劉紅蕾，張峰，谷峪，鮑玉斌，李芳芳，于戈

（1.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)軟件與理論研究所，遼寧，沈陽(yáng) 110819；2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171）

隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳感器硬件設(shè)備的感知精度、自適應(yīng)能力均得到了大幅提升，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范疇越來(lái)越廣闊。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要線纜等基礎(chǔ)設(shè)施 （Akyildiz et al，2002；任豐源等，2003） 較好地克服了人工方式現(xiàn)場(chǎng)工作量大和無(wú)法保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效性的缺點(diǎn)，非常適合針對(duì)海洋等復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)任務(wù)。但由于傳感節(jié)點(diǎn)本身的能量限制和位置分布并不均勻，目標(biāo)區(qū)域內(nèi)不同位置的被感知和估算的環(huán)境信息在可用性方面差異較大；此外，節(jié)點(diǎn)的位置不可避免地會(huì)受到海洋復(fù)雜環(huán)境的影響而改變，從而導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域感知數(shù)據(jù)可用性的動(dòng)態(tài)變化。綜上，面向海洋應(yīng)用的特點(diǎn)，建立高效的時(shí)空模型對(duì)感知數(shù)據(jù)可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而獲取高質(zhì)量的可用信息成為亟待解決的問(wèn)題（鄭琳等，2014）。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本文充分分析了傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取模型，能量消耗模型，還進(jìn)一步針對(duì)海水的流動(dòng)性，引入改進(jìn)的Leeway 漂流模型，對(duì)隨機(jī)部署在海洋表面的傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行建模，使其能夠更加真實(shí)地反映海洋環(huán)境。進(jìn)一步從數(shù)據(jù)的可靠性和時(shí)效性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，探索了在保證數(shù)據(jù)可用性前提下的高質(zhì)量數(shù)據(jù)源選擇方法及航行路線評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)展示了采用的模型對(duì)上述應(yīng)用的有效支持。

1 相關(guān)模型

為了通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取海洋數(shù)據(jù)信息，本文引入了相適宜的傳感器節(jié)點(diǎn)的感知模型和能量消耗模型。同時(shí)，考慮到WSN（Wireless Sensor Network） 在復(fù)雜的海洋環(huán)境中的移動(dòng)性，引入了海洋搜索中常用的改進(jìn)的Leeway 模型來(lái)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行建模。接下來(lái)，本節(jié)就將介紹這3 個(gè)模型，為傳感數(shù)據(jù)可用性評(píng)價(jià)技術(shù)的提出奠定基礎(chǔ)。

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的感知模型

1.1.1 概率感知模型

在傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，主要有兩類(lèi)感知模型（Yao et al, 2009）：一種是確定性感知模型（deterministic sensing model），如Boolean sensing model；一種是概率感知模型，包括Shadow-fading sensing model （Patwari et al, 2003） , Elfes sensing model （Savvide et al, 2001） 等。Boolean sensing model 是一種較為簡(jiǎn)單的感知模型，在傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中應(yīng)用普遍。相對(duì)而言，概率感知模型能夠更為準(zhǔn)確地表示出節(jié)點(diǎn)的感知特性。本文所采用的便是概率模型中的一種，即Elfes sensing model。

根據(jù)Elfes sensing model 的描述，一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠探測(cè)到距它的距離為d 的事件的概率為：

其中，R1為傳感器節(jié)點(diǎn)的感知范圍。參數(shù)λ和γ 的值由節(jié)點(diǎn)的物理特性決定。Rmax是節(jié)點(diǎn)的最大感知范圍。這是一種較為普遍的感知模型，因?yàn)楫?dāng)R1= Rmax時(shí)，該模型即變?yōu)锽oolean sensing model。Yao 等（2009） 將這個(gè)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化：

在本文之后的研究和實(shí)驗(yàn)中，采用的便是這種簡(jiǎn)化的Elfes sensing model。

1.1.2 聯(lián)合探測(cè)概率

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)目標(biāo)往往可以被多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)感知，故而對(duì)該目標(biāo)的探測(cè)是這些傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同作用的結(jié)果。因此，在對(duì)感知目標(biāo)的有效探測(cè)概率進(jìn)行計(jì)算時(shí)應(yīng)采用聯(lián)合探測(cè)概率。

