基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法：结合环境能量分布和可信信息覆盖构建网络模型；利用上述构建好的网络模型，考虑环境相关性构建整数线性规划可充电物联网节点优化部署模型；利用贪婪和近似方法对提出的节点优化部署模型进行求解。本发明专利技术在可充电物联网的场景下，从信息协同感知的角度挖掘环境相关性，结合能量分布，利用克里金插值法和均方根误差估计覆盖误差，合理利用能量，有效降低部署成本；采用贪婪思想，结合二项式方法求解大规模场景下的整数线性规划模型，求解速度快且精准度高，具有高近似比和高效率；适用于多种应用场景，可信信息覆盖模型，适用于不同环境、天气、地形下的覆盖和部署。署。署。

【技术实现步骤摘要】
基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法


[0001]本专利技术属于物联网
，更具体地，涉及一种基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法。

技术介绍

[0002]物联网感知层包含丰富的节点，可以感知各种环境、物体或设施。对于被监测的目标，随着感知样本数量的增加，目标的监测精度越精确，例如油田输油管道泄漏位置监测时，随着采样速率从600S/s提高到4800S/s，传感精度可以从2.3m提高到0.3m；随着传感数据样本数量的增加，事故坐标的定位更加精确。但现存的挑战在于网络能量有限，传感器节点很难收集足够的样本并将其发送到融合中心。
[0003]部署是决定物联网服务质量的核心因素之一。虽然适当的部署可以提高数据的准确性，节约网络资源，但由于地形和环境的限制，频繁更换电池是不现实的，传统的网络最终会耗尽。为了解决这一问题，合理的替代方案是部署具有能量收集功能的可充电节点，能量收集节点通过电磁、移动充电车、太阳能电池板、风能等方式收集外界能量，并将其转化为电能，极大地延长了网络寿命。然而，从外界获取的能量是有限的。物联网节点可能无法获得足够的能量，以提供足够的目标所需样本，从而导致监测准确性的丧失。
[0004]由于部署在不同位置的节点可能具有不同的充电速率，因此需要选择最优的节点部署位置。为节约物联网能源收集节点的部署成本，考虑在满足覆盖质量和监测精度的前提下，尽可能减少物联网节点数量的部署优化策略。优化部署可以有效利用有限的网络资源，使物联网节点更合理有效地获取外部能源。
专利技术内容
[0005]本专利技术在获取能量有限的情况下，结合环境变量的特点，研究如何在尽可能降低传感器部署成本的同时，满足监测目标的监测精度。将传感器节点部署在更容易获得能量的位置可能会导致覆盖质量得不到保证，这间接增加了所需传感器节点的数量。为此，综合考虑能量分布、目标分布、采样精度要求和网络成本等因素，合理部署传感器节点，实现网络能量中性运行，最终以最小的网络成本实现可信信息覆盖的永久覆盖。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法，包括以下步骤：
[0007](1)结合环境能量分布和可信信息覆盖构建网络模型，包括以下子步骤：
[0008](1.1)根据监测目标的空间相关性，设定变程和均方根误差阈值，根据变程对传感场进行子网络划分；
[0009](1.2)根据给定的/人工测量的传感区域内能量分布以及目标点分布，判断目标点分布位置，确定待部署区域和待部署子网络；
[0010](2)利用上述构建好的网络模型，考虑环境相关性构建整数线性规划可充电物联网节点优化部署模型，包括以下子步骤：
[0011](2.1)将整个传感场划分为多个子区域，每个子区域都有不同的能量分布，每个待部署的子网络中含有多个子区域，对于每一个待部署子网络，根据环境相关性和能量协同感测的性质，规定每个区域只可以放置一个节点；
[0012](2.2)根据可信信息覆盖的要求，结合实际场景参数定义目标点覆盖质量，判断节点协同感测数据是否满足要求；
[0013](3)利用贪婪和近似方法对提出的节点优化部署模型进行求解，包括以下子步骤：
[0014](3.1)设计构建基于可信信息覆盖的局部贪婪阈值近似算法对(2)中可充电物联网节点优化部署模型进行求解；
[0015](3.2)针对(3.1)中无法解决的部分问题以及存在的部分缺陷，设计构建基于可信信息覆盖的全局贪婪搜索算法对(2)中可充电物联网节点优化部署模型进行求解。
[0016]本专利技术的一个实施例中，所述步骤(1.1)具体为：根据可信信息覆盖中实际情况以及环境相关性设置CR变程，根据CR将传感场F划分成多个子网络，每个子网络大小为CR
×
CR；在每个子网络中，对于未被采样的空间点，采用普通克里金插值函数来计算重建点环境变量的估计值，即采用重建邻域D(k)内的传感器节点s
i
的测量值的加权平均来计算环境变量估计值；邻域内传感器节点的插值权重系数λ
i
满足n为重建邻域D(k)内的传感器节点s
i
的数量；
[0017]结合普通克里金插值函数计算重建点p的均方根误差Φ(k)，计算表达式为：其中和μ(k)通过拉格朗日乘数法求解；
[0018]根据可信信息覆盖模型的定义，若Φ(k)>ε，即均方根误差大于设定的覆盖阈值，则该子网格被覆盖，否则未被覆盖。
[0019]本专利技术的一个实施例中，所述和μ(k)通过拉格朗日乘数法求解，表达式如下所示：
[0020][0021]本专利技术的一个实施例中，所述步骤(1.2)具体为：将传感场F划分为子区域，用坐标b(x,y)表示每个子区域，r(x,y)为每个子区域的能量获取速率，部署在此区域内的传感器节点s
i
