基于Vicsek模型的DSDAC算法在電子柵欄覆蓋問題應用研究

王振滔 樓浩棟 鄭溫昊 王雨澤 索文騰 程宇軒

摘要：在傳感器電子柵欄覆蓋大體分為區域覆蓋、點覆蓋、柵欄覆蓋三類，需要解決傳感器部署和傳感器調度等問題。為了提高電子柵欄的監控質量，采用多層柵欄來增加臨界點被檢測到的幾率。本文研究基于Vicsek 模型基礎上，采用DSDAC算法覆蓋算法，在保證測試網絡連通的情況下進行仿真研究。本文將對 Vicsek 模型作相關介紹和分析，然后對現有基于 Vicsek 模型的DSDAC覆蓋算法進行理論分析和實驗仿真，并得出仿真結果。

關鍵詞：電子柵欄;DSDAC算法;Vicsek 模型

1 引言

無線傳感器電子柵欄覆蓋主要目的是起到優化和部署傳感器網絡資源，通過保證網絡連通的情況下進行監控目標區域。其中，無線傳感器電子柵欄的網絡部署的主要任務就是利用最少的傳感器網絡資源實現最大化最優的覆蓋效果。在實際應用工程中，研發機構為了節約成本，大多采用低價位低性能的基本完成需求的傳感器硬件，這類傳感器無論在計算性能、通信性能、感應性能、能量提供等諸多性能受到限制。因此大大增加集中控制模式實現網絡覆蓋局限性和困難性，尤其針對拓展和增容傳感器網絡，由于瓶頸所限難以實施。

傳感器電子柵欄采用的分布式算法，傳感器網絡中各個節點需要實時互換采集的信息，系統啟用后要保障傳感網絡實時連通。本文研究Vicsek模型是多智能監控系統中比較經典的一致性模型，模型系統中每個監測個體節點，能夠智能的根據系統領域中個體節點的信息自適應的更新本身的實時信息，通過系統各個節點的自適應信息更新最終使整個系統達到信息一致化。由于Vicsek模型的分布式特點，可以應用解決無線傳感器網絡電子柵欄的覆蓋問題。

2 Vicsek模型

Vicsek模型是由 Vicsek 等人于1995的文獻[1]中提出了一種由 N 個有自治性能的網絡個體節點組成的離散型系統，系統中，所有的網絡個體節點都采用相同的速率運動，同時網絡個體節點的初始時刻具有任意的運動方向，它是一種自運動收斂模型。隨著系統的運行進程，系統中的每個網絡個體節點的運動，會根據其鄰近的網絡個體節點的運動矢量的平均值進行不斷的自適應更新數據，最終達到系統中的所有網絡個體節點都具有一致的運動方向，即系統實現運動一致化。

Vicsek模型系統數學計算簡易，比較適合用于中小型傳感器網絡系統的組網監聽。Vicsek 模型工作原理：網絡系統中某個個體節點i的鄰居集合，是把該個體的當前位置做為集合的幾何中心，半徑為常數r 的圓內的所有個體節點組成。網絡中個體節點i的平均運動方向和運動位置，都可以通過Vicsek原始模型如公式1和公式2求得。

Vicsek模型通過系統運行后，保證多個個體節點的矢量運動的方向一致性，系統最終的收斂方向是不固定的，個體節點i的所有鄰近節點的平均運動方向如公式3所示。

3.Vicsek 模型電子柵欄的應用

無線傳感網絡中個體節點部署受到位置環境限制情況下更適合采用分布式算法，Vicsek 模型是一種多智能系統控制模型。本系統采用的是Teddy M. Cheng 和 Andrey V.Savkin[2]提出的DSDAC算法，將其應用于Vicsek模型下進行無線傳感網絡。系統測試仿真首先設定兩個模擬區域，區域里面各存放N個傳感器模擬個體節點，然后設定各節點的橫縱坐標的均值、方差、均值。各傳感器個體節點的初始方向角為0～180度之間隨機值。兩個區域的各傳感器節點編號后，設定各傳感器的感應半徑，各個傳感器的感應半徑相同。

系統仿真過程中，采集到的區域一中4個不同時刻的各個傳感器的X坐標、Y坐標、運動方向，見表1、表2、表3、表4中可以看到，對部分個體節點系統收斂的運動方向一致。

3.結論

在假設傳感器網絡保持聯通的情況下，經過測試得出結論，影響算法的收斂速度較大是傳感器感器通信半徑，通信半徑直接影響區域內的個體節點數量。在實驗中通過對傳感器的通信半徑設定初值為 2，3、4、5、6、7等進行實驗，其它參數不改變，與之前仿真相同。每次實驗中算法執行次數都以 10 為步長從 200 開始遞增。在實驗中，如果通信半徑過小，則不能構成電子柵欄，而隨著通信半徑的增加，收斂速度立式越短。經過實驗測試和仿真得出結論：當通信半徑較大時，某傳感器節點的相鄰個體節點集合元素增多，DSDAC算法收斂時效較快;當通信半徑變小的時候，傳感器節點的相鄰個體節點集合元素逐漸減少，系統的收斂速度較慢。通過上述實驗可知，基于Vicsek 模型的DSDAC算法仿真結果，當通信半徑合理時，應用在無線傳感器網絡，解決電子柵欄覆蓋問題是可行的。

參考文獻：

[1] T. Vicsek， A. Czirok， E.B. Jacob， et al. Novel type of phase transitions in a system of self-drivenparticles[C]. Physical Review Letters 75， 1995， pp. 1226C1229.

[2]范興剛 等.一種概率柵欄覆蓋模型及其構建算法.計算機研究與發展.2017， 54（5）

[3]黨小超 等.一種基于改進蟻群算法的三維K-柵欄覆蓋算法計算機工程2020， 46（2）

王振滔：衢州學院2018級電氣工程及其自動化本科學生。資助項目：衢州學院大學生科技創新項目（項目編號：Q20X051）