工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法，包括如下步驟：（1）區(qū)分出有毒氣體內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)以及有毒氣體外的所有節(jié)點(diǎn)；（2）每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向自身一跳內(nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息；（3）內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)定位以及內(nèi)邊界定位；（4）外邊界節(jié)點(diǎn)定位以及外邊界定位；（5）邊界Face面積區(qū)域定位；（6）邊界區(qū)域定位。本發(fā)明不僅能夠定位出有毒氣體的內(nèi)外邊界節(jié)點(diǎn)，而且還能精確的定位出有毒氣體所在的邊界區(qū)域面積。
【專利說明】工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體的發(fā)明涉及一種工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊 界區(qū)域定位方法，將有毒氣體的邊界面積區(qū)域定位出來并報(bào)道，并且提高有毒氣體邊界區(qū) 域的定位精度。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著傳感器制造技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和成熟，讓小型化、高集 成和多功能的傳感器節(jié)點(diǎn)的使用成為現(xiàn)實(shí)，在大型石化企業(yè)的生產(chǎn)過程中常常會(huì)伴隨著出 現(xiàn)各種各樣的有毒化學(xué)氣體，當(dāng)這些有毒氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)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(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)泄漏的有毒氣體的檢測(cè)以及定位 是至關(guān)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(zhǔn) 確檢測(cè)出氣體外，還要利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來確定氣體的大致邊界區(qū)域，并通過一系列算法提 高邊界區(qū)域準(zhǔn)確度。
[0003] 目前國內(nèi)外針對(duì)邊界定位的相關(guān)研究文獻(xiàn)如下：
[0004]2〇〇8 年，Chang等人在《CODA:AContinuousObjetDetectionandTracking AlgorithmforWirelessAdHocSensorNetworks》中提出了允許每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在感測(cè) 范圍內(nèi)探測(cè)和跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的CODA策略，提出連續(xù)目標(biāo)的邊界傳感器是由靜態(tài)簇群中的 簇頭決定的，而不是由多個(gè)傳感器經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)以及簇維護(hù)花費(fèi)是很高的，而且它是基于凸包的算 法，在一些檢測(cè)凹的連續(xù)目標(biāo)的時(shí)候不是特別準(zhǔn)確可靠。
[0005] 2011 年，Luan等人在《ContinuousObjectTracinginWirelessSensor Networks》中提出了連續(xù)對(duì)象追蹤的RC0T算法，RC0T是第一個(gè)采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)跟監(jiān) 控連續(xù)對(duì)象的邊界的理論算法，并且通過采用壓縮報(bào)告信息的大小來減少能量損耗。但是 他報(bào)告的是有毒氣體的內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，而不是有毒氣體的邊界所穿過的區(qū)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(cè)跟蹤 定位氣體目標(biāo)。雖然報(bào)告有毒氣體邊界所穿過的區(qū)域面積，但是該方法假設(shè)的基于虛擬網(wǎng) 格的網(wǎng)絡(luò)模型太過于理想化，在許多實(shí)際應(yīng)用中，例如在大型石化工廠中，基于網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò) 布置很難實(shí)現(xiàn)，而且該方案中的虛擬網(wǎng)格設(shè)置的密度直接影響到氣體邊界探測(cè)的精度。
[0007] 因此，目前關(guān)于邊界定位的文獻(xiàn)中普遍存在的問題是：
[0008] 大多數(shù)的關(guān)于連續(xù)物體定位算法都只是檢測(cè)出了內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，而不是目標(biāo)物體所 在的區(qū)域，這對(duì)于氣體來說是毫無意義的?；蛘哂行┠Ｐ吞^于理想化，現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是為了解決目前在大型工業(yè)廠區(qū)中有毒氣體的定位算法在定位時(shí) 的不足之處，本發(fā)明的方法不僅可以檢測(cè)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(qū)域。
[0010] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了基于平面化算法的有毒氣體邊界區(qū)域定位方 法。由于在廠區(qū)內(nèi)無線傳感器節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布式布置的，為了能讓各節(jié)點(diǎn)有效的連通并且 能夠高效節(jié)能，本發(fā)明選擇了用平面化算法使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0012] 一種工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法，包括如下步驟：
[0013] (1)、每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)自身是否感應(yīng)到有毒氣體，區(qū)分出是有毒氣體內(nèi)的所有 節(jié)點(diǎn)以及有毒氣體外的所有節(jié)點(diǎn)；
[0014] (2)、每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向自身一跳內(nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息，所述節(jié)點(diǎn)廣播的信息 數(shù)據(jù)至少包括三種：節(jié)點(diǎn)的ID信息，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及節(jié)點(diǎn)是否感應(yīng)到有毒氣體的信 息；
[0015] (3)、內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)定位以及內(nèi)邊界定位
[0016] 在所有有毒氣體內(nèi)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)收到一跳通信范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息中的是否感應(yīng) 到有毒氣體的信息，判斷：