假設(shè)S= {s1，s2，…，sn} 為所有可以對(duì)點(diǎn)Pj進(jìn)行感知的傳感器節(jié)點(diǎn)集合，則點(diǎn)Pj可被傳感器網(wǎng)絡(luò)探測(cè)到的概率為：

其中，p（i，j）為傳感器節(jié)點(diǎn)Si對(duì)點(diǎn)Pj的探測(cè)概率。根據(jù)上式，可對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的探測(cè)概率分布進(jìn)行計(jì)算。

1.2 能量消耗模型

1.2.1 相關(guān)假設(shè)

對(duì)研究的傳感器網(wǎng)絡(luò)做如下假設(shè)：

a） 假設(shè)各節(jié)點(diǎn)的位置已知，因?yàn)楝F(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)已十分成熟（Jain et al，2006；Erdun et al，2009；Wang et al，2007）。

b） 假設(shè)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的，具有相同的工作參數(shù)和初始能量。

c） 假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)均產(chǎn)生和發(fā)送l比特?cái)?shù)據(jù)。為了便于研究，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)采用單跳方式傳輸數(shù)據(jù)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)直接向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

d） 假設(shè)匯聚節(jié)點(diǎn)的能量足夠多，不會(huì)在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)因能量耗盡而死亡。

網(wǎng)絡(luò)以周期性的方式工作，一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)完成對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集，并將所獲得的數(shù)據(jù)包發(fā)往基站。

1.2.2 能耗模型

采用Wang 等（2001） 提出的模型來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的能量消耗，該模型也是目前多數(shù)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)能耗問(wèn)題的研究所采用的。該模型根據(jù)發(fā)送方和接收方的距離d，設(shè)定一個(gè)閾值d0，近距離傳輸（d

式中：Eelec表示發(fā)射裝置和接收電路每發(fā)送或接收單位比特的耗能。ETx（l，d）是發(fā)送端向距離d 發(fā)送l比特的數(shù)據(jù)所消耗的能量。ERx（l）是接收端接受l比特?cái)?shù)據(jù)所消耗的能量。而放大器能量εfs·d2和εfs·d4由到接收器的距離和能夠接受的比特誤差率決定。對(duì)于本文中的實(shí)驗(yàn)，通信能量參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 能耗模型參數(shù)

進(jìn)一步地，對(duì)到匯聚節(jié)點(diǎn)距離不同的傳感器節(jié)點(diǎn)的工作壽命進(jìn)行分析。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為E0，網(wǎng)絡(luò)的工作周期為T(mén)，則節(jié)點(diǎn)Sk的工作壽命即傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間Tlast（Sk）計(jì)算公式如下：

1.3 海洋背景WSN 運(yùn)動(dòng)模型

區(qū)別于陸地，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署及網(wǎng)絡(luò)性能均會(huì)受到海面環(huán)境的影響。從而傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的感知數(shù)據(jù)的可用性也會(huì)隨著逐漸改變。因此本文引入了劉磊（2012） 中的改進(jìn)的Leeway 漂流模型，對(duì)隨機(jī)部署在海洋表面的傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行建模，從而能更準(zhǔn)確地建立傳感數(shù)據(jù)的可用性的評(píng)估模型，反映真實(shí)的海洋環(huán)境狀況。

1.3.1 改進(jìn)的Leeway 模型介紹

通過(guò)查閱可知，傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為：

這里（X0，Y0）為節(jié)點(diǎn)初始位置， X（Δt）(Y（Δt )）為經(jīng)過(guò)Δt 時(shí)間后的位置，vx，vy為速度在x和y 方向上的分量。θ=2π[R]01表示水平擴(kuò)散方向的隨機(jī)性，為0 和1 之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定，σ=0.1～1 m2/sec2，T=Δt/2， Δt 為選取的時(shí)間間隔，dw 服從均值為0，2Δt 方差為的正態(tài)分布，取值概率滿足式1-8。

1.3.2 改進(jìn)的Leeway 模型的仿真

仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)

設(shè)定海況為3 級(jí)以下，海表面風(fēng)速在1.5 ～2.0 m/s，傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)情況如圖1 所示。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在1 000×1000（m2） 的監(jiān)測(cè)海域內(nèi)。最小圓圈內(nèi)的點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)的初始位置，星號(hào)為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置（分別是2、4、6…20、22、24 小時(shí)后節(jié)點(diǎn)的位置）。

