CN113486481B - 一种环境感知网络的优化设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种环境感知网络的优化设置方法，所述方法包含：步骤S1：构建当前环境感知网络的网络模型；步骤S2：判断环境空间是否被划分完毕；如果是，则进入步骤S3；否则，调整已划分多边形区域以消除未被划分区域；如果通过调整不能够消除所有未划分区域，则基于已有的边界点将未划分区域划分为一个或者多个多边形区域；步骤S3：寻找最优设置方式，并输出最优设置方式。本发明能够融合已有的感知节点和当前的环境空间特性共同寻找最优的感知节点设置方式，从而充分的利用既有物理资源。

Description

一种环境感知网络的优化设置方法
【技术领域】
本发明涉及建筑能源管理技术领域，提出了一种环境感知网络的优化设置方法。
【背景技术】
建筑能源管理技术也逐渐的和新一代信息化技术紧密的结合起来了，如何运用新一代信息化技术，将正向整合设计与居民满意度评估分析，协同设计管控，环境变量耦合设计等技术进行整合应用，达到绿色住区设计全专业、全过程的一体化协同，一直是我国面临的技术难题。本发明结合机器学习方法构建环境网络监测与预警模型及框架，实现健康状况和建筑环境的实时感知、风险的主动预测。从而反映相对应的居家环境实体，提高家庭健康建筑信息与人员健康信息集成效率和多维度数据融合的可靠性、一致性和完整性。解决了为公共环境提升改造和后续项目设计提供准确依据的难题，实现了为社区公共空间建成环境变量耦合设计提供精准数据支撑。而现有情况，既有环境传感器已经普遍存在，那么在进行环境传感网络的构建过程中，如何有效的利用既有的传感节点，如何将其与复杂的环境空间相结合，和创建的感知节点共同构成有效的环境网络是待解决的问题。本发明能够(1)融合已有的感知节点和当前的环境空间特性共同寻找最优的感知节点设置方式，从而充分的利用既有物理资源；(2)扩展到三维空间中用于多层次的感知节点设置；(3)将感知节点的设置和感知节点的能力想关联的进行感知网络的设置，从而构建符合当前社会发展情况和用户可用资源相符合的最优感知网络设置方式。
【发明内容】
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种环境感知网络的优化设置方法，所述方法包括：
步骤S1：构建当前环境感知网络的网络模型；
步骤S2：判断环境空间是否被划分完毕；如果是，则进入步骤S3；否则，调整已划分多边形区域以消除未被划分区域；如果通过调整不能够消除所有未划分区域，则基于已有的边界点将未划分区域划分为一个或者多个多边形区域；
步骤S3：寻找最优设置方式，并输出最优设置方式。
进一步的，所述步骤S1具体为：将当前环境空间划分为多边形区域，通过多边形划分，能够将当前环境空间划分为多边形结构剖分的空间结构；多边形区域由边界点Bi界定，多边形区域中设置感知节点Ii，感知节点用于其所在多边形区域中的环境信息；所述多边形区域中任一点和感知节点之间的距离都小于该任一点到其他感知节点之间的距离；多边形区域的大小和感知节点的感知能力相关，感知能力越大其对应的多边形区域越大，反之亦然。
进一步的，所述将当前环境空间划分为多边形区域，具体包括如下步骤：
步骤SA1：获取初始感知节点；并为初始感知节点构建多边形区域；所构建的多边形区域和初始感知节点的感知能力相适配；当环境空间中有预置的感知节点时，初始感知节点为和环境空间中心距离最近的感知节点；否则，在距离环境空间中心最近的可设置位置设置感知节点；将所构建的多边形区域放入待处理多边形区域队列中；
步骤SA2：从多边形区域队列头部获取一个待处理多边形区域，并为所述待处理多边形区域构建相邻的多边形区域；依次基于每个相邻面或者相邻边构建相邻多边形区域，如果存在一个相邻多边形区域使得该相邻多边形区域能够覆盖一个预置的感知节点时，则构建一能够覆盖所述一个预置的感知节点的最大相邻多边形区域；所述相邻多边形区域的边界点位于以该预置感知节点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径的外接圆内；否则，不为所述相邻面/相邻边构建相邻多边形区域；将构建的多边形区域放入待处理多边形区域队列尾部；
步骤SA3：如果待处理多边形区域队列空，则进入步骤SA4；否则进入步骤SA2；