[0017] 3a、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都感應(yīng)到有毒氣體，則該節(jié)點(diǎn)為普通有毒氣體 內(nèi)節(jié)點(diǎn)，在計(jì)算中剔除；
[0018] 3b、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的信息中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有感應(yīng)到有 毒氣體，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)則為內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，并記錄相應(yīng)的ID信息以及坐標(biāo)信息；
[0019] 3c、根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)定位中步驟3b記錄的ID信息以及坐標(biāo)信息，使內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)形成 一個(gè)唯一的環(huán)形通路，稱為內(nèi)邊界；
[0020] (4)、外邊界節(jié)點(diǎn)定位以及外邊界定位
[0021] 在所有有毒氣體外的節(jié)點(diǎn)中，根據(jù)收到一跳通信范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息包中的是 否感應(yīng)到有毒氣體的信息，判斷 ：
[0022] 4a、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都沒有感應(yīng)到有毒氣體，則該節(jié)點(diǎn)為普通的有 毒氣體外節(jié)點(diǎn)，在計(jì)算中剔除；
[0023] 4b、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的信息中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有感應(yīng)到有毒 氣體，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)則為外邊界節(jié)點(diǎn)，并記錄相應(yīng)的ID信息以及坐標(biāo)信息；
[0024] 4c、根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)定位中步驟4b記錄的ID信息、坐標(biāo)信息以及存儲(chǔ)在基站中的整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通的全局路由信息，使外邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)形通路，稱為外邊界；
[0025] (5)、邊界Face面積區(qū)域定位
[0026] 根據(jù)內(nèi)外邊界的節(jié)點(diǎn)信息以及存儲(chǔ)在基站中的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通的全局路由信 息，相鄰并相連的兩個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)以及他們所對(duì)應(yīng)的外邊界節(jié)點(diǎn)通過全局路由信息找彼 此相連的最短通路；
[0027] 假設(shè)兩個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)外邊界節(jié)點(diǎn)，那么通過全局路由信息找到外邊界 節(jié)點(diǎn)相連的最短通路，之后與內(nèi)外邊界節(jié)點(diǎn)相連所圍成的區(qū)域就為邊界Face面積區(qū)域；
[0028] 假設(shè)兩個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)都有2個(gè)以上的外邊界節(jié)點(diǎn)，那么通過全局路由信息計(jì)算， 其中一個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)的一個(gè)外邊界節(jié)點(diǎn)找另一個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)的外邊界節(jié)點(diǎn)的最短通路中 存在這個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)的其他外邊界節(jié)點(diǎn)，那么用通路中的外邊界節(jié)點(diǎn)替換之前的外邊界節(jié) 點(diǎn)；以此類推，2個(gè)外邊界節(jié)點(diǎn)相連的最短路徑內(nèi)不包含其他的外邊界節(jié)點(diǎn)，則最短通路以 及內(nèi)外邊界節(jié)點(diǎn)所圍成的區(qū)域?yàn)檫吔鏔ace面積區(qū)域；
[0029] (6)、邊界區(qū)域定位
[0030] 根據(jù)確定的內(nèi)邊界和外邊界的信息，確定邊界區(qū)域，內(nèi)邊界跟外邊界所圍成的中 間區(qū)域即為有毒氣體邊界區(qū)域。
[0031] 上述步驟3c中內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)形通路的方法為：
[0032] 每個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)必然都會(huì)連接且僅會(huì)連接其他2個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，根據(jù)已知的坐標(biāo) 信息，假設(shè)節(jié)點(diǎn)I的坐標(biāo)為（xpyi)，其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為J(xj，yj)，計(jì)算I節(jié)點(diǎn)跟其他節(jié)點(diǎn) 距離

【權(quán)利要求】
1. 一種工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 、每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)自身是否感應(yīng)到有毒氣體，區(qū)分出有毒氣體內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)以 及有毒氣體外的所有節(jié)點(diǎn)； (2) 、每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向自身一跳傳播范圍內(nèi)所有鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息，所述節(jié)點(diǎn)廣播的 信息數(shù)據(jù)至少包括三種：節(jié)點(diǎn)的ID信息，節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及節(jié)點(diǎn)是否感應(yīng)到有毒氣體的 信息； (3) 、內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)定位以及內(nèi)邊界定位 在所有有毒氣體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)收到一跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息中的是否感應(yīng)到有毒 氣體的信息，判斷： 3a、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都感應(yīng)到有毒氣體，則該節(jié)點(diǎn)為普通有毒氣體內(nèi)節(jié) 