工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法
【專利摘要】本發明公開了一種工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法，包括如下步驟：（1）區分出有毒氣體內的所有節點以及有毒氣體外的所有節點；（2）每個傳感器節點向自身一跳內所有鄰居節點廣播消息；（3）內邊界節點定位以及內邊界定位；（4）外邊界節點定位以及外邊界定位；（5）邊界Face面積區域定位；（6）邊界區域定位。本發明不僅能夠定位出有毒氣體的內外邊界節點，而且還能精確的定位出有毒氣體所在的邊界區域面積。
【專利說明】工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于工業無線傳感器網絡領域，具體的發明涉及一種工業廠區有毒氣體邊 界區域定位方法，將有毒氣體的邊界面積區域定位出來并報道，并且提高有毒氣體邊界區 域的定位精度。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著傳感器制造技術和無線網絡通信技術的發展和成熟，讓小型化、高集 成和多功能的傳感器節點的使用成為現實，在大型石化企業的生產過程中常常會伴隨著出 現各種各樣的有毒化學氣體，當這些有毒氣體達到一定濃度時，會威脅到一線工作人員的 生命安全以及以億元為單位的直接重大經濟損失，所以對泄漏的有毒氣體的檢測以及定位 是至關重要的。而且氣體不像液體有明確的邊界，氣體所需要解決的最主要的問題除了準 確檢測出氣體外，還要利用傳感器網絡來確定氣體的大致邊界區域，并通過一系列算法提 高邊界區域準確度。
[0003] 目前國內外針對邊界定位的相關研究文獻如下：
[0004]2〇〇8 年，Chang等人在《CODA:AContinuousObjetDetectionandTracking AlgorithmforWirelessAdHocSensorNetworks》中提出了允許每個傳感器節點在感測 范圍內探測和跟蹤移動目標的CODA策略，提出連續目標的邊界傳感器是由靜態簇群中的 簇頭決定的，而不是由多個傳感器經過大量的數據交換后決定的，能夠減少通信開銷和能 量損耗。但是CODA算法在前期的簇結構以及簇維護花費是很高的，而且它是基于凸包的算 法，在一些檢測凹的連續目標的時候不是特別準確可靠。
[0005] 2011 年，Luan等人在《ContinuousObjectTracinginWirelessSensor Networks》中提出了連續對象追蹤的RC0T算法，RC0T是第一個采用環網結構進行檢測跟監 控連續對象的邊界的理論算法，并且通過采用壓縮報告信息的大小來減少能量損耗。但是 他報告的是有毒氣體的內邊界節點，而不是有毒氣體的邊界所穿過的區域。
[0006] 2012年，Kim等人在《EfficientContinuousObjectTrackingwithVirtualGrid inWirelessSensorNetworks》中提出了用類似電視劇中像素分布成像的方案來檢測跟蹤 定位氣體目標。雖然報告有毒氣體邊界所穿過的區域面積，但是該方法假設的基于虛擬網 格的網絡模型太過于理想化，在許多實際應用中，例如在大型石化工廠中，基于網格的網絡 布置很難實現，而且該方案中的虛擬網格設置的密度直接影響到氣體邊界探測的精度。
[0007] 因此，目前關于邊界定位的文獻中普遍存在的問題是：
[0008] 大多數的關于連續物體定位算法都只是檢測出了內邊界節點，而不是目標物體所 在的區域，這對于氣體來說是毫無意義的。或者有些模型太過于理想化，現實中很難實現。


【發明內容】

[0009] 本發明的目的是為了解決目前在大型工業廠區中有毒氣體的定位算法在定位時 的不足之處，本發明的方法不僅可以檢測出有毒氣體，而且可以較為精確地定位出有毒氣 體所在的邊界區域。
