函数的约束条件较少、不能求导，因此，常用的线性规划(LP)、二次规划(QP)、二次锥规划(SOCP)、非线性规划(NLP)、最小二乘法等优化算法均不适用。模式搜索是直接搜索算法中的一种，它不需要任何关于目标函数梯度的信息，可以用于解决目标函数不可微或者不连续的问题。因此，本技术方案中选用模式搜索算法对传感器的坐标点进行优化。
[0017]步骤五中，比较优化后的num个传感器的覆盖率与指定覆盖率的大小，若传感器覆盖率大于等于指定覆盖率，表明当前num个传感器通过模式搜索算法优化坐标点后，能够实现期望的覆盖率，部署规划过程结束。相反地，若传感器覆盖率小于覆盖率，则表明当前num个传感器即使经过坐标优化也无法达到期望的覆盖率，则增加传感器的数量，传感器数量变为num+1，之后，返回步骤四，再次优化num+1个传感器的坐标点，并计算优化后的传感器覆盖率，再次比较传感器覆盖率与指定覆盖率的大小，依次类推，直至num+t个传感器的覆盖率大于等于指定覆盖率后，结束规划。
[0018]本技术方案中，利用可视域算法判断传感器部署点与其感知半径内的其他点构成的视线是否被阻挡来计算传感器的实际感知范围，随后利用模式搜索算法从全局的角度、而非相邻两个传感器的关系优化传感器的坐标点，避免在部署规划过程中陷入局部最优，从而有效地提高部署规划的合理性和整体的覆盖率，实现数量最少的传感器部署达到期望的指定覆盖率，在更换传感器感知模型后，能够在移动基站选址规划、通道监控等领域得到应用，具有广泛的推广价值。
[0019]作为本专利技术中建立基于可视域算法的目标函数的一种优选方式，所述建立基于可视域算法的目标函数过程具体包括以下步骤：
[0020]S31：建立可视域算法，调用可视域算法计算num个传感器的可视域，若三维地形上
的目标点能够被任一传感器感知，该目标点的标记为1，否则该目标点标记为0；此处的目标点是指位于传感器感知半径内的栅格点；
[0021]S32：计算标记为1的目标点数量占三维地形区域栅格点数量的百分比，得到传感器覆盖率，取所述传感器覆盖率的倒数作为目标函数的输出。
[0022]进一步地，所述步骤S31中，建立可视域算法包括以下步骤：
[0023]建立传感器的坐标点与其感知半径内的目标点的视线，并对视线进行分段采样，得到至少一个采样点；
[0024]以传感器的坐标点为原点，垂直于水平面的直线为y轴、连接坐标点和目标点的直线在水平面上的投影为x轴，建立二维坐标系，令连接坐标点和目标点的直线的斜率为K1、连接坐标点与第i个采样点的直线的斜率为K2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维地形中传感器部署点规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：输入栅格地图数据，根据所述栅格地图数据建立待覆盖区域的三维地形；步骤二：输入指定覆盖率、以及传感器的参数值和部署高度，基于所述栅格地图数据、指定覆盖率、以及传感器的参数值和部署高度计算传感器的初始数量num，其中num正整数，并随机给出num个传感器的坐标点；步骤三：建立基于可视域算法的目标函数，所述目标函数的输入为传感器的坐标点，所述目标函数的输出为传感器覆盖率的倒数；步骤四：利用模式搜索算法调用所述目标函数，优化各传感器的坐标点，计算优化后的传感器覆盖率；步骤五：比较优化后的传感器覆盖率与指定覆盖率的大小，若所述优化后的传感器覆盖率大于或等于所述指定覆盖率，则规划结束，若所述优化后的传感器覆盖率小于所述指定覆盖率，则传感器的数量加1并返回步骤四。2.根据权利要求1所述的一种三维地形中传感器部署点规划方法，其特征在于，所述步骤三中，建立基于可视域算法的目标函数包括以下步骤：S31：建立可视域算法，调用可视域算法计算num个传感器的可视域，若三维地形上的目标点能够被任一传感器感知，该目标点的标记为1，否则该目标点标记为0，未在传感器感知半径内的栅格点统一标记为0；S32：计算标记为1的目标点数量占三维地形区域栅格点数量的百分比，得到传感器覆盖率，取所述传感器覆盖率的倒数作为目标函数的输出。3.根据权利要求2所述的一种三维地形中传感器部署点规划方法，其特征在于，所述步骤S31中，建立可视域算法包括以下步骤：建立传感器的坐标点与其感知半径内的目标点的视线，并对视线进行分段采样，得到至少一个采样点；以传感器的坐标点为原点，垂直于水平面的直线为y轴、连接坐标点和目标点的直线在水平面上的投影为x轴，建立二维坐标系，令连接坐标点和目标点的直线的斜率为K1、连接坐标点与第i个采样点的直线的斜率为K2i，当K1≤K2i时，该目标点在该传感器的可视域中标记为0，否则，该目标点在该传感器的可视域中标记为1；重复上述步骤对传感器感知半径内的所有目标点进行可视性判断并标记，建立传感器坐标点对应的可视域。4.根据权利要求1所述的一种三维地形中传感器部署点规划方法，其特征在于，所述步骤一中，所述三维地形数据为n*3的矩阵，其中，n为三维地形中栅格点的数量，第一列为栅格点的地理经度数据、第二列为栅格点的地理纬度数据、第三列为栅格点的高程数据。5.根据权利要求1所述的一种三维地形中传感器部署点规划方法，其特征在于，所述传感器的初始数量num为所述三维地形对应的无感知盲区的二维平面中，达到指定覆盖率所需的传感器数量的最...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海，赵暾，钱炜祺，陈功，侯金鑫，郑凤麒，王松，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：