步骤SA4：对每个未覆盖到多边形区域中的感知节点，基于已有的边界点构建多边形区域，并以一个感知节点为中心基于所述一个感知节点的感知能力创建多边形区域；在构建过程中，最大化的利用已有的边界点，且所利用的已有边界点位于以该预置感知节点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径的外接圆内。
进一步的，同一个多边形区域中有多个感知节点时，基于可信程度选择一个感知节点。
进一步的，融合感知节的信息以用于环境控制。
进一步的，所述多边形区域是二维或者三维空间。
一种环境感知网络的优化设置装置，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述一种环境感知网络的优化设置方法。
一种设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述一种环境感知网络的优化设置方法。
一种环境感知网络的优化设置***，其特征在于，所述***包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述一种环境感知网络的优化设置方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述一种环境感知网络的优化设置方法。
有益效果：
(1)能够融合已有的感知节点和当前的环境空间特性共同寻找最优的感知节点设置方式，从而充分的利用既有物理资源；(2)能够扩展到三维空间中用于多层次的感知节点设置；(3)能够将感知节点的设置和感知节点的能力想关联的进行感知网络的设置，从而构建符合当前社会发展情况和用户可用资源相符合的最优感知网络设置方式。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的环境感知网络的优化设置方法的示意图。
图2为本发明的环境感知网络的划分方法示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明所述的环境感知网络的优化设置方法包括如下步骤：
步骤S1：构建当前环境感知网络的网络模型；具体的：将当前环境空间划分为多边形区域，通过多边形划分，能够将当前环境空间划分为多边形结构剖分的空间结构；多边形区域由边界点Bi界定，多边形区域中设置感知节点Ii，感知节点用于其所在多边形区域中的环境信息；所述多边形区域中任一点和感知节点之间的距离都小于该任一点到其他感知节点之间的距离；多边形区域的大小和感知节点的感知能力相关，感知能力越大其对应的多边形区域越大，反之亦然；也就是说，该网络建模的方式能够适应不同感知能力的感知节点，和当前的硬件设置情况更加相符合；
优选的：所述多边形区域是二维或者三维空间；
所述将当前环境空间划分为多边形区域，具体包括如下步骤：
步骤SA1：获取初始感知节点；并为初始感知节点构建多边形区域；所构建的多边形区域和初始感知节点的感知能力相适配；当环境空间中有预置的感知节点时，初始感知节点为和环境空间中心距离最近的感知节点；否则，在距离环境空间中心最近的可设置位置设置感知节点；将所构建的多边形区域放入待处理多边形区域队列中；是否可设置取决于环境空间的实际物理情况，有些时候物理条件不允许则不可设置；
步骤SA2：从多边形区域队列头部获取一个待处理多边形区域，并为所述待处理多边形区域构建相邻的多边形区域；依次基于每个相邻面或者相邻边构建相邻多边形区域，如果存在一个相邻多边形区域使得该相邻多边形区域能够覆盖一个预置的感知节点时，则构建一能够覆盖所述一个预置的感知节点的最大相邻多边形区域；所述相邻多边形区域的边界点位于以该预置感知节点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径的外接圆内；否则，不为所述相邻面/相邻边构建相邻多边形区域；将构建的多边形区域放入待处理多边形区域队列尾部；
优选的：当存在一个相邻多边形区域使得该相邻多边形区域能够覆盖多个预置的感知节点时，可以随机选择一个预置的感知节点，当然可以根据感知节点的感知能力来选择，还可以看这些感知节点的覆盖范围，选择覆盖范围和其他感知节点重合度最高的感知节点作为所选择的阈值的感知节点；
由于感知节点的感知能力在一定的技术能力范围内差异是不大的，因此，所划分的多边形差异也不会过大；但是既有感知节点由于设置年代的不同而可能产生相差较大的感知范围和感知能力；