[0010] 為了達到上述目的，本發明提供了基于平面化算法的有毒氣體邊界區域定位方 法。由于在廠區內無線傳感器節點是隨機分布式布置的，為了能讓各節點有效的連通并且 能夠高效節能，本發明選擇了用平面化算法使整個網絡連通。
[0011] 本發明的技術方案如下：
[0012] 一種工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法，包括如下步驟：
[0013] (1)、每個傳感器節點檢測自身是否感應到有毒氣體，區分出是有毒氣體內的所有 節點以及有毒氣體外的所有節點；
[0014] (2)、每個傳感器節點向自身一跳內所有鄰居節點廣播消息，所述節點廣播的信息 數據至少包括三種：節點的ID信息，節點的坐標信息以及節點是否感應到有毒氣體的信 息；
[0015] (3)、內邊界節點定位以及內邊界定位
[0016] 在所有有毒氣體內節點，根據收到一跳通信范圍內鄰居節點的信息中的是否感應 到有毒氣體的信息，判斷：
[0017] 3a、假設一個節點的所有鄰居節點都感應到有毒氣體，則該節點為普通有毒氣體 內節點，在計算中剔除；
[0018] 3b、假設一個節點接收到的所有鄰居節點的信息中至少有一個節點沒有感應到有 毒氣體，那么這個節點則為內邊界節點，并記錄相應的ID信息以及坐標信息；
[0019] 3c、根據邊界節點定位中步驟3b記錄的ID信息以及坐標信息，使內邊界節點形成 一個唯一的環形通路，稱為內邊界；
[0020] (4)、外邊界節點定位以及外邊界定位
[0021] 在所有有毒氣體外的節點中，根據收到一跳通信范圍內鄰居節點的信息包中的是 否感應到有毒氣體的信息，判斷 ：
[0022] 4a、假設一個節點的所有鄰居節點都沒有感應到有毒氣體，則該節點為普通的有 毒氣體外節點，在計算中剔除；
[0023] 4b、假設一個節點接收到的所有鄰居節點的信息中至少有一個節點有感應到有毒 氣體，那么這個節點則為外邊界節點，并記錄相應的ID信息以及坐標信息；
[0024] 4c、根據邊界節點定位中步驟4b記錄的ID信息、坐標信息以及存儲在基站中的整 個網絡節點連通的全局路由信息，使外邊界節點形成一個唯一的環形通路，稱為外邊界；
[0025] (5)、邊界Face面積區域定位
[0026] 根據內外邊界的節點信息以及存儲在基站中的整個網絡節點連通的全局路由信 息，相鄰并相連的兩個內邊界節點以及他們所對應的外邊界節點通過全局路由信息找彼 此相連的最短通路；
[0027] 假設兩個內邊界節點都只有一個外邊界節點，那么通過全局路由信息找到外邊界 節點相連的最短通路，之后與內外邊界節點相連所圍成的區域就為邊界Face面積區域；
[0028] 假設兩個內邊界節點都有2個以上的外邊界節點，那么通過全局路由信息計算， 其中一個內邊界節點的一個外邊界節點找另一個內邊界節點的外邊界節點的最短通路中 存在這個內邊界節點的其他外邊界節點，那么用通路中的外邊界節點替換之前的外邊界節 點；以此類推，2個外邊界節點相連的最短路徑內不包含其他的外邊界節點，則最短通路以 及內外邊界節點所圍成的區域為邊界Face面積區域；
[0029] (6)、邊界區域定位
[0030] 根據確定的內邊界和外邊界的信息，確定邊界區域，內邊界跟外邊界所圍成的中 間區域即為有毒氣體邊界區域。
[0031] 上述步驟3c中內邊界節點形成一個唯一的環形通路的方法為：
[0032] 每個內邊界節點必然都會連接且僅會連接其他2個內邊界節點，根據已知的坐標 信息，假設節點I的坐標為（xpyi)，其他節點的坐標為J(xj，yj)，計算I節點跟其他節點 距離

【權利要求】
