裝備移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)儀表的區(qū)域通信信息自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位

卞麗情，沈蘭蘭，王蘭威

（廣州應(yīng)用科技學(xué)院，廣州 511370）

0 引言

區(qū)域通信信息定位技術(shù)可以應(yīng)用于航空航天、環(huán)境保護(hù)、家庭監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的信息聯(lián)通設(shè)備，在遠(yuǎn)處將檢測(cè)對(duì)象的具體信息傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)中，并以數(shù)據(jù)為中心獲得信息，是一種具備廣泛的應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用前景的技術(shù)。在現(xiàn)有的區(qū)域通信信息自動(dòng)化定位技術(shù)中，大多使用圖形劃分區(qū)域定位等技術(shù)，對(duì)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)中的區(qū)域信息節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)做出模糊的定位。然后通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法或者壓縮感知技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的定位精度的提高，以及網(wǎng)絡(luò)損耗的降低。但是這樣的方法一方面難以保證在物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域傳遞的通信信息的完整性，另一方面在計(jì)算節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的坐標(biāo)時(shí)準(zhǔn)確性較差，因此難以保證通信信息的實(shí)時(shí)定位精度。基于此，本文通過(guò)裝備移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)儀表，對(duì)區(qū)域通信信息自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位技術(shù)作出了優(yōu)化。

1 裝備移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)儀表的區(qū)域通信信息自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位設(shè)計(jì)

1.1 重構(gòu)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域通信信號(hào)

在區(qū)域通信的信息定位技術(shù)中，對(duì)信號(hào)的處理是十分重要的步驟。這個(gè)過(guò)程主要分為五個(gè)步驟，分別是采集原始信號(hào)、將信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓縮包的形式、在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)傳輸原始信號(hào)、信號(hào)的解壓處理以及信號(hào)恢復(fù)重構(gòu)。在理想狀態(tài)下，想要采集到完整的原始信號(hào)[1]。需要通過(guò)高維稀疏信號(hào)作為不完備的測(cè)量值，然后將長(zhǎng)度為X的測(cè)量值盡量減少，直至原始信號(hào)被全部提取采集。設(shè)原始信號(hào)的基向量為ψx，且x=1，2，3，...，X。且在傅里葉基變化中，將每個(gè)元素作為非零值的元素，可以通過(guò)衰減趨勢(shì)分別計(jì)算稀疏變換的支撐系數(shù)，此時(shí)的系數(shù)向量計(jì)算公式為：

矩陣中，Yd表示一個(gè)4×4格式的線性方程組；矩陣中的每一個(gè)非零值均為一個(gè)原始信號(hào)。此外還需要建立投影矩陣Xd：

根據(jù)原始信號(hào)矩陣Yd與投影矩陣Xd可以得到壓縮后的信號(hào)Hf：

信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，可以通過(guò)式(5)保證確定解的存在。

式中，hp表示經(jīng)過(guò)壓縮處理后的原始信號(hào)在傳輸前后的標(biāo)準(zhǔn)差；δt表示信號(hào)等距輸送的參量；xd表示信號(hào)恢復(fù)的行列相關(guān)度。在解壓信號(hào)的過(guò)程中，兩個(gè)不同的信號(hào)不能被映射在同一個(gè)矩陣中，否則很容易造成信號(hào)的等距交換[3]。在函數(shù)中，向量的所有非零元素均具備稀疏的特性，通過(guò)最小化的信號(hào)求解，并利用等價(jià)線性規(guī)劃的方式，可以得到公式：

式中，fs表示信號(hào)的重構(gòu)替代參數(shù)；dc表示在信號(hào)重構(gòu)過(guò)程中所需要面對(duì)的凸優(yōu)化問(wèn)題參數(shù)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量值，計(jì)算環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)重構(gòu)的影響，并假定噪聲強(qiáng)度大于0，此時(shí)的噪聲情況可以表示為：