步骤SA3：如果待处理多边形区域队列空，则进入步骤SA4；否则进入步骤SA2；
步骤SA4：对每个未覆盖到多边形区域中的感知节点，基于已有的边界点构建多边形区域，并以一个感知节点为中心基于所述一个感知节点的感知能力创建多边形区域；在构建过程中，最大化的利用已有的边界点，且所利用的已有边界点位于以该预置感知节点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径的外接圆内；当存在多个可利用的已有边界点时，选择感知损失aI，j最小的多个边界点进行构建；感知损失采用下式计算；
Figure BDA0003133984440000071
其中：hI是第j个边界点和感知节点I之间的距离；sI是感知节点I的感知范围，由于感知节点的感知范围假设为圆形，因此，感知范围用感知半径R参与计算；感知半径和感知能力相关；
这里在创建的时候尽量以一个感知节点为中心创建的，也就是说在保持多边形区域的多边形形状的基础上，避免将多个感知节点纳入同一个感知节点能力范围内，当一个感知节点的能力完全覆盖另一个感知节点的能力范围时，可以将被覆盖的感知节点覆盖进另一个感知节点对应多边形区域中；这样两个感知节点相当于起到一个冗余的作用，或者一个感知节点被浪费了；
优选的：当同一个多边形区域中有多个感知节点时，基于可信程度选择一个感知节点；可替换的：融合感知节的信息以用于环境控制；
优选的：所述多边形是三角形或三棱锥；为同一环境空间所采用的多边形区域的是相同的；如附图2所示，环境空间为二维空间并被划分为三角形区域；通过上述划分方式，在初始状况下，最大程度地保持了均衡性,避免狭长多边形区域的出现,是最接近于规则化的划分；
步骤S2：判断环境空间是否被划分完毕；如果是，则进入步骤S3；否则，调整已划分多边形区域以消除未被划分区域；如果通过调整不能够消除所有未划分区域，则基于已有的边界点将未划分区域划分为一个或者多个多边形区域；
所述调整已划分多边形区域以消除未被划分区域，具体为：获取未划分多边形区域的相邻多边形区域，在满足任一多边形区域中任一点和感知节点之间的距离都小于该任一点到其他感知节点之间的距离的前提下，调整相邻多边形的相邻边或相邻面，以缩小未划分多边形的面积；
所述调整相邻多边形的相邻边或相邻面，具体为：从下面两种优化方式中选择一种方式，使得所选择的方式对应的目标值最小，持续调整直到不能采用下面两种做调整或采用下述两种调整方式都不能进一步降低目标值为止；
优选的：目标值
Figure BDA0003133984440000081
其中：Ag2是调整后内角加和值，Ag1是调整前内角加和值，Sz2是调整后面积/体积，Sz1是调整前面积/体积，Ln2是调整后边的条数，Ln1是调整前边的条数；a，b，c是常数调整值；
方式一：从未划分多边形区域的最大内角对应的相邻边/相邻面开始，如果所述最大内角在第一角度范围内，则将所述角度调整为180度角且在不满足上述前提的情况下通过调整相邻边的交接点/相邻面的交线位置的方式来满足上述前提；
方式二：从未划分多边形区域的最小内角对应的相邻边/相邻面开始，如果所述最小内角在第二角度范围内，则将所述角度调整为0度角且在不满足上述前提的情况下通过调整相邻边的非交接点/相邻面的非交接线位置的方式来满足上述前提；所述调整的方向优先为使得相邻边/相邻面的大小接近；
在采用上述两种调整方式均不能消除所有未划分多边形区域时，根据未划分多边形区域边界点的个数计算可划分成多边形区域的方式，从中选择一种方式划分，当然要满足上述前提的同时，保证多边形区域之间的均衡性；也可以在划分过程中先采用已有的边界点，在已有的边界点不可用的情况下，以已有边界点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径设置多个外接圆，并将以外接圆的交叉点作为圆心，以所述感知节点的感知范围为半径设置边界圆，在边界圆上设置边界点以形成新划分的多边形区域；约束条件是行划分的数量最小；
优选的：对最终剩下的未划分区域，进行随机划分，或者人工划分；
优选的：第一角度范围是[120,180),(180,360)；所述第二角度范围为：(0,A)；其中A是多边形区域的内角值；
步骤S3：寻找最优设置方式，并输出最优设置方式；具体的：计算多边形区域的平均大小，当平均大小和与标准大小之间的差异超过容忍值时，对所划分的多边形区域做全局调整以寻找最优设置方式；否则，为当前所有未设置感知节点的多边形区域设置感知节点，并将当前所有感知节点的设置方式作为最优设置方式，并输出所述最优设置方式；