可以将该区域内获取的能量全部转换为电能储存节点中；根据需要监测的目标点集T所处位置，标记含有目标的子网络D(k)为待部署子网络，对于每一个目标点，E为覆盖质
量，即搜集一定数量的样本数所需的能量。
[0022]本专利技术的一个实施例中，所述步骤(2.2)具体为：将部署成本作为优化目标，c(x,y)代表每个子区域内放置传感器节点的数目，由于步骤(2.1)规定每个区域只可以放置一个节点，则c(x,y)＝{0,1}，假设在第k个重建邻域D(k)中有q个传感器节点，根据传感器节点的不同组合方式，传感器节点可以被划分为不同的组联合感测组数据，Sq
i
为用q个传感器节点集联合感测的集合，Z(S
k
,q)为q个传感器节点集合联合感测的全部组合，下例为对Z(S
k
,q)的详细解释：若S
k
＝{s1,s2,s3},q＝2，则Z(S
k
,2)＝{{s1,s2},{s1,s3},{s2,s3}}，Zset
k,q
为Z(S
k
,q)的集合，表示所有组合方式；
[0023]为了满足可信信息覆盖的覆盖要求，传感器传感的数据需要满足阈值要求Φ<ε的传感器集合称为可用传感器集合USq
i
，同理可表示U(S
k
,q)和Uset
k,q
；
[0024]当传感器节点协同感测时，数据生成速率等于数据生成速率最低的节点；
[0025]R(USq
i
)＝MIN{r(x,y)|c(x,y)∈USq
i
}
[0026]协同感知的所有数据之和必须满足目标的数据要求，即每组传感器的充电速率之和必须满足目标的充电速率要求E，其约束条件为：
[0027][0028]本专利技术的一个实施例中，
[0029]Sq
i
＝{s1,s2,...,s
q
}
[0030本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)结合环境能量分布和可信信息覆盖构建网络模型，包括以下子步骤：(1.1)根据监测目标的空间相关性，设定变程和均方根误差阈值，根据变程对传感场进行子网络划分；(1.2)根据给定的/人工测量的传感区域内能量分布以及目标点分布，判断目标点分布位置，确定待部署区域和待部署子网络；(2)利用上述构建好的网络模型，考虑环境相关性构建整数线性规划可充电物联网节点优化部署模型，包括以下子步骤：(2.1)将整个传感场划分为多个子区域，每个子区域都有不同的能量分布，每个待部署的子网络中含有多个子区域，对于每一个待部署子网络，根据环境相关性和能量协同感测的性质，规定每个区域只可以放置一个节点；(2.2)根据可信信息覆盖的要求，结合实际场景参数定义目标点覆盖质量，判断节点协同感测数据是否满足要求；(3)利用贪婪和近似方法对提出的节点优化部署模型进行求解，包括以下子步骤：(3.1)设计构建基于可信信息覆盖的局部贪婪阈值近似算法对(2)中可充电物联网节点优化部署模型进行求解；(3.2)针对(3.1)中无法解决的部分问题以及存在的部分缺陷，设计构建基于可信信息覆盖的全局贪婪搜索算法对(2)中可充电物联网节点优化部署模型进行求解。2.如权利要求1或2所述的基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法，其特征在于，所述步骤(1.1)具体为：根据可信信息覆盖中实际情况以及环境相关性设置CR变程，根据CR将传感场F划分成多个子网络，每个子网络大小为CR
×
CR；在每个子网络中，对于未被采样的空间点，采用普通克里金插值函数来计算重建点环境变量的估计值，即采用重建邻域D(k)内的传感器节点s
i
的测量值的加权平均来计算环境变量估计值；邻域内传感器节点的插值权重系数λ
i
满足n为重建邻域D(k)内的传感器节点s
i
的数量；结合普通克里金插值函数计算重建点p的均方根误差Φ(k)，计算表达式为：其中和μ(k)通过拉格朗日乘数法求解；根据可信信息覆盖模型的定义，若Φ(k)>ε，即均方根误差大于设定的覆盖阈值，则该子网格被覆盖，否则未被覆盖。3.如权利要求2所述的基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法，其特征在于，所述和μ(k)通过拉格朗日乘数法求解，表达式如下所示：
4.如权利要求1或2所述的基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法，其特征在于，所述步骤(1.2)具体为：将传感场F划分为子区域，用坐标b(x,y)表示每个子区域，r(x,y)为每个子区域的能量获取速率，部署在此区域内的传感器节点s
i
可以将该区域内获取的能量全部转换为电能储存节点中；根据需要监测的目标点集T所处位置，标记含有目标的子网络D(k)为待部署子网络，对于每一个目标点，E为覆盖质量，即搜集一定数量的样本数所需的能量。5.如权利要求1或2所述的基于可信信息覆盖的可充电物联网节点优化部署方法，其特征在于，所述步骤(2.2)具体为：将部署成本作为优化目标，c(x,y)代表每个子区域内放置传感器节点的数目，由于步骤(2.1)规定每个区域只可以放置一个节点，则c(x,y)＝{0,1}，假设在第k个重建邻域D(k)中有q个传感器节点，根据传感器节点的不同组合方式，传感器节点可以被划分为不同的组联合感测组数据，Sq
i
为用q个传感器节点集联合感测的集合，Z(S
k
,q)为q个传感器节点集合联...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓贤君，耿艺璇，金振坤，夏云芝，易灵芝，唐潇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：