整個(gè)光合作用途徑的轉(zhuǎn)變是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，涉及到很多基因。而光合作用途徑的轉(zhuǎn)變是可逆的，在去除鹽脅迫后，PEP羧化酶的轉(zhuǎn)錄和酶活均大幅度下降［40］。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)狀況決定于風(fēng)海流和潮流，隨著時(shí)間的推移，節(jié)點(diǎn)逐漸偏移初始位置。由于潮流的作用偏移量沒(méi)有一直增加，每當(dāng)潮流方向改變1次，偏移量也會(huì)改變，同時(shí)，擴(kuò)散作用也越來(lái)越明顯，網(wǎng)絡(luò)成散開(kāi)狀，節(jié)點(diǎn)之間的距離在逐漸的增加。這兩點(diǎn)從圖1.1 中也可以看出來(lái)，圖1.1（a）中，節(jié)點(diǎn)逐漸偏離初始位置，而接下來(lái)的（b）、（c）、（d） 偏移量并沒(méi)有按照這種趨勢(shì)一直增加，擴(kuò)散作用越來(lái)越明顯，網(wǎng)絡(luò)成散開(kāi)狀。因此，不同于在陸地上部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在海洋上，風(fēng)海流和潮流作為主要影響因素，導(dǎo)致無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)偏移和擴(kuò)散影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的感知能力，進(jìn)而影響了傳感數(shù)據(jù)的可用性，導(dǎo)致傳感數(shù)據(jù)的可用性具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。

圖1 傳感器的運(yùn)動(dòng)情況

2 傳感數(shù)據(jù)可用性的評(píng)價(jià)

本節(jié)將綜合考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的感知能力、能量消耗和海洋中節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型，針對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量中的數(shù)據(jù)可用性，建立面向海洋應(yīng)用的傳感數(shù)據(jù)可用性綜合評(píng)判指標(biāo)及方法，主要從數(shù)據(jù)的可靠性和時(shí)效性?xún)蓚€(gè)方面對(duì)傳感數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

假定同一監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的同構(gòu)數(shù)據(jù)源在系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)是同步的，則每個(gè)時(shí)間片內(nèi)n 個(gè)同構(gòu)數(shù)據(jù)源共同產(chǎn)生多源多模態(tài)數(shù)據(jù)。假設(shè)目標(biāo)區(qū)域大小為S× S，將其分成N × N 個(gè)小方格，設(shè)gij（1 ≤i ≤N，1 ≤j ≤N） 為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的一個(gè)小方格，設(shè)S= {s1，s2，…，sn} 為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)可以進(jìn)行感知的所有傳感器節(jié)點(diǎn)的集合，則傳感數(shù)據(jù)的可靠性和時(shí)效性的度量方法如下。

2.1 可靠性度量

利用對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)的結(jié)果中可靠數(shù)據(jù)占整體的比例來(lái)衡量傳感數(shù)據(jù)的可靠性，假定Re（gij）為一個(gè)方格傳感數(shù)據(jù)的可靠性，聯(lián)系無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)概率模型，定義對(duì)于?gij有，

式中：Re（sk，gij）表示數(shù)據(jù)源感知到gij的數(shù)據(jù)的可靠性，d（sk，gij）為數(shù)據(jù)源sk到格點(diǎn)gij的距離，Rmax是單個(gè)數(shù)據(jù)源感知的最大距離。

則對(duì)于?gij感知數(shù)據(jù)可靠性定義為：

根據(jù)式（2-1） 和式（2-2），可以計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域中每個(gè)格點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)的可靠性，記為（xi，yi，ri），其中xi是格點(diǎn)的橫坐標(biāo)，yi是格點(diǎn)的縱坐標(biāo)，ri是格點(diǎn)（xi，yi） 的可靠性。為了向用戶多角度的直觀的展示目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)可靠性，可以基于以上信息繪制對(duì)應(yīng)的三維圖和等高線圖。作為示例，在300×300 單位的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署80個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，利用式（2-1） 和式（2-2） 計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域中所有格點(diǎn)的可靠性，得到了圖2 和圖3 的三維圖和等高線圖，從中能夠清晰的看到目標(biāo)區(qū)域中傳感數(shù)據(jù)的可靠性的狀況。

圖2 網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù)可靠性三維圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù)可靠性等高線圖

對(duì)于一個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，僅知道一個(gè)小格點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)可靠性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要得到一個(gè)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)可靠性，首先針對(duì)傳感數(shù)據(jù)可靠性定義一個(gè)閾值Remax將?gij的感知數(shù)據(jù)可靠性Re（gij）映射成一個(gè)二值數(shù)據(jù)re（gij），即