式中，ds表示噪聲的序列范數(shù)；Sd表示高斯白噪聲的信號(hào)強(qiáng)度；γf表示經(jīng)過(guò)高精度信號(hào)重構(gòu)的信號(hào)復(fù)雜度系數(shù)。通過(guò)設(shè)置權(quán)值的方法減小噪聲對(duì)信號(hào)重構(gòu)的影響，并計(jì)算數(shù)據(jù)冗余條件下的信號(hào)改善方法。通過(guò)以上內(nèi)容，即可重構(gòu)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)感知信號(hào)，并使得信號(hào)可以盡量減少傳輸過(guò)程中的信息損耗。

1.2 計(jì)算信息節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)更新坐標(biāo)

得到經(jīng)過(guò)壓縮處理后，信息損耗量較小的通信信號(hào)后，需要實(shí)時(shí)計(jì)算信息節(jié)點(diǎn)的更新坐標(biāo)，以固定錨節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力。假設(shè)信息節(jié)點(diǎn)之間的覆蓋半徑為Ri，其中兩個(gè)相鄰的信息節(jié)點(diǎn)分別為di和dj，且節(jié)點(diǎn)的位置分別表示為di（ap，bp，cp）和dj（at，bt，ct），則可以計(jì)算二者之間的距離：

式中，D（di，dj）表示兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)di和dj之間的距離；ap，bp，cp分別表示節(jié)點(diǎn)di在x軸、y軸、z軸方向的位置坐標(biāo)；at，bt，ct分別表示節(jié)點(diǎn)dj在三個(gè)方向的位置坐標(biāo)。以此計(jì)算錨節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)鄰居向量，并覆蓋視野盲區(qū)，使得節(jié)點(diǎn)可以選擇最合適的距離進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)的定位。因此可以通過(guò)模糊信息節(jié)點(diǎn)視野的方式，建立移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的模糊觀測(cè)信息，此時(shí)兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的幾何定位方法如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)定位信息節(jié)點(diǎn)

如圖1所示，通過(guò)四個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，建立一個(gè)信息采集的平面，假設(shè)信息節(jié)點(diǎn)的位置在M2，則需要依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)延伸出一個(gè)模糊的俯仰角，計(jì)算節(jié)點(diǎn)高度，作為交叉目標(biāo)定位的錨節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)相應(yīng)的高度計(jì)算最終目標(biāo)點(diǎn)[4]。在三維空間坐標(biāo)中，模糊節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的坐標(biāo)為：

式中，μi和μj分別表示∠p4p1m1以及∠m2p1m1；βa表示∠p3m1p2，βb為∠p1m1p2，βc為∠p1m1p4。通過(guò)式(10)可以計(jì)算模糊節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離：

式中，dk表示模糊節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，及圖1中的虛線部分M1M2。最后通過(guò)更新錨節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)變量，計(jì)算信息節(jié)點(diǎn)的更新距離。此時(shí)需要獲取錨節(jié)點(diǎn)的速度與方向。

式中，vh表示錨節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度；通過(guò)dh可以得知節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的方向；δd表示信息節(jié)點(diǎn)在要求范圍內(nèi)的隨機(jī)參數(shù)；af表示節(jié)點(diǎn)的平均信息長(zhǎng)度。通過(guò)式(12)，實(shí)時(shí)更新錨節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，此時(shí)的公式為：

式中，（ak，bk，ck）表示前一刻的信息節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，（ak+1，bk+1，ck+1）則表示經(jīng)過(guò)移動(dòng)后的信息定位坐標(biāo)。據(jù)此可以得到信息節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)更新坐標(biāo)。

1.3 設(shè)計(jì)區(qū)域通信信息實(shí)時(shí)定位算法

通過(guò)上文中信息節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位方法，獲得區(qū)域通信信息實(shí)時(shí)定位算法，首先需要在節(jié)點(diǎn)的位置采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)假定定向通信信號(hào)的增益比，在對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)中設(shè)置特定的角度，并將該節(jié)點(diǎn)作用于平面坐標(biāo)中。

