傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器配置問題研究

李瑞正

【摘? 要】論文主要對傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的傳感器配置問題進(jìn)行論述與研究，對當(dāng)前信息研究領(lǐng)域當(dāng)中傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點進(jìn)行探討，然后就當(dāng)前大規(guī)模以及超大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置問題的相應(yīng)解決方法進(jìn)行論述。論文結(jié)合一些算法和方法，對其解決傳感器配置問題的可行性進(jìn)行論述。

【Abstract】The paper mainly discusses and studies the sensor placement problem in sensor networks， discusses the characteristics of sensor networks in the current information research field， and then discusses the corresponding solving methods to the current node placement problem in large-scale and super large-scale sensor networks. The paper combines some algorithms and methods and discusses their feasibility to solve the sensor placement problem.

【關(guān)鍵詞】傳感器網(wǎng)絡(luò);傳感器配置;問題;方法

【Keywords】sensor networks; sensor placement; problem; methods

【中圖分類號】TP212.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）02-0188-02

1 引言

傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前社會背景下最重要的技術(shù)之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)是由相互連接而且智能的傳感器所組成的，在連接的過程中可以通過無線方式進(jìn)行信息傳輸，或者依靠互聯(lián)網(wǎng)從而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于傳感器來講，可以在地面以及空中或者是水下進(jìn)行分布以及使用，所以對于當(dāng)前的日常生活、城市運轉(zhuǎn)和環(huán)境監(jiān)測與控制等工作發(fā)揮了非常重要的作用。所以在本文所論述的內(nèi)容中，就當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時存在的一些配置問題進(jìn)行深入探討。

2 傳感器配置問題概述

對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來講，如果規(guī)模比較大，那么面臨的最主要的問題就是在一些給定的區(qū)域，如何對傳感器的數(shù)量以及配置位置進(jìn)行確定，從而使信息獲取的效率能夠得到提升。在這種模式下，傳感器的配置能夠保證傳感器的網(wǎng)絡(luò)正常，在擁有全面覆蓋率和分辨率的情況下，使某項指標(biāo)能夠達(dá)到最優(yōu)或者是接近最優(yōu)的狀態(tài)。對于分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò)來講，就傳感器如何進(jìn)行配置而言，所采取的策略能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)的成本降到最低，這是最需要關(guān)注的問題。所以，對于傳感器的配置策略來講，需要將傳感器網(wǎng)絡(luò)分為兩種：第一種是隨機放置的網(wǎng)格狀，如果傳感器所處的環(huán)境本身是未知的，那么只能通過隨機放置的方法來完成傳感器的網(wǎng)絡(luò)配置;第二種情況就是，如果傳感器所監(jiān)測的對象已經(jīng)確定，而且對監(jiān)測對象的特性已經(jīng)明確，那么就可以將整個監(jiān)測環(huán)境劃分為特定的網(wǎng)格，然后將傳感器在這些網(wǎng)格節(jié)點上進(jìn)行配置，在進(jìn)行位置配置的過程中，放置策略將會對最終的傳感器監(jiān)測效果和網(wǎng)絡(luò)特性產(chǎn)生直接影響。

對于傳感器來講，在工作過程中，對于傳感器所監(jiān)測的區(qū)域，如果經(jīng)過了特殊的處理，那么可以將整個監(jiān)測區(qū)域分為二維或者是三維的網(wǎng)格，在網(wǎng)格當(dāng)中組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器就可以在網(wǎng)格的節(jié)點上進(jìn)行任意放置。所以，就可以進(jìn)行一個假設(shè)，假設(shè)存在一個覆蓋模型，如果某節(jié)點和傳感器之間的距離比傳感器的監(jiān)測半徑小，那么這一節(jié)點就是被傳感器監(jiān)測所覆蓋的節(jié)點，相反就是非覆蓋節(jié)點。所以對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來講，如果當(dāng)前所有的網(wǎng)格節(jié)點都能夠被至少一個傳感器所覆蓋，那么該傳感器網(wǎng)絡(luò)本身就已經(jīng)實現(xiàn)了完全覆蓋。

3 傳感器配置問題的建模與解決

在一般情況下，通過傳感器所組成的網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮監(jiān)測以及檢測等多項功能，在不同功能發(fā)揮過程中，會選擇擁有多種監(jiān)測范圍和檢測能力以及價格等都不相同的傳感器，所以，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來講，在監(jiān)測過程中如果選擇監(jiān)測范圍比較大的傳感器，那么相應(yīng)的價格成本也會提升，所以受到成本的限制，有一些傳感器在使用過程中會受到約束;如果在監(jiān)測過程中選擇監(jiān)測范圍比較小的傳感器，那么傳感器的數(shù)量就會增加。所以在進(jìn)行傳感器配置的過程中，需要擁有最優(yōu)的配置策略，從而使傳感器的配置成本降低，而且也能夠保證監(jiān)測和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在現(xiàn)有的研究工作當(dāng)中，主要對幾類覆蓋問題進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的解決方案。例如，采取Exposure對臨界密度進(jìn)行了研究，從而確定完全覆蓋時所需要的傳感器數(shù)量。再如，通過分布式自散步算法，對可移動傳感器動態(tài)配置過程中的問題進(jìn)行了解決。通過應(yīng)用覆蓋分析方法，以節(jié)點探測范圍為出發(fā)點，對單位圓盤覆蓋以及非單位圓盤覆蓋這兩類問題進(jìn)行解決。