2.2 時(shí)效性度量

時(shí)效性是指相對(duì)于當(dāng)前任務(wù)，數(shù)據(jù)是最新數(shù)據(jù)的程度。一般用時(shí)效性來(lái)考察數(shù)據(jù)的時(shí)間特性對(duì)應(yīng)用的滿足程度。數(shù)據(jù)從產(chǎn)生、發(fā)展、到消亡，有一個(gè)相對(duì)的有效期。不同類(lèi)型的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間特性有不同的要求。

針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)，隨著時(shí)間的推移，WSN很可能隨著海水漂流到其它海域，同時(shí)節(jié)點(diǎn)向接收端傳送數(shù)據(jù)時(shí)要消耗能量，進(jìn)而節(jié)點(diǎn)逐漸失效，兩種原因?qū)е聼o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)海洋環(huán)境無(wú)法做到持續(xù)監(jiān)測(cè)。因此本文將引入劉磊等人的文獻(xiàn)中特定區(qū)域的持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間這一概念，對(duì)于特定區(qū)域D的持續(xù)時(shí)間，表示為T(mén)last（D）｜λ，用來(lái)衡量WSN 對(duì)于特定監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)能力，并反映數(shù)據(jù)質(zhì)量的時(shí)效性。

為了研究任意網(wǎng)格點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)的時(shí)效性，本文也利用網(wǎng)格的持續(xù)時(shí)間這一概念來(lái)衡量。定義對(duì)于?gij有

式中：Ta<λ（gij）表示網(wǎng)格點(diǎn)gij數(shù)據(jù)可靠性Re（gij）<λ時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，T0（gij）表示數(shù)據(jù)可靠性Re（gij）>λ的初始時(shí)刻，由于海洋環(huán)境的特殊性，必須強(qiáng)調(diào)，在整個(gè)Tlast（D）｜λ 內(nèi)，必須保證數(shù)據(jù)可靠性Re（gij）>λ。但由于傳感器的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，每個(gè)格點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間并沒(méi)有辦法計(jì)算，所以將這個(gè)持續(xù)時(shí)間映射到傳感器節(jié)點(diǎn)上，用傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間Tlast（Sk）研究后續(xù)問(wèn)題。

3 傳感數(shù)據(jù)可用性評(píng)價(jià)的應(yīng)用

本節(jié)根據(jù)第二節(jié)定義的傳感數(shù)據(jù)可靠性和時(shí)效性的度量方法，提出兩個(gè)應(yīng)用——采集船的航行路線評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)源的選擇。

3.1 采集船的航行路線評(píng)價(jià)

對(duì)船在航行過(guò)程中收集到的傳感數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是本文算法的一個(gè)重要應(yīng)用。

首先按照用戶給定的監(jiān)測(cè)粒度對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分，計(jì)算得到每個(gè)網(wǎng)格的傳感數(shù)據(jù)可靠性和每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間的值。然后根據(jù)船的實(shí)際路線信息，計(jì)算出船實(shí)際航行時(shí)所途經(jīng)的所有網(wǎng)格。最后根據(jù)式3-1 對(duì)船航行時(shí)整個(gè)路線的傳感數(shù)據(jù)可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：w（pk）是船途經(jīng)的第k 個(gè)網(wǎng)格gij的傳感數(shù)據(jù)可靠性對(duì)應(yīng)的權(quán)值，w（pk）可以根據(jù)對(duì)此網(wǎng)格采集的興趣度來(lái)確定。tk是一個(gè)時(shí)間戳。Re（pk）是對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)的tk時(shí)刻的傳感數(shù)據(jù)可靠性。n 為船的航行路線所經(jīng)過(guò)的所有網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量。Avg（U）為船的航行路線的傳感數(shù)據(jù)可用性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 數(shù)據(jù)源的選擇

