基于Vicsek模型的DSDAC算法在电子栅栏覆盖问题应用研究

王振滔 楼浩栋 郑温昊 王雨泽 索文腾 程宇轩

摘要：在传感器电子栅栏覆盖大体分为区域覆盖、点覆盖、栅栏覆盖三类，需要解决传感器部署和传感器调度等问题。为了提高电子栅栏的监控质量，采用多层栅栏来增加临界点被检测到的几率。本文研究基于Vicsek 模型基础上，采用DSDAC算法覆盖算法，在保证测试网络连通的情况下进行仿真研究。本文将对 Vicsek 模型作相关介绍和分析，然后对现有基于 Vicsek 模型的DSDAC覆盖算法进行理论分析和实验仿真，并得出仿真结果。

关键词：电子栅栏;DSDAC算法;Vicsek 模型

1 引言

无线传感器电子栅栏覆盖主要目的是起到优化和部署传感器网络资源，通过保证网络连通的情况下进行监控目标区域。其中，无线传感器电子栅栏的网络部署的主要任务就是利用最少的传感器网络资源实现最大化最优的覆盖效果。在实际应用工程中，研发机构为了节约成本，大多采用低价位低性能的基本完成需求的传感器硬件，这类传感器无论在计算性能、通信性能、感应性能、能量提供等诸多性能受到限制。因此大大增加集中控制模式实现网络覆盖局限性和困难性，尤其针对拓展和增容传感器网络，由于瓶颈所限难以实施。

传感器电子栅栏采用的分布式算法，传感器网络中各个节点需要实时互换采集的信息，系统启用后要保障传感网络实时连通。本文研究Vicsek模型是多智能监控系统中比较经典的一致性模型，模型系统中每个监测个体节点，能够智能的根据系统领域中个体节点的信息自适应的更新本身的实时信息，通过系统各个节点的自适应信息更新最终使整个系统达到信息一致化。由于Vicsek模型的分布式特点，可以应用解决无线传感器网络电子栅栏的覆盖问题。

2 Vicsek模型

Vicsek模型是由 Vicsek 等人于1995的文献[1]中提出了一种由 N 个有自治性能的网络个体节点组成的离散型系统，系统中，所有的网络个体节点都采用相同的速率运动，同时网络个体节点的初始时刻具有任意的运动方向，它是一种自运动收敛模型。随着系统的运行进程，系统中的每个网络个体节点的运动，会根据其邻近的网络个体节点的运动矢量的平均值进行不断的自适应更新数据，最终达到系统中的所有网络个体节点都具有一致的运动方向，即系统实现运动一致化。

Vicsek模型系统数学计算简易，比较适合用于中小型传感器网络系统的组网监听。Vicsek 模型工作原理：网络系统中某个个体节点i的邻居集合，是把该个体的当前位置做为集合的几何中心，半径为常数r 的圆内的所有个体节点组成。网络中个体节点i的平均运动方向和运动位置，都可以通过Vicsek原始模型如公式1和公式2求得。

Vicsek模型通过系统运行后，保证多个个体节点的矢量运动的方向一致性，系统最终的收敛方向是不固定的，个体节点i的所有邻近节点的平均运动方向如公式3所示。

3.Vicsek 模型电子栅栏的应用

无线传感网络中个体节点部署受到位置环境限制情况下更适合采用分布式算法，Vicsek 模型是一种多智能系统控制模型。本系统采用的是Teddy M. Cheng 和 Andrey V.Savkin[2]提出的DSDAC算法，将其应用于Vicsek模型下进行无线传感网络。系统测试仿真首先设定两个模拟区域，区域里面各存放N个传感器模拟个体节点，然后设定各节点的横纵坐标的均值、方差、均值。各传感器个体节点的初始方向角为0～180度之间随机值。两个区域的各传感器节点编号后，设定各传感器的感应半径，各个传感器的感应半径相同。

系统仿真过程中，采集到的区域一中4个不同时刻的各个传感器的X坐标、Y坐标、运动方向，见表1、表2、表3、表4中可以看到，对部分个体节点系统收敛的运动方向一致。

3.结论

在假设传感器网络保持联通的情况下，经过测试得出结论，影响算法的收敛速度较大是传感器感器通信半径，通信半径直接影响区域内的个体节点数量。在实验中通过对传感器的通信半径设定初值为 2，3、4、5、6、7等进行实验，其它参数不改变，与之前仿真相同。每次实验中算法执行次数都以 10 为步长从 200 开始递增。在实验中，如果通信半径过小，则不能构成电子栅栏，而随着通信半径的增加，收敛速度立式越短。经过实验测试和仿真得出结论：当通信半径较大时，某传感器节点的相邻个体节点集合元素增多，DSDAC算法收敛时效较快;当通信半径变小的时候，传感器节点的相邻个体节点集合元素逐渐减少，系统的收敛速度较慢。通过上述实验可知，基于Vicsek 模型的DSDAC算法仿真结果，当通信半径合理时，应用在无线传感器网络，解决电子栅栏覆盖问题是可行的。

参考文献：

[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]范興刚 等.一种概率栅栏覆盖模型及其构建算法.计算机研究与发展.2017， 54（5）

[3]党小超 等.一种基于改进蚁群算法的三维K-栅栏覆盖算法计算机工程2020， 46（2）

王振滔：衢州学院2018级电气工程及其自动化本科学生。资助项目：衢州学院大学生科技创新项目（项目编号：Q20X051）