對于傳感器的配置問題來講，在一些特定的情境下相當(dāng)于是藝術(shù)館的警報設(shè)置問題，在警報設(shè)置過程中，每一個警報器會根據(jù)自身所處的位置不同以及朝向不同發(fā)揮相應(yīng)的監(jiān)測作用及覆蓋相應(yīng)的監(jiān)測范圍，所以本身和傳感器具有相同之處。對藝術(shù)館來講，配置警報器的方案需要保證整個報警監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中的任意一個警報器失效時都能夠及時被確定并診斷出來。然后基于這一理論，相關(guān)學(xué)者在研究的過程中發(fā)現(xiàn)在有限拓?fù)涞那闆r下，能夠?qū)⑦@一問題通過編碼理論進(jìn)行有效解決，而且能夠基于這一理論，在有限拓?fù)涞那闆r下構(gòu)建擁有完全分辨能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)。此外，其他學(xué)者在進(jìn)行傳感器配置問題研究時，在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時，先提前設(shè)置了一些先決條件，例如，必須是有線拓?fù)涞?。而在實際的傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，這些設(shè)置的先決條件并不能夠完全滿足，如果這些條件不能滿足，那么對于構(gòu)造的算法來說，如果想要實現(xiàn)一些性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)是具有較高難度的，尤其是一些規(guī)模比較大的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

其實從本質(zhì)上來講，傳感器的配置問題可以通過一個組合優(yōu)化問題去解決，根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的不同工作要求，然后構(gòu)造擁有不同要求功能的網(wǎng)絡(luò)。例如，在統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的過程中，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有完全分辨能力以及具有高分辨能力，這兩種不同構(gòu)造方式本身對于節(jié)點之間的距離要求也具有很大的區(qū)別。在進(jìn)行傳感器配置問題解決的過程中，建設(shè)擁有安全分辨能力的網(wǎng)絡(luò)，主要解決的問題是如何將建造成本降低，而對于具有高分辨率的網(wǎng)絡(luò)來講，除了需要對成本問題予以解決之外，還需要考慮如何將傳感器的配置位置定位誤差降到最小。

4 依托約束傳播算法解決傳感器配置問題

在人工智能及計算機科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，有許多問題都可以歸結(jié)為約束滿足問題，例如，在研究領(lǐng)域當(dāng)中出現(xiàn)的機器視覺問題以及圖像處理問題等都可以歸結(jié)為約束滿足問題。而這些約束滿足問題都可以進(jìn)一步歸納為一組變量和對應(yīng)每個變量的有限且離散的值域以及一組約束關(guān)系，對每一個約束關(guān)系來講，都會在變量結(jié)合的一個子集上進(jìn)行定義，并且該子集的變量取值組合都已經(jīng)提前規(guī)定。通過這樣的方式就能夠使約束滿足，問題在解決的過程中能夠找到多種取值方案，使該問題當(dāng)中的所有約束關(guān)系都能夠獲得滿足。同時，為了能夠使約束滿足問題解決的復(fù)雜程度降低，引入了約束傳播算法，使問題的規(guī)模得到了縮小。在當(dāng)前約束傳播算法對傳感器配置問題進(jìn)行解決的過程中，以弧一致性算法和路徑一致性算法為基礎(chǔ)的傳播算法已經(jīng)變得越來越成熟。所以在當(dāng)前針對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器配置問題進(jìn)行解決時，為了能夠使最終配置方案達(dá)到最優(yōu)程度，依托約束傳播算法進(jìn)行配置問題的求解，已經(jīng)變得越來越普遍，同時，在一些其他的社會領(lǐng)域當(dāng)中，約束傳播算法的應(yīng)用效果良好，對社會和科技發(fā)展產(chǎn)生了推動作用。

5 結(jié)語

綜上所述，本文對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器配置問題進(jìn)行了全面剖析，希望能夠給予大家一些啟發(fā)，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的傳感器配置問題來講，主要目的是解決傳感器網(wǎng)絡(luò)在發(fā)揮檢測以及監(jiān)測功能時能否實現(xiàn)完全分辨的問題，實際問題解決過程中傳統(tǒng)的問題解決方法已經(jīng)漸漸落后，不能夠解決當(dāng)前的成本及網(wǎng)絡(luò)的配置問題，所以在本文所論述的內(nèi)容中，結(jié)合當(dāng)前科技發(fā)展水平以及傳感器網(wǎng)絡(luò)配置問題解決方案，對傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的傳感器配置問題解決進(jìn)行了深入探討。但本文所述內(nèi)容仍然具有一定局限性，需要后來者進(jìn)行不斷研究與探討。

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