优选的：基于环境空间中所划分的区域的个数和环境空间的总尺寸计算平均大小；基于感知节点的感知能力和环境空间的总尺寸计算标准大小；
所述对所划分的多边形区域做全局调整以寻找最优设置方式：具体为：对于每个多边形区域，按照其大小与标准大小之间的差异超过容忍值的多少，从多到少依次做调整，以使得调整后的多边形区域大小与标准大小之间的差异降低；在调整过程需要保持多边形区域中任一点和感知节点之间的距离都小于该任一点到其他感知节点之间的距离的前提；此时如果多边形区域中还未设置感知节点，则假设其他感知节点位于其所述多边形区域的中心/质心位置；在每个区域都被调整后，再次判断平均大小和与标准大小之间的差异是否超过容忍值，如果是，则继续重复该步骤，否则，结束调整；
可替换的，不针对每个区域作调整，而是仅针对未设置感知节点的区域进行调整；
当然可以考虑做区域的合并来减少浪费的区域面积和浪费的感知节点设置，但是本发明中在划分过程中在不断的寻求局部最优，因此，区域合并带来的效果不是非常明显，在随机划分方式中可以选取区域合并的方式来消除可能的碎片；
可以利用被设计用于进行在此所述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、ASIC、场可编程门阵列信号(FPGA)或其他可编程逻辑器件(PLD)、离散门或晶体管逻辑、离散的硬件组件或者其任意组合而实现或进行所述的各个例示的逻辑块、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，但是作为替换，该处理器可以是任何商业上可获得的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合，多个微处理器、与DSP核协作的一个或多个微处理器或任何其他这样的配置。
集合本公开描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入在硬件中、处理器执行的软件模块中或者这两种的组合中。软件模块可以存在于任何形式的有形存储介质中。可以使用的存储介质的一些例子包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、快闪存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬碟、可移动碟、CD-ROM等。存储介质可以耦接到处理器以便该处理器可以从该存储介质读取信息以及向该存储介质写信息。在替换方式中，存储介质可以与处理器是整体的。软件模块可以是单个指令或者许多指令，并且可以分布在几个不同的代码段上、不同的程序之间以及跨过多个存储介质。
所述的功能可以按硬件、软件、固件或其任意组合而实现。如果以软件实现，功能可以作为一个或多个指令存储在切实的计算机可读介质上。计算机可读介质包括计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是能被计算机访问的任何可用存储介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储设备、或能被用来承载或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其他介质。另外，所传播的信号不被包括在计算机可读存储介质的范围内。计算机可读介质还包括通信介质，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。连接例如可以是通信介质。例如，如果软件使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外线、无线电、以及微波之类的无线技术来从web网站、服务器、或其它远程源传输，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外线、无线电、以及微波之类的无线技术被包括在通信介质的定义中。上述的组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。替换地或另选地，此处描述的功能可以至少部分由一个或多个硬件逻辑组件来执行。例如，可使用的硬件逻辑组件的说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用的集成电路(ASIC)、程序专用的标准产品(ASSP)、片上***(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。