問(wèn)題描述：假設(shè)對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)分布較密集的區(qū)域內(nèi)的一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)gij，設(shè)有n 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn){s1，s1，s2，…，sn} 對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)gij進(jìn)行感知。那么在此網(wǎng)格點(diǎn)處，由于傳感器節(jié)點(diǎn)間的探測(cè)區(qū)域存在交叉，可能造成數(shù)據(jù)的冗余。當(dāng)然，在傳感器節(jié)點(diǎn)部署比較稀疏的區(qū)域，有些網(wǎng)格點(diǎn)的周?chē)淮嬖跐M足條件的傳感器節(jié)點(diǎn)，可能造成了數(shù)據(jù)的“空洞”。特別是在海洋環(huán)境中，隨著海面環(huán)境的不斷變化，傳感器的位置是不確定的，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是動(dòng)態(tài)變化的。如圖4 所示，表示t 時(shí)刻某海域的傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從（a） 圖中可以看出在該時(shí)刻，傳感器節(jié)點(diǎn)的分布是不均勻的，即某些監(jiān)控區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)過(guò)多，而很大一部分監(jiān)控區(qū)域內(nèi)無(wú)傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖4 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)分布較密集的區(qū)域，由于傳感數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間相關(guān)性，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的傳感數(shù)據(jù)是很相似的，若每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均將自己感知到的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)能耗模型可以知道，傳感器節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點(diǎn)所消耗的能量占其本身能量消耗的一個(gè)很大比重，因此，會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。另一方面，要對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，那么處理大量的相似甚至相同的信息，也會(huì)造成相關(guān)資源的浪費(fèi)。在此情景下，本節(jié)針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)任意一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，提出基于可用性的數(shù)據(jù)源選擇算法，旨在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，選擇合適的數(shù)據(jù)源將其傳感數(shù)據(jù)上傳給匯聚節(jié)點(diǎn)同時(shí)保證數(shù)據(jù)的傳輸代價(jià)最小。

本文首先針對(duì)任意一個(gè)對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)gij起作用的傳感器節(jié)點(diǎn)sm，定義一個(gè)數(shù)據(jù)源選擇的指標(biāo)Cs：

式中：Re（sm，gij）表示數(shù)據(jù)源sm感知到gij的數(shù)據(jù)的可用性，tlast（sm）表示傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)定義，首先計(jì)算出n 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)gij的傳感數(shù)據(jù)的可靠性集合Re = {Re（s1，gij），Re（s2，gij），…，Re（sn，gij）}，和n 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間集合Tlast= {tlast（s1），tlast（s2），…，tlast（sn）}，這樣就能計(jì)算出數(shù)據(jù)源選擇的指標(biāo)集合CS = {Cs1，Cs2，…，Csn}。對(duì)CS 集合的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)，排隊(duì)順序是由大到小。選擇前k 個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)格點(diǎn)gij的數(shù)據(jù)源，將傳感到的數(shù)據(jù)上傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，利用傳感器硬件技術(shù)，使其它節(jié)點(diǎn)休眠以節(jié)省資源。

k 的指定是一個(gè)重要問(wèn)題，要綜合考慮用戶的要求和實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境的要求。

對(duì)于沒(méi)有傳感器節(jié)點(diǎn)的空白監(jiān)控區(qū)域，匯聚節(jié)點(diǎn)可根據(jù)該區(qū)域的歷史數(shù)據(jù)以及下一時(shí)刻的感知數(shù)據(jù)，利用插值技術(shù)（如Hermit 插值和Spline 插值）對(duì)該監(jiān)控區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)以保證感知數(shù)據(jù)的可用性。

4 實(shí)驗(yàn)

這節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示上述綜合評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)過(guò)程，求出任意T 時(shí)刻的數(shù)據(jù)可靠性，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)用——采集船航行路線的評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)源的選擇。

4.1 計(jì)算任意T 時(shí)刻網(wǎng)格的數(shù)據(jù)可靠性

圖5 為程序運(yùn)行之后的截圖（系統(tǒng)運(yùn)行了能耗模型和可靠性度量方法）。分別得到了T 時(shí)刻的剩余節(jié)點(diǎn)數(shù)和監(jiān)測(cè)海域初始時(shí)刻的數(shù)據(jù)可靠性） 其中在對(duì)話框的左側(cè)顯示了部署傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息、能耗模型的相關(guān)參數(shù)、網(wǎng)格點(diǎn)劃分粒度，最終給出本次模擬區(qū)域的數(shù)據(jù)可靠性。在對(duì)話框的右側(cè)顯示了T 時(shí)刻剩余的節(jié)點(diǎn)數(shù)、剩余節(jié)點(diǎn)的初始位置信息等。

圖5 運(yùn)行截圖——得到T 時(shí)刻剩余節(jié)點(diǎn)