1. 一種工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 、每個傳感器節點檢測自身是否感應到有毒氣體，區分出有毒氣體內的所有節點以 及有毒氣體外的所有節點； (2) 、每個傳感器節點向自身一跳傳播范圍內所有鄰居節點廣播消息，所述節點廣播的 信息數據至少包括三種：節點的ID信息，節點的坐標信息以及節點是否感應到有毒氣體的 信息； (3) 、內邊界節點定位以及內邊界定位 在所有有毒氣體內的節點，根據收到一跳范圍內鄰居節點的信息中的是否感應到有毒 氣體的信息，判斷： 3a、假設一個節點的所有鄰居節點都感應到有毒氣體，則該節點為普通有毒氣體內節 點，在計算中剔除； 3b、假設一個節點接收到的所有鄰居節點的信息中至少有一個節點沒有感應到有毒氣 體，那么這個節點則為內邊界節點，并記錄相應的ID信息以及坐標信息； 3c、根據邊界節點定位中步驟3b記錄的ID信息以及坐標信息，使內邊界節點形成一個 唯一的環形通路，稱為內邊界； (4) 、外邊界節點定位以及外邊界定位 在所有有毒氣體外的節點中，根據收到一跳廣播范圍內鄰居節點的信息包中的是否感 應到有毒氣體的信息，判斷： 4a、假設一個節點的所有鄰居節點都沒有感應到有毒氣體，則該節點為普通的有毒氣 體外節點，在計算中剔除； 4b、假設一個節點接收到的所有鄰居節點的信息中至少有一個節點有感應到有毒氣 體，那么這個節點則為外邊界節點，并記錄相應的ID信息以及坐標信息； 4c、根據邊界節點定位中步驟4b記錄的ID信息、坐標信息以及存儲在基站中的整個網 絡節點連通的全局路由信息，使外邊界節點形成一個唯一的環形通路，稱為外邊界； (5) 、邊界Face面積區域定位 根據內外邊界的節點信息以及存儲在基站中的整個網絡節點連通的全局路由信息， 相鄰并相連的兩個內邊界節點以及他們所對應的外邊界節點通過全局路由信息找彼此相 連的最短通路； 假設兩個內邊界節點都只有一個外邊界節點，那么通過全局路由信息找到外邊界節點 相連的最短通路，之后與內外邊界節點相連所圍成的區域就為邊界Face面積區域； 假設兩個內邊界節點都有2個以上的外邊界節點，那么通過全局路由信息計算，其中 一個內邊界節點的一個外邊界節點找另一個內邊界節點的外邊界節點的最短通路中存在 這個內邊界節點的其他外邊界節點，那么用通路中的外邊界節點替換之前的外邊界節點； 以此類推，2個外邊界節點相連的最短路徑內不包含其他的外邊界節點，則最短通路以及內 外邊界節點所圍成的區域為邊界Face面積區域； (6) 、邊界區域定位 根據確定的內邊界和外邊界的信息，確定邊界區域，內邊界跟外邊界所圍成的中間區 域即為有毒氣體邊界區域。
2. 根據權利要求1所述的工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法，其特征在于所述步驟 3c中內邊界節點形成一個唯一的環形通路的方法為： 每個內邊界節點必然都會連接且僅會連接其他2個內邊界節點，根據已知的坐標信 息，假設節點I的坐標為（Xi，Yi)，其他節點的坐標為J(X」，y」)，計算I節點跟其他節點距 離乂名-J/)2+(X-乃)2，取距離最小的2個節點相連，之后任意取一個方向依次類推進 行遞歸選擇，直到回到第一個節點，使所有內邊界節點形成一個唯一的環，稱為內邊界。
3.根據權利要求1所述的工業廠區有毒氣體邊界區域定位方法，其特征在于所述步驟 4c中內邊界節點形成一個唯一的環形通路的方法為： 假設兩個相鄰的外邊界節點需要相連，根據ID信息、坐標信息以及存儲在基站中的整 個網絡節點連通的全局路由信息，首先判斷是否在傳感器節點的一跳鄰居通信范圍內，如 果是則直接相連，如果不是，則再判斷兩個節點相連的最短路徑是否通過內邊界節點，如果 是則剔除這條通路，選擇除通過內邊界節點外的最短路徑，如果不是則選擇其為連接路徑， 依次類推使所有外邊界節點形成一個唯一的環形通路，稱為外邊界。
【文檔編號】H04W84/18GK104320822SQ201410588333
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】舒磊, 李浩波, 周長兵, 張峰 申請人:廣東石油化工學院