點(diǎn)，在計(jì)算中剔除； 3b、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的信息中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有感應(yīng)到有毒氣 體，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)則為內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，并記錄相應(yīng)的ID信息以及坐標(biāo)信息； 3c、根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)定位中步驟3b記錄的ID信息以及坐標(biāo)信息，使內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè) 唯一的環(huán)形通路，稱為內(nèi)邊界； (4) 、外邊界節(jié)點(diǎn)定位以及外邊界定位 在所有有毒氣體外的節(jié)點(diǎn)中，根據(jù)收到一跳廣播范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)的信息包中的是否感 應(yīng)到有毒氣體的信息，判斷： 4a、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有鄰居節(jié)點(diǎn)都沒有感應(yīng)到有毒氣體，則該節(jié)點(diǎn)為普通的有毒氣 體外節(jié)點(diǎn)，在計(jì)算中剔除； 4b、假設(shè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的信息中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)有感應(yīng)到有毒氣 體，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)則為外邊界節(jié)點(diǎn)，并記錄相應(yīng)的ID信息以及坐標(biāo)信息； 4c、根據(jù)邊界節(jié)點(diǎn)定位中步驟4b記錄的ID信息、坐標(biāo)信息以及存儲(chǔ)在基站中的整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通的全局路由信息，使外邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)形通路，稱為外邊界； (5) 、邊界Face面積區(qū)域定位 根據(jù)內(nèi)外邊界的節(jié)點(diǎn)信息以及存儲(chǔ)在基站中的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通的全局路由信息， 相鄰并相連的兩個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)以及他們所對(duì)應(yīng)的外邊界節(jié)點(diǎn)通過全局路由信息找彼此相 連的最短通路； 假設(shè)兩個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)都只有一個(gè)外邊界節(jié)點(diǎn)，那么通過全局路由信息找到外邊界節(jié)點(diǎn) 相連的最短通路，之后與內(nèi)外邊界節(jié)點(diǎn)相連所圍成的區(qū)域就為邊界Face面積區(qū)域； 假設(shè)兩個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)都有2個(gè)以上的外邊界節(jié)點(diǎn)，那么通過全局路由信息計(jì)算，其中 一個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)的一個(gè)外邊界節(jié)點(diǎn)找另一個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)的外邊界節(jié)點(diǎn)的最短通路中存在 這個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)的其他外邊界節(jié)點(diǎn)，那么用通路中的外邊界節(jié)點(diǎn)替換之前的外邊界節(jié)點(diǎn)； 以此類推，2個(gè)外邊界節(jié)點(diǎn)相連的最短路徑內(nèi)不包含其他的外邊界節(jié)點(diǎn)，則最短通路以及內(nèi) 外邊界節(jié)點(diǎn)所圍成的區(qū)域?yàn)檫吔鏔ace面積區(qū)域； (6) 、邊界區(qū)域定位 根據(jù)確定的內(nèi)邊界和外邊界的信息，確定邊界區(qū)域，內(nèi)邊界跟外邊界所圍成的中間區(qū) 域即為有毒氣體邊界區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法，其特征在于所述步驟 3c中內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)形通路的方法為： 每個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)必然都會(huì)連接且僅會(huì)連接其他2個(gè)內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，根據(jù)已知的坐標(biāo)信 息，假設(shè)節(jié)點(diǎn)I的坐標(biāo)為（Xi，Yi)，其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為J(X」，y」)，計(jì)算I節(jié)點(diǎn)跟其他節(jié)點(diǎn)距 離乂名-J/)2+(X-乃)2，取距離最小的2個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，之后任意取一個(gè)方向依次類推進(jìn) 行遞歸選擇，直到回到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使所有內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)，稱為內(nèi)邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)廠區(qū)有毒氣體邊界區(qū)域定位方法，其特征在于所述步驟 4c中內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)形通路的方法為： 假設(shè)兩個(gè)相鄰的外邊界節(jié)點(diǎn)需要相連，根據(jù)ID信息、坐標(biāo)信息以及存儲(chǔ)在基站中的整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通的全局路由信息，首先判斷是否在傳感器節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居通信范圍內(nèi)，如 果是則直接相連，如果不是，則再判斷兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的最短路徑是否通過內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)，如果 是則剔除這條通路，選擇除通過內(nèi)邊界節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)形成一個(gè)唯一的環(huán)形通路，稱為外邊界。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK104320822SQ201410588333
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】舒磊, 李浩波, 周長(zhǎng)兵, 張峰 申請(qǐng)人:廣東石油化工學(xué)院