在圖2中，通過(guò)重構(gòu)信號(hào)的方式，建立信號(hào)的目標(biāo)集合，當(dāng)信號(hào)的總值大于錨節(jié)點(diǎn)的內(nèi)角網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以將向量的內(nèi)角和從大到小依次排序。若信號(hào)總值大于節(jié)點(diǎn)內(nèi)角和，則可以以此計(jì)算節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，若總值小于內(nèi)角和，則需要重新構(gòu)建通信信號(hào)，降低信號(hào)中的噪聲影響。在最大差值重置為0的過(guò)程中，需要判定錨節(jié)點(diǎn)的可靠性，并依次過(guò)濾篩選。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)中的初始節(jié)點(diǎn)路徑損耗指數(shù)小于誤差閾值時(shí)，需要重新設(shè)置信號(hào)差值，但是當(dāng)路徑損耗指數(shù)大于誤差閾值時(shí)，則可以繼續(xù)提取信號(hào)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[5]。當(dāng)判定其中某個(gè)節(jié)點(diǎn)為無(wú)效節(jié)點(diǎn)時(shí)，可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，實(shí)時(shí)更新定位算法。定義修正因子（α，β，γ），其中修正因子的求解公式為：

圖2 通信信息實(shí)時(shí)定位算法

式中，a和ai分別表示通信節(jié)點(diǎn)移動(dòng)前與移動(dòng)后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)修正因子計(jì)算無(wú)效節(jié)點(diǎn)的更新位置。此時(shí)算法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了定位區(qū)域的虛擬分層，并按照節(jié)點(diǎn)之間的距離提高了定位精度，同時(shí)也極大地降低了計(jì)算的復(fù)雜度。

2 應(yīng)用測(cè)試

2.1 仿真環(huán)境設(shè)置及信息定位誤差計(jì)算

在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)裝備移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)儀表的區(qū)域通信信息自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位進(jìn)行仿真，在不同的參數(shù)下驗(yàn)證該定位算法的性能。隨機(jī)設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度單位為n×n的信息網(wǎng)絡(luò)，其中傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為M個(gè)。將信息網(wǎng)絡(luò)劃分為如圖3所示的網(wǎng)格，并在其中添加傳感器節(jié)點(diǎn)與待定位的目標(biāo)。

圖3 區(qū)域通信信息網(wǎng)絡(luò)

在圖3中，每一個(gè)網(wǎng)格至多有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的感知半徑為Rd時(shí)，節(jié)點(diǎn)想要感知到目標(biāo)，需要將節(jié)點(diǎn)放置到距傳感器不足Rd距離處，這樣才能感知到節(jié)點(diǎn)的存在。想要證明文中設(shè)計(jì)的信息定位技術(shù)的有效性與可靠性，需要在數(shù)據(jù)中添加一部分高斯白噪音，計(jì)算噪聲與節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量值，并繪制矩陣。在實(shí)驗(yàn)中，想要衡量信息定位的有效性，需要計(jì)算目標(biāo)定位的精準(zhǔn)度，即信息定位的誤差，其公式可以表示為：

式中，dr表示信息定位誤差，當(dāng)dr越高時(shí)，算法的定位精度越低；Kn表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；fi和gi分別表示目標(biāo)點(diǎn)在x軸與y軸中的實(shí)際位置；f'i和g'i分別表示經(jīng)過(guò)算法定位的目標(biāo)點(diǎn)在x軸方向的位置；Rd表示傳感器節(jié)點(diǎn)所能夠感知到的信息節(jié)點(diǎn)的半徑。

