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随着嵌入式计算技术、无线通信技术、无线传感器网络技术和自动控制技术的飞速发展和日益成熟,物联网技术应运而生。该技术可以将人类生存的物理世界网络化、信息化、将分离的物理世界和信息空间互联整合,代表了未来网络的发展趋势。物联网技术有广泛的应用前景,可以应用于智慧城市、智能交通系统、健康监护、智能家居、国防军事、环境监控、工农业生产等领域。物联网技术基础理论和关键技术的研究具有重要的实际应用价值。在现有物联网系统的相关应用中,单纯的由感而知的网络系统已无法满足实际应用的需求,为了增强系统功能和体现系统的实际应用价值,需要将系统赋予一定的执行功能,使得系统同时具备一定的认知和执行的能力,通过利用获取到的感知信息去控制物理执行设备进行实时地执行操作,以改善系统周围物理环境的相关属性。因此,感执控制是物联网技术所关注的核心技术之一。目前在实际应用过程中,由于设备成本和环境因素的制约,系统部署的感知设备的数目往往是有限的,因此,在构成的网络为稀疏覆盖的网络环境下的研究工作就会面临以下挑战:(1)在感知设备数目有限的系统中,采用何种部署策略可以优化网络的感知效率;(2)在已有稀疏覆盖的网络环境下,采用何种覆盖策略可以提高网络的覆盖性能;(3)在感知信息受限的条件下,应当如何以此为依据控制和调度多执行设备的协同操作,从而提高系统的执行效率。
本文研究工作以实际物联网系统——太湖蓝藻监测与打捞系统为应用背景。由于受到工农业生产的污染,使得太湖水域会出现季节性的蓝藻爆发。为了降低蓝藻对整个太湖流域水质所产生的影响,利用物联网技术设计并开发了一套物联网环境监控系统用于监测和调度蓝藻打捞的工作。该系统主要由监测设备、执行设备、通信设备和控制决策设备共同组成。当湖面出现蓝藻爆发时,首先,监测设备通过实时地采集湖面的蓝藻信息并将该信息及时地传送到控制决策设备;其次,控制决策设备根据监测信息制定相应的蓝藻打捞任务并将任务有效地分配给各个执行设备(打捞船只);最后,打捞船只根据任务指示完成相应的蓝藻打捞工作。
针对以上物联网技术所面临的挑战以及达到实际物联网系统的应用目标,本文的研究工作主要围绕在感知设备数目受限条件下,如何设计有效合理的执行控制策略以增强系统的感知能力和提高系统的执行效率。本文将该问题分解为三部分研究内容:有限的感知设备如何进行合理的部署以实现最大化的覆盖性能;稀疏的网络覆盖环境下借助移动感知设备如何实现监测区域的完全覆盖;有限的感知信息环境下如何有效地提升执行设备的执行效能。前面的两部分内容是从网络部署和移动设备覆盖两个方面提升系统的感知能力,第三方面内容则是从控制调度多执行设备的协同工作来提高系统的执行效率。
本文的创新性工作主要包括如下三个方面:
1.针对感知设备数目受限的网络如何进行合理的部署,提出了面向稀疏网络的N节点覆盖问题,并针对该问题采用基于改进的遗传算法的部署策略以提高网络系统的覆盖性能。在有限感知设备的网络环境下,通过确定网络中N个感知设备的部署位置,以确保整个网络的覆盖性能达到最优。针对该问题提出了以获取监测对象的信息量作为衡量网络覆盖性能的标准,并构造出N节点的网络覆盖模型。在此基础上采用了改进的遗传算法作为设计该问题部署策略的启发式算法。实验结果证明本文提出的部署策略可以有效地提升稀疏网络的覆盖性能。在给出的监测对象分布模型中,本文提出的部署策略的平均覆盖性能分别优于贪婪部署策略、均匀部署策略和随机部署策略近22%,56%和82%。
2.针对网络稀疏覆盖环境下利用移动节点实现监测区域的完全覆盖,提出了移动全覆盖问题,并针对该问题提出了适用于多移动节点的分治移动策略以减少网络中移动设备的移动开销。在网络覆盖区域受限的环境下,为了提高网络系统的覆盖性能,使其能够获取整个监测环境的全局信息,需要借助一定数目的移动感知设备将未被监测到的区域进行移动覆盖。为了确保网络系统的覆盖性能同时尽可能降低移动节点的移动开销,提出了针对移动全覆盖问题的近似最优移动策略。经过理论证明,该移动策略的设计问题可以转化为中国邮递员问题。在此基础上采用分治的思想设计了全局移动方案和局部移动方案相结合的移动策略,从而实现多个移动设备协同移动感知,并降低节点间冗余位移的产生。实验结果证明本文提出的移动覆盖策略在达到一定区域覆盖率的基础上,其平均移动距离分别低于ZOOM移动策略和顺序扫描式的移动策略的37.5%和51.2%。
3.针对利用有限的感知信息实现执行设备高效的执行效能,提出了稀疏网络覆盖下的执行问题,并针对该问题设计了适用于多执行设备的调度策略以提高网络系统的执行效率。在感知信息受限的条件下,如何有效地利用现有的监测信息去控制网络系统中执行部件的执行操作。面对该问题提出了分级调度和分区治之的调度策略。该策略根据感知信息的不同类型采用分级调度的执行方式。当监测到的数据信息能够定量地分析监测对象的全局特征时,则采用全局调度策略;当感知信息只能定性地分析监测对象的特征时,则分别对划分后的各子区域采用局部调度策略。局部调度策略根据全局信息可知性又分为集中式调度方案和分布式调度方案。通过实验证明本文提出的集中式的调度执行策略平均打捞性能要优于分布式的调度移动策略12.8%,分别优于顺序执行的调度策略和随机调度策略的19.4%和29.9%。