圖6 運(yùn)行截圖——初始和T 時(shí)刻節(jié)點(diǎn)位置對(duì)比

觀察圖5 和圖6，初始時(shí)刻，監(jiān)測(cè)區(qū)域D 中部署了80 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，此時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域D 的傳感數(shù)據(jù)可靠性為0.852，經(jīng)過(guò)T（3 600 s） 時(shí)間節(jié)點(diǎn)的能量消耗和運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)區(qū)域D 的傳感數(shù)據(jù)可靠性變?yōu)?.426。說(shuō)明傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗和運(yùn)動(dòng)對(duì)傳感數(shù)據(jù)的可靠性有著巨大的影響。但僅基于T=1 h 的數(shù)據(jù)可靠性，不能推知T=2 h 的傳感數(shù)據(jù)可靠性一定小于0.426，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的Leeway 運(yùn)動(dòng)模型中已經(jīng)證明傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)決定于風(fēng)海流和潮流，實(shí)際環(huán)境中隨著風(fēng)向和潮流流向的變化導(dǎo)致監(jiān)測(cè)區(qū)域外的節(jié)點(diǎn)回到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，數(shù)據(jù)可靠性就會(huì)提高。

4.2 采集船的航行路線評(píng)價(jià)

圖7 路線評(píng)價(jià)截圖

4.3 數(shù)據(jù)源的選擇

圖8（系統(tǒng)運(yùn)行了3.2 數(shù)據(jù)源選擇方法） 為指定網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)源選擇截圖。其中在對(duì)話框下半部分的數(shù)據(jù)源選擇部分，本文指定了特定的網(wǎng)格左上頂點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，其中橫坐標(biāo)為100，縱坐標(biāo)為40，同時(shí)給出了k 的值為2。圖的上半部分有3 個(gè)并列的網(wǎng)格區(qū)域，從左起，第一個(gè)網(wǎng)格區(qū)域展示了整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的部署情況，部署了60 個(gè)節(jié)點(diǎn)。第2 個(gè)網(wǎng)格區(qū)域展示了對(duì)指定網(wǎng)格有感知作用的所有數(shù)據(jù)源，可以觀察到共有12 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)此網(wǎng)格有感知作用。第3 個(gè)網(wǎng)格區(qū)域展示了針對(duì)特定網(wǎng)格進(jìn)行的數(shù)據(jù)源選擇，根據(jù)要求本文算法選擇了兩個(gè)數(shù)據(jù)源。

圖8 數(shù)據(jù)源選擇截圖

然后對(duì)數(shù)據(jù)源的選擇結(jié)果進(jìn)行分析，在第2 個(gè)網(wǎng)格區(qū)域中，從每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離可以直接觀察出傳感器節(jié)點(diǎn)A 對(duì)指定位置的數(shù)據(jù)可靠性要高于節(jié)點(diǎn)B 對(duì)指定位置的數(shù)據(jù)可靠性，但是最后數(shù)據(jù)源的選擇結(jié)果中有B 節(jié)點(diǎn)卻沒(méi)有A節(jié)點(diǎn)，原因是數(shù)據(jù)源選擇算法不僅考慮了節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)可靠性，也考慮到了節(jié)點(diǎn)本身的持續(xù)時(shí)間。傳感器節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間與到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離有關(guān)，根據(jù)這一點(diǎn)，可以知道，A 節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間要小于B 節(jié)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間。

5 總結(jié)

通過(guò)傳感設(shè)備監(jiān)控海洋環(huán)境有著廣泛的應(yīng)用需求，同時(shí)也面臨著對(duì)感知到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和修復(fù)的諸多挑戰(zhàn)。本文在海洋監(jiān)測(cè)應(yīng)用背景下，從可靠性和時(shí)效性?xún)煞矫鎸?duì)傳感數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行形式化定義及度量，并結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)自身的能量限制，及海面環(huán)境影響下的移動(dòng)性等因素，提出采集船的航行路線評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)源選擇算法并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。提出的傳感數(shù)據(jù)可用性評(píng)價(jià)技術(shù)有助于高質(zhì)量的數(shù)據(jù)獲取、清洗和分析，是建立健壯的數(shù)字海洋系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。本文只對(duì)單一種類(lèi)數(shù)據(jù)的可靠性和時(shí)效性進(jìn)行了研究，未來(lái)工作計(jì)劃考慮一致性和完整性等更多指標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量特征，并建立多模態(tài)融合數(shù)據(jù)的可用性評(píng)價(jià)模型。

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