2.2 不同參數(shù)對(duì)定位效果的影響

在算法中，傳感器的感知半徑Rd、信息節(jié)點(diǎn)的數(shù)量Kn、傳感器自身的數(shù)量Kf均會(huì)對(duì)區(qū)域通信信息自動(dòng)化定位的精度造成影響，因此分別對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以尋找最優(yōu)的參數(shù)項(xiàng)。如圖3所示，設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為10，信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格數(shù)量為10×10，信息節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為20，將感知半徑作為變量，測(cè)試傳感器感知半徑對(duì)定位效果的影響，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳感器感知半徑對(duì)定位效果的影響

在圖4中，分別測(cè)試不同噪聲環(huán)境下，傳感器半徑不同導(dǎo)致的信息定位誤差變化。當(dāng)傳感器的感知半徑為0.1單位長(zhǎng)度時(shí)，四種條件下的信息定位誤差均為最大值，即定位精度較差。此后，隨著傳感器的感知半徑的增加，信息定位誤差呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，在環(huán)境噪聲為15、25、30，且傳感器感知半徑達(dá)到0.6時(shí)，信息定位誤差為最小值；環(huán)境噪聲為20時(shí)，傳感器感知半徑為0.7時(shí)，信息定位誤差達(dá)到最小值。設(shè)置信息節(jié)點(diǎn)的數(shù)量分別為20～65，測(cè)試不同環(huán)境噪聲影響下信息定位誤差的變化趨勢(shì)，得到圖5。

圖5 信息節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)定位效果的影響

如圖5所示，在不同的噪聲環(huán)境中，信息定位誤差均隨著信息節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加逐漸增加，呈現(xiàn)出“S”型的特征。在此情況下，信息節(jié)點(diǎn)數(shù)量為20～30時(shí)，信息定位誤差達(dá)到最小值0.11。設(shè)置傳感器的數(shù)量為5～50，測(cè)試傳感器數(shù)量的不同對(duì)信息定位效果的影響，并得到圖6。

圖6 傳感器數(shù)量對(duì)定位效果的影響

在圖6中，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，信息定位誤差急速降低。當(dāng)環(huán)境噪聲為25和30dB時(shí)，信息定位誤差首先達(dá)到最小值0.09，此時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為30。當(dāng)環(huán)境噪聲為15和20dB時(shí)，信息定位誤差達(dá)到最小值，此時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量為35。

2.3 算法性能測(cè)試

分別測(cè)試基于Voronoi圖的定位技術(shù)、基于優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的定位方法、基于多維測(cè)量信息壓縮感知的定位技術(shù)，以及文中提出的通信信息自動(dòng)化定位技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷文中設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性?；谝陨献顑?yōu)參數(shù)的求解，設(shè)置傳感器感知半徑為0.6，信息節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為30，傳感器數(shù)量為40。得到不同算法性能對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同算法性能對(duì)比

在圖7中，四種算法在不同背景噪聲下的信息定位誤差均不相同。當(dāng)背景噪聲不斷增加時(shí)，信息定位誤差也在不斷增加，由此可見(jiàn)背景噪聲越小，區(qū)域通信信息的自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位精度越高。且對(duì)比其他三種技術(shù)，文中方法的信息定位誤差最小為0.07，最大為0.11，在圖中可以明確得知，該方法的信息定位誤差遠(yuǎn)小于其他三種方法。因此，文中裝備移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)儀表的區(qū)域通信信息自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位技術(shù)具備較好的定位準(zhǔn)確性，其精度指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于裝備移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)儀表對(duì)區(qū)域通信信息自動(dòng)化實(shí)時(shí)定位技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)重構(gòu)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)區(qū)域通信信號(hào)，計(jì)算信息節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)更新坐標(biāo)，最終得到了區(qū)域通信信息實(shí)時(shí)定位算法，通過(guò)該算法可以明確得到精度更高的定位技術(shù)。在該技術(shù)下，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以得到更廣泛的傳播，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)以及信息節(jié)點(diǎn)環(huán)境也作出了相應(yīng)的測(cè)試，能夠在相對(duì)較為復(fù)雜的環(huán)境下得到精度更高的定位結(jié)果，解決了信息節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過(guò)程中難以定位的問(wèn)題。