大规模三维移动传感器网络的远程监测拓扑可靠性研究

This project is set in the demand of remote ecological monitoring of Internet of things in Qilian Mountains, mainly studies the scheduling method of nodes without location information in wireless sensor network. A three-dimensional (3D) node scheduling algorithm based on neighbor node classification and the relative local density is proposed. In this project, we study the clustering topology control strategy of large scale 3D mobile sensor networks and establish the topological reliability model of 3D mobile sensor networks. In order to realize the high performance coverage in remote monitoring of three dimensional mobile sensor networks, we study the research on 3D coverage algorithm based on virtual force and area density. The research results of the project will bring new enlightenment for topological reliability, coverage control theory, and algorithm research in three-dimensional mobile sensor network. Also, it provides extremely positive impetus for promoting the development of the full coverage monitoring, such as target tracking, positioning and so on. In addition, the research results of this project will provide an important theoretical and practical reference value for topological reliability guarantee of remote real-time monitoring in remote large area Internet of things, such as agriculture, animal husbandry and forestry and other related industries.

本项目以祁连山物联网远程生态监测需求为背景，研究无位置信息的无线传感器网络节点调度方法，提出基于邻节点分类和相对局部密度的三维节点调度算法；研究大规模三维移动传感器网络的分簇拓扑控制策略，建立三维移动传感器网络拓扑可靠性模型；以实现三维移动传感器网络远程监测中高性能覆盖为目标，研究基于虚拟势力和区域密度的三维覆盖算法。项目的研究成果将为三维移动传感器网络的拓扑可靠性、覆盖控制理论及算法研究带来新的启示，对面向目标跟踪、定位等全方位覆盖监测的发展产生积极的推动作用，也对诸如农业、牧业和林业等相关行业的偏远大面积物联网远程实时监测的拓扑可靠性保障具有重要的理论和实际应用参考价值。

本项目以大规模生态环境物联网远程生态监测需求为背景，研究基于大规模三维移动传感器网络的远程监测拓扑可靠性。重点在以下3个方面进行了研究。.1.研究了无位置信息的无线传感器网络节点调度方法。模型将节点的邻居按距离分类，计算满足期望覆盖率要求所需要的每类邻居节点个数，并通过回退机制关闭冗余节点，根据节点的剩余能量、相对局部密度让冗余节点以概率竞争的方式休眠，研究基于邻居节点分类和相对局部密度的三维节点调度算法。.2.研究了大规模三维移动传感器网络的分簇拓扑控制策略。为了弥补全部由静态节点或动态节点构成的网络存在的缺陷与不足，引入Voronoi图划分整个部署区域。根据最小二乘法原理，利用静态节点构建基准栅栏线，提出了一种由静态节点和动态节点共同组成的混合网络部署机制。.3.以实现三维移动传感器网络远程监测中高性能覆盖为目标，在基于虚拟势力的三维覆盖算法基础上，通过划分区域，结合区域密度，研究基于虚拟势力和区域密度的三维覆盖算法。建立各区域密度和各区域重要程度的线性关系；计算整个区域的平均密度和各节点所在区域虚拟合力，据此重新调整节点部署范围。.课题组成员共发表学术论文53篇，其中，SCI收录数11篇，EI收录7篇。申请专利2项、软件著作权12项，参加国内国际会议82人次。培养青年骨干教师5名，硕士研究生30名。申请项目多项，包括国家自然科学基金一项（项目号：61762079）；甘肃省科技重点研发项目两项（项目号：1604FKCA097，17YF1GA015)；甘肃省科技创新项目一项（项目号：17CX2JA037）。获得甘肃省科技进步奖二、三等奖各一项。.为了将相关算法进行验证，课题组设计了“祁连山生态保护区哈溪示范点物联网综合监测平台”，将理论研究应用在祁连山生态保护区的生态环境监测示例中。同时课题组对研究设计的“基于物联网的甘肃省道地中药材质量安全跟踪系统”项目进行了更新维护，通过新的方法完善了在中药种植生产过程中相关生长环境数据的感知和管理体系。