因此，计算机程序产品可以进行在此给出的操作。例如，这样的计算机程序产品可以是具有有形存储(和/或编码)在其上的指令的计算机可读的有形介质，该指令可由一个或多个处理器执行以进行在此所述的操作。计算机程序产品可以包括包装的材料。
软件或指令也可以通过传输介质而传输。例如，可以使用诸如同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字订户线(DSL)或诸如红外、无线电或微波的无线技术的传输介质从网站、服务器或者其他远程源传输软件。
此外，用于进行在此所述的方法和技术的模块和/或其他适当的手段可以在适当时由用户终端和/或基站下载和/或其他方式获得。例如，这样的设备可以耦接到服务器以促进用于进行在此所述的方法的手段的传送。或者，在此所述的各种方法可以经由存储部件(例如RAM、ROM、诸如CD或软碟等的物理存储介质)提供，以便用户终端和/或基站可以在耦接到该设备或者向该设备提供存储部件时获得各种方法。此外，可以利用用于将在此所述的方法和技术提供给设备的任何其他适当的技术。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种环境感知网络的优化设置方法，其特征在于，所述方法包含：
步骤S1：构建当前环境感知网络的网络模型；
步骤S2：判断环境空间是否被划分完毕；如果是，则进入步骤S3；否则，调整已划分多边形区域以消除未被划分区域；如果通过调整不能够消除所有未划分区域，则基于已有的边界点将未划分区域划分为一个或者多个多边形区域；
步骤S3：寻找最优设置方式，并输出最优设置方式；
所述步骤S1具体为：将当前环境空间划分为多边形区域，通过多边形划分，能够将当前环境空间划分为多边形结构剖分的空间结构；多边形区域由边界点Bi界定，多边形区域中设置感知节点Ii，感知节点用于感知其所在多边形区域中的环境信息；所述多边形区域中任一点和感知节点之间的距离都小于该任一点到其他感知节点之间的距离；多边形区域的大小和感知节点的感知能力相关，感知能力越大其对应的多边形区域越大，反之亦然；
所述将当前环境空间划分为多边形区域，具体包括如下步骤：
步骤SA1：获取初始感知节点；并为初始感知节点构建多边形区域；所构建的多边形区域和初始感知节点的感知能力相适配；当环境空间中有预置的感知节点时，初始感知节点为和环境空间中心距离最近的感知节点；否则，在距离环境空间中心最近的可设置位置设置感知节点；将所构建的多边形区域放入待处理多边形区域队列中；
步骤SA2：从多边形区域队列头部获取一个待处理多边形区域，并为所述待处理多边形区域构建相邻的多边形区域；依次基于每个相邻面或者相邻边构建相邻多边形区域，如果存在一个相邻多边形区域使得该相邻多边形区域能够覆盖一个预置的感知节点时，则构建一个能够覆盖所述一个预置的感知节点的最大相邻多边形区域；所述相邻多边形区域的边界点位于以该预置感知节点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径的外接圆内；否则，不为所述相邻面/相邻边构建相邻多边形区域；将构建的多边形区域放入待处理多边形区域队列尾部；
步骤SA3：如果待处理多边形区域队列空，则进入步骤SA4；否则进入步骤SA2；
步骤SA4：对每个未覆盖到多边形区域中的感知节点，基于已有的边界点构建多边形区域，并以一个感知节点为中心基于所述一个感知节点的感知能力创建多边形区域；在构建过程中，最大化的利用已有的边界点，且所利用的已有边界点位于以该预置感知节点为中心，以所述感知节点的感知范围为半径的外接圆内。
2.根据权利要求1所述的环境感知网络的优化设置方法，其特征在于，同一个多边形区域中有多个感知节点时，基于可信程度选择一个感知节点。
3.根据权利要求2所述的环境感知网络的优化设置方法，其特征在于，融合感知节的信息以用于环境控制。
4.根据权利要求3所述的环境感知网络的优化设置方法，其特征在于，所述多边形区域是二维或者三维空间。
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